1
1. UKŁADY PNEUMATYCZNE – w skrócie
1.1
Napęd pneumatyczny
WyróŜnia się dwa główne określenia odnośnie zastosowania spręŜonego powietrza
w urządzeniach i mechanizmach. Te określenia to mianowicie:
•
napęd pneumatyczny,
•
sterowanie pneumatyczne.
RóŜnica pomiędzy tymi dwoma pojęciami wynika z róŜnych moŜliwości zastosowania czynnika
roboczego, jakim jest spręŜone powietrze. OtóŜ moŜe pełnić funkcję zarówno nośnika energii
(napęd pneumatyczny) jak i równieŜ nośnika informacji (sterowanie pneumatyczne). Istnieje
równieŜ moŜliwość stworzenia układu, który spełniałby obydwie funkcje jednocześnie (jest to
najczęściej spotykane rozwiązanie).
Definicja napędu w technice ma dwojakie znaczenia. Pierwsza z nich odnosi się do rodzaju
energii, która zostaje poddana zamianie na energię mechaniczną. Druga związana jest z elementami
i częściami maszyn, biorących udział w przekazaniu energii ruchu od jej generatora (silnika
dowolnego rodzaju) do zespołów mechanizmów wykorzystujących ów ruch.
Zgodnie z pierwszą definicją moŜna powiedzieć, iŜ główną zasadą ich działania jest zmiana
określonego rodzaju energii na energię mechaniczną (głównie jest to ruch obrotowy lub posuwisty).
Do powyŜszej konwersji energii dochodzi poprzez zastosowanie odpowiedniego silnika
przystosowanego do zasilania określoną postacią energii.
W związku z tą definicją moŜna wyróŜnić kilka podstawowych rodzajów napędu:
•
napęd elektryczny,
•
napęd spalinowy,
•
napęd hydrauliczny,
•
napęd pneumatyczny.
Natomiast zgodnie z drugą definicją napędu, pod rozwaŜania bierze się wszystkie elementy
pośrednie
znajdujące
się
pomiędzy
silnikiem
a
napędzanym
mechanizmem.
W takim znaczeniu moŜna wymienić m.in. następujące rodzaje napędów:
•
zębaty,
•
śrubowy,
•
cierny,
•
cięgnowy.
Na podstawie powyŜszego podziału moŜna zauwaŜyć, iŜ podstawą działania napędu
pneumatycznego jest spręŜony gaz (czynnik roboczy), który pełni funkcje przesyłową energii
między miejscem jej wytworzenia (np. kompresorem) a odbiornikiem, w którym zachodzi zamian
energii potencjalnej na mechaniczną. Na bardzo zbliŜonej zasadzie działa równieŜ napęd
hydrauliczny.
1.2
Czynnik roboczy
Czynnikiem roboczym w napędach pneumatycznych jest spręŜony gaz lub jego mieszanina
(najczęściej jest uŜywane powietrze atmosferyczne). Dzięki temu, iŜ rola spręŜonego powietrza
(pod względem funkcjonalnym) jest zbliŜona do tej, jaką spełnia ciecz w napędach hydraulicznych
to moŜliwe jest zaklasyfikowanie tego medium, jako elementu, który w sposób znaczący wpływa na
pracę całego układu (sprawność, trwałość elementów składowych oraz charakterystyka pracy).
Do podstawowych zadań czynnika roboczego naleŜą:
•
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
•
odprowadzanie ciepła,
•
smarowanie powierzchni ruchowych i par ciernych (powietrze naolejone).
W celu zapewnienia trwałości i niezawodności układów pneumatycznych naleŜy
w odpowiedni sposób przygotować powietrze przed jego wprowadzeniem do układu. Zajmuje się
tym zespół przygotowania powietrza, który został opisany w dalszej części pracy. Do jego
podstawowych zadań moŜna zaliczyć:
•
oczyszczenie czynnika roboczego z zanieczyszczeń,
•
uzyskanie ciśnienia o wymaganej wartości,
2
•
wprowadzenie do czynnika roboczego środka smarnego (w przypadku konieczności
smarowania elementów układu).
Po oczyszczeniu powietrze powinno charakteryzować się następującymi cechami:
•
brakiem wody w postaci kropel; woda w postaci pary jest dopuszczalna, gdy punkt rosy
występuje przy temperaturze niŜszej o 5-10°C od najniŜszej temperatury pracy układu,
•
zawartością zanieczyszczeń mechanicznych (o wymiarach cząstek poniŜej określonej
wartości) nieprzekraczających dopuszczalnego udziału masowego w warunkach
znormalizowanej atmosfery odniesienia,
•
brakiem olejów (dla układów pneumatycznych bezsmarowych).
