Porównanie sprężyn gazowych z mechanicznymi

Czym jest klasyczna sprężyna mechaniczna?

Tradycyjna sprężyna mechaniczna jest elementem sprężystym, który odkształca się pod wpływem przyłożonej siły i magazynuje energię mechaniczną. Najbardziej znanym rozwiązaniem jest sprężyna śrubowa wykonana z drutu stalowego, jednak w przemyśle stosowane są również m.in. sprężyny naciskowe, sprężyny naciągowe, sprężyny skrętne, sprężyny talerzowe, sprężyny piórowe, elementy elastomerowe. W przypadku klasycznej sprężyny naciskowej jej zachowanie można w podstawowym zakresie opisać prawem Hooke’a:

F = k × x

gdzie:

• F – siła sprężyny [N],

• k – sztywność sprężyny [N/mm],

• x – ugięcie sprężyny [mm].

Oznacza to, że wraz ze wzrostem ugięcia rośnie siła generowana przez sprężynę. Jeżeli przykładowo sprężyna ma sztywność k = 10 N/mm, to jej ściśnięcie o 20 mm powoduje teoretycznie powstanie siły F = 10 × 20 = 200 N. Przy 40 mm ugięcia siła wzrośnie już do F = 400 N. W rzeczywistych konstrukcjach należy oczywiście uwzględnić między innymi napięcie wstępne, geometrię sprężyny, tolerancje wykonania, charakterystykę materiału, zmęczenie oraz dopuszczalne naprężenia.

Czym jest sprężyna gazowa?

Sprężyna gazowa działa według zupełnie innej zasady. Jej podstawowe elementy to szczelny cylinder, tłoczysko, tłok, uszczelnienia, prowadzenie tłoczyska, sprężony gaz – najczęściej azot i w zależności od konstrukcji również odpowiednio dobrany olej. Wewnątrz cylindra znajduje się gaz pod wysokim ciśnieniem. Wysunięte z cylindra tłoczysko powoduje różnicę powierzchni, na które działa ciśnienie gazu. Powstająca w ten sposób siła powoduje wysuwanie tłoczyska. W uproszczeniu można zapisać:

F ≈ p × A

gdzie:

• F – siła generowana przez sprężynę [N],

• p – ciśnienie gazu [Pa],

• A – efektywna powierzchnia związana z przekrojem tłoczyska [m²].

W praktyce na rzeczywistą wartość siły wpływają również tarcie uszczelnień, temperatura, pozycja tłoka oraz konstrukcja konkretnej sprężyny. Sprężyna gazowa jest więc swego rodzaju zamkniętym układem wykorzystującym energię sprężonego gazu, co naturalnie łączy jej zasadę działania z techniką pneumatyczną. Nie należy jednak utożsamiać jej z klasycznym siłownikiem pneumatycznym. Sprężyna gazowa nie wymaga zewnętrznego źródła sprężonego powietrza, przewodów, elektrozaworu ani sprężarki. Gaz znajduje się wewnątrz zamkniętego cylindra.

Sprężyna gazowa a siłownik pneumatyczny – to nie to samo

Ze względu na podobną budowę zewnętrzną oba elementy bywają ze sobą mylone. Napęd pneumatyczny jest elementem wykonawczym automatyki. Do ruchu potrzebuje doprowadzenia sprężonego powietrza, a jego pracą można sterować za pomocą zaworów lub elektrozaworów. Sprężyna gazowa jest natomiast elementem samodzielnym. Nie potrzebuje instalacji pneumatycznej i najczęściej służy do wspomagania podnoszenia, podtrzymywania ciężaru, kontrolowania ruchu, kompensowania masy, ograniczania prędkości zamykania lub zwiększania ergonomii obsługi. Dzięki temu sprawdza się również w maszynach i urządzeniach, które w ogóle nie posiadają instalacji sprężonego powietrza.

Jak zmienia się siła zwykłej sprężyny?

