Питання: Як усунути ефект «прослизання циліндра» (повзучість) у автоматизованих процесах з низькою швидкістю?

Відповідь: Усунення прослизання (повзучості) пневмоциліндра вимагає усунення дисбалансу тертя між ущільненнями поршня та циліндр стінка циліндра. Явище «зачеплення-ковзання» характеризується ривковим, неоднорідним або нерівномірним рухом поршня при дуже низьких швидкостях роботи циліндра (зазвичай нижче 50 міліметрів на секунду). Це відбувається через те, що коефіцієнт статичного тертя значно вищий за коефіцієнт динамічного тертя. Поршень «зачеплюється», тиск зростає до тих пір, поки не подолає статичне тертя, потім поршень раптово ковзає вперед і знову «зачеплюється». Щоб усунути повзучість, інженери-конструктори мають використовувати регулятори витрати на виході, перейти на спеціальні низькофрикційні ущільнення поршня на основі ПТФЕ, застосовувати високоефективні флуоровані мастила та забезпечити ідеальне вирівнювання для запобігання механічному заклинюванню.

Вступ: Тайна ривкового руху циліндра

У високоточній промисловій автоматизації плавне й контрольоване рухання є обов’язковим. Незалежно від того, чи подає машина інструмент для різання, наносить тонку смужку клею чи повільно розміщує делікатний електронний компонент, головне — це стабільність. Однак, коли пневматичні циліндри працюють на дуже низьких швидкостях, вони часто демонструють дратівливий ефект, відомий як «прилипання-ковзання» або «повзучість».

Замість плавного ковзання шток поршня рухається серією мікроних, різких стрибків. Ця нерегулярна поведінка може зруйнувати делікатні технологічні процеси, спричинити структурні вібрації у каркасі машини, прискорити механічне зношення та скоротити термін експлуатації циліндра. Як провідний постачальник передових пневматичних систем, AIRWORK присвячує себе тому, щоб допомогти виробникам зрозуміти фізику явища «прилипання-ковзання» та реалізувати надійні рішення, забезпечуючи плавне й передбачуване лінійне рухання.

Фізика явища «прилипання-ковзання»: статичне та динамічне тертя

Щоб усунути явище заїдання-ковзання, потрібно розглянути трибологію (науку про тертя, мащення та знос) ущільнень поршня й штока, що ковзають по металевих поверхнях. Кожен ковзальний інтерфейс «еластомер–метал» має два різних коефіцієнти тертя:

• Статичне тертя (тертя спокою): сила, необхідна для початку руху між двома нерухомими поверхнями. У стані спокою молекули еластомерного ущільнення на мікроскопічному рівні «зварюються» або взаємно блокуються з мікроскопічними виступами (asperities) металевої стінки циліндра.
• Динамічне тертя (тертя ковзання): сила, необхідна для підтримання руху, коли поверхні вже ковзають. Це значення завжди нижче за статичне тертя.

Коли циліндру надається команда рухатися дуже повільно, стиснене повітря надходить у його робочу порожнину дуже повільно. Тиск зростає, але поршень не рухається, оскільки прикладена сила все ще менша за силу статичного тертя. У цей період поршень застигає.

Під час того як повітря продовжує надходити, тиск зрештою перевищує поріг відриву. Статичне тертя порушується, і система миттєво переходить до динамічного тертя. Оскільки динамічне тертя нижче, сила, що створюється накопиченим стисненим повітрям, тепер набагато перевищує ту, що потрібна для переміщення навантаження. Поршень раптово зміщується вперед. Це швидке переміщення швидко збільшує об’єм робочої порожнини циліндра, що призводить до миттєвого падіння внутрішнього тиску. Зі зниженням тиску рушійна сила знову опускається нижче межі статичного тертя, і поршень знову «залипає».

Цей цикл «залипання–ковзання–залипання–ковзання» повторюється безперервно, утворюючи ривкоподібне повзуче рух. На високих швидкостях інерційний імпульс поршня й навантаження легко переносять систему через ці фази переходу, роблячи явище «залипання–ковзання» непомітним. На низьких швидкостях, однак, імпульсу недостатньо, щоб подолати перехід тертя, що призводить до сильного повзучого руху.

