Dvoradni i specijalni cilindri

Dvoradni cilindar

Kod dvoradnog cilindra zrak obavlja rad u oba smjera. Cilindar ima dva radna priključka, po jedan u svakom poklopcu. Kad se zrak dovede u komoru iza klipa, a komora klipnjače ispusti, klipnjača se izvlači; kad se uloge komora zamijene, klipnjača se uvlači. Nema opruge koja bi oduzimala silu ili ograničavala hod, pa dvoradni cilindar može imati hod od nekoliko milimetara do više od dva metra.

Dvoradnim cilindrom upravlja se razvodnikom koji jednu komoru spaja s napajanjem, a drugu istodobno s ispustom: 4/2, 5/2 ili 5/3 (jedinica 2.4). U pneumatskoj shemi priključci cilindra spajaju se na priključke 4 i 2 razvodnika.

Sile u dva smjera nisu jednake. Pri izvlačenju tlak djeluje na cijelu površinu klipa, a pri uvlačenju samo na prstenastu površinu, tj. na površinu klipa umanjenu za presjek klipnjače:

A₁ = π · D² / 4     A₂ = π · (D² − d²) / 4

F_izv = p · A₁ · η     F_uvl = p · A₂ · η

Za cilindar B naprave SL-3, Ø50/20 mm, pri 6 bar: A₁ = 1 963 mm², A₂ = 1 649 mm², pa je teorijska sila izvlačenja 1 178 N, a uvlačenja 990 N. Uz stupanj djelovanja 0,9 ostaje 1 060 N odnosno 891 N. Brzina klipnjače pri istom protoku je pri uvlačenju veća, jer se puni manji volumen.

Brtve dvoradnog cilindra moraju brtviti u oba smjera: klip nosi dvije manžete okrenute na suprotne strane ili jednu dvostruku brtvu, a klipnjača brtvu i brisač u prednjem poklopcu. Standardizirani cilindri s ugradbenim mjerama po ISO 15552 (promjeri od 32 mm naviše) i kompaktni cilindri po ISO 21287 mogu se zamijeniti proizvodom drugog proizvođača bez promjene naprave.

Prigušenje u krajnjim položajima

Klipnjača s teretom na kraju hoda nosi kinetičku energiju E = m · v² / 2. Ako bi klip udario u poklopac punom brzinom, udarac bi se prenio na napravu, oštetio cilindar i izazvao buku. Zato cilindri imaju prigušenje u krajnjim položajima.

Najjednostavnije je elastično prigušenje: gumeni ili poliuretanski prsten na klipu ili poklopcu ublažava udarac. Dovoljno je za male cilindre i male brzine. Za veće mase i brzine koristi se podesivo pneumatsko prigušenje (slika 2.4).

Pred krajem hoda prigušni tuljac na klipu ulazi u provrt poklopca i brtvom zatvara glavni put kojim zrak odlazi prema priključku. Zrak koji je ostao između klipa i poklopca postaje zarobljen; on se sabija, tlak mu raste i stvara silu koja koči klip. Zarobljeni zrak može izlaziti samo kroz uski obilazni kanal čiji se presjek namješta prigušnim vijkom. Što je vijak više zatvoren, to je kočenje jače. Na put prigušenja otpada zadnjih nekoliko do dvadesetak milimetara hoda, ovisno o promjeru cilindra.

Pri polasku iz krajnjeg položaja zrak ne bi smio ulaziti samo kroz prigušni kanal jer bi klip kretao presporo. Zato je uz prigušni vijak ugrađen i nepovratni ventil (ili brtva koja radi kao nepovratni ventil) koji zraku u smjeru prema klipu otvara puni presjek. Postoje i cilindri sa samopodesivim prigušenjem kod kojih je obilazni kanal oblikovan tako da ga ne treba namještati.

Prigušenje ima ograničenu moć. Ako je kinetička energija veća od one koju proizvođač dopušta za taj promjer (vidi katalog proizvođača), treba smanjiti brzinu prigušnim ventilom, dodati vanjski hidraulički amortizer ili odabrati veći cilindar. Uzmimo masu alata 5 kg i brzinu 0,5 m/s: energija je 5 × 0,5² / 2 = 0,63 J. Pri dvostruko većoj brzini energija je četiri puta veća, 2,5 J, jer raste s kvadratom brzine.

