O RUCHU WAHADŁOWYM

Elementy i zespoły przetwarzające energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną

SIŁOWNIKI PNEUMATYCZNE

O RUCHU POSTĘPOWO-ZWROTNYM

JEDNOSTRONNEGO DWUSTRONNEGO
DZIAŁANIA DZIAŁANIA

JEDNOSTRONNEGO DZIAŁANIA

DWUSTRONNEGO DZIAŁANIA

3

tfokowe

tfokowe

Teleskopowe

Teleskopowe

- nurnikowe

• membranowe -

- mieszkowe •

3.1. Wprowadzenie

Pneumatyczne układy napędowe są wykorzystywane do wprawiania w n; mechanizmów i elementów maszyn, Aby było to możliwe, musi nastąp przetworzenie energii czynnika roboczego (sprężonego powietrza) na energ mechaniczną. Elementami realizującymi takie przetwarzanie są siłowniki i niki. W niniejszym rozdziale zostanie podana klasyfikacja siłowników i silnikó| pneumatycznych oraz ich budowa i zasady działania.

3.2. Siłowniki pneumatyczne

Ze względu na stosowane rozwiązania konstrukcyjne siłowniki pneumat czne (rys. 3.1) można podzielić na:

— tłokowe,

— nurnikowe,

— membranowe,

— mieszkowe,

— workowe i dętkowe. Ze względu na możliwości wywierania przez nie siły można je podzielić i siłowniki:

— jednostronnego działania,

— dwustronnego działania. Ze względu na zmiany siły działającej na element wykonawczy można. podzielić na:

— działające łagodnie (siłowniki z amortyzacją),

— działające z małym uderzeniem (siłowniki bez amortyzacji),

— działające udarowo (siłowniki specjalnej konstrukcji, tzw. udarowe). Ze względu na liczbę ściśle określonych położeń roboczych tłoczys siłowników można je podzielić na:

• workowe dętkowe

Rys. 3.1. Klasyfikacja siłowników

— dwupołożeniowe n = 2,

— wielopołożeniowe n > 2,

— krokowe.

Ze względu na rodzaj ruchu realizowanego przez siłowniki można je Podzielić na:

— siłowniki z ruchem prostoliniowym tłoczyska,

— siłowniki z wahadłowym ruchem wałka napędowego (z przekładnią do ^z«iiany ruchu prostoliniowego tłoka na wahadłowy ruch wałka napędowego).

Ze względu na sposób powiązania elementu napędzającego siłownika '^oka, nurnika itp.) z elementem (mechanizmem) napędzanym rozróżnia się słowniki:

— z tłoczyskiem (jednostronnym i dwustronnym),

— beztłoczyskowe.

57

56

Siłowniki mogą mieć tuleje cylindrowe i tłoczyska:

— jednolite,

— wielosegmentowe (siłowniki teleskopowe).

Ze względu na sposób zamocowania siłowników można podzielić je na:

— zamocowane na stałe — za pokrywę przednią (od strony tłoczyska), za pokrywę tylną, na łapach i za tłoczysko (ruchomy cylinder),

— zamocowane ruchowo — wahliwie, obrotowo (cały siłownik wykonuje ruch obrotowy z mechanizmem roboczym) itd.

Na rysunku 3.2 pokazano konstrukcję typowego tłokowego siłow­nika pneumatycznego dwustronnego działania. Podstawowymi częściami siłownika tłokowego są: tuleja cylindrowa ], zespół tłoka z tłoczyskiem

siłownika. Dzięki przepływowi sprężonego powietrza przez zawór 8 tłok może się zacząć od razu przesuwać z dużą prędkością i może być rozwinięta pełna siła siłownika. Amortyzacja pneumatyczna ruchu tłoka w prawą stronę odbywa się w identyczny sposób. Przy siłownikach o dużych średnicach tłoków (zwykle J) ^ 120 mm) czasami są stosowane dodatkowe amortyzatory mechaniczne w postaci pierścieni gumowych 11. W siłowniku z rys. 3.2 zastosowano amortyzatory pneumatyczne, których schemat działania podano na rys. 3.3a.

a)

b) p

F 2 1

politropa

Rys. 3.2. Typowa konstrukcja siłownika tłokowego dwustronnego działania

2, pokrywa przednia 3 oraz pokrywa tylna 4. W pokrywie przedniej 3 jest| umieszczona tulejka 5 prowadząca tłoczysko oraz pierścień zgarniający 6 i pierś­cień uszczelniający 7-. W obu pokrywach znajdują się zawory zwrotne 8 i zawory! dławiące 9, służące do regulacji intensywności amortyzacji pneumatycznej,| natomiast pierścienie gumowe 11 są amortyzatorami mechanicznymi. Dc uszczelnienia połączeń ruchowych zarówno tłoczyska, jak i tłoka zastosowane pierścienie typu U. Ruch tłoka w krańcowych położeniach jest amortyzowanj w następujący sposób: przy zbliżaniu się tłoka do krańcowego położenia (np.| lewego) swobodny wypływ powietrza przez otwór / zostanie przymknięty prz uszczelkę 10 umocowaną na tłoczysku i powietrze z powstałej w ten sposót „poduszki pneumatycznej" może odpływać powoli przez otwór, którego przepu­stowość jest nastawiana dławikiem 9 — co zmniejsza prędkość ruchu tłoka. Przy| ruchu tłoka ze skrajnego lewego położenia w prawo sprężone powietrze wpływa otworem /, podnosi kulkę zaworu zwrotnego 8 i dostaje się do lewej komory!

ijl 1

fe:v%

—— vW£> —— N k \ lv

ł

1 1
1
^Hi		i ^

V, V

Rys. 3.3. Amortyzator pneumatyczny: a) schemat działania, b) wykres sprężania powietrza w amortyzatorze

Rozpatrzymy pracę amortyzatoraz rys. 3.3a w przypadku gdy zos­tał całkowicie zamknięty wypływ powietrza przez dławik l. Pracę sprężania L_{s r} powietrza w komorze 2 amortyzatora można opisać za pomocą równania (rys. 3.3b)

v L_spr=-jpdV

V₂

gdzie: p_l\p₂ — ciśnienie początkowe i końcowe sprężania, V₁iV₂ — objętości zajmowane przez powietrze na początku i końcu sprężania, n — wykładnik politropy (zwykle n = 1,25 h- 1,35), przy czym znak minus przed całką wskazuje, że praca ta jest wykonywana przez siłę zewnętrzną.

Jeśli sprężenie powietrza odbywa się wg przemiany politropowej, to

pV = _PlVl = p₂V²₂ stąd p =

po przekształceniach otrzymuje się

(3.1)

58

59

(3.2)

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3-6)

Wzór (3.1) nie jest słuszny dla przemiany izotermicznej (gdy n = 1).

Przyjmując oznaczenia (wg rys. 3.3a): F — powierzchnia przekroju tłoka, h — droga tłoka przebyta do chwili zatrzymania się, H — efektywna długość tulei, objętość Fj i V₂ można zapisać następującymi zależnościami

V_l=FH, V₂ = F(H-h)

,_(H-h)l PiH J

Podstawiając zależności (3.2) do równania (3.1) otrzymuje się

FH_Pl r p₂(H-

l —-

L_SP, =

Z równania politropy

otrzymuje się

H-h ₌ H

Podstawiając zależność (3.5) do równania (3.3) otrzymuje się

n-l

mv

L_spr =

być przyjęta bez obawy nadmiernego nagrzania się amortyzatora. Korzystając z równania stanu dla przemiany politropowej otrzymuje się

n-l

n-l

(3.9)

— T l ^F2

— .Ii l ——

Pl

Przyjmując temperaturę T_t = 273 + 20 = 293°C oraz temperaturę T₂ = 273 + + 160 = 433°C otrzymuje się: p₂/p₁ = 3,9 — dla przemiany adiabatycznej (n = 1,4). W praktyce z powodu rozpraszania się ciepła w otaczającym amor­tyzator środowisku wartość graniczna p₂/p₁ może być podwyższona — zwykle p₂/p_l = 2 + 6. Obliczanie amortyzatorów pracujących z wypływem powietrza z cylindra amortyzatora przez dławik l (rys. 3.3.) sprowadza się do określenia wartości ciśnienia wewnątrz cylindra dla każdego położenia tłoka w miarę jego przemieszczania się i na podstawie tego ustalenia zdolności pochłaniania energii przez amortyzator [6].

