Ontwerp Toepassingen Selectie Installatie. De Norgren leidraad voor persluchtcilinders

Transcriptie

1 Ontwerp Toepassingen Selectie Installatie De Norgren leidraad voor persluchtcilinders

2 INHOUD Inleiding 5 Basisuitvoeringen 5 Enkelwerkende cilinders 5 Dubbelwerkende cilinders 6 Cilinders met magneetzuiger 6 Magneetschakelaars 6 Magneetschakelaar met Reed contact 6 Inductieve magneetschakelaar 6 Pneumatische magneetschakelaar 7 Zuigerstangloze cilinders 7 Draaicilinders 7 Klemcilinders 7 Balgcilinders 8 Cilinderkeuze voor krachtopbrengst 8 Berekening van de krachten 8 Beschikbare kracht 9 Toepassingen voor het klemmen (statische belasting) 9 Dynamische toepassingen 9 Snelheidsregeling van een cilinder 10 Bepaling van de verplaatsingssnelheid van de zuiger 12 Cyclustijden 12 Verhogen van de snelheid 12 Persluchtverbruik van een cilinder 13 Doorbuigen van de zuigerstang - knikken 13 Toegepaste materialen 15 Afdichtingen 16 O-ringen voor zuigerafdichtingen 16 Lippakkingen 16 Z-pakkingen 16 O-ring buispakkingen 16 Bufferpakkingen 17 Stangpakkingen 17 Balgen op zuigerstang 17 Extreme werktemperaturen 17 Steunring 17 Pneumatische buffering 18 Hydraulische stootdempers 19 Normen 20 Normen 20 Hygiëne voor de voedselindustrie 20 Niet-standaard afmetingen 20 Soorten constructies 21 Rondcilinders 21 Kleine ISO cilinders 21 Compact cilinders 21 Profielcilinders ISO/VDMA/NFE 21 ISO/VDMA/NFE cilinders (met ronde buis) 22 Uitvoering voor de zware industrie 22 Bevestigingen 22 Vaste bevestigingen 23 Scharnierende bevestigingen 23 Montage 23 Basisbegrippen voor montage en bevestiging 23 Synchronisatie van persluchtcilinders 24 Verdraaiingsvrij / Rechtgeleidingen 24 Stopcilinder 24 Cilinder met rechtgeleiding 25 Slede-eenheden 25 Parkeerrem 25 Zuigerstangloze cilinders 26 Basisuitvoeringen 26 Zuigerstangloze cilinders met parkeerrem 26 Met geïntegreerde ventielen 26 Bevestigingen 27 Zware uitvoering zuigerstangloze cilinders 27 Gebogen zuigerstangloze cilinder 27 Cilinders voor deurbedieningen 27 Cilinders met dubbele slaglengte 27 Cilindervarianten 28 Doorlopende zuigerstang 28 Meerstandencilinders 28 Tandem uitvoering 28 Duplex uitvoering 29 Uiteinden van de zuigerstang op maat 29 Voor extreme temperaturen 29 Speciale cilinders 29 Standstellers en servocilinders 29 Toepassingen zonder terugkoppeling 29 Toepassingen met terugkoppeling 29 Integrale servocilinders / Standstellers in-lijn 30 Universele standsteller 30 Werking standsteller 30 Cilinders met holle zuigerstang 31 Slagcilinders 31 Werkingsprincipe 31 Installatie 32 Onderhoud en smering 33 Aanbevolen smeermiddelen 33 Veiligheid 33 Theoretische kracht en luchtverbruik van dubbelwerkende cilinders 34 3

3 INLEIDING Pneumatische aandrijvingen, waarvan cilinders de belangrijkste zijn, zijn aandrijvingen die kracht en beweging geven aan automatische systemen, machines en processen. Een persluchtcilinder is een eenvoudige, goedkope en gemakkelijk te installeren aandrijving, ideaal om krachtige lineaire bewegingen uit te voeren met verschillende snelheden. Moeilijke werkomstandigheden zoals hoge vochtigheid, droge en vuile omgevingen en herhaaldelijk reinigen onder hoge druk, kunnen getolereerd worden. De diameter van een cilinder bepaalt de maximum kracht die opgebracht kan worden en de slaglengte bepaalt de maximum lineaire beweging. Cilinders zijn ontworpen om te functioneren bij een bepaalde maximum werkdruk, tot zelfs 16 bar. De werkdruk van een cilinder wordt normaal afgesteld door een drukregelventiel in functie van de gewenste kracht. Zo kan bijvoorbeeld een cilinder met een boring van 50 mm en bij een werkdruk van 6 bar, gemakkelijk een gewicht van 80 kg omhoog trekken. De basisconstructie van een dubbelwerkende cilinder met zijn onderdelen wordt weergegeven in de doorsnede (figuur 1). BASISUITVOERINGEN ENKELWERKENDE CILINDERS Enkelwerkende cilinders gebruiken perslucht voor een krachtoverbrenging in één enkele richting. De retourbeweging gebeurt door een mechanische veer die zich in de cilinder bevindt. Bij enkelwerkende cilinders zonder veer gebeurt de retourbeweging door een externe kracht. De meeste toepassingen vereisen een enkelwerkende cilinder met veer om de zuiger en de stang terug te brengen. Voor andere toepassingen kan de uitvoering stang uit gekozen worden. Figuur 2 toont beide types van een enkelwerkende cilinder. Figuur 2: Enkelwerkende cilinder Figuur 1: Belangrijkste onderdelen van een cilinder 1 Bufferpakking 8 Aansluitpoort in deksel 2 Magneet 9 Magneetschakelaar 3 Bufferring 10 Zuigerstang 4 Cilinderbuis 11 Steunring 5 Lagerbus 12 Zuigerpakking 6 Schraapring 13 Bodem 7 Deksel 14 Bufferschroef De veer in een enkelwerkende cilinder is ontworpen om voldoende kracht te leveren om enkel de zuiger en de stang terug te brengen. Dit laat toe de beschikbare perslucht optimaal te benutten. De meeste enkelwerkende cilinders zijn beschikbaar in kleine diameters, lichte uitvoering en standaard slaglengtes. Enkelwerkende cilinders met een lange slaglengte of een grote diameter worden afgeraden wegens de grootte en de kost van de benodigde veren. Enkelwerkende cilinders zonder veer hebben de volle duw- of trekkracht beschikbaar voor het uit te voeren werk. Dit zijn vaak dubbelwerkende cilinders met een filter in de aansluitpoort. De cilinder kan zo gebouwd worden dat de krachtbeweging de inof uitgaande slag is (figuur 3). Persluchtcilinders zijn beschikbaar in vele gro o t t e s, uitvoeringen en types inclusief diegene die een draaiende beweging veroorzaken. Elk basistype wordt hier besproken. Figuur 3: Enkelwerkende cilinder zonder veer, duwen en trekken 5