Jedna z najważniejszych różnic pomiędzy klasyczną sprężyną a sprężyną gazową dotyczy przebiegu siły. Dla typowej sprężyny śrubowej:

F = k × x

Im większe ugięcie, tym większa siła. Może to być zaletą, jeżeli konstrukcja rzeczywiście wymaga progresywnego wzrostu obciążenia. W przypadku pokryw, włazów i osłon maszynowych powoduje to jednak czasami problemy. Wyobraźmy sobie ciężką pokrywę wspomaganą klasyczną sprężyną. W jednej pozycji siła sprężyny może być zbyt mała, aby skutecznie pomagać operatorowi, natomiast po większym jej odkształceniu może stać się zbyt duża. W rezultacie:

• ruch nie jest równomierny,

• konstrukcja może wymagać większej przestrzeni,

• pojawiają się duże obciążenia punktów mocowania,

• mechanizm może gwałtownie odbijać,

• komfort użytkownika maleje.

Charakterystyka siły sprężyny gazowej

W sprężynie gazowej również występuje wzrost siły podczas wsuwania tłoczyska, ponieważ tłoczysko zajmuje część objętości cylindra. Gaz zostaje dodatkowo sprężony. Zgodnie z podstawową zależnością dla gazu:

p × V ≈ const.

przy zmniejszeniu objętości V następuje wzrost ciśnienia p. W rzeczywistej sprężynie proces nie zawsze jest idealnie izotermiczny, dlatego dokładna charakterystyka zależy od szybkości ruchu, wymiany ciepła i konstrukcji. Najważniejszy praktyczny wniosek jest jednak prosty: siła sprężyny gazowej zmienia się podczas skoku znacznie inaczej niż siła klasycznej sprężyny śrubowej. Odpowiedni dobór objętości cylindra, średnicy tłoczyska, ciśnienia oraz długości skoku umożliwia uzyskanie charakterystyki bardzo dobrze dopasowanej do mechanizmu.

Sprężyna gazowa czy zwykła – najważniejsze różnice

Dlaczego sprężyny gazowe są popularne w przemyśle?

Największą zaletą sprężyny gazowej nie jest samo generowanie siły. Kluczowe znaczenie ma możliwość kontrolowania zachowania ciężkiego elementu w całym zakresie jego ruchu. Przykładem może być pokrywa maszyny ważąca kilkadziesiąt kilogramów. Bez wspomagania pracownik musi pokonać znaczną część jej ciężaru. Przy wielokrotnym wykonywaniu tej czynności w ciągu zmiany roboczej oznacza to duży wysiłek fizyczny, pogorszenie ergonomii, większe ryzyko urazów, ryzyko gwałtownego opadnięcia pokrywy oraz możliwość uszkodzenia zawiasów lub konstrukcji. Odpowiednio dobrana sprężyna gazowa przejmuje część momentu wynikającego z masy pokrywy. Operator zamiast podnosić pełny ciężar jedynie inicjuje ruch. Jest to szczególnie istotne w konstrukcjach takich jak:

• osłony maszyn,

• drzwi techniczne,

• klapy serwisowe,

• włazy,

• pokrywy zbiorników,

• skrzynie,

• elementy regulowane,

• panele operatorskie,

• stanowiska produkcyjne.

Jak dobiera się siłę sprężyny gazowej?

To jeden z najważniejszych etapów projektowania. Błędem jest założenie, że jeśli pokrywa waży przykładowo 30 kg, wystarczy zastosować sprężynę o sile odpowiadającej około 300 N. W mechanizmie obrotowym kluczowe znaczenie ma nie tylko ciężar, ale przede wszystkim moment siły względem osi zawiasu. Dla ciężaru:

Fg = m × g

gdzie:

• m – masa [kg],

• g – przyspieszenie ziemskie, około 9,81 m/s².

Moment generowany przez ciężar można uprościć do:

Mg = m × g × a

gdzie a jest poziomą lub efektywną odległością środka ciężkości od osi obrotu. Sprężyna musi wytworzyć odpowiedni moment przeciwny:

Ms = F × b

gdzie:

• F – siła sprężyny,

• b – efektywne ramię działania sprężyny.

W uproszczeniu:

F ≈ (m × g × a) / b

Jeżeli stosowane są dwie sprężyny:

F ≈ (m × g × a) / (2 × b)

W rzeczywistym układzie należy jednak uwzględnić również kąt pomiędzy osią sprężyny a ramieniem. Dlatego bardziej praktyczną postać można zapisać:

F ≈ (m × g × a) / (n × b × sin α)

gdzie:

• n – liczba sprężyn,

• α – kąt efektywnego działania sprężyny względem mechanizmu.

