Munkahenger

Átmenő dugattyúrudas munkahenger jelképe (ISO 1219)

A munkahenger egy olyan energiaátalakító eszköz, amely a bele áramló közeg nyomási energiáját alakítja át lineáris vagy forgó mozgássá. A közeg lehet sűrített levegő vagy hidraulika olaj (esetleg más folyadék). A hidraulikus és pneumatikus működtetést a gépgyártás nagyon sok területén használják, például járművek fékeinél, gépkocsik oldható tengelykapcsolóinál, nagyfeszültségű elektromos megszakítóknál, gőzturbinák és vízturbinák szabályozóelemeinél, színpadi berendezések mozgatásánál. A 20. század eleje óta elterjedtek az általános célra szolgáló hidraulika és pneumatika rendszerek építőelemeinek sorozatgyártása és szabványosítása. A cikk ilyen szabványos munkahengerekről szól.

Sűrített levegő használata esetén pneumatikus munkahengerekről, míg hidraulika olaj esetén hidraulikus munkahengerekről beszélünk. A két különböző működtető közeg egyben meghatározza a munkahenger kialakítását és az alkalmazási területét is. A sűrített levegő összenyomhatóságából, gyorsabb áramlási sebességéből adódóan a munkahenger kialakítása egyszerűbb és olcsóbb, nagy sebességekre képes, de kisebb erők kifejtésére alkalmas. A hidraulika olaj viszont ezzel szemben nem összenyomható, lassabb áramlású és környezetre is veszélyes, emiatt a munkahenger kialakítása robusztus és nagyon drága, kisebb mozgási sebességekre képes, de hatalmas erők kifejtésére alkalmas, melyet nem csak mozgás közben, hanem inaktív állapotban is képes tartani.

Munkahengerekről beszélünk még:

Munkaközegváltó berendezés. Ennél az eszköznél a hengerben mozgó dugattyú két különböző közeget választ el egymástól. A dugattyú két oldalára ható hidrosztatikus erők egyensúlyából következik, hogy a két közeg a dugattyún keresztül egymásnak adja át a nyomást. Ezzel a megoldással lehet vegyes munkaközeggel működtetett rendszereket (például pneumatikus és hidraulikus rendszereket) összekapcsolni.
Nyomásfokozó berendezés. Itt a két közeg többnyire azonos típusú, ebben az esetben a két kamra belső keresztmetszete eltérő, a differenciáldugattyú nagyobb felületére ható nyomásból származó erővel a kisebb felület nagyobb nyomása tart egyensúlyt. Nyomásfokozót alkalmaznak például a vízsugaras vágógépek folyadékszivattyújánál, ahol néhány száz bar nyomású hidraulikus olaj segítségével 2000-4000 bar nyomású vizet állítanak elő.

A munkahenger részei

	Elem	Megjegyzés
1	véghelyzet-csillapítás (itt nem állítható)	kis átmérőjű furat, melyen keresztül a közeg áramlása fojtást szenved, ezzel a dugattyú mozgását a véghelyzet közelében lefékezi
2	tömítés	megakadályozza a két kamra között a közeg szivárgását
3	csúszógyűrű	a dugattyú megvezetésére szolgál puha fém, esetleg teflon finoman megmunkált külső palást
4*	henger, előlap és hátlap
5*	dugattyúrúd	a dugattyú mozgását közvetíti a működtetendő berendezés felé felülete finoman megmunkált
6	ajakos tömítés	tömítés alakja olyan, hogy a közeg nyomása ráfeszíti a tömítendő felületre
7	szennylehúzó gyűrű	a dugattyúrúd felületére kívülről rákerülő szennyeződések ellen véd
8	csúszógyűrű	dugattyúrúd megvezetésére szolgál finoman megmunkált felület és puhább anyagminőség jellemzi
9	első kamra	ha e kamra nyomása nagyobb, akkor a dugattyúrúd balra mozog
10*	dugattyú	a henger belső terének felosztása a dugattyúrúd keresztmetszeténél nagyobb felület biztosítása
11	állandó mágnes	a házra kívülről szerelt érzékelők számára jelzi a dugattyú helyzetét
12	hátsó kamra	ha e kamra nyomása nagyobb, akkor a dugattyúrúd jobbra mozog
13	menetes furat	itt áramlik be és ki a közeg menetes csatlakozás

*: fő elem, nem minden munkahengernél található meg mind a három elem (például van henger dugattyúrúd nélkül is). Igen nagy erőt kifejtő egyoldali működtetésű hidraulikus munkahengerek esetén, a dugattyú lehet egyben a nagy átmérőjű dugattyúrúd is. ennél a kialakításnál a tömítő karmantyú és a vezetőgyűrű is a hengerben helyezkedik el.

