Расчет конструкции пневмоцилиндра

 

ВВЕДЕНИЕ

При современном конgструировании оборудования широко применяется принцип агрегатирования - создания укрупненных узлов машины (комплекса машин), самостоятельно выполняющих отдельные рабочие функции. Это создает предпосылки для унификации оборудования, создания гибких автоматизированных производственных систем (ГАПС), действующих согласованно, по единой программе и способных быстро перестраиваться на изготовление новых изделий. Одним из таких узлов является  пневмоцилиндр.

Пневмоцилиндры широко применяют в пневмосистемах как источники привода рабочих органов мобильных машин и исполнительных механизмов промышленного оборудования. В пневмосистеме с одним, реже – с двумя компрессорами может быть установлено до 6...10 пневмоцилиндров, а в некоторых случаях в два или даже в три раза больше. Пневмоцилиндр – это устройство, преобразующее энергию сжатого воздуха в механическую работу. Они бывают двухстороннего действия (перемещаемые  воздухом  в  обоих  направлениях под  давлением сжатого воздуха) и одностороннего действия (возвращаемые в исходное положение пружиной).  Пневмоцилиндры  являются эффективным средством для рационального использования сжатого воздуха в качестве идеального источника силы.В зависимости от характера применения  пневмоцилиндры  условно разделяют на зажимные и транспортирующие. Первые используют в качестве силового привода зажимных фиксирующих, переключающих устройств. Транспортирующие пневмоцилиндры, обладающие бóльшей длиной хода, являются источником движения различных транспортирующих устройств. В отдельную функциональную группу можно выделить ударные  пневмоцилиндры. Их усилие применяют в прошивочных, штамповочных, маркировочных, чеканочных и других подобных устройствах с ударным воздействием.

Также различают сдвоенные цилиндры (когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из-за недостатка места, рекомендуют использовать два цилиндра, более последовательно соединенных между собой и работающих на один шток, в результате усилие сжатого воздуха складывается), вращающие пневмоцилиндры (со сплошным или полым штоком), ударные и т.д.

В частности пневмоцилиндры  применяются в таких устройствах как:  упаковочное оборудование, оборудование контактной сварки, пищевое оборудование, экструдеры и др.

Для привода рабочих органов мобильных машин наиболее широко применяют поршневые пневмоцилиндры двустороннего действия с односторонним выходом штока. Усилие на штоке и его перемещение могут быть направлены в обе стороны в зависимости от того, в какую из полостей нагнетается сжатый воздух; обычно противоположная полость при этом соединяется со сливной пневмолинией. Пневмоцилиндры с двусторонним штоком применяют в основном для поворота рабочего оборудования навесных экскаваторов, при этом подвижным звеном является корпус.

В целом же силовые возможности пневмоцилиндров используют в машиностроении и приборостроении, в литейном и сварочном производстве, металлообработке и многих других отраслях, выбравших путь пневматических систем управления в обход гидравлических и электрических систем. А если быть точнее и современнее, наиболее эффективно пневматическое оборудование используется в пневмогидравлических приводах. Исходной энергией в этих комбинированных системах является потенциальная энергия сжатого воздуха, получаемого из компрессорных установок. Воздух в систему поступает через пневмораспределители. Пневмогидравлический привод в общем представляет собой гидросистему с пневматическим управлением. [1]

 

1.Описание конструкции  пневмоцилиндра.

Пневмоцилиндр является основным узлом  машины. Конструкция цилиндра зависит, прежде всего, от способа его обогрева и в меньшей степени – от диаметра и длины червяка.  Различные виды обогрева или охлаждения цилиндра позволяют обеспечивать заданный технологический процесс переработки полимеров. Так же конструкция зависит от цели выполняемой устройствами и их дополнительных возможностей. Если соединить несколько пневмоцилиндров с разной длиной хода, их можно использовать в качестве позиционеров, обеспечивающих несколько фиксированных положений рабочего органа. 

