Novinky

Odeslat stránku emailem

Zašlete tuto stránku svým přátelům, ať se na ní také podívají.

Pružné pohony: konstruované pro běh na dlouhou trať - 2. díl

Pohony se vzduchovými pružinami jsou známé svou odolností. Oproti běžným pneumatickým válcům však mají i několik dalších výhod.

Typy pohonů

Vzduchové pružiny mají buď vlnovcovou, nebo vakovou („rolling-lobe") konstrukci.

Vlnovcové pohony jsou podobné pryžovému měchu s jednou, dvěma nebo třemi vlnami na pružném prvku. Více vln znamená větší délku zdvih. Součásti se dvěma nebo třemi vlnami mají mezi vlnami „obvodový" kroužek, který zajišťuje boční stabilitu a umožňuje delší zdvih. U této konstrukce se s výškou mění vyvíjená síla, protože se mění účinná plocha – tedy čím více se prodlužuje zdvih, tím více se zmenšuje účinná plocha, a tím se zase snižuje vyvíjená síla.

Vlnovcové vzduchové pružiny se používají buď jako pohony, nebo jako izolátory/tlumiče vibrací v mnoha průmyslových a mobilních aplikacích. Jako průmyslové pohony se nacházejí například u dopravníků jako hradítka nebo dorazy, v papírnách k zajištění tahu u kalandrů a u zdvihacích stolů pro obecnou výrobu a manipulaci s materiálem. U mobilních zařízení zdvihají osy nákladních vozidel a napínají gumové pásy stavebních a zemědělských strojů. Jako tlumiče se plní na stanovený tlak k izolování vibrací strojů, jako jsou dieselagregáty, velké vzduchové kompresory a zdravotnické přístroje na operačních sálech.

Vakové („rolling-lobe") vzduchové pružiny také využívají jako pružný rolovací prvek vícevrstvý materiál složený z elastomeru a tkaniny. Ten je trvale upnutý k hornímu víku a dolnímu dorazu neboli pístu. Vak se při stlačování nabaluje na píst. Tím zůstává účinná plocha po celý zdvih relativně konstantní, takže vyvíjená síla zůstává celkem rovnoměrná. Maximální zdvih je omezen délkou vaku.

Vakové vzduchové pružiny slouží především jako izolátory nebo tlumiče vibrací v mobilních aplikacích. Mezi typická použití patří zavěšení náprav těžkých silničních nákladních vozidel, tlumiče vibrací u neseného zemědělského nářadí, jako jsou secí stroje a postřikovače, a odpružení u traktorů a kompaktních nakladačů.

Další verzí je vaková vzduchová pružina hadicové konstrukce. Její materiál s tkaninovou vrstvou je permanentně zalisovaný do termoplastických spojovacích částí pomocí kovových svíracích kroužků. Podobně jako u ostatních pohonů s rolovacím vakem zůstává účinná plocha při roztahování a stlačování vaku relativně konstantní, a tím se v celém zdvihu zachovává téměř rovnoměrná vyvíjená síla.

Hadicové vzduchové pružiny se používají u odpružení sedadel a kabin autobusů, těžkých nákladních vozidel a zemědělských a stavebních strojů. Slouží také jako pohony k vyvíjení konstantního přítlaku u zemědělských secích strojů.

I když jsou obě konstrukce odolné, vlnovce mají delší životnost v cyklech. Obvykle mají jmenovitou životnost 6 milionů cyklů, oproti 2,5 milionům cyklů u vakových vzduchových pružin. (Protože se rolovací vak při pohybu dotýká sám sebe, dochází tak ke tření a rychlejšímu opotřebení v čase než u vlnovcových konstrukcí.)

Kromě toho mají vlnovce menší minimální výšku, protože nemají doraz (píst). Vlnovce umožňují delší zdvih a mají také vyšší tuhost a lineárnější charakteristiku – bližší charakteristice mechanických pružin. Vakové provedení nabízí konstantnější charakteristiku pružiny a účinnou plochu. Výhodou vakových pohonů je však to, že píst může být v jednom nebo druhém směru kónický, a tím zvyšovat nebo snižovat tuhost pružiny. Nakonec, vzhledem k tomu, že vakové vzduchové pružiny mají více součástí a složitější konstrukci, bývají dražší než jednodušší vlnovcové pružiny.