j Oprócz siłowników dwustronnego działania często stosuje się siłowniki jednostronnego działania (ruch tłoka w jedną stronę jest wymuszany sprężyną). Na rys. 3.4 przedstawiono rodzinę tłokowych miniaturowych siłowników produkcji CPP-Prema (Kielce) o średnicy tłoków od 8 do 32 mm. Na rys. 3.4b i c pokazano rozwiązania konstrukcyjne siłowników jednostronnego działania, natomiast na rys. 3.4a — siłownik dwustronnego działania. Jego głównymi częściami są: tuleja l, zespół tłoka z tłoczyskiem 2, pokrywa przednia 3 z ze­społem prowadząco-uszczelniającym tłoczysko 4 oraz pokrywa tylna 5. Sprężo­ne powietrze wpływając przez otwór przełączeniowy / lub // powoduje

W ten sposób na podstawie uproszczonego modelu amortyzatora można ustalić uproszczoną zależność pomiędzy masą m i prędkością tłoka v przed amortyzacją a koniecznym ciśnieniem końcowym p₂ i wymiarami geometrycz­nymi tłoka oraz cylindra amortyzatora (powierzchnią F i długością tulei H). Zwykle przyjmje się p_l = p_a(p_a — ciśnienie atmosferyczne).

Na podstawie zależności (3.4) i (3.2) można otrzymać maksymalną siłę hamującą powstającą na tłoczysku amortyzatora w końcu ruchu tłoka

u

(3-7)

H-h

P_{2 = p2}F _{= piF}lL\ ₌

Z równania (3.7) otrzymuje się zależność określającą efektywną dlugość tulei amortyzatora

(3.8)

H =

l —

Pi

Do obliczania amortyzatora niezbędne jest przyjęcie stosunku ciśnień p₂/Pi takiego, aby najwyższa temperatura nie przekroczyła dopuszczalnej, która może

Kys. 3.4. Miniaturowe siłowniki tłokowe: a) dwustronnego działania, b) i c) jednostronnego aziałania

61

60

aj

cl

wysuwanie się tłoczyska w prawo lub w lewo. W celu złagodzenia uderzeń tłoka o pokrywy zastosowano elastyczne amortyzatory gumowe 6. W siłownikach o średnicach tłoka 16-h 32 mm zastosowano na tłoku pierścień prowadzący 7 (wykonany z odpowiedniego tworzywa sztucznego) w celu zmniejszenia oporów ruchu.

W siłowniku jednostronnego działania pchającym (rys. 3.4b) sprężone powietrze wpływając przez otwór przyłączeniowy do tylnej komory siłownika wywiera ciśnienie na tłok i powoduje ugięcie sprężyny i wysunięcie tłoczyska. Przednia komora siłownika jest stale połączona z atmosferą przez płaski wkład filtrujący 9, zabezpieczający siłownik przed wpadaniem zanieczysz­czeń z atmosfery. Po połączeniu tylnej komory siłownika z atmosferą tłok z tłoczyskiem 2 wraca pod działaniem sprężyny 8 do położenia wyjściowego. W celu złagodzenia uderzeń o pokrywy zastosowano amortyzatory 6. W podob­ny sposób działa siłownik jednostronnego działania ciągnący (rys. 3.4c).

Większość siłowników tłokowych wytwarzana jest z jednostronnym tłoczy­skiem, lecz prawie wszystkie nowoczesne rozwiązania mają możliwość za­stosowania dwustronnego tłoczyska. Niektóre firmy stosują rozwiązanie, w któ­rym zamiast jednego tłoczyska są zastosowane dwa tłoczyska równoległe i dwie tuleje prowadzące w pokrywie. Ma to na celu poprawienie prostoliniowości ruchu oraz zabezpieczenie przed obrotem wokół osi wzdłużnej siłownika. To samo zadanie spełniają siłowniki z dodatkowym zewnętrznym prowadzeniem tłoczyska oraz siłowniki z niekołowym przekrojem poprzecznym tulei cylind­rowej i tłoka (przekrój tłoka jest zbliżony do elipsy).

W siłownikach tłokowych tuleja cylindrowa jest w większości przypadków wykonana z rury stalowej lub aluminiowej bez szwu. W celu przedłużenia żywotności uszczelnień tłoka gładź tulei jest wykonana z dużą gładkością (honowanie). Tuleja cylindrowa może być chromowana na twardo na powierzch­niach ślizgowych. Tego typu tuleje stosuje się, gdy wymagana jest duża odporność na korozję. Na pokrywy stosuje się przeważnie odlewy (aluminium lub żeliwo ciągłe), ewentualnie tworzywa sztuczne. Tłoczysko jest przeważnie wykonane ze stali chromowych ulepszonych cieplnie. Do uszczelnienia tłoka na ogół stosuje się pierścienie typu U lub O, ewentualnie uszczelnienia o specjalnych kształtach wykonane z gumy, perbunanu, vitonu lub teflonu w zależności od warunków pracy siłownika, a szczególnie temperatury. Najbardziej odporny jest teflon (od — 80 do + 200°C). Prowadzenie tłoczyska zapewnia tuleja prowadząca wykonana z brązu lub spiekana z proszków nasyconych substancjami zapew­niającymi dobre właściwości smarne. Przed dostawaniem się zanieczyszczeń do wnętrza siłownika zabezpieczają: pierścień zgarniający i wkład filtrujący (póz. 9 na rys. 3.4b i c).

Siłowniki tłokowe wymagają smarowania sprężonego powietrza w celu zapobieżenia zatarciu się tłoków w tulejach cylindrowych. W przypadku gdy smarowanie sprężonego powietrza jest niewskazane i nie są wymagane duże skoki tłoczysk siłowników, stosuje się siłowniki:

— membranowe — rys. 3.5a i b,

Rys. 3.5. Siłowniki: a) i b) membranowe, c) mieszkowy, d) workowy

— mieszkowe — rys. 3.5c,

— workowe — rys. 3.5d,

— dętkowe (przewodowe) — rys. 3.6.

Na rys. 3.5a pokazano typowe rozwiązanie konstrukcyjne siłownika membranowego jednostronnego działania. Siłownik ma mem­branę talerzową 3 swobodnie naciskającą na sztywnik 5, który jest połączony z tłoczyskiem 6. Sprężyna 7 służy do przemieszczania tłoczyska 6 w położenie początkowe, gdy spadnie ciśnienie sprężonego powietrza dostarczanego do końcówki 4. Korpus 2 i pokrywa l tworzą obudowę siłownika. Na rysunku 3.5b pokazano rozwiązanie siłownika membranowego jednostronnego działania — tzw. siłownika z przewijaną membraną. Takie rozwiązanie umożliwia uzyskanie dużych skoków h. Na rysunku 3.5c pokazano konstrukcję siłownika ^mieszkowego. Do tłoczyska 2 i pokrywy 4 przylutowano mieszek 3. Dwie końcówki 5 i 6 doprowadzające sprężone powietrze, umieszczone w pokrywie 4 i korpusie l, umożliwiają pracę siłownikowi jako dwustronnie działającemu. Natomiast gdyby we wnętrzu mieszka 3 zamontowano sprężynę i wykorzysty­wano tylko końcówkę umieszczoną w korpusie l, to otrzymano by siłownik jednostronnego działania.

Pewną nowością w budowie siłowników są rozwiązania polegające na tym,

63

62

że we wnętrzu siłownika znajduje się worek lub dętka (przewód). Worek lub dętka (przewód), chroni części metalowe siłownika przed korozją, umożliwia stosowanie sprężonego powietrza niezbyt oczyszczonego i osuszonego oraz nie naoliwionego. Uzyskuje się duże szczelności siłowników przy małej dokładności wykonania składowych elementów (tłoka i tulei cylindrowej), a poza tym odpada konieczność stosowania uszczelek i warstw ochronnych zabezpieczających wnętrze siłownika przed korozją. Rozwiązanie konstrukcyjne siłownika workowego pokazano na rys. 3.5d. Worek l (linią punktową zaznaczono położenie worka nie napełnionego sprężonym powietrzem) jest ściskany przez sprężynę 5, napierającą na tłok 2. Gdy do końcówki 4 zostanie doprowadzone sprężone powietrze, wtedy worek l zacznie „puchnąć" i wywierać nacisk na talerzowy tłok 2, co powoduje wysuwanie się tłoczyska 3.

