Jak dobrać sprężyny do automatyki przemysłowej | Spretech

Sprężyna jest zwykle najtańszym elementem zespołu, a jej awaria zatrzymuje całą linię. W zautomatyzowanej maszynie pracuje w milionach cykli, często w wysokiej temperaturze albo w kontakcie ze środkami myjącymi, i to ona decyduje, czy chwytak puści detal we właściwym momencie. W tym artykule opisujemy, według jakich kryteriów dobiera się sprężyny do automatyki przemysłowej i kiedy element z katalogu przestaje wystarczać.

Co sprężyna robi w maszynie zautomatyzowanej

W automatyce sprężyna rzadko jest elementem głównym. Prawie zawsze odpowiada za jedną z pięciu funkcji pomocniczych, a od tego, którą z nich pełni, zależy cały dobór:

• Powrót do położenia wyjściowego. Element wykonawczy jest napędzany pneumatycznie lub elektrycznie w jedną stronę, a wraca sprężyną. Tak działa większość zaworów, chwytaków jednostronnego działania i mechanizmów odrzutu.

• Stały docisk. Sprężyna utrzymuje siłę niezależnie od drobnych zmian wymiaru, na przykład w rolkach dociskowych, prowadnicach taśmy i gniazdach pozycjonujących.

• Kompensacja luzów i rozszerzalności cieplnej. Napinacze, połączenia śrubowe pracujące w zmiennej temperaturze, korekta zużycia okładzin.

• Tłumienie drgań i przeciążeń. Ochrona układu przed uderzeniem, gdy detal trafia w gniazdo z impetem.

• Funkcja bezpieczeństwa. Sprężyna sprowadza mechanizm do stanu bezpiecznego po zaniku zasilania, co bywa wymogiem formalnym, a nie wyborem konstruktora.

Ta sama sprężyna śrubowa naciskowa raz jest elementem powrotnym, raz zabezpieczeniem. W drugim przypadku jej pęknięcie ma inne konsekwencje, więc inaczej dobiera się zapas trwałości.

Pięć parametrów, które decydują o doborze

Producent nie potrzebuje od zamawiającego gotowej sprężyny. Potrzebuje warunków, w jakich ma ona pracować.

Charakterystyka i sztywność. Sprężyna śrubowa walcowa ma charakterystykę w przybliżeniu liniową, czyli siła rośnie proporcjonalnie do ugięcia. Jeżeli aplikacja wymaga rosnącej sztywności albo małej wysokości zblokowania, liniowa charakterystyka przestaje być zaletą i trzeba sięgnąć po inny typ.

Przestrzeń zabudowy. To najczęstsze ograniczenie w automatyce, gdzie o miejsce walczy się w milimetrach. Znając dostępną długość, średnicę otworu lub trzpienia i wymagany skok, można dobrać kształt sprężyny do przestrzeni, zamiast projektować przestrzeń pod sprężynę.

Liczba cykli. Element pracujący kilkaset razy na dobę i element wykonujący dziesięć milionów cykli to dwie różne konstrukcje, mimo identycznych wymiarów. Przy pracy zmęczeniowej obniża się naprężenia robocze, dobiera inne wykończenie powierzchni i rozważa kulowanie. Warto podać producentowi przewidywaną liczbę cykli, bo bez niej dobór opiera się na założeniu.

Temperatura pracy. Powyżej mniej więcej 80 °C zwykła stal sprężynowa zaczyna tracić siłę wskutek relaksacji, czyli sprężyna trwale osiada, choć nic w niej nie pęka. W piecach, w strefach lutowania i przy napędach o wysokiej temperaturze obudowy dobiera się inne gatunki materiału.

Środowisko. Wilgoć, mgła olejowa, mycie chemiczne i kontakt z żywnością przesądzają o materiale wcześniej niż wytrzymałość. W strefach mokrych i w przemyśle spożywczym standardem jest stal nierdzewna, bo sprężyna ocynkowana po kilku miesiącach mycia przestaje być tym, czym była w dniu montażu. Sam dobór gatunku opisaliśmy w osobnym tekście o sprężynach ze stali nierdzewnej na zamówienie.

