plik

1. NIEROWNOMIERNOŚĆ PRĘDKOŚCI RUCHU NAPĘDÓW PNEUMATYCZNYCH l

PNEUMOHYDRAULICZNYCH

1.1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Elementy pneumatyczne, w których sprężone powietrze podawane jest na przemian z obu

stron elementu ruchomego (np. tłoka), są szeroko wykorzystywane w pneumatycznych układach
napędowych Jako elementy wykonawcze (siłowniki) i elementy sterujące. Spośród, siłowników
pneumatycznych najpowszechniejsze zastosowanie znajdują siłowniki dwustronnego działania.

Siłowniki w pneumatycznych układach napędowych nie mogą w większości przypadków

zapewnić zrealizowania zadanego przebiegu ruchu tłoka z dużą dokładnością, ponieważ powietrze
jest ściśliwe. Mimo tego zakres zastosowań napędów pneumatycznych stale się rozszerza. Często
bowiem zadany przebieg ruchu nie musi być ścisłe zachowany, a w wielu przypadkach może być
dowolny, istotne może być tylko zapewnienie określonego czasu ruchu.

Prędkość tłoka nastawiana jest przeważnie za pomocą zaworu dławiącego (dławika). W

zależności od miejsca zainstalowania dławika (zwykle równo legie połączonego z zaworem zwrotnym)
rozróżnia się nastawianie prędkości poprzez dławienie na wejściu (wlocie) oraz na wyjściu (wylocie)
siłownika.

Dławienie na wejściu siłownika. Aby uprościć rozważania, załóżmy, że w pewnym

przedziale czasu tłok porusza się ze stałą prędkością, a różnica ciśnień w komorach siłownika
napełnianej i opróżnianej wynosi Δp = p - p

= const. Niech w pewnej chwili siła oporu nagle się

zmniejszy. Tłok siłownika zareaguje na tę zmianę zwiększeniem prędkości. Ciśnienie p w komorze
napełnianej spadnie wskutek szybszego wzrostu jej objętości, a w komorze opróżnianej ciśnienie p z
tej samej przyczyny nieco wzrośnie. Ustali się nowa wartość między ciśnieniami Δp odpowiadająca
zmniejszonemu obciążeniu. Gdy podczas dalszego ruchu obciążenie wzrośnie, nowa różnica ciśnień
przyjmie wartość Δp

. Przy znacznym rozroście obciążenia tłok może nie tylko zwolnić, ale także

zatrzymać się na pewien czas, niezbędny do osiągnięcia potrzebnej wartości różnicy ciśnień.
Ponieważ przeciwciśnienie jest niewielkie, więc różnica ciśnień powodowana jest głównie zmianami
ciśnienia w komorze napełnianej, które zachodzą dość powoli wobec założonego dławienia na
wejściu.

Dławienie na wyjściu siłownika. W tym przypadku, ciśnienie w komorze napełnianej

zmienia się szybciej i. wskutek tego procesy przejściowe trwają krócej. Różnica ciśnień zmienia się w
przybliżeniu w równym stopniu wskutek zmian ciśnienia p i zmian przeciwciśnienia p

,. Wyższe niż

przy dławieniu na wejściu ciśnienie w komorze opróżnianej przyczynia się do zwiększenia płynności
ruchu tłoka. Natomiast pewną wadą dławienia na wyjściu jest znaczne wydłużenie czasu trwania
okresu przygotowawczego, bowiem decyduje o nim czas zmniejszania się ciśnienia w komorze
opróżnianej, który jest długi z powodu dławienia wypływu powietrza.