4 DUBBELWERKENDE CILINDERS Dubbelwerkende cilinders gebruiken perslucht voor zowel de ingaande als de uitgaande slag. Daardoor zijn zij ideaal voor het duwen en trekken in eenzelfde toepassing. Snelheidsregeling is mogelijk met een dubbelwerkende cilinder en word t gerealiseerd door de smoring van de afblaaslucht. Bij ongebufferde cilinders is er aan het einde van de slag metaal op metaal contact tussen zuiger en deksels, daarom zijn zij enkel geschikt bij lage snelheid (figuur 4). Voor een grotere snelheid zijn externe afremmers voor de buffering nodig. Deze worden geplaatst om een harde slag tussen zuiger en deksels te voorkomen. Figuur 7: Cilinder met magneetzuiger MAGNEETSCHAKELAARS Het grote voordeel van magneetschakelaars is dat zij eenvoudig op de cilinder kunnen gemonteerd worden en dat er geen uitwendige mechanische delen bewegen. Bijkomend worden de elektrische magneetschakelaars meestal voorzien van een LED-aanduiding w a a rdoor het wel of niet schakelen gevisualiseerd word t. Figuur 4: Dubbelwerkende cilinder zonder buffers MAGNEETSCHAKELAAR MET REED CONTACT G e b u ff e rde cilinders hebben een ingebouwde manier om schokken op te vangen. Kleine, lichte cilinders hebben vaste elastische buffers die eenvoudig bestaan uit kunststof b u fferschijven bevestigd op de zuiger of op de deksels (figuur 5). Twee ferromagnetische metaalblaadjes worden naar elkaar t o e g e t okken r onder invloed van het magnetisch veld dat ontstaat door de magneet op de zuiger van de cilinder. Door hun contact sluiten ze de elektrische kring van de twee draden die erop aangesloten zijn. Deze fijne metaalblaadjes en de geringe afstand verklaren de stroom- en spanningsbeperkingen die in de catalogus worden vermeld. De levensduur van deze contacten is ongeveer 10 miljoen schakelingen. Figuur 5: Cilinder met elastische buffers Andere cilinders hebben een regelbare buffering. De zuigerstang wordt geleidelijk afgeremd tijdens het laatste deel van de slag door de uitstromende perslucht te smoren (figuur 6). De bufferwerking wordt op pagina 18 in detail beschreven. Wanneer een inductieve belasting (relais- of ventielspoel) re c h t - s t reeks op een Reed contact wordt aangesloten, dan moet een o v e r s p a n n i n g s b e s c h e rming op de betre ffende spoel voorz i e n w o rden. Dit kan voor gelijkspanning een diode zijn of voor gelijkof wisselspanning een varistor. Deze componenten zorg e n e rvoor dat de overspanning die door het uitschakelen van de spoel vero o rzaakt wordt tot een bepaalde waarde wordt beperkt. Figuur 6: Cilinder met regelbare buffers INDUCTIEVE MAGNEETSCHAKELAAR CILINDERS MET MAGNEETZUIGER Cilinders met magneetzuiger hebben een ronde magneet in de zuiger en worden gebruikt bij cilinders met niet-magnetische cilinderbuis. Het magnetisch veld kan worden voorgesteld als de v o rm van een donut rond de cilinderbuis. Deze beweegt mee met de zuiger wanneer de zuigerstang in- en uitgaat. Door het plaatsen van magneetschakelaars op de buitenkant van de buis, bijvoorbeeld één aan elk uiteinde, worden signalen doorg e s t u u rd telkens wanneer de zuigerstang einde slag is (figuur 7). Ook een oscillatorkring wordt beïnvloed door het magnetisch veld. De e l e k t onische r kring detecteert de verandering in de oscillaties en beïnvloedt een uitgangsversterker (transistor PNP of NPN), deze is meestal op 24 V g.s. gevoed. De uitgangsversterker is ook tegen overbelastingen beschermd. Dank zij het feit dat er geen bewegende delen zijn, zijn deze schakelaars ongevoelig aan schokken en trillingen en is hun levensduur zo goed als onbeperkt, de hysteresis is kleiner waardoor ook het schakelpunt nauwkeuriger is dan van een Reed contact. 6

5 PNEUMATISCHE MAGNEETSCHAKELAAR Deze pneumatische magneetschakelaar geeft direct een pneumatisch signaal en zal dus gebruikt worden bij pneumatische besturingen of in een explosieveilige omgeving. Het magnetisch veld beïnvloedt een magneetplaatje dat zich in de voeler bevindt. De beweging van dit stuk stuurt een miniatuur 3/2 ventiel waardoor een pneumatisch signaal geschakeld wordt. Een tweezijdig aangedreven heugel wordt getoond in figuur 10. Deze grotere cilinders worden gebruikt in productieprocessen voor het bedienen van kwartslag-afsluiters. ZUIGERSTANGLOZE CILINDERS Voor sommige toepassingen is het wenselijk dat de afgelegde weg van de cilinder gebeurt binnen de inbouwmaten van het cilinderlichaam. Bijvoorbeeld, het kruisen van een transportband of het verticaal bewegen in een beperkte vrije hoogte. In deze omstandigheden is het nieuwe concept van een zuigerstangloze cilinder ideaal. Het voorwerp dat verplaatst moet worden, is verbonden aan een slede die loopt aan de zijkant van de cilinderbuis. Via een gleuf in het profiel is de slede verbonden met de zuiger. Lange afdichtingsbanden aan de binnen- en buitenkant van het cilinderprofiel voorkomen luchtverlies en binnendringen van vervuiling. Bij het bewegen van de zuiger worden langs de voorkant van de slede de afdichtingsband en afdekband geopend en langs de achterkant van de slede opnieuw afgedicht (figuur 8). Richting en snelheidsregeling gebeuren op dezelfde manier als voor een gewone cilinder. Figuur 10: Tandwiel en heugel Het draaimoment kan verdubbeld worden door een tweede cilinder met heugel toe te voegen die hetzelfde tandwiel aandrijft (figuur 11). Figuur 11: Dubbele heugel en tandwiel KLEMCILINDERS Figuur 8: Zuigerstangloze cilinder DRAAICILINDERS Voor gebruik in kleine ruimten waar enkel een korte slaglengte nodig is, hebben deze cilinders een kleine lengte in verhouding tot hun boring. Zij worden veel gebruikt in enkelwerkende uitvoeringen (figuur 12), maar zijn eveneens beschikbaar als dubbelwerkende cilinders en ook met doorlopende zuigerstang (figuur 13). Deze worden gewoonlijk gebruikt in lichte toepassingen. Vele toepassingen vereisen een draaiende beweging zoals draaiende componenten boven een boorkaliber of een verplaatsing in een pick-and-place toepassing. Draaicilinders geven een hoekverdraaiing tot 360. Een typische draaimodule is voorgesteld in figuur 9. Figuur 9: Draaivleugel cilinder Een ander voorbeeld van een draaicilinder is het systeem met tandwiel en heugel. Figuur 12: Figuur 13: Enkelwerkende klemcilinder Dubbelwerkende klemcilinder met doorlopende zuigerstang 7

6 BALGCILINDERS Balgcilinders zijn duurzame enkelwerkende cilinders die werken als een a c c o rdeon die uitrekt bij het opblazen. Zij ontwikkelen g rote krachten bij kort e slaglengtes en kunnen in alle richtingen gemonteerd w o rden (figuur 14). Met 1, 2 of 3 vouwen kunnen verschillende slaglengtes g e re a l i s e e rd worden bij nominale doormeters van 70 Figuur 14: Balgcilinder tot 546 mm. Belastingen met een hoekafwijking van 5 tot 25 t.o.v. de cilinderas kunnen opgevangen worden. Deze cilinders kunnen toegepast worden als luchtvere n, v e rgelijkbaar met de pneumatische ophanging bij zware vrachtwagens, en zijn ideaal als isolering om trillingen op te vangen van de lasten boven op de cilinder. Om het verzamelen van water te vermijden bij gebruik met vochtige perslucht, worden de aansluitpoorten naar onder geplaatst. Let op: De maximum uitrekking en samendrukking van de balgcilinders moeten begrensd worden door uitwendige aanslagen. De balgcilinders mogen niet onder druk gezet worden zonder externe slagbegrenzing omdat zij dan teveel zullen uitzetten en schade kunnen veroorzaken. Wanneer de balgcilinders ontlucht worden moeten externe aanslagen ervoor zorgen dat de balgen niet geplet worden door de belasting. Toepassingsvoorbeelden: CILINDERKEUZE VOOR KRACHTOPBRENGST De theoretische duwkracht (uitgaande slag) of tre k k r a c h t ( i n t rekkende slag) van een cilinder wordt berekend door vermenigvuldiging van de reële oppervlakte van de zuiger met de werkdruk. De reële oppervlakte voor de duwkracht is de volledige oppervlakte van de zuiger. De reële oppervlakte voor de trekkracht wordt verminderd met de oppervlakte van de zuigerstang (figuur 15). Figuur 15: Diameter zuiger en zuigerstang De cilinderboring (D) en de diameter van de zuigerstang (d) worden uitgedrukt in millimeter en de werkdruk (P) in bar. In de formule is P gedeeld door 10 om de druk uit te drukken in Newton per vierkante millimeter (1 bar = 0,1 N/mm 2 ) De theoretische kracht (F) wordt verkregen door waarbij D = Boring van de cilinder in millimeter d = Diameter zuigerstang in millimeter P = Werkdruk in bar F = Duwkracht of trekkracht in Newton Voorbeeld: Bereken de theoretische duw- en trekkracht voor een cilinder Ø 50 mm met een zuigerstang Ø 20 mm, bij een werkdruk van 8 bar Het berekenen van de duw- of trekkracht van enkelwerkende cilinders met een veer is iets ingewikkelder. De tegengestelde kracht van de veer verhoogt naarmate de veer verder ingedrukt wordt, deze moet worden afgetrokken om de theoretische kracht te vinden. In de praktijk vindt men duw- en trekkrachten van enkel- en dubbelwerkende cilinders in de catalogus in tabellen van de documentatie. De waarden worden onder een bepaalde w e r k d ruk gegeven, gewoonlijk voor 6 bar. Voor andere werkdrukken kan deze waarde vlug berekend worden door te vermenigvuldigen met een nieuwe werkdruk, gedeeld door 6. 8

