W dziedzinie maszyn przemysłowych i rolniczych, a także w układach automatyki, siłowniki odgrywają kluczową rolę, zamieniając energię zmagazynowaną w gazie lub sprężonym powietrzu na ruch mechaniczny. Artykuł ten przedstawia informacje o siłownikach gazowych wykorzystywanych w maszynach marki Terex oraz szczegółowo omawia budowę i zasadę działania siłowników pneumatycznych, zgodnych z międzynarodowymi standardami.
Siłowniki Gazowe w Maszynach Terex
Siłowniki gazowe, często nazywane również sprężynami gazowymi, są niezastąpionym elementem wielu konstrukcji, w tym pokryw silników czy kabin maszyn roboczych.
Identyfikacja i Zastosowanie
Dla konkretnych modeli, takich jak siłownik gazowy pokrywy silnika Terex TW70 / TW85 / TW110 oraz Schaeff HML23 / HML32 / HML42, kluczowe jest posługiwanie się numerem OEM (ang. Original Equipment Manufacturer - dosłownie Oryginalny Producent Sprzętu). Numer OEM to unikalny kod części nadawany przez producenta, który można określić jako swoisty „kod DNA” części, charakterystyczny tylko dla niej jednej. Numer OEM może być kombinacją cyfr i liter. Każdy producent części posiada własną numerację swoich wyrobów, co oznacza, że daną część pojazdu możemy zidentyfikować za pomocą numeru OEM (głównego) oraz numerów poszczególnych producentów.
Części te często wymagają wymiany dla poprawnego i bezpiecznego korzystania z kabin maszyn rolniczych. Z tego względu oferuje się klientom siłowniki gazowe po wymiarach. W asortymencie renomowanych dostawców znajdują się setki amortyzatorów gazowych, co pozwala spełnić oczekiwania wymagających klientów. W sprzedaży dostępne są siłowniki gazowe do większości modeli maszyn rolnych, a dokładny wykaz modeli, do których pasują poszczególne warianty, znajduje się w opisach produktów.
W ofercie można znaleźć siłowniki gazowe po wymiarach przegubowe, oczkowe, a także wszystkie możliwe warianty typu oczko-przegub, przegub kulowy-oczko, oczko-gwint i inne. W kilkunastu kategoriach siłowników gazowych każdy z klientów znajdzie odpowiedni model. Korzysta się jedynie z usług renomowanych dostawców, którzy gwarantują najwyższą jakość swoich produktów. Aby klienci mogli łatwo dobrać potrzebny im siłownik, każdy z nich jest szczegółowo opisany pod względem wymiarów i modeli kabin, do których pasuje.
Budowa i Zasada Działania Siłowników Pneumatycznych
Siłowniki pneumatyczne stanowią niezastąpiony element wielu układów automatyki przemysłowej. Ich zadaniem jest zamiana energii sprężonego powietrza na ruch mechaniczny - najczęściej liniowy (posuwisty).
Definicja i Rola
Klasyczny siłownik pneumatyczny z tłokiem i tłoczyskiem (ang. piston rod) jest powszechnie stosowany ze względu na swoją prostą, niezawodną budowę oraz ustandaryzowane wymiary. Są to cylindryczne napędy liniowe o tłokowej budowie, składające się z zamkniętego cylindrycznego korpusu, wewnątrz którego przemieszcza się tłok połączony z tłoczyskiem. Sprężone powietrze wprowadzane do wnętrza cylindra naciska na powierzchnię tłoka, generując siłę i ruch liniowy tłoczyska na zewnątrz.
Standaryzacja ISO 15552
Normy, takie jak ISO 15552, odgrywają kluczową rolę w ustandaryzowaniu wymiarów siłowników. Standaryzacja ISO 15552 zapewnia unifikację wymiarów siłownika, punktów mocowania i akcesoriów, co ułatwia projektowanie, serwis i wymienność komponentów pomiędzy różnymi producentami. Większość standardowych siłowników ISO 15552 jest dwustronnego działania, co oznacza, że posiada dwa porty powietrzne i może wykonywać ruch roboczy w obu kierunkach (wysuw i wsuw tłoczyska) zależnie od tego, do której komory doprowadzimy ciśnienie. Typowe średnice tłoka takich siłowników wynoszą od ok. 32 mm do 200 mm (a nawet więcej), przy maksymalnym ciśnieniu zasilania rzędu 6-10 bar.
