Золотые правила подбора пневмоцилиндров

Расчёт силы и давления пневматического цилиндра

Конструкция и размеры пневматических систем часто подбираются отсновываясь на опыте, сочетая опасения перед спецификой важного, дорогостоящего оборудования. Для обеспечения достаточной мощности инженеры выбирают завышенные размеры пневмоцилиндров, что влечёт к завышенным размерам распределителей, чтобы обеспечить пневмоцилиндры достаточным количеством воздуха. Неопределенность в этих вопроса может привести к увеличению сметы пневмосистемы. В результате получаются компоненты большего, чем необходимо размера, использующего слишком много сжатого воздуха, что влечёт к технологическим потерям энергии и денег. Однако когда следуешь зарекомендовавшим правилам и некоторым законам пневматики легко достичь правильного размера пневматических установок.

Пневмоцилиндр

Правильные размеры пневмоцилиндра основаны на требуемом усилии и приложенном давлении.
Для одно- и двухстороннего пневмоцилиндра теоретическое толкающее усилие (outstroke) и теоретическое усилие втягивания (instroke) выражаются в ньютонах. Этот показатель рассчитывается путем умножения эффективной площади поршня в мм2 на рабочее давление в барах, деленное на 10 (10 бар = 1 Н/мм2).
Эффективная площадь цилиндра равна площади поршня за вычетом площади штока (не подходит для бесштоковых цилиндров).
Чтобы обеспечить плавное, контролируемое свободное передвижение, должен быть выбран цилиндр который имеет теоретическое усилие на 25 - 50% больше, чем сила требуемая системе. Эта рекомендация компенсирует внутреннее и внешнее трение и потери диферинциального давления между камерами, разделёнными поршенем. Это противодействие уменьшает рабочую силу и варьируется в зависимости от скорости движения поршня. Падение давления воздуха за счёт этого может привести к 10% - 20% уменьшению силы, действующей на поршень.

Золотое правило: значение теоретического усилия выбираемого цилиндра должено быть на 25% больше при высокой скорости, на 50% больше при низкой скорости и на 100% больше при наиболее низкой скорости позиционирования движения штока.

Данные расхода воздуха для цилиндров можно найти в таблице расхода воздуха. В таблице указано количество воздуха  толкающего поршень штока, возвращающего поршень со штоком в исходное состояние, а также итогового количество воздуха, необходимого для 1 цикла работы цилиндра. Данные приведены в литрах на миллиметр (или дм3/мм) при давлении 6 бар (избыточное давление). Этот показатель рассчитывается путем умножения эффективной площади поршня в мм2 на абсолютное давление в барах и деления на 1 миллион. Абсолютное давление складывается из рабочего давления в барах (избыточное давление по манометру) и атмосферного давления (предполагается, что 1 бар), т.е. давление манометра+1бар. Чтобы найти потребление воздуха за один цикл работы цилиндра необходимо умножить полученный показатель на ход цилиндра в мм. Эти теоретические цифры основаны на рабочих объёмах. Дополнительные объемы воздуха, такие как полости в поршне, торцевые крышки, трубы, фитинги и клапаны представляют собой дополнительные 5% -10%. Длинные трубки и фитинги, большие расстояния между цилиндром и распределительным клапаном создают большие потери и могут продлить время цикла.

Золотое правило: правильно выбирайте размеры фитингов, сечения труб и выбирайте кратчайшую длину труб, это позволит свести к минимуму время цикла и снизит потребление энергии.

Распределитель

Изменения в клапанных технологиях создают более высокий расход при наименьших размерах клапанов. Например, расход традиционно широких клапанов 42 мм (ISO №1) около 1250 л/мин, а современный клапан может достигать тот же расход всего при 20 мм. Иногда используются старые правила, на основании которых для выбора распределительного клапана определяющую роль служит размер порта цилиндра, эти правила имеют ряд недостатков. В частности, порт цилиндра может быть не полнопроходным (порт больше проходного отверстия), цилиндр в этом случае может не приблизиться к необходимой скорости штока. Гораздо лучше подбирать клапан по расходу воздуха, требуемого цилиндру для конкретной задачи.

Золотое правило: подбирайте пневмораспределитель исходя из наибольших мгновенных параметров потока, требуемые цилиндру. Величина расхода распределителя должна соответствовать требованиям скорости штока. Не используйте среднего значения л/мин.

График дает представление о типичных диапазонах расхода, соответствующего различным номинальным размерам клапанов Norgren. Значения расхода указаны по вертикальной линии, при входном давлении 6 бар и выходного давлении 5 бар (с перепадом давления 1 бар).

На практике

Допустим, что у нас есть три цилиндра, работающих в последовательности:

Цилиндр A: Ø 25 мм, длина хода 100 мм

Цилиндр B: Ø 80 мм, длина хода 200 мм

Цилиндр C: Ø 63 мм, длина хода 900 мм

Последовательность: A+, B+ затем C+ затем C- затем A-, B-

Время цикла: 5 сек.