7 Wanneer een beoordeling gemaakt moet worden tussen de relatieve krachten van cilinders met verschillende boringen, dan is het nuttig te weten dat de kracht exponentieel verhoogt volgens de diameter. Met andere woorden: indien de boring verdubbelt, verviervoudigt de kracht (figuren 16 & 17). TOEPASSINGEN VOOR HET KLEMMEN (STATISCHE BELASTING) Bij het klemmen wordt de kracht uitgeoefend wanneer de zuiger stopt. Dit is wanneer het drukverschil tussen beide kamers maximaal is. Het enige krachtverlies in vergelijking met de theoretische kracht wordt veroorzaakt door de wrijving. Deze kan invloed hebben zelfs nadat de zuiger gestopt is. Meestal wordt met 10% wrijving rekening gehouden. Dit kan meer zijn voor zeer kleine cilinders en minder voor zeer grote. Indien de cilinder een massa naar omhoog of naar beneden duwt, zal de klemkracht ook verminderen of vermeerderen. DYNAMISCHE TOEPASSINGEN Figuur 16: Tabel met duw- en trekkrachten, van enkelwerkende cilinders Tijdens de beweging zal de cilinder een kracht (= de belasting) uitoefenen en voortbewegen aan een bepaalde snelheid. Deze eenparig rechtlijnige beweging gebeurt volgens de fysica in een evenwichtstoestand. Op de zuiger wordt een Actie uitgeoefend en de Reactiekrachten zorgen voor het evenwicht. Figuur 17: Tabel met duw- en trekkrachten, van dubbelwerkende cilinders BESCHIKBARE KRACHT Bij het selecteren van een cilindergrootte en de gepaste werkdruk wordt een schatting gemaakt van de nodige kracht. Deze wordt dan gebruikt als percentage van de theoretische kracht van een geschikte cilinder. Het gekozen percentage hangt af van het feit of de kracht benodigd wordt op het einde van de slag zoals in klemtoepassingen of tijdens de beweging zoals bij het optillen van een belasting. De belasting inclusief de wrijving wordt hier omgerekend naar een P x A (oppervlak van de zuiger). Pi x A = Pu x A + P x A Pi = Pu + P De ingangsdruk (Pi) zal gelijk zijn aan de tegendruk in de uitgangskamer (Pu) plus het drukverschil ( P). In de praktijk zal men een persluchtcilinder belasten tot 50 à 75% van zijn theoretische kracht. Bij hoge belasting wordt de tegendruk Pu heel laag en de P groot. Voor iedere wijziging van belasting, tijdens de beweging, zal de tegendruk Pu zich aanpassen en zal de snelheid wijzigen. Vereenvoudigd kunnen wij stellen dat de zuiger voortbeweegt tussen 2 luchtkussens met druk Pi en Pu. Om toch een stabiele beweging te bekomen moet dus de tegendruk een voldoende waarde behouden en mag de cilinder slechts 75% belast worden. Opmerking: Wegens het stick-and-slip effect is het voor een normale cilinder moeilijk om een stabiele snelheid te behouden lager dan 10 tot 15 mm/s. 9

8 SNELHEIDSREGELING VAN EEN CILINDER Soms laat men een cilinder werken met zijn maximum snelheid, maar meestal zal men de snelheid willen regelen in o v e reenstemming met de bewegende machinedelen, de schokbelasting, het lawaai, enz. De maximum snelheid van een cilinder wordt bepaald door: de boring van de cilinder het maximum toevoer- en uitlaatdebiet, dat op zijn beurt bepaald wordt door: de grootte en de doorlaat van de aansluitpoorten de grootte en de lengte van de leidingen de doorlaat (l/min) van het ventiel de procentuele belasting t.o.v. de maximum kracht. Deze wordt tevens beïnvloed door de toegepaste persluchtdruk. Figuur 18 laat zien dat de aansluitpoort van een cilinder bepalend kan zijn voor de maximum snelheid. De kleine doorlaat in de rechtse figuur bepaalt een kleine snelheid zelfs indien men een ventiel met grote doorlaat zal kiezen. Vooral robuuste cilinders zullen met een volle doorlaat in de aansluitpoort een grote snelheid toelaten. Cilinders van een lichte constructie bekomen best een aansluitpoort die de maximum snelheid beperkt om beschadiging op het einde van de slag te voorkomen. Bij robuuste cilinders met een volle doorlaat in de aansluitpoort zal men bijna maximum snelheid bekomen als de koppelingen, de leidingen en het ventiel overeenkomen met de volle doorlaat en aansluiting van de cilinderpoort. Voor vele toepassingen echter is deze maximum snelheid niet gewenst en kan een kleiner ventiel gekozen worden. Bijna steeds zal men de snelheid van een cilinderbeweging willen regelen in functie van de toepassing en de machine. Dit gebeurt door snelheidsregelaars te monteren, deze zullen voor een persluchtcilinder steeds de uitstromende perslucht op de uitlaat smoren. Aldus wordt een hoge tegendruk bekomen en is de zuiger tijdens de beweging goed geklemd tussen twee luchtkussens (druk Pi en Pu). Hoe hoger de tegendruk Pu is, hoe stabieler de cilindersnelheid zal zijn als er een variatie in belasting of wrijving optreedt, m.a.w. bij lage belasting hoort een hoge tegendruk Pu en dus een stabiele beweging. Figuur 18: Aansluitpoort met volle doorlaat en met vernauwing Figuur 19: Grafieken druk en snelheid in functie van de tijd Figuur 19 illustreert het verloop van de drukken Pi en Pu en van de snelheid tijdens de beweging van een zuiger waarvan de uitstromende lucht gesmoord wordt. Wat leren wij uit deze grafiek? 1) Drukval in de toevoerleiding Zodra er een debiet perslucht door een leiding stroomt, ontstaat er een drukval. Dit zien wij aan de inlaatdruk Pi; zodra de zuiger vertrekt aan punt 4, ontstaat er een drukval in de leiding (= Pc). Deze drukval Pc zal evenredig zijn met de snelheid. Bij de maximum haalbare snelheid kan deze drukval 30% bedragen van de netdruk voor een onbelaste cilinder. Ook het toevoerdebiet is belangrijk voor hoge snelheden. Figuur 20: Basisopstelling 10

9 2) Dode tijd (punt 4) De dode tijd of wachttijd voor de cilinder vertrekt zal afhangen van de belasting (= P) en de steilheid van de uitlaatkromme. Deze kromme zal afhangen van de gewenste snelheid (instelling snelheidsregelaar) en de slaglengte (het volume) van de cilinder. Een kleine snelheid, een lange slaglengte en een grote belasting veroorzaken een lange dode tijd. 3) De invloed van de belasting op de beweging In de praktijk kan de belasting veranderen (vb. variatie van de wrijvingen). Veronderstellen wij in punt 7 van figuur 19 dat de belasting verhoogt. Het evenwicht van de krachten wordt verbroken door de stijging van de belasting. Dit evenwicht kan enkel hersteld worden als de inwendige tegendruk (Pu) verkleint, wat gebeurt door een vertraging van de zuigerbeweging. Bij punt 8 heeft de nieuwe P zijn juiste waarde bereikt, het evenwicht aan krachten wordt hersteld en de beweging wordt opnieuw eenparig. Als de belasting bij punt 7 daalt, versnelt de zuiger, de uitlaatdruk Pu verhoogt tot een nieuwe waarde P, die overeenkomt met de nieuwe lagere belasting. 4) Bufferwerking (zie ook verder pagina 18) Wanneer de zuiger in de bufferkamer komt (punt 9), dan stijgt de uitlaatdruk (Pu) zeer plots in de bufferkamer. De waarde van deze drukstijging hangt af van de te bufferen energie (massa en snelheid), van de instelling van de regelnaald, van de constructie van de cilinder, maar vooral van de tegendruk Pu op het ogenblik dat de buffering begint. Opmerking: Wij vestigen hier opnieuw de aandacht op het belang van de tegendruk. De capaciteit van een cilinderbuffering wordt uitgedrukt in Nm/bar tegendruk. Dus, als de belasting groter wordt, daalt de tegendruk (voor de buffering) en dus ook de buffercapaciteit. Snelheidsregeling op de inlaat: - Indien de snelheidsregelaars verkeerd gemonteerd worden op de inlaat van de perslucht, dan zal de cilinderbeweging niet zo regelmatig of zelfs schokkend zijn. De tegendruk Pu valt snel op nuldruk en de toevoerdruk Pi wordt juist groot genoeg om de belasting te overwinnen en de beweging te veroorzaken. Bij lage snelheden zal de beweging steeds schokkend gebeuren. - Toch kunnen er toepassingen zijn waar op de inlaat gesmoord wordt. Een voorbeeld is de krachtbeweging van een enkelwerkende cilinder, hier bestaat geen tegendruk aan de andere zijde van de zuiger. Een ander voorbeeld is een cilinder met kleine boring en een in verhouding dikke zuigerstang, resulterend in een groot verschil in oppervlak links en rechts van de zuiger. Soms kan het wenselijk zijn de instromende lucht naar het grote oppervlak van de zuiger te smoren. Het meest voorkomende type van snelheidsregelaar is het inlijn gemonteerde type met ingebouwde terugslagklep (figuur 21). Figuur 21: Klassieke snelheidsregelaars De in-lijn gemonteerde snelheidsregelaar kan in om het even welke positie gemonteerd worden tussen het ventiel en de cilinderpoorten, onafhankelijk van de toepassing. Hij kan in ieder geval steeds gebruikt worden zoals normaal op de ontluchting, of speciaal voor regeling op de inlaat. Hij bestaat uit een conische regelnaald. Wordt de schroef ingedraaid, dan wordt het debiet van 1 naar 2 geleidelijk gesmoord. Wordt de stroomrichting van de perslucht o m g e k e e rd, dan wordt de dichting die als teru g s l a g k l e p fungeert, gelicht en is er volle doorlaat van 2 naar 1. Een populair alternatief model is de banjokoppeling met ingebouwde snelheidsre g e l a a r (figuur 22). Deze is ontworpen om rechtstreeks in de aansluitp o o rten van de cilinder te w o rden geschroefd, waard o o r de regeling zo kort mogelijk bij de cilinder gebeurt. De uitlaat w o rdt gesmoord terwijl er volle Figuur 22: Banjo snelheidsre g e l a a r inlaat is langs de lippakking. Een snelheidsregelaar (figuur 23) met een schuine regelnaald en de terugslagklep in rechte lijn laat grotere debieten toe, dit is zeker van belang voor de snelheidsregeling van grote cilinders. Figuur 23: Snelheidsregelaar voor groot debiet Opmerking: Indien een zuigerstang schokkend beweegt, controleer dan eerst of de snelheidsregelaars in de goede richting gemonteerd werden en nadien of de belasting niet te groot is door het meten van de tegendruk Pu (zie figuur 20). 11

