Варианты демпфирования пневмоцилиндров в крайних положениях

Пневматические приводы могут развивать очень высокую скорость – вплоть до 20 м/с. Но высокая кинетическая энергия при ударе об упор в конце хода, пропорциональная квадрату скорости, отрицательно сказывается на ресурсе не только цилиндра, но и окружающего оборудования. Поэтому на практике чаще всего скорость ограничивают примерно до 0,5…1,5 м/с. Но и при таких скоростях удар в конце хода остается проблемой, которая решается правильным выбором типа демпфирования или торможения в конце хода. Оно может быть внутренним, т.е. встроенным в цилиндр, или внешним за счет дополнительных устройств.

Тип встроенного демпфирования, обычно двустороннего, обязательно показывается на УГО пневмоцилиндра в виде дополнительных прямоугольников по бокам поршня (упругое), а также наклонной стрелки (регулируемое) или ломаной линии на поршне (самонастраивающееся). Для цилиндров одностороннего действия обычно хватает упругого демпфирования.

Варианты встроенного демпфирования и их условные обозначения указаны на рисунке выше (сверху вниз): упругое, регулируемое пневматическое, самонастраивающееся.

Упругое демпфирование

Варианты упругого демпфирования

Упругое демпфирование конструктивно самое простое, дешевое и занимает минимум места внутри цилиндра. Его можно реализовать за счет упругих манжет или колец в крышках или на поршне. Эффективность снижения энергии удара зависит от используемого материала и геометрической формы упругих элементов, но в любом случае это демпфирование не эффективно при высоких скоростях и больших перемещаемых нагрузках, и его нельзя подстроить под изменяющиеся в ходе эксплуатации условия. Его используют для цилиндров с небольшим ходом, цилиндров одностороннего действия или в комбинации с внешним демпфированием для экономии затрат, поскольку цилиндры вообще без встроенного демпфирования сейчас практически не выпускаются.

Есть у упругого демпфирования еще один недостаток. Поскольку деформация манжет или колец зависит от множества внешних факторов (нагрузка, рабочее давление и т.д.), здесь нельзя говорить о высокой точности остановки на упоре. Понятно, что речь идет о долях миллиметра, но в некоторых случаях это может оказаться важным.

В ряде случаев упругое демпфирование комбинируют с сужением каналов для воздуха в крышках. Это снижает подаваемый и выпускаемый из цилиндра расход, что не дает поршню сильно разогнаться и ударить по крышке с большой энергией.

Пневматическое демпфирование

Регулируемое пневматическое демпфирование намного эффективнее, и поэтому применяется гораздо чаще, несмотря на более высокую цену, большое занимаемое пространство и необходимость тратить время на настройку. Принцип его действия заключается в следующем. В конце хода поршня установленные по его бокам втулки входят в специальные уплотнительные манжеты, установленные в крышках, тем самым перекрывая выход воздуху из соответствующей полости через основной канал. В полости начинает резко расти давление – эффект воздушной пружины – и скорость поршня падает. Если воздуху вообще не дать дальше выходить из цилиндра, то поршень остановится, не дойдя до упора. Поэтому в крышках выполнены дополнительные каналы, в которых для регулировки проходного сечения установлены винты. При полностью закрученном винте жесткость воздушной пружины максимальная, а при полностью выкрученном минимальная. Последнее состояние примерно соответствует упругому демпфированию.

Вариант демпфирования с обратными клапанами в крышках

Демпфирующие манжеты имеют с торцов специальную форму и устанавливаются с возможностью осевого перемещения. За счет этого обеспечивается герметичность между полостью и основным выходным каналом при захождении втулки в манжету и открывание достаточного прохода воздуху из основного канала в полость в начале хода, пока втулка еще не вышла из демпфирующей манжеты. Иногда для этих целей в крышке параллельно винту ставят обратный клапан. Иначе в начале хода воздух под прижатый к крышке поршень проходил бы только через канал с регулировочным винтом, давление поднималось бы медленно, и поршень начинал бы движение с большим запаздыванием.

Длина демпфирующих втулок, которая и определяет собственно путь демпфирования, зависит от диаметра поршня. У серийных цилиндров для универсальных применений она составляет обычно 9…17 мм для диаметров поршня 12…25 мм, 20…32 мм для диаметров 32…100 мм, а в больших цилиндрах – до 66 мм. В специальных цилиндрах, например, в приводах дверей вагонов электричек или метро длина демпфирования может достигать 70 мм при диаметре поршня 32…40 мм. В цилиндрах с диаметром поршня менее 12 мм регулируемое демпфирование не используется – оно там просто не умещается.

Настройка регулировочных винтов – процесс ответственный и трудоемкий, поскольку его нужно обязательно проводить на цилиндре, уже смонтированном на место. Это делается перед вводом установки в эксплуатацию и при любом последующем изменении нагрузки и скорости перемещения. Последнее особенно сложно, поскольку скорость увеличивают для сокращения времени рабочего цикла (т.е. повышения производительности установки), а демпфирование это время существенно увеличивает, поскольку, чем выше скорость подхода поршня к крышке, тем жестче нужно настроить пневматическую пружину и сильнее замедлить поршень на последнем участке пути. Только квалифицированный персонал может сделать такую настройку быстро и качественно.

Самонастраивающееся пневматическое демпфирование

Понятно, что при большом числе цилиндров эта настройка занимает много времени, а при последующей эксплуатации неопытный персонал может сделать работу таких цилиндров неэффективной. Это отрицательно сказывается на качестве выпускаемой продукции и ресурсе оборудования. Такая проблема решается с помощью самонастраивающегося демпфирования. Принцип его действия заключается в следующем. На демпфирующих втулках делают продольные пазы разной длины, а также разной формы и размера поперечного сечения. Таким образом, на участке демпфирования суммарная площадь сечения для выхода воздуха из полости уменьшается по мере приближения поршня к упору.

Обводной канал с регулировочным винтом теперь не нужен. В отличие от регулируемого демпфирования, где длина пути торможения и площадь сечения для выхода воздуха на этом участке хода постоянны, а скорость при входе в зону демпфирования меняется резко, в случае самонастраивающегося демпфирования сечение уменьшается, а путь торможения зависит от скорости поршня. Если скорость невысокая, торможение начинается не с момента вхождения втулки в манжету, а позже. То есть путь демпфирования будет короче, а снижение скорости будет плавным.

Втулка самонастраивающегося демпфирования и график изменения скорости поршня вдоль хода

В результате самонастраивающееся демпфирование позволяет сэкономить время при вводе в эксплуатацию, избежать неправильной настройки, оптимизировать общее время перемещения. Кроме того, цилиндры с таким демпфированием дешевле, чем с регулируемым. Но нужно всегда помнить, что по возможности гашения кинетической энергии серийный цилиндр с таким демпфированием примерно втрое уступает аналогичному цилиндру с регулируемым демпфированием. В принципе, можно рассчитать форму и размеры канавок на втулках для каждого конкретного случая, чтобы демпфирование было эффективно и в случае большой нагрузки и скорости. Но при серийном выпуске самонастраивающееся демпфирование адаптировано к типовым диапазонам этих параметров.

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