Podstawowy podział siłowników pneumatycznych ze względu na budowę oraz normy ISO

Siłownik pneumatyczny wykorzystywany jest jako element wykonawczy w różnego rodzaju maszynach. Służy on do przetwarzania energii sprężonego powietrza na energię mechaniczną. Dzięki zastosowaniu czystego medium, jakim jest powietrze, siłownik pneumatyczny ma ogromną przewagę nad elementami hydraulicznymi, które pełnią podobną funkcję, generując jednak większe zanieczyszczenie.

Podział siłowników pneumatycznych

 Podstawowe grupy siłowników według kryterium budowy:
- tłokowe,
- nurnikowe,
- membranowe,
- mieszkowe,
- workowe i dętkowe.

Ze względu na sposób przesuwu elementu wykonawczego, jakim jest tłoczysko, siłowniki można podzielić na:
- jednostronnego działania (ciągnące lub pchające),
- dwustronnego działania.

Kolejnym kryterium podziału siłowników jest ilość ściśle określonych położeń tłoka:
- jednopołożeniowe,
- wielopołożeniowe.

Inna klasyfikacja siłowników oparta jest o elementy zamieniające energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną:
- siłowniki tłoczyskowe - gdzie elementem wykonawczym jest tłoczysko siłownika
- siłowniki beztłoczyskowe - gdzie elementem wykonawczym jest wózek

Ostatnim kryterium podziału siłowników jest rodzaj ruchu realizowany przez siłownik:
- z ruchem prostoliniowym elementu wykonawczego
- z wahadłowym ruchem elementu wykonawczego, np. wałkiem

Siłowniki tłoczyskowe

Siłowniki tłoczyskowe to najbardziej popularny produkt spośród siłowników pneumatycznych wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Stosuje się go do podnoszenia, przesuwania, obracania czy tez cięcia elementów. Popularność tych siłowników potwierdza fakt, że ok. 95% produkcji w firmie Pneumat System Sp. z o.o. poświęcona jest właśnie tego typu siłownikom.

Foto.1: Siłownik dwustronnego działania

Siłowniki jednostronnego działania

W siłownikach jednostronnego działania, czynnik roboczy – jakim jest powietrze - zastępujemy za pomocą sprężyny. Tłok przesuwany jest za pomocą sprężonego powietrza w kierunku występowania większego obciążenia. W przypadku braku obciążeń w przeciwną stronę sprężyna powoduje powrót tłoczyska do pierwotnej pozycji. Dzięki takiemu zabiegowi możemy zużywać mniej powietrza, co przekłada się na mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną, a ponadto powoduje mniejsze obciążenie sprężarki. Siłowniki jednostronnego działania stosuje się przy stosunkowo małym skoku, tj. do ok. 50 mm.

Rys.1: Schemat działania siłowników jednostronnego działania

Siłowniki dwustronnego działania

Najbardziej popularnymi produktami stosowanymi w większości aplikacji są siłowniki dwustronnego działania. W siłownikach tego typu, powietrze doprowadzane jest na zmianę do jednej i drugiej komory, przy równoczesnym odpowietrzaniu przeciwległych komór cylindra. Doprowadzone sprężone powietrze działa ciśnieniem na tłok, co skutkuje wysunięciem tłoczyska. Następnie, w celu schowania elementu wykonawczego, powietrze doprowadzane jest z drugiej strony siłownika.

Rys.2: Schemat działania siłownika dwustronnego działania

Materiały stosowane w produkcji siłowników pneumatycznych

Siłowniki pneumatyczne wykonywane są zgodnie z wieloma normami, czego konsekwencją jest różnorodność materiałów stosowanych na poszczególne podzespoły. Bardzo często zdarza się, że to sam producent i odbiorca ustalają między sobą dokładną specyfikację materiałową.

Foto 2: Podzespoły siłowników pneumatycznych

Materiały stosowane do produkcji tłoczysk

Do wytwarzania tłoczysk w siłownikach pneumatycznych stosuje się pręty okrągłe wykonane w tolerancji f7 oraz chropowatości ok. Ra 0,25 µm:

- pierwszym materiałem stosowanym do wytwarzania tłoczyska jest pręt tłoczyskowy CK45 dostarczany w długościach handlowych 6 metrów. Parametry:

• twardość: 900 HV

• wytrzymałość na rozciąganie: Rm=650MPa

• granica plastyczności: R_p0.2 =410MPa

Tab. 1: Skład chemiczny stali CK 45

- kolejnym materiałem stosowanym do produkcji tłoczysk jest pręt stalowy nierdzewny, szlifowany i polerowany wykonany w gatunku 1.4021. Parametry: 

• twardość: 255 HB

• wytrzymałość na rozciąganie: Rm=794MPa

• granica plastyczności: R_p0.2 =725MPa

Tab. 2: Skład chemiczny stali nierdzewnej 1.4021

Wymienione powyżej materiały to standardowy podział, który jest najczęściej spotykany w aplikacjach. Dodatkowo pod zamówienie klienta firma Pneumat System jest wstanie wyprodukować tłoczyska ze stali AISI 303, AISI 316L oraz z wielu innych materiałów.