W niniejszym artykule omówimy budowę takiego klasycznego siłownika pneumatycznego zgodnego z ISO (np. ISO 15552) - przyjrzymy się jego elementom składowym, materiałom używanym do konstrukcji oraz wyjaśnimy zasadę działania siłowników jedno- i dwustronnego działania.
Klasyczna Budowa Siłownika Pneumatycznego
Klasyczny siłownik ISO 15552 bywa wykonywany w dwóch głównych stylach konstrukcyjnych: ze ściąganymi śrubami (tzw. siłownik z cięgnami) lub w tzw. obudowie profilowej. W pierwszym przypadku długi cylinder (tuleja) jest zamknięty z obu stron pokrywami przymocowanymi za pomocą długich śrub (cięgien) biegnących na zewnątrz wzdłuż korpusu. W drugim wariancie stosuje się profil aluminiowy z wbudowanymi kanałami montażowymi - pokrywy przykręcane są bezpośrednio do profilu lub mocowane za pomocą wewnętrznych cięgien, co daje gładszą, kompaktową formę zewnętrzną. Niezależnie od stylu, wnętrze i zasada działania pozostają podobne.
Kluczowe Komponenty Siłownika
Klasyczny siłownik pneumatyczny składa się z szeregu komponentów, z których każdy odgrywa określoną rolę w działaniu urządzenia.
Tłok
Tłok jest ruchomym dyskiem wewnątrz cylindra, osadzonym na końcu tłoczyska. Dzieli on wnętrze cylindra na dwie komory i przylega do ścianek cylindrycznej tulei. Gdy do jednej z komór doprowadzimy sprężone powietrze, tłok przemieszcza się wzdłuż cylindra pod naporem ciśnienia, przenosząc energię gazu na ruch mechaniczny. Tłok wyposażony jest w uszczelnienia (pierścienie uszczelniające), które zapobiegają przepływowi powietrza pomiędzy komorami - dzięki temu ciśnienie efektywnie oddziałuje na powierzchnię tłoka i nie traci się energii na przecieki. Typowy tłok w siłowniku pneumatycznym wykonuje się z metalu (najczęściej lekkiego stopu aluminium, czasem ze stali dla wzmocnienia) i często pokrywa się go powłoką zmniejszającą tarcie.
Tłoczysko (piston rod)
Tłoczysko to stalowy pręt połączony z tłokiem, wychodzący na zewnątrz siłownika przez przednią pokrywę. Przenosi ono siłę i ruch wytworzone przez tłok na elementy zewnętrzne maszyny - np. popycha ramię mechanizmu, przesuwa przedmiot lub wykonuje pracę dociskową. Tłoczyska wykonuje się z wytrzymałej stali (często hartowanej i chromowanej) albo ze stali nierdzewnej, aby sprostać dużym obciążeniom mechanicznym oraz zapewnić odporność na korozję i zużycie. Dzięki twardej, gładkiej powierzchni chromowanej tarcie i ścieranie są zredukowane do minimum, co przekłada się na dłuższą bezawaryjną pracę.
Tuleja Cylindra (Korpus)
Tuleja cylindra to główny korpus w kształcie rury, wewnątrz którego przesuwa się tłok. Definiuje ona przestrzeń roboczą siłownika - jej średnica wewnętrzna odpowiada średnicy tłoka, a długość wyznacza maksymalny skok (wysunięcie tłoczyska). Ponieważ wnętrze tulei musi być gładkie i odporne na ścieranie, do jej produkcji najczęściej stosuje się aluminium wysokiej jakości (np. stop anodowany) lub inny metal o odpowiedniej wytrzymałości. Aluminiowa tuleja cylindra zapewnia lekkość konstrukcji i jest odporna na korozję, co ma duże znaczenie w układach sprężonego powietrza (w których może pojawiać się wilgoć). W niektórych modelach tuleja bywa wykonana ze stali (np. w siłownikach wysokociśnieniowych lub starszego typu), jednak dominują stopy aluminium ze względu na korzystny stosunek wytrzymałości do masy.