10 BEPALING VAN DE VERPLAATSINGSSNELHEID VAN DE ZUIGER Er bestaat geen eenvoudige formule die ons toelaat om de juiste snelheid van een zuiger te berekenen, er zijn immers vele factoren die deze snelheid beïnvloeden, zoals: - de grootte en doorlaat van de aansluitpoorten - de doorlaat, het aantal en het soort gebruikte koppelingen (ellebogen, rechte, enz.) - de doorlaat en de lengte van de leidingen - het debiet van het ventiel in l / m i n - de eventueel gebruikte snelheidsre g e l a a r s - de belasting Wij vermelden hier een benaderende formule als eerste raming: waarbij v max. = snelheid zonder belasting in cm/s A = oppervlak van de zuiger in cm 2 Q = debiet van het ventiel in l/min gemeten met 6 bar ingangsdruk (relatieve druk) en een drukval van 1 bar, bij +20 C Het debiet van een ventiel kan ook uitgedrukt worden in Kv, Cv, of C en b. - Bij deze formule veronderstellen wij dat de leidingen en de aansluitpoorten in de cilinder een doorlaat hebben die minimaal gelijk is aan het ventiel. - Voor kleine cilinders en ventielen M5, wordt de berekende snelheid best verminderd met 10%. - Voor grote cilinders en ventielen, mag de snelheid met 10 tot 20% verhoogd worden. - Veel fabrikanten zullen in hun catalogus een diagram of een tabel afdrukken die de snelheid weergeeft in functie van de gebruikte ventielen en de cilinder. Een verhoging van de belasting vero o rzaakt een daling van de snelheid. Aangezien in dit geval de P verhoogt, daalt de uitlaatd ruk, dus ook het uitlaatdebiet wat re s u l t e e rt in een kleinere snelheid. De onderstaande grafiek (figuur 24) geeft een aanduiding van de snelheid in functie van de procentuele belasting. Onderstaande tabel illustreert een aantal cyclustijden gemeten bij een dubbelwerkende cilinder met 150 mm slag, zonder externe belasting, gestuurd door een monostabiel 5/2 ventiel, bij 6 bar werkdruk en met 1 m leiding. Cilinder boring Ventielgrootte Cyclustijd Debiet (nom.) In & uit Ø 20 mm 300 l/min 0,176 s Ø 50 mm 400 l/min 0,75 s Ø 63 mm 1000 l/min 0,50 s Ø 100 mm 1000 l/min 1,20 s Ø 160 mm 3500 l/min 0,78 s Ø 200 mm 3500 l/min 1,25 s Ø 200 mm 7700 l/min 0,57 s Ø 320 mm 7700 l/min 1,36 s VERHOGEN VAN DE SNELHEID In sommige toepassingen kan de cilindersnelheid verhoogd worden door een snelontluchter te gebruiken. Deze laat het debiet van het ventiel naar de cilinder door over de klep met lippakking (figuur 25). Wanneer het ventiel omgeschakeld w o rdt, dan daalt de druk in de leiding van het ventiel, de klep schakelt om en de perslucht uit de cilinderkamer ontsnapt langs de g rote ontluchtp o o rt. Aangezien de perslucht d i rect ontsnapt, dus niet door de leiding en het ventiel moet, daalt de druk Figuur 25: Doorsnede snelontluchter plots, waardoor de cilinder veel sneller beweegt. Naargelang de cilinder en de belasting bedraagt de snelheidstoename tot 50%. Een snelontluchter wordt steeds in de cilinderpoort geschro e f d, dit kan in de 2 cilinderpoorten voor een snelle in- en uitbeweging. Voor bepaalde toepassingen kan een andere methode gebru i k t w o rden om de snelheid te verhogen, namelijk door het voorontluchten van de cilinderkamer. Dit wordt gere a l i s e e rd door twee 3/2 ventielen te gebru i k e n.in figuur 26 wordt de zuigerstangzijde eerst ontlucht, waarna het ventiel aan bodemzijde lucht toevoert. Aangezien er geen tegendruk is kan men hoge snelheden bere i k e n. Figuur 26: Voorontluchte schakeling Figuur 24: Invloed van de belasting op de snelheid CYCLUSTIJDEN Om de cyclustijd van een cilinder te ramen moet men rekening houden met de antwoordtijd van het ventiel, de cilinder en de belasting. Deze methode wordt gebruikt bij zuigerstangloze cilinders tot 20 m/s en dit is tevens het principe van een slagcilinder (zie pagina 31). Wa a r s c h u w i n g : Bij het gebruik van een snelontluchter, of een opstelling zoals in figuur 26, zal de buff e rwerking verz w a k t w o rden daar de tegendruk gedaald is en de snelheid t o e g e n o m e n.een uitwendige buffer zal noodzakelijk kunnen zijn. 12

11 PERSLUCHTVERBRUIK VAN EEN CILINDER E n e rzijds is er het luchtverbruik van de cilinder zelf en anderzijds het verbruik van de leidingen en de dode ruimtes in de cilinder en het ventiel. Als algemene regel wordt voor het laatste verbruik 5% bij het cilinderverbruik gerekend. Luchtverbruik voor een dubbelwerkende cilinder: Uitgaande slag Intrekkende slag waarbij V = volume in dm 3 vrije lucht D = cilinderboring in dm d = zuigerstang diameter in dm S = slaglengte in dm P = werkdruk afgelezen op de manometer in bar 1 = atmosferische druk ( 1 bar) Indien de cilinder deel uitmaakt van een automatische machine dan zal het wenselijk zijn om 2 soorten verbruik te berekenen: - Het gemiddelde verbruik van de installatie H i e rvoor berekent men eerst het verbruik per cilinderbeweging, waarna dit vermenigvuldigd wordt met het aantal bewegingen per totale cyclus voor de machine. Het aldus bekomen totale verbruik wordt verhoogd met 5% en gedeeld door de cyclustijd van de machine in seconden met als resultaat een verbruik in dm 3 / s. - Het piekverbruik van een installatie De toevoer van de perslucht moet aan dit piekverbruik kunnen v o l d o e n. Als voorbeeld citeren wij een installatie met een cyclustijd van 2 minuten, werkend bij 8 bar, met een gro t e cilinderboring van 200 mm en 1000 mm slag.de cilinder beweegt eenmaal heen en weer tijdens de cyclus en verbruikt dus 554 dm 3 vrije lucht wat een gemiddeld verbruik geeft van 4,6 dm 3 /s vrije lucht. Indien echter de cilinder snel heen- en weerbeweegt in 6 seconden, dan resulteert dit in een piekverbruik van 92,4 dm 3 /s vrije lucht. Indien de cilinder slechts de helft van de snelheid zou doen, dan is het piekverbruik eveneens slechts de helft. Natuurlijk zal men met meerdere cilinders op een machine het tijdstip bepalen waarop het grootste verbruik optreedt en de cilinders samen bewegen. Bij het ontwerpen van een machine is het belangrijk dit piekverbruik te bepalen want dit bepaalt de keuze van de leidingen, de luchtverzorging en de ventielen in functie van deze piek. Algemeen kunnen wij stellen dat de toevoer van de persluchtinstallatie voldoende groot moet zijn. Indien de toevoer te klein gekozen wordt, presteert de machine niet voldoende. De cilinder kan de maximum snelheid niet meer halen, een sterke drukval veroorzaakt een vermindering van klemkrachten en kan zelfs gevaarlijk zijn. Het is daarom wenselijk steeds de drukval te controleren bij het opstarten van een nieuwe machine! Indien de piekverbruiken zeer kort zijn, dan kan een bijkomend persluchtreservoir dikwijls een oplossing bieden als buffervat. DOORBUIGEN VAN DE ZUIGERSTANG - KNIKKEN Voor sommige toepassingen zijn cilinders vereist met een lange slaglengte. Indien er een axiale kracht op de stang wordt uitgeoefend, dan moet men zeker controleren of de lengte, de diameter en de belasting op de stang zich binnen de limieten van de knikbelasting bevinden. Een eenvoudige formule stelt dat de maximum kniklengte: l = 100 (tot 110) x de straal van de stang Naargelang de toepassing en de gebruikte bevestigingen kan de toegelaten slaglengte langer of korter zijn. Om de maximum slaglengte te berekenen stellen wij de volgende formule voor: waarbij Fk = toegelaten knikbelasting in N E = elasticiteitsmodulus in M/mm 2 J = traagheidsmoment in mm 4 l = kniklengte in mm S = veiligheidscoëfficiënt, normaal = 5 Het begrip kniklengte wordt gebruikt om de slaglengte te berekenen. Kniklengte x knikfactor in functie van de bevestiging = MAX. SLAGLENGTE Figuur 27 toont een cilinder, stang uit, met een gaffel op de zuigerstang en een scharnierbevestiging aan bodemzijde. De verplaatste belasting heeft een vaste geleiding. De afstand l is de totale lengte waarop de doorbuigingskracht word t uitgeoefend. Deze cilinderbevestiging heeft een knikfactor van 0,6 in functie van de bevestiging. Figuur 27: Kniklengte van een cilinder, met bevestigingen op de uiteinden Figuur 28 toont een andere montage. De belasting is re c h t s t re e k s op de zuigerstang gemonteerd en de cilinder staat met centraal s c h a rnier opgesteld. De belasting heeft een vaste geleiding. Deze opstelling heeft een knikfactor van 1,3 in functie van de bevestiging. Figuur 28: Kniklengte van een cilinder, scharnier centraal gemonteerd op de cilinder 13

