Пневматический цилиндр

Схема работы цилиндра одностороннего действия. Пружина (красная) также может быть снаружи цилиндра, прикрепленной к перемещаемому элементу. Схема работы цилиндра двойного действия 3D анимированный пневматический цилиндр (CAD ) Схематическое изображение пневматического цилиндра с пружиной return

Пневматические цилиндры (иногда называемые воздушные цилиндры ) - это механические устройства, которые используют энергию сжатого газа для создания силы при возвратно-поступательном линейном движении.

Подобно гидроцилиндрам, что-то заставляет поршень двигаться в желаемом направлении. Поршень представляет собой диск или цилиндр, и шток поршня передает ему силу. развивается до перемещаемого объекта. Инженеры иногда предпочитают использовать пневматику, потому что она тише, чище и не требует большого количества места для хранения жидкости.

Поскольку рабочая жидкость представляет собой газ, утечка из Пневматический цилиндр не будет капать и загрязнять окружающую среду, что делает пневматику более желательной там, где требуется чистота. Например, в механических куклах Disney Tiki Room пневматика используется для предотвращения капания жидкости на людей под куклами.

Содержание

• 1 Эксплуатация
  • 1.1 Общие положения
  • 1.2 Сжимаемость газов
  • 1.3 Отказобезопасные механизмы
• 2 типа
  • 2.1 Цилиндры двойного действия
  • 2.2 Многоступенчатые, телескопические цилиндр
  • 2.3 Другие типы
    • 2.3.1 Бесштоковые цилиндры
• 3 Конструкция
  • 3.1 Конструкция
  • 3.2 Материал
  • 3.3 Крепления
  • 3.4 Размеры
• 4 Давление, радиус, площадь и соотношения сил
  • 4.1 Напряжения в штанге
  • 4.2 Ход поршня и обратный ход
    • 4.2.1 Внешний ход
    • 4.2.2 Ход
• 5 См. также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Работа

Общие сведения

При срабатывании сжатый воздух входит в трубку на одном конце поршня и передает силу на поршень. Следовательно, поршень смещается.

Сжимаемость газов

Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются инженеры при работе с пневматическими цилиндрами, связана со сжимаемостью газа. Было проведено множество исследований того, как можно повлиять на точность пневматического цилиндра, поскольку нагрузка, действующая на цилиндр, пытается еще больше сжать используемый газ. При вертикальной нагрузке, когда цилиндр принимает на себя полную нагрузку, точность цилиндра страдает больше всего. Исследование, проведенное в Национальном университете Ченг Кунг на Тайване, показало, что точность составляет около ± 30 нм, что все еще находится в удовлетворительном диапазоне, но показывает, что сжимаемость воздуха влияет на систему.

Отказоустойчивость механизмы

часто встречаются в условиях, где даже редкость и краткость недопустимы. В таких ситуациях замки иногда могут служить защитным механизмом в случае потери подачи воздуха (или падения его давления ) и, таким образом, устранять или уменьшать любой ущерб, возникший в такой ситуации. Утечка воздуха из входа или выхода снижает давление на выходе.

Типы

Хотя пневматические цилиндры различаются по внешнему виду, размеру и функциям, они обычно относятся к одной из конкретных категорий, показанных ниже. Однако существует также множество других типов пневматических цилиндров, многие из которых предназначены для выполнения определенных и специализированных функций.

Цилиндры двойного действия

Цилиндры двойного действия (DAC) используют силу воздуха для движения как при выдвижении, так и при втягивании. У них есть два порта для впуска воздуха: один для прямого хода, а другой - для прямого. Длина хода для этой конструкции не ограничена, однако шток поршня более уязвим к короблению и изгибу. Также должны быть выполнены дополнительные расчеты.

Многоступенчатый телескопический цилиндр

пневматический телескопический цилиндр, 8-ступенчатый, одностороннего действия, втянутый и выдвинутый

Телескопические цилиндры, также известные как телескопические цилиндры могут быть одностороннего или двустороннего действия. Телескопический цилиндр включает шток поршня, вложенный в серию полых ступеней увеличивающегося диаметра. При приведении в действие шток поршня и каждая последующая ступень «выдвигаются» в виде сегментированного поршня. Основное преимущество этой конструкции - допуск на значительно больший ход, чем был бы достигнут с одноступенчатым цилиндром такой же длины в сжатом (втянутом) положении. Одним из упомянутых недостатков телескопических цилиндров является повышенная вероятность изгиба поршня из-за сегментированной конструкции поршня. Следовательно, телескопические цилиндры в основном используются в тех случаях, когда поршень испытывает минимальную боковую нагрузку.

