Tłumienie siłowników pneumatycznych w pozycjach skrajnych – zalecenia oraz cechy eksploatacyjne rozwiązań rynkowych

Tłumienie wartości sił napędów pneumatycznych w pozycjach skrajnych stanowi podstawowy aspekt pracy w wielu aplikacjach przemysłowych. Odpowiedni dobór parametrów tłumienia siłowników pneumatycznych wpływa na poprawę jakości działania, płynność pracy systemów napędowych oraz minimalizację liczby i czasu nieprzewidzianych awarii. W artykule omówiono podstawowe aspekty związane z zastosowaniem tłumienia siłowników pneumatycznych oraz skutki uszkodzeń wynikających z jej braku.

Napędy pneumatyczne należą do układów charakteryzujących się jedną z najprostszych metod sterowania parametrami pracy (prędkością oraz wartością uzyskiwanych momentów lub sił). Podstawowymi wadami pozostają dokładność pozycjonowania (w tym uzyskanie powtarzalności pozycji) oraz istotne ograniczenia maksymalnych wartości prędkości, a także sił (związane z konstrukcją siłowników pneumatycznych) [1].

Stosowanie amortyzacji jest uzasadnione w następujących przypadkach [1-4]:

• przy bardzo dużych prędkościach ruchu elementów ruchomych siłownika,
• w przypadku dużych wartości obciążeń siłownika,
• jako standard w siłownikach o większych średnicach cylindra (zazwyczaj powyżej 50 mm).

Brak tłumienia powoduje powstawanie wielu niekorzystnych skutków, do których można zaliczyć:

• szybsze zużycie elementów konstrukcyjnych siłowników (w szczególności magnesów montowanych na tłokach siłowników; bezpośrednim efektem uszkodzenia magnesów jest brak możliwości identyfikacji pozycji krańcowej odczytywanej z czujników kontaktronowych, a pośrednim – przestój maszyny),
• niedopuszczalny poziom wibracji elementów roboczych maszyn,
• zmniejszenie stopnia bezpieczeństwa pracy, zwłaszcza przy maszynach wysoko obciążonych.

Idealna amortyzacja pneumatyczna występuje, gdy cała energia kinetyczna jest rozpraszana przy spowolnieniu elementów ruchomych do zerowej wartości prędkości (na pełnym skoku elementu tłumiącego) [8].
Minimalizacja prędkości oraz sił w pozycjach skrajnych może przebiegać według dwóch podstawowych metod, w postaci tłumienia realizowanego:

• przez układ zabudowany bezpośrednio w siłowniku,
• przez zewnętrzne układy tłumików (amortyzatorów, układów zatrzymujących, hydraulicznych cylindrów amortyzujących).

Obydwie z wymienionych metod podzielono na metody z nieregulowaną oraz regulowaną wartością siły tłumienia.

Podział siłowników pneumatycznych z zabudowanymi układami tłumienia

Na rynku dostępnych jest wiele odmian siłowników pneumatycznych, które zostały doposażone w różne układy tłumienia prędkości w pozycjach skrajnych (rys. 1).

Podstawowym zadaniem układu pochłaniającego energię jest zatrzymanie ruchomego ładunku (ruch liniowy lub obrotowy) przy minimalnych wartościach odbicia ładunku, drgań pochodzących od obciążenia i osprzętu maszyny. Podstawowe typy obciążeń spotykane w przemysłowych zastosowaniach amortyzatorów obejmują: obciążenia inercyjne, swobodnie spadające (lub obracające się) elementy masowe i detale obciążone dodatkowymi siłami napędowymi [8].

Nieregulowane tłumienie wewnątrz komór roboczych siłownika polega na umieszczeniu w ich wnętrzu pierścieni wykonanych z tworzywa sztucznego, zamontowanych na powierzchniach styku tłoka z pokrywami cylindra. Zastosowanie takiego rozwiązania eliminuje zużycie spowodowane kontaktem metal-metal, zmniejsza wartość odbicia pneumatycznego oraz amplitudę i częstotliwość drgań od uderzeń w pozycjach skrajnych.

Uzyskanie stanu idealnej amortyzacji nie jest możliwe za pomocą cylindra pracującego z nadtłumieniem (tj. doborem wartości nastaw tłumienia większych od wymaganych). Eliminację tego zjawiska można wykonać przez trzy alternatywne działania w postaci [8]:

• zwiększenia prędkości tłoka – regulacja zaworów dławiących lub zwrotno-dławiących (prowadząca do maksymalizacji wartości prędkości), pociągająca za sobą wzrost energii kinetycznej wymaganej do osiągnięcia stanu idealnej amortyzacji,
• redukcji ciśnienia roboczego siłownika,
• zwiększenia masy będącej w ruchu.

Jeśli w układzie występują wysokie wartości drgań, niezależnie od ustawienia regulacji amortyzacji, cylinder jest niedotłumiony. W tym przypadku możliwe kierunki działań zapobiegawczych są odwrotne do poprzedniego stanu. Alternatywą jest także zastosowanie zewnętrznego amortyzatora zespołu cylindra napędowego.

Galeria