Стандартные пневмоцилиндры: какие бывают и в чём преимущества?

Среди всех цилиндров со штоком стандартные цилиндры используются чаще других. Они имеют определенный диапазон значений диаметра поршня и хода, а все их присоединительные и габаритные размеры подчиняются определенному стандарту. На необходимости в такой стандартизации настояли пользователи пневматики, в первую очередь предприятия автопрома, которым нужно было обеспечить возможность быстрой замены цилиндров на своем оборудовании независимо от наличия того или иного производителя пневматики в данном регионе.

Цилиндры по ISO 6431

Первым таким международным стандартом стал ISO 6431, который охватывал цилиндры со следующими значениями диаметров поршня: 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250 и 320 мм. При этом конструкция и материалы не оговаривались. Цилиндры по этому стандарту изначально имели следующую конструкцию: гильза из бесшовной трубы и квадратные крышки, стянутые четырьмя шпильками.

Цилиндры по ISO 15552

Позже появились корпуса из тянутого алюминиевого профиля самой разнообразной формы, что позволило доработать стандарта ISO 6431 и заменить его на ISO 15552, который отличается незначительными деталями.

Профильные цилиндры имеют определенные преимущества, главными из которых являются более простой и надежный монтаж датчиков положения без дополнительных приспособлений, защита этих датчиков от внешнего воздействия, удобство монтажа самого цилиндра, возможность установки на корпусе цилиндра распределителя. В зависимости от требований конкретного применения профиль можно сделать, например, гладким для облегчения мойки. Но цилиндры с диаметром поршня более 125 мм по экономическим причинам продолжают делать со стяжными шпильками.

Цилиндры по стандарту ISO 15552 имеют также стандартный ряд значений рабочего хода: 20, 25, 40, 50, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400 и 500 мм, что практически соответствует значениям диаметра поршня. Но для некоторых серий цилиндров добавляют 10, 15, 30, 60, 70, 80, 150 и 300 мм. Это так называемые продукты «быстрой массовой продажи», они всегда есть на складах и стоят дешевле цилиндров с произвольным ходом. Делать цилиндр с произвольным ходом приходится по отдельному заказу, поэтому срок его доставки будет большим, а цена выше. Обычно произвольный ход находится в диапазоне от 1 до 2.000…2.800 мм. Рабочее давление до 12 бар, но у ø125..320 мм не выше 10 бар. Конструкция крышек стандартных цилиндров позволяет реализовать любой из трех видов встроенного демпфирования без изменения габаритов, а в поршень можно ставить магнитное кольцо для бесконтактного опроса датчиков положения. Кроме этих двух обязательных для выбора опций при конфигурации стандартного цилиндра под конкретную задачу можно:

• делать шток двусторонним, двусторонним полым или большего диаметра
• изменять длину штока и резьбу на нем (наружная/ внутренняя, другого диаметра и/или шага)
• делать сечение штока квадратным (защита от проворота)
• устанавливать в одной или обеих крышках фиксаторы штока в крайних положениях
• устанавливать модуль фиксации штока в любом положении
• изменять количество и/или расположение пазов под датчики положения
• менять конструкцию и материалы уплотнений в передней крышке, чтобы обеспечить лучшую защиту штока от налипающих частиц, от проникновения их внутрь, повысить ресурс при работе без смазки
• за счет различных покрытий повышать химическую и коррозионную стойкость
• расширить диапазон рабочей температуры до +150°С или до -40°С (обычный диапазон -20… +80°С)
• устранить определенные материалы из конструкции или сделать цилиндр из нержавеющей стали
• уменьшить силы трения в подвижных частях для возможности перемещения с постоянной малой скоростью или снижения давления страгивания (например, до 0,2 бар вместо обычных 0,8 бар)
• установить на цилиндр распределитель, гофры для защиты штока и т.п.

Некоторые из перечисленных изменений могут комбинироваться друг с другом, некоторые, наоборот, исключают применение других опций. Иногда из-за них снижаются допустимые параметры (температура, боковые нагрузки) и характеристики (развиваемое усилие, ход, скорость, ресурс) или цилиндр уже не считается стандартным.

