Siłownik elektryczny – budowa, obliczenia, dobór, zasada działania

Spis treści (kliknij aby szybko przejść)

• Co to jest siłownik elektryczny?
• Siłownik elektryczny zasada działania
• Sterowanie siłownikiem elektrycznym za pomocą przełącznika trójpozycyjnego i dwóch przekaźników
• Zastosowanie siłowników elektrycznych
• Budowa siłowników elektrycznych
• Zalety elektrycznych siłowników liniowych nad systemami hydraulicznymi
• Uproszczone obliczenia przy doborze parametrów siłownika elektrycznego

Co to jest siłownik elektryczny liniowy?

Siłownik elektryczny liniowy to urządzenie, które przekształca ruch obrotowy silnika elektrycznego AC lub DC na ruch liniowy. Ruch liniowy powstaje poprzez obracanie śruby siłownika za pośrednictwem silnika. Śruba obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, co powoduje, że wałek (który jest w zasadzie nakrętką na śrubie) porusza się w linii, w górę i w dół, tworząc efekt pchania / ciągnięcia dla obciążenia.

Siłowniki elektryczne liniowe to urządzenia spotykane już na porządku dziennym tam gdzie potrzebujemy zautomatyzować wykonanie jakiegoś ruchu. Ze względu na prostotę zastosowania i mnogość dostępnych rozwiązań, oraz szerokie spektrum zastosowań, spotykane są nie tylko w przemyśle, ale już w niemalże każdym domu. Można z ich pomocą ułatwić sobie życie realizując np. otwieranie bramy, drzwiczek, klap, opuszczanie schodów itp. Szczerze powiedziawszy ogranicza tu nas tylko nasza wyobraźnia. W niektórych przypadkach siłowniki te pozwalają również zastąpić droższe i bardziej skomplikowane układy oparte o siłowniki pneumatyczne czy hydrauliczne.

Termin „siłownik liniowy” obejmuje szeroką gamę produktów; każdy rodzaj wygląda i działa inaczej. W tym artykule skupimy się jednak na elektrycznych siłownikach liniowych.

Siłownik elektryczny zasada działania

Silnik liniowy napędza śrubę, powoduje to wysuwanie, bądź chowanie się tłoka. Do zwiększenia momentu, czyli siły działania tłoka, używa się przekładni mechanicznej. Aktuator liniowy śrubowy, to jeden z najpopularniejszych typów siłowników elektrycznych liniowych.

Siłowniki elektryczne przydają się wszędzie tam, gdzie maszyna pcha lub ciągnie, podnosi lub opuszcza, z grubsza pozycjonuje lub obraca ładunek. Elektryczne siłowniki liniowe zapewniają również bezpieczne i czyste ruchy z dokładnym sterowaniem i pełną kontrolą operatora. To energooszędne z długą żywotnością.

Sterowanie siłownikiem elektrycznym za pomocą przełącznika trójpozycyjnego i dwóch przekaźników

Siłowniki elektryczne są szeroko wykorzystywane w różnego rodzaju maszynach, stosowanych w medycynie, technice przemysłowej, do poprawienia ergonomii pracy czy też w prostych czynnościach domowych jak np. automatyczne otwieranie okien. Poniżej prezentujemy bardzo prosty sposób sterowania siłownikiem elektrycznym za pomocą przełącznika piórkowego, trzypozycyjnego oraz dwóch przekaźników.

Poniższy schemat obrazuje układ.

1. Budujemy szynę zasilania

W pierwszej kolejności musimy zbudować szynę zasilania. Przewód z minusa zasilacza podłączamy do niebieskich złącz, będzie to nasz wspólny minus. Plus zasilacza przez bezpiecznik do złącz szarych, to będzie nasz wspólny plus.

My wykorzystamy bezpiecznik topikowy, który w razie zwarcia, bądź zblokowania silnika stopi się odcinając zasilanie. (Bezpiecznik taki trzeba wymienić w przypadku jego zadziałania) Zabezpieczy nam to elementy układu przed zniszczeniem. Warto dobrać bezpiecznik do prądu sterowanego siłownika. Dla tego siłownika zalecamy bezpiecznik 3A.