W praktyce właśnie geometria mocowania bardzo często decyduje o tym, czy sprężyna będzie działała prawidłowo.

Przykład – ciężka pokrywa maszyny

Załóżmy, że pokrywa waży 40 kg. Jej środek ciężkości znajduje się około 0,4 m od osi zawiasu. Moment ciężaru wynosi M = 40 × 9,81 × 0,4, czyli około 157 Nm.

Jeżeli zastosujemy dwie sprężyny gazowe, każda musi przejąć część tego momentu. Załóżmy efektywne ramię działania sprężyny 0,15 m oraz kąt 45° Wtedy orientacyjnie:

F = 157 / (2 × 0,15 × sin 45°)

Ponieważ sin 45° ≈ 0,707, otrzymujemy F ≈ 740 N na jedną sprężynę. Jest to jedynie przykład obliczeniowy. W rzeczywistym projekcie trzeba przeanalizować geometrię zarówno przy zamkniętej, jak i otwartej pokrywie. Moment działania sprężyny podczas ruchu się zmienia. Dlatego poprawny dobór nie powinien ograniczać się do masy elementu.

Co należy podać producentowi sprężyny gazowej?

Aby odpowiednio dobrać sprężynę gazową, warto przygotować przede wszystkim:

• masę podnoszonego elementu,

• wymiary elementu,

• położenie jego środka ciężkości,

• położenie zawiasów,

• oczekiwany kąt otwarcia,

• dostępne miejsca montażowe,

• oczekiwaną długość sprężyny,

• wymagany skok,

  

• liczbę sprężyn,

• temperaturę pracy,

• warunki środowiskowe,

• częstotliwość wykonywania cykli,

• wymagania dotyczące materiału,

• preferowany sposób mocowania.

  

Bardzo pomocny jest również rysunek techniczny albo szkic mechanizmu z wymiarami. Producent może wtedy przeanalizować nie tylko samą wartość siły, lecz również geometrię całego układu.

Dlaczego położenie punktów mocowania jest tak ważne?

Sprężyna gazowa może mieć prawidłowo dobraną siłę nominalną, a mimo to źle działać. Najczęstszą przyczyną jest nieprawidłowe rozmieszczenie punktów mocowania. Zmiana punktu mocowania nawet o stosunkowo niewielką odległość może zmienić ramię działania, moment otwierający / zamykający, wymagany skok, pozycję końcową czy siłę potrzebną do rozpoczęcia ruchu. Dlatego projektując mechanizm, należy patrzeć na sprężynę i pokrywę jako jeden układ kinematyczny.

Sprężyna gazowa a zwykła – różnica w tłumieniu ruchu

Klasyczna stalowa sprężyna magazynuje energię. Nie oznacza to jednak automatycznie, że potrafi kontrolować prędkość ruchu. Wręcz przeciwnie. Po zwolnieniu obciążenia może gwałtownie oddać zgromadzoną energię. Dlatego w wielu mechanizmach oprócz sprężyny trzeba zastosować dodatkowo amortyzator, tłumik, hamulec i ogranicznik. Sprężyna gazowa może dzięki obecności odpowiednio zaprojektowanego przepływu gazu i oleju znacznie łagodniej kontrolować ruch. Ma to znaczenie np. podczas otwierania i zamykania pokryw. Zamiast gwałtownego „odbicia” można otrzymać znacznie bardziej płynny ruch.

Co to jest tłumienie hydrauliczne w sprężynie gazowej?

W wielu konstrukcjach sprężyn gazowych oprócz azotu znajduje się również niewielka ilość oleju. Pod koniec ruchu tłoczysko może wejść w obszar olejowy. Powoduje to wzrost oporu ruchu. W efekcie końcowa faza wysuwania może przebiegać znacznie łagodniej. Taka właściwość jest szczególnie przydatna w pokrywach i klapach, ponieważ ogranicza gwałtowne uderzenie po osiągnięciu skrajnego położenia. Właśnie dlatego orientacja sprężyny podczas montażu może mieć znaczenie.

