Napędy elektryczne,pneumatyczne i hydrauliczne

Układem napędowym – nazywa się zespół zawierający silnik napędowy oraz

mechanizmy przenoszące napęd do zespołów roboczych maszyny.

Napędy elektryczne

Silniki te przetwarzają energię elektryczną na energię mechaniczną niezbędną do

napędzania zespołów roboczych.

W najprostszym układzie napędowym występuje jednokrotne przetwarzanie energii .

Natomiast w złożonych układach napędowych , zanim energia elektryczne zostanie
przekazana maszynie roboczej , może być kilkakrotnie przetwarzana lub mogą być zmienione
jej parametry elektryczne . Każde przekształcenie energii jest związane ze stratami

Spośród różnych rodzajów silników elektrycznych do napędu maszyn

technologicznych są stosowane te które mają:
- sztywną charakterystykę mechaniczną,
- odpowiedni do napędu moment rozruchowy,
- dostateczną przeciążalność
- możliwość zmiany kierunku obrotu,
- odpowiednie własności dynamiczne.

Moment rozruchowy silników stosowanych do napędu większości maszyn nie musi

być duży, gdyż chwili rozruchu nie są one obciążone siłami pochodzącymi od procesu
roboczego. Jednie w maszynach ciężkich, w których masa napędzanych zespołów jest duża,
oraz w maszynach sterowanych numerycznie jest wymagany większy moment rozruchowy.

Przeciążalność typowych silników napędowych ruchu głównego i posuwowego nie

przekracza 1,3 – 1,6 momentu znamionowego, natomiast dla silników
serwomechanizmowych stosowanych w maszynach sterowanych numerycznie osiąga warość
nawet 10-krotnie większą.

Napędy elektryczne dzielimy na :

•

Silniki prądu stałego (obcowzbudne , bocznikowe , szeregowe , szeregowo-
bocznikowe, krokowe)

•

Silniki prądu przemiennego(asynchroniczne klatkowe i pierścieniowe , synchroniczne)

Zalety napędów elektrycznych:

•

stała czasowa rozruchu

•

zwarta konstrukcja

•

ogólnodostępność

•

łatwość doprowadzenia energii zasilania

•

duża szybkość działania

•

stała prędkość obrotowa (do 15000 obr/min)

•

małe bezwładności wirników

•

niski poziom szumu i wibracji oraz brak zanieczyszczenia otoczenia

•

eksploatację bez nadzoru i ogranicza czynności obsługi

•

łatwy demontaż silników

Wady napędów elektrycznych :

•

możliwość wystąpienia przebić lub zwarć

•

zależna prędkości od obciążenia

•

ograniczona trwałość szczotek w komutatorach silników prądu stałego

Napędy elektryczne składają się z :

•

ródła napięcia

•

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

•

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

•

maszyny roboczej

Silnik asynchroniczny

Silnik asynchroniczny (indukcyjny) to najbardziej popularny silnik, o najszerszych

zastosowaniach ze wszystkich rodzaji silników elektrycznych, wykorzystywany szczególnie
w przemyśle, ale również i w sprzęcie domowym. Charakteryzuje się bardzo prostą, i łatwą w
utrzymaniu konstrukcją. Moce budowanych obecnie silników asynchronicznych obejmują
zakres od ułamków kilowatów do kilku megawatów

Silnik indukcyjny składa się z dwóch zasadniczych części:

•

nieruchomego stojana

•

i ruchomego(wirującego) wirnika.

Ze względu na sposób wykonania wirnika rozróżnia się dwa rodzaje silników indukcyjnych:
klatkowe i pierścieniowe.

Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie
zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest
polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika
silnik indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod
wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól
magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i
ruch.

W tym modelu wirujące pole magnetyczne
reprezentowane jest przez obracające się
magnesy umieszczone w obudowie stojana,
natomiast wirnik stanowi klatka z prętów
zwarta pierścieniami z obu stron. Wirnik
obraca się z mniejszą prędkością niż stojan.
Wartość tej prędkości jest uzależniona od
momentu obciążenia - przy większym
momencie oporowym wirnik obraca się
wolniej, przyspiesza, jeżeli go zmniejszamy. A
więc w skoro prędkości wirnika i stojana są
różne, oznacza to, że w tym modelu stojan, a w
rzeczywistości pole wirujące wytwarzane przez
stojan, obraca się z pewną prędkością
względem wirnika. Prędkość tą nazywa się
poślizgiem i wyraża się wzorem:

n1- prędkość wirowania pola wytworzonego przez stojan
n - prędkość wirowania wirnika

Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego ukazuje zależność momentu na

jego wale od prędkości obrotowej silnika Jak juz wspomniano wcześniej prędkość obrotową
silnika asynchronicznego można wyrazić za pomocą poślizgu.

