II. Napędy pneumatyczne

Opis układów pneumatycznych

Pod względem funkcjonalnym podzespoły układu pneumatycznego można podzielić na następujące bloki:

1. Blok przygotowania sprężonego powietrza - jego zadaniem jest spreparowanie tłoczonego powietrza, które jest pobierane przez sprężarkę z otoczenia, do stanu wymaganego przez urządzenia pneumatyki. Powietrze pobierane z otoczenia jest wilgotne, co może powodować korozję, jest zanieczyszczone cząstkami pyłów, a nierzadko również związkami chemicznymi. Mogą również zdarzyć się nieprzewidziane wahania ciśnienia dostarczanego powietrza. Zadaniem bloku przygotowania sprężonego powietrza jest eliminacja tych wszystkich niedogodności. Sprężone powietrze przez króciec wejściowy, zawór odcinający, oddzielacz wilgoci, zawór redukcyjny, smarownicę, filtr i manometr przedostaje się przewodami pneumatycznymi do odpowiednich urządzeń sterujących.

• oddzielacz wilgoci eliminuje szkodliwy wpływ pary wodnej znajdującej się w powietrzu (korozja, wzrost oporów tarcia, ewentualnie lód - szron; skropliny powodują spadek przekrojów czynnych przepływowych przewodów zasilających);

• zawór redukcyjny pozwala nastawić optymalne ciśnienie sprężonego powietrza, doprowadzonego do elementów wykonawczych układu;

• smarownica zapewnia rozpylenie oleju (mgła olejowa), niezbędnego do smarowania przemieszczających się wzajemnie części elementów wykonawczych i rozdzielaczy;

• filtr powietrza umieszczany jest na wejściu bloku przygotowania powietrza; służy do usuwania z powietrza zasilającego układ cząstek zanieczyszczeń stałych i/lub chemicznych. Stosowane filtry dzielą się na:

1. mechaniczne - usuwające cząstki zanieczyszczeń poprzez wyłapywanie ich na drodze przepuszczania powietrza przez odpowiednią tkaninę, papier lub odwirowanie ich w tzw. filtrach cyklonowych;

2. adsorpcyjne - usuwające zanieczyszczenia na drodze kondensacji cząstek. Stosowane są w przypadku bardzo drobnych zanieczyszczeń, które nie mogą być usuwane na drodze filtrowania mechanicznego. Po skondensowaniu cząstki te są usuwane mechanicznie;

3. absorpcyjne - usuwające cząstki zanieczyszczeń poprzez pochłanianie ich przez odpowiedni związek chemiczny;

• manometr służy do kontroli i regulacji (wspólnie z zaworem redukcyjnym) ciśnienia zasilania.

Nastawienie prędkości elementu uzyskuje się przez dławienie przepływu sprężonego powietrza na wylocie albo wlocie siłownika. Do tego celu służą zawory dławiące, w których przekroje przepływowe można nastawić w zależności od żądanej prędkości.

Cechy układów pneumatycznych

Do podstawowych cech układów pneumatycznych należą:

1. Zalety:

• bardzo mała lepkość medium roboczego (niewielkie tarcie między ruchomymi powierzchniami),

• prosta i niezawodna konstrukcja,

• duży współczynnik sprawności η=∼80%; duża niezawodność przy prostej obsłudze,

• możliwość pracy w niskich i podwyższonych temperaturach,

• możliwość pracy w zmiennych polach magnetycznych oraz atmosferach radioaktywnych,

• prosty układ zasilania i czystość stanowiska pracy,

• znikome zużycie powierzchni roboczych (duża trwałość),

• niski koszt sprężania powietrza,

• duża dokładność i szybkość ruchów.

2. Wady:

• duża ściśliwość powietrza,

• konieczność filtrowania i odwodnienia powietrza zasilającego,

• potrzeba konstrukcyjnego zabezpieczenia przed uszkodzeniami,

• mała stabilność pracy ze względu na małą lepkość,

• często głośna praca układu.

Zastosowanie układów pneumatycznych

Układy pneumatyczne znajdują bardzo szerokie i powszechne zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłowych:

• przemysł samochodowy

• przemysł spożywczy

• roboty przemysłowe

• przemysł rozrywkowy

• różnego rodzaju napędy liniowe i wahadłowe

• serwomechanizmy i serwozawory

• układy sterowania (powietrze jako nośnik informacji) itp.