12 De kniklengte en de knikfactor in functie van de bevestiging hebben een directe invloed op de maximale toegestane slaglengte. De volledige tabel met knikfactoren in functie van de bevestiging is hieronder afgebeeld (figuur 29). Voorbeeld: Voor een cilinder met zuigerstang Ø 16 mm en een slaglengte van 1100 mm. De kracht op de zuigerstang is 3000 N en de knikfactor in functie van de bevestiging is 2,0. Lees van de horizontale as F = 3000 N verticaal naar boven tot het raakpunt van de lijn zuigerstang Ø 16 mm. Van dit punt volgt u de horizontale tot de kniklengte l. Vermenigvuldig deze kniklengte met de knikfactor in functie van de bevestiging 2,0 om de maximum slaglengte van de cilinder te bekomen. 650 x 2,0 = 1300 mm maximum slaglengte Hierdoor is een slaglengte van 1100 mm aanvaardbaar voor deze toepassing. Een ander voorbeeld is een cilinder met een slaglengte van 1200 mm en een zuigerstang van 12 mm. De kracht is 290 N en de knikfactor in functie van de bevestiging is 0,6. Door op dezelfde manier tewerk te gaan als hierboven vinden wij een kniklengte l = 1180 mm x 0,6 = 708 mm maximum slaglengte Hieruit volgt dat deze cilinder niet geschikt is voor deze toepassing. Er zijn twee oplossingen: 1. Vergroot de knikfactor in functie van de bevestiging door een andere bevestiging te gebruiken, of 2. Gebruik een cilinder met grotere boring en een zuigerstang Ø van 16 mm of meer. Teneinde overdreven trillingen en schokbelastingen aan het einde van de slag te voorkomen, is het aan te raden de snelheid te beperken en de buffering zo zacht mogelijk te laten gebeuren. Figuur 29: Knikfactor i.f.v. de bevestiging De grafiek op de volgende pagina (figuur 30) is gebaseerd op de formule van de vorige pagina. Het laat de berekening toe van de kniklengte (en dus de maximum slaglengte), de diameter van de zuigerstang of de toegelaten knikbelasting wanneer twee van de drie factoren gekend zijn. De tabel met de knikfactoren in functie van de bevestiging MOET gebruikt worden samen met de grafiek. Reeks uitmuntende corrosiebestendige persluchtcilinders voor de voedingsnijverheid en de chemische industrie 14

13 Figuur 30: Maximum slaglengte TOEGEPASTE MATERIALEN In de regel worden als materialen voor de cilinderbuis aluminium, staal, hardverchroomd staal of corrosiebestendig staal en voor de zuigerstang corrosiebestendig of hard - verchroomd staal toegepast. De zuiger wordt uit kunststof of aluminium gemaakt en de bodem en het deksel uit aluminium. Als afdichtingsmaterialen worden in de regel polyurethaan en butylrubber (stangschraper, zuigerpakkingen) toegepast. In vele industriële toepassingen voldoen deze materialen goed. Voor speciale omstandigheden kunnen ook andere materialen ingezet worden. Een voorbeeld hiervan is de verchroomde zuigerstang die wordt toegepast in omgevingen met kleverige v e rvuiling. Het verc h roomde oppervlak maakt dat deze vervuiling zich niet kan hechten aan de zuigerstang en dus niet de cilinder kan ingetrokken worden. Een ander voordeel van de verchroomde zuigerstang is dat de chroomlaag harder is dan staal en daardoor minder gevoelig voor beschadiging. In chemisch agressieve omgevingen worden cilinders toegepast die aan de buitenzijde geheel uit corrosiebestendig staal of uit speciaal behandeld aluminium gemaakt zijn. Uiteraard dienen in dit soort omstandigheden niet alleen de metalen delen maar ook de kunststof delen op hun corrosiebestendigheid beoordeeld te worden. Viton, gebruikt voor de pakkingen, is een kunststof dat zeer geschikt is voor extreme situaties zoals hoge temperaturen. Ook bij toepassing van cilinders in de buitenlucht dient extra zorg besteed te worden aan de materiaalkeuze. Regenwater, zout bij zeeklimaat en UV-straling van de zon kunnen bepaalde materialen snel aantasten. Geheel roestvast stalen cilinders zijn in deze toepassing vaak niet nodig. Hard geanodiseerd aluminium voldoet dan ook. Voor de zwaarste buitenomstandigheden zijn gestandard i s e e rde zoutspro e i t e s t e n gangbaar. 15