Czy sprężynę gazową należy montować tłoczyskiem w dół?

W wielu standardowych konstrukcjach jest to pozycja zalecana przynajmniej podczas znaczącej części pracy. Daje ona dwie istotne korzyści. Po pierwsze olej może utrzymywać powierzchnię uszczelnienia tłoczyska w odpowiednich warunkach smarnych. Po drugie możliwe jest wykorzystanie efektu tłumienia hydraulicznego w końcowej fazie ruchu. Nie oznacza to jednak, że każda sprężyna gazowa bez wyjątku musi być montowana w identycznej pozycji. Ostateczne wymagania zależą od konstrukcji konkretnego produktu i aplikacji.

Wpływ temperatury na sprężynę gazową

To kolejna istotna różnica pomiędzy sprężyną mechaniczną a gazową. Ciśnienie gazu zależy od temperatury. W przybliżeniu można opisać tę zależność równaniem gazu doskonałego:

p × V = n × R × T

Przy stałej objętości wzrost temperatury prowadzi do wzrostu ciśnienia. Oznacza to również wzrost siły sprężyny. Z kolei obniżenie temperatury prowadzi do spadku ciśnienia i siły. Dlatego sprężyna pracująca w chłodni może zachowywać się inaczej niż ten sam element pracujący w hali o temperaturze 20°C. Jeszcze większe znaczenie będzie miała aplikacja pracująca na zewnątrz, gdzie temperatura może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie. Dobierając sprężynę gazową do aplikacji przemysłowej, należy więc uwzględnić temperaturę minimalną, nominalną i maksymalną.

Temperatura a klasyczna sprężyna stalowa

Tradycyjna sprężyna mechaniczna również jest podatna na temperaturę, ponieważ własności materiału nie są całkowicie stałe. W typowych temperaturach przemysłowych efekt ten może być jednak mniej zauważalny niż w przypadku elementu wykorzystującego sprężony gaz. W wysokich temperaturach należy dodatkowo zweryfikować m.in.: odporność materiału, relaksację naprężeń, zmęczenie czy trwałość powłoki ochronnej. W ekstremalnych warunkach zarówno sprężyna gazowa, jak i klasyczna powinny być projektowane indywidualnie.

Sprężyna gazowa w środowisku agresywnym

Standardowa sprężyna wykonana ze stali może być niewystarczająca w środowisku, w którym występują wysoka wilgotność, woda (w tym słona), środki myjące / dezynfekujące, związki chemiczne, intensywne mycie instalacji. Dotyczy to między innymi przemysłu spożywczego, mleczarskiego, mięsnego, przemysłu farmaceutycznego, przemysłu chemicznego, morskiego i okrętowego. W takich warunkach korzystnym rozwiązaniem mogą być sprężyny gazowe wykonane ze stali nierdzewnej. Pneumat System jako producent sprężyn gazowych może dostosowywać rozwiązanie nie tylko pod względem wymaganej siły, ale również warunków środowiskowych aplikacji. Dobrym przykładem są ciężkie włazy wykorzystywane w sektorze morskim i okrętowym. W przypadku elementów ważących nawet 150–200 kg zastosowanie odpowiednio dobranych nierdzewnych sprężyn gazowych może istotnie ułatwić obsługę, jednocześnie zapewniając odporność na trudne warunki otoczenia.

Gdzie klasyczna sprężyna będzie lepszym rozwiązaniem?

Sprężyna gazowa nie zawsze jest najlepszym wyborem. Klasyczna sprężyna mechaniczna będzie szczególnie dobrym rozwiązaniem, kiedy:

• mechanizm jest bardzo prosty,

• wymagany skok jest niewielki,

• potrzebna jest bardzo wysoka częstotliwość pracy,

• wymagana jest wyraźnie liniowa charakterystyka siła–ugięcie,

• koszt elementu ma kluczowe znaczenie,

• dostępna przestrzeń umożliwia zastosowanie sprężyny stalowej,

• nie jest wymagane tłumienie ruchu,

• konstrukcja wymaga sprężyny skrętnej lub naciągowej,

• element ma wykonywać bardzo dużą liczbę szybkich mikrocykli.

