Въпрос: Как се изчислява максимално допустимият „страничен товар“ за стандартните цилиндри от серия DNC, за да се предотврати огъването на штока?

Отговор: Изчисляване на максимално допустимия страничен товар за цилиндри от серия DNC според ISO 15552 стандартни цилиндри изисква оценка на дължината на хода, диаметъра на буталния шток, работното налягане и ориентацията при монтиране. Странно натоварване е всяка сила, приложена перпендикулярно на оста на буталния шток. За изчисляване на допустимия лимит инженерите по B2B проектиране използват физически формули за отклонение на штока, граници за огъване по Ойлер и графики на производителя за странно натоварване. Превишаването на тези граници води до отклонение на буталния шток, локално износване на цилиндричната камера и в крайна сметка — постоянна деформация на штока. За предотвратяване на това инженерите трябва да монтират външни насочващи устройства, да използват самонастройващи се куплунги за шток или да преминат към по-голям диаметър на буталния шток.

Въведение: Скритата заплаха от странно натоварване

В B2B индустриалната автоматизация стандартният цилиндър от серията DNC е надежден работен инструмент, проектиран според широко приетия стандарт ISO 15552. Тези цилиндри с винтови стягащи пръти или с профилни канали са идеални за тежки задачи на бутане и дърпане. В много реални машинни конструкции обаче цилиндрите се подлагат неправилно на странични или диагонални сили. Те се наричат странични товари.

Пневматичните цилиндри по принцип са проектирани за осеви (праволинейни) сили. Когато странични сили действат върху изтеглената бутална пръчка, те създават огъващ момент. Без точни изчисления този огъващ момент може да надвиши границата на устойчивост на стоманената бутална пръчка, което води до необратима деформация (огъване) и разрушаване на вътрешните уплътнения и водещата букса. AIRWORK, водещ производител на промишлени пневматични компоненти, предоставя аналитична рамка и инженерни решения за предотвратяване на такива катастрофални повреди.

Механични последици от прекомерен страничен товар

Разбирането на това, което се случва вътре в цилиндър от серия DNC под странично натоварване, е от решаващо значение за мениджърите по набавки в B2B и за специалистите по сглобяване на панели:

• Износ на лагера на штоковата част: Лагерът на штоковата част (или водещата бушонка) в предната капачка на цилиндъра е проектиран да насочва штоковата част на буталото. Страничните натоварвания притискат штоковата част силно към едната страна на този лагер, което води до бърз износ, триене и генериране на топлина.
• Нецентриране на уплътнението на буталото: Когато штоковата част се отклонява странично, вътрешното бутало също се принуждава да се наклони. Това деформира уплътнението на буталото, създавайки зазор от едната страна, който води до вътрешна обходна течност, дрейф и загуба на налягане.
• Надраскване на цилиндровата тръба: Когато буталото се наклони, износващият пръстен или металното тяло на буталото могат да влязат в директен контакт с вътрешната алуминиева стена на цилиндровата тръба, надрасквайки цилиндровото гнездо и окончателно повреждайки цилиндъра.
• Постоянно огъване на шток: Ако страничната сила надвиши механичния еластичен лимит на материала на штока на буталото (обикновено въглеродна стомана с хромирано покритие или неръждаема стомана), штокът ще остане постоянно огънат, което води до заклинване на цилиндъра.

Основни инженерни променливи за изчисляване на страничната товарна сила

За извършване на изчисленията за страничната товарна сила за цилиндри от серия DNC трябва да съберете четири жизненоважни параметъра:

• Параметър 1: Диаметър на штока на буталото (d). Обикновените цилиндри от серия DNC имат стандартни диаметри на штоковете, които зависят от диаметъра на цилиндъра. Например цилиндър DNC-50 (диаметър на цилиндъра 50 мм) обикновено има шток с диаметър 20 мм, докато цилиндър DNC-100 има шток с диаметър 25 мм или 32 мм.
• Параметър 2: Дължина на изпънатия ход (S). Колкото по-дълъг е ходът, толкова по-голям е моментът на огъване (рамото на лоста), предизвикан от страничната товарна сила. Цилиндрите с дължина на хода, надвишаваща 300 мм, са изключително уязвими към повреди, причинени от странична товарна сила.
• Параметър 3: Начин на монтиране на цилиндъра. Начинът, по който цилиндърът е закрепен, силно влияе върху неговата твърдост. Твърда предна фланцева монтажна конструкция по-добре устойчива на странична товарна сила в сравнение с задна шарнирна монтажна конструкция, която действа като окачен гредовиден елемент.
• Параметър 4: Тип на връзката на буталния шток. Твърди резбови връзки предават 100 % от всяко несъосоставяне или странична сила директно на буталния шток, докато сферичните или плаващите връзки позволяват леко ъглово отклонение и неутрализират огъващите сили.

