Конструкция пневмоцилиндров двустороннего и одностороннего действия

Пневмоцилиндры являются самым распространённым видом пневматического привода. Внутреннее пространство, образованное корпусом и двумя крышками и по геометрической форме являющееся цилиндром (отсюда и название устройства), делится поршнем на две полости. Поршень связан со штоком, который выходит наружу через переднюю или проходную крышку, и к штоку может крепиться перемещаемая нагрузка, обрабатывающий инструмент и т.п. Полость, через которую проходит шток, называют штоковой, а вторую – поршневой. Герметичность полостей достигается за счет уплотнений поршня и штока, причем последнее в зависимости от условий работы может снабжаться скребком, очищающим шток от посторонних субстанций.

Если воздух может подаваться в обе полости, то получаем цилиндр двустороннего действия, а если только в одну – одностороннего.

Конструкция одностороннего пневмопривода

Обратный ход цилиндра со штоком одностороннего действия осуществляется за счет встроенной пружины. Полость с пружиной сообщается с окружающей атмосферой через небольшое вентиляционное отверстие, как правило, не имеющее резьбу для установки штуцера, к которому подсоединяется трубопровод сжатого воздуха. Поэтому на условном обозначении это отверстие не показывается находящейся снаружи черточкой. Таким образом, к цилиндру одностороннего действия подходит один трубопровод, а к цилиндру двустороннего действия – два. Цилиндр одностороннего действия с пружиной в штоковой полости называют толкающим, а с пружиной в поршневой полости – тянущим.

Принцип работы цилиндров прост: при подаче сжатого воздуха в поршневую полость шток выдвигается (это называют прямым ходом), а при сбросе из нее воздуха шток втягивается (обратный ход) под действием пружины или за счет давления воздуха, подаваемого в штоковую полость. Понятно, что усилие, развиваемое цилиндром при выдвижении штока, больше, чем при втягивании. В цилиндре одностороннего действия это объясняется тем, что усилие пружины составляет примерно 8…20% от усилия на номинальном рабочем давлении 6 бар, а в цилиндре двустороннего действия – разницей площадей поршня со стороны поршневой и штоковой полостей. Более мощную пружину ставить не выгодно, поскольку тогда снижается усилие прямого хода.

Если же воздух под одинаковым давлением подать одновременно в обе полости цилиндра двустороннего действия, то за счет разницы площадей поршня шток выдвинется. Фактически таким подключением цилиндр двустороннего действия превращается в цилиндр одностороннего действия с мощной пневматической пружиной в штоковой полости. Поэтому выдвижение штока будет происходить медленно и с малым усилием, поскольку диаметр и, соответственно, площадь штока, на которую теперь действует давление, у пневмоцилиндров небольшие. Относительно тонкие штоки у пневмоцилиндров делают по следующей причине. Из-за низкого давления в пневматике нет больших усилий и нагрузок, но требуются высокие скорости перемещения. А стальной шток является самым тяжелым подвижным элементом цилиндра и для лучшей динамики его желательно облегчить. К тому же тонкий шток сокращает разницу между развиваемыми усилиями прямого и обратного хода.

Схемы управления

Преимущества и недостатки односторонних цилиндров

У цилиндров одностороннего действия есть серьезные достоинства. Во-первых, при работе они используют почти вдвое меньше энергии, чем цилиндры двустороннего действия; во-вторых, в аварийной ситуации, когда в системе пропадает давление, они занимают предсказуемую позицию. Последнее свойство особенно ценно для приводов арматуры, и там приводы одностороннего действия используются очень часто и не имеют ограничения по размерам.

Однако, наличие пружины влечет за собой определенные ограничения для цилиндров одностороннего действия, что не позволяет использовать их так же широко, как цилиндры двустороннего действия. Кроме того, что обратный ход под действием пружины происходит относительно медленно и с очень небольшим усилием, пружина занимает много места. Поэтому при равном рабочем ходе цилиндр одностороннего действия всегда длиннее, чем двустороннего. С ростом диаметра поршня возрастает сила трения в цилиндре, что заставляет ставить более мощную пружину, снова уменьшающую усилие прямого хода. Эти факторы ограничивают диапазон размеров цилиндров одностороннего действия – они серийно выпускаются с ходом не более 100 мм и диаметром поршня не более 100 мм.

Цилиндры с проходным штоком

Цилиндры одно- и двустороннего действия могут иметь двусторонний шток, который иногда делают полым для подачи через него сжатого воздуха или вакуума. Например, цилиндры двустороннего действия с двусторонним полым штоком используются в оборудовании для выдува пластиковых бутылок. На основе цилиндров с полым штоком также удобно делать вакуумные захваты, подавая вакуум внутрь штока. Кроме того, у цилиндров с двусторонним штоком площадь поршня с обеих сторон одинакова, поэтому он развивает в обе стороны равные усилия и скорости, и его проще остановить в промежуточном положении. Главный же недостаток таких цилиндров – большой осевой габарит, почти в три раза превышающий полезный рабочий ход, и большая перемещаемая масса.

Нагрузки и условия эксплуатации приводов

Опорная втулка или подшипник в проходной крышке вместе с направляющим кольцом на поршне служит для защиты уплотнений цилиндра от боковых нагрузок на шток. Величина допустимой боковой нагрузки зависит от длины и материала втулки. Обычно ее делают из прочного полимера или металла. Оба варианта имеют достоинства и недостатки, которые нужно принимать во внимание при выборе цилиндра под конкретное применение.

Высокие скорости делают необходимой смазку. Раньше она подавалась распыленной в воздухе, но сейчас предпочтительнее консистентная смазка, которая закладывается при сборке цилиндра. При определенных условиях (высокая скорость, мойка штока) смазка заканчивается быстрее, а возобновить ее можно только разобрав цилиндр, и то, если он ремонтопригоден. Или вернувшись к распыленной смазке.

© По материалам книги "Проектирование и обслуживание пневматических систем", Сулига С.В. , 2021 г. согласно лицензионному договору с ООО "Би Энд Би Инжиниринг". Копирование запрещено.