III Napędy elektryczne

Opis napędów elektrycznych

Napędem elektrycznym nazywamy zespół urządzeń i aparatów elektrycznych pracujących na zasadzie wykorzystania energii elektrycznej i służących do nadawania ruchu maszynie roboczej .

W najprostszym układzie napędowym występuje jednokrotne przetwarzanie energii. Natomiast w złożonych układach napędowych, zanim energia elektryczna zostanie przekazana maszynie roboczej, może być kilkakrotnie przetwarzana lub mogą być zmienione jej parametry elektryczne. Każde przekształcenie energii jest związane ze stratami. Elektryczne układy napędowe odznaczają się jednak sprawnością energetyczną oraz prostotą budowy i łatwością obsługi.

Elektryczny układ napędowy składa się z następujących części :

1. źródła napięcia (zasilacz),

2. części łączącej silnik z maszyną roboczą, sprzęgła, przekładni pasowej lub przekładni zębatej,

3. silnika elektrycznego, w którym doprowadzana energia elektryczna przetwarzana jest na energię elektryczną wirującego wału,

4. maszyny roboczej.

Układ napędowy jest zasilany ze źródła energii , które jest charakteryzowane :

1. wartością mocy,

2. rodzajem napięcia: stałe lub przemienne,

3. wartością napięcia np. 440V, 380V, 220V, 110V, 24V,

4. liczbą faz,

5. wartością częstotliwości np. 50Hz, 400Hz, 6Hz ,

6. wartością rezystancji lub impedancji wewnętrznej źródła,

7. kształtem napięcia: sinusoidalne, prostokątne, odkształcone.

W skład wyposażenia układu napędowego wchodzą następujące aparaty elektryczne:

1. łączniki,

2. rezystory regulacyjne i rozruchowe,

3. dławiki wygładzające,

4. układy regulacji napięcia,

5. urządzenia rozruchowe,

6. urządzenia zabezpieczające,

7. urządzenia kontrolujące pracę silnika,

8. urządzenia hamujące,

9. połączenia pędne.

Podział silników elektrycznych

Spośród napędowych silników elektrycznych można wyróżnić:

1. silniki prądu stałego - obcowzbudne, bocznikowe, szeregowe, szeregowo - bocznikowe, krokowe (skokowe),

2. silniki prądu przemiennego - asynchroniczne klatkowe i pierścieniowe, synchroniczne.

Silniki prądu stałego

Rozpatrywać będziemy model elementarny składający się z jednego zwoju obracającego się między dwoma biegunami marginesu. Początek i koniec zwoju są połączone z dwoma pierścieniami ślizgowymi, po których ślizgają się szczotki odprowadzające prąd do zamkniętego obwodu zewnętrznego. Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obraca się z prędkością v, to w jego bokach o długości l indukuje się siła elektromotoryczna. Jeżeli obwód tego zwoju będzie zamknięty (przez szczotki i pierścienie ślizgowe) , to popłynie w nim prąd o kierunku zgodnym ze zwrotem indukowanej siły elektromotorycznej .

Budowa :

1. nieruchomy stojan,

2. wirujący wirnik (twornik),

3. bieguny główne,

4. bieguny pomocnicze,

5. komutator,

Rozróżniamy silniki :

1. samowzbudne - bocznikowe , szeregowe , szeregowo - bocznikowe

2. obcowzbudne

Silniki prądu przemiennego

Silniki synchroniczne.

Maszyną synchroniczną nazywa się maszynę prądu przemiennego , której wirnik w stanie ustalonym obraca się z taką samą prędkością, z jaką wiruje pole magnetyczne.

Maszyny synchroniczne są budowane w dwóch odmianach:

1. z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym),

2. z biegunami jawnymi (z wirnikiem jawnobiegunowym).

Silniki asynchroniczne.

Maszyna indukcyjne (asynchroniczna) to taka , w której napięcie do obwodu wirnika nie jest doprowadzone z zewnątrz , lecz pojawia się w wyniku indukcji elektromagnetycznej.