Materiały stosowane do produkcji profilu siłownika

Profile siłowników dostarczane są w 3-metrowych odcinkach wykonanych w tolerancji H11 oraz chropowatości nieprzekraczającej Ra 0,6 µm:

- pierwszym materiałem jest profil aluminiowy AlMgSi 0.5 DIN 1725.
Parametry:

• twardość: 420 HV

• wytrzymałość na rozciąganie: Rm=130MPa

• granica plastyczności: R_p0.2 =65MPa

Tab.3: Skład chemiczny aluminium AlMgSi 0.5 DIN 1725

- kolejnym materiałem są rury wykonane ze stali nierdzewnej 1.4301. Parametry:

• twardość: 215 HB

• wytrzymałość na rozciąganie: Rm=500-700MPa

• granica plastyczności: R_p0.2 =190MPa 

Tab. 4: Skład chemiczny stali nierdzewnej 1.4301

Materiały stosowane do produkcji uszczelnień

Podobnie jak materiały wykorzystywane do produkcji profili i tłoczysk, materiał przeznaczony na uszczelnienia nie jest ujęty w żadnej normie. W związku z szeroką gamą dostępnych rodzajów uszczelniaczy, dobierane są one pod konkretną aplikację. Proponując klientom dane rozwiązanie, pracownik działu handlowego powinien znać takie parametry jak temperatura otoczenia, prędkość przesuwu tłoka oraz częstotliwość pracy siłownika. Dzięki temu, klient otrzymuje siłownik o najlepszym stosunku ceny do jakości przy danej aplikacji.

Rys.3: Uszczelka tłoka typu U

Rys. 4: Uszczelka tłoczyska

Uszczelnienia można podzielić na:
- NBR (inaczej: kauczuk butadienowo – akrylonitrylowy): materiał odporny na wiele środków chemicznych, charakteryzujący się jednak słabą odpornością na ścieranie, co przy występowaniu powietrza niesmarowanego skutkuje nieszczelnością siłownika po stosunkowo krótkim czasie. Parametry:

• twardość: 70 SHORE A

• temperatura pracy: -30°C - 105°C

• ciśnienie pracy: 16 bar

• prędkość przesuwu tłoka: ≤1.0 m/s

- poliuretanowe: materiał stosowany w większości aplikacji. Posiada najlepszą odporność na ścieranie, co przekłada się na długotrwałą prace bez konieczności smarowania powietrza. Parametry:

• twardość: 92 SHORE A

• temperatura pracy: -30°C - 80°C

• ciśnienie pracy: 12 bar

• prędkość przesuwu tłoka: ≤1.0 m/s

- Viton (FKM), kauczuk fluorowy: materiał o bardzo dobrych właściwościach, biorąc pod uwagę odporność na środki chemiczne. Przeznaczony do bardzo wąskiego grona aplikacji, w których wymagana jest odporność na wysokie temperatury. Parametry:

• twardość: 70 SHORE A

• temperatura pracy: -30°C - 200°C

• ciśnienie pracy: 12 bar

• prędkość przesuwu tłoka: 1 m/s≤

Foto.3: Uszczelnienia do siłowników

Materiały stosowane do produkcji pokryw siłowników.

 Materiał przeznaczony do tego etapu produkcji musi posiadać dobre właściwości obróbcze oraz charakteryzować się możliwością anodowania, w celu utwardzenia powierzchni oraz zwiększenia odporności na korozję.
- Aluminium 2017A:

• Twardość ok 110 HB

• Wytrzymałość na rozciąganie Rm = 350 Ma

• Granica plastyczności R_p0.2 = 250 Mpa 

Tab. 4: Skład chemiczny aluminium 2017A

Normy produkcji siłowników

Większość siłowników dostępnych w sprzedaży objętych jest normą, co stwarza szereg udogodnień dla klientów. Standaryzacja powoduje bowiem łatwość w doborze mocowań oraz możliwość uniezależnienia się od jednego dostawcy, ponieważ siłowniki są
w pełni zamienne. Na polskim rynku można spotkać normy takie jak:
- ISO6432 (siłowniki okrągłe o średnicach od fi 8 do fi 25mm)
- ISO15552 (siłowniki profilowe o średnicach od fi 32 do fi 125mm)
- ISO21287 (siłowniki kompaktowe o średnicach od fi 16 do fi 100mm)
- UNITOP (siłowniki kompaktowe o średnicach od fi 16 do fi 100mm)

Wymienione powyżej normy określają wymiary montażowe, które siłownik musi posiadać, aby spełniał daną normę. Brak standaryzacji w kategorii materiałowej powoduje, że siłowniki w jednej normie wytwarzane są w kilku wariantach materiałowych.

Rys. 5: Wymiary siłownika ISO6432 

Rys. 6: Wymiary siłownika ISO15552

Rys. 7: Wymiary siłownika UNITOP i ISO21287

Autorem artykułu jest Damian Nowak - Product Manager w dziale Siłowników Pneumatycznych w Pneumat System