Вдвое короче

Считается, что бесштоковый цилиндр был изобретен тремя шведскими инженерами в 1971 году, однако подобное устройство можно было встретить уже двести лет назад. Оно приводило в действие железную дорогу в Англии, в Южном Девоне, и имело длину 22 мили!

Бесштоковые цилиндры выполняют функцию линейного пневматического привода. Они отличаются от стандартных цилиндров тем, что у них отсутствует шток и для передачи движения служит каретка, которая перемещается вдоль профиля цилиндра, что легко позволяет обеспечить гораздо больший ход и не только прямолинейное движение объекта, но и при наличии соответствующего профиля движение по дуге. Такие цилиндры обладают целым рядом достоинств, позволяющих на их основе создавать разнообразное оборудование, обладающее хорошими регулировочными характеристиками, надежностью, компактностью, которые недостижимы при применении стандартных цилиндров. Они прекрасно подходят для создания многочисленных промышленных установок. Это могут быть механизмы для подъема или опускания, системы подачи, перекладки, наполнения, напыления, окраски, мерного реза.

Бесштоковые цилиндры различаются по принципу механической связи между поршнем и кареткой.

В первом варианте поршень и каретка соединяются при помощи гладкого троса. Такой цилиндр состоит из гильзы, у которой торцы закрыты крышками, сквозь которые пропущен гладкий трос. Этот трос связывает поршень с обеих сторон через ролики с кареткой. Фактически это конструкция цилиндра с «мягким проходным штоком». Усилие, развиваемое таким цилиндром, аналогично такому же стандартному цилиндру с одинаковым диаметром поршня.

Преимущества этого варианта – простота конструкции и возможность производить цилиндры с большой величиной хода.

Основной недостаток – растяжимость троса и работа только при малых поперечных нагрузках. Эти цилиндры применяют там, где нет требований к точности хода, отсутствуют боковые нагрузки и масса объекта перемещения мала.

Второй вариант – перемещение каретки при помощи сильно намагниченного поршня.

Магнитный поршень перемещается внутри алюминиевой гильзы, сквозь ее тонкую стенку магнитным полем он связан с кареткой, которая в свою очередь скользит по направляющим стержням. Конструкция довольно простая и не требует дополнительной герметизации – поршень перемещается внутри гильзы, и других подвижных частей, находящихся под давлением воздуха, нет. Однако из-за существующей вероятности отрыва каретки от магнитного поля поршня возникают ограничения по массе, размеру конструкции, скорости и ускорению перемещения. Такие бесштоковые цилиндры применяются для перемещения предметов с малой массой и небольшими ускорениями и больше предназначены для лабораторных систем. Наибольшее распространение получил третий вариант конструкции бесштоковых цилиндров - с механической связью каретки со штоком через продольную прорезь в гильзе цилиндра. Прорезь закрывается двумя лентами: одной с внутренней стороны для герметизации прорези и другой с внешней – для предотвращения попадания в прорезь посторонних предметов. В процессе перемещения поршня – каретки специальный челнок, расположенный между кареткой и поршнем, раздвигает эти ленты, что позволяет беспрепятственно перемещать каретку.

На рисунке показан разрез современного бесштокового цилиндра, где внешняя лента красная, а внутренняя зеленая.

Сегодня в мире выпускаются разнообразные исполнения бесштоковых цилиндров. Они могут иметь конструкцию прямую, дуговую, усиленную, с встроенной ременной передачей, с двумя каретками и т. д. Такие цилиндры работают в широком диапазоне температур (от -30 °C и ниже, до +80 °C), имеют скорость перемещения каретки до 32 м/сек, и обеспечивают максимальный ход до 8500 мм и более. Для всех версий применяется встроенная пневматическая амортизация/демпфирование, которая вполне подходит для большинства приложений. При экстремальных условиях добавляются внешние амортизаторы.

Однако эти цилиндры имеют общие проблемы, вытекающие из особенностей их конструкции – недостаточная герметизация паза позволяет пыли и грязи проникать во внутреннюю полость цилиндра, что снижает ресурс их работы по сравнению со стандартными цилиндрами из-за износа герметизирующей ленты.

