Jak prawidłowo dobrać siłownik pneumatyczny do swojej aplikacji?

Wstęp

Często w moich artykułach na Bazie Wiedzy poruszam tematykę siłowników pneumatycznych. Jest to związane z wielką popularnością tych elementów napędowych, bez których trudno sobie wyobrazić jakikolwiek układ pneumatyczny. Rozwinięciem tej tematyki jest obszar zastosowania siłowników pneumatycznych, a dokładnie sposób w jaki dobiera się siłowniki pneumatyczne w różnorodnych aplikacjach.

W praktyce dobór siłownika pneumatycznego w konkretnym przypadku dzieli się na dwa zadania:

●     dobór siłownika na etapie projektowania – zadanie doboru siłownika w przypadku konstruowania i projektowania maszyn i urządzeń którego celem jest jego zastosowanie do konkretnej aplikacji,

●     dobór siłownika przez użytkownika – zadanie doboru siłownika oryginalnego lub zamiennika w przypadku jego awarii lub uszkodzenia.

Oczywiście pierwsze zadanie jest bardziej skomplikowane i dotyczy także sytuacji, gdzie samodzielnie chcemy zastosować siłownik pneumatyczny do wykonania jakiejś pracy lub chcemy rozbudować lub usprawnić urządzenie które posiadamy.

W moim artykule opiszę praktyczne porady związane z doborem siłowników liniowych tłoczyskowych w tych dwóch przypadkach.

Co będziesz wiedział po lekturze poradnika?

• Jakie są etapy doboru siłownika pneumatycznego w przypadku projektowania?
• Jak na dobór siłownika wpływa środowisko pracy, w jakim będzie działał?
• Co jeszcze należy uwzględniać przy doborze siłowników na etapie projektowania?
• Jak dobierać siłowniki pneumatyczne do istniejącej aplikacji?

Etapy doboru siłownika pneumatycznego do aplikacji w przypadku jego projektowania

1. Obliczenie średnicy siłownika

Znając wymaganą siłę z jaką ma działać siłownik pneumatyczny dobieramy jego średnicę D uwzględniając czy siłownik ma tą siłę uzyskiwać “pchając” czy “ciągnąc”. Szczegóły obliczenia siły działania siłownika zostały przeze mnie opisane w artykule Siłowniki pneumatyczne a siłowniki hydrauliczne: porównanie.

Ze względu na to, że siła działania siłownika zależy od ciśnienia zasilania, należy określić przy jakim ciśnieniu wymagana siła ma być uzyskana. Zwykle zakładamy, że ciśnienie zasilania siłownika pneumatycznego to ok. 6 bar (0,6 MPa).

Poniżej przypominam wzór stosowany do obliczenia siły siłownika.

Bardzo pomocne są tabele lub kalkulatory sił dostępne w katalogach i na stronach producentów siłowników pneumatycznych. Dla siłowników produkowanych przez Air-Com taka tabela jest dostępna pod poniższym przyciskiem.

Uwagi:

• siły podawane w tabelach i kalkulatorach zwykle nie uwzględniają oporów ruchu samego siłownika wynikających z tarcia pomiędzy uszczelnieniami a tuleją i tłoczyskiem oraz tarcia na prowadzeniach tłoka i tłoczyska. Z tego powodu rzeczywista siła działania jest mniejsza. W większości dostępnych materiałów przyjmuje się, że opory te powodują zmniejszenie siły działania siłownika o 10%, co należy brać pod uwagę przy dobieraniu siłowników,
• dodatkowo należy uwzględnić inne opory (na prowadnicach, przegubach itp.),wartości tych oporów zależą od współczynnika tarcia pomiędzy elementami.

2. Dobór skoku siłownika 

Na tym etapie należy określić długość wysuwu (ruchu) tłoczyska siłownika pneumatycznego. Parametr ten jest zawsze znany na etapie projektowania maszyny. Zalecam dobieranie skoków standardowych (np. 80, mm, 100 mm, 250 mm), gdyż siłowniki ze skokami nietypowymi mogą być trudniej dostępne lub ich wykonanie wymaga dłuższego terminu oczekiwania.

Uwaga – skok siłownika pneumatycznego zwykle jest o 1 – 2 mm dłuższy od nominalnego!

3. Dobór typu siłownika 

Mając dobraną średnicę i skok siłownika (czyli np. D50x200, który będziemy się dalej posługiwali jako przykładem), możemy przejść do wyboru typu siłownika pneumatycznego. Zalecam stosowanie siłowników znormalizowanych (ISO6432, ISO15552, ISO21287), gdyż znacznie ułatwia to stosowanie standardowych elementów mocujących w przypadku ich stosowania.

Dobór konkretnego typu siłownika pneumatycznego jest sprawą indywidualną i zależy od doświadczenia projektanta lub od uwarunkowań konstrukcji (np. miejsca pod zabudowę. Projektanci mają zatem do dyspozycji np najbardziej typowe siłowniki:

• siłowniki standardowe ISO6432: D8 – D25,
• siłowniki standardowe ISO15552: D32 – D320,
• siłowniki okrągłe D32 – D100,
• siłowniki kompaktowe ISO 21287 i UNITOP.

4. Określenie sposobu sygnalizowania położenia siłownika i sposobu montażu czujnika

Etap ten jest wymagany w sytuacji kiedy siłownik pneumatyczny pracuje w systemie automatycznego sterowania, Wymagany w tym przypadku jest magnes w tłoku uruchamiający najbardziej popularne czujniki kontaktronowe i elektroniczne (dowiedz się więcej o czujnikach – przeczytaj nasz artykuł). Nadmienię że najbardziej popularne są obecnie siłowniki z tulejami kształtowymi, które posiadają kanałki do zamocowania czujnika.
Uwaga! Obecnie zdecydowana większość standardowych siłowników pneumatycznych jest wyposażona w magnes, chociaż niektórzy producenci posiadają jeszcze wersje bez magnesu.