Распределитель на цилиндр ставят для того, чтобы сократить длину шлангов или вообще их исключить. Дело в том, что заполнение шлангов при каждом перемещении без всякой пользы увеличивает время рабочего цикла и потребление сжатого воздуха. Поэтому всегда, где это возможно, рекомендуется ставить распределитель как можно ближе к цилиндру или вообще на нем. В ряде случаев удается встроить распределитель в крышку стандартного цилиндра, не нарушая стандартных размеров. Но иногда такой цилиндр перестает быть стандартным, по крайней мере, по общей длине.

Дополнительно в цилиндр можно встроить датчики, средства регулировки скорости и даже микропроцессор, который будет контролировать, например, скорость перемещения, пройденное расстояние, и давать информацию в систему управления о падении расхода или давления (при уменьшении скорости), о необходимости скорой замены уплотнений (при превышении заданного числа циклов) и т.п.

Для неблагоприятных условий эксплуатации цилиндры по ISO 15552 могут выполняться полностью из нержавеющей стали (кроме поршня внутри, который остается алюминиевым). Поскольку профиль сложно и дорого делать из этого материала, применяется конструкция из трубы и крышек со стяжными шпильками. Обычно диапазон диаметров ограничивается 32…125 мм, но возможны некоторые опции: термостойкие уплотнения, скребок на штоке, двусторонний шток, пищевая смазка, крышки с проушиной.

При правильной эксплуатации даже на сухом воздухе цилиндры по стандарту ISO15552 без обслуживания могут переместить нагрузку на суммарное расстояние 10.000 км. Для цилиндра, например, с рабочим ходом 100 мм это означает ресурс 50 млн. циклов. На воздухе с распыленным маслом ресурс увеличивается в 1,3…2 раза. Эти цилиндры ремонтопригодны, им можно менять уплотнения, магнит, шток и добавлять консистентную смазку. Далее в тексте под словосочетанием «стандартный цилиндр» будут пониматься именно цилиндры по ISO 15552.

Круглые цилиндры по ISO 6432

Еще один стандарт ISO 6432 касается круглых цилиндров с рядом диаметров поршня 8, 10, 12, 16, 20 и 25 мм. Стандартные хода те же, но с ограничениями для маленьких цилиндров. Например, для диаметра 8 и 10 мм максимально возможный ход, как правило, не превышает 100 мм, для ø12 и 16 – 200 мм, для ø20 – 320 мм и для ø25 – 500 мм. Конструктивно эти цилиндры состоят из тонкой трубы из нержавеющей стали, стального штока и алюминиевых крышек, в которых труба завальцована. Круглые цилиндры могут быть как одно-, так и двустороннего действия, с теми же вариантами исполнения, что и предыдущие. Но из-за небольших размеров имеются ограничения и по демпфированию: регулируемое применяется только с ø12 мм, а самонастраивающееся – только с ø16 мм. У всех меньших может быть только упругое или внешнее демпфирование.

Хотя диапазон стандартных круглых цилиндров охватывает диаметры поршня от 8 до 25 мм, выпускается много цилиндров такой конструкции и большего, и меньшего диаметра. Но они не являются стандартными, т.е. рассчитывать на то, что круглый цилиндр с диаметром вне указанного диапазона одной фирмы может быть без проблем заменен на цилиндр другого производителя уже не приходится. Даже несмотря на то, что ряд диаметров остается стандартным, например, 32, 40, 50 и 63 мм. Круглые цилиндры с таким диаметром поршня выпускаются потому, что по габаритам и весу они предпочтительнее аналогичных цилиндров с квадратными крышками по ISO15552, а усилие и ход имеют такие же. Маленькие же цилиндры с диаметром поршня менее 8 мм (пока предел 2,5 мм) вообще трудно сделать другой конструкции.

Еще более ситуация со стандартными и нестандартными цилиндрами запутывается, когда вопрос касается формы крышек. Стандартная задняя крышка имеет проушину, а передняя – наружную резьбу. Если для сокращения осевого габарита проушину убрать или изменить форму передней крышки, то получается нестандартный цилиндр, хотя все остальные размеры сохраняются. Поэтому различают просто «круглый» цилиндр, например, с диаметром поршня 25 мм и ходом 100 мм и «стандартный круглый» с такими же параметрами. Они могут быть не взаимозаменяемы, даже если выпущены одним производителем.