Specijalni cilindri

Osim osnovne izvedbe proizvode se cilindri prilagođeni posebnim zadacima. Simboli najvažnijih su na slici 2.5.

• Cilindar s dvostranom klipnjačom ima klipnjaču koja izlazi kroz oba poklopca. Obje su površine prstenaste i jednake, pa su sila i brzina u oba smjera jednake. Klipnjača je vođena na dva mjesta i podnosi veće poprečne sile, a drugi kraj može nositi graničnik ili aktivirati senzor.
• Tandem-cilindar čine dva cilindra u nizu sa zajedničkom klipnjačom. Zrak se istodobno dovodi u obje komore iza klipova, pa je sila gotovo dvostruka uz isti promjer. Koristi se kad nema mjesta za veći promjer, npr. u uskim napravama.
• Višepoložajni cilindar nastaje spajanjem dvaju cilindara različitih hodova stražnjim poklopcima. S hodovima h₁ i h₂ postižu se četiri položaja: 0, h₁, h₂ i h₁ + h₂. Primjena: razvrstavanje na više traka, postavljanje graničnika na nekoliko duljina.
• Cilindar bez klipnjače prenosi gibanje klipa na klizač koji se giba uzduž košuljice. Kod izvedbe s prorezom košuljica je uzdužno prorezana, a prorez zatvaraju brtvene trake; klip je s klizačem spojen kroz prorez. Kod izvedbe s magnetskom spojkom košuljica je zatvorena, a klip i klizač povezuju trajni magneti; nema propuštanja, ali sila je ograničena jer se pri preopterećenju spojka razdvaja. Glavna prednost je ugradbena duljina: cilindar bez klipnjače dugačak je približno kao hod, a klasični cilindar s izvučenom klipnjačom zauzima više od dvostrukog hoda.
• Okretni cilindar pretvara pravocrtno gibanje u zakretanje. U izvedbi sa zupčastom letvom klip nosi letvu koja okreće zupčanik na izlaznom vratilu; moment je M = F · r, gdje je r diobeni polumjer zupčanika. Krilni okretni pogon ima krilo na vratilu u kružnoj komori i zakreće se najčešće do 90°, 180° ili 270°. Koriste se za okretanje izradaka, otvaranje zaklopki i u hvataljkama.
• Cilindar s vođenjem ima uz klipnjaču dvije ili četiri vodeće šipke ili vodilicu s kugličnim ležajevima. Vodilica sprječava zakretanje klipnjače i preuzima poprečne sile i momente, pa se alat može izravno pričvrstiti na ploču cilindra.
• Cilindar s magnetskim klipom ima na klipu trajni magnetski prsten. Senzori pričvršćeni izvana na košuljicu otkrivaju položaj klipa bez mehaničkog dodira. Danas je to gotovo standardna izvedba; o senzorima govori jedinica 4.4.

Određivanje promjera cilindra

Promjer se određuje iz sile koja se traži od cilindra i tlaka koji je u sustavu sigurno na raspolaganju. Iz F = p · A · η slijedi:

D = √( 4 · F / (π · p · η) )

Za tlak treba uzeti najmanji tlak koji se očekuje na cilindru pri radu, a ne tlak na kompresoru: gubici u pripremnoj grupi, vodovima i razvodniku, kao i pad tlaka pri istodobnom radu više trošila, smanjuju tlak na mjestu potrošnje. Izračunati promjer zaokružuje se na prvi veći standardni promjer iz niza 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200 mm.

Primjer: za silu savijanja 1 000 N pri 6 bar i η = 0,9 izračun daje D = 48,6 mm, pa se odabire Ø50 mm. To je cilindar B naprave SL-3. Ako bi se tražilo 1 500 N, izračun bi dao 59,5 mm i odabrao bi se Ø63 mm.

Uz statičku silu treba misliti i na brzinu. Cilindar koji je opterećen gotovo do svoje teorijske sile giba se sporo i nejednoliko, jer mu za ubrzanje ostaje malo sile. U praksi se zato preporučuje rezerva: ako je brzina važna, opterećenje ne bi trebalo prelaziti oko 50–70 % teorijske sile. To je preporuka, a ne pravilo; točne podatke daje dinamički proračun ili program za izbor u katalogu proizvođača.