Стъпка по стъпка математическо изчисление на деформацията и огъването

За бутален шток, разглеждан като конзолна греда (което представлява цилиндър с твърда монтажна конструкция и изпънат шток, подложен на точкова странична товарна сила в края му), използваме класическата механика на конструкции. Стандартното отместване (y) на конзолна греда под точкова товарна сила (F) в свободния ѝ край се изчислява чрез следната формула:

y = (F × L³) / (3 × E × I)

Където:

• y е отместването на штока в милиметри.
• F е страничната товарна сила в нютони (N).
• L е неподдържаната удължена дължина на шпинделя в милиметри. На практика това е ходът плюс разстоянието от предния капак до края на шпинделя.
• E е модулът на еластичност на материала на шпинделя. За стандартна стомана E е приблизително 200 000 нютона на квадратен милиметър (N/mm²).
• I е моментът на инерция на цялостния кръгов поршенов шпиндел. За кръгово напречно сечение формулата е:

I = (π × d на четвърта степен) / 64

Където d е диаметърът на поршеновия шпиндел в милиметри.

Нека изчислим момента на инерция (I) за цилиндър DNC-50 с поршенов шпиндел с диаметър 20 мм:

• I = (3,14159 × 20 на четвърта степен) / 64 = 7 854 mm⁴.

Сега нека предположим, че цилиндърът има ход (L) от 300 мм и е подложен на странична сила (F) от 100 нютона при пълно изтегляне. Можем да изчислим очакваното отклонение (y):

• y = (100 N × 300³) / (3 × 200 000 × 7 854)
• y = (100 × 27 000 000) / (4 712 400 000)
• y = 2 700 000 000 / 4 712 400 000 = 0,573 мм.

При високоточна автоматизация отклонението от 0,573 мм е изключително опасно. Това почти непременно води до бързо повреждане на лагерите и изтичане през вътрешните уплътнения. Според индустриалните стандарти максималното допустимо отклонение на штокът при стандартни операции трябва да е под 0,15 мм. Следователно при ход от 300 мм страничната товарна сила от 100 N е недопустима. За решаване на този проблем е необходимо или да се намали ходът, или да се увеличи диаметърът на штока, или да се инсталира външен водач.

Използване на диаграми за товари на производителя (бързият B2B метод)

Тъй като ръчното изчисляване за всеки проект може да отнеме много време, AIRWORK предоставя графики за проектирани странични товари за нашите цилиндри от серия DNC. Тези криви показват максималната допустима странична товарна сила (в нютони) по оста Y спрямо дължината на разгънатия ход (в милиметри) по оста X за всеки диаметър на цилиндъра.

При използване на тези диаграми винаги прилагайте коефициент на сигурност поне 1,5 за статични натоварвания и 3,0 за динамични/ударни натоварвания. Ако вашите експлоатационни параметри са над кривата за избрания от вас цилиндър, трябва да модифицирате механичния си дизайн.

Решения, проверени в практиката на отрасъла, за предотвратяване на огъване на штока под странично натоварване

Ако вашият механичен дизайн предвижда, че страничните сили са неизбежни, използвайте следните инженерни стратегии за защита на цилиндрите DNC:

• Стандартизиране на водачните устройства: AIRWORK предлага тежки серия FENG и HLQ плъзгащи водачи, които се монтират върху корпуса на цилиндъра DNC. Тези устройства са оборудвани с два външни стоманени вала, преминаващи през линейни кълбовидни лагери. Външните валове поемат 100 % от страничното натоварване и напълно изолират штока от странични сили.
• Монтиране на саморегулиращи се спойки: Саморегулираща се спойка за шток (плаващо съединение) трябва да се навинти на края на штока на буталото. Това съединение позволява ъглово несъвпадение до 5 градуса и паралелно несъвпадение до 2 мм. Като позволява на връзката да се завърта, то предотвратява предаването на странични натоварвания и огъващи моменти към штока на буталото.
• Използване на цилиндри с двойни штокове: За приложения, при които е необходимо линейно насочване, но пространството е ограничено, изберете цилиндри с двойни штокове или с множество монтажни точки и двойни штокове. Конфигурацията с двойни штокове по своята същност разпределя страничните натоварвания между две точки на контакт, удвоявайки устойчивостта към огъване.
• Увеличаване на диаметъра на цилиндъра и на штока: Ако никой от горепосочените варианти не е възможен, просто изберете по-голям цилиндър. Подмяната на цилиндър DNC-50 с DNC-63 увеличава диаметъра на штока на буталото от 20 мм на 25 мм. Тъй като инерционният момент расте с четвъртата степен на диаметъра, тази незначителна модернизация увеличава устойчивостта към огъване с повече от 140 процента.

Заключение: Оптимизирайте автоматизираните си проекти с AIRWORK

Точното изчисляване и управление на страничните натоварвания е ключът към разширяване на експлоатационния живот на стандартните цилиндри от серията DNC. Чрез избор на високоточни пневматични компоненти от AIRWORK и интегриране на външни водачи или самонастройващи се връзки, B2B проектиращите специалисти могат да елиминират повредите от огъване на шпинделя и да намалят разходите за поддръжка.

Изследвайте нашите интерактивни CAD конфигуратори и техническата документация за странични натоварвания на jzpnu.com, за да изберете идеалните размери за следващия си автоматизационен проект.