Jednoradni i membranski cilindri

Što je jednoradni cilindar

Pneumatski cilindar pretvara energiju stlačenog zraka u pravocrtno gibanje i silu. Kod jednoradnog cilindra zrak obavlja rad samo u jednom smjeru gibanja: dovodi se u jednu komoru, gura klip i klipnjaču i pritom svladava opterećenje. Gibanje u suprotnom smjeru ne obavlja zrak, nego ugrađena opruga, vanjska sila ili težina tereta.

Zato jednoradni cilindar ima samo jedan radni priključak (priključak 1 na strani na kojoj zrak ulazi). Druga komora nije priključena na upravljanje: ona kroz mali odzračni otvor slobodno uvlači i izbacuje okolni zrak dok se klip giba. Za upravljanje je dovoljan razvodnik 3/2: u jednom položaju spaja cilindar s napajanjem, a u drugom ga ispušta u okolinu. O razvodnicima više govori jedinica 2.4.

Radni hod traje dok ima tlaka u komori klipa. Kad razvodnik ispusti zrak iz te komore, opruga vraća klip u početni položaj. Brzina povratka ovisi o sili opruge, o trenju brtava, o masi pokretnih dijelova i o tome koliko se brzo zrak može ispustiti kroz razvodnik i vodove. Povratni hod zato nije upravljan kao radni i ne može obaviti koristan rad veći od onoga što opruga može dati.

Jednoradni cilindri najčešće se susreću ondje gdje je hod kratak, sila u povratnom smjeru nije potrebna, a važna je jednostavnost: kod stezanja, izbacivanja, žigosanja, podizanja i zabravljivanja. Budući da se puni samo jedna komora, troše približno upola manje zraka od dvoradnog cilindra istog promjera i hoda.

Dijelovi cilindra

Jednoradni i dvoradni cilindar sastavljeni su od istih osnovnih dijelova. Razlikuju se po broju priključaka i po tome ima li cilindar oprugu. Slika 2.1 prikazuje shematski presjek jednoradnog cilindra kojemu opruga vraća klipnjaču.

• Košuljica (cijev cilindra) je vodilica klipa i zajedno s poklopcima zatvara radni prostor. Najčešće se izrađuje od aluminijske legure s tvrdom anodnom zaštitom, rjeđe od nehrđajućeg čelika ili mesinga. Unutarnja površina mora biti glatka (finoobrađena, honana) jer o njoj ovisi trošenje brtve klipa. Profilne košuljice na vanjskoj strani imaju utore u koje se pričvršćuju senzori položaja.
• Klip dijeli košuljicu na dvije komore. Na njega djeluje tlak zraka, a sila se preko klipnjače prenosi na teret. Klip nosi brtvu, a često i vodeći prsten koji sprječava dodir metala o metal.
• Brtve klipa sprječavaju prestrujavanje zraka iz jedne komore u drugu. Kod jednoradnog cilindra dovoljna je brtva koja brtvi u jednom smjeru (manžeta s usnom okrenutom prema tlaku). Izrađuju se od elastomera, npr. NBR ili poliuretana. Brtva je glavni izvor trenja u cilindru.
• Klipnjača prenosi silu izvan cilindra. Izrađuje se od kaljenog i tvrdo kromiranog čelika ili od nehrđajućeg čelika jer se po njoj stalno kliže vodilica i brisač, a izložena je okolini. Na kraju ima navoj za pričvršćenje alata ili zglobne glave.
• Stražnji i prednji poklopac zatvaraju košuljicu. U stražnjem je kanal priključka 1, u prednjem vodilica klipnjače i odzračni otvor. Poklopci se s košuljicom spajaju vijcima, zateznim šipkama, uvaljivanjem ili navojem; o tom spoju ovisi može li se cilindar rastaviti i popraviti.
• Vodilica i brisač. Vodilica (čahura od bronce ili polimera) vodi klipnjaču i preuzima manje poprečne sile. Brisač je vanjski prsten koji pri uvlačenju skida prašinu i strugotine s klipnjače da ne uđu u cilindar.
• Opruga je tlačna zavojna opruga smještena u komori koja nije priključena. Ona određuje povratnu silu i, zajedno s duljinom cilindra, najveći mogući hod.
• Odzračni otvor povezuje komoru opruge s okolinom. Obično je zaštićen sinteriranim filtrom ili prigušivačem da u cilindar ne ulazi prašina.

Izvedbe jednoradnih cilindara i simboli

Prema tome što obavlja povratni hod razlikujemo tri osnovne izvedbe.

Opruga vraća (uvlači) klipnjaču. Opruga je u komori klipnjače. U mirovanju, bez tlaka, klipnjača je uvučena. Stlačeni zrak izvlači klipnjaču i pritom sabija oprugu. To je najčešća izvedba, jer je uvučena klipnjača u mirovanju sigurnija i manje izložena oštećenju.

