Kérdés: A „forgó működtetők” műszaki háttere: Milyen nyomatékot válasszon pneumatikus forgó alkalmazásokhoz?

Válasz: A megfelelő nyomaték kiválasztása pneumatikus forgó működtetőkhöz három fő forgóerő kiszámítását igényli: a statikus nyomaték (a gravitáció és a külső fizikai ellenállás leküzdéséhez), a dinamikus nyomaték (a terhelés forgási tehetetlenségének gyorsításához a megadott időn belül) és a súrlódási nyomaték (a csapágyak és a belső tömítések által létrehozott nyomaték). A pneumatikus forgó működtetők nyomatékot állítanak elő úgy, hogy a lineáris folyadéknyomást forgó erővé alakítják. A két fő működési elv a fogaskerék–tengely és a lapátos típusú kialakítás. Mivel a sűrített levegő összenyomható, az elégtelen nyomatékot biztosító működtető kiválasztása lassú elforduláshoz, terhelés alatti megálláshoz vagy „ugráló” forgáshoz vezethet. A tervező mérnököknek ki kell számítaniuk az összes tehetetlenségi nyomatékot, és 1,5–2,0 biztonsági tényezőt kell alkalmazniuk, hogy zavartalan, ellenőrzött elfordulást biztosítsanak.

Bevezetés: A vezérelt forgás ereje

A B2B ipari automatizálásban a lineáris mozgás csak a történet felét teszi ki. Sok automatizált rendszer olyan alkatrészeket igényel, amelyek forgó-, elforgatott-, átfordított- vagy lengőmozgást végeznek. Gyakori példák: egy robotkar fogószervének elforgatása egy alkatrész átadásához, egy szelepkar elfordítása egy vegyipari csővezetéken, illetve egy csomag 180 fokos megfordítása egy nagysebességű szállítószalagon.

Bár az elektromos szervomotorok képesek ezeket a feladatokat ellátni, gyakran drágák, összetett programozást igényelnek, és érzékenyek a poros, nedves vagy mosható környezetekre. A neumás forgóműködtetők erőteljes, strapabíró és rendkívül költséghatékony alternatívát kínálnak. Azonban a zavartalan forgás biztosításához – a leállás elkerülése érdekében – a mérnököknek ismerniük kell a nyomaték kiszámításának mechanikai alapelveit. Az AIRWORK, a felsőkategóriás neumás alkatrészek vezető gyártója, azokat a mérnöki eszközöket és strapabíró működtetőket biztosítja, amelyek megbízható forgómozgást tesznek lehetővé.

A forgóműködtetők mechanizmusainak mérnöki háttere

A megfelelő nyomaték kiválasztásához először azt kell megvizsgálnunk, hogyan alakítja át a működtető elem a levegőnyomást forgó erővé. Az iparban használt két fő típus:

• Fogaskerék- és fogasléces működtető elemek: Ez a kialakítás egy vagy két párhuzamos, lineáris hengerpalástot használ. A dugattyúrudak fogaskerék formájú fogaslécnek készülnek. Amikor a sűrített levegő mozgatja a dugattyúkat, a fogasléc elcsúszik egy kör alakú fogaskeréken, aminek következtében a kimeneti tengely elfordul. A fogaskerék- és fogasléces működtető elemek rendkívül népszerűek, mert állandó, magas kimeneti nyomatékot biztosítanak az egész elfordulási szög mentén, nagyon strapabírók, és lehetővé teszik az integrált szögbeli beállításokat valamint a végállásnál alkalmazott amortizálást.
• Lapátkerekes működtetők: Ez a kompakt kialakítás egy henger alakú kamrát tartalmaz, amelyben egy központi tengely található, amelyre sugárirányú lapát vagy vánka van rögzítve. Amikor sűrített levegőt vezetnek be a kamra egyik oldalára, az közvetlenül nyomja a lapátot, és így forgatja a tengelyt. A lapátkerekes működtetők rendkívül kompaktok, könnyűek, és gyakorlatilag nincs játékuk. Azonban mivel a levegő lassan átszivároghat az egyetlen lapátkerék tömítésén, ezért alacsonyabb nyomatékot fejtenek ki, és általában kisebb terhelésre tervezett alkalmazásokhoz használják őket.

A nyomaték méretezésének alapvető fizikai elvei: A három összetevő

Amikor egy működtetőt választunk B2B-alkalmazáshoz, ne csak a terhelés súlyára figyeljünk. Három különálló nyomaték-összetevőt kell értékelnünk:

• Összetevő 1: Statikus nyomaték (Ts). Ez a nyomaték szükséges a terhelés megtartásához vagy emeléséhez a gravitáció ellen. Ha a terhelés vízszintes síkban forog, a gravitációs nyomaték nulla. Ha azonban a terhelés függőlegesen forgó mozgást végez (például egy ajtó felfelé lengése), a gravitáció jelentős, szögtől függő ellenállási nyomatékot hoz létre.
• Komponens 2: Dinamikus nyomaték (Td). Ez a nyomaték szükséges a terhelés forgó tömegének gyorsításához álló helyzetből a cél szögsebességre. A terhelés tömegeloszlása határozza meg.
• Komponens 3: Súrlódási nyomaték (Tf). Ez a külső csapágyak, vezető bushingok és az aktuátor belső tömítései által létrehozott fékező erő.