Rys. 3.6. Dętki (przewody) jako elementy wywierające siły i momenty: a) wywierające siły,

b) i c) momenty, d) wykorzystane do budowy siłownika liniowego wielotłoczyskowego, e)

wykorzystane do budowy siłownika kołowego

Na rys. 3.6a, b i c pokazano schematy wyjaśniające, w jaki sposób można uzyskiwać momenty i siły mocujące za pomocą siłowników dętkowych (przewodowych). Na rys. 3.6d pokazano dętkowy siłownik liniowy z wieloma tłoczyskami mocującymi l (sprężone powietrze jest doprowadzone do komory A), a na rys. 3.6e siłownik dętkowy kołowy, wykorzystany do mocowania cienkościennej tulei l w uchwycie szlifierskim. Sprężone powietrze jest do­prowadzane przewodem 3 do spiralnego przewodu elastycznego 2, który tworzy właściwy siłownik kołowy, dający siłę nacisku rozłożoną na dużej powierzchni. W celu obliczenia siły teoretycznej wywieranej przez membranę 2 na tłoczysko

zna

/ (rys. 3.7) przyjmuje się, że membrana jest doskonale elastyc

* ^{p w}

Siła P pochodzi od ciśnienia p działającego na sztywnik membrany 2 o średnicy
d = 2r, siłę tę można obliczć z zależności weamcy

Rys. 3.7. Schemat do obliczenia siły rozwijanej przez membranę zamocowaną na obwodzie i w sztywniku

Siłę P₂ pochodzącą od parcia sprężonego powietrza na powierzchnię membrany zawartą między sztywnikiem a obudową można obliczyć w następujący sposób. Na powierzchni membrany 2 można utworzyć elementarny pierścień o powierz­chni 2nQ d q położony w odległości q od środka siłownika. Jeśli założy się, że siła działająca na ten elementarny pierścień, pochodząca od parcia sprężonego powietrza, jest przenoszona przez sztywnik i obudowę w stosunku zależnym od ich odległości od tej powierzchni elementarnej, wtedy na tłoczysko l będzie działała elementarna siła dP₂, którą można obliczyć z zależności

— —— K — r

dP₂ =

Całkując w granicach od r do R otrzymuje się całkowitą siłę P

2np

Biorąc pod uwagę, że R = — i r = — , po przekształceniu otrzymuje się

np (D²

3 V 4

ając siły P_l { P₂ otrzymuje się

^D°d

(3.10)

64

5 N,

'P?d i sterowanie...

0 otrzymuje się 0² nD² , nD²

Oznaczając stosunek —

4 ^r

t + 0 + 0² 3

(3.11)

Współczynnik k =

-jest nazywany współczynnikiem aktywności mem-,

brany i zależy od stosunku d/D = 0. Ze zwiększeniem wartości 0 zwiększa się znacznie przenoszona przez membranę siła. Wytłumaczyć to można zwięk­szeniem użytecznej powierzchni aktywnej. Gdy d/D = l, wtedy siła P, osiąga

nD² maksymalną wartość wynoszącą P, = —-—p — odpowiada to zastąpieniu

membrany przez tłok. Z chwilą wygięcia się i wyciągnięcia membrany, aktywność jej zmniejsza się i wywierana przez nią siła ulega zmniejszeniu. Zmiana wywieranej siły zależy od konstrukcji membrany i rodzaju materiału użytego dc jej wykonania.

W przypadku, gdy siła na tłoczysku ma działać w sposób udarowj (przebijanie, nitowanie, znakowanie, wtłaczanie, krojenie, ścinanie itd.), stosuje

<*;

l l l l l l l l ..——-—————————. O 10 20 30 40 50 60 70 80 90 700 770 720 mm

5to* tłoka

Rys. 3.8. Siłownik udarowy: a) konstrukcja siłownika, b) zależność prędkości ruchu tłoka siłownik od ciśnienia zasilania i skoku tłoczyska

się pneumatyczne siłowniki udarowe. Aby uzyskać dużą siłę uderze­nia, należy nadać dużą prędkość tłokowi z tłoczyskiem oraz związanym z nimi masom. Uzyskana w ten sposób energia kinetyczna zostaje zamieniona na pracę kształtowania obrabianej części.

Budowę siłownika udarowego pokazano na rys. 3.8a. Siłownik ten jest podzielony przez wkładkę 2 na dwie komory A i B. Tłok / ma na czole umieszczoną uszczelkę 4. Gdy tłok l jest dociśnięty do wkładki 2, wtedy powstaje w siłowniku trzecia komora C, która ma połączenie z atmosferą przez dławik 3. W stanie początkowym (przed uderzeniem) w komorze A siłownika panuje pewne ciśnienie p_1; które dociska tłok l do wkładki 2. W komorze B panuje wtedy ciśnienie p₂, równe ciśnieniu atmosferycznemu. Gdy komora A zostanie połączona przez dławik z atmosferą, a do komory B zostanie doprowadzone ciśnienie zasilające, wtedy następuje spadek ciśnienia p₁ w komorze A, a wzrasta ciśnienie p₂ w komorze B. Ciśnienie p± działa na lewą pierścieniową powierzchnię v tłoka, zaś ciśnienie p₂ działa na stosunkowo małą powierzchnię z. Ruch tłoka ; w lewo nastąpi dopiero wtedy, gdy wytworzy się dostatecznie duża różnica ciśnień p₂~~Pi • Tłok l zostaje odsunięty od wkładki 2 i wtedy od razu na całą jego powierzchnię zaczyna działać pełne ciśnienie zasilania. W krótkim czasie nadaje ono tłokowi znaczne przyspieszenie (po jednej sekundzie tłok może uzyskać prędkość 4-h 8 m/s). Jednym z istotnych problemów do rozwiązania jest hamowanie tłoka tak, żeby w końcowej fazie skoku jego prędkość malała łagodnie do zera. Uzyskuje się to przez odpowiednio dobrany sposób sterowania dopływem i wypływem powietrza z siłownika [6, 7 i 19]. Na rys. 3.8b podano wykresy prędkości ruchu tłoka przy różnych ciśnieniach zasilania p₂. Wykresy sporządzono dla siłownika o średnicy tłoka 150 mm nie obciążonego ciężarem zewnętrznym (linie przerywane) lub obciążonego zewnętrznym 126 N (linie ciągłe). Z wykresu z rys. 3.8b wynika wniosek, że wyzwalaną energię kinetyczną, a tym samym siłę uderzenia można w prosty sposób dobierać do określonego zadania technologicznego wykorzystując zawór redukcyjny, za pomocą którego należy tylko nastawić odpowiednie ciśnienie powietrza zasilającego siłownik. Przy końcu skoku tłoka prędkość jego tak dalece maleje, że nie ma niebez­pieczeństwa twardego uderzenia w pokrywę siłownika.

Siłowniki z rys. 3.2, 3.4 i 3.5 miały tylko dwa ściśle określone położenia tłoczysk, są to położenia skrajne wyznaczone przez pokrywy tych siłowników lub zderzaki umieszczone na zewnątrz siłowników ograniczające przesuwy mechani­zmów napędzanych przez siłowniki. W wielu przypadkach powstaje potrzeba zwiększenia liczby ściśle określonych położeń tłoczysk siłowników do trzech, ^czterech — ogólnie do n położeń.

kół;

Powstały konstrukcje siłowników wielopołożeniowych oparte ^na schematach działania podanych na rys. 3.9. Na rys. 3.9 podano kilka schematów działania trzy- i czteropołożeniowych siłowników pneumatycznych. ^^a rys. 3.9a pokazano schemat działania trzypołożeniowego siłownika, którego Hoczysko jest ustawiane w położeniu środkowym sprężyną 5 naciskającą na

nierz tulei 3 i denko tulei 2. Gdy do wejścia A zostanie doprowadzone

67

66

A 1 2 3 B

^ej	H		fi,	\^C		D
			l l l	l l		'^
			l r,-,,,j.	l 4-		>
	.i —	's	— r ——— H	L	/,— l

Rys. 3.9. Schematy działania trzy- i czteropołożeniowych siłowników pneumatycznych: a)-trzypołożeniowych, d) i e) czteropołożeniowych

sprężone powietrze, wtedy tłok l zacznie się przesuwać w prawo, aż do chwili gdjl tuleja 2 oprze się o prawą pokrywę siłownika. Natomiast gdy sprężone powietrza zostanie doprowadzone do wejścia B, tłok 7 zacznie się przesuwać w lew i pociągnie za sobą zaczepem 4 tuleję 3. Ruch tłoka odbywać się będzie tak dług aż tuleja 3 zostanie całkowicie wciągnięta w tuleję 2. Gdy zaś oba wejści A i B zostaną połączone z atmosferą, tłok l siłownika pod wpływem sprężyny 5 wróci do położenia środkowego.