Do złącz śrubowych będziemy podłączać urządzenia potrzebujące zasilania. Takie rozwiązanie sprawdza się w przypadku, gdy musimy zasilić kilka elementów układu i zachować schludność całej konstrukcji.

2. Podłączamy przełącznik

Wykorzystujemy przełącznik trójpozycyjny z dwoma stykami NO, w pozycji pierwszej aktywowany jest pierwszy styk NO, w pozycji drugiej żaden styk nie jest zwarty, a w pozycji trzeciej analogicznie aktywowany jest drugi styk NO. Takie działanie wykorzystamy do wysuwu, zatrzymania i chowania tłoczyska. Przełącznik taki zabezpiecza nam też układ przed aktywowaniem obu przekaźników jednocześnie (co spowoduje zwarcie).

Do obu zacisków NO (oznaczonych 11 i 23) przełącznika podłączamy zasilanie z szarego złącza zasilania (plusa). Złącza, które odbierają ten sam sygnał bądź maja te same zasilanie, możemy zewrzeć ze sobą i połączyć jednym przewodem. Tak jak na widocznym zdjęciu

Następnie ze złącz wyprowadzamy przewody które podłączymy do: pierwszy do złącza A1 przekaźnika K1, drugi do złącza A1 przekaźnika K2.

3. Podłączenie przekaźników

Przekaźnik to urządzenie które przy pomocy cewki i mechanicznego styku przerywa i łączy nam obwód elektryczny. Zastosowane przekaźniki mają trzy styki NO (normalnie rozwarty) NC (normalnie zwarty) oraz COM (wspólny). Wysterowanie przekaźnika powoduje przełączenie pomiędzy COM a NC na COM z NO . Zaleta przekaźników jest to że możemy sterować obwodem dużej mocy, za pomocą małego prądu.

W obu przekaźnikach złącza A2 i NC (oznaczne 12) podłaczamy do minusa czyli do niebieskiego bloczku zasilania.

Złącza NO (oznaczone 14) do szarego bloczku zasilania czyli do plusa.

4. Podłączenie siłownika

Siłownik elektryczny to nic innego jak zwykły silnik prądu stałego z zabudowanym specjalnym mechanizmem śrubowym i przekładnią. Jeżeli na silnik prądu stałego podamy napięcie to jego oś zacznie się obracać, a specjalny mechanizm przy pomocy przekładni śrubowej wypchnie lub wsunie nam tłoczysko. To czy taki silnik obraca się w lewo czy w prawo zależy od polaryzacji napięcia zasilania. Jeżeli na teoretyczny minus silnika podamy plus a na teoretyczny plus podamy minus to silnik prądu stałego zacznie obracać się w przeciwnym kierunku.

Czerwony grubszy przewód podłączamy do złącza COM (oznaczonego 11) przekaźnika K1 i podobnie z czarnym grubszym przewodem, podłączamy go do złącza COM (oznaczonego 11) przekaźnika K2.

5. Uruchomienie sterowania siłownikiem elektrycznym

Przed uruchomieniem sterowania siłownikiem elektrycznym upewnijmy się czy wszystko jest dobrze podłączone i przede wszystkim, czy nigdzie nie ma zwarcia.

Gdy sprawdzimy już taki układ, możemy go włączyć. Siłownik w zależności od pozycji przełącznika powinien wsuwać się, wysuwać bądź stać w miejscu (w przypadku pozycji środkowej).

Jeżeli chcemy odwrócić działanie siłownika, to wystarczy że zamienimy przewody siłownika miejscami.

Poniżej lista elementów do zbudowania sterowania siłownikiem elektrycznym.

Siłownik elektryczny liniowy FY017 750N 10mm/s skok 100mm – lub dowolny inny siłownik. Ważne aby napięcie pracy siłownika było takie same jak napięcie cewki przekaźnika.