В том случае, когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из-за недостатка места, но требуется особенное усилие, используют сдвоенный пневмоцилиндр, где 2 цилиндра (или более) последовательно соединены между собой и работают на один шток.  Усилие  сжатого  воздуха   таким  образом   увеличивается  вдвое (или во столько раз, сколько цилиндров соединены вместе).Наибольшую длину хода обеспечивает пневмоцилиндр с гибким штоком. Его используют в тех случаях, когда ограничено место для выдвижения длинного штока. Существуют и вовсе бесштоковые пневмоцилиндры, в которых    перемещение поршня происходит за счет притяжения магнитов.  Чтобы предотвратить в конце рабочего хода удары поршня о поверхность цилиндра, которые могут привести к разрушению корпуса, пневмоцилиндры снабжают тормозными механизмами в виде дроссельного устройства либо дополнительного поршня. Тормозная система иного типа воплощена в пневмоцилиндрах с пневматической камерой (или диафрагмой): компенсация удара в ней происходит за счет деформации диафрагмы.Пневмоцилиндры упаковочных аппаратов должны обладать высокой прочностью, так как они работают при повышенной температуре (до 400 ºC) и давлении (до 50 МПа), износоустойчивостью и корозионно-устойчивостью.

 

Цилиндры шнековых машин классифицируются по следующим основным признакам:

1) по способу крепления  к приводной части машины: с  фланцевым или       байонетным  соединением;

2) по конструкции и  сложности изготовления цилиндра: цельные или разъемные, литые  или сварные;

3) по способу обогрева  цилиндры выполняют с рубашками  обогрева (охлаждения) теплоносителя  или без рубашек (с электронагревателями).

Конструкция пневмоцилиндра выбирается с учетом конструктивной схемы пресса, рабочего давления жидкости в системе, усилия, условий работы. По  конструкции различают цилиндры: поршневые, плунжерные, простые и дифференциальные. В поршневых цилиндрах энергия движущегося газа преобразуется в механическую энергию перемещающегося поршня. В плунжерных цилиндрах имеется движущийся плунжер.

Цилиндры подразделяются на простые и дифференциальные. В простых цилиндрах поршень имеет одинаковые скорости прямого и обратного хода и снабжен двухсторонним штоком. В дифференциальных цилиндрах поршни развивают различные усилия и скорости перемещения  при прямом и обратном ходах. С целью обеспечения обратного хода на плунжерных системах устанавливают кроме основного цилиндра дополнительные цилиндры, которые называют возвратными или ретурными. Иногда находят применение ступенчатые цилиндры, в которых реализуется несколько скоростей перемещения за счет комбинации дифференциальных поршней с плунжерами.

На современных литьевых машинах устанавливают: стальные кованные цилиндры, когда давление превышает 18÷20 МПа при скорости перемещения поршня более 0,2м/с; чугунные литые цилиндры или цилиндры из труб, когда давление менее 15МПа и скорости перемещения поршня не

более 0,2м/с; стальные литые цилиндры  при больших диаметрах поршня и давлениях до 32 МПа

Стальные литые цилиндры получили наибольшее распространение для привода простых и двухступенчатых гидравлических механизмов, а так же перемещения инжекционного червяка (или поршня). На литьевых машинах большой мощности применяют преимущественно плунжеры, которые при диаметрах более 200 мм выполняют пустотелыми. Плунжеры изготавливают из чугуна СЧ 21-40 и сталей 35Л, 35 и 45.

Пневмоцилиндры прессов выполняются чаще всего из стали 35. Кованые цилиндры изготовляют из углеродистых или низколегированных сталей. Для рабочих давлений до 20 МПа используют литые цилиндры. При рабочих давлениях не более 32 МПа применяются литые стальные цилиндры из стали 35Л.

Плунжеры пневмоцилиндров малого диаметра (до 200÷250 мм) выполняются сплошными из углеродистой стали. Рабочая поверхность таких плунжеров имеет твердость 35-40 единиц HRC. При применении хромомолибденовых сталей поверхностная твердость достигает 65-85 единиц HRC.