Charakterystykę mechaniczną
silnika można wyrazić za
pomocą nastepującego wzoru:

M - moment silnika
M

- moment krytyczny silnika

s - poślizg
s

m - poślizg krytyczny

Wzór ten nazywany jest wzorem Klossa.:

Silnik synchroniczny

Silnik synchroniczny to silnik, w którym prędkość wirowania wirnika jest synchroniczna z
prędkością wirowania pola magnetycznego.

Budowa

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie
stojana, wytwarzające kołowe pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników.
Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w
postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni
ś

lizgowych i szczotek, z źródła prądu stałego lub przemiennego. Wirniki te wykonuje się w

dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami
jawnymi.

czterobiegunowy wirnik jawny

dwubiegunowy wirnik cylindryczny (o
biegunach utajonych)

Ostatnio jednak coraz częściej stosuje się
maszyny z wzbudzeniem
magnetoelektrycznym w których wirnik
zamiast uzwojenia ma zamontowane magnesy
trwałe.

Zasada działania
Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli
wyobrazić sobie to pole jako wirująca parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany
wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły
działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają
ż

adnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym

spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się juz
pokrywać z osią stojana a więc siły działające między biegunami spowodują powstanie
momentu mechanicznego, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany
obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku
asynchronicznym).

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 .

Najbardziej ogólny podział silników krokowych dotyczy podziału ze względu na rodzaj ruchu
na silniki wirujące i liniowe. Natomiast podstawowymi rodzajami wirujących silników
krokowych są:

•

silniki z magnesem stałym.

•

silniki o zmiennej reluktancji.

•

silniki hybrydowe.

Napędy hydrauliczne

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.

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:

•

trudność uszczelniania elementów ruchowych, jak również uzyskania ich dużej
ż

ywotności, czynnik ten odgrywa coraz mniejsza rolę, ze względu na szybko

rozwijająca się technikę uszczelniania, która prowadzi nie tylko do zmniejszenia strat
ale także do podwyższania żywotności uszczelnień

•

straty cieczy na nieszczelności - coraz rzadsze, ponieważ do wykonania elementów
hydrauliki stosuje się najczęściej materiały walcowane, ciągnione i kute

•

niebezpieczeństwo dostawania się powietrza do obiegu, co wywołuje ruchy drgające i
niespokojna pracę, szumy i niszczenie korodujące wewnętrznych części omywanych
przepływającą cieczą z rozpuszczonym w niej powietrzem. Obecnie stosuje się we
wszelkich elementach hydraulicznych oraz przewodach zawory odpowietrzające do
okresowego systematycznego odpowietrzania układu hydraulicznego

•

konieczność bardzo dokładnego wykonania części urządzeń zasilających, sterujących i
regulujących

•

trudność uzyskania powolnych ruchów urządzeń hydraulicznych

•

konieczność dokonywania zabiegów konserwacyjnych i remontowych przez wysoko
kwalifikowaną obsługę

Napędy hydrauliczne składają się z :

•

pompy , które zamieniają dostarczoną przez silnik energię mechaniczną na energię
hydrauliczną.

•

silniki hydrauliczne lub siłowniki, zamieniające dostarczaną przez pompę energię
hydrauliczną z powrotem na energię mechaniczną.

•

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.

Pompa łopatkowa Vickersa

Wirnik z łopatkami jest umieszczony współosiowo z otworem obudowy, który ma przekrój o
kształcie owalnym utworzonym przez 4 łuki o śr. leżących w osi wirnika. Dzięki temu pompa
ma 2 przestrzenie wsawne i 2 przestrzenie tłoczne, rozmieszczenie jest przeciwległe i
odpowiednio połączone. Dzięki symetrii konstrukcyjnego układu pompy, chwilowe siły ciśn.
działające na wirnik i łopatki równoważą się w każdym ustawieniu obracającego się wirnika.
Liczba łopatek wynosi zwykle 12 lub 16 są one dociskane, do obudowy dzieki naporowi
cieczy doprowadzanej pod ciśnieniem do przestrzeni pod łopatkami.

Pompa łopatkowa mimośrodkowa
Obracający się wirnik ma promieniowe wycięcia w których znajdują się szurliwe łopatki.
Wirnik i łopatki umieszczony jest mimośrodkowo w cylindrycznej obudowie. Łopatki
przylegają szczelnie do obudowy. Przestrzeń między łopatkami zwiększa się w czasie jednej
połowy obrotu wirnika i maleje w drugiej połowie obrotu. Kanał dolotowy jest w miejscu
powiększania się przestrzeni międzyłopatkowej, a kanał wylotowy – gdzie przestrzenie
maleją. Zmieniając mimośrodkowość wirnika regulujemy wydajność pompy.

