Siłowniki pneumatyczne — dobór, produkcja i wykonania na wymiar

Dobór siłownika pneumatycznego wymaga określenia siły użytecznej w obu kierunkach ruchu, skoku roboczego, wymaganego czasu wysuwu i powrotu oraz warunków zabudowy. Średnica tłoka i nominalne ciśnienie zasilania stanowią punkt wyjścia do obliczeń; o pracy napędu pod obciążeniem decydują również przeciwciśnienie w komorze opróżnianej, opory mechaniczne i przepustowość toru zasilająco-wydechowego. W aplikacjach dynamicznych konieczna jest dodatkowo weryfikacja prowadzenia i zdolności amortyzacji do przejęcia energii ruchomego zespołu.

Pneumatig produkuje siłowniki od 2012 roku. Oferta obejmuje serie C-H ISO 15552, C-M ISO 6432, C-D ISO 21287, C-U UNITOP oraz siłowniki kartridżowe C-K i napędy do zastosowań specjalnych. Konfigurację należy oprzeć na dokumentacji wybranej serii: rysunku wymiarowym, dostępnych wykonaniach i parametrach roboczych. Poniższe zestawienie porządkuje dobór rodziny; szczegóły konkretnego wariantu znajdują się w odpowiedniej podkategorii i karcie produktu.

Serie siłowników Pneumatig — konstrukcja i kryteria doboru

Przy doborze siłownika profilowego do maszyny punktem wyjścia jest seria C-H ISO 15552. Jeżeli ograniczeniem konstrukcyjnym jest długość zabudowy, należy porównać rozwiązanie z serią C-D ISO 21287. Zamiana C-U UNITOP na C-D wymaga analizy rysunków montażowych, nawet przy jednakowej średnicy tłoka i skoku. Zgodność siły teoretycznej nie rozstrzyga zgodności mechanicznej.

Seria C-K wymaga odrębnego podejścia do zabudowy i bilansu sił. Przykładowy siłownik kartridżowy C-K-006-0005 ma średnicę tłoka 6 mm, skok 5 mm i powrót sprężyną. Karta tego modelu podaje siłę nacisku 12 N przy 6 bar. Wartości tej nie należy zastępować wynikiem samego iloczynu ciśnienia i pełnej powierzchni tłoka ani przenosić na całą rodzinę MINI. Przy doborze trzeba uwzględnić opór sprężyny, tarcie i kierunek sił zewnętrznych.

Napędy zderzakowe, beztłoczyskowe i obrotowe dobiera się według dodatkowych kryteriów. Dla zderzaka istotne są warunki zatrzymania detalu i dopuszczalne obciążenie; dla napędu beztłoczyskowego — skok, prowadzenie i momenty obciążające; dla napędu obrotowego — wymagany moment w całym zakresie ruchu. Rodziny te są dostępne w podkategoriach. Parametr siły liniowej nie wystarcza do porównania napędów realizujących różne funkcje mechaniczne.

Rodzaj działania i wykonanie tłoczyska

W siłowniku jednostronnego działania ciśnienie zasila jedną komorę roboczą, a ruch powrotny realizuje sprężyna lub obciążenie zewnętrzne, zależnie od konstrukcji. W wykonaniu dwustronnego działania obie komory są naprzemiennie zasilane i odpowietrzane. Wymagana siła i prędkość powinny być określone oddzielnie dla wysuwu oraz powrotu.

Dwustronne działanie i tłoczysko przechodnie opisują różne cechy napędu. Siłownik dwustronnego działania z tłoczyskiem jednostronnym ma różne powierzchnie czynne obu komór. Wykonanie z tłoczyskiem przechodnim wymaga miejsca po obu stronach korpusu; powierzchnie czynne zależą od geometrii tłoczyska po każdej stronie. Przy identyfikacji zamiennika należy ustalić oba parametry konstrukcyjne, zamiast opierać zamówienie na samym określeniu „dwustronny”.