Opruga izvlači klipnjaču. Opruga je u komori iza klipa, a priključak 1 u prednjem poklopcu. U mirovanju je klipnjača izvučena i drži teret silom opruge; zrak je uvlači. Takva se izvedba bira kad treba sačuvati silu i pri nestanku tlaka, npr. za zabravljivanje, držanje zatika ili kočenje. Kočnice teretnih vozila rade na istom načelu: opruga koči, a zrak otpušta kočnicu.

Povrat vanjskom silom. Cilindar nema oprugu; klip vraća težina tereta ili sila iz stroja. Primjer su podizni cilindri kod kojih teret sam spušta klip kad se zrak ispusti. Takva izvedba dopušta dulje hodove jer nema opruge koja bi zauzimala prostor.

Simbol cilindra po ISO 1219 je pravokutnik u kojem je okomita crta klipa, a klipnjača izlazi kroz jedan poklopac. Opruga se crta cik-cak crtom u komori u kojoj se nalazi. Radni priključak crta se kao kratka crta na rubu komore u koju ulazi zrak. Simbol ne prikazuje duljinu hoda ni promjer; to se piše uz simbol, npr. „Ø32/12 × 50". Ako cilindar ima magnetski klip za beskontaktne senzore, to se označava malim pravokutnikom na klipu ili u oznaci.

Hod cilindara s oprugom je ograničen: opruga u sabijenom stanju zauzima dio duljine, a njezina sila raste s hodom. Prema katalozima proizvođača jednoradni cilindri s oprugom obično se nude s kratkim hodovima, najčešće do oko 50–100 mm, dok se za dulje hodove biraju dvoradni cilindri.

Sila jednoradnog cilindra

Teorijska sila klipa je umnožak tlaka i površine klipa. Za promjer klipa D:

A = π · D² / 4     F_t = p · A

Ako se tlak uvrštava u barima, a površina u mm², treba znati da je 1 bar = 0,1 N/mm². Za Ø32 mm površina je 804 mm², pa pri 6 bar teorijska sila iznosi 0,6 N/mm² × 804 mm² ≈ 483 N.

Na klipnjači ne ostaje cijela teorijska sila. Od nje treba oduzeti dvije stvari:

• trenje brtava klipa i klipnjače te vodilice. U proračunu se obično uzima stupnjem djelovanja η između 0,85 i 0,95 (manji cilindri i niži tlakovi imaju relativno veće trenje);
• silu opruge koja se suprotstavlja radnom hodu. Opruga je već u početnom položaju prednapregnuta silom F₀, a sila joj raste linearno s hodom: F_opr(s) = F₀ + c · s, gdje je c krutost opruge u N/mm.

F_stv = p · A · η − F_opr

Budući da sila opruge raste, najmanja korisna sila ostaje na kraju hoda. Upravo je taj položaj najvažniji jer se sila najčešće treba na kraju hoda: stezanje, žigosanje i utiskivanje obavljaju se kad klipnjača dođe do izratka. Zato se u proračun uvrštava sila opruge u izvučenom položaju.

Povratna sila je samo sila opruge umanjena za trenje. Ona je mala, najčešće tek nekoliko postotaka radne sile. Opruga mora pouzdano vratiti klip i kad su brtve starije, a mazivo gušće, ali ne smije biti tako jaka da previše umanji radnu silu. Zato jednoradni cilindar ne može obaviti koristan rad pri povratku.

Potrošnja zraka jednoradnog cilindra po ciklusu je volumen komore klipa preračunan na atmosferski tlak (normni litri, Nl). Kako se zrak nakon hoda ispušta u okolinu, za svaki hod troši se novi zrak:

V_N = A · s · (p + p_a) / p_a

gdje je p pretlak, a p_a = 1,013 bar atmosferski tlak. Za 6 bar pretlaka omjer (6 + 1,013) / 1,013 iznosi 6,923.

Membranski cilindar i mijeh

Kad je hod vrlo kratak, a treba velika sila i dug vijek, umjesto klipa s kliznom brtvom upotrebljava se elastična membrana. Membranski cilindar ima kućište od dviju polovica između kojih je stegnut rub gumene membrane ojačane tkaninom. Na membranu je naslonjen tanjur s klipnjačom, a povratna opruga vraća tanjur u početni položaj.