Návrh konstrukcí se vzduchovými pružinami

Zde je několik tipů k návrhu strojních konstrukcí s použitím vzduchových pružin.

1. Volba správného typu

Nejprve rozhodněte, jak se bude vzduchová pružina používat, zda jako pohon, nebo jako izolátor vibrací.

Pohon. Mezi hlavní faktory pro výběr patří: délka zdvihu, vyvíjená síla a vratná síla. Maximální dosažitelný zdvih je rozdíl mezi maximální a minimální výškou, délka provozního zdvihu může být kdekoli v tomto rozmezí. Inženýři mohou zvýšit celkový zdvih zařazením dvou nebo více pohonů s upínacími deskami a bočními vodítky za sebe, případně využitím mechanické výhody, například nůžkového mechanismu. Vzhledem k tomu, že účinný průměr a plocha se mohou s pracovní výškou měnit a že síla vyvíjená pneumatickým pohonem se zdvihem postupně klesá, musí konstruktéři zkontrolovat údaje výrobce o síle a zdvihu u daného měchu, aby bylo jisté, že při dostupném tlaku vzduchu vyvine dostatečnou sílu.

Protože pneumatické pohony fungují jako jednočinný válec, je k návratu pohonu na stlačenou výšku potřeba vratná síla. Tato síla se u každého konstrukčního návrhu liší. Požadavky ohledně síly, tlaku, objemu a výšky vzduchové pružiny si ověřte v katalozích nebo technických listech výrobců.

Izolátor vibrací. Mezi základní ohledy patří: zatížení nebo celková hmotnost, počet upevňovacích bodů, doporučená pracovní výška, stupeň izolace a provozní tlak.

Měla by existovat dostatečná nosnost ke kompenzaci nesouměrného rozložení zátěže nebo přetížení. Pneumatické izolátory jsou konstruovány pro absorpci dynamického zatížení vyvolaného vibracemi. Zátěži vzdorují pomocí proměnlivého vnitřního tlaku, proto statická komprese není srovnatelná s kompresí u ocelových nebo elastomerových pružin. Změny v kompresi způsobené proměnlivým zatížením se kompenzují úpravou provozního tlaku, proto by se měly izolátory používat při doporučené pracovní výšce, která zaručí optimální izolaci a boční tuhost.

Izolace vibrací je možná, pouze pokud je budicí frekvence nejméně 1,4krát větší než příslušný vlastní kmitočet. Stupeň izolace zjistíte z grafů, které zachycují budicí frekvenci ve vztahu k vlastnímu kmitočtu jednotlivých izolátorů. V technických listech je pak specifikován požadovaný provozní tlak ve vztahu k zátěži a pracovní výšce pro jednotlivé velikosti izolátorů. Provozní tlak by měl zpravidla být v rozsahu 4 až 6 bar (58 až 87 psi). Dále zkontrolujte, zda je v místě k dispozici dostatečný tlak vzduchu, při zohlednění kolísání a úbytky tlaku v rozvodu vzduchu.

2. Určení velikosti pohonu

Při určování velikosti pohonu vycházejte z technických specifikací konkrétní vzduchové pružiny a vezměte v potaz: hlavní rozměry, připojovací rozměry a vztahy mezi sílou, výškou a objemem.

Montážní rozměry, připojovací rozměry, maximální průměr a minimální požadovaný montážní prostor jsou uvedeny v konstrukčních výkresech. U parametrů, jako je maximální výška, vyvíjená síla, vnitřní objem a požadovaný tlak vzduchu vycházejte z grafů závislosti síly a výšky. Pokud jsou tlak, pracovní výška a rozměry montážního prostoru známé, pak vyhledejte díly, které vyhovují konstrukčním požadavkům, v technických listech. Při použití vzduchových pružin k izolování vibrací najdete v technických listech příslušné výpočtové charakteristiky, jako jsou tlak, síla nebo zatížení, tuhost pružiny a vlastní kmitočet.