Большинство версий, о которых говорилось в отношении цилиндров по ISO 15552, могут применяться и для круглых цилиндров. Ресурс примерно такой же, но рабочее давление до 10 бар. Большинство круглых цилиндров невозможно отремонтировать, поскольку они не разбираются. Хотя некоторые компании выпускают круглые цилиндры, в которых крышки крепятся к корпусу по резьбе. За это приходится платить увеличением габаритов и веса за счет толстостенной трубы. Зато диаметр поршня у них может доходить до 100 мм.

Круглые цилиндры, как стандартные, так и нет, также могут изготавливаться полностью из нержавеющей стали. Есть версии с полимерными крышками и полимерными корпусами. Такие цилиндры применяются в тех местах, где главной проблемой является коррозия. Существенно также то, что датчики положения на все круглые цилиндры можно поставить только с помощью принадлежностей – хомутов или присосок. Последний из наиболее применяемых стандартов касается так называемых компактных цилиндров, о которых речь пойдет в следующем параграфе.

Компактные цилиндры по ISO 21287

Для тех применений, где важнейшим требованием является осевой габарит, а боковые нагрузки, рабочий ход и скорость перемещения невелики, были разработаны компактные пневмоцилиндры. По конструкции компактные цилиндры внешне практически повторяют профильные цилиндры по ISO 15552, отличаясь только узкими крышками, узким поршнем и короткой опорной втулкой.

Диапазон их диаметров от 12 до 125 мм, рабочий ход может достигать 25 мм у цилиндров одностороннего действия и 500 мм у цилиндров двустороннего действия. Но обычно компактные цилиндры рекомендуется использовать с ходом до 50 мм, поскольку в них нет возможности встроить регулируемое демпфирование, а отклонение конца выдвинутого штока от оси перемещения слишком велико из-за короткой опорной втулки. Т.е. требуется ставить внешние демпферы и направляющие или выбирать исполнение с траверсой на штоке, а это сводит на нет преимущество по цене по сравнению с цилиндрами по ISO 15552.

Несмотря на существенные ограничения по скорости и боковой нагрузке, компактные цилиндры стали настолько популярны, что для них в 2003 году также разработали свой стандарт – ISO 21287. Поэтому и здесь различают просто «компактные» цилиндры и «компактные стандартные». При разработке стандарта учитывали желание пользователей применять те же монтажные принадлежности, что и для цилиндров по ISO 15552, поэтому расположение отверстий в крышках и диаметр и резьба штоков по ISO 15552 и 21287 в диапазоне диаметра поршня 32...100 мм совпадают. Компактные цилиндры, как стандартные, так и нет, могут получать все те же опции, что и цилиндры, рассмотренные выше, включая температурные исполнения, фиксаторы, магнитное кольцо, гладкий корпус и т.д. Плохая стойкость к боковым нагрузкам сделала необходимым наличие варианта с двумя встроенными направляющими и траверсой на штоке, что также защищает шток от проворота.

Компактные цилиндры по UNITOP

Ещё одним стандартом, по которому выпускаются компактные пневмоцилиндры, является стандарт UNITOP.

Цилиндры по UNITOP имеют схожие характеристики, что и цилиндры по ISO21287, но имеют несколько отличающиеся габаритные и присоединительные размеры.

Как выбрать стандартный цилиндр?

Разница в конструкции и габаритах цилиндров хорошо видна на рис. ниже.

Сравнение осевого габарита стандартного, компактного и короткоходового цилиндров (слева направо) с одинаковым диаметром поршня и рабочим ходом

Все показанные цилиндры имеют одинаковые диаметр поршня, развиваемое усилие и ход. Выбор между ними нужно делать в зависимости от условий конкретного применения:

• доступное пространство,
• скорость перемещения,
• боковые нагрузки и т.д.

Понятно, что с ростом рабочего хода разница в осевом габарите станет не так заметна, и предпочтение в большинстве случаев следует отдавать стандартному цилиндру, который намного лучше противостоит боковым нагрузкам и имеет регулируемое демпфирование. Разница в цене будет не в его пользу, но она более чем компенсируется затратами на дополнительные принадлежности (амортизаторы, направляющие и т.п.) и усилия по монтажу, которые придется сделать, чтобы возможности компактного или короткоходового цилиндра «дотянуть» до уровня стандартного. Для небольших же перемещений, когда часто не требуются высокие скорости, т.е. не бывает сильных ударов, а боковые нагрузки не опасны, предпочтительнее выглядят компактные цилиндры или, как вариант, короткоходовые.