2x Przekaźnik interfejsowy na szynę DIN z cewką o takim samym napięciu pracy jak napięcie pracy siłownika, tu 24VDC

Przełącznik piórkowy ze stykami 2xNO

Gniazdo bezpiecznika na szynę DIN lub inne gniazdo bezpiecznika

Bezpiecznik 5x20mm 3.15A

Zastosowanie siłowników elektrycznych

Siłownik elektryczny przez lata znalazły zastosowanie w takich obszarach jak:

– Podnośniki do urządzeń kuchennych
– Pełna kontrola przepustnicy
– Włazy do silników okrętowych
– Regulatory pługów śnieżnych
– Branża medyczna
– Panele słoneczne
– Drzwi przesuwne
– Animatronika i robotyka

Rysunek 1 Jedne z zastosowań siłowników elektrycznych. Sterowane siłownikiem liniowym fotele stomatologiczne

Siłownik elektryczny budowa

Rysunek 2 Siłownik elektryczny budowa

Budowa najpopularniejszego siłownika elektrycznego liniowego to silnik elektryczny – może być zasilany prądem stałym, lub przemiennym o różnych wartościach. Dalej mamy przekładnię zębatą często wielostopniową, lub przekładnię ślimakową. Na końcu jest śruba trapezowa, bądź kulowa wraz z nakrętką na której zamocowany jest nasz element wykonawczy w postaci tłoka.

Budowa elektromechanicznego siłownika liniowego

Większość projektów elektromechanicznych zawiera śrubę i nakrętkę pociągową, podczas gdy niektóre wykorzystują śrubę i nakrętkę kulową. W każdym przypadku śruba może być podłączona do silnika lub ręcznego pokrętła sterującego bezpośrednio lub poprzez szereg kół zębatych. Przekładnie są zwykle używane, aby umożliwić mniejszemu, słabszemu silnikowi, obracającemu się z większą prędkością obrotową, zmniejszenie prędkości, aby zapewnić moment obrotowy niezbędny do obracania
śruby pod większym obciążeniem, niż silnik byłby w stanie napędzać bezpośrednio.

Ogólnie rzecz biorąc, takie podejście skutecznie poświęca prędkość liniowego siłownika na rzecz zwiększonego ciągu aktuatora. W niektórych zastosowaniach powszechne jest użycie przekładni ślimakowej, ponieważ takie podejście pozwala na zastosowanie mniejszych wymiarów wbudowanych, jednocześnie pozwalając na większą długość przesuwu.

W standardowych siłownikach elektrycznych, silnik przymocowany jest równolegle do boku siłownika, jako oddzielny cylinder, bądź prostopadle do siłownika.. Silnik napędowy ma typową konstrukcję z solidnym wałem napędowym, który jest zazębiony z nakrętką napędową lub śrubą napędową siłownika.

1. Tylne widełki
2. Obudowa silnika
3. Silnik prądu stałego
4. Przekładnia
5. Wyłączniki krańcowe
6. Wrzeciono
7. Kraniec bezpieczeństwa
8. Rura zewnętrzna
9. Rura wewnętrzna
10. Przednie widełki
11. Uszczelka
12. Nakrętka napędowa

Jakie są rzeczywiste przykłady tego, co może zrobić siłownik elektryczny?

Na przestrzeni czasu powstało wiele odmian podstawowej konstrukcji siłownika liniowego. Większość skupia się na zapewnieniu ogólnych ulepszeń, takich jak wyższa sprawność mechaniczna, prędkość lub nośność. Istnieje również duży ruch inżynieryjny w kierunku miniaturyzacji siłowników liniowych. Niektórzy producenci uważają, że im mniejszy siłownik liniowy, tym lepiej. Nie musi to oznaczać oszczędności kosztów, a raczej pożądane jest zmniejszenie całkowitego rozmiaru i ciężaru systemu sterowania ruchem siłownika liniowego.

Kombinacje ruchu, położenia, prędkości i siły — projektanci integrujący siłowniki liniowe ze sprzętem muszą dokładnie przeanalizować ich zastosowanie, aby określić, czy ruch, siła, położenie lub prędkość są podstawowym wymogiem operacyjnym, czy też aplikacja wymaga kombinacji wszystkich z nich.

Zalety elektrycznych siłowników liniowych nad systemami hydraulicznymi

Elektryczne siłowniki liniowe są idealnym rozwiązaniem, gdy potrzebujemy proste, bezpieczne, a przede wszystkim dokładne i płynne sterowanie ruchem. System siłownika zawiera szerokie spektrum regulacji, takie jak przechylanie, pchanie, ciągnięcie i podnoszenie z dość dużymi siłami.

Układ hydrauliczny jest zdolny do pracy z ogromnymi siłami, ale te układy wymagają pomp wysokociśnieniowych, zaworów wysokociśnieniowych i orurowania oraz zbiornika do przechowywania całego płynu hydraulicznego.