Klasyczne sprężyny mają ogromne znaczenie w budowie maszyn i trudno byłoby je zastąpić w takich zastosowaniach jak zawory, mechanizmy zatrzaskowe, sprzęgła, hamulce, dociski, elementy powrotne czy mechanizmy precyzyjne. Nie chodzi więc o zastąpienie wszystkich sprężyn stalowych sprężynami gazowymi. Chodzi o właściwe wykorzystanie zalet obu technologii.

Kiedy sprężyna gazowa ma przewagę?

Sprężynę gazową warto rozważyć szczególnie wtedy, gdy element:

• jest ciężki,

• musi być często podnoszony,

• powinien pozostać w pozycji otwartej,

• nie może gwałtownie opadać,

• powinien poruszać się płynnie,

• obsługiwany jest ręcznie przez operatora,

• wymaga dużej siły przy niewielkich gabarytach.

Typowym przykładem jest ciężka osłona maszyny. Klasyczna sprężyna może zapewnić wspomaganie, ale często konieczne będzie dodatkowe zastosowanie tłumika i odpowiedniego mechanizmu prowadzącego. Sprężyna gazowa może pozwolić uzyskać bardziej kompaktowy i prostszy układ.

Sprężyny gazowe w maszynach przemysłowych

W przemyśle spotyka się je szczególnie w:

• Osłonach maszyn

  Operator może szybko otworzyć osłonę w celu przezbrojenia, kontroli lub serwisu.

• Pokrywach zbiorników

  Sprężyna przejmuje znaczną część ciężaru pokrywy.

  

• Klapy serwisowe

  Możliwe jest bezpieczne utrzymywanie ich w pozycji otwartej podczas prac obsługowych.

• Panelach i pulpitach

  Sprężyny mogą wspomagać regulację położenia.

• Maszynach mobilnych

  Stosuje się je w osłonach, klapach i pokrywach komór technicznych.

• Urządzeniach spożywczych

  Odpowiednio wykonane wersje mogą pracować również w środowisku wymagającym podwyższonej odporności na korozję.

Sprężyny gazowe a ergonomia stanowiska pracy

Dobór sprężyny gazowej nie jest jedynie zagadnieniem mechanicznym. Może bezpośrednio wpływać na ergonomię. Jeżeli operator kilkadziesiąt albo kilkaset razy podczas zmiany otwiera ciężką pokrywę, ograniczenie wymaganej siły może przełożyć się na mniejsze obciążenie fizyczne, łatwiejszą obsługę, większą powtarzalność ruchu, mniejsze ryzyko urazu i większy komfort pracy. Im cięższy element i im częściej jest obsługiwany, tym większe znaczenie ma prawidłowo zaprojektowane wspomaganie.

Sprężyna gazowa a bezpieczeństwo

Bardzo ważne jest rozróżnienie pomiędzy wspomaganiem ruchu a zabezpieczeniem elementu przed opadnięciem. Sprężyna gazowa może znacznie ograniczyć ciężar odczuwany przez operatora, ale nie w każdej aplikacji powinna być traktowana jako jedyny element bezpieczeństwa. Jeżeli niekontrolowane opadnięcie pokrywy mogłoby spowodować poważne obrażenia, konstruktor powinien rozważyć dodatkowe rozwiązania mechaniczne, np. blokadę, podporę, rygiel i mechanizm bezpieczeństwa. Należy również pamiętać, że sprężyna gazowa jest urządzeniem ciśnieniowym. Nie powinno się jej przewiercać, rozcinać, spawać, ogrzewać czy w końcu otwierać w niekontrolowany sposób. Dobór, montaż i eksploatacja powinny odbywać się zgodnie z wymaganiami producenta.

Żywotność – sprężyna gazowa czy zwykła?