Wyróżnia się silniki :

1. o uzwojeniach klatkowych - uzwojenia wirników silników indukcyjnych mogą być wykonane, podobnie jak w stojanie, z drutu nawojowego, lub z nieizolowanych prętów o dużym przekroju całkowicie wypełniający żłobek. Wystające poza rdzeń części poszczególnych prętów są ze sobą połączone po obu stronach pierścieniami zwierającymi, tworząc wraz z prętami uzwojenia jakby klatkę, dlatego silnik o takim uzwojeniu nazywamy klatkowym,

2. o uzwojeniach pierścieniowych - jeżeli uzwojenie wirnika jest wykonane z drutu nawojowego, to istnieje możliwość dołączenia do obwodu wirnika dodatkowych elementów zwiększających rezystancję każdej fazy. Aby to było możliwe, uzwojenie wirnika jest połączone na stałe z pierścieniami ślizgowymi. Silnik z takim uzwojeniem nazywamy silnikiem indukcyjnym pierścieniowym.

Silniki krokowe.

Silniki krokowe są elementami wykonawczymi przetwarzającymi impulsy elektryczne na przesunięcia kątowe lub liniowe, nazywane krokami lub skokami. W silnikach tych wykorzystuje się zjawisko zmiany położenia rdzenia ferromagnetycznego (wirnika) w polu magnetycznym w celu osiągnięcia optymalnej przewodności obwodu magnetycznego.

Cechy napędów elektrycznych

Do zalet napędów elektrycznych należy zaliczyć:

1. zwartą konstrukcję napędu i przetworników sterująco - kontrolnych (czujników stanu),

2. dużą szybkość działania dzięki małej bezwładności elementów ruchomych silnika,

3. stałość prędkości obrotowej,

4. wysoką maksymalną prędkość obrotową (do 15000 obr/min),

5. szeroki zakres regulacji rozwijanych momentów,

6. małe bezwładności wirników, uzyskiwane dzięki specjalnym konstrukcjom,

7. duży moment obrotowy przy maksymalnej prędkości,

8. bezpieczeństwo pracy,

9. niski poziom szumu i wibracji oraz brak zanieczyszczenia otoczenia,

10. trwałość i stosunkowo dużą pojemność cieplną; umożliwia to eksploatację bez nadzoru i ogranicza czynności obsług, wymagają niewielkiej liczby zabiegów konserwatorskich,

11. łatwy demontaż silników w przypadku wystąpienia konieczności ich wymiany bądź remontu,

12. ogólno dostępność, taniość i łatwość doprowadzenia energii zasilania.

W grupie wad należy wymienić :

1. ograniczoną trwałość szczotek w komutatorach silników prądu stałego,

2. ograniczone wykorzystanie w środowisku zagrożonym wybuchem (możliwość wystąpienia przebić, zwarć),

3. zależność prędkości od obciążenia , co wymaga rozbudowy układów regulacji napędu.

IV. NAPĘDY HYDRAULICZNE

Opis napędów hydraulicznych

Napędy hydrauliczne są to urządzenia służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytwarzania do urządzenia napędzanego. W napędach tych czynnikiem przenoszącym energię jest ciecz. Zasada napędu hydraulicznego jest oparta na prawie Pascala, dotyczącym równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy.

W zależności od sposobu przenoszenia ruchu rozróżnia się napędy hydrauliczne:

• hydrostatyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu przede wszystkim energii ciśnienia cieczy,

• hydrokinetyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu energii kinetycznej cieczy.

W zależności od rodzaju przenoszonego ruchu rozróżnia się napędy o ruchu obrotowym i o ruchu postępowym. W napędach hydraulicznych może też następować zamiana ruchu obrotowego na postępowy bądź ruchu postępowego na obrotowy.

W skład mechanizmu hydraulicznego wchodzą:

• pompy, które zamieniają dostarczoną przez silnik energię mechaniczną na energię hydrauliczną. W napędach hydrostatycznych stosuje się pompy wyporowe, a w napędach hydrokinetycznych - pompy wirowe

• silniki hydrauliczne lub siłowniki, zamieniające dostarczaną przez pompę energię hydrauliczną z powrotem na energię mechaniczną. Silniki hydrauliczne stosowane do napędu mechanizmów o ruchu obrotowym pod względem budowy są zbliżone do pomp i podobnie jak pompy dzieli się je na wyporowe (stosowane w napędach hydrostatycznych ) oraz wirowe (stosowane w napędach hydrokinetycznych). Do napędu mechanizmów o ruchu postępowym są stosowane wyłącznie silniki hydrauliczne wyporowe, działające na zasadzie siłowników (cylinder ze szczelnym tłokiem),

• zawory sterujące przepływem (czynnika energii) w układzie napędu hydraulicznego.