Pokrywy Przednia i Tylna
Pokrywy przednia i tylna to końcowe elementy zamykające cylinder z obu stron. Wykonane są zazwyczaj z aluminium (odlewanego ciśnieniowo lub obrabianego) podobnie jak korpus, dzięki czemu cała konstrukcja pozostaje lekka. Pokrywa tylna jest zazwyczaj wyposażona w port przyłączeniowy sprężonego powietrza (gwintowany otwór) komunikujący się z tylną komorą siłownika. Pokrywa przednia ma drugi port - do przedniej komory - oraz centralny otwór, przez który wysuwa się tłoczysko. W tym otworze umieszcza się prowadnicę tłoczyska (tuleję prowadzącą) oraz układ uszczelniający, aby tłoczysko mogło płynnie, ale szczelnie wysuwać się na zewnątrz. Pokrywy często zawierają także śruby lub gwinty do montażu akcesoriów mocujących (uchwytów, zawiasów itp.), pozwalając przymocować siłownik do konstrukcji maszyny w wymaganej pozycji.
Prowadnica Tłoczyska (Tuleja Prowadząca)
Prowadnica tłoczyska to łożysko ślizgowe umieszczone w przedniej pokrywie, przez które przechodzi tłoczysko. Jego rolą jest utrzymanie pręta (tłoczyska) w osi cylindra oraz przejmowanie obciążeń bocznych, tak aby tłoczysko poruszało się płynnie bez zacinania. Prowadnica najczęściej ma postać pierścienia lub tulei zrobionej z brązu spiekanego lub innego materiału samosmarującego (czasem stosuje się kompozyty PTFE z dodatkiem brązu). Materiał ten zapewnia niski współczynnik tarcia i wysoką trwałość, co chroni tłoczysko przed zużyciem nawet przy wielokrotnych cyklach pracy.
Uszczelnienia
Zestaw uszczelek w siłowniku pneumatycznym dba o utrzymanie ciśnienia we właściwych miejscach i ochronę wnętrza przed zanieczyszczeniami. Główne uszczelnienia to: pierścień tłokowy (uszczelniający tłok względem tulei, często w formie manszety lub oringu opasającego tłok) oraz uszczelnienie tłoczyska (znajdujące się w przedniej pokrywie, obejmujące tłoczysko). Dodatkowo na samym wylocie tłoczyska bywa montowany pierścień zgarniający (ang. wiper) usuwający z pręta zanieczyszczenia przy cofaniu do wnętrza cylindra. Standardowo uszczelnienia w siłownikach pneumatycznych wykonywane są z odpornych elastomerów lub poliuretanu - np. popularne uszczelnienia PU (poliuretanowe) cechują się dużą odpornością na ścieranie, elastycznością w szerokim zakresie temperatur i zdolnością do pracy bez dodatkowego smarowania. Poliuretanowe uszczelki sprawdzają się w typowych warunkach (-20°C do +80°C) i nie wymagają dodawania oleju do powietrza. W zastosowaniach specjalnych wykorzystuje się też inne materiały: np. uszczelnienia z kauczuku NBR lub z FKM (Viton), które wytrzymują wyższe temperatury (do ok. 150°C) lub są bardziej odporne chemicznie. Uszczelki tłoka i tłoczyska są kluczowe dla sprawności siłownika - ich zużycie prowadzi do nieszczelności (tzw. “przedmuchów”), spadku siły i efektywności.
Magnes na Tłoku (Wykrywanie Położenia)
Wiele nowoczesnych siłowników pneumatycznych ISO ma wbudowany w tłok magnes trwały. Taki magnes umożliwia bezkontaktowe wykrywanie położenia tłoka za pomocą zewnętrznych czujników magnetycznych (kontaktronowych lub Hall-effect) montowanych na obudowie siłownika. W praktyce tłok z magnesem “przekazuje” informację o swojej pozycji - czujnik zamocowany na zewnątrz cylindra reaguje na zbliżenie magnesu przy końcu skoku. Dzięki temu układ sterujący może otrzymywać sygnał, że siłownik osiągnął pozycję wysuniętą lub wsuniętą. Producenci standardowo wyposażają tłoki w magnes, a w profilach aluminiowych cylindrów przewidują specjalne rowki (typu T-slot) do szybkiego montażu czujników położenia. Rozwiązanie to ułatwia integrację siłownika z systemem sterowania maszyną i poprawia bezpieczeństwo (pozwalając np. na automatyczne wyhamowanie ruchu lub rozpoczęcie kolejnego cyklu dopiero po osiągnięciu skrajnego położenia).