Pompy promienne
Mają układ rzędowy lub gwiazdkowy. Gwiazdkowy składa się z wirnika, w którym znajdują
się cylindry i tłoki. Wirnik obraca się na wałku zawierającym dwie wyfrezowane komory –
tłoczną i ssawną, połączone kanałem ssawnym z końcówka pompy. Rozdzielone są
przegrodą. Tłoki opierają się dzięki naciskowi sprężyn lub siłom odśrodkowym o pierścień
obudowy względem, której wirnik jest przesunięty o mimośrodkowość e. Ciecz wytłaczana z
komory tłocznej jest zasysana z komory ssawnej do cylindra,a później wytłaczana do komory
tłocznej. Liczba cylindrów wynosi zwykle 5do9.

Symbole graficzne podstawowych elementów hydraulicznych, stosowanych na
schematach :

Opis kilku schematów

Pompa tłoczy olej do cylindra,

powodując ruch tłoka w cylindrze.

Z przeciwnej strony cylindra olej wpływa

do zbiornika

Dołączenie zaworu przelewowego

zabezpiecza przed przeciążeniem

Dodatkowo przyłączony akumulator

hydrauliczny umożliwia:

zasilanie układu przez pewien czas po

wyłączeni pompy

pokrycie krótkotrwałego zwiększonego

zapotrzebowania na olej,

wyrównanie pulsacji strumienia tłoczonego

pompą.

Włącznie dławika umożliwia nastawienie

ruchów szybkości tłoka.

Nadmiar oleju wraca do zbiornika

przez zawór przelewowy

Dławik umieszczony na wylocie zapewnia

przeciwciśnienie sprzyjające spokojnemu

ruchowi.

Nagrzany w dławiku olej nie wpływa do

cylindra, lecz do zbiornika.

Dławik można także umieścić na

odgałęzieniu – pompa pracuje tylko na

takie ciśnienie, jakie panuje w cylindrze,

nastawianie szybkości jest jednak mniej

dokładne.

Przez włączenie rozdzielacza zmiany

kierunku zyskuje się możliwość ruchu

tłoka w obu kierunkach.

Suwak może być sterowany ręcznie lub

samoczynnie mechanicznie, hydraulicznie

albo elektrycznie.

Napędy pneumatyczne

Napęd pneumatyczny jest to napęd mechanizmów maszyn i urządzeń przy

wykorzystaniu energii sprężonego gazu - zazwyczaj tym gazem jest powietrze.

Napędy pneumatyczne najczęściej stosuje się w maszynach i urządzeniach

technologicznych, głównie do realizacji przesuwów mechanizmów oraz wywoływania
określonego nacisku statycznego. Urządzenia pneumatyczne wykorzystuje się do:
+ napędu urządzeń transportowych - podnośników, podajników itp.
+ zamykania okien, drzwi, zasuw itp.
+ napędu urządzeń hamulcowych w motoryzacji i kolejnictwie,
+ napędu narzędzi ręcznych wirujących i udarowych
+ napędu urządzeń odłączających na stacjach wysokiego napięcia
+ napędu dużych zaworów regulacyjnych w przemyśle chemicznym i przetwórczym
Napęd pneumatyczny odbywa się za pomocą silników pneumatycznych o ruchu posuwisto-
zwrotnym ( siłowników) lub o ruchu wirującym.

W przemyśle, najczęściej wykorzystywane są układy napędowe mieszane

pneumohydrauliczne tj takie, w których sprężone powietrze jest czynnikiem napędowym,
natomiast olej jest czynnikiem pomocniczym umożliwiającym np. uzyskanie bezstopniowego
nastawiania niewielkich prędkości ruchu tłoków lub też przenoszącym wysokie ciśnienie
robocze.

Zalety napędów pneumatycznych :

•

prosta i niezawodna konstrukcja,

•

Element wyjściowy napędu uzyskuje dość dużą prędkość

•

Zasilane mogą one być ze standardowej, przemysłowej sieci sprężonego powietrza o
ciśnieniu 0,5 – 0,6 MPA.

•

mogą pracować w środowisku agresywnym i zagrożonym pożarem

•

Posiadają duzy współczynnik sprawności

•

dużą niezawodność oraz trwałość

•

są odporne na wibracje

•

cena jest stosunkowo niska.

Wady napędów pneumatycznych:

•

niestałość prędkości członu wyjściowego napędu przy zmianach obciążeń

•

ograniczoną liczbę punktów pozycjonowania (najczęściej dwa)

•

konieczność wyhamowania członu wyjściowego napędu w końcowej fazie ruchu,
gdyż jego uderzenia przy dużej prędkości w twardy zderzak, powodują znaczne
przeciążenia dynamiczne

•

głośna praca