Siłownik hydrauliczny wykorzystuje płyn do popychania tłoka do tyłu i do przodu, podczas gdy elektryczny siłownik liniowy wykorzystuje silnik prądu przemiennego lub silnik prądu stałego do napędzania śruby pociągowej. Śruba pociągowa jest wyposażona w nakrętkę, która przekształca ruch obrotowy w ruch liniowy.

Z operacyjnego punktu widzenia korzystanie z hydrauliki ma wady. Najważniejszym z nich jest bardzo mała precyzja kontroli.

Elektryczny siłownik liniowy ma długą żywotność przy niewielkiej lub żadnej konserwacji. Zapewnia to bardzo niski całkowity koszt eksploatacji w porównaniu z innymi systemami.

Systemy siłowników elektrycznych są ciche, czyste, nietoksyczne i energooszczędne. Spełniają stale rosnące wymagania i przepisy dotyczące sprzętu przyjaznego dla środowiska.

Nie zaleca się aplikacji, w których możliwe są ostre zatrzymania, ponieważ może to prowadzić do zakleszczenia siłownika. Przykładem zakleszczania jest nadmierne przesuwanie wyłączników krańcowych, wewnętrzne zakleszczanie nakrętki i śruby na skrajnych końcach suwu lub kierowanie siłownika na nieruchomy obiekt, a tym samym poważne przeciążenie siłownika.

Obciążenie statyczne a obciążenie dynamiczne – jaka jest różnica?

Obciążenie dynamiczne lub podnoszące to siła, która zostanie przyłożona do siłownika liniowego podczas jego ruchu. Obciążenie statyczne, czasami nazywane obciążeniem trzymającym, to siła, która zostanie przyłożona do siłownika liniowego, gdy nie jest w ruchu. Obciążenie dynamiczne jest tym, czego potrzebujesz, aby coś przesunąć, a obciążenie statyczne jest tym, czego potrzebujesz, aby utrzymać to coś na miejscu.

W jakim kierunku można przykładać obciążenia do siłowników liniowych?

Siłowniki elektryczne mogą być używane w aplikacjach rozciągania, ściskania lub kombinacji. Nazywamy to siłą pchającą lub ciągnącą. Należy unikać załadunku bocznego lub krzyżowego. W sytuacji, gdy nie da się uniknąć bocznego obciążenia, możliwe jest zastosowanie w ich systemie prowadnic liniowych lub prowadnic szufladowych. Szyna ślizgowa może wytrzymać znacznie większe obciążenia boczne niż siłownik. Dzięki zmniejszeniu obciążenia bocznego siłownik liniowy może pracować ze swoją maksymalną siłą.

Czy obciążenie boczne jest dopuszczalne na siłownikach elektrycznych?

Obciążenie boczne lub obciążenie promieniowe to siła przyłożona prostopadle do osi siłownika elektrycznego. Obciążenie mimośrodowe to każda siła, której środek ciężkości nie działa przez oś wzdłużną siłownika. Powinniśmy unikać obciążeń bocznych i mimośrodowych, ponieważ mogą powodować zakleszczanie, a tym samym skracać żywotność siłownika liniowego. Jeśli jednak w aplikacji użyjesz prowadnicy, będzie miało to duży wpływ na to, jak duże obciążenie można zastosować. Umieszczenie poruszanego przedmiotu na prowadnicy umożliwia przenoszenie ciężaru bez ryzyka przejęcia całej masy przez aktuator liniowy.

Czy siłownik elektryczny ma wyłącznik krańcowy?

Znaczna część siłowników dostępnych na rynku jest wyposażona w wyłączniki krańcowe, które mają za zadanie uniemożliwienie siłownikowi dalszego ruchu w danym kierunku i co za tym idzie zabezpieczenie siłownika i poruszanego elementu. Niektóre z tych siłowników pozwalają na swobodną regulację wyłączników krańcowych, co pozwala nam na dowolne ustawienie zakresu ich pracy. Za przykład tutaj mogą posłużyć siłowniki z serii Super Power Jack, w których wyłączniki krańcowe są wyzwalane poprzez ustawialne krzywki – dokładny opis czynności mogą Państwo sprawdzić tutaj. W pozostałych siłownikach z naszej oferty niestety takiej możliwości nie ma bez ingerencji w konstrukcję urządzenia.

