Kalkulator siły siłownika pneumatycznego

Obliczanie siły w siłowniku pneumatycznym jest istotną częścią jego projektowania i doboru odpowiednich parametrów.

Siłowniki pneumatyczne są jednym z najważniejszych elementów układu pneumatycznego. Zawierają pręt, który jest najbardziej naciskanym elementem, ponieważ jego mała średnica wspiera siłę wywieraną przez cały cylinder. Dlatego obliczanie siły wyjściowej siłownika pneumatycznego jest obowiązkowe, aby uniknąć awarii mechanicznej.

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej:

• Czym jest siłownik pneumatyczny?
• Jak działa siłownik pneumatyczny.
• Jak obliczyć siłę siłownika pneumatycznego.

Siłownik pneumatyczny to urządzenie, które wywiera siłę i wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. Jego trzy główne elementy to:

1. Cylinder — wydrążony element, który otacza pozostałe dwa komponenty.
2. Tłok — element bezpośrednio poddawany ciśnieniu gazu poprzez utworzenie uszczelnienia.
3. Pręt — część przymocowana do tłoka, która wywiera siłę na zewnętrzny opór.

Ruch posuwisto-zwrotny składa się z dwóch suwów: 1. suw na zewnątrz, czyli suw wyjściowy, w którym cylinder zostaje całkowicie wysunięty, oraz 2. suw powrotny, czyli suw do wewnątrz, gdy cylinder powraca do pozycji wyjściowej.

Są one podobne do siłowników hydraulicznych, ale istnieją pewne różnice:

• Zamiast cieczy, ciecz pod ciśnieniem jest gazem.
• Dostępne ciśnienia i siły są niższe w przypadku gazu.
• Są cichsze, czystsze i wymagają mniej miejsca.

Sprężony gaz zamiast cieczy sprawia, że są one odpowiedniejsze do małych przestrzeni, które nie pozwalają na przechowywanie dużych ilości cieczy lub wymagają transportu.

Używanym gazem jest zazwyczaj powietrze, dlatego urządzenia te są czasami nazywane pneumatycznymi siłownikami lub cylindrami powietrznymi.

Jak działa siłownik pneumatyczny?

Gaz jest sprężany i doprowadzany do cylindra za pomocą sprężarki i systemu rur (składającego się głównie z urządzeń klimatyzacyjnych i sterujących). Ciśnienie to wywiera siłę na tłok; w konsekwencji tłok wywiera siłę tej samej wielkości na pręt.

Dwa główne typy siłowników pneumatycznych:

• Siłowniki jednostronnego działania: gaz wchodzi i wychodzi z cylindra tylko przez jeden port. Skok powrotny jest zwykle realizowany przez sprężynę, choć może to zrobić dowolna siła zewnętrzna.

• Siłowniki dwustronnego działania: w tych siłownikach nie używamy sprężyny, ale ciśnienia gazu, aby uzyskać skok powrotny. Są one używane do wywierania siły w dwóch kierunkach.

Zobaczmy teraz, jak obliczyć siły w siłownikach pneumatycznych.

Obliczenie siły siłownika pneumatycznego zależy od ciśnienia wewnątrz cylindra, średnicy tłoka, siły tarcia generowanej przez elementy uszczelnienia oraz siły sprężystości (w przypadku urządzeń jednostronnego działania).

Bardziej podstawowy wzór na obliczenie siły siłownika pneumatycznego to:

F_t = P ⋅ A_u

gdzie:

• F_t - siła teoretyczna. Teoretyczna, ponieważ nie uwzględnia tarcia i sił sprężystości;
• P - ciśnienie wewnątrz cylindra; oraz
• A_u - powierzchnia użytkowa w kontakcie z gazem.

Obliczenia siłownika pneumatycznego jednostronnego działania.

Wywierana siła efektywna zmniejsza się z powodu tarcia i sprężyny:

F_effec = F_t - F_f - F_s = P ⋅ A_u - F_f - F_s

gdzie:

• F_f - siła tarcia, która zależy od ciśnienia roboczego, szybkości tłoka i materiałów. Powszechną praktyką jest uznawanie jej za równą 3-20% siły efektywnej dla zakresów ciśnienia 4-8 barów.
• F_s - Siła sprężystości, która zależy od prawa Hooke'a. Możemy ją zaniedbać w przypadku wysokich ciśnień, ale jeśli uważasz, że jest istotna, możesz ją uzyskać za pomocą kalkulatora prawa Hooke'a 🇺🇸.

W cylindrach jednostronnego działania, A_u = (π/4) ⋅ D². Dlatego ostateczna postać wzoru to:

F_effec = P ⋅ (π/4) ⋅ D² - F_f - F_s.

Obliczanie siłownika pneumatycznego dwustronnego działania.

W tego typu siłowniku siła sprężystości znika, podczas gdy siła tarcia zachowuje się podobnie do siłowników jednostronnego działania:

F_effec = F_t - F_f

Powierzchnia użyteczna użyta do obliczenia teoretycznej siły jest równa A_u = π ⋅ D² / 4 dla skoku na zewnątrz i A_u = π ⋅ (D² - d²) / 4 dla skoku powrotnego, gdzie d jest średnicą pręta. Ostateczna postać wzoru to zatem:

• ^wyjścieF_effec = P ⋅ (π/4) ⋅ D² - F_f dla skoku na zewnątrz; oraz
• ^powrótF_effec = P ⋅ (π/4) ⋅ (D² - d²) - F_f dla skoku powrotnego.

Załóżmy, że chcesz obliczyć siłę siłownika pneumatycznego (jednostronnego działania) z tłokiem o średnicy 50 mm i ciśnieniem wewnątrz jego cylindra wynoszącym 400 000 Pa. Wykonaj następujące kroki:

1. Wybierz "jednostronnego działania" w opcji typu siłownika.
2. Wprowadź 400000 Pa w polu "Ciśnienie w cylindrze (P)".
3. Wpisz 50 mm w polu "Średnica tłoka (D)".
4. To wszystko. Obliczona siła wyjściowa twojego siłownika pneumatycznego powinna wynosić 785,4 niutonów.

Załóżmy teraz, że chcesz obliczyć siłę siłownika dwustronnego działania o tej samej charakterystyce i średnicy pręta 5 mm. W takim przypadku należy dodatkowo wybrać "dwustronnego działania " jako typ siłownika i wpisać 5 mm w polu "Średnica pręta (d)". Siła skoku zewnętrznego powinna być taka sama, a siła skoku powrotnego powinna wynosić 777,5 N.