Bilans sił: ciśnienie w komorach, powierzchnie czynne i tarcie

Dla siłownika z tłoczyskiem jednostronnym powierzchnia pełna wynosi A₁ = πD²/4, a powierzchnia pierścieniowa po stronie tłoczyska A₂ = π(D² − d²)/4. Symbol D oznacza średnicę tłoka, a d — średnicę tłoczyska. Przy wymiarach w mm powierzchnie otrzymujemy w mm². Ciśnienie należy wówczas wyrazić w N/mm²: 1 bar = 0,1 N/mm².

Siła wynikająca z ciśnień przy wysuwie wynosi F_p,wys = p₁A₁ − p₂A₂, gdzie p₁ jest ciśnieniem względnym w komorze beztłoczyskowej, a p₂ — w komorze tłoczyskowej. Przy powrocie, licząc siłę dodatnio w kierunku wsuwania, zależność przyjmuje postać F_p,pow = p₂A₂ − p₁A₁. Są to siły pneumatyczne przed uwzględnieniem tarcia. Dla ruchu ze sprężyną do bilansu dochodzi również jej siła, z kierunkiem odpowiadającym rozpatrywanemu ruchowi.

Uproszczone wzory F = pA zakładają zerowe nadciśnienie w komorze opróżnianej. W instalacji z dławieniem wydechu założenie to może istotnie zawyżać wynik. Siła dostępna do pokonania obciążenia jest dodatkowo pomniejszana o opory uszczelnień i prowadzenia. W ruchu przyspieszonym bilans musi uwzględniać bezwładność przemieszczanej masy. Ciśnienie statyczne na reduktorze nie jest równoważne ciśnieniu w komorze podczas napełniania.

Przykład: tłok Ø40 mm, tłoczysko Ø16 mm, zasilanie 6 bar

Dla przyjętej geometrii A₁ ≈ 1256,6 mm² i A₂ ≈ 1055,6 mm². Przy ciśnieniu 6 bar w komorze zasilanej i zerowym nadciśnieniu w komorze odpowietrzanej otrzymujemy około 754 N przy wysuwie i 633 N przy powrocie. Jeżeli podczas wysuwu przeciwciśnienie po stronie tłoczyska wynosi 1 bar, siła pneumatyczna spada do około 648 N, jeszcze przed odjęciem tarcia. Samo przeciwciśnienie zmniejsza w tym przykładzie wynik o około 106 N.

To przykład obliczeniowy, a nie charakterystyka katalogowa konkretnego SKU. Pokazuje, dlaczego przy niewystarczającym docisku należy sprawdzić oba ciśnienia robocze i opory układu. Zwiększenie średnicy bez analizy wydechu, zaworu i prowadzenia może pozostawić pierwotną przyczynę problemu.

Dobór średnicy do obciążenia statycznego i dynamicznego

Przy 6 bar, bez przeciwciśnienia i tarcia, teoretyczna siła wysuwu wynosi około 483 N dla Ø32 mm, 754 N dla Ø40 mm oraz 1178 N dla Ø50 mm. Masa 50 kg wywołuje siłę ciężkości 490,5 N przy g = 9,81 m/s². Tłok Ø32 mm nie zapewnia więc nawet idealnej równowagi przy pionowym podnoszeniu tej masy. Wynik dla Ø40 mm wymaga dalszej oceny przyspieszenia, oporów i ciśnienia dostępnego pod obciążeniem.

Wstępnie dobraną średnicę należy następnie sprawdzić w konfiguracji odpowiedniej serii, np. C-H. Zapas siły wynika z warunków aplikacji i zmienności obciążenia; nie należy przyjmować jednego współczynnika dla wszystkich mechanizmów. W napędzie pionowym odrębnym zagadnieniem pozostaje zabezpieczenie ładunku po utracie ciśnienia. Sam dobór średnicy lub zaworu rozdzielającego nie rozwiązuje tego wymagania.