14 AFDICHTINGEN In een persluchtcilinder worden verschillende soort e n afdichtingen gebruikt. Enkelwerkende cilinders zonder buffering hebben het minst afdichtingen, in dubbelwerkende cilinders met regelbare buffers zitten er het meest afdichtingen (figuur 31). O-RINGEN VOOR ZUIGERAFDICHTING Een O-ring als zuigerpakking ligt losjes in een groef en de buitenste rand raakt net de binnenwand van de cilinder (figuur 32). Wa n n e e r er perslucht in de cilinder komt, w o rdt de O-ring tegen de wand van de gleuf gedrukt en vorm t dan de afdichting tussen de zuiger en de cilinderwand. Deze afdichting is minder geschikt voor kleine drukverschillen, en Figuur 32: Doorsnede O-ring voor dubbelwerkende cilinders. LIPPAKKINGEN Figuur 31: Soorten afdichtingen 1) O-ring van de bufferschroef 4) Zuigerpakking 2) Bufferpakking 5) Buispakking 3) Steunring 6) Schraapring met stangpakking Een glijdende afdichting zoals gebruikt bij een cilinderbuis, moet naar buiten gedrukt worden tegen het glijvlak en dit met voldoende kracht om persluchtdoorlaat te voorkomen, maar tegelijkertijd moet deze kracht zo klein mogelijk zijn om een minimale wrijving te geven. Dit is een moeilijke opdracht omdat de afdichtingen gebruikt worden bij werkdrukken van 0 tot 10 bar of meer. Er is een groot verschil tussen statische en dynamische wrijving. Statische wrijving of kleven zoals het soms genoemd wordt ontstaat wanneer de zuigerbeweging stopt. Afdichtingen moeten zelf een kracht naar buiten uitoefenen om de afdichting te verzekeren. Door deze kracht wordt geleidelijk alle olie verwijderd tussen de cilinderbuis en de afdichting en past de afdichting perfect op de fijne oppervlaktestructuur. Wanneer de zuiger een tijdlang heeft stil gestaan, is de benodigde kracht voor het in beweging brengen van de zuiger groter dan wanneer de beweging zou hervatten onmiddellijk na de stilstand. Dit fenomeen wordt het stick-and-slip effect genoemd. Om dit effect te verminderen, hebben afdichtingen een kleine radiale kracht en zijn zij zeer soepel. Een grote soepelheid laat toe tolerantieverschillen op te vangen bij het gieten van de afdichtingen en bewerkte onderdelen zonder de radiale kracht aanzienlijk te wijzigen. Bij cilinders die werken met ongesmeerde perslucht wordt de binnenkant van de buis en de afdichtingen bij montage ingevet. Indien de gebruikte perslucht zuiver en droog is, hebben de afdichtingen een lange levensduur zonder toevoeging van olie via een smeertoestel. Indien de perslucht toch waterdeeltjes zou bevatten, kunnen deze geleidelijk de oorspronkelijke olie wegwassen en zo de levensduur van de afdichtingen verkorten. In deze gevallen en vooral bij hoge snelheden is het raadzaam een Micro-fog smeertoestel te plaatsen waardoor een fijne olienevel een constante smering verzekert. Lippakkingen worden gebruikt voor cilinders met middelgrote of g rote diameter. Zij dichten slechts in één richting af door perslucht. D a a rom is er in een enkelwerkende cilinder slechts één zo n afdichting nodig, in een dubbelwerkende cilinder echter twee (figuur 33). De grote hoek tussen de lippen zorgt voor een kleine radiale kracht om het statische kleven te verm i n d e re n. Figuur 33: Doorsnede van een De lippen van deze afdichting zijn lippakking zeer soepel zodat de steunring, die zich tussen de afdichtingen bevindt, de zijdelingse belasting kan opvangen. Zij kunnen ook de tolerantieverschillen van de boring opvangen. Grote cilinders kunnen zelfs verder werken met krassen in de cilinderbuis. Z-PAKKINGEN Z-pakkingen worden gebru i k t als zuigerpakking voor cilinders met kleine diameter, en dichten af in beide richtingen. Z i j nemen merkelijk minder plaats in dan lippakkingen (figuur 34). Z-pakkingen werken als een kleine veer met een uiterst kleine radiale uitzetting en geven volledige voldoening. O-RING BUISPAKKINGEN Figuur 34: Doorsnede van een Z-pakking Dit zijn statische afdichtingen die in hun groef word e n vastgedrukt (figuur 35). Zij worden gebruikt voor cilinders met trekstangen en voor uitvoeringen met geschroefde deksel en bodem. 16 Figuur 35: Doorsnede van een buispakking

15 BUFFERPAKKINGEN Deze afdichtingen dichten de bufferkamer af als de buff e rtap in zijn uitsparing komt. In de cons t ructie van figuur 36 doet de afdichting tevens dienst als t e rugslagklep. Bij de beweging van rechts naar links word t volledige afdichting bekomen op de binnendiameter en de linkse zijkant van de O-ring. Als de perslucht opnieuw toe- Figuur 36: Bufferpakking g e v o e rd wordt van links, dan ontstaat vrije doorgang langs de buitendiameter en de geboorde gaatjes. Zie ook figuur 39. STANGPAKKINGEN De stangpakking zorgt voor de afdichting van de perslucht op de stang naar buiten toe. Figuur 37 illustre e rt echter een afdichting met een dubbele functie: stangpakking + schraapring (= tegenhouden van stof en vuil naar binnen toe). De afdichting zit luchtdicht met de buitenzijde vast in de lagerbus. Figuur 37:Stangpakking/schraper De lip aan de binnenzijde rond de zuigerstang voorkomt dat perslucht ontsnapt. De lip aan de buitenzijde maakt de zuigerstang schoon telkens wanneer deze in de cilinder schuift. Dit schoonmaken is zeer belangrijk omdat schurende stofdeeltjes zich kunnen vastzetten in de oliefilm op de stang wanneer deze uit de cilinder komt. Indien deze stofdeeltjes mee naar binnen bewegen dan verkorten ze aanzienlijk de levensduur van de afdichtingen binnenin de cilinder. Voor werk in vuile en agressieve omgeving wordt een speciale afdichting voorzien. Deze afdichting heeft een hardere schraper en zit vaster rond de zuigerstang. Zij wordt ondermeer gebruikt bij cilinders die op bedrijfswagens gebouwd zijn, in cementfabrieken en op montagelijnen voor auto s. Dergelijke afdichtingen zullen een lange levensduur hebben waar zand en cement op de stang terechtkomen. De stang kan zelfs door druppels pleister, rijm of ijs bewegen. Op cilinders voor zeer zwaar werk worden afzonderlijke schraapringen en stangpakkingen gebruikt. beschadigd worden door spatten of vallend afval. De balgen werken als een accordeon en hebben dus een luchtgat met een stoffilter. Regelmatige controle van de balgen op scheuren is uiterst belangrijk. Figuur 38: Balgen op zuigerstang EXTREME WERKTEMPERATUREN Standaard afdichtingen worden in het algemeen aanbevolen voor continu gebruik bij temperaturen van -10 C tot +80 C. Hogere temperaturen maken de afdichtingen zachter waardoor zij sneller verslijten en meer wrijving veroorzaken. Lagere t e m p e r a t u ren maken de afdichtingen harder waardoor zij kraken en scheuren. Voor toepassingen bij hoge temperaturen en constante werking in een omgeving van +150 C, kunnen cilinders uitgerust worden met Viton afdichtingen. Voor continu werking bij lage temperaturen beneden -15 C, moeten de afdichtingen uit zacht nitrilrubber voor lage temperaturen vervaardigd zijn of uit polyurethaan. Wanneer men werkt bij lage temperaturen is het belangrijk dat de perslucht gedroogd wordt tot een dauwpunt lager dan de omgevingstemperatuur. Is dit niet het geval, dan zal het water in de perslucht condenseren en bevriezen. Ijs binnen in de cilinder beschadigt de afdichtingen en sluit de luchttoevoer af of vermindert deze. STEUNRING De steunring of geleidingsring is een doorgesneden ring rond de zuiger. Hij is verv a a rdigd uit harde kunststof zoals polyamide. Bij zware zijdelingse belasting werkt hij als geleiding en voorkomt zo overbodige vervorming van de zuigerpakkingen. Hij voorkomt ook beschadiging van de cilinderbuis door de zuiger. BALGEN OP ZUIGERSTANG Als variante op een speciale schraapring kan de zuigerstang beschermd worden door balgen. Zij bestaan in verschillende modellen en materialen (figuur 38). Cilinders met balgen op de zuigerstang moeten bij bestelling goed omschreven zijn omdat de cilinder iets langer wordt. De zuigerstang is langer dan bij een standaard cilinder, maar de slag blijft gelijk. De oplossing met balgen is ideaal in omgevingen waar de stang kan 17

16 PNEUMATISCHE BUFFERING In een cilinder zonder buffers botst de zuiger ongeremd tegen de bodem of het deksel. Deze eindstukken moeten daarbij de kinetische energie opvangen ontwikkeld door het geheel z u i g e r, zuigerstang en externe last. In geval van hoge snelheden is dit lawaaierig en kan dat metaalmoeheid veroorzaken bij de zuiger, de bodem of het deksel. Om dit te voorkomen wordt de zuiger afgeremd tijdens het laatste deel van de slag. Kleine, lichte cilinders hebben kleine massa s waarbij ingebouwde vaste kunststof bufferplaatjes een adequate oplossing zijn. Bij grotere cilinders die meer arbeid verrichten, moet de zuiger tijdens de laatste 20 mm, of meer, van de slag geleidelijk afgeremd worden. Dit is mogelijk bij een cilinder met regelbare buffers. Er zijn verschillende uitvoeringen van bufferingen maar het werkingsprincipe is hetzelfde. Het voorbeeld in figuur 39 hieronder illustreert de bufferwerking aan bodemzijde, met bufferpakking in de bodem. en de snelheid zal de bufferwerking geoptimaliseerd worden door de juiste instelling van de regelschroef. Deze instelling kan niet op voorhand gebeuren bij de fabriekstesten van de cilinder en hoort proefondervindelijk te gebeuren bij de opstart van de machine. Fase C: Bij een correct ingestelde bufferwerking bereikt de zuiger zijn eindpositie met een lage en aanvaard b a re botssnelheid. Is deze bots echter nog te hoog, dan hoeft de bufferschroef dichter gedraaid te worden. Indien de regelnaald te dicht gedraaid is, dan zal de zuigerafremming schokkend of met weerbotsing gebeuren. Bij een volledig dicht gedraaide regelnaald bereikt de zuiger zijn eindpositie niet. Bij goede afstelling echter wordt de linkerzijde van de zuiger volledig drukloos gesteld. Figuur 39:Bufferwerking Fase A: De zuiger verplaatst zich van rechts naar links aan zijn normale snelheid. De perslucht aanwezig in de lichtblauw gekleurde kamer, ontsnapt met een debiet bepaald door een snelheidsregelaar, maar er is tegendruk aanwezig in deze kamer (zie hoofdstuk Snelheidsregeling van een cilinder ). Fase D: Het ventiel waarop de cilinder aangesloten is, wordt omgeschakeld en brengt de druk aan de linkerzijde van de zuiger. Hierdoor wordt de bufferpakking in zijn groef naar rechts verschoven waardoor de voedingsopeningen aan de bodem van de groef vrij komen en de volle doorlaat garanderen naar de ringvormige kamer. De zuiger wordt onmiddellijk op zijn hele oppervlakte onder druk gezet. Fase B: De buffertap schuift in de bufferpakking. Deze laatste heeft geen speling op de buffertap maar heeft wel ruime speling in haar groef zowel in de breedte als in de diepte en wordt nu tegen de linkerwand van de groef geduwd. De vrije doorlaat van de perslucht naar de aansluitpoort word t o n d e r b roken en de ontluchting kan slechts nog via de bufferregelschroef gebeuren. Het actieve linkerzuigeroppervlak w o rdt hierdoor kleiner, hetgeen een verhoging van de tegendruk veroorzaakt. De kinetische energie aanwezig in het bewegend geheel zuiger, zuigerstang en externe last drukt de perslucht in de ringvormige kamer nog extra samen. De tegendruk kan hierdoor aanzienlijk omhoog schieten! In elk geval wordt er een hogere tegenkracht opgewekt waardoor de zuiger vertraagt. Naargelang de druk, de aangedreven massa Fase E: Na de functionele dode tijd (zie hoofdstuk Snelheidsregeling van een cilinder ) kan de zuiger zijn beweging starten zonder aarzeling. Zolang de buffertap in de bufferpakking blijft, gebeurt de voeding via de bodem van de groef, aangezien er ruime speling is tussen pakking en groef. Deze bufferpakking in haar groef werkt dus zoals een terugslagklep: geen doorlaat van rechts naar links maar wel doorlaat van links naar rechts. De zuiger beweegt met een zekere snelheid van rechts naar links naar de bodem. De tegendruk kan vrij ontluchten langs de b u fferpakking. Deze doorstroming wordt plots afgere m d wanneer de bufferring in de bufferpakking (B) komt. Het 18