Oprócz tych elementów niezbędne są również elementy pomocnicze: przewody łączące, zbiorniki, filtry, akumulatory hydrauliczne, chłodnice lub podgrzewacze, a także przyrządy do pomiaru ciśnienia, natężenia przepływu itd.

Zalety układów hydraulicznych

• możliwość uzyskania bardzo dużych sił, przy małych wymiarach urządzeń,

• możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany prędkości ruchu,

• możliwość użycia małych sił do sterowania pracą ciężkich maszyn,

• możliwość zdalnego sterowania,

• możliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów,

• dużą trwałość elementów układów hydraulicznych oraz łatwość ich wymiany.

Wady układów hydraulicznych

• trudności związane z uszczelnieniem elementów ruchowych; wszelkie nieszczelności powodują przedostawanie się powietrza do obiegu, a to z kolei powoduje zakłócenia pracy układu,

• duże straty energii na pokonywanie oporów przepływu.

Elementy sterujące napędów hydraulicznych

Do elementów sterujących napędów hydraulicznych zaliczamy:

1. zawory ciśnieniowe spełniające następujące zadania:

• zawory bezpieczeństwa zabezpieczają układy hydrauliczne przed zbyt wysokim ciśnieniem,

• zawory przelewowe utrzymują określone ciśnienie w układzie hydraulicznym,

• zawory kolejności działania utrzymują określone ciśnienie przed zaworem niezależnie od ciśnienia za zaworem,

• zawory redukcyjne utrzymują określone ciśnienie za zaworem niezależnie od zmian ciśnienia przed zaworem,

• zawory różnicowe utrzymują stałą różnicę ciśnień przed i za zaworem,

• zawory proporcjonalne zapewniają stały stosunek ciśnień przed i za zaworem.

2. zawory natężeniowe spełniają następujące zadania:

• zawory odcinające zamykają lub otwierają przepływ cieczy,

• zawory rozdzielcze zwane też rozdzielaczami hydraulicznymi, kierują ciecz do odpowiednich przewodów i odbiorników,

• zawory zwrotne przepuszczają strumień cieczy tylko w jednym kierunku,

• zawory dławiące sterują w sposób ciągły natężeniem przepływu cieczy,

• regulatory przepływu dwudrogowe zapewniają stałe natężenie przepływu, niezależnie od zmian ciśnienia w instalacji,

• regulatory przepływu trójdrogowe sterują natężeniem przepływu, kierując w razie potrzeby część strugi cieczy do bocznego odgałęzienia.

Zawór bezpieczeństwa ( przelewowy)

Każdy układ hydrauliczny powinien być zabezpieczony przed przeciążeniami. Przed podwyższeniem ciśnienia ponad dopuszczalną wartość. Zabezpieczenie takie zapewnia się przez włączenie na odgałęzieniu przewodu tłocznego pompy zaworu bezpieczeństwa, który otwiera się samoczynnie w przypadku podwyższenia się ciśnienia do określonej wartości. Często tylko część cieczy dostarczonej przez pompę ma dopływać do urządzenia wykonawczego, a reszta powinna odpływać do zbiornika lub innej gałęzi układu, w której panuje niższe ciśnienie. W takich warunkach zawór przepuszczający nadmiar cieczy z odgałęzienia roboczego jest nazywany zaworem przelewowym, który spełnia jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.

Gorsze są zawory kulkowe ponieważ szybciej zużywa się gniazdo, którym osadzona jest kulka dlatego częściej stosuje się zawory tłoczkowe.

Dławiki

Sterują one rozdzielaniem energii. Dławienie polega na rozpraszaniu cieczy; oparte może być na lepkości cieczy.Strata ciśnienia w typie dławika kryzowego iglicowego jest sprowadzona do minimum wskutek tarcia cieczy.

7

10

Rys. Schemat napędu hydraulicznego

P₁ - moc wejściowa (moc doprowadzana do napędu)

P₂ - moc wyjściowa (moc otrzymywana z napędu

P_str - moc tracona w napędzie

---