Из таблицы расхода воздуха, вы найдете следующие расходы воздуха при 6 бар рабочего давления (манометрического):

Цилиндр A: VA+ = 0,00344 x 100 = 0,334 л; VA- = 0,00289 x 100 = 0,289 л; VA итого = 0,623 л

Цилиндр B: VB+ = 0,03519 x 200 = 7,038 л; VB- = 0,03175 x 200 = 6,35 л; VB итого = 13,388 л

Цилиндр С: VС+ = 0,02182 x 900 = 19,638 л; VС- = 0,01962 x 900 = 17,658 л; VС итого = 37,296 л

Теперь можно рассчитать общий расход воздуха на время цикла 5 секунд:

Q =((VA + VB + VC) + 5%) / время цикла = 10,775 л/сек = 646,5 л/мин

Мгновенный расход воздуха это когда цилиндр C реализует цикл за 2 секунды 37,296*1,05/2*60=1174,824 л/мин , и если цилиндры А и В выполняют свой цикл за 3 секунды - (0,623+13,388)/3*1,05*60=294,231 л/мин.

Исходя из соотношения размеров и расходов клапанов, мы видим, что цилиндрам А и В нужен клапан с портом 1/8", а цилиндру C - 1/4", и это несмотря на то, что размер порта для A 1/8 ", В 3/8" и С 1/2 ".

Если Вы не хотите рассчитывать, используйте золотые правила:

Данные базируются на скорости цилиндра 500 мм/сек, 50% нагрузки, давления в цилиндре 5 бар и трубки длиной 1 м с двумя фитингами на трубе.

Фильтрация, смазка и рабочая температура

Как правило, пневматические компоненты предназначены для работы в широком диапазоне температур от - 20°C до + 80°C. Но фактор переноса тепла от электрических компонентов катушки ограничивают температуру электромагнитной катушки до +50°C, в активном состоянии теплота работающей катушки повышает её температуру на 25-30°C. Конкретные цифры приведены в каталоге, но вы должны понимать, что температура должна быть измерена, когда клапан не активен.
Для фильтрации и точки росы придерживаются следующих правил: температура окружающего воздуха от +5°C до +50°C, фильтрация 40 мкм, а точка росы на 10°C ниже, чем температура окружающей среды.
Ниже 5°C и выше 50°C рекомендуется 25 или 5 микрон фильтрации. При температуре ниже +5°C точка росы должна быть на 5°C ниже, чем температура окружающей среды. Клапаны и цилиндры смазываются при сборке перед эксплуатацией и при нормальных условиях не требуют дополнительной смазки. Однако с помощью смазки можно продлить срок службы этих изделий.

Золотое правило, смазка необходима, когда:
Частота срабатываний клапана > 3 Гц;
Цилиндр высокой скорости;
Температура окружающей среды ниже 0°C или выше 50°C;
Существует комбинация из указанных выше условий;

В случае если вы начнете смазывать систему, смазку необходимо продолжать, т.к. ваша смазка взаимодействя с заводской, более вязкой смазкой, вымывает её. Используйте микро-туман для смазки цилиндров и масляный туман для пневматических инструментов.
Микро-туман увеличивает срок службы пневмоцилиндров до 4 раз.

Фитинги и трубы

Правило номер один – необходимо использовать наименьшее количество возможных фитингов. Трубопроводы должны быть как можно короче, с разумным соотношением размеров между фитингами и трубами, например Ø8/6 мм для G1/4”. Фитинги типа Банджо (Banjo) и быстросъёмные соединения могут иметь ограниченную пропускную способность. Используйте черную трубку в солнечных районах, когда температура может упасть ниже нуля.

Лучшая практика

Сжатый воздух не является бесплатным и должен использоваться с осторожностью. Сжатие от 7 до 10 бар имеет такую же стоимость, как сжатие от 0 до 7 бар, это означает, что давление должно быть как можно более низким. Используйте регуляторы давления, где это возможно. Баллоны и вентили должны быть правильного размера и адаптированы к конкретной задаче. Трубки излишней длинны или большого диаметра будут тратить энергию и негативно влиять на время отклика. Локально размещённые пневмоострова будут использовать более короткие трубки, чем клапаны с управлением из центральных шкафов управления.
Есть сомнения или вам просто нужны хорошие советы?
Norgren и его официальные дилеры в России имеют многолетний опыт в области применения пневматики, систем управления и дизайна и всегда будут рад помочь в достижении оптимального решения!
Указанные принципы и таблицы значений базируются на обычной практике в сфере пневматики. В экстремальных, нестандартных ситуациях, а также в случае сомнений, мы рекомендуем обратиться в нашу компанию.

Таблицы и коэффициенты пересчета для пневматики

в начало

Дополнительные принадлежности

Нейлоновый шланг Нейлоновый шланг PA2 Техописание

Пневматический электромагнитный клапан серии 84660 Пневмоклапан 84660 Техописание

Подготовка воздуха - фильт-регулятор B92G/B92B Магнитоуправляемый переключатель M/50 Техописание