Nie można jednoznacznie powiedzieć, że jeden z tych elementów zawsze będzie trwalszy. Mechanizmy zużycia są inne. W klasycznej sprężynie stalowej kluczowe znaczenie ma przede wszystkim zmęczenie materiału. Każdy cykl powoduje zmianę naprężeń. Po bardzo dużej liczbie cykli może dojść do pęknięcia, trwałego odkształcenia, utraty własności sprężystych bądź uszkodzenia powierzchniowego. W sprężynie gazowej najważniejsze znaczenie mają dodatkowo: szczelność, stan uszczelnień, powierzchnia tłoczyska, temperatura, warunki środowiskowe, zanieczyszczenie, prawidłowy montaż. Jednym z typowych mechanizmów starzenia jest stopniowa utrata gazu. W efekcie z czasem może następować zmniejszenie siły.

Dlaczego stan tłoczyska jest tak ważny?

Powierzchnia tłoczyska współpracuje bezpośrednio z układem uszczelnienia. Uszkodzenie tłoczyska może spowodować przyspieszone zużycie uszczelki. Szczególnie niekorzystne są rysy, wżery korozyjne, odpryski, zabrudzenia i przywierające cząstki stałe. Dlatego sprężyny pracujące w trudnym środowisku powinny być odpowiednio zabezpieczone i dobrane materiałowo.

Obciążenia boczne – częsty błąd montażowy

Tłoczysko sprężyny gazowej powinno pracować możliwie osiowo. Jeżeli punkty mocowania są ustawione niewłaściwie, mogą powstawać siły boczne. Prowadzi to do zwiększonego obciążenia prowadzenia tłoczyska, uszczelnień oraz końcówek mocujących. Efektem może być przyspieszone zużycie i skrócenie trwałości elementu. Właśnie dlatego w praktyce często stosuje się przegubowe zakończenia pozwalające kompensować niewielkie odchylenia kątowe.

Sprężyna gazowa a przestrzeń montażowa

Dużą zaletą sprężyn gazowych jest wysoki stosunek generowanej siły do wymiarów. Klasyczna sprężyna śrubowa zdolna do wytworzenia dużej siły może wymagać znacznej średnicy, grubego drutu, dużej długości i odpowiedniego prowadzenia. Sprężyna gazowa może zamknąć podobną funkcjonalność w stosunkowo smukłym cylindrze. Ma to szczególne znaczenie w nowoczesnych maszynach, w których przestrzeń konstrukcyjna jest ograniczona.

Koszt zakupu – która sprężyna jest tańsza?

Patrząc wyłącznie na cenę pojedynczego elementu, prosta stalowa sprężyna może być tańsza. Nie powinno się jednak porównywać wyłącznie ceny części. Liczy się koszt całego mechanizmu. Jeżeli do klasycznej sprężyny trzeba dodać prowadzenie, tłumik, ogranicznik, dodatkową dźwignię lub mechanizm blokujący, różnica ekonomiczna może wyglądać zupełnie inaczej. W prawidłowej analizie należy uwzględnić więc całkowity koszt funkcji wykonywanej przez mechanizm.

Sprężyna gazowa czy zwykła – kryteria wyboru

Wybierz klasyczną sprężynę, jeżeli:

• potrzebujesz prostego elementu sprężystego;

• ważna jest niska cena;

• ruch odbywa się na niewielkim skoku;

• tłumienie ruchu nie jest wymagane;

• potrzebna jest bardzo duża liczba szybkich cykli;

• mechanizm wymaga sprężyny skrętnej, naciągowej albo bardzo specyficznej charakterystyki.

Rozważ sprężynę gazową, jeżeli:

• musisz podnosić ciężką pokrywę lub osłonę;

• chcesz odciążyć operatora;

• potrzebujesz dużej siły w niewielkiej przestrzeni;

• ruch powinien być płynny;

• ważne jest kontrolowane osiąganie pozycji końcowej;

• element ma pozostawać otwarty;

• chcesz poprawić ergonomię konstrukcji.

Najczęstsze błędy przy doborze sprężyny gazowej

1. Dobór wyłącznie na podstawie masy

   Informacja „pokrywa waży 30 kg” jest niewystarczająca. Potrzebne są jeszcze wymiary i geometria.

2. Nieuwzględnienie środka ciężkości

   Moment obciążający zawias zależy od położenia środka ciężkości.

3. Zbyt duża siła

   Sprężyna nie powinna być dobierana „na zapas” bez analizy. Zbyt duża siła może powodować trudności podczas zamykania.