Skok roboczy, wyboczenie tłoczyska i obciążenia poprzeczne

Skok L trzeba odnieść do całkowitej długości zespołu przy wsunięciu i wysunięciu, geometrii końcówki tłoczyska oraz przestrzeni na przewody i osprzęt. Dla długiego tłoczyska obciążonego ściskająco ograniczeniem może być wyboczenie, zanim zostanie wykorzystana pełna siła wynikająca z ciśnienia. Weryfikacja obejmuje średnicę tłoczyska, długość swobodną, sposób podparcia i rzeczywisty układ mocowania; dopuszczalne obciążenie należy ustalić dla wybranego wykonania.

Obciążenia poprzeczne i niewspółosiowość zwiększają opory ruchu oraz obciążenie prowadzenia i uszczelnień. Przy zewnętrznym prowadzeniu detalu trzeba zapewnić zgodność kinematyczną jego toru z osią siłownika. Dobór przegubu lub sprzęgła powinien wynikać z konstrukcji mechanizmu. Dopuszczalnych sił bocznych i momentów nie należy wyprowadzać z samej średnicy tłoka ani przypisywać siłownikowi funkcji prowadnicy bez potwierdzenia w dokumentacji.

Amortyzacja końcowa i energia ruchomego zespołu

Amortyzację należy zweryfikować dla masy przemieszczanej, prędkości dojazdu, orientacji napędu i warunków obciążenia. Energia kinetyczna E_k = mv²/2 stanowi punkt wyjścia do oceny, ale nie wyczerpuje bilansu hamowania: podczas dojazdu mogą nadal działać siły napędzające i grawitacja. We wzorze m oznacza masę ruchomego zespołu w kg, a v — jego prędkość w m/s; wynik otrzymujemy w dżulach. Dopuszczalną energię oraz zakres regulacji trzeba odczytać z danych konkretnego siłownika.

Regulowana amortyzacja pneumatyczna nie oznacza możliwości zatrzymania dowolnego obciążenia. Jeżeli warunki ruchu przekraczają zdolność amortyzacji danego wykonania, konieczna jest zmiana parametrów ruchu lub zastosowanie odpowiednio dobranego rozwiązania zewnętrznego. Regulacja tłumienia dojazdu i regulacja prędkości na odcinku roboczym dotyczą różnych faz ruchu i powinny być oceniane oddzielnie.

Zużycie sprężonego powietrza i wymagany przepływ

Dla siłownika dwustronnego działania objętość geometryczna przemieszczana w pełnym cyklu wysuw–powrót wynosi V_cykl = (A₁ + A₂)L. Gdy powierzchnie podano w mm², a skok w mm, wynik w mm³ należy podzielić przez 1 000 000, aby otrzymać litry. Zależność uwzględnia różnicę objętości komory pełnej i pierścieniowej, ale pomija objętości martwe oraz przewody przyłączeniowe.

Dla D = 40 mm, d = 16 mm i L = 100 mm otrzymujemy V_cykl ≈ 0,231 l. Przyjmując jednakowe ciśnienie napełnienia obu komór 6 bar względnych, ciśnienie atmosferyczne 1 bar i tę samą temperaturę powietrza, przeliczenie na objętość przy 1 bar bezwzględnym wymaga mnożnika 7. Wynik wynosi około 1,62 l/cykl, czyli 32,4 l/min przy 20 pełnych cyklach na minutę.

Podane zużycie jest oszacowaniem przy określonych założeniach. Nie uwzględnia przecieków, napełniania przewodów, objętości martwych ani przebiegu ciśnienia podczas ruchu. Nie należy oznaczać go jako przepływu w litrach normalnych bez wskazania właściwych warunków odniesienia. Gdy ciśnienia napełnienia komór są różne, obie objętości trzeba przeliczyć oddzielnie, używając ciśnień bezwzględnych.

