1
INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN
Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego
Zespół Nap
ę
du i Sterowania Hydraulicznego
LABORATORIUM
NAP
Ę
DÓW I STEROWANIA
HYDRAULICZNEGO I PNEUMATYCZNEGO
Temat: Badanie sprawno
ś
ci siłownika
pneumatycznego
Grupa: ........................ Zespół: .........................
Data wykonania sprawozdania: .....................
Data oddania sprawozdania: .........................
Lp
Nazwisko i Imię
Ocena
Data
2
Program
ć
wiczenia:
1.
Pojęcie siłownika pneumatycznego,
2.
Podział siłowników,
3.
Budowa i zasada działania siłownika dwustronnego działania,
4.
Prędkość i siła – parametry pracy siłownika,
5.
Wyznaczanie sprawności siłownika,
6.
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych.
Warunki zaliczenia
ć
wiczenia:
-
obecność na zajęciach laboratoryjnych,
-
oddanie poprawnie wykonanego sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego,
-
pozytywna ocena z kolokwium zaliczeniowego (minimalnie 3 punkty).
Sprawozdanie z
ć
wiczenia laboratoryjnego:
1.
Przedstawić schemat stanowiska i opisać zasadę jego działania,
2.
Przedstawić wykresy wielkości mierzonych p
1
(t), p
2
(t) i F
rz
(t) dla trzech różnych zakresów
ciśnień zasilania,
3.
Wyznaczyć wartość sprawności dla strony tłokowej η
1
i tłoczyskowej η
2
dla trzech
zakresów ciśnień zasilania,
4.
Przedstawić wykresy η
1
(p
1
) i η
2
(p
2
).
5.
Wnioski z realizowanego laboratorium, obliczeń i wykresów.
Uwagi ko
ń
cowe do sprawozdania:
1.
Sprawozdanie wykonać za pomocą komputera i w formie wydruku przekazać
do prowadzącego (wydruk dwustronny),
2.
Ocenie podlega głównie forma przekazu i sposób wypowiedzi,
3.
Kopie wydruków i kserokopie nie zostaną przyjęte!
4.
Schematy należy wykonać za pomocą dowolnego programu graficznego zgodnie
z zasadami.
3
Wprowadzenie
Wśród elementów wykonawczych stosowanych w napędach pneumatycznych
są siłowniki pneumatyczne. Są to elementy przetwarzające energię sprężonego powietrza
(gazu) na energię mechaniczną w postaci ruchu postępowo-zwrotnego lub wahadłowego.
W napędach pneumatycznych są różne odmiany i rozwiązania konstrukcyjne siłowników.
Ich klasyfikację przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat podziału siłowników pneumatycznych.
W poniższym opracowaniu skupiono się na siłowniku liniowym tłokowym
dwustronnego działania. Pozostałe typy siłowników omówiono i opisano w prezentacji
„Badania sprawności siłownika pneumatycznego” (2.2. Prezentacja. Badanie sprawności
siłownika.pdf).
4
Budowa siłownika pneumatycznego dwustronnego działania
W pneumatycznych układach napędowych najczęściej stosowane są siłowniki tłokowe
(Rys.2). W tulei cylindrowej (1) znajduje się zespół tłoka z tłoczyskiem (2) wyprowadzonym
na zewnątrz przez pokrywę przednią (3). Z drugiej strony cylinder zamknięty jest pokrywą
tylną (4). Tłok uszczelniony jest parą pierścieni typu U, zapewniających szczelność obu
komór roboczych. Dodatkowo tłok prowadzony jest za pomocy pierścienia umieszczonego
pomiędzy uszczelnieniami typu U. Tłoczysko prowadzone jest w tulejce (5) i uszczelnione
pierścieniem (7). W pokrywie przedniej zabudowany jest także pierścień zgarniający (6),
zapobiegający wnikaniu zanieczyszczeń z zewnątrz.
Przy ruchu tłoka ze skrajnego położenia prawego w lewo sprężone powietrze
wpływające otworem II. W tym momencie powietrze przedostaje się przez zawór dławiący
(9) na powierzchnie tłoka oraz pokonuje pod wpływem ciśnienia siłę sprężyny działającą
na kulkę w zaworze zwrotnym (8) podnosząc ją do góry. Dzięki temu sprężone powietrze
dostaje się bezpośrednio pod tłok, co umożliwia natychmiastowe uzyskanie parametrów
roboczych siłownika – dużej prędkości początkowej i rozwinąć pełną siłę na tłoczysku.
Oba zawory pełnią również role w procesie amortyzacji ruchu tłoka w krańcowych
położeniach. Dlatego też przy zbliżaniu się tłoka do krańcowego położenia po stronie lewej
ruch tłoka jest amortyzowany w następujący sposób. Uszczelka (10) zamocowana
na tłoczysku wsuwa się do cylindrycznego wytoczenia w pokrywie zamykając swobodny
wypływ powietrza przez otwór I. W przestrzeni między tłokiem a pokrywą (3) tworzy się
"poduszka pneumatyczna", w której powstające przeciwciśnienie hamuje dalszy ruch tłoka.