4. Zbyt mała siła

   Pokrywa nadal będzie ciężka albo nie utrzyma się w oczekiwanej pozycji.

5. Nieprawidłowy skok

   Sprężyna może osiągnąć skrajne położenie przed pokrywą, co może prowadzić do przeciążenia mocowań.

6. Nieprawidłowa długość

   Niewłaściwa długość rozprężona lub złożona może uniemożliwić osiągnięcie wymaganej geometrii.

7. Obciążenie boczne

   Przyspiesza zużycie prowadzenia i uszczelnień.

8. Nieuwzględnienie temperatury

   Siła sprężyny gazowej zależy od temperatury.

9. Nieuwzględnienie środowiska

   Woda, chemia, środki myjące lub sól mogą wymagać wykonania odpornego na korozję.

Dlaczego warto korzystać z pomocy producenta?

Sprężyna gazowa pozornie jest prostym elementem. W rzeczywistości dobór obejmuje kilka współzależnych parametrów:

• średnicę cylindra,

• średnicę tłoczyska,

• siłę,

• skok,

• długość całkowitą,

• charakterystykę pracy,

• ilość oleju,

• sposób tłumienia,

• uszczelnienia,

• końcówki,

• materiał wykonania,

• geometrię mocowania.

Dlatego przy nietypowej aplikacji korzystniejsze jest projektowanie rozwiązania razem z producentem niż wybór pierwszego elementu o zbliżonej długości i sile.

Pneumat System – producent sprężyn gazowych dla przemysłu

Pneumat System posiada własne kompetencje produkcyjne w zakresie sprężyn gazowych, dzięki czemu rozwiązanie może być dopasowane do konkretnej maszyny, urządzenia lub mechanizmu. Ma to szczególne znaczenie w przemyśle, gdzie element katalogowy nie zawsze odpowiada wymaganej geometrii. W zależności od projektu można dopasować między innymi:

• siłę sprężyny,

• długość,

• skok,

• gabaryty,

• rodzaj mocowania,

• materiał,

• sposób wykonania,

• parametry pracy.

Pozwala to projektować sprężynę nie jako niezależną część katalogową, lecz jako element konkretnego mechanizmu. Takie podejście jest szczególnie przydatne w projektowaniu maszyn specjalnych, osłon, klap, włazów i elementów podnoszonych ręcznie.

Sprężyny gazowe wykonywane pod konkretną aplikację

W wielu maszynach miejsce przeznaczone na sprężynę jest już narzucone przez konstrukcję. Projektant nie zawsze może zmienić położenie zawiasu, uchwytu, osłony i elementów konstrukcyjnych. W takim przypadku korzystne może być wykonanie sprężyny o parametrach dobranych właśnie do istniejącej geometrii. Produkcja dedykowanego rozwiązania pozwala dopasować przede wszystkim:

siłę – długość – skok – zakończenia – materiał.

Dzięki temu nie trzeba przebudowywać całej maszyny tylko dlatego, że standardowa sprężyna nie pasuje do dostępnej przestrzeni.

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny

W zakładach spożywczych szczególnego znaczenia nabiera odporność na wilgoć, intensywne mycie, środki chemiczne oraz korozję. Sprężyny mogą pracować przy pokrywach urządzeń, osłonach, klapach inspekcyjnych i elementach linii technologicznych. W takich aplikacjach materiał i wykonanie sprężyny powinny być analizowane równie dokładnie jak jej siła.

Branża morska i okrętowa

Warunki występujące na jednostkach pływających są wyjątkowo wymagające. Elementy są narażone na wilgoć, słoną wodę, korozję i zmienne temperatury. Jednocześnie włazy i pokrywy mogą mieć bardzo dużą masę. Zastosowanie sprężyn gazowych w wykonaniu odpornym na korozję pozwala znacząco poprawić komfort otwierania takich elementów. Przykładem zastosowania są nierdzewne sprężyny gazowe przeznaczone do wspomagania ciężkich włazów o masie rzędu 150–200 kg. W takiej aplikacji niewielki element mechaniczny może mieć ogromny wpływ na ergonomię obsługi całej konstrukcji.