Za pomocą dwóch, zaworów dławiąco-zwrotnych, zainstalowanych na obu drogach przepływu

sprężonego powietrza od zaworu rozdzielającego do siłownika, można uzyskać nastawianie prędkości
ruchu tłoka w szerokim zakresie. Jednak praktycznie, ze względu na występowanie efektu drgań oraz
ze względu na trudności z utrzymaniem bardzo małej szczeliny w zaworze dławiącym (przekrój
szczeliny ze względu na zanieczyszczenie i oblodzenie zmienia się znacznie), minimalne prędkości
stosowane w typowych układach pneumatycznych nie przekraczają zazwyczaj 0,02-0,05 m/s. Jeżeli
wymagane są prędkości ruchu mniejsze, zaleca się stosować siłowniki pneumohydrauliczne lub
hydrauliczne. Układy pneumatyczne a dławieniem na wejściu i wyjściu podano na rys.1.27-1.50.

Rys.1.27. Pneumatyczne układy napędowe z zaworem dławiącym jednokierunkowym: a) na wejściu

(wlocie), b) i c) na wyjściu (wylocie)

W układach pokazanych na rys.1.27 dławienie przepływu sprężonego powietrza występuje

tylko przy ruchu tłoka do przodu (ruch roboczy PR), natomiast wycofanie tłoka odbywa się rucham
szybkim bez dławienia (szybkie wycofanie SW). Można do tego celu wykorzystać zawory dławiąc-
zwrotne (zawory dławiące jednokierunkowa) umieszczone na drodze przepływu sprężonego powietrza
między zaworem rozdzielającym i siłownikiem (rys.1.27a - dławienie na wlocie, rys.1.27b - dławienie
na wylocie) lub zawór dławiący dwukierunkowy umieszczony na
wyjściu do atmosfery z zaworu rozdzielającego (rys.1.27c dławienie
na wylocie).

Rys.1.28. Pneumatyczny układ napędowy dwoma zaworami dławiącymi
jednokierunkowymi zamontowanymi na wlocie do siłownika

Na rysunku 1.28 pokazano układ, z dławieniem na wylocie

dla obu kierunków ruchu tłoka siłownika. Prędkości ruchu tłoka są
nastawiane za pomocą dwóch zaworów dławiąco-zwrotnych.

Układ ze zmianą prędkości ruchu tłoka na wybranym odcinku

jego   skoku   przedstawiono   na   rys.1.29a.   W   układzie   tym
wykorzystano   zawór   dławiący   normalnie   otwarty   sterowany
mechanicznie, który współpracuje z krzywką osadzoną na tłoczysku
siłownika.   Długość   krzywki   H   można   dobierać   zależnie   od
wymaganego   odcinka   skoku
siłownika ze zmienioną prędkością
ruchu.   Podobne   zadanie   spełnia
układ przedstawiony na rys.1.29b.
W   układzie   tym   zamiast   zaworu
dławiącego

sterowanego

mechanicznie występuje ręczny
zawór

dławiąco-zwrotny i

dwudrogowy zawór rozdzielający
sterowany mechanicznie.

Rys.1.29. Pneumatyczne układy napędowe
z nastawianiem różnych prędkości ruchu
tłoka na wybranym odcinku skoku: a) a
zaworem

dławiącym

sterowanym

mechanicznie, b) z zaworem dławiącym
ręcznym i zaworem rozdzielającym
dwudrogowym sterowanym mechanicznie

W celu uzyskania dużych

prędkości ruchu tłoka, szczególnie
wtedy gdy odległości między
siłownikami

zaworami

rozdzielającymi   są   duże,   stosuje
się   zawory   szybkiego   spustu   jak
pokazano na rys.1.30. W układzie
tym   zwiększenie   prędkości   ruchu
tłoka   uzyskuje   się   przez   skrócenie   drogi   wypływu   sprężonego   powietrza   z   komór   siłownika   do
atmosfery (wypływ do atmosfery z pominięciem zaworu rozdzielającego).