Średnie zużycie powietrza nie określa przepływu wymaganego do uzyskania zadanego czasu skoku. Zawór, przewody, złączki i wydech dobiera się do napełniania oraz opróżniania komór w wymaganym czasie. Krótki ruch z długim postojem może dawać niewielkie zużycie średnie, mimo znacznego zapotrzebowania chwilowego. Przy doborze zespołu z C-H należy określić czas wysuwu i powrotu, długości przewodów, dopuszczalne spadki ciśnienia oraz jednoczesność pracy napędów.

Zamienność siłowników ISO i weryfikacja zabudowy

Oznaczenie normy jest punktem odniesienia dla porównania wymiarów. Dobór zamiennika obejmuje jednak cały zespół: standard wykonania, średnicę tłoka, skok, długość montażową, rozstaw mocowań, gwint tłoczyska, przyłącza pneumatyczne i ich położenie. Oddzielnie należy sprawdzić amortyzację, detekcję położenia, materiały oraz warunki środowiskowe. Sama zgodność ISO nie potwierdza równoważności wszystkich parametrów użytkowych.

Mocowania i akcesoria do siłowników Pneumatig należy dopasować do rysunku konkretnego wykonania. Istniejąca łapa, kołnierz lub przegub wymaga kontroli wymiarów i sposobu przenoszenia obciążenia. Szczególnej uwagi wymagają zamiany między C-D ISO 21287 a C-U UNITOP, wykonania z tłoczyskiem przechodnim oraz siłowniki modyfikowane na zamówienie. Pomocne są modele CAD i porównanie wymiarów bazowych przed montażem.

Zawór rozdzielający i regulacja prędkości siłownika

Dla C-K z powrotem sprężynowym punktem wyjścia jest funkcja 3/2, umożliwiająca zasilenie i odpowietrzenie jednej komory. Siłownik dwustronnego działania wymaga naprzemiennego sterowania obiema komorami; typowo stosuje się zawór 5/2. Zastosowanie 5/3 wymaga określenia funkcji położenia środkowego i zachowania mechanizmu po zaniku sygnału lub zasilania. Zamknięcie portów nie gwarantuje trwałego utrzymania obciążenia.

Dobierając elektrozawór pneumatyczny z oferty Pneumatig, należy sprawdzić funkcję rozdzielacza, sposób powrotu, napięcie cewki, wymagane ciśnienie pilota i parametry przepływowe. Rozmiar gwintu przyłączeniowego nie zastępuje charakterystyki przepływu. Opory przewodów, złączek i tłumików trzeba uwzględnić zarówno po stronie zasilania, jak i wydechu.

Zawory dławiąco-zwrotne umożliwiają regulację przepływu w wybranym kierunku. W siłownikach dwustronnego działania często stosuje się dławienie na odpływie; powstające przeciwciśnienie trzeba uwzględnić w bilansie sił. Kierunek montażu należy ustalić według symbolu i dokumentacji zaworu. W C-K nadmierne ograniczenie odpowietrzania może uniemożliwić prawidłowy powrót sprężynowy. Nastawa ciśnienia określa warunki siłowe, ale nie zastępuje doboru przepływu do wymaganej prędkości.

Przygotowanie sprężonego powietrza do siłowników — stacje SAU

Układ przygotowania sprężonego powietrza należy dobrać do wymagań dokumentacji siłownika i pozostałych elementów instalacji. Wymagania dotyczące zawartości cząstek stałych, wody i oleju stanowią odrębne kryteria jakości medium. Samo wskazanie dokładności wkładu filtracyjnego nie opisuje wszystkich tych wymagań. Warunki zasilania trzeba oceniać również przy przepływie roboczym, z uwzględnieniem spadku ciśnienia na zespole przygotowania powietrza.

