Расчет параметров пневмоцилиндра (гидроцилиндра).

Исходные данные: Q или D, t или υ, L, р

Параметры	Расчетная формула	Условные обозначения
Площадь (F), см2: поршня штоковой по­лости	F1 = 0,01х0,785D2 F2 = 0,01х0,785(D2-d2)	D — диаметр цилиндра, мм; d — диаметр штока, мм
Усилие (Q), Н: толкающее тянущее	Q1=100F1pη Q2=100F2pη	р — расчетное давление: для воздуха — 0,5 МПа, для жидкости — 10 МПа; η — механический КПД: для воздуха — 0,85...0,95, для жидкости — 0,90...0,96
Диаметр цилиндра (D), мм		-
Скорость движения (υ) поршня (рабо­чий или холостой ход), м/с	υ = L/1000t	L — ход поршня, мм; t— время движения поршня, с
Время движения (t) поршня (рабо­чий или холостой ход), с	t= 1/(1000υ)	-
Расход воздуха (жидкости) за ход рабочий или хо­лостой (V), л/мин	V=6F υ	-
Внутренний диа­метр трубопровода (dT), мм		ω— скорость движения воздуха (жидкости) в трубопроводе, м/с: для воздуха — 17 м/с, для жидкости — 5...6 м/с

На рис. 28.2 приведена конструкция пневмокамеры, которая представляет собой силовой узел одно­стороннего действия и ко­торый состоит из двух штампованных чашек 2 и 6, между которыми зажата ре­зинотканевая диафрагма 4. При впуске сжатого возду­ха в полость 5 диафрагма оказывает давление на шай­бу 3 штока 1 и перемещает его вниз. При обратном дви­жении штока под давлением пружин 7 диафрагма становится выпуклой. Толщина диафраг­мы Н= 4... 10 мм.

Величина усилия на штоке диафрагменных пневмокамер изменя­ется по мере движения штока и зависит от расчетного диаметра Д толщины диафрагмы Н, ее материала и конструкции, а также диа­метра опорной шайбы. Обычно выбирается такая длина хода штока, При которой на нем не происходит резкого изменения усилия. При­ближенный расчет усилия 0 на штоке пневмокамер двустороннего действия и значения усилий при р = 0,4 МПа приведены в табл. 28.2.

Таблица 28.2 Усилие на штоке диафрагменных пневмокамер, Н

Тип диафрагмы	Положение диафрагмы	Расчетная формула	Условные обозначения
Резинотканевая	Близкое к ис­ходному		D — рабочий диаметр диаф­рагмы, мм; d— наружный диаметр опор­ной шайбы, мм; N— усилие от возврата пружи­ны, Н
При ходе: 0,3.0 — для тарельча­той; 0,7D — для плоской
Резиновая	Близкое к ис­ходному
При ходе 0,22D

Рис. 28.2. Пневмокамера:

1 — шток; 2, 6 — штампованные чашки; 3 — шайба; 4 — диафрагма; 5 — полость; 7 — пружина

Для определения усилия на штоке диафрагменных пневмокамер од­ностороннего действия следует вычесть значения усилия возврат­ной пружины Т. Для пневмокамер двустороннего действия Т= 0.

Типовая схема включения пневмоцилиндра приведена на рис. 28.3. Сжатый воздух из сети через вентиль 10 поступает в фильтр влагоотделитель 9. Для понижения давления сжатого воздуха, поступаю­щего из пневмосети, до заданного предназначен редукционный клапан 8. Контроль давления сжатого воздуха, подаваемого в пневмоцилиндр, осуществляется с помощью манометра 7. Маслораспылитель 6 обеспечивает подачу смазочной жидкости в поток сжатого воздуха. Реле 5предназначено для контроля давления (0,1 ...0,63 МПа) сжатого воздуха и подачи сигнала при достижении заданного давле­ния, а также для отключения электродвигателей станка при ава­рийном падении давления. Для защиты от аварийного падения дав­ления в пневмосети предусмотрен обратный клапан 4. Для управле­ния подачей сжатого воздуха в пневмоцилиндр 1 применяется пневмораспределитель 2. Отработавший сжатый воздух должен вы­брасываться в атмосферу через глушитель 3.