Proces návrhu mohou zjednodušit online nástroje pro určování velikosti a výběr pružin. Například katalog průmyslových vzduchových pružin společnosti ContiTech umožňuje uživatelům zadat provozní parametry a vygeneruje seznam výrobků vhodných jako pohony i jako izolátory.

3. Tipy pro návrh strojních konstrukcí

Montážní a provozní zřetele u pneumatických měchových pohonů zahrnují dolní a horní dorazy, úhel naklopení, boční vedení, spotřebu vzduchu, instalační prostor, upínací plochu, boční vyosení a maximální tlak. Zde je několik rad:

• Pneumatické pohony musí být na konci zdvihu vybaveny externími dorazy. Provoz bez nich může poškodit pohon i stroj a znamenat riziko poranění osob.

• Maximální přípustný úhel naklopení se liší podle typu a kinematiky aplikace, ale zde jsou přibližné přípustné úhly pro různé vzduchové pružiny:
  – S jednou vlnou: 10 až 20°.
  – Se dvěma vlnami: 15 až 25°.
  – Se třemi vlnami: 15 až 30°.
  – Vakové: přibližně 15°.

• Hadicové: přibližně 15°.

• Stabilita pohonu se může velmi lišit a závisí na typu, velikosti, vnitřním tlaku a pracovní výšce. Z tohoto důvodu se doporučují boční vodítka, která jsou často součástí celkového návrhu.

• Vnější průměr vlnovcového pneumatického pohonu je větší než účinný průměr. Spotřebu vzduchu proto počítejte s použitím objemové křivky z technického listu, nikoli z účinné plochy a zdvihu.

• Montážní prostor musí umožňovat změny průměru pohonu v celé délce zdvihu tak, aby se měch neotíral o žádnou plochu stroje ani sám o sebe, jinak dojde k jeho mechanickému poškození.

• K rovnoměrnému rozložení síly využijte celou upínací plochu pohonu. Pokud to není možné, je nutné využít nejméně dvě třetiny opěrné plochy.

• Díky tomu, že jsou vrstvy elastomeru a tkaniny pružné, umožňují tyto pohony mírné vyosení horní a spodní desky nebo pístu. Vyosení by však nemělo překračovat 30 mm (1,2 palce) u typů se třemi vlnami, 20 mm (0,79 palce) u typů se dvěma vlnami a 10 mm (0,39 palce) u vzduchových pružin s jednou vlnou.

• U standardních produktů by pracovní tlak neměl překročit 8 bar (116 psi); u speciálních pneumatických pohonů s dodatečným vyztužením se mohou maximální provozní tlaky zvýšit až na 16 bar (232 psi).

4. Pneumatické zřetele

Vzhledem k tomu, že jsou tyto součásti bezpístnicové a bez pohyblivých dílů, nezáleží příliš na čistotě vzduchu, pokud jsou páry ve vzduchu chemicky slučitelné s vnitřní vrstvou elastomeru. Odborníci však jako jednu ze zásad nejlepší praxe doporučují používat v pneumatickém systému filtr prachových částic i koalescenční filtr k odstranění aerosolů.

Po stanovení požadovaného objemu k pohonu měchu vypočítejte potřebné velikosti ventilů, potrubí a armatur. Pro rychlost v zásadě neplatí žádná omezení, s výjimkou celkového ovládání stroje a kinetiky a kinematiky systému. Základní omezení rychlosti závisí na velikostech otvorů a potrubí a úbytcích tlaku v systému.

Nakonec je třeba říci, že výběr, aplikace a použití vzduchových pružin často vyžadují technickou odbornost. Z tohoto důvodu se doporučuje poradit se se zkušeným odborníkem nebo aplikačním inženýrem.

Vzduchové pružiny jsou dodávány v širokém sortimentu i v provedení na míru celou řadou renomovaných výrobců. Společnost ContiTech například vyrábí vzduchové pružiny s průměry v rozsahu od 60 do 1 000 mm (2,36 až 39,37 palce) a zdvihy do 500 mm (19,69 palce). Při standardním tlaku 8 bar (116 psi) mají nosnost 0,5 kN (112 lb) až 440 kN (98 915 lb).

předchozí díl

zdroj:  machinedesign.com