Na rys. 3.9b pokazano schemat działania trzypołożeniowego siłownik^ w którym położenie środkowe tłoczyska uzyskuje się przez doprowadzeni sprężonego powietrza do wejścia B (może być ono doprowadzane przez cały czs gdyż nie zakłóci działania siłownika, a tylko zmniejszy efektywną siłę uzyskiwar na tłoczysku 4 przy jego ruchu w lewo lub w prawo). W środkowej część siłownika są umieszczone dwa pierścienie 2 i 3, uszczelnione suwliwie w stosunki do korpusu 5 siłownika i tłoka 7. Gdy sprężone powietrze zostanie d< prowadzone do wejścia C, tłok l zacznie się przesuwać w lewo, zabierając ze so pierścień 3. Ruch ten trwa aż do czasu, kiedy tłok l oprze się o lewą pokryv siłownika. Gdy wejścia A i C zostaną połączone z atmosferą, a zasilane będzi wejście B, wtedy tłok l ustawi się powtórnie w położeniu środkowym (| efektywnej sile na tłoczysku 4 przy tym ruchu decyduje pole powierzeni czołowej pierścienia 3). W podobny sposób zareaguje siłownik, gdy sprężofl powietrze zostanie doprowadzone do wejścia A — przesunie tłok l z tłoczyskieJ) 4 w prawo.

Na rys. 3.9c pokazano konstrukcję trzypołożeniowego siłownika, której

tloczysko może wysuwać się w zależności od potrzeb na dwie długości /_: i 1₂. Jeśli sprężone powietrze zostanie doprowadzone do wejścia C, to tłok 7 przesunie się _o /j i popchnie tłok 2 o ten sam odcinek. Natomiast gdy zasilone zostanie wejście #, tłok 2 przesunie się o /₂. Doprowadzenie sprężonego powietrza do wejścia A, gdy jest zasilone wejście C, a połączone z atmosferą wejście B, powoduje cofnięcie tłoka 2 o odcinek /₂ — /_t, gdy zaś z atmosferą są połączone równocześnie wejścia B i C — o cały odcinek /₂.

Na rys. 3.9d pokazano sposób uzyskania siłownika czteropołożeniowego z siłownika trzypołożeniowego z rys. 3.9c. Wprowadzając dodatkową tuleję 7, uszczelnioną suwliwie w tulei siłownika i na jego tłoczysku, można uzyskać zamiast przesunięcia I₂ dwa przesunięcia /₃ i /₄. Przesunięcie /₃ uzyskuje się doprowadzając równocześnie sprężone powietrze do wejść A i B.

Na rys. 3.9e pokazano siłownik czteropołożeniowy zbudowany z dwóch siłowników dwupołożeniowych podwójnego działania. Aby uzyskać cztery określone skoki tłoczyska, należy odpowiednio dobrać długości ł^ i /₂. Gdy np. skoki muszą wynosić O, l_}, 11 ^ i 3/_t, wtedy należy przyjąć /₂ = 2/_t.

Na rys. 3.10 pokazano dwa rozwiązania konstrukcyjne siłowników: trzy-położeniowegp (rys. 3.10a) i czteropołożeniowego (rys. 3.10b). Siłownik z rys. 3.10a jest siłownikiem dwutłokowym, podobnie jak siłownik z rys. 3.9c, ma jednak tłoki umieszczone jeden wewnątrz drugiego. W wyniku zasilania wejścia C, przy połączonych z atmosferą wejściach A i B, uzyskuje się położenie / tłoczyska. Przy równoczesnym zasilaniu wejść B i C, przy połączonym z atmosferą wejściu A, uzyskuje się położenie // tłoczyska. Natomiast przez zasilanie wejścia A i połączenie z atmosferą wejść B i C uzyskuje się powrót tłoczyska do położenia O. Czteropołożeniowość siłownika z rys. 3.10b uzyskano dodając dodatkowe wejście D i zmieniając konstrukcję wewnętrznej tulei. Aby tłoczysko siłownika wróciło z położenia 777 do położenia O, należy doprowadzić sprężone powietrze do wejść A i D i połączyć wejścia B i C z atmosferą.

Na rys. 3.11a pokazano konstrukcję pneumatycznego siłownika binarnego umożliwiającego nastawianie tłoczyska w 256 położeniach (w odległościach O -h 127,5 mm) z minimalnym krokiem 0,5 mm realizowanym przez pierwszy tłok umieszczony z lewej strony siłownika. Pozostałe kroki uzyskuje się z kombinacji położeń następnych 7 tłoków o skokach: 2° = 1; 2¹ =2; 2² = 4; 2³ = 8; 2⁴ = 16; 2⁵ = 32; 2⁶ = 64 mm. Siłownik z rys. 3.l la jest zbudowany ^z tulei l, zamkniętej pokrywami 2 i 3 ściągniętymi śrubami 4. Tłoki 5 kolejno zamontowane w tulei l są połączone między sobą oporo-zaczepami 6 ogranicza­jącymi ich przemieszczenia. Najmniejsze przemieszczenie tłoczyska 7 zależy od skoku skrajnego lewego tłoka 5 (wynoszącego 0,5 mm), którego oporo-zaczep jest przymocowany do pokrywy 2. Na rys. 3.11b pokazano schemat sterowania siłownika z rys. 3.l la za pomocą 8 zaworów rozdzielających.

Na rys. 3.12 podano schematy działania pneumatycznych siłow­ników krokowych. Siłownik krokowy z rys. 3.12a składa się z korpusu 7, ^w którym umieszczono rząd zaworów upustowych 2 — rozmieszczonych ^w odległościach a. W korpusie 7 przesuwa się tłok 3 z dwustronnym tłoczyskiem.

68

a)

Rys. 3.10. Rozwiązania konstrukcyjne siłowników: a) trzypołożeniowego, b) czteropołożeniowego

J

2		5 6			^L
4	x	Mdofc B (zmn/ejszonyl \	H	>-
H8				fis\
		— - ———— i^p) (M) ^J) \U) ^ ^ \^l		^	,<^
€			w	5-	^

Rys. 3.11. Pneumatyczny siłownik binarny: a) konstrukcja, b) schemat sterowania

Fragmert sitownika z rys, b

Rys. 3.12. Schematy działania pneumatycznych siłowników krokowych: a) z zaworami upustowymi,| b) z dwoma przeponami cylindrycznymi

Komory A i B siłownika są zasilane z przewodu 4 przez dławiki 5. Gdy określony zawór upustowy 2 zostanie otwarty, wtedy po jednej stronie tłoka 3 spada ciśnienie — co powoduje ruch tłoka w kierunku tej komory, w której spadłe ciśnienie — aż do chwili, gdy zostanie przesłonięty otwór upustowy. Rozmiesz-j czając zawory upustowe 2 np. wzdłuż linii śrubowej można uzyskać stosunkowe małe kroki a. Dokładność pozycjonowania siłownika zależy od szerokość szczelin upustowych zaworów 2 i kształtu tłoka 3 oraz od obciążenia zewnętrz-^ nego i prędkości ruchów.

