Типы, конструкции и принцип действия пневматических исполнительных двигателей

Быстрый переход по темам

• Шестеренный пневмомотор
• Пластинчатый пневмомотор
• Аксиально-поршневой пневмомотор
• Турбинный пневмомотор
• Мембранный пневмомотор
• Пневмоцилиндр
• Пневмоцилиндр двустороннего действия
• Мембранный пневмоцилиндр
• Сильфонный пневмоцилиндр
• Вращающиеся пневмоцилиндры
• Качательный пневмодвигатель
• Неполноповоротный пневмомотор
• Пневмозамок
• Цепной гидроцилиндр
• Рычажный пневмоцилиндр
• Винтовой пневмоцилиндр

В пневматических приводах, так же как и в гидроприводах, для реализации различных видов движения – вращательного, поступательного и качательного – применяются специальные двигатели. Конструктивные решения таких двигателей во многом аналогичны гидравлическим аналогам, однако они рассчитаны на работу с сжатым воздухом как рабочей средой.

Разнообразие видов исполнительных двигателей

Вращательные движения в пневмоприводах обеспечиваются с помощью различных типов пневмомоторов. На практике наиболее широкое применение получили:

• шестеренные пневмомоторы (рис. ZSK.34.1), отличающиеся простотой конструкции и надежностью;
• пластинчатые пневмомоторы (рис. ZSK.34.2), обладающие компактностью и возможностью плавного регулирования скорости вращения;
• поршневые пневмомоторы (рис. ZSK.34.3), обеспечивающие высокий крутящий момент и применяемые в случаях, когда требуется большая мощность.

Таким образом, выбор конкретного типа пневмомотора определяется условиями работы пневмопривода, требуемыми параметрами (крутящий момент, скорость вращения, КПД) и особенностями технологического процесса.

Исполнительные двигатели, конструкция, схема работы

Рис. ZSK.34.1. Шестеренный пневмомотор

Рис. ZSK.34.2. Пластинчатый пневмомотор

Рис. ZSK.34.3. Аксиально-поршневой пневмомотор

Шестеренные пневмомоторы: принцип работы, конструкция

Шестеренные пневмомоторы (рис. ZSK.34.1) конструктивно и по принципу действия близки к гидравлическим шестерённым моторам, однако ключевым отличием является наличие системы торможения противодавлением, что значительно повышает управляемость и надёжность привода при эксплуатации.

При подаче сжатого воздуха через канал А рабочая среда воздействует на боковые поверхности зубьев шестерён. Под давлением воздуха шестерни начинают вращаться, создавая крутящий момент на выходном валу двигателя. Одновременно воздух проникает во впадины зубьев, заполняя полость В, и далее выходит через открытый клапан 3 в канал Б, обеспечивая непрерывный поток рабочей среды.

Для торможения двигателя используется специальный механизм: рычаг 1 перекрывает клапан 3, блокируя свободный выход воздуха из полости В. В результате давление воздуха в полости В постепенно нарастает, создавая противодействие вращению шестерён и замедляя мотор до полной остановки. Этот процесс обеспечивает плавное торможение и предотвращает резкие ударные нагрузки на зубья и вал.

По мере накопления давления в полости В оно воздействует на клапан 2. Когда сила от давления воздуха превышает усилие, создаваемое управляющим давлением Ру, клапан 2 открывается, обеспечивая сброс избыточного воздуха и предотвращая перегрузку привода. Обычно управляющее давление Ру принимается равным давлению питания пневмомотора, что упрощает настройку системы и делает торможение предсказуемым и легко регулируемым.

Таким образом, сочетание шестерённого механизма и системы торможения противодавлением позволяет шестеренным пневмомоторам обеспечивать плавный пуск, равномерную работу под нагрузкой и безопасное, управляемое торможение. Такие моторы широко применяются в автоматизированных производственных линиях, робототехнических комплексах и технологическом оборудовании, где важны точность вращения и защита от перегрузок.