Amortyzacja Pneumatyczna
W klasycznych siłownikach ISO 15552 zazwyczaj stosuje się regulowaną amortyzację (tłumienie) końca ruchu. Polega ona na tym, że tuż przed osiągnięciem skrajnego położenia (zarówno przy wysuwie, jak i przy wsuwie tłoczyska), odpływ powietrza z wypełnianej komory jest dławiony. W pokrywach siłownika znajdują się małe śrubki regulacyjne - poprzez ich wkręcanie lub wykręcanie można zmienić przekrój upustu powietrza w końcowej fazie ruchu. W efekcie tłok tuż przed uderzeniem w pokrywę zwalnia, ponieważ powietrze zamknięte przed nim działa jak poduszka powietrzna. Taki układ amortyzacji pneumatycznej zapobiega gwałtownemu uderzeniu tłoka o pokrywę, redukując hałas oraz chroniąc elementy mechaniczne przed zużyciem. Użytkownik może dostosować siłę tłumienia do wymagań aplikacji (np. większe obciążenie wymaga silniejszego wytłumienia). Standard ISO 15552 przewiduje regulowaną amortyzację - większość cylindrów tego typu wyposażona jest w te śruby regulacyjne w obu pokrywach. W niektórych mniejszych lub specjalnych siłownikach zamiast amortyzacji regulowanej stosuje się stałe elementy tłumiące.
Wszystkie powyższe elementy współpracują ze sobą, tworząc kompletny siłownik pneumatyczny. Gdy zawór pneumatyczny sterujący doprowadzi sprężone powietrze do odpowiedniego portu, uszczelniony tłok zaczyna się przemieszczać, przenosi siłę na tłoczysko, a to z kolei oddziałuje na świat zewnętrzny (np. przesuwa część maszyny). Po zakończeniu skoku amortyzacja wyhamowuje ruch, a czujnik magnetyczny może przesłać sygnał o osiągnięciu pozycji. Następnie zawór zmienia położenie, podając ciśnienie z drugiej strony tłoka, powodując ruch powrotny.
Rodzaje Siłowników Pneumatycznych
Siłowniki pneumatyczne można podzielić na dwie główne kategorie ze względu na sposób działania.
Siłownik Jednostronnego Działania
Siłownik jednostronnego działania (ang. single-acting cylinder) wykonuje pracę tylko w jednym kierunku, wykorzystując sprężone powietrze do ruchu tłoka w jedną stronę, zaś do powrotu korzysta z siły mechanicznej (najczęściej wbudowanej sprężyny). Taki siłownik posiada tylko jeden port powietrzny - sprężone powietrze jest doprowadzane z jednej strony tłoka. Po wprowadzeniu powietrza do cylindra, ciśnienie popycha tłok, powodując wysunięcie tłoczyska (lub wciągnięcie, zależnie od konstrukcji). W trakcie tego ruchu sprężyna umieszczona po przeciwnej stronie tłoka ulega ściśnięciu, magazynując energię. Gdy osiągnięte zostanie skrajne położenie lub gdy chcemy cofnąć siłownik, wypuszczamy powietrze z powrotem przez ten sam port (często przy udziale odpowiedniego elektrozaworu pneumatycznego 3/2). Wówczas sprężyna rozpręża się i odpycha tłok z powrotem do pozycji wyjściowej, wciągając tłoczysko do cylindra.
