Jautājums: Kā aprēķināt maksimālo pieļaujamo „sānu slodzi” DNC sērijas standarta cilindriem, lai novērstu stieņa liekšanos?

Atbilde: Maksimālās pieļaujamās sānu slodzes aprēķināšana DNC sērijas ISO 15552 standarta cilindri prasa novērtēt stūdes garumu, virzuļa stieņa diametru, darba spiedienu un montāžas orientāciju. Sānu slodze ir jebkura spēka iedarbība, kas notiek perpendikulāri virzuļa stieņa asij. Lai aprēķinātu pieļaujamo robežu, B2B dizaina inženieri izmanto fiziskās stieņa izliekuma formulas, Eilera līkuma robežas un ražotāju sānu slodzes grafikus. Šo robežu pārsniedzot rodas virzuļa stieņa izliekums, lokāla cilindra dobuma nodilums un galu galā pastāvīgs stieņa liekšanās. Lai to novērstu, inženieriem ir jāizmanto ārējie vadītāju bloki, jāpiemēro pašcentrējoši virzuļa stieņa savienotāji vai jāpāriet uz lielāku virzuļa stieņa diametru.

Ievads: Neredzamais sānu slodzes drauds

B2B rūpnieciskās automatizācijas jomā DNC sērijas standarta cilindri ir uzticami darba rīki, kas izstrādāti atbilstoši plaši pieņemtajam ISO 15552 standartam. Šie stieņu vai profila rievu cilindri ir ideāli smagām spiediena un vilkšanas uzdevumiem. Tomēr daudzās reālās mašīnu konstrukcijās cilindri tiek nepareizi pakļauti sānu vai diagonālām spēkam. Šos spēkus sauc par sānu slodzēm.

Pneimatiskie cilindri pamatā ir izstrādāti, lai izturētu ass virzienā (taisnlinijas) spēkus. Kad uz izvilkto pistona stieni darbojas sānu spēki, rodas lieces moments. Ja lieces moments netiek precīzi aprēķināts, tas var pārsniegt tērauda pistona stieņa plūstamības robežu, izraisot pastāvīgu deformāciju (liekšanos) un bojājot iekšējās blīves un vadības vārpstas ieliktņus. AIRWORK, augstākā līmeņa rūpniecisko pneimatisko komponentu ražotājs, nodrošina analītisko bāzi un inženierijas risinājumus, lai novērstu šādas katastrofālas nesaderības.

Pārmērīgas sānu slodzes mehāniskas sekas

Būtiski saprast, kas notiek DNC sērijas cilindrā pie sānu slodzes B2B iepirkumu menedžeriem un paneļu būvētājiem:

• Stieņa gultnis: Stieņa gultnis (vai vadības bukse) cilindra priekšējā vāka daļā ir paredzēts, lai vadītu pistona stieni. Sānu slodze spiež stieni stipri pret vienu šīs gultnes pusi, izraisot ātru nodilumu, berzi un siltuma veidošanos.
• Pistona blīves nobīde no centrālās ass: Kad stienis novirzās sāniski, arī iekšējais pistons tiek piespiests novirzīties. Tas deformē pistona blīvi, veidojot spraugu vienā pusē, kas izraisa iekšēju aizplūšanu, pārvietošanos un spiediena zudumu.
• Cilindra korpusa iegravēšana: Kad pistons novirzās, nodiluma gredzens vai metāla pistona korpusa daļa var tieši saskarties ar iekšējo alumīnija cilindra korpusa sienu, iegravējot caurumu un neatgriezeniski sabojājot cilindru.
• Pastāvīga stieņa liekšanās: Ja sānu spēks pārsniedz tvertnes stieņa materiāla mehānisko elastības robežu (parasti oglekļa tērauds ar cinkota hroma pārklājumu vai nerūsējošais tērauds), stienis paliks pastāvīgi noliecies, bloķējot tvertni.

Galvenie inženierijas mainīgie lielumi sānu slodzes aprēķiniem

Lai veiktu sānu slodzes aprēķinus DNC sērijas tvertnēm, jums ir jāsavāc četri būtiski parametri:

• Parametrs 1: Tvertnes stieņa diametrs (d). Tipiskām DNC tvertnēm ir standarta stieņa diametri, kas atkarīgi no cilindra diametra. Piemēram, DNC-50 tvertnei (50 mm diametrs) parasti ir 20 mm diametra stienis, kamēr DNC-100 tvertnei ir 25 mm vai 32 mm diametra stienis.
• Parametrs 2: Izvilkta gaita (S). Jo garāka ir gaita, jo lielāks ir sānu slodzes sviru plecot (lieces moments). Tvertnes ar gaitas garumu, kas pārsniedz 300 mm, ir ļoti uzliesmojošas pret sānu slodzes bojājumiem.
• Parametrs 3: Cilindra montāžas veids. Cilindra nostiprināšanas veids ietekmē tā stingrību. Rupja priekšējā flanča montāža labāk pretojas sānu slodzei nekā aizmugures sviru savienojuma montāža, kas darbojas kā šarnīrveida sija.
• Parametrs 4: Stieņa savienojuma veids. Rupji vītņoti savienojumi nodod 100 % jebkādas novirzes vai sānu spēka tieši stieņam, kamēr sfēriskie vai peldošie savienojumi ļauj nelielu leņķisku novirzi, neitralizējot lieces spēkus.