A munkahenger működési elve

Egy pneumatikus munkahenger belseje mozgás közben

A munkahenger belsejébe áramló közeg nyomási energiája a dugattyú felületére nyomást gyakorol, majd az ebből származó erő (F=P*A) azt mozgásba hozza. A dugattyú mozgásának iránya attól függ, hogy melyik oldalról lesz nagyobb ez az erő, természetesen a mozgás irányával szemben levő kamra tartalmát hagyni kell kifele áramolni.

Az egyoldali dugattyúrúd kivezetéses munkahenger esetén a dugattyú felülete a dugattyúrúd felőli oldalon kisebb (a dugattyúrúd által lefedett keresztmetszet miatt), ha tehát a két kamara nyomása azonos, akkor a dugattyúrúd kifele mozog. A különböző felület jól használható, mivel vannak olyan esetek amikor csak az egyik irányban fontos a kifejtett erő nagysága (pl. prések, ahol csak a nyomás kifejtése fontos, a visszahúzás csak annyira, hogy elemelkedjen a munkadarabtól), a differenciál munkahenger pedig pontosan kétszer akkora erőt tud kifejteni a dugattyú kifele mozgása közben, mint a másik irányban.

A dugattyúrúd nélküli és az átmenő dugattyúrudas munkahengerek esetén a nyomás által kifejtett erő mindkét irányban (az azonos felület miatt) azonos.

A munkahengerek csoportosítása

Működtető közeg szerint:
- Pneumatikusan
- Hidraulikus
Lökethossz szerint: (L: lökethossz, D: dugattyúrúd átmérője)
- Kis löketű (L / D < 1)
- Normál löketű (L / D < 15-30)
- Nagy löketű (L / D > 30)
Létrehozott mozgás alapján:
- Lineáris
- Forgó
Véghelyzet-csillapítás szerint:
- Véghelyzet-csillapítás nélküli: nincs beépített fékezés a dugattyú véghelyzete környékén. Ezeknél a hengereknél fontos, hogy a vezérlésnél gondoskodjunk a véghelyzeteknél történő lassításról. Általában olcsó munkahengerek.
- Véghelyzet-csillapításos: a véghelyzet előtt egy kis szakaszon a közeg áramlási keresztmetszete korlátozódik, ennek köszönhetően fékként működik.
  - Állítható: a fojtást állítani lehet, általában tűszelepes. Könnyebben optimalizálható a kívánt szempontokhoz
  - Nem állítható: szerkezetileg kialakított, nincs lehetőség állításra
Működtetés szerint:
- Egyoldali: csak az egyik mozgásirányba működtethető a közeg nyomásával, a másik mozgásirányt vagy belső, például rugó erő, vagy külső például gravitációs erő, súlyerő biztosítja.
- Kétoldali: mindkét mozgásirányba működtethető
Speciális kivitelek, felépítések szerint:
- Dugattyúrúd mechanikus rögzítési lehetőséggel: ennek szükségessége lehet például szállítási okok vagy egyéb üzemen kívüli állapotok
- Hőálló: nagyon magas, vagy nagyon alacsony hőmérsékleti tartományokra optimalizálva
- Korrózióálló: erős korrózió elleni védelemmel ellátott hengerek. A tömítések jobban zárnak, dugattyúrúd és a hengertest anyaga ellenáll a lúgos vagy savas kémhatásoknak, oxidációnak, ide tartozik például az eső elleni védelem is.
- stb.
Vezérelhetőség szerint:
- Vezérelhető
- Nem vezérelhető, például véghelyzet-csillapító, ütköző, sebesség és erő korlátozó