Istnieją dwa warianty siłowników jednostronnego działania: pchające - gdy powietrze doprowadzane jest od strony tylnej pokrywy i wypycha tłoczysko na zewnątrz (sprężyna odpowiada za wsunięcie z powrotem), oraz ciągnące - gdy powietrze doprowadzane jest z przodu tłoka i wciąga tłoczysko do środka (sprężyna następnie wypycha tłoczysko z powrotem). Zaletą siłowników jednostronnych jest ich prostota - mają mniej przyłączy i często są tańsze w zakupie oraz utrzymaniu (tylko jeden przewód zasilający i zawór o prostszej funkcji). Mniejsza liczba ruchomych części (brak drugiego portu, brak konieczności dławienia dwóch kierunków ruchu) przekłada się na nieco większą niezawodność w nieskomplikowanych zastosowaniach. Warto jednak pamiętać, że obecność sprężyny ma pewne konsekwencje: po pierwsze zajmuje ona miejsce wewnątrz cylindra, co wydłuża siłownik przy tym samym skoku i średnicy tłoka; po drugie stawia opór przy ruchu (siła sprężyny przeciwstawia się ciśnieniu), co oznacza, że efektywna siła wysuwu jest mniejsza niż w porównywalnym siłowniku dwustronnym - część energii zużywana jest na ściskanie sprężyny. Z czasem charakterystyka sprężyny może się też zmieniać (zmęczenie materiału), przez co ruch powrotny może nie być zawsze jednakowo szybki.
Siłownik Dwustronnego Działania
Siłownik dwustronnego działania (ang. double-acting cylinder) potrafi wykonywać ruch w obu kierunkach kontrolowany za pomocą sprężonego powietrza. Posiada on dwa porty zasilające - powietrze może być doprowadzane zarówno do przestrzeni przed tłokiem, jak i za tłokiem. Dzięki temu tłoczysko może być równie dobrze wysuwane, co wsuwane wyłącznie siłą sprężonego powietrza (nie ma potrzeby stosowania sprężyny powrotnej). Zasada działania jest następująca: doprowadzenie ciśnienia do portu od strony tylnej pokrywy powoduje napór powietrza na powierzchnię tłoka od tyłu - tłok przemieszcza się do przodu, wywołując wysunięcie tłoczyska. Gdy tłok osiągnie wymaganą pozycję (np. pełen wysuw) lub gdy chcemy zmienić kierunek ruchu, zawór rozdzielający (najczęściej 5/2) przełącza dopływ - sprężone powietrze kierowane jest teraz do przedniej komory cylindra (przed tłok), a tylna komora zostaje otwarta na wydech. Ciśnienie od przodu popycha tłok w przeciwnym kierunku, powodując wsunięcie tłoczyska do cylindra. Tym sposobem siłownik wykonuje cykl dwustronny.
Siłowniki dwustronnego działania dominują w aplikacjach przemysłowych, ponieważ umożliwiają pełną kontrolę ruchu w obu kierunkach oraz generowanie siły przy wysuwie i powrocie. Nie są ograniczone siłą sprężyny - maksymalna siła zależy tu głównie od ciśnienia i średnicy tłoka (oraz od strony tłoczyska: przy ruchu “ciągnącym” efektywna powierzchnia jest nieco mniejsza z uwagi na obecność pręta). Dodatkowo brak elementów takich jak sprężyna sprawia, że urządzenie może wykonywać ruchy szybciej i z jednakową prędkością w obu kierunkach (szybkość zależy tylko od przepływu powietrza i ustawienia dławiących zaworów regulacyjnych). Oczywiście konstrukcja dwustronna wymaga zastosowania dwuportowego zaworu sterującego (np. 5/2 lub 4/3) oraz dwóch przewodów powietrznych, co nieco komplikuje układ pneumatyczny. Mimo to korzyści przeważają, dlatego siłowniki pneumatyczne dwustronnego działania są obecnie najczęściej spotykanym typem napędu w pneumatyce przemysłowej. Warto zauważyć, że siłownik dwustronnego działania można - poprzez odpowiednie sterowanie zaworami - używać także jako jednostronny (np. nie doprowadzając nigdy powietrza do jednej z komór i pozostawiając ją otwartą, uzyskujemy sprężynę powietrzną działającą jak powrót samoczynny).
tags: #silownik #pneumatyczny #gazu #terex