Пластинчатые пневмомоторы: порядок работы и устройство

Пластинчатые пневмомоторы по принципу работы близки к пластинчатым гидравлическим машинам, но адаптированы для работы с сжатым воздухом. Их конструктивная схема приведена на рис. ZSK.34.2.

Сжатый воздух подводится в корпус 1 через канал 4 и далее распределяется через распределитель 3 в полость Б. Под действием давления пластины 5 выдвигаются, плотно прижимаясь к стенкам статора 2, а ротор 4, установленный эксцентрично, получает вращающий момент и начинает вращаться. Отработанный воздух выходит через нижние отверстия статора в полость Г и далее сбрасывается в атмосферу, обеспечивая непрерывное движение ротора.

Для изменения направления вращения достаточно повернуть затвор распределителя 3 на 90°, что перенаправляет поток воздуха в противоположную полость В, вызывая реверс движения ротора.

Пластинчатые пневмомоторы характеризуются высокой частотой вращения – до 30 000 мин⁻¹ – при относительно малой массе, что выгодно отличает их от электродвигателей такой же мощности. Эта особенность делает их идеальными для применения в ручных пневматических инструментах, таких как гайковёрты, шлифовальные, полировальные машины и пневмодрели, а также в компактных настольных обрабатывающих установках, где важны высокая скорость вращения и лёгкость конструкции.

Дополнительно, конструкция пластинчатого мотора обеспечивает плавный пуск и стабильное вращение даже при переменных нагрузках, что повышает точность работы инструментов и продлевает срок службы оборудования. Системы смазки и герметизации, применяемые в таких моторах, минимизируют износ пластин и ротора, что делает их надёжными и долговечными в интенсивной эксплуатации.

Аксиально-поршневые пневмомоторы: описание работы

Аксиально-поршневой пневмомотор с зубчатым редуктором (рис. ZSK.34.3) относится к числу мощных вращательных пневмодвигателей, обеспечивающих высокий крутящий момент при относительно умеренной частоте вращения выходного вала. Сжатый воздух подводится к рабочим полостям цилиндрового блока 2 через каналы А или Б в зависимости от требуемого направления вращения. Внутри блока размещены поршни 3, которые под воздействием давления воздуха начинают поступательное движение.

Эти поршни через штоки 4 воздействуют на наклонную планшайбу 5. Особая конструкция наклонной планшайбы преобразует линейное перемещение поршней в вращательное движение ротора, создавая окружную силу и формируя крутящий момент. Крутящий момент через карданный шарнир передаётся на шлицевой вал 8 и далее на зубчатую передачу 6, которая снижает скорость вращения, увеличивая одновременно передаваемый крутящий момент. Выходной вал 7 фланцевого типа обеспечивает снятие полезной мощности для привода рабочих механизмов.

Использование зубчатого редуктора позволяет адаптировать характеристики пневмомотора под конкретные задачи: при уменьшении частоты вращения значительно возрастает усилие, что особенно важно для механизмов, требующих высокой силы при низких скоростях. Такая конструкция делает моторы эффективными в приводах станков, прессов, конвейеров и других технологических системах, где важны высокая надежность, стабильная работа и возможность длительного режима с нагрузкой.

Кроме того, аксиально-поршневые пневмомоторы обеспечивают плавность хода, высокий КПД и относительно низкий износ деталей благодаря равномерному распределению давления по цилиндрам и поршням. Это делает их предпочтительными для применения в промышленности, где требуются компактные, мощные и долговечные приводы с возможностью точного регулирования скорости и направления вращения.

Турбинный пневмомотор: способ действия конструкции

Турбинные пневмомоторы (рис. ZSK.34.4) представляют собой высокоскоростные и компактные устройства, предназначенные для преобразования энергии сжатого воздуха в вращательное движение. Сжатый воздух подается в корпус 1 через специальные сопла Л, формируя струи, которые воздействуют на лопатки турбинного колеса 3, установленного внутри обоймы 4. Под действием силы воздушного потока колесо начинает вращаться, передавая вращение на связанный с ним вал 2, что обеспечивает передачу механической энергии на рабочие механизмы.