Rozwiązanie konstrukcyjne siłownika krokowego z rys. 3.12b umożliwia znaczne zmniejszenie kroku a i zapewnia większą dokładność pozycjonowania W tulei cylindrowej 2 zamkniętej pokrywami l umieszczono tłoczysko z dwoma otworami 8, na którym na stałe osadzono trzy tarcze 3. Pomiędzy tarczar 3 umieszczono wkładki dystansowe 6 z otworami 7, którymi sprężone powietrz dopływa pod elastyczne przepony cylindryczne 5 (zaciśnięte pomiędzy tarcz 3 i wkładkami 6). Przepony 5 mają umieszczone na obwodzie sprężyst pierścienie 4, które są rozprężane przez sprężone powietrze dopływając otworami 7. Pierścienie 4 są na przemian rozprężane i zaciskane w tule| 2 z częstością zależną od częstości przełączania zaworu rozdzielającego 9, który doprowadza sprężone powietrze do otworów 8. Zawór rozdzielający 10 kieruje sprężone powietrze do przewodu 11 albo 72, zależnie od wymaganego kierunki' ruchu tłoczyska siłownika. Gdy zawór rozdzielający 9 skieruje sprężone powietrze do przewodu 13 i połączy z atmosferą przewód 14, wtedy tłoczyskc wykona skok o krok a. Gdy następnie będzie doprowadzone sprężone powietr

do przewodu 14 i przewód 13 będzie połączony z atmosferą, wtedy siłownik zostanie przygotowany do wykonania następnego kroku. Natomiast, gdy zawór rozdzielający 9 połączy równocześnie przewody 13 i 14 z atmosferą, wtedy siłownik będzie pracował jako zwykły siłownik dwupołożeniowy.

Do napędu ruchu obrotowego o kącie obrotu nie większym niż 720° wykorzystuje się siłowniki wahadłowe z wbudowaną przekładnią: zę­batka l -koło zębate 2 (rys. 3.13a), a do napędu ruchu obrotowego wymagającego wykonania od kilku do kilkunastu obrotów siłowniki z niesamohamowną przekładnią: nakrętka-śruba (rys. 3.13b). Umieszczony w obudowie l siłownika tłok 3 jest „nakrętką" napędzającą śrubę 2 będącą równocześnie wałkiem wyjściowym siłownika. Pręt 4 zabezpiecza tłok 3 przed obrotem.

bl

^7

Rys. 3.13. Schematy działania siłowników wahadłowych: a) z przekładnią zębatka-koło zębate, b) z przekładnią nakrętka-śruba

⁴ \7 \O \12 \J1 \W \9 \3
•W- 3.14. Konstrukcja siłownika wahadłowego firmy FESTO-PNEUMATIC

Na rys. 3.14 pokazano konstrukcję siłownika wahadłowego firmy FES-TO-PNEUMATIC (Austria). Siłownik składa się z dwóch tłoków l umiesz­czonych w tulejach cylindrowych 2 połączonych >za pomocą śrub 11 z suwakiem 3. Suwak 3 za pomocą wewnętrznej zębatki 4 napędza koło zębate 5 osadzone na wałku wyjściowym 6. Elastyczne prowadzenie suwaka 3 zapewnia wkładka z tworzywa 9 i pakiet sprężyn talerzowych 10. Tłoki l są zaopatrzone w wewnętrzne pierścienie uszczelniające 12, które współpracując z tulejami 13 zapewniają ich amortyzację w krańcowych położeniach. Pokręcając pokrętłami 14 powoduje się przesuwanie tulei 13 — co umożliwia zmianę kąta obrotu wałka 6 w każdym ze skrajnych położeń o + 2,5°. Umieszczone na tłokach l pierścienio­we magnesy 15 umożliwiają zastosowanie bezdotykowych magnetycznych łączników drogowych sygnalizujących krańcowe położenia tłoków l. Typowy kąt obrotu wałka 6 wynosi do 360°.

73

72

Rys. 3.15. Siłownik wahadłowy z napędem pneumohydraulicznym firmy SPECKEN-DRUMAl (RFN): a) rozwiązanie konstrukcyjne, b) i d) schematy obwodów hydraulicznych siłownika, c) rozwiązanie konstrukcyjne zaworu zwrotnego sterowanego pneumatycznie

Na rys. 3.15a pokazano siłownik wahadłowy z napędem pneumohydraulicz-nym z akumulatorem 9 zapewniającym automatyczną kompensację przecieków. Siłownik składa się z dwóch tłoków / (umieszczonych w tulejach cylindrowych 2) połączonych tłoczyskiem 3 i zębatką 4. Zębatka 4 współpracuje z kołem zębatym 5 zamontowanym na wałku wyjściowym 6. Do pokryw 7 i 8 doprowadzane jest sprężone powietrze przez zawór rozdzielający (nie pokazany na rysunku), natomiast wewnętrzne komory K siłownika oraz akumulator 9 są napełnione olejem. Układ zaworów zwrotno-dławiących 10 umożliwia nastawianie potrzeb­nych prędkości obrotowych wałka wyjściowego 6 (rys. 3.15b), którego mak­symalny kąt obrotu wynosi 180°. Układ z rys. 3.15b można uzupełnić dwoma hydraulicznymi zaworami zwrotnymi 10 sterowanymi pneumatycznie (z rys. 3.l5c) — jak pokazano na rys. 3.15d. Uzyskuje się wówczas układ napędowy umożliwiający pozycjonowanie wałka 6 w dowolnie wybranych położeniach kątowych ę_lt (p₂, ..., q>„.

a)

										\
					lii		-4.
	— . ——— . —— . ——— . —— . _									ł-
	^			--'	r ' ' Y 1,
	' 7 /^						s ^			^^
			, , 1			l 1			\
			^r ~!			• — 1 I — j			\,
			u j			-		(—
		1	^s , , »					^1
			^L2^<<L,

Rys. 3.16. Zabudowa siłownika w mechanizmie: a) z tłoczyskiem, b) beztłoczyskowego

Do napędu ruchu obrotowego o małym kącie obrotu czasami wykorzystuje się siłowniki wahadłowe z mechanizmami tłokowo-korbowymi. Zastosowanie typowych siłowników tłokowych z tłoczyskami jednostronnymi lub dwustron­nymi do napędu mechanizmów wykonujących długie skoki s (rys. 3.16a) powoduje znaczne zwiększenie ich długości, gdyż długość L₁ musi być: L₁ = 25 + ALj. W wymiarze AL₁ mieści się długość tłoka l, grubość pokrywy siłownika i innych elementów konstrukcji mechanizmu umożliwiających połą­czenie suwak-a 2 z tłoczyskiem siłownika 3. W przypadku zastosowania siłownika beztłoczyskowego (rys. 3.16b) długość L₂ musi wynosić: L₂ = s + AL₂. Zwykle AL₂ > ALj, ale przy długich skokach s otrzymuje się L₂ « L^. Powyższa zaleta siłowników beztłoczyskowych spowodowała szybki rozwój ich konstrukcji, gdyż 'flają one o około 40% mniejszy wymiar wzdłużny niż typowe siłowniki tłokowe ⁰ tym samym skoku.

Na rys. 3.17 i rys. 3.18 pokazano rozwiązania konstrukcyjne pneumaty­cznych siłowników beztłoczyskowych: na rys. 3.17 — z przeciętą

75

a)

Rys. 3.17. Siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindrową firmy Martonair (RFN)

tuleją cylindrową l, a na rys. 3.18 — z cięgnami wykonanymi w postaci taśmy (rys. 3.18a) lub liny (rys. 3.18b). W przeciętej tulei cylindrowej l (rys. 3.17a) jest! umieszczony tłok 2 uszczelniony za pomocą pierścieni typu U. Wewnętrzna uszczelnienia tłoka łącznie z tulejkami 3 zapewniają jego amortyzację w cowych położeniach. Do tłoka 2 jest przymocowany suwak 4, który w czasiif przesuwania się odchyla uszczelki 5 i 6 zapewniające szczelność tulei cylindrowe l w obszarach znajdujących się pomiędzy suwakiem 4 i pokrywami siłownik 7 i 8. Aby przesunąć tłok 2 razem z suwakiem 4 w lewo lub w prawo, wystarcz doprowadzić sprężone powietrze do otworów 9 lub 10 umieszczonych w krywach siłownika 7 i 8. Na rys. 3.17b pokazano sposób mocowania siłownika Na rys. 3.18a i b przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne siłowników pneuma tycznych z cięgnami: taśmowym i linowym. Cięgno 3 jest przymocowane do tłokij 2 umieszczonego w tulei cylindrowej 1. Uszczelnienie cięgna 3 zapewniaj^ specjalne uszczelnienia 5, natomiast jego naciąg elementy 6 umieszczonej w suwaku 7. Prawidłowe prowadzenie cięgien zapewniają koła prowadzące • Siłowniki z rys. 3.17 i 3.18 są wykonywane o długościach dochodzących do kilŁ metrów, jednak wadą tych siłowników są trudności związane z uszczelnienie!] tulei cylindrowej (rys. 3.17) lub cięgna (rys. 3.18). Dopiero sprzęgnięcie mag netyczne tłoka z suwakiem (bez pośrednictwa cięgna) radykalnie rozwiązała problem szczelności i umożliwiło budowę siłowników o znacznie większyc skokach (dochodzących do 12 m).