Do przygotowania zasilania układu siłowników można rozpatrzyć stacje serii SAU. Przykładowo stacja przygotowania powietrza AGD-SAU3000-2 łączy filtr, regulator ciśnienia z manometrem i smarownicę. Model ma przyłącze G 3/8″, filtrację 10 µm oraz zakres regulacji 0,5–8,5 bar. Dobór stacji powinien uwzględniać wymagania jakościowe odbiorników, chwilowy pobór powietrza i dopuszczalny spadek ciśnienia podczas ruchu siłowników; sam rozmiar przyłącza nie rozstrzyga doboru. Sekcję smarowania stosuje się wyłącznie wtedy, gdy dokumentacja zasilanych elementów przewiduje mgłę olejową. Dla układu wymagającego pracy bez dodatkowego smarowania należy dobrać konfigurację filtracji i regulacji bez dozowania oleju. Filtr stacji nie zastępuje osuszacza, jeżeli instalacja wymaga określonego ciśnieniowego punktu rosy.

Dodatkowego smarowania nie należy zakładać dla każdego siłownika. Dla napędu wcześniej zasilanego powietrzem smarowanym możliwość przejścia na pracę bez olejarki wymaga sprawdzenia w instrukcji. Wymagania jednej serii nie stanowią podstawy do zmiany sposobu zasilania pozostałych odbiorników wspólnej instalacji.

Uszczelnienia i odporność kompletnego wykonania

Konfigurator C-H udostępnia opcje oznaczone jako standard, NBR, VITON oraz VITON + METAL. Wybór wymaga odniesienia do temperatury medium i otoczenia, kontaktu z substancjami chemicznymi, zapylenia oraz warunków pracy tłoczyska. Nazwa materiału uszczelnienia nie określa samodzielnie dopuszczalnej temperatury całego siłownika. Ograniczenia mogą dotyczyć również smaru, elementów prowadzących i pozostałych części zespołu.

W środowisku zapylonym istotna jest konstrukcja zgarniacza i ochrona powierzchni tłoczyska. Przy myciu należy uwzględnić wodę, stosowaną chemię oraz odporność materiałów. Dla środowiska korozyjnego można rozpatrzyć dostępne wykonania nierdzewne, po weryfikacji ich parametrów. Materiał korpusu lub deklaracja dotycząca pojedynczego uszczelnienia nie potwierdza dopuszczenia kompletnego napędu do zastosowania spożywczego, farmaceutycznego czy innego wymagającego odrębnej dokumentacji.

Detekcja położenia tłoka i zgodność z wejściem sterownika

Detekcja magnetyczna wymaga odpowiedniego magnesu na tłoku i dopasowania czujnika do konstrukcji siłownika. W korpusie profilowym należy sprawdzić geometrię rowka, a w okrągłym — wymagany uchwyt lub obejmę. Zgodność mechaniczna mocowania nie wystarcza do potwierdzenia prawidłowego przełączania w całym wymaganym zakresie warunków pracy.

Przy doborze czujników położenia tłoka Pneumatig należy zweryfikować rodzaj wyjścia, napięcie zasilania, dopuszczalne obciążenie i sposób podłączenia do wejścia sterownika. Kontaktron NO sygnalizuje obecność tłoka w strefie przełączania. Nie jest pomiarem siły docisku ani ciągłym pomiarem położenia. Po montażu należy sprawdzić położenie stref przełączania i poprawność sygnałów podczas rzeczywistego cyklu maszyny.

Diagnostyka spadku siły, nierównomiernego ruchu i przecieków

Niewystarczająca siła: pomiar powinien obejmować ciśnienie przy napędzie podczas obciążonego ruchu oraz przeciwciśnienie w komorze opróżnianej. Następnie należy sprawdzić ograniczenia przepływu, nieszczelność wewnętrzną i opory mechaniczne. Prawidłowe ciśnienie statyczne przed rozpoczęciem cyklu nie wyklucza spadku podczas napełniania komory.