Поэтому для бесштоковых цилиндров процесс их совершенствования ведется в направлении доработки конструкции каретки и челнока, подбора оптимального материала и профиля лент. Необходимо повысить допустимую нагрузку на поршень, снизить уровень статического и динамического трения, улучшить защиту от пыли и грязи. Современные бесштоковые цилиндры уже могут работать при наличии на них металлической пыли и деревянных стружек, для замены лент или уплотнений достаточно отвертки и шестигранного ключа.

Благодаря оптимизации, обеспечившей максимальную эксплуатационную гибкость и компактность конструкции, экономически и технически эффективный привод на бесштоковых цилиндрах обладает высокими эксплуатационными параметрами и высокой надежностью. Эти цилиндры идеальны для применения в таких отраслях, как автомобилестроение, перекладка материалов, производство станочного оборудования и бумаги, обработка древесины, упаковка, открывание-закрывание дверей в подземном и пригородном пассажирском транспорте.

На каретку бесштоковых цилиндров могут действовать как продольные, так и поперечные нагрузки. Поэтому бесштоковые цилиндры выпускаются с разными профилями, которые используются как усиленные направляющие для перемещения усиленной каретки. Для особо тяжелых условий применяются внешние направляющие каретки, которые могут быть для уменьшения трения снабжены подшипниками качения. Такие конструкции цилиндров позволяют разгрузить механическую связь между кареткой и поршнем от дополнительных продольных усилий, чтобы в полной мере их можно было применять в механизмах подъема и подачи, в многокоординатных системах перемещения и т. д.

Для правильного выбора бесштокового цилиндра необходимо определиться с величинами действующих на него нагрузок.

Продольное усилие Fx, которое может развить цилиндр, легко определяется, как для стандартного цилиндра – это зависит от диаметра поршня и рабочего давления воздуха. В зависимости от положения цилиндра – вертикального или горизонтального, а также того, с какой стороны находится каретка – сверху, снизу или сбоку, на каретку могут действовать поперечное Fy и вертикальное Fz усилия. Во время перемещения каретки на нее еще могут воздействовать дополнительные моменты Mx, My и Mz, величины которых зависят от массы объекта и его положения относительно каретки, скорости и ускорения перемещения. Все эти воздействия в процессе перемещения стремятся оторвать каретку от профиля цилиндра или от направляющих. В общем виде направления действия сил и моментов на каретку цилиндров показаны на рисунке снизу.

В приведенном ниже уравнении учитываются значения силы в направлениях Fy и Fz и моменты Mx, My и Mz, а также максимально допустимые их значения для конкретной конструкции цилиндра. Когда на бесштоковый цилиндр одновременно действуют несколько нагрузок и моментов, нужно сделать дополнительную проверку правильности выбора цилиндра путем подстановки значений сил и моментов в формулу:

Если вычисление показывает, что после подстановки всех значений результат будет меньше 1, выбранный цилиндр подходит для работы при этих нагрузках. Если же результат больше 1, то выбранный цилиндр не подходит для данной конструкции и у него в процессе эксплуатации может разрушиться крепление каретки. Значит, нужно взять цилиндр с большим усилением конструкции направляющих или же применить цилиндр большего по величине типоразмера. Как правило, все ведущие производители бесштоковых цилиндров дают таблицы величин максимальных значений сил и моментов, допустимых для выпускаемых ими цилиндров. Все приведенные значения обычно применимы для скоростей перемещения каретки до 0,2 м/сек, при которых воздействие на каретку динамических моментов невелико. Необходимым требованием является равномерное движение массы по всей длине хода цилиндра.

Центральная линия поршня служит точкой отсчета для вычисления движения и приложения усилий для всех цилиндров.