Na rys. 3.19 pokazano konstrukcję pneumatycznego siłownika beztłoczyS kowego opracowaną w Instytucie Technologii Mechanicznej Politechniki Wa szawskiej. W cienkościennej tulei l o specjalnych własnościach magnetycznyc umieszczono tłok 2 z kompletem magnesów trwałych 3. Tłok 2 jest uszczelnionej w tulei l przez uszczelki 10. Tłok 2 jest sprzęgnięty magnetycznie z suwakiem • który ma umieszczony w środku komplet magnesów trwałych 5. Powierzchni! czołowe suwaka 4 są zamknięte pokrywami 9 ściągniętymi czterema śrubami. D4

76

la f

b)

ł-r=T4--d33

Qf ,o

Rys. 3.19. Siłownik beztłoczyskowy konstrukcji Instytutu Technologii Mechanicznej Politechniki; Warszawskiej

przylgi P suwaka 4 można przykręcać odpowiednie elementy przenoszące siłę napędową rozwijaną przez siłownik. Na obu końcach siłownika są umieszczone stojaki 14 przykręcone do podłoża. Siłownik ma obustronną amortyzację i tak,; przykładowo, gdy rurka 12 zostanie uszczelniona przez uszczelkę 11 umiesz-; czoną w tłoku 2, wtedy odpływ powietrza z komory A jest możliwy tylko przez mały otwór 8, gdyż elastyczna uszczelka 7 zamyka odpływ przez otwory 13 A Identyczny zespół amortyzacyjny umieszczono po prawej stronie siłownika,! Sprzęg magnetyczny tłoka 2 z suwakiem 4 jest tak silny, że dopiero przekroczenie ciśnienia 0,6 MPa powoduje zerwanie tego sprzęgu.

Na rys. 3.20a pokazano rozwiązanie konstrukcyjne, a na rys. 3.2C e i f charakterystyki użytkowe pneumatycznych siłowników beztłoczyskowycls ze sprzęgiem magnetycznym firmy FESTO-PNEUMATIC (Austria). W zależ| ności od sposobu mocowania (typu A albo B — jak pokazano na rys. 3.2C można przykładać odpowiednie maksymalne siły obciążające P_q i P (rys. 3.20b| o wartościach podanych na wykresach z rys. 3.20d, e i f. W przypadku, gdj występują siły większe, należy siłownik zaopatrzyć w dodatkowe prowadnic odciążające jego tuleję.

W celu zwiększenia sił wywieranych przez tłoczyska siłowników siłow| niki pneumatyczne wykonuje się z:

— podwójnym (ewentualnie wielokrotnym) tłokiem,

— dodatkowym wewnętrznym wzmacniaczem pneumohydraulicznym,

— dodatkowym wewnętrznym wzmacniaczem mechanicznym (dźwignic wym lub klinowym).

Na rys. 3.21 pokazano czterotlokowy siłownik pneumatyczny o skoku h = 16 mm i średnicy tłoka 0100 mm, wywierający w kierunku K siłę ok. 15 kl (przy ciśnieniu 0,5 MPa), natomiast w kierunku 5 siła na tłoczysku jes| czterokrotnie mniejsza.

Do siłownika pneumohydraulicznego jednostronnego działania z rys. 3.23 sprężone powietrze jest doprowadzane otworem l. Przesuwa ono tłok 2 wrą z nurnikiem 3, który wyciska olej z przestrzeni A do przestrzeni B, powodują ruch tłoka 4. Powrót tłoka 4 do położenia początkowego powoduje sprężyna 5\ Siłę P wywieraną przez siłownik tego typu można obliczyć ze wzoru

e) 50 1,0 30 ?n-

Dopuszc zależna

zalna sifa Pq od skoku H

\

U

\

— -Z mocowaniem

DGO- 16

-\

typu B

~

\

10-

—

V

^ss

Z mocowaniem typu A

s

s

S

•v

<

0 c

A

S

"mm

"mu,

— -

-M

—.•K

X

•x.

•"ł.

500 1000 1500 2000 Skok H [rml

25C

fe^

Dopuszczalna sifa P zależnie

l

f)

	Dopuszczalna sifa Pq zależna od skoku H l l l l l l l
HO- —— --J-- -------
,00.—— __tt__±_ _____
X......JL.±...... w-T-g-T— — -_L____^.-_L_--j___ 70-4- —— ^:S+— +--	___ ——— _ DCO-25 --
60 ::::::::^:::::-».:=::=::::£;:::; «•--- — — -ś--^si __.___-____-_7<5____	____.J_____._____ Z mocowaniem - typu A ___-;.-_- •tłff 4~ -
20 • - Z mocowaniem - s -typu B 1 1 1 M 1 1 1 II 1	™:::~:|====^
0 500 1000 1500 Skok /-	- __ !r-::Ł- ._ . 2000 2500 3000 3500 1 [mm]

DCO-25 sitowrik o średnicy t foka $25 DGO- W siłownik o średnicy tłoka $ł,0

c\t Ramię o [mm]

*ys. 3.20. Siłowniki beztłoczyskowe firmy FESTO-PNEUMATIC (Austria): a) rozwiązanie Konstrukcyjne siłowników, b) sposoby obciążania siłowników, c) sposoby mocowania siłowników, 9) zależność dopuszczalnej siły P od ramienia a, e) i f) zależność dopuszczalne) siłv p r>H _cv/-.v..

H tłnlro

78

79

Rys. 3.23. Siłowniki pneumatyczne z wbudowanymi

wzmacniaczami mechanicznymi: a) i b) typu klinowego, c) dźwigniowego

skoku s tłoka pneumatycznego 2 może wypaść bardzo mały; obliczyć go można ze wzoru

h =

(3.13)

gdzie: n₂ — współczynnik uwzględniający pewną ściśliwość oleju i jego przecieki (n ₂ = 0,95 -0,98).

Na rys. 3.23a pokazano siłownik pneumatyczny z wewnętrznym wzmac­niaczem mechanicznym typu klinowego. W początkowej fazie ruchu tłoka l w lewo tuleja stożkowa 2 napiera na trzy segmenty rolkowe 3 rozmieszczone obwodowo i przekazuje na tłoczysko 4 siłę P_l (bez wzmocnienia mechanicznego) wynikającą z zależności

100 TtD²

(3.14);

pr] N

Rys. 3.24. Sposoby mocowania siłowników: a) mocowanie małych siłowników przez wkręcenie gwintowanej pokrywy, b) mocowanie wahliwe, c) mocowanie z przodu, d) mocowanie z tyłu, e) mocowanie na łapach

b)

Rys. 3.25. Siłownik obrotowy:

a) konstrukcja siłownika,

b) konstrukcja głowicy rozdzielczej (pneumatycznego kolektora obrotowego)

gdzie: p — ciśnienie sprężonego powietrza w MPa, r\ — sprawność siłownika. Gdy segmenty rolkowe 3 wejdą do zagłębienia wykonanego w przedniej; pokrywie siłownika (jak pokazano na rys. 3.23b), wtedy następuje wzmocnienie! siły P₁ do wartości P₂ (P₂ = 10PJ, wynikające z rozkładu sił podanego na rys. 3.23b. Na rys. 3.23b oznaczono jako P — reakcję pochodzącą od bocznej ścianki pokrywy i przyjęto a/b = 0,83. Na podstawie równania momentów względem punktu O otrzymuje się

(3-151

'-f'-

gdzie: P_w = Pj/sina, a — kąt pochylenia tulei 2.

Siła P₂ jest rozwijana na niewielkim skoku h tłoczyska 4 (zwykle h = 3-f-( mm — zależnie od wielkości siłownika), natomiast pełny skok H tłoczyska mo2 być duży.

a + b

(3.H

N

Na rys. 3.23c pokazano konstrukcję siłownika pneumatycznego dwustron^ nego działania z dźwignią l wzmacniającą siłę P na tłoczysku 2 do wartości

P = ——

gdzie: p — ciśnienie sprężonego powietrza w MPa, a i b — ramiona dźwig D — średnica tłoka w cm, r\ — sprawność siłownika (y\ = 0,8 — 0,9).