Dla siłowników nieposiadających krańcówek stosuje się zewnętrzne wyłączniki dowolnego rodzaju, które będą wygodne dla konstruowanej aplikacji i spełnią tą samą funkcję, bądź wyłączniki przeciążeniowe (zalecane jako dodatkowe zabezpieczenie do każdej aplikacji).

Rysunek 3 Wyłącznik krańcowy LTZ z oferty sklepu www.ebmia.pl

Wyłączniki krańcowe są istotnym elementem siłowników, ponieważ zapobiegają spaleniu siłownika i zablokowaniu silnika po osiągnięciu końca skoku. Wyłącznik krańcowy po prostu odcina zasilanie silnika.

Zewnętrzne wyłączniki krańcowe zapewniają elastyczność w ustawianiu limitów ruchu w systemie celem dopasowania do konkretnego zastosowania. Klient jest odpowiedzialny za prawidłowe ustawienie wyłącznika krańcowego w urządzeniu. Jeśli wyłączniki krańcowe nie są ustawione lub są ustawione nieprawidłowo, urządzenie może ulec uszkodzeniu podczas pracy.

Siłowniki elektryczne wyposażone w sprzężenie zwrotne w postaci np. impulsatora, potencjometru, czy enkodera

Są również dostępne siłowniki wyposażone w sprzężenie zwrotne w postaci np. impulsatora, potencjometru, czy enkodera. Siłowniki takie umożliwiają regulację swojego wysuwu, jak również pozwalają na zastosowanie w aplikacjach wymagających pozycjonowania. W przypadku impulsatorów czy enkoderów inkrementalnych do sterownika układu będzie wysyłana odpowiednia liczba impulsów na każdą przyjętą jednostkę miary, przykładowo o przebyciu każdych 10mm będzie nas informowało 100 impulsów. Przy tego typu sprzężeniu będziemy mogli swobodnie sterować pozycją siłownika, ale przy każdym włączeniu zasilania układ będzie musiał podążyć do ustalonego punktu referencyjnego (wykonać tzw. Bazowanie), aby mógł wiedzieć gdzie się znajduje. Ta cecha będzie wyróżniała potencjometry i enkodery absolutne – znajdą one zastosowanie tam gdzie układ sterujący zawsze musi wiedzieć gdzie znajduje się siłownik. Takimi siłownikami możemy regulować np. stopień otwarcia zsypu czy przepływ szybu wentylacyjnego, aż po bardziej skomplikowane zastosowania jak np. prasy belujące czy poziomowanie elementów.

Sterowanie siłownikami elektrycznymi

Co do sterowania siłownikami to w przypadku aplikacji działających na zasadzie otwórz-zamknij zmiana kierunku pracy odbywa się poprzez odwrócenie polaryzacji zasilania silnika. W tym celu możemy wykorzystać prosty przełącznik piórkowy np. LAS0-A3Y-11X z dodatkową parą styków czy też nawet przycisk czy przełącznik klawiszowy/dźwigniowy. Oczywiście przyciski sterownicze raczej nie są przystosowane do przełączania takich obciążeń jak silniki DC czy AC ale jest to najtańsze i najprostsze rozwiązanie. Dla przedłużenia żywotności można włączyć do takiego układu przekaźniki (przynajmniej 1 w układzie DPDT), koszt wzrośnie nieznacznie a z pewnością urządzenie będzie pracowało dużo dłużej. Przy niewiele większym budżecie możemy już kupić gotową płytkę przekaźnikową sterowaną np. radiowo. Na to rozwiązanie ze względu na wygodę i również niewielki stopień skomplikowania decyduje się znaczna większość. Płytkę taką zasilamy, programujemy jej piloty, następnie podłączamy siłownik wraz z jego zasilaniem i gotowe. Szczegóły takiej operacji można znaleźć na stronie produktu tutaj.

Jakiego typu silniki wykorzystują siłowniki liniowe?

Siłowniki elektrtyczne są dostępne z silnikami AC lub DC. Jednak każdy zakres ma preferowane typy standardowe. Silniki prądu stałego są najbardziej popularne i zwykle mają napięcie 12 woltów.