Sprężyna gazowa jako element techniki pneumatycznej

Choć sprężyna gazowa nie jest zasilana z instalacji sprężonego powietrza, jej działanie wykorzystuje te same fundamentalne zjawiska fizyczne, które są podstawą pneumatyki, a więc: ciśnienie, sprężystość gazu, zmianę objętości, zależność ciśnienia od temperatury, przemianę energii sprężonego gazu w siłę mechaniczną. Można ją więc traktować jako autonomiczny, zamknięty układ pneumatyczny przeznaczony do magazynowania i kontrolowanego oddawania energii.

Czy sprężyna gazowa może zastąpić siłownik?

Czasami tak, ale tylko wtedy, gdy nie jest wymagane aktywne sterowanie. Jeżeli ruch ma odbywać się automatycznie, na sygnał PLC, w obu kierunkach, z kontrolowaną prędkością czy w określonej sekwencji technologicznej, wtedy zwykle właściwym rozwiązaniem będzie siłownik pneumatyczny albo inny napęd. Jeżeli natomiast zadaniem jest jedynie wspomaganie, podtrzymywanie, odciążanie lub też łagodzenie ruchu, to sprężyna gazowa może być rozwiązaniem prostszym.

Czy sprężyna gazowa wymaga konserwacji?

Typowa sprężyna gazowa jest elementem zamkniętym i nie wymaga okresowego zasilania gazem podczas normalnej eksploatacji. Kluczowe jest jednak zapewnienie odpowiednich warunków pracy. Warto regularnie sprawdzać stan tłoczyska, mocowania, obecność luzów, oznaki korozji, spadek siły oraz nietypowe zachowanie podczas ruchu. Nie należy smarować tłoczyska przypadkowymi substancjami bez konsultacji z producentem, ponieważ mogą one być niezgodne z materiałem uszczelnień.

Jak dobrać sprężynę gazową krok po kroku?

Najbezpieczniej rozpocząć od przygotowania podstawowych danych konstrukcyjnych.

1. Krok – określ masę

   Należy znać rzeczywistą masę klapy, pokrywy lub osłony.

2. Krok – wyznacz środek ciężkości

   Sama masa nie wystarcza. Ważna jest jej odległość od osi zawiasu.

   

3. Krok – określ zakres ruchu

   Trzeba znać położenie zamknięte i maksymalny kąt otwarcia.

4. Krok – określ dostępne punkty montażu

   To one zdecydują o możliwym ramieniu działania sprężyny.

5. Krok – określ liczbę sprężyn

   Przy szerokich pokrywach często korzystne jest zastosowanie dwóch elementów rozmieszczonych symetrycznie.

6. Krok – określ środowisko

   Czy występuje wilgoć, woda, agresywna chemia, zapylenie czy też wysoka lub niska temperatura?

7. Krok – określ częstotliwość pracy

   Inaczej projektuje się klapę otwieraną kilka razy w miesiącu, a inaczej element wykonujący setki cykli dziennie.

8. Krok – dobierz siłę i geometrię

   Na tym etapie można obliczyć wymagany moment i dobrać odpowiednią sprężynę.

Sprężyna gazowa czy zwykła – co wybrać?

Nie istnieje jedno rozwiązanie najlepsze dla wszystkich mechanizmów. Klasyczna sprężyna stalowa pozostaje bardzo dobrym wyborem tam, gdzie liczy się prostota, niski koszt, niewielkie gabaryty mechanizmu i klasyczna zależność siły od odkształcenia. Sprężyna gazowa uzyskuje przewagę wszędzie tam, gdzie trzeba kontrolować ruch ciężkiego elementu i poprawić ergonomię jego obsługi. Szczególnie dobrze sprawdza się w ciężkich pokrywach, klapach, osłonach maszyn, włazach, konstrukcjach regulowanych czy urządzeniach serwisowych. Jej najważniejsze zalety to:

• wysoka siła przy kompaktowej konstrukcji,

• płynny ruch,

• możliwość tłumienia,

• korzystna charakterystyka siły,

• brak konieczności stosowania zewnętrznego zasilania,

• możliwość indywidualnego dopasowania parametrów.

Autor:
Miłosz Ładanowski
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Miłosz Ładanowski
Product Manager
Pneumat.