Zamocowanie siłowników pneumatycznych jest dostosował do potrzeb różnego rodzaju mechanizmów napędowych (rys. 3.24); m« siłowniki o 05 — 16 mm są mocowane przez wkręcanie gwintowanej póki przedniej albo tylnej (rys. 3.24a), większe siłowniki mogą być zamocowa wahliwie (rys. 3.24b), z przodu albo z tyłu (rys. 3.24c i d) i na łapach (rys. 3.2' Siłowniki obrotowe (np. uchwytów tokarskich) mogą być zamocowane wirujących elementów (zespołów) mechanizmów. Doprowadzenie do nic

83

S")

sprężonego powietrza umożliwiają wtedy specjalne głowice rozdzielcze (pneuma­tyczne kolektory obrotowe).

Na rys. 3.25a pokazano przykładową konstrukcję siłownika obro­towego, który jest przymocowany za pokrywę 2 do wirującej części mechaniz­mu. Cały zespół złożony z korpusu ), tłoka 6, tłoczyska 7, pokrywy 2 i drążone­go wałka 3 wykonuje ruch -obrotowy. Aby dostarczyć sprężone powietrze nieruchomymi końcówkami 5a i 5b, zastosowano głowicę rozdzielczą 4. Prostą j konstrukcję głowicy rozdzielczej dla siłowników dwustronnego działania poka- ] zano na rys. 3.25b; sprężone powietrze może być doprowadzane na przemian do j przewodów l i 2. Dopływające do przewodu 2 powietrze dochodzi do kanału j 3 i następnie przewodem 9 dopływa do siłownika obrotowego z jednej jego i strony. Natomiast powietrze z przewodu l przechodzi przez kanał 7 i następnie! dopływa do siłownika obrotowego z drugiej jego strony, przesuwając tłok. Do] uszczelnienia głowicy służą uszczelki 4,6 i 8, a do smarowania — smarowniczkaf 5. Całość jest montowana w korpusie 10.

Czasami zachodzi konieczność zamocowania tłoczyska siłownika w okres-1 lonym położeniu. Do tego celu wytwarza się specjalne zaciski pneumaty-j czne (rys. 3.26) wbudowywane w przednią pokrywę siłownika. Gdy w pewnej!

Rys. 3.26. Zacisk pneumatyczny tłoczyska siłownika

chwili należy zatrzymać tłoczysko siłownika, wtedy odpowietrza się obie komór siłownika i podaje się sprężone powietrze do otworu l zacisku pneumatycznegd Tłok 2 za pośrednictwem kulek 7 wywiera nacisk na stożkową tuleję 4. Tulejj

4 przemieszczając się w lewo powoduje zaciśnięcie się przeciętego pierścienii

5 wyłożonego wkładką hamulcową 6. Gdy otwór l zostanie połączon| z atmosferą, wtedy sprężyna 3 powoduje zwolnienie zacisku.

Niektóre firmy (np. FESTO-PNEUMATIC) produkują siłowniki z zatiij karni blokującymi tłoczyska, gdy zaniknie ciśnienie w układzie zasilania, ponownym pojawieniu się sprężonego powietrza w układzie zasilania tłoczysk| siłownika zostaje odblokowane. Określone położenia (zwykle krańcowe) czysk siłowników sygnalizują zewnętrzne łączniki drogowe elektryczne pneumatyczne wbudowane w mechanizmy napędzane przez te siłowniki. Cz

mi jednak w wielu konstrukcjach mechanizmów jest wygodne wykorzystywanie zespołu napędowo-sygnalizacyjnego zbudowanego jako jednolity blok. Do tego celu powstały specjalne konstrukcje siłowników z bezdotykową s y g -nalizacjąpołożeńtłoka (rys. 3.27b). Na tłoku l jest zamocowany magnes stały 2. Na tulei cylindrowej 3 (wykonanej z aluminium lub mosiądzu) umieszczone są przesuwne czujniki elektryczne 4 z kontaktronami l (rys. 3.27a) zwierającymi zestyki w chwili, gdy magnes 2 zamocowany na tłoku / znajdzie się pod kontaktronem (rys. 3.27c).

Rys. 3.27. Sygnalizacja położeń tłoka siłownika za pomocą czujnika: a) konstrukcja czujnika, b) i c) wzajemne położenia czujnika i tłoka

Aby otrzymać prawidłowe działanie i dostateczną trwałość siłowników pneumatycznych, należy zapewnić im prawidłowe przyłączenie, tj. należy odpowiednio je zamocować i następnie doprowadzić do nich w prawidłowy sposób wystarczającą ilość właściwie przygotowanego sprężonego powietrza. Sposób zamocowania siłownika wynika jednoznacznie z jego ukształtowania zewnętrznego, a połączenie z mechanizmem napędzanym jest realizowane zwykle za pośrednictwem końcówki gwintowej, umieszczonej na końcu tłoczys­ka. Najbardziej istotny wpływ na pracę siłownika i jego trwałość ma kierunek działania reakcji mechanizmu napędzanego na tłoczysko. Sposób zamocowania Powinien więc być dobrany na podstawie analizy pracy mechanizmu napędzane­go. Główną zasadą jest przy tym zapewnienie, żeby reakcja mechanizmu ^pędzanego na siłownik miała kierunek pokrywający się z osią tłoczyska na całej długości skoku siłownika. Na rys. 3.28 zestawiono przykłady prawidłowego Przyłączania siłowników. Z wielu istniejących odmian siłowników zawsze można dobrać taki, który odpowiada warunkom prawidłowego zamocowania. Siłow­niki o zamocowaniu wahliwym za pomocą sworznia zapewniają zawsze osiowe

84

oddziaływanie reakcji zamocowania siłownika w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia mocującego. Dodatkowe wstawki kuliste w otworach na sworznie mocujące czynią te siłowniki niewrażliwymi na błędy montażu we wszystkich kierunkach.

Siłowniki o sztywnym zamocowaniu są przydatne tylko do napędów gwarantujących niezmienność kierunku reakcji na tłoczysko, który powinien j pokrywać się z osią siłowników i wymagają starannego montażu. TłoczyskaJ siłowników pracujących w miejscach o atmosferze zapylonej lub zanieczysz-j czonej innymi substancjami płynnymi należy chronić odpowiednimi osłonami,j najczęściej wykonanymi w postaci mieszka.

3.3. Silniki pneumatyczne

A-A

_B-B

Silniki pneumatyczne można podzielić na:

— silniki o ruchu wahadłowym (wahadłowe),

— silniki o ruchu obrotowym,

— silniki krokowe.

Silniki pneumatyczne wahadłowe mogą realizować jeden niepeł-^ ny obrót. Gdy kąt obrotu nie przekracza 120° (150°), można zastosować silniki! dwułopatkowe, natomiast gdy jest większy — stosuje się silniki jednołopatkowe Przykładowe konstrukcje silników jednołopatkowych pokazano na rys. 3.1 i 3.30. Silnik wahadłowy pneumatyczny z rys. 3.29 umożliwia obrót tarcz 9 w zakresie 0-4-270°. Do tarczy 9 są mocowane obracające się element)! mechanizmu. Obudowa silnika jest utworzona przez tuleję l, pokrywy 2 i 3 ściąg| nięte śrubami oraz cylindryczną podstawę 4, która jest mocowana do bazowegfl elementu (np. korpusu). W łożyskach tocznych 5 obraca się wałek napędov 6 z łopatką uszczelnioną za pomocą uszczelki 12. Wałek 6 może obracać w obu kierunkach aż do oparcia się o nieruchomy segment 7 przykręcot w środku tulei 1. Przez przyłącza 8 doprowadza się lub odprowadza sprężoi powietrze w sposób zależny od kierunku obrotu wałka 6. Na tarczy 9 umie czony jest ruchomy zderzak 10 współpracujący z dwoma zderzakami stałyr wykonanymi w postaci wkręcanych śrub 11 ustalanych nakrętkami. Konstruli cja silnika umożliwia doprowadzanie sprężonego powietrza (przez otwe wykonany w wałku 6) do innych elementów mechanizmu przymocowanych < tarczy 9.

