Устройство пневматического цилиндра со штоком

Рис. 1. Пневматический цилиндр со штоком: общее устройство (корпус, поршень, шток, поршневая и штоковая полости, уплотнения, опорная втулка). Желательно показать разрез с подписями элементов.

Основой конструкции является цилиндрический корпус, закрытый с двух сторон крышками. Внутри него перемещается поршень, соединенный со штоком, который выходит наружу через переднюю (проходную) крышку. Пространство внутри корпуса разделено поршнем на две полости:

• поршневая — расположена со стороны, противоположной выходу штока;

• штоковая — находится со стороны выхода штока.

Для обеспечения герметичности используются уплотнительные элементы на поршне и штоке. В некоторых исполнениях на штоке устанавливается скребок, предотвращающий попадание загрязнений внутрь цилиндра.

В зависимости от того, в одну или обе полости может подаваться сжатый воздух, различают цилиндры одностороннего и двустороннего действия.

---

Принцип действия: одностороннее и двустороннее перемещение

Рис. 2. Схемы управления цилиндрами одно- и двустороннего действия. Слева — цилиндр одностороннего действия с одним подводом воздуха и пружиной, справа — цилиндр двустороннего действия с двумя подводами.*

Цилиндры одностороннего действия

В таких моделях сжатый воздух поступает только в одну полость (чаще всего в поршневую). Перемещение штока в обратном направлении обеспечивается встроенной пружиной. Полость, где находится пружина, сообщается с атмосферой через вентиляционное отверстие (обычно без резьбы, поэтому на схемах оно не обозначается как подключение).

В зависимости от расположения пружины различают:

• толкающие — пружина находится в штоковой полости, шток выдвигается под давлением;

• тянущие — пружина в поршневой полости, при подаче воздуха шток втягивается.

Основные особенности цилиндров одностороннего действия:

• используют почти в два раза меньше энергии, чем двусторонние аналоги;
• при пропадании давления занимают заранее известное положение (аварийная безопасность);
• обратный ход происходит медленнее и с меньшим усилием (усилие пружины обычно составляет 8–20% от усилия прямого хода при 6 бар);
• из-за необходимости размещения пружины при равном ходе корпус длиннее, чем у двустороннего цилиндра;
• серийно выпускаются с ходом не более 100 мм и диаметром поршня до 100 мм.

Цилиндры двустороннего действия

Здесь сжатый воздух может подаваться в обе полости поочередно. Прямой ход (выдвижение штока) осуществляется при подаче воздуха в поршневую полость, обратный — при подаче в штоковую. Усилие на штоке при выдвижении всегда больше, чем при втягивании, из-за разницы площадей поршня с разных сторон (со стороны штока площадь меньше).

Если подать воздух одновременно в обе полости, шток всё равно выдвинется, но медленно и с небольшим усилием — цилиндр фактически работает как односторонний с пневматической пружиной в штоковой полости.

---

Конструктивные модификации

Рис. 2. Варианты исполнения пневмоцилиндров со штоком: слева — стандартный цилиндр двустороннего действия, в центре — с двусторонним штоком, справа — с двусторонним полым штоком.

Цилиндры с двусторонним штоком

В таких моделях шток проходит через обе крышки. Это обеспечивает:

• одинаковую площадь поршня с обеих сторон, а значит, равные усилия и скорости при движении в обе стороны;

• более простую остановку в промежуточном положении.

Недостатки: увеличенный осевой габарит (почти в три раза больше рабочего хода) и большая подвижная масса.

Полый шток

Используется, когда необходимо подавать через шток сжатый воздух или вакуум. Например, такие цилиндры применяются в оборудовании для выдува пластиковых бутылок, а также в вакуумных захватах.

Защита от боковых нагрузок и проворота

Для снижения износа уплотнений и защиты от перекосов в проходной крышке устанавливается опорная втулка или подшипник, а на поршне — направляющее кольцо. Допустимая боковая нагрузка зависит от материала и длины втулки (используются прочные полимеры или металл).

Если необходимо сохранять ориентацию перемещаемого объекта в пространстве, применяют цилиндры с защитой от проворота штока. Конструктивно это может быть реализовано:

• штоком квадратного или прямоугольного сечения;

• овальным поршнем;

• двойным штоком и т.д.

На схемах такая защита обозначается двумя отрезками, отходящими от штока под прямым углом.

---

Датчики положения и магниты на поршне

Обозначение наличия магнита на поршне на условных графических схемах (толстая черная вертикальная полоса или символ постоянного магнита). Также можно показать внешний вид датчика положения, установленного на корпусе цилиндра.

Для бесконтактного определения положения поршня на корпусе цилиндра могут устанавливаться датчики (обычно они вытеснили механические концевые выключатели). Для их активации внутри поршня размещается магнитное кольцо:

• при диаметре поршня до 50 мм — кольцо из постоянного магнита;

• при большем диаметре — кольцо из магнитной резины.

Наличие магнита отображается на условном графическом обозначении толстой вертикальной черной полосой или символом постоянного магнита.

---

Фиксация штока: для безопасности и точности позиционирования

Фиксатор штока в крайнем положении: внешний вид и принцип действия. Показать подпружиненный стопор, входящий в выточку на штоке.

Модуль фиксации штока в любом положении: внешний вид и принцип действия. Показать губки, хвостовики и поршень с коническим углублением.

При вертикальном или наклонном перемещении, а также при необходимости удержания нагрузки в случае падения давления в системе, применяются фиксаторы штока. Существует два основных типа.

Фиксация в крайнем положении

Механизм встраивается в крышку цилиндра и не увеличивает его габариты. Принцип действия: подпружиненный стопор входит в выточку на штоке, когда поршень достигает крайнего положения. Фиксация происходит автоматически и удерживает шток даже при полном отсутствии давления в системе.

Управление таким цилиндром требует особой последовательности: для снятия фиксатора сначала подают воздух в противоположную полость, и только затем стравливают давление с той стороны, где находится стопор. Это снижает нагрузку на механизм и продлевает срок службы.

Фиксация в любом положении

Реализуется с помощью отдельного модуля, который устанавливается перед проходной крышкой цилиндра. Модуль представляет собой цилиндр одностороннего действия. При подаче воздуха его поршень разжимает губки, освобождая шток. При сбросе давления губки под действием пружины зажимают шток, фиксируя его в текущем положении.

---

Графические обозначения

Условные графические обозначения основных типов пневмоцилиндров со штоком: одностороннего действия, двустороннего действия, с двусторонним штоком, с полым штоком, с защитой от проворота, с фиксаторами. Удобно представить в виде таблицы или компактной сборки схем.

На принципиальных схемах пневматические цилиндры со штоком изображаются в соответствии с установленными стандартами. Основные варианты обозначений:

• одностороннего действия с пружиной;
• двустороннего действия;
• с двусторонним штоком;
• с полым двусторонним штоком;
• с защитой от проворота;
• с фиксаторами различных типов.

Эти условные обозначения позволяют быстро идентифицировать тип привода и его особенности при чтении пневматических схем.

---

Заключение

Пневматические цилиндры со штоком — наиболее востребованный тип исполнительных устройств в промышленной автоматизации. Они позволяют решать задачи линейного перемещения с усилиями до 12 тонн (при давлении 6 бар) и ходами до 8,5 метров. Выбор конкретной модели зависит от требуемого режима работы (одно- или двустороннее действие), наличия дополнительных функций (фиксация, защита от проворота, встроенные датчики) и условий эксплуатации.

В следующих статьях мы рассмотрим другие типы пневматических приводов: бесштоковые цилиндры, поворотные двигатели, механические захваты и специальные устройства.