Главной особенностью турбинных пневмомоторов является их способность развивать чрезвычайно высокие обороты – от нескольких тысяч до десятков тысяч в минуту. Такая высокая частота вращения делает их незаменимыми в задачах, где требуется быстрое вращение при относительно небольшой передаваемой мощности. При этом моторы отличаются компактностью и малым весом, что упрощает их интеграцию в ручной инструмент и мобильное оборудование.

Турбинные пневмомоторы широко применяются в высокоскоростных пневмоинструментах, таких как стоматологические и ювелирные бормашины, пневмошлифовальные и отрезные машины, а также в технологических установках, где критичны скорость и точность резания. Их конструкция обеспечивает плавное и стабильное вращение, минимальные вибрации и высокий ресурс эксплуатации при интенсивной работе. Кроме того, компактность и простота конструкции позволяют легко интегрировать турбинные пневмомоторы в автоматизированные системы и роботизированные комплексы, где требуется высокая скорость вращения при ограниченных габаритах привода.

Рис. ZSK.34.4. Турбинный пневмомотор

Мембарнный пневмомотор

Мембранный пневмомотор (рис. ZSK.34.5) предназначен для получения дискретного, пошагового вращения исполнительного механизма, что особенно важно в прецизионных технологических процессах. Основой его работы является деформация мембраны 1 под действием давления сжатого воздуха, которая последовательно приводит в движение связанные элементы привода.

При подаче воздуха во входной канал А мембрана 1 прогибается в нужном направлении, увлекая за собой толкатель 6, связанный со штоком 3. Толкатель передает усилие на зубчатое колесо 7, обеспечивая его поворот на строго определённый угол. Одновременно шток 3 перемещает плунжер 2, который управляет открытием и закрытием каналов. По завершении хода мембраны плунжер перекрывает входной канал А и открывает выходной канал Б, через который воздух выводится в атмосферу.

Так как левая полость мембраны соединена с атмосферой, давление в рабочей камере резко падает, и под действием возвратной пружины 5 шток 3, толкатель 6 и плунжер 2 возвращаются в исходное положение. При этом канал А снова открывается для подачи сжатого воздуха, а канал Б закрывается, позволяя начать новый цикл.

Благодаря такой конструкции мембранный пневмомотор обеспечивает точное дискретное вращение исполнительного органа с контролируемыми угловыми шагами. Это делает его особенно эффективным для автоматизированных устройств и линий, где требуется последовательное позиционирование деталей, поэтапная подача материалов или синхронизация движения рабочих органов с тактовой частотой технологического процесса. Мотор отличается компактностью, высокой надежностью и возможностью работы при невысоких давлениях, что расширяет его область применения в промышленных и лабораторных системах.

Рис. ZSK.34.5. Мембранный пневмомотор

Пневмоцилиндр

Пневматические цилиндры (пневмоцилиндры) являются одними из наиболее распространённых устройств для преобразования энергии сжатого воздуха в возвратно-поступательное движение. Они находят широкое применение в автоматизированных технологических линиях, транспортировочных механизмах, прессах и робототехнике благодаря простоте конструкции, высокой надёжности и возможности точного регулирования хода поршня.

На рис. ZSK.34.6 показан пневмоцилиндр двустороннего действия с двусторонним штоком, снабжённый устройством для плавного торможения. Основной элемент тормозного устройства – демпфер 4, встроенный в крышки 3 цилиндра, представляет собой калиброванное отверстие небольшого диаметра (до 1,5 мм), через которое осуществляется регулируемый выпуск воздуха из рабочей полости.