При больших скоростях перемещения каретки цилиндра (до 2 м/сек) начинают сильно сказываться моменты, зависящие от величины разгона и торможения, а также направление перемещения объекта (вертикальное или горизонтальное), что превращает проверку правильности выбора бесштокового цилиндра в сложную инженерную задачу. Для того чтобы упростить этот процесс, ведущие производители цилиндров предлагают для конструкторов и заказчиков специальные программы, которые после ввода всех необходимых параметров рекомендуют необходимую модель бесштокового цилиндра для конкретных условий работы. Как правило, они бесплатно загружаются с сайта фирмы–производителя.

Рассмотрим на одном примере – подъемном устройстве, как можно определить величины моментов, действующих на каретку, а также как на выбор бесштокового цилиндра влияет конструкция крепления к каретке платформы для груза.

Предположим, что нужно поднимать груз 45 кг на 2 метра при давлении воздуха 6 бар. В этом случае бесштоковый цилиндр должен развивать усилие не менее:

Fx = 45кг x 9.81 x 1,5 (вес груза x сила тяжести x коэффициент запаса динамический) = 662 Н.

Подобное усилие (а именно 753 Н при давлении 6 бар) может развить цилиндр с диаметром поршня 40 мм. Казалось бы, выбор сделать просто – исходя из условий, необходим диаметр поршня 40 мм и ход 2 метра. Но, к сожалению, это не так.

Рассмотрим подробнее особенности груза и конструкцию крепления поддона к каретке.

Если посмотреть на эти рисунки, то становится ясно, что на каретку будет действовать дополнительный момент My, причем его величина будет зависеть от места положения нашего груза к оси, приложенной перпендикулярно к центру каретки. И чем дальше он будет приложен от центра каретки, тем его момент воздействия на каретку будет больше.

Предположим, что необходимо поднимать мешки с цементом в бумажных пакетах диаметром 250 мм. К середине каретки цилиндра будет установлен поддон. Его размеры выбраны так, чтобы центр массы мешка находился на расстоянии 200 мм от центра движения оси поршня. Это расстояние с запасом больше суммы половины диаметра мешка и толщины конструкции цилиндра + каретка от центра оси перемещения поршня.  В этом случае на каретку будет действовать момент My, который нужно обязательно учитывать при выборе типа бесштокового цилиндра.

Этот момент вычисляется как:

My = 45 x 9.81 x 0,2 (вес груза x сила тяжести x расстояние от оси движения) = 88 Нм. Теперь эту величину надо сравнить с максимально допустимой величиной момента My max для выбранного цилиндра. Если My < My max и другие моменты и усилия несущественны, то выбранный цилиндр подходит. Если же это условие не выполняется, то необходимо выбрать другой цилиндр с более прочно прикрепленной к профилю кареткой.

По ряду причин не всегда возможно закрепить поддон перпендикулярно в центре каретки. Как правило, крепление поддона полностью контактирует со всей поверхностью каретки. Это позволяет сделать крепление более надежным, а сам поддон установить ниже каретки, что дает возможность приблизить поддон к полу, что облегчает персоналу укладку мешков. Пусть такое крепление позволяет установить поддон ниже центра каретки на 150 мм, а центр тяжести мешка будет по прежнему на расстоянии 200 мм от оси перемещения поршня. Но теперь на каретку будет действовать суммарный момент Myс, где величина первого момента My1 определяется расположением центра тяжести груза от оси движения поршня, а другая величина – момент My2 – зависит от величины My1 и смещения поверхности поддона от центра каретки.

Первый момент My1, как было показано выше, равен: My1 = 45 x 9.81 x 0.2 = 88 Нм

Второй момент My2 будет равен: My2 = My1 x 0,15 (величина смещения) = 13,2 Нм

Тогда суммарный момент составит: Myс= My1 + My2 = 88 +13,2 = 101,2 Нм

Как показано, изменение конструкции крепления поддона привело к увеличению момента My, что означает увеличение нагрузки на каретку, и это обязательно нужно учесть на этапе выбора бесштокового цилиндра.

Фотографии и материалы предоставлены ООО "ЭС ЭМ СИ Пневматика"