Silniki 24 V są używane w bardziej przemysłowych zastosowaniach lub w siłownikach o dużej sile, gdzie są dużo bardziej wydajne. Dostępne są również siłowniki o napięciu 36VDC.

Silniki prądu przemiennego to silniki jednofazowe 220-240 VAC, silniki trójfazowe 220-240/380-415 VAC (50/60 Hz) lub silniki 24 VAC.

O ile nie zaznaczono inaczej, napęd wsteczny jest możliwy we wszystkich elektrycznych siłownikach liniowych. Ruch wsteczny występuje wtedy, gdy przykładana jest siła większa niż siła statyczna, co pozwala na ruch wału siłownika bez przyłożenia potrzeby użycia siły. Siłowniki, które wykorzystują śrubę kulową, z reguły są wyposażone w hamulec elektryczny (zwykle montowany na silniku), aby zapobiec cofaniu się obciążonego siłownika.

Do poprawnej i bezawaryjnej pracy siłownika elektrycznego, podczas instalacji należy pamiętać o układzie zabezpieczającym siłownik przed jego przeciążeniem. A centralka ułatwi nam sterowanie siłownikiem.

Temat sterowania siłownikiem został poruszony w artykule ( link).

Uproszczone obliczenia przy doborze parametrów siłownika elektrycznego

Przy zastosowaniu siłownika liniowego należy wziąć pod uwagę względy elektryczne i mechaniczne. Czasami wybór odpowiedniego rozmiaru i siły może być trudny. Na przykład, siłownik może wytrzymać dwukrotnie większą wagę niż klapa pod względem siły, ale nadal ma trudności z jej otwarciem. Może się to zdarzyć z powodu kąta przyłożenia siły lub niewystarczającej dźwigni.

W trakcie tego artykułu udostępnimy schemat uproszczonych obliczeń, które dadzą dobry punkt wyjścia do spełnienia wymagań dotyczących siły i długości skoku dla siłownika liniowego.

Ruch liniowy siłownika elektrycznego

Kiedy mówimy o ruchu liniowym, mamy na myśli ruch ładunku liniowy, może to być podnośnik lub pompa. Artykuł będzie głównie dotyczył ruchu pionowego, ale te same techniki mogą być przydatne również do analizy ruchu poziomego. Rzućmy okiem na przykład poniższego rysunku.

Rysunek 1 Ruch liniowy siłownika elektrycznego pod kątem

Mamy tutaj siłownik elektryczny ustawiony pod kątem, który próbuję przenieść masę w górę. Masa ma rolki po obu stronach, które wskazują, że może poruszać się tylko w górę/dół. Miejsca montażu na przednim i tylnym końcu siłownika są ustalone na swoim miejscu, dzięki czemu mogą się tylko obracać.

Obliczanie długości skoku siłownika elektrycznego

Gdyby X1 było 0, siłownik liniowy nie byłby już ustawiony pod kątem, więc odległość w pionie, jaką przebyłoby obciążenie, byłaby równa skokowi.

Jeśli X1 = 0 wtedy Y2=S

Zbadajmy trudniejszy przypadek, w którym X1 nie jest równe 0. Wtedy, aby uzyskać pionowy ruch obciążenia, siłownik elektryczny musiałby się zarówno wysunąć, jak i obrócić. Jest to korzystne, ponieważ siłownik zajmuje mniej miejsca. Długość skoku nie będzie równa przemieszczeniu pionowemu. Aby znaleźć długość skoku, musielibyśmy sięgnąć po lekką matematykę.

Należy pamiętać, że skok jest po prostu różnicą między długością siłownika całkowicie wysuniętego, a długością siłownika całkowicie wycofanego.

S = L2 – L1

Całkowicie wsunięte i wysunięte siłowniki są przeciwprostokątną trójkąta, który tworzy tylne i przednie mocowania.

Rysunek 2 Znajdowanie długości wsuniętej (L1) i wysuniętej (L2) siłownika

Korzystając z tej metody, możemy poznać długość skoku, która odpowiadałaby pożądanej pionowej odległości ruchu masy. Zgodnie ze wzorem, im mniejsza wartość X1, tym większa długość skoku odpowiadałaby przemieszczeniu pionowemu. Jeśli X1 jest duże, małe wzrosty długości skoku będą prowadzić do dużych zmian w pionowej odległości przesuwu.