Rys.1.30, Pneumatyczny układ napędowy z dwoma zaworami szybkiego spustu do realizacji
dużych prędkości ruchu tłoka

Pneumohydrauliczne siłowniki napędowe są stosowane do

napędu   ruchów   posuwowych   w   obrabiarkach   lub   innych   urządzeniach
technologicznych. Czynnikiem napędowym (roboczym) w tych siłownikach
jest sprężone powietrze, natomiast olej wykorzystywany jest do hamowania
ruchu   tłoka.   Obieg   oleju   jest   obiegiem   zamkniętym.   Dzięki   temu,   do
sterowania   i   napędu   tych   siłowników   stosuje   się   te   same   elementy
pneumatyczne   co   do   zwykłych   siłowników   pneumatycznych.   Prędkość   ruchu   roboczego   wynosi
zazwyczaj 30-6000 nim/min, większa stabilność ruchu jest uzyskiwana przez zastosowanie regulatora
przepływu,   który   ma   za   zadanie   utrzymanie   stałego   spadku   ciśnień   na   zaworze   dławiącym   przy
zmianach obciążenia na tłoczysku siłownika. Stosowanie tylko zaworów dławiących nie pozwala na

utrzymanie stałej prędkości, gdyż:

•

prędkość ruchu tłoka zależy od wartości obciążenia;

•

przy małych przepływach szczeliny dławiące ulegają "zarastaniu" - powoduje to wzrost oporów
przepływu.

Rys.1.31. Pneumohydrauliczne układy
napędu posuwu: a) z zaworem
dławiącym, b) z regulatorem przepływu.

Siłownik   pneumohydrauliczny
przedstawiony   na   rys.1.31a
składa   się   z   siłownika
pneumatycznego   napędowego
1,   siłownika   hydraulicznego
hamującego   2   oraz   zbiornika
kompensacyjnego   3.   Na
tłoczysku

siłownika

hydraulicznego   2   znajduje   się
nastawny   zderzak   4   ustalający
długość   szybkiego   dobiegu.
Szybki   ruch   tłoka   w   lewo   trwa
do   chwili,   aż   połączone   a
tłoczyskiem

siłownika

pneumatycznego   jarzmo   5
oprze się o nastawny zderzak 4.
Od   tej   chwili   rozpoczyna   się
również   przesuw   tłoka   w
siłowniku   hamującym   2.
Prędkość   ruchu   obu   tłoków
(ruch   roboczy)   nastawia   się
zaworem   dławiącym   6.   W
trakcie   ruchu   roboczego
tłoczysko   wchodzi   do   wnętrza
siłownika   hydraulicznego   2   i
niezbędne   jest   przetłoczenie
nadmiaru   oleju   do   zbiornika
kompensacyjnego   3.   Podczas
ruchu tłoka siłownika 1 w prawo
(szybkie   wycofanie)   jarzmo   5
opierając się o stały zderzak 7
wycofuje   również   tłok   w
siłowniku   hydraulicznym   2.
Wycofanie   tłoka   siłownika
hydraulicznego   2   jest   szybkie,
gdyż   przy   tym   kierunku   ruchu,
olej   przepływa   przez   zawór
zwrotny 8.

Na rys.1.31b przedstawiono siłownik pneumohydrauliczny ze współśrodkowym, wewnętrznym

siłownikiem hydraulicznym. Jego zaletą jest bardzo zwarta budowa oraz wyeliminowanie momentu
gnącego na tłoczysku (pochodzącego od siły hamującej). W odróżnieniu od poprzedniego rozwiązania
w miejsce zaworu dławiącego wstawiony jest regulator przepływu 8, co zapewnia wystarczającą
równomierność prędkości ruchu tłoka siłownika napędowego. Inne elementy siłownika
pneumohydraulicznego z rys.1.31b oznaczono identycznie jak na rys.1.31a