Другие типы

Хотя пневмоцилиндры SAC и DAC являются наиболее распространенными типами пневмоцилиндров, следующие типы особенно не подходят. редко:

• Пневматические цилиндры со сквозным штоком: шток поршня проходит через обе стороны цилиндра, обеспечивая одинаковые силы и скорости с обеих сторон.
• Пневматические цилиндры со стороны амортизатора: цилиндры с регулируемым выпуском воздуха для предотвращения ударов между ними. поршневой шток и торцевая крышка цилиндра.
• Поворотные пневмоцилиндры: приводы, которые используют воздух для передачи вращательного движения.
• Бесштоковые пневмоцилиндры: у них нет поршневого штока. Это приводы, которые используют механическую или магнитную муфту для передачи силы, обычно столу или другому телу, которое движется по длине корпуса цилиндра, но не выходит за его пределы.
• Тандемный пневмоцилиндр: два цилиндра, соединенные последовательно
• Ударный пневмоцилиндр: высокоскоростные цилиндры со специально разработанными торцевыми крышками, которые выдерживают удары выдвигающихся или втягивающихся штоков поршней.

Бесштоковые цилиндры

Бесштоковые цилиндры не имеют штока, только относительно длинный поршень. Тросовые цилиндры сохраняют отверстия на одном или обоих концах, но пропускают гибкий кабель, а не стержень. Этот кабель имеет гладкую пластиковую оболочку для герметизации. Конечно, одиночный трос должен оставаться в натянутом состоянии. Другие бесштоковые цилиндры закрывают оба конца, соединяя поршень либо магнитно, либо механически с приводом, который движется вдоль внешней стороны цилиндра. В магнитном типе цилиндр тонкостенный и изготовлен из немагнитного материала, цилиндр представляет собой мощный магнит и тянет за собой магнитный бегунок снаружи.

В механическом варианте часть цилиндра выходит наружу через прорезь, сокращающую длину цилиндра. Затем прорезь герметизируется гибкими металлическими уплотнительными лентами внутри (для предотвращения утечки газа) и снаружи (для предотвращения загрязнения). Сам поршень имеет два торцевых уплотнения, а между ними кулачковые поверхности для «снятия» уплотнений перед выступающим рычагом и их замены сзади. Таким образом, внутреннее пространство поршня находится под атмосферным давлением.

Одним из хорошо известных применений механического типа (хотя и с паровым приводом) являются катапульты, используемые на многих современных авианосцы.

Конструкция

Конструкция

В зависимости от задания доступны несколько форм конструкций кузова:

• Цилиндры рулевой тяги: наиболее распространенные конструкции цилиндров, которые могут быть использованы во многих видах нагрузок. Доказано, что это самая безопасная форма.
• Цилиндры фланцевого типа: к концам цилиндра добавляются фиксированные фланцы, однако эта форма конструкции более распространена в конструкции гидроцилиндров.
• Цельные сварные цилиндры: концы привариваются или обжимаются к трубе, такая форма недорогая, но делает цилиндр непригодным для обслуживания.
• Цилиндры с резьбовым концом: концы навинчиваются на корпус трубы. Уменьшение количества материала может ослабить трубу и вызвать проблемы соосности резьбы в системе.

Материал

Материал может быть выбран в соответствии с техническими условиями работы. Диапазон материалов - от никелированной латуни до алюминия и даже стали и нержавеющей стали. В зависимости от указанного уровня нагрузок, влажности, температуры и длины хода может быть выбран соответствующий материал.

Крепления

В зависимости от места применения и обрабатываемости существуют разные виды креплений для крепления пневмоцилиндров:

Тип крепления

Конец штока	Конец цилиндра
Плоский	Обычный
Резьбовой	Ножка
Кронштейн	Кронштейн - одинарный или двойной
Крутящий момент или проушина	Цапфа
Фланец	Фланец
	Тяга и т. Д.

Размеры

Воздушные баллоны доступны в различных размерах и обычно могут варьироваться от небольшого воздушного баллона 2,5 мм (⁄ 10 дюйма), который может использоваться для подключения небольшого транзистора или другого электронного компонента. в воздушные цилиндры диаметром 400 мм (16 дюймов), которые будут передавать достаточную силу для подъема автомобиля. Некоторые пневматические цилиндры достигают 1000 мм (39 дюймов) в диаметре и используются вместо гидроцилиндров в особых случаях, когда утечка гидравлического масла может представлять серьезную опасность.

Зависимость давления, радиуса, площади и силы

Напряжения в штоке

Из-за сил, действующих на цилиндр, шток поршня является наиболее напряженным компонентом и должен быть спроектирован выдерживать большие изгибающие, растягивающие и сжимающие усилия. В зависимости от длины штока поршня, напряжения можно рассчитывать по-разному. Если длина стержня меньше чем в 10 раз превышает диаметр, то его можно рассматривать как твердое тело, на которое действуют сжимающие или растягивающие силы. В этом случае соотношение:

$F\; =\; A\; \sigma \; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; A\; \backslash \; sigma\}$

Где:

$F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$- сжатие или растяжение сила

$A\; \{\backslash \; displaystyle\; A\}$- это площадь поперечного сечения штока поршня

$\sigma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; sigma\}$- напряжение

Однако, если длина стержня в 10 раз превышает значение диаметра, то стержень необходимо рассматривать как столб, и также необходимо рассчитывать продольный изгиб.