Jeśli siłownik został ustawiony ściśle pionowo, zmiana wysokości będzie po prostu równa wydłużeniu siłownika. Ustawienie siłownika pod kątem zwiększy całkowity zakres ruchu liniowego masy, a sam siłownik zajmie mniej miejsca. Mając to na uwadze, spowodujemy pewne obciążenie boczne. Musimy więc uważać, aby nie doprowadzić do zgięcia pręta siłownika. Przy ustawianiu siłownika pod takim kątem zaleca się krótsze skoki.

Rysunek 3 Porównanie długości skoku i odległości przemieszczenia dla ruchu liniowego

Obliczanie oceny siły siłownika liniowego

Możemy dalej korzystać z zasady trójkątów, aby znaleźć siłę siłownika. Należy zauważyć, że jeśli siłownik jest ustawiony pod kątem, siła, którą wywiera, zostanie podzielona na składową poziomą i pionową. Składowa pozioma siły nie przyczynia się do ruchu. Składowa pionowa siły będzie pchała masę do góry, więc musimy upewnić się, że przez cały czas siła zapewniana przez siłownik jest wystarczająca.

Rysunek 4Rozkład siły dla ruchu liniowego

Zaczynamy od obliczenia siły pionowej masy.

Możemy obliczyć wymaganą siłę pionową siłownika w następujący sposób:

Tutaj używamy L1, ponieważ siłownik będzie miał najmniejszą siłę pionową po całkowitym wycofaniu. Wybierając siłownik musimy upewnić się, że jest on odpowiedni do działania siły dynamicznej i statycznej większej niż obliczona przez nas wartość F total.

Ruch obrotowy siłownika

Kiedy mówimy o ruchu obrotowym, mamy na myśli to, że ładunek lub masa obraca się wokół jakiejś osi. Może to być aplikacja z otwieranymi drzwiami lub włazem. Może to być nawet przechylanie skrzyni ładunkowej na ciężarówce.

Rysunek 5 Ruch obrotowy z siłownikiem pod kątem

Na rysunku (5) patrzymy na widok z boku pionowych drzwi lub włazu, który jest przygotowany do otwierania za pomocą siłownika liniowego. Całkowite wycofanie siłownika jest wskazywane przez pozycję ①, a pełne wysunięcie jest wskazywane przez pozycję ②. Siłownik montowany jest pod kątem, zarówno w pełnym wysunięciu, jak i w pełnym wycofaniu.

Przykładem jest użycie siłownika liniowego zamontowanego pod kątem, aby zapewnić ogólny podgląd. Jeśli chcesz poznać długość skoku i siłę siłownika, gdy jest on zamontowany prostopadle do drzwi, możesz bazować na podstawie wcześniejszych wzorów , ale przyjmij następujące wartości:

Dla siłownika prostego → Y1 = Y2

Obliczanie długości skoku siłownika

Posłużymy się tą samą metodą trójkąta, której użyliśmy w sekcji ruchu liniowego. Jedyną zmianą jest to, że tym razem trójkąty są inaczej skonstruowane.

Rysunek 6 Znajdowanie długości siłownika wciągniętego (L1) i wysuniętego (L2)

Tak jak poprzednio, długość skoku jest różnicą pomiędzy długością siłownika w pełni wysuniętym i wsuniętym. Możemy to obliczyć w następujący sposób:

S = L2 – L1

W takim przypadku długość skoku siłownika w dużej mierze zależy od umiejscowienia mocowań z przodu i z tyłu. Im bliżej zawiasu drzwi przyłożymy uchwyt czołowy, tym mniej siłownik będzie musiał przebyć, aby otworzyć/zamknąć drzwi. Podobnie, im bliżej zawiasu jest tylne mocowanie, tym mniejszy skok potrzebny jest do otwarcia drzwi.

Istnieje punkt przegięcia, w którym siłownik jest przesunięty dalej od zawiasu, nie powoduje to dużych zmian w długości skoku siłownika, ponieważ długość siłownika jest ściśle dopasowana do długości drzwi, a większość ruchu odbywa się poprzez obrót. Jest to jednak najmniej odpowiednia pozycja dla siłownika, ponieważ dźwignia może ulec wygięciu, ale omówimy to w dalszych sekcjach.