Najczęściej stosowanym czynnikiem roboczym w układach pneumatycznych jest spręŜone
powietrze. Jego popularność wynika z następujących zalet, jakimi się charakteryzuje:
•
ogólnodostępność,
•
łatwość jego transportu za pomocą przewodów,
•
brak konieczności stosowania obiegów zamkniętych,
•
bezpieczeństwo stosowania (w razie rozszczelnienia instalacji nie ma ryzyka skaŜenia
środowiska naturalnego oraz niskie ryzyko uszkodzenia operatora),
•
odporność na zmiany temperatury otoczenia.
JednakŜe spręŜone powietrze posiada teŜ kilka dość istotnych wad, do których zalicza się głównie:
•
duŜą ściśliwość (utrudnia uzyskanie płynnych powolnych ruchów),
•
problemy z uzyskaniem pełnej szczelności układu.
1.3
Charakterystyka układów pneumatycznych
Podstawowym źródłem energii wykorzystywanym w układach pneumatycznych jest spręŜone
powietrze, które to jest wytworzone przy wykorzystaniu kompresorów (spręŜarek). Wykorzystuje
się w nich zazwyczaj silniki elektryczne, ale występują równieŜ spręŜarki napędzane silnikiem
spalinowym. Ze względu na spadek ciśnienia, który wynika ze zjawisk związanych z przepływem
gazu wewnątrz instalacji, zwykło przyjmować się, iŜ maksymalna odległość, na jaką jest
transportowany czynnik wynosi ok. 1000 m. Stosunkowo łatwe jest natomiast przechowywanie
spręŜonego
powietrza.
MoŜe
to
się
odbywać
zarówno
w zbiornikach stałych jak i mobilnych (ruchomych). W pneumatyce siłowej moŜliwe jest uzyskanie
sił na poziomie 30kN. Uzyskuje się je przy stosunkowym niskim poborze mocy co wynika z faktu,
iŜ
ciśnienie
czynnika
roboczego
zazwyczaj
nie
przekracza
1,5MPa.
W systemach pneumatycznych regulacja siły polega na zmianie ciśnienia doprowadzanego do
aktorów. Zmiana prędkości odbywa się zazwyczaj poprzez dławienie czynnika roboczego, które
jest doprowadzane bądź teŜ odprowadzane z przetwornika. Ogromną zaletą napędów
pneumatycznych jest moŜliwość ich stosowania w warunkach, gdzie moŜe wystąpić zjawisko
samozapłonu. PoniewaŜ układy pneumatyczne nie mają obiegu zamkniętego to istotną wadą jest
hałas, który powstaje podczas wydostawania się czynnika do otoczenia.
W normie PN-73/M-73020 zawarty został podział elementów wchodzących w skład układów
pneumatycznych na następujące grupy:
•
elementy wykonawcze – dochodzi w nich do zamiany energii dostarczonego czynnika
roboczego na energię mechaniczną (silniki, siłowniki),
•
zawory – elementy regulujące przepływ czynnika roboczego,
•
zespół przygotowania, magazynowania i przesyłania czynnika roboczego,
•
elementy pomocnicze (wszelkiego rodzaju mierniki, złącza pneumatyczne oraz płyty
montaŜowe).
Coraz szersze zastosowanie układów pneumatycznych w budowie maszyn i urządzeń wynika z
bezpośrednich zalet, jakimi to charakteryzują się owe układy, są to miedzy innymi:
•
łatwość w zabezpieczaniu układu przed przeciąŜeniem (w momencie przekroczenia
maksymalnego obciąŜenia nie dochodzi do bezpośrednich uszkodzeń),
•
moŜliwość automatyzacji,
•
łatwość w przestrojeniu pracy całego układu,
•
moŜliwość ciągłej kontroli procesów technologicznych,
3
•
moŜliwość umieszczenia istotnych elementów sterowania w pobliŜu operatora (ułatwia to
dostęp podczas ewentualnej awarii),
•
wysoki poziom znormalizowania części stosowanych w róŜnego typu maszynach, co
powoduje obniŜenie kosztów wytworzenia kompletnego układu,
•
bezawaryjność (pod warunkiem prawidłowej eksploatacji),
•
moŜliwość indywidualnego dopasowania architektury układu do wymagań klienta.
Do wad urządzeń wykorzystujących napęd pneumatyczny naleŜy zaliczyć:
•
problemy z pełną synchronizacją ruchów,
•
wpływ zmiany obciąŜenia zewnętrznego na prędkość aktorów,
•
ograniczenia długościowe w ruchu prostoliniowym.
1.4
Zastosowania urządzeń pneumatycznych
Na chwilę obecną pneumatyka znajduje duŜe zastosowanie w stosowanych rozwiązaniach
technicznych. W Ŝyciu codziennym, co chwilę napotykamy urządzenia wykorzystujące techniki
pneumatyczne, bądź teŜ produkty wytworzone dzięki zastosowaniu pneumatyki. Bardzo często
nawet nie jesteśmy świadomi tego kontaktu. W wymienionych poniŜej urządzeniach pneumatyka
znajduje zastosowanie, jako układ pomocniczy bądź teŜ główny:
•
układy hamulcowe oraz aktywne zawieszenie w pojazdach dostawczych,
•
mechanizm zamykania drzwi w środkach komunikacji zbiorowej,
•
współrzędnościowe maszyny pomiarowe,
•
automaty pakujące,
•
maszyny do produkcji butelek PET,
•
wtryskarki,
•
manipulatory przemysłowe,
•
obrabiarki CNC,
•
systemy transportowe,
•
urządzenia sortujące,
•
rozlewarki,
•
dystrybutory,
•
narzędzia ręczne stosowane w budownictwie,
•
narzędzia ręczne na liniach montaŜowych,
•
inne.