Lépésről lépésre készített matematikai méretezési útmutató

Egy aktuátor matematikai méretezéséhez kövesse ezt a lépésről lépésre készített mérnöki protokollt:

• 1. lépés: Számítsa ki a tömeg másodrendű nyomatékát (I). A másodrendű nyomaték egy test forgó gyorsulással szembeni ellenállását jelzi. A tömegtől (m) és a terhelés alakjától függ. Egy tömör téglalap alakú lemez esetében, amelynek tömege m, szélessége w és hossza h, és középponti tengelye körül forog, a képlet a következő:

I = (1 / 12) × m × (w négyzet + h négyzet)

Egy tömör henger esetében, amelynek tömege m és sugara r, és középponti tengelye körül forog, a képlet a következő:

I = 0,5 × m × (r négyzet)

Vegye figyelembe, hogy az összes méretet kilogramm (kg) és méter (m) egységekben kell megadni, hogy a tehetetlenségi nyomaték kilogramm-négyzetméterben (kg × m²) legyen.

• 2. lépés: Határozza meg a szükséges szöggyorsulást (α). Tegyük fel, hogy a terhelést θ szöggel (radiánban) kell elforgatni egy t célidőn belül (másodpercben), álló helyzetből indulva. Egyenletes gyorsulás feltételezése mellett a képlet a következő:

α = (2 × θ) / (t²)

Például 180 fokos forgatáshoz (azaz π, vagyis 3,1416 radiánhoz) 1,0 másodperc alatt:

• α = (2 × 3,1416) / (1,0 × 1,0) = 6,28 radián/másodperc² (rad/s²).
• 3. lépés: Számítsa ki a dinamikus gyorsítási nyomatékot (Ta). Miután meghatározta a tehetetlenségi nyomatékot (I) és a szöggyorsulást (α), használja a forgómozgásra vonatkozó Newton második törvényét:

Ta = I × α

Ez adja meg a nyomatékot (newtonméterben, azaz N·m-ben), amely kizárólag a terhelés gyorsításához szükséges.

• 4. lépés: A nyomatékok összeadása és a B2B biztonsági tényező alkalmazása. Adjuk össze a statikus, dinamikus és súrlódási nyomatékokat, hogy meghatározzuk a szükséges elméleti nyomatékot:

T összes = Ts + Td + Tf

A B2B gépalkatrészek gyártásában mindig alkalmazzunk legalább 1,5-ös biztonsági tényezőt egyszerű, jól vezetett vízszintes forgások esetén, és 2,0-ás biztonsági tényezőt függőleges emelési feladatokhoz vagy változó súrlódásnak kitett rendszerekhez. Ezért a pneumatikus működtető elem minimális megengedett nyomatékának – a szokásos üzemi nyomáson (általában 5–6 bar) – a következőnek kell lennie:

T megengedett = T összes × Biztonsági tényező

Gyakorlati méretezési példa: Fogólapka elforgatása

Számítsuk ki a szükséges nyomatékot egy tömör acélból készült téglalap alakú fogólapka vízszintes elforgatásához:

• Hasznos teher tömege (m) = 4,0 kg.
• Lapka méretei: Szélesség (w) = 0,2 méter, Hosszúság (h) = 0,1 méter.
• Célzott elforgatás: 90 fok (1,57 radián) 0,5 másodperc alatt.

Először számítsuk ki a tehetetlenségi nyomatékot (I):

• I = (1 / 12) × 4,0 kg × (0,2² + 0,1²) = 0,333 × (0,04 + 0,01) = 0,333 × 0,05 = 0,01665 kg × m².

Másodszor számítsa ki a szöggyorsulást (α):

• α = (2 × 1,57 rad) / (0,5 × 0,5) = 3,14 / 0,25 = 12,56 rad/s².

Harmadszor számítsa ki a dinamikus nyomatékot (Ta):

• Ta = 0,01665 kg × m² × 12,56 rad/s² = 0,209 N·m.

Mivel ez vízszintes forgás, a statikus gravitációs nyomaték nulla. Tegyük fel, hogy a külső csapágyak súrlódása elhanyagolható. Alkalmazzunk egy B2B biztonsági tényezőt 1,5-ös értékkel:

• T névleges = 0,209 N·m × 1,5 = 0,314 N·m.

Ezért olyan AIRWORK forgóműködtetőt kell kiválasztanunk, amelynek névleges nyomatéka legalább 0,314 N·m az 5 bar működési nyomáson.

AIRWORK nagy teljesítményű forgóműködtetői

Az AIRWORK különféle fogaskerékes és fogasléces nevelt pneumatikus forgóműködtetőket gyárt, köztük a nagyon népszerű MSQ és forgóasztal-sorozatot. Működtetőink a következő jellemzőkkel rendelkeznek:

• Nagy szilárdságú ötvözött acél tengelyek és fogaskerekek a nagy nyíróerők kezelésére.
• Kétpistolyos fogasléces kialakítások, amelyek kétszeres kimeneti nyomatékot biztosítanak, miközben kompakt méretet őriznek meg.
• Beépített, nagy teljesítményű lengéscsillapítók a forgási kinetikus energia elnyelésére és a forgás végén fellépő visszapattanás megelőzésére.
• Belső mágneses sávok a pontos, szilárdtestű szögszenzorok támogatására PLC pozícióvisszajelzés céljából.

Következtetés: Pontos forgómozgás elérése az AIRWORK segítségével

A megfelelő nyomaték kiválasztása döntő fontosságú: attól függ, hogy a gép hibátlanul forg-e vagy leáll, illetve erősen rezeg-e. A tömeg tehetetlenségi nyomatékának kiszámítása, a gyorsulási értékek meghatározása, valamint a premium fogasléces meghajtók (AIRWORK) megadása lehetővé teszi a tervezőmérnökök számára a sima, megbízható és energiatakarékos forgómozgás biztosítását.

Látogassa meg a jzpnu.com weboldalt, ahol ingyenes online nyomaték-számítógépeinket használhatja, letöltheti a teljes forgó meghajtók CAD rajzait, és konzultálhat műszaki támogatási csapatunkkal.