1.2. ANAUZA CYKLOGRAMU NAPĘDU PNEUMATYCZNEGO

Na rysunku 1.32 pokazano pneumatyczny układ napędowy z siłownikiem tłokowym dwustronnego
działania, w którym zachodzi jednocześnie napełnianie i opróżnianie komór, przy czym uwzględniono
zarówno wymianę ciepła między zawartością komory a otoczeniem, jak i przepływy powietrza między
komorami. Tłok siłownika obciążony jest siłami oporu P użytecznego i szkodliwego. Po przesterowaniu

zaworu rozdzielającego, powietrze z sieci kierowane jest przez odpowiedni kanał zaworu do lewej
komory   siłownika,   w   której   początkowo   panowało   ciśnienie   atmosferyczne.   Niezależnie   od   strat
sprężonego   powietrza   w   komorze,   którego   pewna   część   może   przez   nieszczelności   uchodzić   do
atmosfery, ciśnienie w komorze zaczyna wzrastać. W tym czasie druga komora siłownika połączona
jest przez kanał zaworu rozdzielającego z atmosferą i ciśnienie powietrza w komorze, na początku
równe   ciśnieniu   panującemu   w   sieci,   zaczyna   się   zmniejszać.   Do   komory   tej   wpływa   także
stosunkowo niewielka ilość powietrza wskutek nieszczelności zaworu rozdzielającego i uszczelnień
tłoka   siłownika,   co   jednak  nie   zmienia   przebiegu  procesu.   Pod   działaniem  siły  wywołanej   różnicą
ciśnień   w   obu   komorach   siłownika   tłok   przemieszcza   się   w   prawo,   pokonując   siły   oporów   P.
Urządzenie   związane   z   tłoczyskiem   siłownika   wykonuje   wtedy   zabieg   przewidziany   procesem
technologicznym. Przy końcu skoku zawór rozdzielający zostaje przesterowany w drugie położenie,

Rys.1.32. Typowy układ napędowy z pneumatycznym siłownikiem
dwustronnego działania

w którym prawa komora siłownika uzyskuje połączenie
z siecią i tłok wykonuje ruch powrotny. Wykres cyklu
roboczego   (cyklogram)   tego   typu   napędu
pneumatycznego   podano   na   rys.1.33.   Przy   jego
analizie dogodne jest uwzględniać nie tylko czas ruchu
i postoju tłoka lecz także przedziały czasu, w których
zmienia   się   ciśnienie   w   komorach   siłownika.   Ruch.
sprężonego   powietrza   w   przewodzie   rozpoczyna   się
tuz po rozpoczęciu otwierania zaworu rozdzielającego.
Dla      uproszczenia można przyjąć, że fala ciśnienia
rozpoczyna ruch dopiero wtedy, gdy zawór jest otwarty
całkowicie. Założenie takie nie wprowadza większego błędu bowiem   czas przesterowania zaworu

Rys.1.35. Wykres cyklu roboczego (cyklogram) siłownika
pneumatycznego

rozdzielającego jest bardzo niewielki w porównaniu z
czasem cyklu roboczego. Z cyklogramu widać, że do
chwili   rozpoczęcia   przez   tłok   ruchu,   ciśnienie   w
komorze roboczej wzrasta, a w opróżnionej maleje. W
czasie   ruchu   tłoka   krzywe   ciśnień   w   komorach
siłownika   mogą   mieć   różny   przebieg,   zależnie   od
czynników konstrukcyjnych i pneumatycznych układu.
Ciśnienia   mogą   zatem   monotonicznie   rosnąć   lub
maleć,   albo   nawet   mieć   charakter   oscylacyjny.   Po
zakończeniu   ruchu   tłoka   ciśnienie   w   komorze
połączonej z siecią wzrasta do wartości niezbędnej z
przyczyn   technologicznych.   Jednocześnie   w   drugiej
komorze   siłownika   ciśnienie   maleje   do   wartości
ciśnienia   atmosferycznego.   Chwile   zakończenia
procesów zmian ciśnienia v obu komorach na ogół nie
pokrywają   się.   Po   wykonanej   zadanej   czynności
technologicznej   zawór   rozdzielający   zostaje
przesterowany i w opisanej kolejności, rozpoczyna się
powrotny ruch tłoka.