Silnik wahadłowy pneumatyczny z rys. 3.30a firmy FESTO-PNEUMATI^ umożliwia obrót wałka l w zakresie kątów 0-^184°, które można nastawia bezpośrednio przez odpowiednie ustawienie zderzaków 2. Krańcowe położet łopatki 3 ograniczają zderzaki z tworzyw sztucznych spełniające równocześt rolę amortyzatorów. Łączniki drogowe mechaniczne, pneumatyczne lub indu* cyjne (zamontowane w zależności od potrzeb) sygnalizują osiągnięte położeni| Sposoby montażu silnika z rys. 3.30a pokazano na rys. 3.30b. Firma produkt cztery typowielkości silników o momentach obrotowych: 2, 5, 10 i 20 N • m (pr

Rys. 3.29. Silnik wahadłowy pneumatyczny do napędu manipulatorów przemysłowych

ciśme_ni_u zasilania 0,6 MPa). Maksymalna częstotliwość pracy (przy kącie obrotu ) wynosi J. ,3 i~lz.

^L8 P°f ⁿ° ^8P°^{SÓb obliczania} momentu rozwijanego przez silnik y zjedna łopatką. Silniki wahadłowe mają małe gabaryty i dlatego są

^¹¹⁶ ,^{naPędU mechanizmów} nazbyt obciążonych o zwartej . manipulatorów przemysłowych)

^silników Pneumatycznych obrotowych ^aCZnymi P^redkościami obrotowym, (5-100 tyś. obr/min

ków H T ^m°^{mentem obr}°tow_ym. Wykorzystuje się je zamiast
Kow elektrycznych w przypadkach:

—- zagrożenia pożarowego,

z^~~ ^W_u^{yniagania duże}J elastyczności napędu (dostosowania się do bardzo "lennych obciążeń),

— dużych prędkości obrotowych.

b!

Rys. 3.30. Silnik wahadłowy pneumatyczny firmy FESTO-PNEUMATIC (Austria): a) rozwiąż konstrukcyjne, b) sposoby montażu

Najszersze zastosowanie znalazły w praktyce przemysłowej silniki pneuc

tyczne:

— łopatkowe (rys. 3.31 a),

— przepływowe (turbinowe) — rys. 3.31b,

— zębate (rys. 3.31c).

W silniku łopatkowym z rys. 3.31a wirnik l wraz z wałkfó napędowym 4 i łopatkami 2 jest zamocowany mimośrodowo względem obud wy 3. Łopatki 2 mogą przesuwać się w wirniku l i mają ciągły kontakt z obudo^ 3. Jeżeli komora 5 zostanie połączona ze źródłem zasilania, a komora 6 z atr*¹" sferą, to wirnik l będzie się obracał w lewo. W przypadku zmiany połać nastąpi zmiana kierunku obrotu wałka napędowego 4.

Rys. 3.31. Pneumatyczne silniki obrotowe: a) łopatkowy, b) przepływowy (turbinowy), c) zębaty

Rysunek 3.31b przedstawia schemat działania silnika przepływowe­go. W korpusie l umieszczone jest koło łopatkowe 2 napędzające wałek 3. Gdy otwór 4 zostanie podłączony do źródła zasilania o dużym natężeniu przepływu, a otwór 5 do atmosfery, to wałek 3 będzie obracał się w lewo. Ruch obrotowy wałka 3 jest wymuszany w silnikach przepływowych podobnie jak w turbinach parowych.

Schemat działania pneumatycznego silnika zębatego podano na rys. 3.31c. W korpusie 3 znajdują się dwa koła zębate l i 2, z których koło l jest sprzęgnięte z napędzanym wałkiem 6, a koło 2 jest kołem współpracującym. Kierunek obrotów wałka 6 zależy od kierunku doprowadzenia sprężonego powietrza — gdy jest doprowadzane do otworu 4, wtedy wałek 6 obraca się w prawo. Silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym znalazły powszechne zastosowanie do napędu narzędzi (wiertarki, klucze, wkrętaki itp.).

Do napędu różnego rodzaju mechanizmów wykorzystywane są także silniki umożliwiające w prosty sposób ich pozycjonowanie. Do tego celu wykorzys­tywane są najczęściej silniki krokowe elektryczne, jednak przy znacznych obciążeniach i pracy w warunkach zagrożenia pożarowego z powodzeniem mogą być wykorzystywane wysokomomentowe silniki krokowe pneumaty­czne z wbudowaną przekładnią mechaniczną zmniejszającą wielkość kroku na wale wyjściowym silnika.

Na rys. 3.32a pokazano schemat blokowy krokowego napędu pneumatycz­nego, w którym zastosowano tego typu silnik. Napęd składa się z bloku sterującego l, bloku wzmacniającego 2 (wzmacniającego sygnały do poziomu wymaganego, przez silnik) oraz właściwego silnika krokowego pneumatycznego 3. Napęd może także zawierać blok pomiarowy 4 podający sygnały o kątowym Położeniu wału wyjściowego, oraz dodatkowy silnik 5 (sterowany zaworem 6), umożliwiający szybkie przemieszczanie napędzanego mechanizmu (ciągłe, nie krokowe) w przypadku wystąpienia awarii.

Na rys. 3.32b i c pokazano dwa rozwiązania konstrukcyjne silnika krokowego. Rozwiązanie z rys. 3.32b zawiera tylko sam silnik krokowy, ⁿatomiast w rozwiązaniu z rys. 3.32c umieszczono jeszcze blok pomiarowy

91

90

b)

Rys. 3.32. Pneumatyczne silniki krokowe: a) schemat blokowy układu napędowego, b) silnil uproszczony, c) silnik z blokiem pomiarowym i dodatkowym silnikiem do ruchu szybkiego

i dodatkowy silnik (póz. 4 i 5 z rys. 3.32a). W rozwiązaniu z rys. 3.32|j zastosowano zębatkę pierścieniową l tworzącą jednolitą całość z wałkien wyjściowym 2, łożyskowaną w korpusie 3. Zębatka pierścieniowa l je napędzana przez „falujące" koło zębate 4 zamontowane na przegubie Cardana i Jedna para ramion przegubu 5 jest połączona na stałe z osią 6 (przymocowaną i stałe do tarczy 10) w celu zapobieżenia obracaniu się koła 4 wokół jego Zastosowanie przegubu 5 umożliwia kołu 4 wykonywanie ruchu „falującego! który jest wymuszany przez popychacze 7. Do napędu popychaczy 7 stosowano mieszki 8 kolejno, cyklicznie napełniane sprężonym powietrzem prze wzmacniacze pneumatyczne umieszczone w bloku 2 z rys. 3.32a. Obudov silnika tworzą dwa korpusy 3 i 9. Na jeden pełny obrót punktu styku obu kć l i 4 wałek wyjściowy 2 obraca się o kąt ę_k

-——- (3.17)

gdzie: z₁ i z₂ — liczby zębów zębatki pierścieniowej i koła napędzającego, n — liczba popychaczy. Gdy np. zostanie przyjęte: n = 6, z_l = 148 i z₂ = 150, otrzymuje się <p_k = 0,8° przy przełożeniu i = 75.

W rozwiązaniu z rys. 3.32c zastosowano ten sam sposób napędu wyjściowej tulei 2 silnika krokowego, jedynie zamiast mieszków zastosowano siłowniki tłokowe 8 jednostronnego działania. Na tulei 2 zamontowano tarczę pneumaty­cznego przetwornika 11 podającego w kodzie binarnym aktualne położenie wałka wyjściowego 13. Dodatkowo w korpusie 12 umieszczono pneumatyczny silnik wahadłowy, którego łopatka 14 jest na stałe zamocowana na wale 13. Silnik ten umożliwia (po rozprzęgnięciu kół l i 4) szybki (nie krokowy) obrót wałka 13.

Na rys. 3.33 pokazano schemat działania pneumatycznego silnika krokowego z przekladnią falową. Silnik z rys. 3.33 ma sprężyste koło zębate 3, po którym odtacza się koło l z uzębieniem wewnętrznym 2. Deformowanie koła 3 powodują przeponowe siłowniki pneumatyczne 4 kolejno, cyklicznie napełniane sprężo­nym powietrzem przez przewody 5. Gdy „fala deformacji" koła 3 wykona jeden obrót, wtedy koło zębate l i związany z nim wał wyjściowy napędu wykonają obrót o jeden kątowy krok. Gdy koła zębate ] i 3 będą się różniły liczbą zębów tylko o jeden, wtedy jeden kątowy krok będzie zależny tylko od liczby przeponowych siłowników 4 — zgodnie z zależnością (3.17).

Rys. 3.33. Schemat działania pneumatycznego silnika krokowego z przekładnią falową

92

---