Izvijanje klipnjače

Pri izvlačenju je klipnjača tlačno opterećena. Kod dugih hodova i tankih klipnjača može se dogoditi da se klipnjača izvije i prije nego što naprezanje dosegne granicu materijala. Za vitke klipnjače kritična sila izvijanja računa se Eulerovom formulom:

F_K = π² · E · I / l_K²     I = π · d⁴ / 64

gdje je E modul elastičnosti (za čelik 210 000 N/mm²), I aksijalni moment tromosti presjeka klipnjače, a l_K slobodna duljina izvijanja. Ona ovisi o načinu učvršćenja cilindra i vođenja tereta. Najnepovoljniji je slučaj kad je cilindar učvršćen na stražnjem kraju, a vrh klipnjače slobodan: tada je l_K = 2 · L, gdje je L duljina klipnjače s izvučenim hodom. Dopuštena sila dobiva se dijeljenjem kritične sile faktorom sigurnosti, obično 2,5–3,5.

Za cilindar B klipnjača Ø20 mm s hodom 100 mm ne dolazi u opasnost: uz L ≈ 160 mm Eulerova formula dala bi oko 159 kN. Za tako kratku i debelu klipnjaču formula više ne vrijedi točno, ali je jasno da je nosivost na izvijanje više od stotinu puta veća od sile cilindra. Drugačije je kod tanke i duge klipnjače. Uzmimo cilindar Ø32/12 mm s hodom 500 mm, učvršćen straga i sa slobodnim vrhom, L ≈ 560 mm: I = 1 018 mm⁴, l_K = 1 120 mm, pa je F_K ≈ 1 682 N. Uz sigurnost 3,5 dopuštena sila je 480 N, gotovo jednaka teorijskoj sili klipa 483 N pri 6 bar. Takav je cilindar na granici i za dugi hod treba odabrati deblju klipnjaču, vođenje tereta ili drukčije učvršćenje.

Potrošnja zraka dvoradnog cilindra

U jednom ciklusu dvoradni cilindar puni obje komore: pri izvlačenju komoru klipa, pri uvlačenju prstenastu komoru. Nakon svakog hoda taj se zrak ispušta u okolinu. Potrošnja po ciklusu, preračunana na atmosferski tlak, iznosi:

V_N = (A₁ + A₂) · s · (p + p_a) / p_a

a potrošnja u minuti je V_N pomnožen s brojem ciklusa u minuti. Formula ne obuhvaća mrtve volumene u poklopcima i vodovima između razvodnika i cilindra. Kod kratkih hodova i dugih vodova oni mogu biti značajni, pa se u praksi potrošnja povećava za rezervu ili se računa i volumen crijeva.

Ukupna potrošnja stroja zbroj je potrošnje svih cilindara. Za SL-3 to je A 0,52 Nl + B 2,50 Nl + C 0,50 Nl ≈ 3,52 Nl po ciklusu, odnosno oko 17,6 Nl/min pri 5 ciklusa u minuti. Na tom primjeru vidi se da najveći cilindar troši najviše: cilindar B daje više od 70 % potrošnje cijele naprave.

Potrošnja se može smanjiti: nižim tlakom za povratni hod kad on ne traži silu (poseban regulator za prstenastu komoru), kraćim vodovima između razvodnika i cilindra, razvodnikom ugrađenim izravno na cilindar i izborom promjera koji nije veći od potrebnog.

Računski prikaz: sile i potrošnja zraka dvoradnog cilindra

Za zadani promjer klipa i klipnjače, hod, tlak i broj ciklusa u minuti izračunajte teorijske sile u oba smjera i potrošnju zraka. Početne vrijednosti odgovaraju cilindru B naprave SL-3.

Za Ø50/20 mm, hod 100 mm i 6 bar teorijska sila izvlačenja je 1 178 N, a uvlačenja 990 N; omjer je 0,84, jednak omjeru prstenaste i pune površine. Volumen komore klipa je 196,3 cm³, a prstenaste komore 164,9 cm³. Zajedno je to 361,3 cm³, a pomnoženo s 6,923 daje 2,50 Nl po ciklusu. Pri 5 ciklusa u minuti cilindar B troši 12,5 Nl/min. Kompresor naprave isporučuje 0,8 m³/min, pa cijela SL-3 sa 17,6 Nl/min troši tek oko 2 % njegove isporuke; ostatak je na raspolaganju drugim trošilima u pogonu.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V1 Proračun pneumatskog sustava · 1 sat