Czas taktu, do przodu T

(rys.1.33) i czas taktu powrotnego T'

można rozpatrywać jako sumę

czasów trwania trzech okresów:

I okres - przygotowawczy, od początku przesterowania elementu sterującego do chwili ruszenia tłoka;

II okres - ruchu tłoka, w czasie którego tłok przemieści się na odległość równą skokowi,

III okres - końcowy, w którym ciśnienie powietrza w komorze roboczej wzrasta do potrzebnej wartości.

Składniki czasu każdego taktu, odpowiadające powyższym okresom, oznaczone są na rys.1.33 przez
t

, t

III

(ruch do przodu) oraz t'

, t'

III

(ruch powrotny).

Okres przygotowawczy dziali się z kolei na:

1 -

czas zadziałania zaworu rozdzielającego,

2 -

Czas rozprzestrzeniania się fali ciśnienia od zaworu rozdzielającego do siłownika,

3 -

czas wzrostu ciśnienia w komorze roboczej siłownika do chwili ruszenia tłoka.

W siłownikach przemieszczających (transportujących) najistotniejszy jest czas ruchu tłoka t

II,

natomiast w siłownikach mocujących największe znaczenie ma czas t

III.

Jak widać, w zależności od

przeznaczenia siłownika, różne okresy czasu w cyklogramie napędu pneumatycznego mogą być
najważniejsze.

Analityczne określenie prędkości ruchu tłoka wymaga przeprowadzenia analizy modelu

fizycznego   siłownika   pneumatycznego,   który   określa   zjawiska   związane   z   napełnianiem   i
opróżnianiem   komór   o   zmiennej   objętości   z   uwzględnieniem   wymiany   ciepła   ze   środowiskiem
otaczającym   oraz   upływami   powietrza   przez   nieszczelności.   Matematyczny   opis   zmian   ciśnienia   i
temperatury   w   komorach   siłownika   otrzymuje   się   z   bilansu   energii   powietrza   zgromadzonego   w
komorach i równań stanu gazu .

Rys.1.34. Wpływ obciążenia na dynamikę siłownika pneumatycznego: a) η = O,1; b) η = 0,5; c) η = 0,7

Na charakter ruchu tłoka siłownika ma wpływ szereg czynników, które można zaszeregować

jako czynniki konstrukcyjne i pneumatyczne. Do czynników konstrukcyjnych należą: średnica tłoka i
długość skoku siłownika, minimalne średnice przelotów linii napełniającej i opróżniającej, stosunek pól
tłoka   od   strony   komory   roboczej   i   opróżnianej,   wartość   objętości   początkowej.   Do   czynników
pneumatycznych wpływających na dynamikę układu zaliczamy ciśnienie zasilania a także temperaturę
w komorach  siłownika,  której przebieg zależy od rodzaju przemiany termodynamicznej.  Jednym  z
istotnych   czynników   wpływających   na   czas   (prędkość)   przemieszczania   się   tłoka   jest   obciążenie
zewnętrzne   tłoczyska.   Na   rysunku   1.34   przedstawiono,   otrzymane   na   podstawie   zależności
teoretycznych, przebiegi przemieszczenia x, prędkości dx/dy i przyspieszenia d

x/dt

tłoka,a także

ciśnień p

i p

w komorach siłownika dla trzech wartości obciążenia względnego a) η = O,1; b) η =

0,5; c) η = 0,7 gdzie η = P/p

* F

- p

* F

) rys.1.32). Ze wzrostem obciążenia obserwuje się dla

danego siłownika zmniejszenie maksymalnej prędkości tłoka, jednak wpływ ten jest istotny wtedy, gdy
η >= 0,5. zwiększenie obciążenia prowadzi do zmniejszenia się wahań prędkości, a silnie obciążony
siłownik charakteryzuje się praktycznie stałą prędkością na całej długości skoku.