4
2
ELEMENTY SKŁADOWE UKŁADÓW PNEUMATYCZNYCH
2.1
Zespoły przygotowania powietrza
Zespół przygotowania powietrza (rys.1) zajmuje się nadaniem odpowiednich parametrów
spręŜonemu powietrzu, co daje gwarancję prawidłowego działania układu oraz przedłuŜa
Ŝywotność jego elementów składowych. W związku, z tym kaŜdy układ pneumatyczny jest
wyposaŜony w specjalny układ, który ma za zadanie:
•
oczyszczenie powietrza,
•
zredukowanie ciśnienia do wymaganej wartości,
•
w razie zaistnienia konieczności: nasycanie czynnika roboczego mgłą olejową.
Rys.1. Uproszczony schemat zespołu przygotowania powietrza
W skład zespołu przygotowania powietrza wchodzą:
•
reduktory,
•
filtry,
•
smarownice.
W celu dokonania poprawnego doboru zespołu przygotowania powietrza w szczególności naleŜy
zwrócić uwagę na następujące parametry:
•
całkowity wydatek powietrza wyraŜony w[m
3
/h.] (im wyŜszy wydatek tym większy spadek
ciśnienia wewnątrz urządzenia),
•
ciśnienie robocze (powinno być niŜsze bądź równe niŜ wartość deklarowanego ciśnienia
maksymalnego dla jednostki uzdatniającej),
•
temperatura (nie powinna być wyŜsza niŜ 50°C).
2.2
Zespół spręŜania powietrza
Głównym zadaniem spręŜarki jest zwiększenie ciśnienia czynnika roboczego poprzez
zmniejszenie objętości w wyniku jego kompresję. Zgodnie z normą PN-89/M-43100 moŜna
dokonać podziału spręŜarek na dwie główne grupy:
•
spręŜarki wyporowe,
•
spręŜarki przepływowe.
Na rysunku 2 zaprezentowano przykładowy podział spręŜarek ze względu na konstrukcję
Rys..2. Podział spręŜarek [23]
5
2.2.1
SpręŜarki wyporowe
Zasadą działania tego typu spręŜarek jest zassanie określonej ilości powietrza (lub innego
gazu) do określonej zamkniętej przestrzeni i następującym po tym zwiększeniu ciśnienia na skutek
zmniejszenia tej objętości poprzez ruch jednej z ograniczających ją powierzchni. Dalszego podziału
wewnątrz tej grupy moŜna dokonać na podstawie analizy charakteru ruchu roboczego, wówczas
otrzymamy następujące podgrupy:
•
o ruchu posuwisto-zwrotnym – zasysanie oraz spręŜanie czynnika roboczego uzyskuje po
przez ruch posuwisto zwrotny elementu roboczego we wnętrzu komory spręŜania,
•
o ruchu obrotowym – spręŜenie gazu uzyskuje się po przez ruch łopatek lub elementów
zazębiających się.
2.2.2
SpręŜarki wyporowe posuwisto-zwrotne
SpręŜarki wyporowe tłokowe są najczęściej stosowanym typem spręŜarek. UŜywa się nich
do wytworzenia ciśnienia od 1 do 25 bar przy wydajności rzędu 4÷200 m
3
/h. Elementem
spręŜającym powietrze jest tłok, który wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. W momencie
przemieszczania się w dół następuje zassanie powietrza, ruch ku górze jest odpowiedzialny za
spręŜenie powietrza (rys. 3). Ilość tłoków oraz ich rozmieszczenie jest uzaleŜnione od cech
indywidualnych danego kompresora.
Rys.3. Zasada spręŜania kompresora tłokowego [1]
2.2.3
SpręŜarki śrubowe
Ten typ spręŜarki naleŜy do grupy spręŜarek wyporowych o ruchu obrotowym. SpręŜanie gazu
powstaje na skutek zmniejszania się przestrzeni pomiędzy pracującymi śrubami na odcinku
pomiędzy otworami ssawnymi a otworami tłocznymi (rys. 4). Sprawność tego rozwiązania w duŜej
mierze zaleŜy od uzyskanej szczelności pomiędzy korpusem a śrubami oraz samymi śrubami.