17 oppervlak van de zuiger verkleint en de lucht wordt samengeperst tussen de zuiger en de bodem (deze druk kan hoog oplopen!). De lucht kan nog enkel ontsnappen door de regelschroef. De regelnaald wordt zo afgesteld dat de zuiger, de stang en de belasting zacht afgestopt worden in het deksel (C). Indien de regelnaald te hard is dichtgedraaid, kan de zuiger terugbotsen voor het einde van de slag of zelfs het einde van de slag niet halen. De bufferpakking is hier gemonteerd in een groef in de bodem. Wanneer de buffertap in de bufferpakking komt, dan wordt deze naar links gedrukt en de afdichting gebeurt op de linkerzijde en aan de binnendiameter van de afdichting waardoor het vrij ontluchten afgesloten wordt. Voor de beweging naar rechts, stuurt een ventiel de perslucht (D) in de kamer aan bodemzijde en de bufferpakking wordt nu naar rechts gedrukt. De perslucht stroomt nu door de gleuven langs de buitendiameter van de bufferpakking en geeft kracht op het volledige zuigeroppervlak (E). Deze constructie vervult de functie van een terugslagklep. De zuiger beweegt nu vrij in de andere richting waardoor de duwkracht van de cilinder start. Zonder de gleuven in de bufferpakking zou de druk slechts langzaam stijgen. Voor zeer zware belastingen, verplaatst aan hoge snelheden en met grote slaglengte, zijn speciale schakelingen noodzakelijk (zie figuur 40). Bij deze schakelingen wordt een bijkomende smoring gebruikt voor de eigenlijke b u ff e rzone, in feite wordt naar een tragere snelheid omgeschakeld door het sluiten van het 2/2 ventiel. HYDRAULISCHE STOOTDEMPERS Voor zwaard e re toepassingen, met zeer grote lasten bij hoge snelheden en waar een zachte afremming zeker wenselijk is, kunnen industriële hydraulische stootdempers supplementair g e b ruikt worden of ter vervanging van de ingebouwde buff e r s van de cilinder. Er bestaan twee soorten stootdempers. De eerste is een reeks courante niet-re g e l b a re, zelfinstellende stootdempers voor massa s van 0,9 tot 1130 kg. De tweede s o o rt is instelbaar voor het buff e ren van massa s van 5 tot 810 kg. Andere zwaard e re modellen kunnen massa s tot kg aan. Een industriële stootdemper lijkt op een kleine cilinder met stang uit in rust. Hij wordt in-lijn geplaatst tegenover de massa in beweging met de stang voorbij de vaste aanslag. De massa in beweging moet door de stootdempers zodanig word e n a f g e remd dat bij contact met de vaste aanslag de snelheid nul is. De stootdemper wordt zodanig gemonteerd dat er ongeveer 1 mm van de slag overblijft achter de vaste aanslag. Het werkingsprincipe van een zelfinstellende stootdemper is g e b a s e e rd op pro g ressieve smoring (figuur 41). Wanneer een massa in beweging in contact komt met de zuigerstang, ontstaat er een druk achter de zuiger, maar de initiële weerstand is re l a t i e f klein. Tijdens de afremslag wordt de zuiger in het demperh u i s geduwd en de olie voor de zuiger wordt door de smooro p e n i n g e n geperst. Pro p o rtioneel met de slag neemt het aantal smooropeningen af. De snelheid wordt trager en men bekomt een constante vertraging. Een olielek langs de zuigerstang word t voorkomen door een inwendig meebewegende membraan dat eveneens zorgt voor de opvang van de olie. Eens de belasting v e rw i j d e rd, wordt de zuigerstang snel terug naar de ru s t s t a n d gebracht door een inwendige veer en een teru g s l a g k l e p. Figuur 41:Zelfinstellende stootdemper Figuur 40: Schakeling met externe buffering Hydraulische stootdempers 19

18 De instelbare stootdempers (figuur 42) remmen massa s in beweging op dezelfde manier af als de zelfinstellende. De drukkamer omvat over zijn totale lengte meerdere regelbare smooropeningen. Een stelring laat toe om van buiten uit alle smooropeningen te regelen. Hierdoor kan de buffering ingesteld worden volgens de gegevens van massa en snelheid. Figuur 42: Instelbare stootdemper Hydraulische stootdempers worden berekend in functie van de af te remmen massa (in kg) over de hele slag van de stootdemper. Zelfinstellend Regelbaar 0,9 tot 10 kg 5 tot 450 kg 2,3 tot 25 kg 10 tot 810 kg 9 tot 136 kg 105 tot 1130 kg Gebruik onderstaande formule om de effectieve massa te berekenen. waarbij me = effectieve massa (kg) W1 = kinetische energie per slag (Nm) = 1 /2m.v 2 W2 = energie van de aandrijfkracht per slag (Nm) = F.s W3 = totale energie per slag (W1 + W2) (Nm) m = gewicht van af te remmen massa (kg) v =snelheid van de massa (m/s) F = bijkomende aandrijfkracht (N) s = slaglengte van de stootdemper (m) Voorbeeld: Een cilinder beweegt een massa van 10 kg horizontaal met een kracht van 100 N en raakt de stootdemper met een snelheid van 1 m/s (figuur 43). De nominale slaglengte van de zelfinstellende stootdemper is 0,025 m. Figuur 43: Berekening van de effectieve massa NORMEN NORMEN ISO 6431 en 6432 bepalen de inbouwmaten van welbepaalde persluchtcilinders en hun bevestigingen. Dit geeft voordelen bij het bevoorraden en het vervangen van cilinders met dezelfde boring, slaglengte en gemonteerde bevestigingen van verschillende fabrikanten. Deze normen bepalen niet de montage van de bevestigingen op de cilinder. Daardoor passen bevestigingen van een leverancier niet altijd op een cilinder van een andere fabrikant. VDMA is een verbetering van de ISO 6431 betreffende boringen Ø 32 tot 320 mm, met bepaling van meer afmetingen, in het bijzonder wat betreft de asafstand van de trekstangen en de montage van de bevestigingen op de cilinder. Een cilinder die voldoet aan deze norm is daarom uitwisselbaar op bestaande bevestigingen van een andere fabrikant. HYGIENE VOOR DE VOEDSELINDUSTRIE In verband met voedselveiligheid gelden in deze tak van de industrie speciale regels voor wat betreft de hygiëne. Cilinders die in aanraking kunnen komen met voedsel dienen te voldoen aan de Europese norm EN Deze norm stelt ondermeer eisen aan de schoonmaakbaarheid, niet-giftigheid en corrosiebestendigheid. De eisen ten aanzien van het schoonmaken luiden: dat dode hoeken niet mogen, oppervlakken niet ruw mogen zijn en dergelijke. In de voedselindustrie wordt veel met a g ressieve schoonmaakmiddelen gewerkt en niet alleen moeten de metalen delen van de cilinder hiertegen bestand zijn maar ook de afdichtingen uit kunststof. Deze eisen resulteren in voor dit doel speciaal ontworpen roestvast stalen cilinders. Ook in andere sectoren van de industrie kunnen zij gebruikt worden zoals de farmaceutische industrie, waar immers ook met producten voor menselijke consumptie gewerkt wordt. NIET-STANDAARD AFMETINGEN Heel wat cilinderreeksen voldoen aan geen enkele norm. H i e rdoor hebben gebruikers het voordeel dat de laatste innovaties op gebied van vormgeving en compactere constructies kunnen gefabriceerd worden, wat resulteert in globaal kleinere inbouwmaten. Anderzijds kunnen ook zeer robuuste cilinderreeksen gefabriceerd worden buiten de gewone standaard norm. Bijkomend worden ook speciale cilinders gefabriceerd speciaal op maat voor de inbouw in een bepaalde machine. W1 = 10 x = 5 Nm W2 = 100 x 0,025 = 2,5 Nm W3 = 2,5 + 5 = 7,5 Nm me = 2 x 7,5 1 2 = 15 kg Selecteer een stootdemper die de totale energie per slag (W3) kan afvoeren en waarvan de effectieve massa (me) binnen de toegestane grenzen valt. 20