Mimo rozwoju teorii napędów pneumatycznych

doświadczalne metody ich badań nie tracą swego znaczenia,
bowiem   w   równaniach   obliczeniowych   występują
współczynniki,   których   wartości   nożna   określić   jedynie
doświadczalnie.   Ponadto  badania  doświadczalne  umożliwiają
ocenę   celowości   niektórych   podstawowych,   założeń
poczynionych   przy   wyprowadzaniu   równań,   np.   że   procesy
zachodzące w układach pneumatycznych są quasi - ustalone,
że współczynnik natężenia przepływu oraz ciśnienie w sieci są

Rys.1.35. Oscylogram pracy pneumatycznego siłownika o średnicy D = 200
mm i stoku s = 570 mm

stałe, że w wielu przypadkach, zastosowań można pominąć
wpływ wymiany ciepła z otoczeniem itd. Weryfikacja doświadczalna jest więc jednym z głównych.
kryteriów prawidłowości opracowanych metod, obliczeniowych.

Na rysunku 1.35 pokazano przykładowe oscylogramy otrzymane doświadczalnie dla siłownika

pracować   jako   układ   czysto   pneumatyczny   lub   jako   układ   z
hamowaniem   hydraulicznym.   Jest   to   uzależnione   od   położenia
zderzaków   Z   względem   jarzma   J   związanego   na   stałe   z
tłoczyskiem siłownika napędowego.

Rys.1.38. Widok stanowiska rejestracji przebiegów elektrycznych

Na każdej drodze przepływu sprężonego powietrza do siłownika
znajdują   się   po   dwa   zawory   dławiąco-zwrotne   ZD1-ZD4,   które
umożliwiają   ustawienie   dowolnego   wariantu   dławienia.   Zawory
ZR2 i ZR3  spełniają  zadanie zaworów szybkiego  spustu. Układ
napędowy może pracować z obciążeniem, którego wartość można
zmieniać   za   pomocą   zaworu   redukcyjnego   R2.   Jednocześnie
zawór ten utrzymuje stałą wartość ciśnienia (obciążenia) w trakcie
przesuwania tłoka obciążnika pod wpływem przemieszczającego
się tłoka siłownika napędowego. Zawór redukcyjny R1 umożliwia
nastawianie   zadanej   wartości   ciśnienia   sprężonego   powietrza
dopływającego  do   siłownika   napędowego.   Za   pomocą   zaworów
SR i WR można sterować zaworem ZR1, który steruje ruchami
siłownika napędowego. Włączanie zaworów ZS1 i ZS2 powoduje
włączanie zaworów ZR2 i ZR3, które spełniają zadania zaworów

szybkiego spustu.

Tor pomiarowy składa się z :

•

Czujnika indukcyjnego przemieszczenia (poz.1 Rys.1.37).

•

Przetwornika pomiarowego (poz.1 Rys.1.38) znajdującego się na stanowisku komputerowym
(zdj.1.38). Przetwarza on sygnały z czujnika pomiarowego dostosowując poziomy napięć do
standardowych wartości ±10V.

•

Do rejestracji został użyty komputer PC (poz.2 Rys.1.38) wyposażony w kartę przetworników
analogowo-cyfrowych PLC812. Zainstalowany na PC program PC-Scope umożliwia
wizualizację na monitorze (3) i zapis przebiegów napięciowych, które doprowadzane są do
karty PCL812. Zarejestrowane przebiegi można wydrukować na drukarce (4).

Zmiana położenia tłoka siłownika powoduje powstanie zmian napięcia pochodzących z czujnika
drogi i po wzmocnieniu i dopasowaniu w czujniku przemieszczeń jest rejestrowana w programie PC-
Scope.

Rys. 1.39. Przykładowy przebieg ruchu tłoka siłownika zarejestrowany w programie PC-Scope.

Podstawa cz asu

ło

okres

roz p dz ania

siłownika

okres ruchu

stabilnego

okres

hamowania

siłownika