Гидравлические приводы. Основные свойства и преимущества: благодаря значительному увеличению давления рабочей жидко­сти для получения идентичных усилий зажима по сравнению с пне­вматическими приводами диаметры рабочих цилиндров значительно уменьшаются, что дает возможность значительно сократить габа­риты приспособлений, т. е. сделать их максимально компактными; высокое давление рабочей жидкости в цилиндрах позволяет получить большое усилие зажима, которое может передаваться непосредственно от гидравлических рабочих цилиндров зажимным элементам, исключая применение механических усиливающих механизмов, что значительно повышает КПД передачи и упроща­ет конструкцию;

большие усилия зажимов позволяют распределять усилие зажи­ма на несколько деталей, которое значительно сокращает вспомогательное время на зажим и разжим об­рабатываемых деталей, а также по­зволяет вести многостаночное обслужи­вание; рабочей жидкостью в гидравли­ческих системах приспособлений является масло, что обеспечивает на­дежную смазку трущихся поверхнос­тей, значительно уменьшая износ ме­ханизмов системы; отсутствует кор­розия механизмов;

Рис. 28.3. Типовая схема включения пневмоцилиндра:

1 — пневмоцилиндр; 2 — пневмораспределитель; 3 — глу­шитель; 4 — обратный клапан; 5 — реле; б — маслораспы-литель; 7 — манометр; 8 — редукционный клапан; 9 — фильтр-влагоотделитель; 10 — вентиль

передача зажимных усилий проис­ходит плавно без ударов и толчков бла­годаря практической несжимаемости масла;

сокращение габаритов приспособле­ний приводит к уменьшению их массы, облегчает их эксплуатацию (транспортирование, смену и уста­новку) и площади;

Рис. 28.4. Схема гидравли­ческого привода

общий насос гидропривода может быть использован как для подачи, так и для зажима обрабатываемых деталей;

не требуют обязательного наличия специальной компрессор­ной установки;

наличие самотормозящих звеньев в гидроприспособлениях по­зволяет значительно сократить расход электроэнергии, поскольку электродвигатель насоса включается только во время зажима и раз­жима обрабатываемой детали;

бесшумность работы в отличие от пневматических систем.

Недостатки пневматических приводов: утечки жидкости, ухуд­шающие характеристики работы гидропривода; изменение свойств рабочей жидкости в зависимости от температуры, приводящее к изменению характеристики работы; высокая стоимость; необхо­димость квалифицированного обслуживания.

Гидравлический привод (рис. 28.4) состоит из гидравлической установки, включающей электродвигатель с пусковой аппаратурой, насос, резервуар для масла, аппаратуру управления и регулирова­ния, гидроцилиндры и трубопроводы.

При применении гидропривода принимают: давление — в пре­делах 5... 10 МПа; рабочие скорости — 0,01...1,0 м/с; длина хода поршня в зависимости от прочности штока — не более 10 диамет­ров цилиндра; длина цилиндра при этом с учетом технологии изго­товления из отношения L/D < 20; отношение диаметра штока к диаметру цилиндра выбирают из отношения d/D = 0,2...0,7, при­чем большее значение, обычно выбирается для более нагруженных установок. При расчете гидроцилиндра должны быть заданы значе­ния требуемого усилия Q или диаметра цилиндра D и длина хода поршня L. Основные расчетные параметры гидроцилиндров при­ведены в табл. 28.1.

К гидроцилиндрам предъявляют технические требования: от­сутствие остаточных деформаций после испытаний, течи и поте­ния; давление холостого хода не должно превышать 1,0... 1,5 МПа; давления холостого хода при втягивании штока не должно превы­шать 0,5 МПа, а при выдвижении — 0,3 МПа.

В качестве жидкостей для гидроприводов, работающих при тем­пературе до 60 °С с легкими нагрузочными режимами, использу­ются индустриальные масла общего назначения без присадок: И-12А, И-20А, И-30А, И-40А, И-50А.

Для очистки рабочей жидкости от взвешенных ферромагнит­ных частиц в гидростанции предусматривают сепараторы, кото­рые выполняют в виде постоянных магнитов, установленных в пробках, завинченных в днище гидробака. При обычных требова­ниях к работе гидропривода необходимо обеспечить фильтрацию масла с тонкостью 25...40 мкм.

Количество подаваемой в гидроцилиндр жидкости регулируют изменением производительности насоса или сопротивления при постоянном давлении участка трубопровода, по которому течет жидкость. Первый способ регулирования называют объемным, вто­рой — дроссельным. Каждый из этих способов может быть осуще­ствлен изменением количества жидкости, подводимой к силовому органу (на входе) или выходящей из него (на выходе).

Объемное регулирование на выходе не нашло применения из-за сложности и высокой стоимости. Оно применяется в тех случа­ях, когда требуется сохранить наибольшее усилие гидропривода (большой мощности).

При дроссельном регулировании мощность, потребляемая на­сосом, остается постоянной, а скорость движения силового орга­на меняется в зависимости от величины сопротивления дросселя. Часть масла бесполезно протекает через переливной клапан (пре­дохранительный) в бак. Дроссельное регулирование основано на изменении величины потерь. При уменьшении пропускной спо­собности силового органа с неизменным расходом насоса возрас­тает стравливаемый избыток масла в бак, и поэтому растут потери. При увеличении пропускной способности силового органа, на­оборот, эти потери уменьшаются. Поэтому дроссельное регулиро­вание применяется при малых мощностях.

