Пневматический цилиндр

Пневматический цилиндр — это исполнительное устройство пневмопривода, преобразующее энергию сжатого воздуха в возвратно-поступательное или вращательное движение выходного звена (штока, поршня, плунжера, ротора). Пневматические цилиндры являются одними из наиболее распространённых компонентов промышленной автоматизации и применяются для механизации и роботизации технологических процессов в машиностроении, упаковочной, пищевой, текстильной, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.

История

Идея использования сжатого воздуха для совершения механической работы известна с античных времён. Первые прообразы пневматических цилиндров — воздушные насосы и кузнечные меха — применялись ещё в Древнем Египте и Древнем Китае. Однако как самостоятельное устройство пневматический цилиндр начал формироваться в XIX веке с развитием паровых машин и компрессоростроения. В 1845 году английский инженер Уильям Армстронг создал первый гидропневматический аккумулятор, а в 1851 году — пневматический кран. Массовое внедрение пневматических цилиндров в промышленность началось в конце XIX — начале XX века с появлением пневматических молотков, перфораторов и прессов. В СССР серийное производство пневматических цилиндров было налажено в 1930-х годах на заводах пневматического оборудования (например, Московский завод пневматического машиностроения). Современные конструкции цилиндров стандартизированы (ISO 6431, ISO 15552, ГОСТ 15608) и выпускаются тысячами типоразмеров.

Классификация

Пневматические цилиндры классифицируют по нескольким основным признакам.

По конструкции и типу движения выходного звена

• Штоковые цилиндры — наиболее распространённый тип. Поршень соединён со штоком, который выходит из цилиндра и совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение. Различают одноштоковые (большинство) и двухштоковые (с двумя штоками, выходящими с обеих сторон) цилиндры.
• Бесштоковые цилиндры — поршень движется внутри профиля (трубы), а усилие передаётся на внешнюю каретку через магнитную муфту или механическую связь (ленту, трос). Применяются там, где требуется большая длина хода при ограниченном пространстве.
• Поворотные (угловые) цилиндры — преобразуют поступательное движение поршня во вращательное движение выходного вала (обычно на угол 90°, 180° или 270°). Используются для перекладки деталей, открытия/закрытия заслонок.
• Плунжерные цилиндры — не имеют поршня; роль поршня выполняет сам плунжер (цилиндрический стержень), движущийся в направляющей. Применяются для подъёма тяжёлых грузов.
• Цилиндры с зажимным действием — специализированные цилиндры для фиксации деталей (например, в станочных приспособлениях).

По числу рабочих полостей

• Одностороннего действия — воздух подаётся только в одну полость (рабочий ход), возврат поршня осуществляется пружиной или внешней силой. Используются там, где требуется усилие только в одном направлении (подъём, прижим).
• Двустороннего действия — воздух подаётся поочерёдно в обе полости, обеспечивая рабочий ход в обоих направлениях. Наиболее распространённый тип.

По типу уплотнения

• С контактными уплотнениями — манжеты, кольца из полиуретана, нитрила или фторкаучука. Обеспечивают герметичность, но имеют трение.
• С бесконтактными уплотнениями — лабиринтные, щелевые. Используются в прецизионных цилиндрах (например, в пневматических сервоприводах) при малых нагрузках.

По наличию демпфирования

• Без демпфирования — поршень в конце хода ударяется о крышку.
• С регулируемым демпфированием — в крышках встроены дроссели и демпферные камеры, плавно замедляющие поршень в конце хода. Обязательно для цилиндров с большими скоростями и массами.

Устройство и принцип действия

Основными элементами типового штокового пневматического цилиндра двустороннего действия являются:

• Гильза (труба) — стальная, алюминиевая или нержавеющая труба с гладкой внутренней поверхностью (хонингованной или полированной). Внутри перемещается поршень.
• Поршень — диск с уплотнительными кольцами (манжетами), разделяющий внутреннее пространство цилиндра на две полости: поршневую (со стороны штока) и штоковую (противоположную).
• Шток — хромированный стальной стержень, передающий усилие от поршня наружу. В месте выхода из цилиндра уплотняется сальником и защищается от пыли грязесъёмником.
• Передняя и задняя крышки — закрывают торцы гильзы, содержат отверстия для подвода/отвода воздуха, крепёжные элементы, а в передней крышке — направляющую втулку штока.
• Уплотнения — манжеты поршня и штока, обеспечивающие герметичность полостей.
• Демпферы — регулируемые дроссели в крышках для плавного торможения поршня в конце хода.