SpręŜarki tego typu znajdują swoje zastosowanie głównie w warunkach przemysłowych. Wynika to
z faktu, iŜ ich wydajność moŜe sięgać nawet 10000m
3
/h. Często wewnątrz tego typu kompresorów
stosuje się ciecz (najczęściej jest to olej, ale równieŜ moŜna spotkać rozwiązania z zastosowaniem
wody). Takie rozwiązanie ma na celu:
•
obniŜenie temperatury pompy (zwiększa sprawność układu),
•
uszczelnienie przestrzeni roboczej (zapobiega przepływowi powrotnemu),
•
ochronie części ruchomych.
6
Rys.4. Budowa spręŜarki śrubowej [2]
2.2.4
SpręŜarki przepływowe
W tego typu spręŜarkach (rys. 5) przyrost ciśnienia gazu powstaje na skutek oddziaływania
ukształtowanych w odpowiedni sposób elementów ruchomych (wirnika) oraz nieruchomego
korpusu zwanego równieŜ kierownicą. Na skutek oddziaływania sił wywołanych ruchem wirnika
od strony wlotu powstaje podciśnienie powodujące zasysanie gazu do środka spręŜarki.
Kompresory tego rodzaju charakteryzują się bardzo duŜą wydajnością dochodzącą nawet do
1400000 m³/h.
Rys.5. Przekrój spręŜarki przepływowej [3]
2.3
Pneumatyczne elementy sterujące
Do najbardziej rozbudowanej grupy elementów stosowanych w układach pneumatycznych
naleŜą części związane ze sterowaniem (zwane równieŜ potocznie zaworami). Są to elementy
odpowiedzialne za:
•
natęŜenie przepływu,
•
kierunek przepływu,
•
wartość ciśnienia.
7
Tak samo jak miało to miejsce w przypadku spręŜarek tak i równieŜ w przypadku zaworów
moŜemy dokonać podziału na kilka grup oraz podgrup, w zaleŜności od spełnianej przez zawory
funkcji:
A.
zawory sterujące kierunkiem przepływu:
•
rozdzielające,
•
szybkiego spustu,
•
zwrotne,
•
przełączniki obiegu,
•
odcinające,
•
podwójnego sygnału;
B.
zawory sterujące ciśnieniem:
•
ograniczające ciśnienie
•
regulatory ciśnienia,
•
róŜnicowe,
•
proporcjonalne,
•
kolejności działania;
C.
Zawory sterujące natęŜeniem przepływu:
•
dławiące,
•
dławiące proporcjonalne.
2.3.1
Zawory rozdzielające
Do zadań rozdzielacza (rys. 6) naleŜy doprowadzenie bądź teŜ odprowadzenie powietrza w
ściśle określonym czasie dla danego odbiornika (aktora). Na funkcjonalność tego typu zaworów
wpływ mają następujące czynniki:
•
ilość dróg przepływu – jest to ilość niepołączonych ze sobą w sposób trwały otworów,
miedzy, którymi w określonych połoŜeniach następuje przepływ czynnika roboczego (w
najczęściej stosowanych modelach liczba dróg waha się w przedziale 2÷5),
•
ilość sterowalnych połoŜeń – określa liczbę moŜliwych do uzyskania połoŜeń zaworu
(najczęściej dwu- lub trójstanowe),
•
rodzaj sterowania – zawory mogą być sterowane mechanicznie, pneumatycznie, siłą
ludzkich mięśni bądź teŜ w sposób mieszany,
•
odmiany sterowania – moŜemy w tym przypadku wyróŜnić dwojaki podział ze względu na
sposób przekazywania mocy sterowania:
o
bezpośredni,
o
pośredni (z własnym układem wzmacniania sygnału),
ze względu na stan zaworu po odcięciu sygnału sterującego:
o
monostabilne (powracają do połoŜenia pierwotnego),
o
bistabilne (utrzymują stan identyczny ze stanem w momencie przesyłu sygnału),
•
sposób zasilania – występują zawory zasilane przewodowo jak i bezprzewodowo.
Na chwilę obecną coraz częściej moŜna się spotkać z hybrydową budową zaworów. Dlatego
teŜ,
celowym
wydaje
się
być
dodatkowy
podział
rodziny
rozdzielaczy
z uwzględnieniem ich funkcji oraz budowy. Wówczas podział wygląda następująco:
•
rozdzielacze konwencjonalne (zwykłe) – odpowiedzialne są jedynie za kierunek przepływu,
•
rozdzielacze proporcjonalne – oprócz sterowania kierunkiem przepływu mogą regulować
natęŜenie przepływu bądź teŜ ciśnienie,
•
rozdzielacze z wbudowanym serwomechanizmem.
8
Rys.6. Przykładowy schemat zaworu rozdzielającego pięciodrogowego, 1 – przyłącze zasilające, 2 i 4 –
przyłącza robocze (wyjściowe), 3 i 5 – przyłącza odpowietrzające.