Który typ sprężyny do jakiego zadania

 Sprężyna śrubowa walcowa naciskowa w mechanizmie powrotnym.

Pełny przegląd konstrukcji zebraliśmy w artykule o tym, jakie są rodzaje sprężyn i ich zastosowanie. Poniższe zestawienie zawężamy do zadań typowych dla maszyn zautomatyzowanych.

Osobno opisaliśmy zastosowanie sprężyn taśmowych w przemyśle, bo w mechanizmach zwijających i przy dużym kącie obrotu bywają jedyną sensowną konstrukcją.

Zmiana typu sprężyny na etapie rysunku kosztuje niewiele, a po uruchomieniu serii bardzo dużo. Dlatego dobór warto skonsultować, zanim konstrukcja zostanie zamrożona.

Materiały i normy, czyli jak zamówić powtarzalność

Powtarzalność sprężyny bierze się z materiału i z dokumentu, który ten materiał potwierdza. Szerzej piszemy o tym w artykule o tym, z jakich materiałów wykonuje się sprężyny, a w praktyce warsztatowej wystarczy znać trzy grupy:

• Drut patentowany sprężynowy w gatunkach SM i SH wg EN 10270-1. Podstawowy materiał do pracy w suchym wnętrzu maszyny, dobry stosunek wytrzymałości do ceny.

• Stal chromowo-wanadowa 50CrV4. Sięga się po nią przy wyższych obciążeniach i podwyższonej temperaturze, gdy drut patentowany zaczyna osiadać.

• Stal nierdzewna 1.4310 wg EN 10270-3. Wybór do stref mokrych, mytych chemicznie, spożywczych i medycznych oraz do pracy na zewnątrz.

Do tego dochodzi dokument odbioru. Atest materiałowy 3.1 według EN 10204 jest wystawiany przez producenta materiału i przypisany do konkretnej partii, więc pozwala odtworzyć skład i własności wsadu po latach. Przy sprężynach talerzowych obowiązuje osobno norma wymiarowa DIN 2093, która porządkuje wymiary i grupy wykonania, dzięki czemu element da się zastąpić bez przeprojektowania gniazda.

Jeżeli aplikacja wymaga materiału spoza tej listy, wykonanie według specyfikacji zamawiającego jest normalną praktyką. Warunkiem jest podanie gatunku na etapie zapytania, a nie po wykonaniu partii.

Katalog czy sprężyna na zamówienie

Sprężyna z magazynu jest dostępna od ręki i to jest jej jedyna przewaga. Ma sens przy prototypie, przy naprawie awaryjnej i wtedy, gdy konstrukcja może się dopasować do wymiaru z półki.

Sprężyna wykonana na zamówienie wygrywa wszędzie tam, gdzie decyduje zabudowa, liczba cykli lub środowisko pracy. Zamiast dobierać maszynę do dostępnego elementu, dobiera się element do maszyny, a przy powtarzalnych dostawach znika ryzyko, że kolejna partia z katalogu trafi do maszyny z innej wytwórni i będzie mieć inną charakterystykę. Przy seriach różnica w cenie jednostkowej zwykle znika, bo koszt uruchomienia rozkłada się na sztuki.

Osobnym przypadkiem jest odtworzenie elementu, którego nie ma już w sprzedaży, o czym piszemy w tekście o dorabianiu sprężyn.

Zasada praktyczna jest prosta. Jeżeli awaria sprężyny zatrzymuje linię, warto wykonać ją na zamówienie, z udokumentowanym materiałem.

Jak zamówić sprężyny do automatyki przemysłowej w Spretech

Kształtki sprężyste z drutu gięte na wymiar

Produkujemy sprężyny w Katowicach od 1985 roku, dla klientów z Polski i Unii Europejskiej. Wykonujemy je według rysunku, próbki albo samych danych technicznych, od pojedynczych sztuk i prototypów po długie serie.

Nie masz rysunku? Wystarczy próbka albo komplet warunków pracy: dostępna przestrzeń, wymagana siła przy zadanym ugięciu, liczba cykli, temperatura i środowisko. Na tej podstawie dobierzemy konstrukcję i przygotujemy wycenę. Wyślij zapytanie, a odpowiemy z propozycją rozwiązania.

Najczęstsze pytania