5. Konieczność zastosowania amortyzacji pneumatycznej

 W przypadku dużych prędkości przemieszczeń (duża energia kinetyczna) należy stosować siłowniki z amortyzacją (pneumatyczną lub pneumatyczną samonastawną) w krańcowych położeniach skoku co zwiększa trwałość siłownika oraz redukuje niekorzystne drgania. Amortyzacja jest zwykle bardziej potrzebna w siłownikach o małych średnicach (ISO6432) ze względu na charakter pracy wykonują one zwykle więcej cykli ruchu.

6. Uwzględnienie prędkości ruchu tłoczyska

Jeżeli siłownik ma pracować z dużymi prędkościami (co oznacza duży przepływ powietrza), zalecam stosowanie siłowników np. ISO15552, gdyż posiadają one duże otwory przyłączeniowe. Nie mam tu na myśli tylko rozmiaru gwintu, tylko rzeczywistą średnicę przez którą do siłownika doprowadzane jest powietrze, bo dla przykładu dla siłownika o średnicy D50 w siłowniku ISO15552 rozmiar gwintu wynosi G1/4”, rzeczywista średnica doprowadzenia powietrza (po angielsku nazywana orifice)wynosi ok. 8 mm, a w siłowniku kompaktowym ISO21287 o tej samej średnicy D50 – G1/8”, (co daje rzeczywistą średnicę dopływu powietrza ok 2,5 mm).
Uwaga! Jeżeli zakłada się używanie zaworów dławiąco-zwrotnych do regulacji prędkości ruchu siłownika wielkość zarówno gwintu przyłącza jak i średnicy przewodu zasilającego ma drugorzędne znaczenie.

Jak na dobór siłownika pneumatycznego wpływają warunki pracy, w jakich będzie on działał?

Po doborze siłownika do aplikacji co przedstawiłem powyżej należy brać pod uwagę warunki jego pracy. Nie ma to znaczenia, jeżeli siłowniki są stosowane na halach produkcyjnych w standardowych warunkach temperatury. Natomiast w szczególnych, poniżej podanych przypadkach wygląda to inaczej:

• siłowniki stosowane w przemyśle spożywczym – należy stosować siłowniki w wykonaniach ze stali nierdzewnej (INOX) – zobacz w sklepie
• siłowniki pracujące w warunkach dużej wilgotności – należy stosować siłowniki nierdzewne lub siłowniki z nierdzewnym tłoczyskiem – zobacz w sklepie,
• siłowniki pracujące w silnym zapyleniu lub na zewnątrz – zalecam stosowanie siłowników z dodatkowym zgarniaczem,
• siłowniki stosowane w wysokiej temperaturze – zalecam stosowanie siłowników z uszczelnieniami Viton (temperatury 0 do +120°C) lub siłowników z uszczelką Viton na tłoczysku – zobacz w sklepie.

Jakie dodatkowe czynniki należy uwzględniać przy doborze siłowników na etapie ich projektowania?

Uzupełniając dotychczasowe informacje dla projektantów siłowników, wskazane powyżej, należy jeszcze wskazać inne ważne zagadnienia, jak:

• dobór właściwych elementów mocujących do siłownika, uwzględniających sposób działania siłownika i jego montaż w urządzeniu,
• zwrócenie uwagi na kwestie wytrzymałościowe np. problem wyboczenia siłownika w przypadku stosunku jego średnicy do skoku 1:10,
• eliminowanie obciążania siłownika siłami promieniowymi (prostopadłymi do osi tłoczyska),
• zapewnienie właściwego prowadzenia mechanizmów dla siłowników pracujących poziomo.

Jak dobierać siłowniki pneumatyczne do istniejących aplikacji?

W takiej sytuacji problem jest bardzo prosty do rozwiązania. W przypadku uszkodzenia siłownika lub konieczności jego zamiany należy:

• określić typ siłownika (znormalizowany ISO15552, ISO6432, kompaktowy, dociskowy, okrągły itp.),
• zidentyfikować wg tabliczki znamionowej (o ile jest) średnicę i skok lub te wielkości zmierzyć,
• zidentyfikować sposób mocowania i elementy służące do tego celu, jeżeli one także będą podlegały wymianie,
• należy podjąć decyzję czy stosować oryginalny siłownik czy zamiennik innej firmy, jednak wymagana jest wtedy konsultacja np. z naszym Biurem Obsługi Klienta w celu prawidłowego doboru produktu alternatywnego.

Podsumowanie

Dobór siłownika pneumatycznego nie jest trudnym zadaniem, zwłaszcza dla konstruktorów maszyn i urządzeń. Dodatkowym ułatwieniem jest dostęp do modeli 3D, co w dobie projektowania CAD/CAM  pozwala na symulowanie np. ruchu (kinematyki) siłowników pneumatycznych oraz przeprowadzanie obliczeń wytrzymałościowych. Bardzo duże znaczenie ma także doświadczenie inżynierskie i umiejętność korzystania z materiałów katalogowych. Moim celem było przekazanie czytelnikom praktycznych informacji, bez zanudzania wzorami matematycznymi, używanymi praktycznie na każdym etapie projektowania systemów pneumatyki.

Zachęcamy do kontaktu z pracownikami naszego  Biura Obsługi Klienta którzy pomogą w zakresie doboru siłownika pneumatycznego.