2.3.2
Zawory zwrotne
Zainstalowanie zaworu zwrotnego w obwodzie umoŜliwia przepływ gazu tylko
w jednym kierunku. Powinien być zamontowany moŜliwie blisko odbiornika w celu jego ochrony
przed skutkami gwałtownego spadku ciśnienia wewnątrz sieci. Produkowane są równieŜ zawory
zwrotne sterowane (tzw. zamki pneumatyczne). W odróŜnieniu od zaworów standardowych moŜna
w nich zmieniać kierunek przepływu gazu przy pomocy dodatkowego wejścia z układu sterowania,
które to determinuje otwarcie bądź zamknięcie przepływu.
Zawory zwrotne mogą występować w dwóch odmianach. Ich podział został zaprezentowany
na rysunku 7.
Rys.7. Podział zaworów zwrotnych [22]
W przypadku zaworów nieobciąŜonych ciśnienie dostarczone musi być wyŜsze od ciśnienia po
stronie odbiornika. Natomiast w przypadku zaworu obciąŜonego (rys. 4.8) dochodzi dodatkowa
siła, którą musi pokonać dostarczany gaz. wynika ona z oporu stawianego przez wbudowaną
spręŜynę. Dzięki temu rozwiązaniu ustawienie zaworu nie ma Ŝadnego wpływu na jego
charakterystykę.
Rys.8. Przykładowa budowa zaworu zwrotnego obciąŜonego [4]
2.3.3
Zawory szybkiego spustu
Zawory te (rys. 9) są odpowiedzialne za samoczynne otworzenie drogi wyjściowej medium
do atmosfery w momencie spadku ciśnienia w drodze wejściowej. Ma to na celu jak najszybsze
opróŜnienie komór aktora. UmoŜliwia to znaczne zwiększenie prędkości ruchu, zwłaszcza w
przypadku tłoka jednostronnego działania.
9
Rys.9. Schemat zaworu szybkiego spustu, 1 – przyłącze zasilające, 2 – przyłącze robocze (wyjściowe), 3 –
przyłącze odpowietrzające.
2.3.4
Przełączniki obiegu
W
zaworach
tego
typu
(rys.
10)
realizowana
jest
funkcja
logiczna
OR.
W momencie pojawienia się w jednej z dróg zasilania ciśnienia, w tym samym momencie następuje
zamknięcie drugiej linii zasilającej. W przypadku pojawienia się obu sygnałów jednocześnie do
wyjścia zostanie skierowany mocniejszy sygnał. Rozwiązanie to zostało podyktowane faktem, iŜ
czasem występuje konieczność uruchomienia odbiornika z kilku róŜnych miejsc. Konstrukcją jak i
równieŜ zasadą działania zawór ten jest bardzo zbliŜony do zaworu zwrotnego.
Rys.10. Schemat przełącznika obiegu, 1 – przyłącza zasilające, 2– przyłącze robocze (wyjściowe).
2.3.5
Zawory podwójnego sygnału
W zaworach podwójnego sygnału (rys.11) podobnie jak prezentowanym powyŜej rodzaju
zaworu, występują dwie drogi wejściowe i jedna droga wyjścia. Tak samo jak przełącznik obiegu
jest
to
zawór
logiczny
z
tą
jednak
róŜnicą,
Ŝe
realizuję
funkcję
AND.
W momencie pojawienia się dwóch sygnałów wejściowych na wyjściu pojawi się sygnał równy, co
do wartości niŜszemu ciśnieniu.
Rys.11. Schemat zaworu podwójnego sygnału, 1 – przyłącza zasilające, 2– przyłącze robocze (wyjściowe).
2.3.6
Zawory odcinające
Zawory te (rys. 12) naleŜą do grupy zaworów dwudrogowych i słuŜą do czasowego
zamykania bądź otwierania przepływu na danym odcinku układu. UmoŜliwiają przepływ czynnika
roboczego w dowolnym kierunku. W pozycji otwartej pozwalają na przepływ swobodny gazu,
podczas gdy w momencie zamknięcia całkowicie go blokują (połoŜenia pośrednie ograniczają
10
przepływ). Zawory odcinające znajdują zastosowanie w miejscach, gdzie moŜe wystąpić
konieczność czasowego odcięcia elementu składowego od całości układu w celu dokonania
stosownego przeglądu, wymiany bądź teŜ naprawy. Często teŜ, stosuje się je przed rzadziej
stosowanymi odcinkami układu np. w celu odciąŜenia spręŜarek. Zawory odcinające znajdują
równieŜ zastosowanie przy zbiornikach ciśnieniowych, gdzie często pełnią rolę zaworów
spustowych.
Rys.12. Schemat zaworu odcinającego normalnie zamkniętego, 1 – przyłącze zasilające, 2– przyłącze
robocze (wyjściowe).