Rysunek 7 Długość skoku w stosunku do pozycji mocowania z przodu (czyli odległość od mocowania z przodu do zawiasu drzwi)

Rysunek 8 Długość skoku w stosunku do pozycji mocowania z tyłu

Na Rysunku 8 widać, że zmieniające się położenie tylnego mocowania wpływa na wymaganą długość skoku, ale efekt ten ma tendencję do niwelowania się dość szybko.

Obliczanie siły siłownika

Aby znaleźć siłę znamionową dla naszego siłownika, będziemy musieli określić oczekiwane obciążenie drzwi. Ponieważ drzwi obracają się wokół zawiasów, sama znajomość masy drzwi nie wystarczy do określenia siły wywieranej na siłownik. W tym zastosowaniu będziemy musieli znaleźć masowy moment bezwładności drzwi.

Intuicyjnie wiemy, że otwieranie drzwi za pomocą klamki (znajdującej się daleko od zawiasu) jest znacznie łatwiejsze niż otwieranie drzwi przez pchnięcie gdzieś w pobliżu zawiasu.

Moment bezwładności (oznaczony jako I) dla drzwi otwieranych pionowo wokół zawiasu można znaleźć w następujący sposób:

Teraz, gdy mamy moment bezwładności, wiemy jaki moment siłownik musi przyłożyć do drzwi, aby je poruszyć. Dlatego możemy obliczyć siłę w następujący sposób:

Siła ta nazywana jest Fnormal, ponieważ jest to tylko jedna składowa siły przyłożonej do siłownika, a nie pełna siła. Jest to lepiej zilustrowane na rysunku 9. Jak widać, F normal nie działa wzdłuż linii L1 lub L2, lecz pod kątem.

Rysunek 9 Miejsce montażu siłowników

Oznacza to, że musimy przekonwertować Fnormal z siły składowej na pełną siłę siłownika. Ponieważ nasze obciążenie to obracające się drzwi, siła normalna F pozostaje stała, ale obciążenie przyłożone do siłownika się zmienia. Na przykład, gdy siłownik jest całkowicie wsunięty w położenie ①, zawias drzwi przejmuje większość obciążenia. Aktuator liniowy nie będzie doświadczał dużej siły, dopóki nie będzie musiał poruszyć drzwi. Z drugiej strony, gdy siłownik jest w pozycji pełnego wysunięcia ②, zawias drzwi nie podpiera drzwi tak mocno. W takim przypadku siłownik musi utrzymać większość masy drzwi.

Możemy obliczyć siłę wycofaną i wysuniętą potrzebną do działania siłownika. W zależności od warunków montażu, siła w pozycji wysuniętej może być większa, niż siła w pozycji schowanej lub odwrotnie. Z tego powodu musimy obliczyć obie i wybrać najwyższą, aby upewnić się, że nasza aplikacja jest solidna.

Na przykładzie rysunku 9 największa siła zostanie przełożona na siłownik elektryczny, gdy jest on całkowicie wysunięty(ale to chyba każdy wie). Wtedy minimalna siła znamionowa dla siłownika musiałaby być równa lub wyższa niż Fprzedłużony.

Podsumowanie

Podsumowując siłowniki liniowe są bardzo popularnymi urządzeniami, które dzięki prostocie i przekrojowi asortymentu ułatwiają nam wiele zadań nie tylko w pracy, ale również w życiu codziennym. Możemy dzięki nim i odrobinie wyobraźni zautomatyzować wiele czynności czy obowiązków, dzięki czemu nasz czas i uwagę możemy poświęcić innym zajęciom. Artykuł ten pozwolił przyjrzeć się uproszczonym sposobom obliczania pożądanej siły znamionowej i długości skoku dla siłowników liniowych. Równania z tego tekstu można wykorzystać do obliczenia przybliżonych wymagań dotyczących ruchu liniowego i obrotowego obciążenia. Skontaktuj się z nami pod adresem [email protected] w przypadku jakichkolwiek dalszych pytań, a nasz zespół doradców z przyjemnością Ci pomoże.

Aby nie przegapić kolejnych artykułów zachęcamy do zapisania się do newslettera.

Udostępnij