Defleksijas un lieces pakāpeniska matemātiskā aprēķināšana

Ja cilindra stieni uzskata par konsolei piestiprinātu siju (kas attēlo stingri montētu cilindru ar izvilkto stieni, uz kura darbojas punktveida sānu slodze tā brīvajā galā), izmantojam klasisko strukturālo mehāniku. Standarta defleksija (y) konsolei piestiprinātai sijai zem punktveida slodzes (F) tās brīvajā galā tiek aprēķināta, izmantojot šo formulu:

y = (F × L³) / (3 × E × I)

Kur:

• y ir stieņa defleksija milimetros.
• F ir sānu slodze Ņūtonos (N).
• L ir stieņa neatbalstītā pagarinājuma garums milimetros. Praksē tas ir gaitas garums plus attālums no priekšējā vāka līdz stieņa galam.
• E ir stieņa materiāla elastības modulis. Parastam tēraudam E ir aptuveni 200 000 Ņūtoni kvadrātmillimetrā (N/mm²).
• I ir cietā apaļā pistona stieņa laukuma inercijas moments. Apļveida šķērsgriezumam formula ir:

I = (π × d ceturtajā pakāpē) / 64

Kur d ir pistona stieņa diametrs milimetros.

Aprēķināsim inercijas momentu (I) cilindram DNC-50 ar 20 mm pistona stieni:

• I = (3,14159 × 20 ceturtajā pakāpē) / 64 = 7854 mm⁴.

Tagad pieņemsim, ka cilindram ir gaitas garums (L) 300 mm un pilnīgi izvērstā stāvoklī tam darbojas sānu spēks (F) 100 Ņūtoni. Mēs varam aprēķināt sagaidāmo novirzi (y):

• y = (100 N × 300³) / (3 × 200 000 × 7854)
• y = (100 × 27 000 000) / (4 712 400 000)
• y = 2 700 000 000 / 4 712 400 000 = 0,573 mm.

Augstas precizitātes automatizācijā 0,573 mm novirze ir ārkārtīgi bīstama. Tā var ātri izraisīt bultskrūvju bojājumus un iekšējo blīvējumu noplūdi. Nozaru standarti ieteic maksimālo stieņa novirzi standarta darbībā ierobežot līdz 0,15 mm. Tāpēc 300 mm gaitai 100 N sānu slodze nav pieļaujama. Lai atrisinātu šo problēmu, jāsamazina gaita, jāpalielina stieņa diametrs vai jāuzstāda ārējs vadītājs.

Ražotāja slodzes diagrammu izmantošana (ātrā B2B metode)

Tā kā manuālu aprēķinu veikšana katram dizainam var būt laikietilpīga, AIRWORK piedāvā inženierētas sānu slodzes grafikas savām DNC sērijas cilindriem. Šajos grafikos Y-ass attēlo maksimāli pieļaujamo sānu slodzi (ньūtonos), bet X-ass — izvirzīto gaitas garumu (milimetros) katram cauruma izmēram.

Izmantojot šos grafikus, statiskām slodzēm vienmēr jāpiemēro drošības koeficients vismaz 1,5, bet dinamiskām/trieciena slodzēm — vismaz 3,0. Ja jūsu ekspluatācijas parametri atrodas virs izvēlētā cilindra līknes, jums ir jāmaina mehāniskais dizains.

No rūpniecības pierādītas risinājumi, lai novērstu stieņa liešanos sānu slodzes ietekmē

Ja jūsu mehāniskais dizains nosaka, ka šķērsas spēki ir neizbēgami, izmantojiet šos inženierijas risinājumus, lai aizsargātu jūsu DNC cilindrus:

• Standartizējiet vadības vienības: AIRWORK piedāvā smagās ekspluatācijas FENG un HLQ sērijas slīdošās vadīklas, kas piestiprināmas pie DNC cilindra korpusa. Šīs vienības aprīkotas ar diviem ārējiem tērauda vadiem, kas iet caur lineārajām lodīšu bultskrūvēm. Ārējie vadi absorbē 100 % sānu slodzes, pilnībā izolējot pistona stieni no šķērsas spēkiem.
• Uzstādiet pašcentrējošos savienotājus: Pašcentrējošs stieņa savienotājs (peldošais savienojums) jāuztīk uz cilindra virzuļa stieņa gala. Šis savienojums ļauj leņķisku novirzi līdz 5 grādiem un paralēlu novirzi līdz 2 mm. Ļaujot savienojumam pagriezties, tas novērš sānu slodžu un lieces momentu pārnešanu uz virzuļa stieni.
• Izmantojiet divstieņu cilindrus: Ja lineārai vadīšanai ir nepieciešama, bet vieta ir ierobežota, izvēlieties divstieņu vai vairāku montāžas vietu divstieņu cilindrus. Divstieņu konfigurācija dabiski sadala sānu slodzes pa divām pieskaršanās vietām, dubultojot pretestību liecei.
• Palieliniet cilindra diametru un stieņa izmēru: Ja neviena no iepriekšminutajām iespējām nav piemērota, vienkārši izvēlieties lielāku cilindru. Pāreja no DNC-50 uz DNC-63 palielina virzuļa stieņa diametru no 20 mm līdz 25 mm. Tā kā inercijas moments pieaug ar diametra ceturtās pakāpes pakāpi, šis nelielais uzlabojums palielina pretestību liecei vairāk nekā par 140 procentiem.

Secinājums: Optimizējiet savus automatizētos dizainus ar AIRWORK

Precīzi aprēķināt un pārvaldīt sānu slodzes ir galvenais faktors, lai pagarinātu DNC sērijas standarta cilindru ekspluatācijas ilgumu. Izvēloties augstas precizitātes pneimatiskās detaļas no AIRWORK un integrējot ārējus vadītājus vai pašcentrējošus savienojumus, B2B dizaineri var novērst stieņa liekšanos un samazināt apkopes izmaksas.

Izpētiet mūsu interaktīvos CAD konfigurātorus un tehnisko dokumentāciju par sānu slodzēm vietnē jzpnu.com, lai ideāli izvēlētos komponentus savam nākamajam automatizācijas projektam.