2.3.7
Zawory ograniczające ciśnienie
Głównym zadaniem tego typu zaworów jest zabezpieczenie całego układu przed
zniszczeniem na skutek ponadnormatywnego zwiększenia się ciśnienia. Ze względu na role, jaką
pełnią często są określane mianem zaworów bezpieczeństwa, bądź teŜ zaworów maksymalnych. Ze
względu na dość istotną rolę, jaką pełnią w układach pneumatycznych wymaga się od nich otwarcia
i zredukowania ciśnienia w jak najkrótszym czasie (nawet, gdy skok ciśnienia miał charakter
impulsowy). W zawór takiego typu wyposaŜone jest większość kompresorów dostępnych na rynku.
2.3.8
Regulatory ciśnienia
Regulatory ciśnienia (rys 13), nazywane równieŜ potocznie zaworami redukcyjnymi, naleŜą
do grupy elementów najczęściej stosowanych w układach pneumatyki. Dzięki ich zastosowaniu
moŜliwe jest zmniejszenie (zredukowanie) ciśnienia, jakie jest na wejściu do wartości wcześniej
zadanej i utrzymanie go bez względu na zakres zmian ciśnienia wejściowego czy teŜ zmian
natęŜenia przepływu czynnika roboczego na wejściu. MoŜna wyszczególnić wiele rodzajów
regulatora ciśnienia, jednakŜe w rzeczywistych układach pneumatycznych moŜna się spotkać
głównie z regulatorem obniŜającym ciśnienie. Zawór ten uniemoŜliwia wzrost ciśnienia powyŜej
zadanego pułapu.
Rys.13. Schemat regulatora ciśnienia, 1 – przyłącza zasilające, 2– przyłącze robocze (wyjściowe).
11
2.3.9
Zawory róŜnicowe
Zawory róŜnicowe są odpowiedzialne za utrzymywanie stałej róŜnicy pomiędzy wartością
ciśnienia wejściowego a wartością ciśnienia wyjściowego. Zawory te mogą być nastawiane w
sposób manualny bądź teŜ mogą posiadać moŜliwość nastawienia poprzez zewnętrzne układy
sterujące.
2.3.10
Zawory kolejności działania
Zawór kolejności działania, jest teŜ nazywany zaworem sekwencyjnym. Wynika to ze
specyficznej funkcji, jaką pełni w układzie. Jest on odpowiedzialny jest za odcięcie jednej
z odnóg układu aŜ do momentu osiągnięcia określonego ciśnienia. Zawory tego typu są
przeznaczone zazwyczaj do sekwencyjnego załączania dwóch lub większej ilości obwodów układu
pneumatycznego.
2.3.11
Zawory sterujące natęŜeniem przepływu
Zawory te (rys. 14) mają za zadanie ustalenie Ŝądanej wartości natęŜenia przepływu
czynnika roboczego w układzie. MoŜna do nich zaliczyć:
•
zawory dławiące zwykłe (nastawy dokonywane są ręcznie, mechanicznie lub
elektromechanicznie),
•
zawory proporcjonalne – dzięki specyficznej budowie umoŜliwiają automatyczną zmianę
wartości natęŜenia przepływu poprzez zmianę sygnału sterującego.
Rys.14. Schemat zaworu regulującego natęŜenie przepływu
2.4
Siłowniki
Siłowniki pneumatyczne są elementami bezpośrednio odpowiedzialnymi za zamianę energii
potencjalnej spręŜonego powietrza w energię mechaniczną. Dzięki temu znajdują one zastosowanie
w pneumatycznych układach napędowych, gdzie są odpowiedzialne za wprawianie w ruch
elementów maszyn oraz mechanizmów. W celu zapewnienia poprawnego działania oraz
zadowalającej trwałości siłowników, naleŜy doprowadzić do nich odpowiednio przygotowany
czynnik roboczy.
2.4.1
Podział siłowników pneumatycznych
PoniewaŜ siłowniki są bardzo liczną grupą elementów, to występuje wiele moŜliwości podziału.
PoniŜej została zaprezentowana część z nich (rys.15÷20).
Rys.15. Podział siłowników ze względu na konstrukcję [22]
12
Rys.16. Podział ze względu na moŜliwości wywierania przez nie siły [22]
Rys.17. Podział ze względu na charakter zmiany siły działającej na element wykonawczy [22]
Rys.18. Podział ze względu na liczbę ściśle określonych połoŜeń roboczych tłoczysk siłowników [22]
Rys.19. Podział ze względu na rodzaj ruchu realizowanego przez siłownik [22]
Rys.20. Podział ze względu na budowę konstrukcyjną tulei i tłoczyska [22]
2.4.2
Podstawowe części siłownika
13
Ze względu na mnogość rozwiązań występujących w budowie siłowników pneumatycznych,
do zaprezentowania budowy został wybrany najbardziej rozpowszechniony siłownik tłokowy (rys.
21).