Основні причини явища «залипання–ковзання» поршня в циліндрах у B2B-системах

Кілька конструктивних і екологічних чинників можуть спричиняти або посилювати ефект «зачеплення-ковзання» у процесах роботи на низьких швидкостях:

• Високе попереднє навантаження та натяг ущільнень: Щоб запобігти зовнішній і внутрішній витічці, стандартні ущільнення циліндрів проектуються з високим радіальним попереднім навантаженням. Це означає, що губка ущільнення щільно притискається до стінки циліндра. Хоча такий підхід чудово підходить для утримання високого тиску, висила радіальна сила значно збільшує силу тертя спокою.
• Втрата мастила: З часом стиснене повітря, що містить вологу, може вимити заводну мастильну речовину зсередини циліндра. Якщо циліндр працює «насухо», контакт металу з еластомером стає безпосереднім, що призводить до різкого зростання сили тертя спокою.
• Неправильна конфігурація регулювання потоку: Контроль швидкості циліндра шляхом регулювання повітря, що надходить у циліндр (регулювання на вході), є поширеною помилкою. Оскільки на вихідному (випускному) боці немає протитиску для стабілізації поршня, циліндр стає дуже схильним до ефекту «зачеплення-ковзання».
• Механічне несуміщення: Якщо циліндр трохи зміщений щодо зовнішніх лінійних напрямних, на шток поршня діятимуть бічні навантаження. Це призводить до бічного зміщення поршня й викликає високий локалізований тиск контакту з одного боку ущільнення, що збільшує статичне тертя.

Покрокові інженерні рішення для усунення повзучості

Систематично застосовуючи ці інженерні методи, ви можете успішно усунути явище «зачеплення-ковзання» та відновити надзвичайно плавну роботу на низьких швидкостях:

• Рішення 1: Застосування регуляторів витрати на виході (meter-out). Завжди регулюйте швидкість циліндра шляхом контролю витрати вихідного повітря (meter-out), а не вхідного повітря (meter-in). Регулювання витрати на виході забезпечує постійний і стабільний зворотний тиск у вихідній порожнині. Цей зворотний тиск діє як регульована пневматична амортизація, запобігаючи раптовим стрибкам і загасаючи будь-яку схильність до ковзання, що забезпечує стабільний рух поршня.
• Рішення 2: Спеціалізація на ущільненнях з низьким коефіцієнтом тертя. Для робочих процесів з низькою швидкістю стандартні ущільнення з поліуретану або нітрилу є недостатніми. Інженери-конструктори повинні вказувати циліндри AIRWORK, оснащені комплектами ущільнень з низьким коефіцієнтом тертя. Ці комплекти використовують кільця Glyd, виготовлені з композицій ПТФЕ (тефлону), які підсилюються стандартними O-подібними кільцями з NBR. ПТФЕ має надзвичайно низький коефіцієнт тертя, а його статичний і динамічний коефіцієнти тертя майже ідентичні, що механічно усуває фізичну основу явища «зачеплення-ковзання».
• Рішення 3: Повторне змащування спеціальним фторованим мастилом. Стандартні літієві або силіконові мастила можуть виходити з ладу в умовах повільного руху та високого тертя. Повторне змащування робочої поверхні циліндра преміальним фторованим мастилом (наприклад, мастилами на основі ПФПЕ) забезпечує надзвичайно стійку й довготривалу мастильну плівку, яка стійка до вимивання й зменшує силу тертя спокою.
• Рішення 4: Оптимізація якості повітря та тиску. Коливання тиску подачі можуть погіршувати явище «зачеплення-ковзання». Переконайтеся, що система живиться стабільним, добре регульованим повітряним потоком за допомогою високоточного фільтр-регулятора AIRWORK. Крім того, сухе повітря може прискорювати висихання ущільнень, тому, якщо використовуються стандартні ущільнення, слід розглянути можливість застосування масляного розпилювача.
• Рішення 5: Використання зовнішніх направляючих рейок для ковзання. Переконайтеся, що шток циліндра не сприймає бічні навантаження. Використовуйте самовирівнюючі муфти та високоякісні лінійні напрямні рейки, щоб забезпечити рух циліндра строго по прямій осі без тертя.

Серія низькофрикційних пневматичних циліндрів AIRWORK

AIRWORK пропонує спеціалізований асортимент низькофрикційних циліндрів з високою плавністю руху, розроблених спеціально для чутливої автоматизації на низьких швидкостях. Наші циліндри мають мікрошліфовані алюмінієві корпуси з шорсткістю поверхні (Ra) менше 0,2 мікрона та комплектуються преміальними низькофрикційними ущільненнями з ПТФЕ та спеціальними високостабільними мастилами.

Висновок: досягніть точного керування з AIRWORK

Прилипання-ковзання поршневого штока є поширеною фізичною проблемою в автоматизації на низьких швидкостях, але її повністю можна вирішити. Використовуючи регулювання швидкості на виході, низькофрикційні ущільнення з ПТФЕ та забезпечуючи ідеальне механічне вирівнювання, виробники обладнання можуть досягти плавного лінійного руху без «повзання».

Відвідайте сайт jzpnu.com уже сьогодні, щоб ознайомитися з нашими спеціалізованими конфігураціями низькофрикційних циліндрів, завантажити технічні матеріали застосування та проконсультуватися з експертами з керування рухом.