Принцип работы цилиндра следующий. При подаче сжатого воздуха в канал Б давление воздействует на поршень 7, смещая его влево. В этот момент воздух из левой рабочей полости 5 вытесняется наружу через расточку В в канал А. Когда ступица 6 поршня входит в расточку В, выпуск воздуха осуществляется уже через демпфер 4. Сопротивление, создаваемое узким отверстием, замедляет выход воздуха, обеспечивая плавное торможение поршня и предотвращая резкие рывки в работе механизма.

Для герметичности и надёжной работы цилиндра в крышках установлены уплотнительные блоки 2, которые препятствуют утечке воздуха из рабочей полости и защищают цилиндр от попадания загрязнений с поверхности штока 1 при его втягивании. Все элементы конструкции стягиваются шпильками 9, формируя жёсткий и долговечный корпус, способный выдерживать значительные циклические нагрузки.

Такая компоновка обеспечивает не только плавность хода поршня, но и долговременную стабильность работы цилиндра, повышая безопасность эксплуатации и точность позиционирования исполнительного органа в пневматических приводах.

Рис. ZSK.34.6. Пневмоцилиндр двустороннего действия с двусторонним штоком

Пневмоцилиндр двустороннего действия

Пневмоцилиндр двустороннего действия с односторонним штоком (рис. ZSK.34.7) представляет собой более простую и экономичную конструкцию по сравнению с цилиндрами, оснащёнными тормозными устройствами. Его упрощённая схема обеспечивает базовое возвратно-поступательное движение поршня, при этом конструкция легче и дешевле в изготовлении.

Рабочий процесс цилиндра следующий. При подаче сжатого воздуха в канал Б, расположенный в крышке 1, поршень 2 вместе со штоком 4 перемещается влево. Одновременно воздух из противоположной рабочей полости свободно вытесняется наружу через канал А в крышке 6. Для реверса движения цилиндра подача воздуха осуществляется через канал А, что заставляет шток возвращаться в исходное положение.

Чтобы предотвратить перекосы штока и обеспечить его правильное направление при перемещении, конструкция включает направляющую втулку 5. Она не только стабилизирует положение штока, но и снижает износ уплотнительных элементов, продлевая срок службы цилиндра.

Сборка цилиндра выполняется с использованием шпилек 7, которые стягивают корпус 1 с крышками и фиксируют все внутренние элементы конструкции. Такая компоновка обеспечивает жёсткость, надёжность и долговечность работы цилиндра в пневматических приводах, при этом конструкция остаётся компактной и удобной для интеграции в технологические линии и автоматизированные системы.

Рис. ZSK.34.7. Пневмоцилиндр двустороннего действия с односторонним штоком

Мембранный пневмоцилиндр

Мембранный пневмоцилиндр (рис. ZSK.34.8) предназначен для работы с малыми ходами штока 7, но благодаря большой эффективной площади мембраны 3 способен развивать значительные усилия. Сжатый воздух подаётся в рабочие полости через каналы А и Б, расположенные в корпусе 2 и крышке 4 соответственно, что обеспечивает возможность преодолевать сопротивление нагрузки при перемещении штока 1 в обоих направлениях.

Особое преимущество таких цилиндров заключается в высокой удельной силе при компактных размерах, что делает их удобными для применения в малогабаритных приводах и автоматизированных устройствах, где требуется точное позиционирование.

Кроме двустороннего действия, широко используются мембранные пневмоцилиндры одностороннего действия, часто именуемые мембранными пневмокамерами. В таких устройствах рабочее перемещение штока осуществляется под действием давления воздуха, а возврат в исходное положение выполняется за счёт пружины сжатия, размещённой в одной из полостей цилиндра. Это упрощает конструкцию, снижает расход сжатого воздуха и делает цилиндр удобным для применения в системах, где не требуется подача воздуха на обратное перемещение штока.

Рис. ZSK.34.8. Мембранный пневмоцилиндр

Сильфонный пневмоцилиндр

Сильфонные пневмоцилиндры (рис. ZSK.34.9) представляют собой устройства, в которых рабочее движение штока 3 осуществляется за счёт деформации упругого сильфона 2 под действием давления сжатого воздуха. Они могут выпускаться как в исполнении двустороннего, так и одностороннего действия, что позволяет подобрать конструкцию под конкретные технологические задачи.