19 SOORTEN CONSTRUCTIES RONDCILINDERS Dit zijn meestal lichte cilinders met kleine tot middelgrote boring. In hoofdzaak bestaan er twee uitvoeringen: Met gefelste deksels en bodems Dit zijn economisch gunstige uitvoeringen met boringen van Ø 8 tot 63 mm (figuur 44). De cilinders hebben een levenslange smering en kunnen niet gedemonteerd worden. Roestvast stalen (Martensitisch) zuigerstang, aluminium deksels, niet-magnetische roestvast stalen (Austenitisch) buis, polyurethaan schraapring, nitrilrubberen zuigerpakking en O- ringen. Figuur 44: Rondcilinder reeks RT/57000 Met geschroefde deksels en bodems Dit zijn robuustere uitvoeringen met boringen Ø 32 tot 80 en zelfs 100 mm.deze modellen zijn wel demonteerbaar en w o rden dan ook als variante met roestvaste materialen uitgevoerd. KLEINE ISO CILINDERS ISO 6432 cilinders met boringen Ø 10 tot 25 mm, enkel- en dubbelwerkend. Deze kunnen eveneens gefelst uitgevoerd worden (figuur 45) of geschroefd uit roestvaste materialen. Bevestiging is mogelijk met behulp van een moer aan bodemof dekselzijde of met een bestaand bevestigingsoog in de bodem. Roestvast stalen (Austenitisch) zuigerstang. Beschikbaar met elastische of regelbare buffers. Figuur 45: ISO miniatuur reeks RM/8000 COMPACT CILINDERS Door hun constructie hebben deze cilinders ongeveer 1/3 van de lengte van een overeenkomende ISO cilinder. Zij worden dan ook veel gebruikt voor korte slaglengten en voor deze toepassingen waar een beperkte inbouwmaat gewenst is. D a a rom zijn deze modellen steeds zonder pneumatische buffers en worden zij compact cilinders genoemd. Bij deze cilinders bestaan ook twee uitvoeringen: Een gefelste uitvoering die niet demonteerbaar is voor kleine boringen Ø 12 tot 40 mm Zowel de enkelwerkende als de dubbelwerkende cilinders hebben een magneetzuiger (figuur 46). Het geëxtru d e e rd e b u i s p rofiel heeft g e ï n t e g re e rde gleuven voor de bevestiging van Reed contacten en m a g n e e t s c h a k e l a a r s. Figuur 46: Een gefelste compact cilinder Een uitvoering met demonteerbare bodem en deksel Ø 12 tot 125 mm. De dekselbevestiging kan met bouten gebeuren, met c i rc l i p s / r i n g v e ren of met trekstangen. Een onderh o u d s b e u rt is bij deze uitvoering dus mogelijk. Figuur 47 illustre e rt zo een cilinder waar deksel en bodem met bouten vastgeschroefd zijn op het p rofiel. Zeer speciaal aan deze compact cilinders is nu dat bodem en deksel voorzien zijn van 4 getapte gaten. De asafstand van deze getapte gaten is, voor de boringen vanaf Ø 32 mm, identiek gemaakt aan deze van de ISO/VDMA cilinders h i e ronder verm e l d. Dit re s u l t e e rt in het g rote voordeel dat de bevestigingen van Figuur 47: Compact cilinder, reeks M/ de zeer populaire VDMA cilinder (figuur 48) tevens kunnen gebruikt worden voor deze compact cilinders. Roestvast stalen zuigerstang, geanodiseerd aluminium buis, deksels uit vernikkeld messing of geanodiseerd aluminium, afdichtingen uit polyurethaan en acetal schraapring. PROFIELCILINDERS ISO/VDMA/NFE Licht profiel, enkel- en dubbelwerkende cilinders met trekstangen in het buisprofiel, magneetuitvoering en niet-magneetuitvoering. Afmetingen conform ISO 6431, VDMA en NFE , met een ruime keuze bevestigingen (figuur 52). R e g e l b a re buffering op einde slag. Boringen van 32 tot 125 mm. Werken met gefilterde perslucht, gesmeerd of o n g e s m e e rd, bij een werkdruk van 1 tot 16 bar. De standmelders worden verzonken in het profiel gemonteerd. Zuigerstang uit roestvast staal of hardverchroomd, aluminium buisprofiel, deksels uit aluminiumlegering, zuiger- en stangpakkingen uit polyurethaan en O-ringen uit nitrilrubber. Figuur 48: Profielcilinders ISO/VDMA PRA/

20 ISO/VDMA/NFE CILINDERS (MET RONDE BUIS) Reeks dubbelwerkende cilinders, met boring 32 tot 320 mm, met externe trekstangen (figuur 49). Deze cilinders werken met g e f i l t e rde perslucht, gesmeerd of ongesmeerd, bij een werkdruk van 1 tot 16 bar (boring 32 tot 200 mm) en 1 tot 10 bar (boring 250 tot 320 mm). Roestvast stalen of hardverchroomde zuigerstang, aluminium buis, deksels uit gegoten aluminium en afdichtingen uit nitrilrubber. Eveneens beschikbaar in enkelwerkende uitvoering. Voor de voedingsindustrie en de scheikundige industrie bestaan deze cilinders ook uit roestvaste materialen, namelijk roestvast stalen buis, bodem, deksel en trekstangen. BEVESTIGINGEN Naargelang de toepassing wordt een cilinder vast of scharnierend in een machine ingebouwd. De bevestigingsp u n t e nzijn het cilinderlichaam en de zuigerstang. Bij vele toepassingen laat de bevestiging op de zuigerstang een scharnierbeweging toe in een of meerdere vlakken. Bij a n d e re toepassingen is de zuigerstang vrij Figuur 51: Bevestigingen en dient zij enkel om de duwkracht voor kleine ISO cilinders over te brengen. De figuren 51 en 52 tonen een reeks standaard bevestigingen voor cilinders met kleine boring en voor cilinders met trekstangen. Figuur 49: Cilinder met trekstangen ISO/VDMA RA/8000 UITVOERING VOOR DE ZWARE INDUSTRIE Uitermate robuuste cilinders, met versterkte onderdelen, zware constructie met trekstangen. Met extra zware zuigerstang en instelbare verlengde buffering. Norgren heeft hierin 2 series. - Z w a re industrie-uitvoering RM/900 serie met boringen Ø 1.1/4 tot 14. Zuiger, deksel en bodem uit aluminium. Zuigerstang uit roestvast staal (Martensitisch) en tre k s t a n g e n uit verzinkt staal. Buis uit geanodiseerd aluminium (Ø 1.1/4 tot 8 ) en uit staal (Ø 10 tot 14 ). Deze laatste zijn op aanvraag ook uit aluminium leverbaar. We r k d ruk 2 tot 10 bar. - Extra zware industrie-uitvoering M/1000 serie met boringen Ø 2 tot 12. Zuigerstang uit hardverchroomd staal (op aanvraag roestvast staal). De buis is uit koudgetrokken staal, inwendig hardverchroomd, zuiger uit staal. Bodem en deksel uit gietstaal. Werkdruk 2 tot 17 bar (Ø 2 tot 8 ) en 2 tot 13,5 bar (Ø 10 en 12 ). Deze cilinders zijn ideaal voor gebruik in extreme omstandigheden zoals in de mijnbouw, staalnijverheid, gieterijen en andere speciale t o e p a s s i n g e n op aanvraag. Figuur 50: Cilinder zware constructie RM/900 Figuur 52: Bevestigingen voor ISO/VDMA/NFE cilinders en tevens voor compact cilinders 22