Принцип действия: сжатый воздух от компрессора через пневмораспределитель подаётся в одну из полостей цилиндра. Под давлением воздуха поршень перемещается, совершая рабочий ход. Одновременно воздух из противоположной полости вытесняется в атмосферу (или возвращается в систему при рекуперации). Для обратного хода воздух подаётся в другую полость.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики пневматических цилиндров:

• Диаметр поршня (D) — определяет площадь поршня и, следовательно, развиваемое усилие. Стандартные ряды: 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320 мм и более.
• Ход поршня (L) — расстояние, на которое перемещается поршень. Может составлять от нескольких миллиметров до нескольких метров (обычно до 2000 мм для стандартных цилиндров, для бесштоковых — до 6000 мм и более).
• Рабочее давление — обычно от 1 до 10 бар (0,1–1,0 МПа). Стандартное — 6–8 бар.
• Усилие на штоке — рассчитывается по формуле: F = P × S, где P — давление, S — площадь поршня. Для цилиндров двустороннего действия усилие на прямом и обратном ходу различается из-за площади штока.
• Скорость перемещения — от 0,1 до 1,5 м/с (стандартные), до 10 м/с (быстроходные). Регулируется дросселями.
• Температурный диапазон — от −20 °C до +80 °C (стандартные уплотнения), до −40 °C и +150 °C (специальные).
• Тип крепления — фланцевое, на лапах, на проушине, на цапфах, на шарнире, резьбовое (для малых цилиндров).

Применение

Пневматические цилиндры широко используются в промышленности благодаря простоте, надёжности, высокой скорости и безопасности (отсутствие искр, пожаро- и взрывобезопасность). Основные области применения:

• Промышленная автоматизация — перемещение деталей, зажим, фиксация, сборка, упаковка, сортировка, штамповка, клёпка, сварка.
• Робототехника — в пневматических манипуляторах и захватах.
• Транспорт — пневматические тормозные системы грузовых автомобилей, автобусов, поездов; подъёмные механизмы (самосвалы, подъёмники).
• Строительство — отбойные молотки, перфораторы, пневмопрессы.
• Медицина — в аппаратах искусственной вентиляции лёгких, стоматологических установках.
• Пищевая промышленность — в линиях розлива, упаковки, фасовки, где требуется гигиеничность (нержавеющие цилиндры).
• Деревообработка — в прессах, фуговальных станках, линиях сортировки.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Высокая скорость срабатывания (до 10 м/с).
• Безопасность в взрыво- и пожароопасных средах.
• Лёгкость регулировки скорости и усилия.
• Долговечность (миллионы циклов).
• Возможность работы в широком диапазоне температур.

Недостатки

• Низкое усилие по сравнению с гидравлическими цилиндрами (ограничено давлением 10–15 бар).
• Сжимаемость воздуха приводит к упругим деформациям и неравномерности движения при переменных нагрузках (не подходит для точного позиционирования без сервоприводов).
• Высокий уровень шума при выхлопе воздуха (требуются глушители).
• Зависимость от качества подготовки воздуха (наличие влаги, масла, пыли снижает ресурс).
• Необходимость в компрессорном оборудовании и пневмолиниях.

Интересные факты

• Первый серийный пневматический цилиндр современного типа был разработан в 1870-х годах французской компанией Compagnie des Machines Pneumatiques.
• В СССР выпускались пневматические цилиндры с диаметром поршня до 1000 мм для тяжёлых прессов.
• В современных пневматических цилиндрах применяются полиуретановые уплотнения, обеспечивающие ресурс до 10 000 км пробега поршня.
• Бесштоковые цилиндры позволяют сократить осевую длину привода на 30–50% по сравнению со штоковыми при том же ходе.
• Пневматические цилиндры используются в симуляторах движения (например, в аттракционах) для создания вибраций и перемещений.

Источники

• ГОСТ 15608-81 «Цилиндры пневматические. Технические условия».
• ISO 6431:1983 «Pneumatic fluid power — Single rod cylinders — Mounting dimensions».
• ISO 15552:2004 «Pneumatic fluid power — Cylinders with detachable mountings — Mounting dimensions».
• Наземцев А. С. «Пневматические и гидравлические приводы и системы». — М.: Машиностроение, 2005.
• Каталоги производителей (Festo, SMC, Camozzi, Bosch Rexroth, Пневмо-Сервис).