Для облегчения плунжеры больших диаметров часто выполняют полыми, причем обычно изготавливают литыми из стали. Плунжеры, изготовленные из отбеленного чугуна, обладают поверхностной твердостью 55-75 единиц HRC. В связи с высокой хрупкостью применять такие плунжеры на прессах с верхним рабочим цилиндром не следует, так как в случае поломки плунжера может произойти падение плиты.

Цилиндры для термопластов выполняются из круглого проката   или цилиндричкских проволок. Толщина стенки цилиндра должна быть достаточной, чтобы выдерживать давление расплава до 60 МПа. В цилиндрах литьевых машин на стадии впрыска может развиваться давление до 120-150 МПа.

При работе экструдеров рабочая поверхность цилиндра интенсивно изнашивается, особенно если перерабатывают материалы с абразивными наполнителями. Чтобы продлить срок службы цилиндра в него на всю рабочую длину вставляют тонкую втулку из высококачественного материала.

Цилиндр имеет ряд радиальных несквозных сверлений  под установку термопар, число которых соответствует числу секций обогрева – охлаждения.

Прочностному расчету подвергаются фланцы и места их крепления. Толщина стенки цилиндров рассчитывается как у тонкостенных сосудов, работающих под внутренним давлением.

Относительными новинками (разработкам около 10 лет) среди пневмоцилиндров считаются германо-австрийские пневмомускулы и баллонные цилиндры. Прочная конструкция пневмомускула, не имеющая подвижных механических частей, – герметичный резиновый шланг, усиленный высокопрочными волокнами, – позволяет использовать его в самых пыльных и грязных условиях и гарантирует высокий срок его службы. Баллонные цилиндры также пригодны для работы в тяжелых и пыльных условиях, кроме того, их можно использовать под водой. [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обоснование выбора материала пневмоцилиндра.

Детали  машин  и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа -- чугуны и особенно стали. Стали обладают высоким, наследуемым от железа, модулем упругости (Е = 210 ГПа)

В машиностроении для изготовления деталей применяют металлы и неметаллические материалы. Из металлов чаще всего используют стали, чугуны, цветные металлы и сплавы.

Применяемые детали, для     изготовления упаковочного аппарата выполнены из следующих категорий стали:

.Сталь углеродистая обыкновенного  качества.

Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора. Кроме того, их отливают в крупные слитки, вследствие чего в них значительно развита ликвация, и они нередко содержат большое количество неметаллических включений.

Стали обыкновенного качества, из которых наиболее применяемой является СтЗ, используют для изготовления мало напряженных деталей машин (шпилек, втулок, болтов, гаек и т. д.). Многие детали машин упрочняются термической обработкой.

Эта марка стали характеризуется относительно невысокими значениями предела текучести и предела прочности: ЖТ=195...315 МПа, ЖВ=-300...590 МПа.

Условное обозначение материала имеет следующий вид: СтЗпс ГОСТ 380-88

Также из этой стали изготовляют детали менее ответственного назначения, т.е. горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций (балок, ферм, конструкций подъемных кранов, корпусов сосудов и аппаратов, каркасов паровых котлов, драг и так далее).

Стали легированные конструкционные.

Стали легированные конструкционные маркируют: 20Х, 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 18ХГ, 30XH3А и некоторые др. В которых двухзначные числа слева указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а последующие буквы обозначают легирующие элементы, содержащиеся в данной марке стали: А-азот, Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медъ, Е-селен, М-молибден, Н-никель, Р-бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий. Ю-алюминий,  К-кобальт, Х-хром. Ц-цирконий. Цифра, которая стоит после буквы, указывает процент примерного содержания соответствующего элемента в целых единицах. Если после букв цифра отсутствует, то содержание  этого легирующего элемента  в данной марке стали составляет менее 1%.

В данной конструкции используется сталь марки 35Х. Такую марку стали используют  для  изготовления деталей, работающих на износ при трении, таких как втулки, оси, валы, шестерни, зубчатые колеса, цилиндры и т.д..

Конструкционные углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твёрдость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги.

Также из этой стали изготовляют детали менее ответственного назначения, т.е. горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций (балок, ферм, конструкций подъемных кранов, корпусов сосудов и аппаратов, каркасов паровых котлов, драг и так далее).