Nierównomierna prędkość lub utrudniony rozruch: kontroli wymagają nastawy dławienia, drożność przewodów i tłumika, współosiowość oraz obciążenie poprzeczne tłoczyska. Podwyższenie ciśnienia nie usuwa mechanicznej przyczyny wzrostu tarcia. Jeżeli objaw pojawił się po wymianie napędu, należy ponownie porównać zabudowę, osprzęt i nastawy amortyzacji.

Stały przeciek: trzeba rozróżnić nieszczelność przyłączy, uszczelnienia tłoczyska oraz przeciek między komorami. Wypływ powietrza przez wydech rozdzielacza nie dowodzi sam w sobie uszkodzenia zaworu — może pochodzić z nieszczelności wewnętrznej siłownika. Próby diagnostyczne i demontaż prowadzi się zgodnie z procedurą maszyny, po zabezpieczeniu ruchomych zespołów i rozładowaniu energii pneumatycznej.

Wykonania na wymiar, regeneracja i dokumentacja do zapytania

Wykonanie specjalne wymaga określenia interfejsów mechanicznych i warunków roboczych. Zakres możliwych modyfikacji skoku, zakończenia tłoczyska, mocowań, materiałów i uszczelnień zależy od serii. Dokumentacja powinna obejmować położenia krańcowe, sposób prowadzenia obciążenia i przestrzeń serwisową. Rysunki wymiarowe oraz modele CAD służą do weryfikacji zabudowy przed zamówieniem.

Do zapytania o dobór lub wykonanie siłownika w Pneumatig należy dołączyć kod obecnego napędu albo rysunek z wymiarami, wymaganą siłę w obu kierunkach, skok i orientację montażu. Potrzebne są także ciśnienie dostępne pod obciążeniem, czasy wysuwu i powrotu, częstotliwość cykli, masa ruchoma oraz temperatura i warunki otoczenia. Dla zamiennika warto wskazać osprzęt, który ma pozostać w maszynie, oraz wymagany sposób detekcji położenia.

Ocena naprawialności siłownika

Zakres regeneracji wynika ze stanu powierzchni współpracujących z uszczelnieniami, prostoliniowości tłoczyska, zużycia prowadzenia i stanu korpusu. Wymiana kompletu uszczelnień nie usuwa rys, odkształceń ani niewspółosiowości układu. Zdjęcia oznaczeń, powierzchni tłoczyska i miejsc przecieku pomagają określić zakres dalszej diagnostyki oraz porównać naprawę z wymianą napędu.

Przebudowa siłownika jednostronnego działania na dwustronny wymaga oceny konstrukcji komór, uszczelnień, mocowania i elementów sprężynowych. Samo wykonanie dodatkowego przyłącza nie potwierdza przydatności konstrukcji do nowej funkcji. Przy zmianie cyklu pracy lub obciążenia należy ponownie przeprowadzić dobór, zamiast traktować regenerację jako automatyczne rozszerzenie parametrów napędu.

Budowa siłownika — elementy robocze i serwisowe

Korpus i pokrywy zamykają komory robocze, rozdzielone tłokiem z zespołem uszczelnień. Tłoczysko przenosi obciążenie osiowe, elementy prowadzące ustalają jego położenie, a zgarniacz ogranicza wprowadzanie zanieczyszczeń do wnętrza. Stan powierzchni współpracujących z uszczelnieniami i prowadzeniem ma znaczenie przy ocenie przyczyny przecieku oraz zakresu regeneracji.

Części zamienne należy identyfikować według modelu i wykonania siłownika. Zbliżony schemat konstrukcyjny nie potwierdza zgodności profili uszczelnień, wymiarów prowadzenia ani zamienności tłoczysk między seriami C-H, C-M i C-D. Dobór zestawu naprawczego wymaga odniesienia do właściwej dokumentacji.

Filmy Pneumatig — siłowniki profilowe

Zobacz materiały Pneumatig przedstawiające siłowniki profilowe. Przy wyborze wykonania porównaj kartę i rysunek konkretnego modelu; film jest prezentacją konstrukcji.