На рисунке показан разрез современного бесштокового цилиндра, где внешняя лента красная, а внутренняя зеленая.
Разные компании выпускают 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 – герметизация паза, которая может пропускать пыль и грязь во внутреннюю полость цилиндра и уменьшенный ресурс работы по сравнению со стандартными цилиндрами из-за износа герметизирующей ленты.
Как видно из конструкции, слабым местом в этих цилиндрах является как раз механизм герметизации паза, который может пропускать пыль и грязь вовнутрь цилиндра, а так же уменьшенный ресурс работы по сравнению со стандартными цилиндрами из-за износа герметизирующей ленты. Поэтому для этих цилиндров процесс их совершенствования ведется в направлении доработки конструкции каретки и челнока, подбора оптимального материала и профиля лент. Все что позволяет повысить допустимую нагрузку на поршень, снизить уровень статического и динамического трения, улучшить защиту от пыли и грязи. Современные бесштоковые цилиндры Lintra®, выпускаемые IMI NORGREN (входит в группу компаний IMI Precision Engineering), могут работать при наличии на них металлической пыли и деревянных стружек, а в случае необходимости замены лент или уплотнений, для проведения этих работ достаточно отвертки и шестигранного ключа.
Благодаря оптимизации, обеспечившую 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, станочное оборудование, производство бумаги, обработка древесины, текстильное оборудование, упаковка, открывание-закрывание дверей в подземном и пригородном пассажирском транспорте.
На каретку бесштоковых цилиндров могут действовать как продольные, так поперечные нагрузки. По этому бесштоковые цилиндры выпускаются с разными профилями, которые используется 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 бесштоковых цилиндров необходимо определиться с величинами с действующими на него нагрузками. Продольное усилие Fx, которое может развить цилиндр может быть легко определено, как для стандартного цилиндра – это зависит от диаметра поршня и рабочего давления воздуха. В зависимости от положения цилиндра – вертикальное или горизонтальное, а так же к 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 расстояния 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.
В приведенном ниже уравнении учитываются значения силы в направлениях Fy и Fz и моменты Mx, My и Mz, а так же 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 следующего 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 не велико. Необходимым требованием является равномерное движение массы по всей длине хода цилиндра. Центральная линия поршня служит точкой отсчета для вычисления движения и приложение усилий для всех цилиндров.
При больших скоростях перемещения каретки цилиндра, вплоть до 2 м/с, уже 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. Примером такой программы служит программа Pneucalc для выбора цилиндров LINTRA®.
Рассмотрим на одном примере – подъемном устройстве, как можно определить величины моментов, действующих на каретку, а так же, как на выбор бесштокового цилиндра влияет конструкция крепления к каретке платформы для груза.
Пусть у нас 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
Такое усилие может развить цилиндр с диаметром поршня 40 мм, а именно 753 Н при давлении 6 бар. Казалось бы, что выбор сделать просто – определимся с типом цилиндра из условий, что нам он нужен с диаметром поршня 40 мм и ходом 2 метра. Но, к сожалению, это не так.
Рассмотрим подробнее особенности груза и конструкцию крепления поддона к каретке.
Если посмотреть на эти рисунки, то становиться 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 карету будет больше.
Пусть нам нужно 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 бы 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, не существенны, 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 крепление сделать более надежным, а сам поддон установить ниже каретки, что дает возможность приблизить поддон
к полу, облегчая 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.
Теперь, если наши исходные параметры мы введем в программу Pneucalc и дополнительно укажем желаемый ход цилиндра, на пример, 5000 мм, рабочее давление 6 бар, скорость перемещения 0,4 м/сек., то программа покажет список цилиндров, которые могут подойти для нашей задачи. Первым в списке показан цилиндр с диаметром поршня 63 мм и кареткой с внешней направляющей М/146163. Мы можем проверить правильность выбора, сравнив нашу расчетную величину Myс, прилагаемого к каретке с максимально допустимой величиной My для выбранного типа цилиндра, величина которой 350 Нм. Как видно, у нас есть запас по прочности крепления каретки. Полный заказной номер цилиндра LINTRA® с учетом требуемого хода будет M/146163/M/5000.
yunb ddnznz msvcz jucyy