A hidraulikus és a pneumatikus munkahengerek összehasonlítása

	Pneumatikus munkahenger	Hidraulikus munkahenger
Ár	olcsóbb	drágább
Kifejthető erő	kisebb erők	nagyobb erők
Megállítható tetszőleges helyzetben?	típustól függően lehetséges kisebb erők tartására alkalmas maximum 0,1 mm-es pontosság	igen erő tartására alkalmas akár μm-es pontosság
Egyenletes mozgási sebesség	nem terheléstől és típustól erősen függ	igen
Méretek	kisebb, egészen kis méretek	többnyire robusztus méret
Kenés	gyors, gyakori mozgások esetén szükséges levegőbe porlasztott olaj	kenés a hidraulika olaj által biztosított
Működtető közeg és jellemzői	sűrített levegő kis nyomás (4-16 bar) szükség szerint olajporlasztással nem jelent veszélyt sem az azt használóra sem a környezetre	hidraulika olaj nagy nyomás (20-400+ bar) veszélyes az azt használóra és a környezetre egyaránt csatlakozók rugós visszacsapó szeleppel szerelve erős burkolatú házak működés közben nem szabad szerelni sem a csatlakozó csöveket leválasztani!
Alkalmazási terület	gyártósorokon: például csomagolás, válogatás, stb. kisebb terheléseknél légrugóként építőiparban: légkalapács	gépiparban: prések, élhajlítók, lemezollók, stb. építőipari gépeknél: daruk, anyagmozgató gépek, markolók, stb. zsilip kapuknál
Dugattyú hasznos felülete a dugattyúrúd keresztmetszetéhez képest	sokszoros	többnyire minimális a dugattyúrúd felőli oldalon
Dugattyúrúd anyaga	változó, többnyire acél lehet akár alumínium vagy műanyag is	szinte minden esetben ötvözött, felületkezelt acél
üzemi hőmérséklet-tartomány	rosszabb, mint a hidraulikus munkahengereké szerkezetileg kell megoldani a hűtést, fűtést munkaközeg nem használható hőközlésre vagy hőelvonásra	jó, széles hőmérséklet-tartomány a munkaközeg jó hővezető, hőközlésre és hőelvonásra alkalmas
Karbantartás	gyors mozgások miatt gyakrabban szükséges (tömítések kopása) többnyire olcsó és egyszerű	ritkábban van szükség rá a tömítések kismértékű áteresztése sem jelent "jelentős hibát", mivel többnyire a dugattyú tömítései kopnak el, és csak a kifejtett erő csökken a kamrák közötti közegátáramlás miatt többnyire (nagyon) drága és nem egyszerű

Típusok

A munkahengerek felépítése a pneumatikus és a hidraulikus munkahengereknél igen hasonló, az eltérés többnyire a működtető közeg fizikai tulajdonságából adódik.