1 - tuleja cylindrowa, 2 - pokrywa przednia, 3 - pokrywa tylna, 4 - tłok, 5 - pierścień uszczelniający połączenie
ruchowe tłoka, 6 - tłoczysko, 7 - tuleja prowadząca tłoczysko, 8 - pierścień uszczelniający umieszczony w pokrywie
przedniej, 9 - pierścień zgarniający
2.5
Silniki pneumatyczne
W przypadku silników pneumatycznych (podobnie jak w przypadku omawianych wcześniej
siłowników) mamy do czynienia z zamianą energii potencjalnej spręŜonego powietrza w energię
mechaniczną. W przypadku budowy silników pneumatycznych moŜna zauwaŜyć analogię w
stosunku do opisywanych juŜ wcześniej spręŜarek. Istotą róŜnicą pojawiającą się pomiędzy tymi
dwoma rodzajami elementów jest kierunek zamiany energii. W przypadku spręŜarek dochodziło do
zamiany energii mechanicznej w energię potencjalną. Przykładowy podział silników
pneumatycznych został zaprezentowany na rysunku 22.
Rys.22. Podział silników pneumatycznych [22]
Na podstawie powyŜszego podziału moŜna zauwaŜyć, iŜ tylko silnik krokowy nie posiada
swojego bezpośredniego odpowiednika. Wynika to z faktu, iŜ jest to silnik wyposaŜony w
odpowiedni układ elektroniczny umoŜliwiający określić ruch, jaki wykonał oraz nadzorować
wykonywanie kolejnych ruchów (poprzez sprzęŜenie zwrotne).
2. WYBRANE METODY DETEKCJI NIESZCZELNOŚCI UP
W celu przeprowadzenia ćwiczeń laboratoryjnych zaproponowano trzy metody, które zostały
pokrótce scharakteryzowane.
Rys.21 Budowa siłownika pneumatycznego [5]
6
14
2.1
Badania metodą bąbelkową
W metodzie tej wykorzystuje się dwa podstawowe zjawiska, jakimi są napięcie
powierzchniowe oraz lepkość cieczy.
Napięcie powierzchniowe jest to zjawisko fizyczne, które występuje na styku cieczy z
gazem, ciałem stałem bądź teŜ inną cieczą. Dzięki temu zjawisku powierzchnia zachowuje się
niczym spręŜysta błona. Przyczyną napięcia powierzchniowego są siły cząsteczkowe znajdujące się
pomiędzy molekułami płynu. Ograniczenie występowania powyŜszego zjawiska moŜna osiągnąć
po przez dodanie do cieczy substancji powierzchniowo czynnych, czyli tak zwanych surfaktantów.
Do tej grupy zaliczają się wszelkiego rodzaju mydła, detergenty oraz emulgatory.
Drugą właściwością wykorzystywaną w badaniu tą metodą jest lepkość cieczy. Określana
jest ona jako tarcie wewnętrzne płynów. Jest to właściwość płynów i ciał stałych charakteryzująca
opór wewnętrzny przeciwdziałający płynięciu.
Na skutek obniŜenia napięcia powierzchniowego oraz wzrostu lepkości cieczy otrzymujemy
warunki sprzyjające do wytworzenia piany. Piana jest to mieszanina, w której ośrodkiem
rozpuszczającym jest ciecz a fazą rozpuszczaną gaz.
W metodzie bąbelkowej najlepiej wykorzystywać płyny o jak najmniejszym napięciu
powierzchniowym jednocześnie z moŜliwe jak największą lepkością. Powstały w ten sposób środek
ma właściwości pianotwórcze. W momencie jego naniesienia na element badanego układu
pneumatycznego będącego pod ciśnieniem, który uległ uszkodzeniu (np. rozszczelnieniu) dojdzie
do wytworzenia się piany. Dzięki temu będzie moŜliwa lokalizacja nieszczelności oraz jej
późniejsza naprawa. Metoda ta charakteryzuje się bardzo niskim nakładem finansowym. W celu
przeprowadzenia badań wystarczy posiadać wodę oraz detergent lub mydło. Problematyczne moŜe
się natomiast okazać nanoszenie samej substancji w cięŜko dostępne miejsca a takŜe późniejsza
analiza, która w duŜej mierze moŜe być subiektywna.
2.2. Badania z wykorzystaniem otwartego płomienia
Metoda ta polega na skłonności płomieni do odchylania się na skutek ruchów powietrza.
Zwrot odchylenia płomienia jest zgodny z kierunkiem przepływu gazu. Natomiast poziom
odchylenia jest uzaleŜniony natęŜenia przepływu. PoniewaŜ płomień jest efektem procesu spalania
to nie powinno się go stosować do sprawdzania szczelności układów w warunkach groŜących
wybuchem, bądź teŜ zapłonem jednego z elementów układu.
2.3.
Badania metodami ultradźwiękowymi
Badania te polegają na wykorzystaniu detekcji fal w zakresie ultradźwięków, czyli
dźwięków o częstotliwości powyŜej 20kHz. Ultradźwięki towarzyszą zazwyczaj procesowi
rozpręŜania się gazu. Ultradźwięki występujące w powietrzu charakteryzują się bardzo krótkimi
falami λ≤0,017m. Dodatkowo obszar ich oddziaływania jest ograniczony, im wyŜsza częstotliwość
tym silniej są one tłumione. Poziom tłumienia fali akustycznej jest przyjmowany na poziomie:
•
0,3dB/m dla 10kHz,
•
3dB/m dla 100kHz,
•
40dB/m dla 400kHz.