В двустороннем варианте (рис. ZSK.34.9, а) воздух подаётся через канал А к наружному торцу сильфона, вызывая выдвижение штока 3. При подаче воздуха через канал Б давление прикладывается к внутреннему торцу сильфона, обеспечивая обратное движение штока – его втягивание в корпус 1. Такое конструктивное решение позволяет реализовать двухпозиционное управление без применения дополнительных механических возвратных устройств, обеспечивая точность и плавность перемещений.

Сильфонные цилиндры одностороннего действия (рис. ZSK.34.9, б) имеют более простую конструкцию, однако для возврата штока в исходное положение требуется дополнительный элемент, обычно пружина сжатия или растяжения, которая восстанавливает исходное положение после снятия давления воздуха. Этот вариант удобен для лёгких приводов и систем, где рабочее усилие требуется только в одном направлении, а возврат штока не требует высоких скоростей или больших усилий.

Преимущество сильфонных цилиндров заключается в герметичности рабочего пространства, отсутствии необходимости в сложных уплотнениях, а также возможности работы с малыми ходами при высокой точности позиционирования. Эти характеристики делают их востребованными в автоматизированных системах малой и средней мощности, медицинских и лабораторных устройствах, а также в микроавтоматиках и приводах тонкой регулировки.

Рис. ZSK.34.9. Сильфонные пневмоцилиндры: а – двустороннего действия; 6 – одностороннего действия

Вращающиеся пневмоцилиндры

Для зажима вращающихся деталей широко используют вращающиеся пневмоцилиндры (рис. ZSK.34.10).

Рис. ZSK.34.10. Вращающийся пневмоцилиндр

Сжатый воздух подаётся к неполноповоротному цилиндру 1 через неподвижный коллектор 6, далее распределяется по каналам А и Б и проходит через жёстко закреплённое распределительное устройство 5. Внутри распределительного блока 3 установлен пневмозамок, включающий поршень 5 и два обратных шариковых клапана 4 и 7 с возвратными пружинами, обеспечивающими надёжное удержание давления и предотвращение самопроизвольного перемещения штока.

При подаче воздуха в канал А обратный клапан 7 открывается, позволяя рабочей среде воздействовать на поршень 5. Смещение поршня перемещает шток, который воздействует на клапан 4, открывая его. Через клапан 7 сжатый воздух поступает в правую полость цилиндра 1, вызывая смещение поршня 2 влево. Одновременно воздух из левой полости вытесняется через открытый клапан 4 в канал Б и далее выводится в атмосферу или систему сброса.

Если подача воздуха внезапно прекращается, оба обратных клапана автоматически закрываются под действием пружин, изолируя рабочие полости цилиндра. Это обеспечивает сохранение положения штока без дополнительного управления, предотвращает утечку давления и повышает безопасность работы пневмопривода. Фиксация положения особенно важна при прецизионных операциях и при необходимости удержания исполнительного органа под нагрузкой.

Качательный пневмодвигатель

Для реализации возвратно-вращательных движений, то есть поворотов ограниченного угла в обе стороны, применяются пневмодвигатели качательного типа, принцип работы которых аналогичен гидравлическим устройствам такого же назначения. В практике чаще всего используются неполноповоротные пневмомоторы либо пневмоцилиндры с механическими преобразователями поступательного движения в вращательное, что позволяет создавать компактные и эффективные приводы для автоматизированных систем.

Неполноповоротные пневмомоторы

На рис. ZSK.34.11 показан неполноповоротный пневмомотор 1 с ротором 2, внутри которого установлены две рабочие пластины. Такая конструкция позволяет выполнять повороты на угол до 150°, обеспечивая высокую точность позиционирования. Сжатый воздух подаётся в рабочие полости через каналы А и Б с помощью распределителей 3 и наклонных каналов В в роторе. Конструкция ротора и каналов обеспечивает равномерное распределение давления, плавное перемещение ротора и минимизацию ударных нагрузок, что особенно важно при прецизионной работе оборудования.