Рис. 28.5. Пневмогидравлический преобразователь прямого действия: 1 — гидроцилиндр; 2 — резервуар; 3,6 — пружины; 4, 7— цилиндры; 5 — трубо­провод

В гидравлических приводах используются шестеренчатые, лопаст­ные и поршневые насосы. Шестеренные и лопастные насосы при­меняются для давлений до 12,0... 15,0 МПа. Они компактны, про­сты в эксплуатации, однако чувствительны к перегреву, а при ра­боте на предельных давлениях недолговечны. Аксиальные и радиальные поршневые насосы применяются для давлений до 20...30 МПа, а поршневые эксцентриковые — до 50 МПа.

Пневмогидравлический привод.Впневмогидравлическом приводе использованы преимущества пневматического и гидравлического приводов, а именно возможность создания высоких рабочих усилий, быстрота действия, отно­сительно низкая стоимость и небольшие габариты. Их при­меняют для получения высоких рабочих усилий зажима и рав­номерной подачи рабочего эле­мента приспособления. В пневмогидравлических системах масло меньше нагревается, чем в насосных гидравличес­ких системах, и меньше вспе­нивается. Потери энергии в них ниже, а надежность работы выше. Они просты, недорого­стоящи в изготовлении и дос­таточно универсальны в при­менении. Управление ими легко автоматизируется. Пневмогидравлические приводы по принципу работы делятся на приводы с преобразователем давле­ния прямого действия и с преобразователями давления последо­вательного действия.

Привод с преобразователем давления прямого действия (рис. 28.5) основан на непосредственном преобразовании низкого давления сжатого воздуха в высокое давление жидкости. Сжатый воздух по­ступает в цилиндр 4 диаметром D. Шток этого цилиндра диамет­ром d служит плунжером гидроцилиндра 1. Масло, вытесняемое плунжером, поступает по трубопроводу 5 во второй гидроцилиндр 7 диаметром D₃. Шток этого цилиндра связан с исполнительным зажимным механизмом. При выпуске отработавшего воздуха об­ратное движение поршней осуществляется пружинами 6 и 3, если обратный ход невелик. Из резервуара 2 масло поступает в систему для компенсации утечек. Устройство выполняется в виде одного блока или с отдельно вынесенным цилиндром 7. Последний встраи­вается в приспособление, а блок цилиндров 4 и 1 устанавливают в удобном месте у станка. Управление устройством осуществляется трехходовым краном.

Усилие на штоке рабочего гидроцилиндра определяют по фор­муле (без учета усилия пружин)

гдеD— диаметр пневмоцилиндра, мм; D₁ — диаметр гидроцилиндра, мм; р_в — давление воздуха, МПа; η_о — объемный КПД привода (ηо = 0,9...0,95); η— КПД преобразователя (η =0,8...0,9); d — Диаметр штока пневмоцилиндра, мм.

Отношение (D/d) называется коэффициентом усиления и при проектировании пневмопривода принимают равным к_у = 15...20.

Рис. 28.6. Пневмогидравлический пре­образователь последовательного дей­ствия: 1 — гидроцилиндр; 2, 8 — цилиндры; 3 — шток; 4, 9 — трубопровод; 5 — резервуар; 6 —кран; 7 — клапан

Давление жидкости в ра­бочем гидроцилиндре (р_r) равно:

Привод с преобразовате­лем последовательного дей­ствия (рис. 28.6) основан на подаче жидкости низкого давления в силовые цилин­дры с последующей подачей жидкости высокого давления. Слив жидкости производит­ся в полость низкого давле­ния при освобождении дета­лей. Приводы с преобразова­телями последовательного действия по сравнению с приводами с преобразовате­лями прямого действия обес­печивают ускорение холостого хода и предварительное закрепление детали. Они могут обслу­живать несколько рабочих цилиндров при небольших габаритах привода, позволяют экономить сжатый воздух на 90...95 %. Недо­статком этих пневмогидравлических приводов является более слож­ная конструкция и значительное количество утечек.

Воздух из магистрали через четырехходовой кран 6 (см. рис. 28.6) поступает в резервуар 5 и вытесняет из него масло по трубопрово­ду 4 в цилиндр 2, обеспечивая быстрый подвод штока гидроци­линдра 1 к закрепляемой детали. В результате повышения давления масла в гидроцилиндре 1 автоматически срабатывает клапан после­довательного действия 7. Воздух поступает в цилиндр 8, поршень со штоком 3 начинает перемещаться, и в цилиндре 2 развивается высокое давление, обеспечивающее окончательное закрепление за­готовки. При переключении крана 6 воздух подается по трубопрово­ду 9 и возвращает поршни цилиндров 8 и 1 в исходное положение.

Расчет усилий на штоке рабочих гидроцилиндров аналогичен расчету преобразователя прямого действия.