Ход и ход

Хотя диаметр поршня и сила, прилагаемая цилиндром, связаны, они не прямо пропорциональны друг другу. Кроме того, типичное математическое соотношение между ними предполагает, что подача воздуха не становится насыщенной. Из-за того, что эффективная площадь поперечного сечения, уменьшенная на площадь штока поршня, сила прямого хода меньше, чем сила обратного хода, когда оба они приводятся в действие пневматически и от одной подачи сжатого газа.

Связь между силой, радиусом и давлением может быть получена из простого уравнения распределенной нагрузки:

$F\; r\; =\; PA\; e\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\; =\; PA\_\; \{e\}\}$

Где:

$F\; r\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\}$- результирующая сила

$P\; \{\backslash \; displaystyle\; P\}$- давление или распределенная нагрузка на поверхность

$A\; e\; \{\backslash \; displaystyle\; A\_\; \{e\}\}$- эффективная площадь поперечного сечения, на которую действует нагрузка

Outstroke

Использование уравнения распределенной нагрузки при условии $A\; e\; \{\backslash \; displaystyle\; A\_\; \{e\}\}$можно заменить площадью поверхности поршня, на которую действует давление.

$F\; r\; знак\; равно\; п\; (\pi \; r\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\; =\; P\; (\backslash \; pi\; r\; ^\; \{2\})\}$

где:

$F\; r\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\}$представляет собой результирующую силу

$r\; \{\backslash \; displaystyle\; r\}$представляет радиус поршня

$\pi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; pi\}$равно pi, приблизительно равно 3,14159.

Ход

При прямом ходе применяется такое же соотношение между прилагаемой силой, давлением и эффективной площадью поперечного сечения, как описано выше для обратного хода. Однако, поскольку площадь поперечного сечения меньше площади поршня, соотношение между силой, давлением и радиусом другое. Однако расчет не более сложен, поскольку эффективная площадь поперечного сечения - это просто площадь поверхности поршня за вычетом площади поперечного сечения штока поршня.

Таким образом, для прямого хода соотношение между прилагаемой силой, давлением, радиусом поршня и радиусом поршневого штока выглядит следующим образом:

$F\; r\; =\; P\; (\pi \; r\; 1\; 2\; -\; \pi \; r\; 2\; 2)\; знак\; равно\; п\; \pi \; (r\; 1\; 2\; -\; r\; 2\; 2)\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\; =\; P\; (\backslash \; pi\; r\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; -\; \backslash \; pi\; r\_\; \{2\}\; ^\; \{2\})\; =\; P\; \backslash \; pi\; (r\_\; \{1\}\; ^\; \{2\}\; -r\_\; \{2\}\; ^\; \{2\})\}$

Где:

$F\; r\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{r\}\}$представляет результат сила

$r\; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; r\_\; \{1\}\}$представляет радиус поршня

$r\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; r\_\; \{2\}\}$представляет радиус поршневой шток

$\pi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; pi\}$равен pi, примерно равен 3,14159.

См. также

• Гидродинамика
• Гидравлическая мощность
• Гидравлика
• Гидравлический цилиндр
• Пневматический двигатель
• Пневматика
• Трубчатый линейный двигатель

Литература

1. ^ [1pting Majumdar, SR (1995). Пневматическая система: принципы и обслуживание. Нью-Дели: Тата МакГроу-Хилл.
2. ^Ченг, Чи-Ненг. (2005). Конструкция и управление для точного позиционирования пневматического цилиндра при вертикальной нагрузке
3. ^Ergo-Help Pneumatics, телескопические цилиндры EHTC
4. ^Tolomatic Pneumatic Actuators. Толоматик. Проверено 3 мая 2011 г.
5. ^[2], (Каталог, 7,4 МБ) Диаграммы, показывающие принцип, находятся на страницах 6 и 7 (две лицевые стороны; стоит настроить ваш ридер). На разрезе показан только один поршень; другой скрыт; он симметричный, но перевернутый. Parker / Origa также производит аналогичные цилиндры с уплотнительными лентами.
6. ^Пневматические цилиндры - Северная Америка. Паркер Ханнифин. Проверено 3 мая 2011 г.
7. ^Hibbeler, R.C. (2007). Инженерная механика: Статика (11-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл. ISBN 0-13-221500-4.

Внешние ссылки

• специальные типы цилиндров (www.pneumatics.be)
• Контрольный список для пневматики (www.deltongroup.in)