Membrana se ne kliže po stijenci, pa membranski cilindar gotovo nema trenja, ne propušta zrak između komora, ne treba podmazivanje i neosjetljiv je na nečistoću. Hod mu je kratak, od nekoliko milimetara do nekoliko desetaka milimetara, jer ga ograničava rastezljivost membrane. Važna posljedica je da djelotvorna površina membrane nije stalna: kako se membrana izbočuje, sve manji dio njezine površine prenosi silu na tanjur, pa sila opada s hodom. Uzmimo membranu djelotvornog promjera 100 mm na početku hoda: pri 6 bar sila je oko 4 712 N. Ako se djelotvorni promjer pri kraju hoda smanji na 80 mm, sila pada na oko 3 016 N, dakle za više od trećine, i to prije oduzimanja sile opruge.

Membranski cilindri koriste se za stezne naprave s kratkim hodom, za pogon velikih ventila i zasuna u procesnoj tehnici, za kočne cilindre vozila, za žigosanje i pritiskanje. Budući da nemaju kliznih brtava, prikladni su i ondje gdje ulje za podmazivanje ne smije dospjeti u okolinu.

Mijeh (pneumatski mijeh, zračna opruga) nema ni klipa ni klipnjače. To je gumeno tijelo s jednim, dva ili tri vala između kojih su metalni prsteni, zatvoreno s dvije ploče. Kad se u mijeh dovede zrak, on se izdužuje i razmiče ploče. Mijeh podnosi odstupanje od souosnosti i nagib ploča, ne traži preciznu ugradnju i nema dijelova koji se troše trenjem. Sila mijeha ovisi o visini: najveća je kad je mijeh stisnut, a opada kako se izdužuje. Povrat obavlja težina tereta ili vanjska sila.

Mijehovi se koriste za podizanje i spuštanje ploča i transportnih traka, za pritiskanje velikih površina (lijepljenje, prešanje), kao zračne opruge u vozilima i za izolaciju vibracija strojeva. U tom je slučaju mijeh opruga čija se krutost mijenja tlakom.

Primjena i izbor jednoradnog elementa

Jednoradni cilindar je dobar izbor kad su ispunjeni ovi uvjeti: hod je kratak, sila je potrebna samo u jednom smjeru, brzina povratka nije kritična, a želi se jednostavna instalacija s jednim vodom i razvodnikom 3/2. Tipični primjeri iz pogona su:

• stezanje izratka u napravi, gdje sila djeluje samo prema izratku;
• izbacivanje gotovog dijela s alata ili s trake, gdje je potreban kratak udarac;
• žigosanje i utiskivanje oznaka, gdje se sila traži na kraju hoda;
• zaustavljanje i razdvajanje komada na transportnoj traci (zaustavni cilindri);
• zabravljivanje vrata, zatika i poklopaca, gdje opruga drži, a zrak otpušta.

Pri izboru treba pogledati što se događa pri nestanku tlaka. Ako opruga vraća, stezanje popušta i izradak se oslobađa; ako opruga izvlači, zatik ostaje zabravljen. Koja je izvedba ispravna, ovisi o procjeni rizika stroja, a ne o navici projektanta.

Kod naprave SL-3 za savijanje lima cilindar A steže lim prije savijanja. Taj cilindar treba silu samo prema limu, a hod mu je 50 mm, pa se nameće pitanje bi li jednoradna izvedba bila dovoljna. Računski odjeljak daje odgovor.

Računski prikaz: stvarna sila i potrošnja jednoradnog cilindra

Uzmimo da se stezni cilindar A naprave SL-3 zamijeni jednoradnim cilindrom istog promjera Ø32 mm i hoda 50 mm, pri tlaku mreže 6 bar. Uzmimo oprugu s prednaprezanjem 18 N u uvučenom položaju i silom 40 N na kraju hoda (krutost (40 − 18) / 50 = 0,44 N/mm) te stupanj djelovanja 0,9.

Površina klipa je 804 mm², pa je teorijska sila pri 6 bar 483 N. Uz stupanj djelovanja 0,9 ostaje 434 N. Na početku hoda opruga oduzima 18 N, pa je sila 416 N, a na kraju hoda, gdje steže lim, 434 − 40 = 394 N. To je oko 18 % manje od teorijske sile. Opruga i trenje zajedno uzimaju 88 N, od toga opruga gotovo polovicu.

Potrošnja zraka po ciklusu je 804 mm² × 50 mm = 40,2 cm³ = 0,0402 l, pomnoženo s 6,923 ≈ 0,28 Nl. Dvoradni cilindar A istih mjera troši 0,52 Nl po ciklusu, jer puni i prstenastu komoru pri uvlačenju. Jednoradna izvedba štedi oko 46 % zraka za taj cilindar, ali po cijenu 40 N manje sile na kraju hoda i sporijeg, neupravljanog povratka. Za pravilnu odluku potrebno je znati silu stezanja koja lim sigurno drži pri savijanju; ako je potrebna sila blizu 400 N, jednoradni Ø32 je na granici i bolje je zadržati dvoradni cilindar ili odabrati veći promjer.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.