Пневмозамки

Использование пневмозамка совместно с распределителями и обратными клапанами позволяет создавать надёжные системы с самофиксацией, безопасностью эксплуатации и возможностью точного контроля угла поворота. Такая схема широко применяется в промышленных роботах, автоматических позиционирующих устройствах и технологических установках, где требуется высокоточная, повторяемая и безопасная работа приводов.

Рис. ZSK.34.11. Неполноповоротный двухпластинчатый пневмомотор

Качательные движения в пневмоприводах реализуются не только с помощью неполноповоротных пневмомоторов, но и за счёт специальных пневмоцилиндров, в которых поступательное перемещение преобразуется во вращательное.

Цепные гидроцилиндры

На рис. ZSK.34.12 представлен цепной пневмоцилиндр, конструкция которого включает два поршня 3 и 5 разного диаметра. Их усилия передаются на цепную передачу, состоящую из звёздочек 1 и 4 и соединяющей их цепи 2. При ходе поршней цепь перемещается, заставляя звёздочки вращаться, что обеспечивает поворот выходного звена на заданный угол.

Такая схема позволяет получить компактный привод с надёжным преобразованием поступательного движения во вращательное, что делает его удобным для применения в механизмах, требующих ограниченных угловых перемещений.

Рис. ZSK.34.12. Пневмоцилиндр с цепной передачей

При подаче сжатого воздуха в каналы А или Б цепного цилиндра в его рабочих полостях возникают силы разной величины, действующие на поршни 3 и 5. Эти усилия передаются на звёздочки 1 и 4 через цепь 2, в результате чего создаётся вращающий момент. Исполнительный элемент поворачивается на угол, величина которого определяется длиной хода поршня 5 и диаметрами звёздочек. Меньший поршень дополнительно обеспечивает постоянный натяг цепи, что повышает точность работы и исключает люфты в механизме.

Рычажные пневмоцилиндры

На рис. ZSK.34.13 показан пневмоцилиндр с рычажным преобразователем движения. В этой конструкции подача воздуха в полость А или Б вызывает перемещение поршня 1 в соответствующем направлении. Поршень через шарнирную систему передаёт усилие на рычаг 3, который приводит во вращение выходной вал 2. Угол поворота выходного звена определяется величиной хода поршня и геометрией рычага. Такая схема отличается простотой, надёжностью и возможностью получения значительных поворачивающих моментов при относительно малых габаритах.

Рис. ZSK.34.13. Рычажный пневмоцилиндр

Винтовые пневмоцилиндры

Винтовой пневмоцилиндр (рис. ZSK.34.14) представляет собой устройство, в котором поступательное движение преобразуется во вращательное за счёт винтовой пары. Основными элементами конструкции являются шток-винт 1 и поршень 2, выполняющий функцию гайки. При подаче сжатого воздуха через канал А в рабочую полость цилиндра поршень 2 начинает смещаться вдоль оси вправо, взаимодействуя с резьбой винта и вызывая его вращение. Величина угла поворота винта напрямую зависит от шага резьбы и длины хода поршня, что позволяет точно регулировать диапазон поворота.

Для управления скоростью вращения и плавности остановки используется тормозная система: в крышке цилиндра размещён дроссель 3 в виде регулировочного винта. Изменяя его положение, можно варьировать площадь проходного сечения канала и, соответственно, интенсивность торможения поршня. Это решение обеспечивает плавный ход и защищает узел от ударных нагрузок в конце хода.

Чтобы исключить самопроизвольное вращение поршня (гайки) 2 относительно штока-винта 1 при подаче воздуха, конструкция дополнена фиксирующим стержнем 5. Он предотвращает проворачивание поршня и гарантирует строгое преобразование поступательного движения в вращательное.

Рис. ZSK.34.14. Винтовой пневмоцилиндр