Hałas ultradźwiękowy jest określany w paśmie częstotliwości 20-kHz- 100kHz.
W celu przeprowadzenia badań metodami ultradźwiękowymi konieczne jest dysponowanie
specjalistycznymi urządzeniami pomiarowymi, bądź teŜ mikrofonem i układem pomiarowym
rejestrującym dźwięki w paśmie powyŜej 20kHz.
W celu przeprowadzenia badań wprowadzonych nieszczelności w zestawie próbek moŜna
wykorzystać urządzenia będące na wyposaŜeniu laboratorium takie jak Ultraprobe 2000 i Amprobe
ULD-100 oraz miernik poziomu dźwięku RFT 000017
•
Podstawowe parametry urządzenia Ultraprobe 2000 (rys. 23)
o
zakres
regulacji
pasma
częstotliwości
(selektywne):
20-100
kHz
lub
szerokopasmowo (20-100kHz),
o
przełącznik umoŜliwiający zastosowanie skali logarytmicznej lub skali liniowej,
15
o
dodatkowe wyjście umoŜliwiające rejestrację sygnału (0 - 50 mV),
o
precyzyjny potencjometr do regulacji wzmocnienia (helipot 10-cio obrotowy)
o
moŜliwość detekcji nieszczelności układów ciśnieniowych jak i podciśnieniowych.
Rys.23. Ultraprobe 2000 [12]
•
Amprobe ULD-100 (rys. 24)
o
częstotliwość pomiarowa: 30kHz -42 kHz,
o
wskaźnik poziomu sygnału wejściowego oparty na 10 elementach typu LED,
o
czas pracy na baterii: 15 godzin,
o
transmiter umoŜliwiający detekcję szczelności hermetyzacji pomieszczeń lub
przestrzeni, między którymi nie występuje przepływ gazu,
o
moŜliwość detekcji nieszczelności układów ciśnieniowych jak i podciśnieniowych.
Rys.24. Amprobe ULD-1000 [13]
•
miernik dźwięku RFT 00017 wyposaŜony w mikrofon umoŜliwiający rejestrację
dźwięków w paśmie ultradźwiękowym (rys. 25)
Układ ten oprócz pomiarów dźwięku w paśmie słyszalnym umoŜliwia wykonanie pomiarów w
pasmach oktawowych obejmujących zakres ultradźwięków (częstotliwości środkowych pasm
oktawowych od 31,5 Hz do 63 kHz).
16
Rys.25. Precyzyjny miernik poziomu dźwięku RFT 00 0017
LITERATURA
[1] http://www.pneumatyka.info.pl/media/gfx/14.jpg
[2] http://www.ontariocompressor.com/images/saver11.gif
[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Axial_compressor.gif
[4],[5] elektroniczny katalog produktów 2010 firmy festo
[6] http://www.atmo.com.pl/public/pfiles/74/TBC26KK2.jpg
[7],[8] katalog 2010 firmy tubes international
[9]http://instalatorka.pl/image_func.php
[10] http://www.ferro.pl/foto/1/c/KP1.jpg
[11] http://www.sklepecoheat.pl/galerie/u/uchwyt-zamkniety-pp-do-r_49524_m.jpg
[12] http://www.uesystems.com/media/17060/up2000-kit-w-bkgd.jpg
[13]
http://t3.gstatic.com/images
[14] http://emarket.ua/objavlenie/shumomer
[15] http://pl.wikipedia.org/wiki/Lepko%C5%9B%C4%87
[16] http://pl.wikipedia.org/wiki/Piana_%28chemia%29
[17] Duckworth R.A., Mechanika płynów, WNT, Warszawa 1983, 19–26
[18] Pluta J., Stojek J., Napędy i sterowanie hydrauliczne, Skrypt AGH, Kraków 2001.
[19] PN–73/M–73020 Elementy i zespoły hydrauliczne i pneumatyczne. Podział i oznaczenia.
[20] PN–74/M–73702 Napędy i sterowania pneumatyczne - Elementy sterujące (zawory)-Podział i oznaczenie.
[21] PN–91/M–73001 Napędy i sterowania hydrauliczne i pneumatyczne -- Terminologia
[22] Szenajch W., Przyrządy i uchwyty pneumatyczne, WNT, Warszawa 1975, 43–164.
[23] http://pl.wikipedia.org/wiki/Spr%C4%99%C5%BCarka
Opracowanie na podstawie Pracy Dyplomowej:
PASZKOWSKI. P, Zastosowanie metod wibroakustycznych do diagnozowania układów
pneumatycznych, Politechnika Poznańska, WBMiZ 2011, (promotor dr inŜ. Roman Barczewski)
Udostępnione za zgodą autora