A típusok felosztása és jellemzőik

Vezérelhető hengerek:
- dugattyúrudas hengerek: (legelterjedtebb típus)
  - létezik szabványos és egyedi változata is
  - véghelyzetek száma szerint:
    - nincs meghatározható véghelyzete (például légkalapács)
    - két állású
    - három állású
    - 4 állású (pl. két munkahenger a hátlapjukon egymáshoz szerelve)
  - átmenő dugattyúrudas munkahenger (kétoldali dugattyúrúd kivezetéses)
    - tömör dugattyúrudas
    - dugattyúrúd átmenő furattal (folyadékok, gázok és vákuum szállítására)
  - teleszkóphenger
    - a dugattyúrúd több részből áll, melyek egymásba illeszkednek
    - nagy lökethossz, és a lökethosszhoz képest kis hosszúság jellemzi
    - hidraulikában használatos, általában hidraulikus emelőszerkezetekben használják
  - membrán hengerek:
    - pneumatikában használják, jellemzői: nagy erők kifejtésére alkalmas, lapos kivitelű, egyoldali működtetésű, nagyon kicsi lökethossz jellemzi (legfeljebb a dugattyúrúd átmérőjének a fele)
    - általában tárgyak megfogására, befogására használják
- dugattyúrúd nélküli hengerek:
  - mechanikus csatlakozással
    - a dugattyú és a mozgató rész között szalag tartja a kapcsolatot
    - a dugattyúrúd közvetlenül van egybeépítve a mozgatott résszel
  - mágneses csatlakozással: a mozgatott rész és a dugattyú között mágneses erő tartja a kapcsolatot. Jól pozicionálható és egyszerű szerkezeti felépítés jellemzi.
- tömlőhengerek:
  - pneumatikában használják, az átmérő és a hossz arányának függvényében húzó- vagy nyomó erő kifejtésére alkalmas:
    - húzó erő kifejtésére alkalmas, akkor ha a palást felülete nagyobb mint az átmérő által meghatározott felület (a nyomás a palást falán fejti ki a hatását)
    - nyomó erő kifejtése esetén pont fordított a felületek aránya, vagyis a palást felülete kisebb, mint az átmérő által meghatározott felület.
- forgató vagy átrakó hengerek:
  - fogaskerék-fogasléces:
    - jellemzők:
      - elfordulás szöge: párszor 360°
      - a dugattyúrúd mint fogasléc funkcionál, amely meghajtja a fogaskereket
      - fogaskerék méretétől, fogszámától és a dugattyú felületétől függően nagy nyomatékok leadására is képes
      - a tengely lehet átmenő furatos is (vákuum számára)
  - lamellás:
    - Jellemzői: az elfordulás szöge többnyire nem haladja meg a 270°-ot, de a felépítésből adódóan mindenképpen kevesebb mint 360°; dugattyú helyett lamella (lapát) van, amely a kihajtott tengelyhez van rögzítve, és azzal együtt forog; a tengely lehet átmenő furatos is (pl. vákuum számára); többnyire munkadarabok vákuumos átrakására használják.
Nem vezérelhető hengerek:
- véghelyzet-csillapító, ütköző
  - jellemzően pneumatikában használt elem
- sebesség- és erő korlátozó
  - jellemzően pneumatikában használt elem

A munkahenger rögzítése

A beépítés módjának helyes megválasztása nagyon fontos. Nem helyes megválasztás esetén a munkahengeren járulékos erők és nyomatékok léphetnek fel, melyek hatása a mozgó alkatrészek találkozásánál idő előtti kopások formájában jelentkezik. Ez jobb esetben csak a tömítések idő előtti elkopását vonja maga után, rosszabb esetben a hengertest belső fala, a dugattyú, a dugattyúrúd és a csúszó csapágyak idő előtti elhasználódását vagy akár a mozgó elemek befeszülését is eredményezheti.

Rögzítés a hengertesten

Merev rögzítés:

A hengertest szabadságfokai teljesen korlátozottak, ha ezt a megoldást választjuk, akkor gondoskodni kell:

a dugattyúrúd és a mozgatott elem közötti kapcsolat szabadságáról, vagy
a mozgatott elem minél tökéletesebb megvezetéséről


rögzítés az előlapnál	rögzítés a középső részen	rögzítés a hátlapnál	rögzítés az elő- és hátlapon

Csuklós rögzítés:

Lehetséges mozgások:

a csap tengelye körül forgás
gömbcsukló esetén még a gömbi középpont körül bármely irányba történő kismértékű elfordulás


rögzítés a középső részen	rögzítés a hátlapnál	rögzítés a hátlapnál gömbcsuklósan

A dugattyúrúd és a mozgatott elem között

Merev rögzítés:

A dugattyúrúd és a mozgatott elem között nincs elmozdulási lehetőség

Csuklós rögzítés:

A dugattyúrúd és a mozgatott elem között

tengelyirányú forgás
gömbcsukló esetén még a gömbi középpont körül bármely irányban történő kismértékű elforgás


rögzítés csuklósan	rögzítés gömbcsuklósan

Fizikai egybeépítés nélkül:

A dugattyúrúd csak löki vagy húzza a mozgatott elemet, szoros fizikai kapcsolat nincs

Lásd még

Források

A Wikimédia Commons tartalmaz Munkahenger témájú médiaállományokat.

Külső hivatkozások

Pneumatika.lap.hu - linkgyűjtemény