Intensywność hamowania nastawiana jest zaworem dławiącym (9), przez który powietrze
uchodzi z „poduszki” do atmosfery. Przez zawór zwrotny w końcowej fazie ruchu tłoka
nie przepływa powietrze, ponieważ przez działanie sumy sił od sprężyny i ciśnienia kulka jest
dociskana do otworu. Dodatkowo pierścień gumowy (11) spełnia rolę amortyzatora
mechanicznego, o który opiera się tłok w położeniu skrajnym. Zasilanie i ruch tłoka oraz jego
amortyzacja w stronę prawą odbywa się identycznie.
Rys. 2. Siłownik pneumatyczny dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem.
5
Charakterystyka ruchu tłoka
Sterowanie kierunkiem ruchu tłoka siłownika realizowane jest element sterujący –
zawór rozdzielający. Wewnątrz tego zaworu przemieszcza się suwak, którego budowa zależy
od typu zaworu. Położenie suwaka zależy od zastosowanego generatora siły, która na niego
działa, np. sprężyna, dźwignia mechaniczna, elektromagnes, etc. Dla opisania przykładu
sterowania ruchem tłoka użyto rozdzielacz 5/3 (pięciodrogowy, dwupołożeniowy) (Rys.3).
Rys. 3. Sterowanie prac
ą
siłownika za pomoc
ą
rozdzielacza 5/3.
Gniazda przyłączeniowe siłownika połączone są gniazdami 2 i 4 zaworu. Do gniazda 1
doprowadzane jest zawsze źródło ciśnienia sprężonego powietrza. Przez gniazda 3 i 5 odbywa
się wydmuch powietrza do atmosfery. Przy połączeniu gniazd 1-2 i 4-5 odbywa się ruch
w prawo (wysuw), najczęściej roboczy, natomiast przy połączeniu gniazd 1-4 i 2-3
realizowany jest ruch w lewo (powrót).
W czasie t, trwania ruchu roboczego, ze względu na przebieg ciśnienia w komorach
roboczych (Rys.4) i prędkości tłoka (Rys.5), można wyróżnić cztery fazy wg. wzoru:
t = t
A
+ t
B
+ t
C
+ t
D
gdzie:
t
A
– czas napełniania, liczony od chwili przesterowania zaworu rozdzielającego do
początku ruchu,
t
B
– czas przyspieszania liczony od początku ruchu do momentu, gdy tłok uzyska stałą
prędkość,
t
C
– czas ruchu ze stałą prędkością przy ustalonym ciśnieniu p
1
i p
2
,
t
D
– czas hamowania.
6
Rys. 4. Przebieg ci
ś
nienia w komorach roboczych siłownika w trakcie ruchu roboczego.
Rys. 5. Wykres pr
ę
dko
ś
ci tłoka w fazie przy
ś
pieszania: a) ruch poziomy,
b) ruch pionowy w gór
ę
, c) ruch pionowy w dół.
Czas t
A
w przypadku zaworów sterowanych elektromagnetycznie trwa ok. 0,03s.
W czasie tym zasilana jest sprężonym powietrzem komora tłoka poprzez kanały 1-2
i jednocześnie odpowietrzana komora tłoczyska poprzez kanały 4-5. Na tłoku wystąpi różnica
ciśnień ∆p
t
opisana w następujący sposób:
2
1
p
p
p
t
−
=
∆
.
7
Jeżeli wartość różnicy ciśnień wzrośnie na tyle, że siła z niej wynikająca zrównoważy tarcie
statyczne i ewentualne obciążenia zewnętrzne, rozpoczyna się ruch tłoka. Czas t
A
zależy
przede wszystkim od objętości komory tłoczyska i czas jej rozładowania. Dla długich
siłowników jest on większy.
Czas t
B
w większości przypadków trwa ok. 10-30% całkowitego skoku siłownika,
kiedy to ustala się stała prędkość tłoka. Równowagę sił działających na tłok w trakcie
przyśpieszania opisuje równanie różniczkowe:
u
T
F
A
p
mg
F
dt
x
d
m
A
p
+
+
+
+
=
2
2
2
2
1
1
gdzie od lewej strony:
– siła po stronie tłokowej,
– siła bezwładności,
– siła tarcia,
– siła ciężkości,
– siła użyteczna ma tłoczysku.
Przebieg prędkości tłoka w fazie przyśpieszenia (rys.5) zależy od poruszanych mas
i zabudowy siłownika. Dla ruchu podnoszenia względnie dużej masy w odniesieniu
do powierzchni tłoka obserwuje się przeregulowanie.
Czas t
C
dla ciśnienia zasilania (najczęściej p
s
= 0,6 MPa) otrzymuje się następujące
spadki ciśnień:
1
p
∆
– spadek ciśnienia na dopływie w kanałach zaworu rozdzielającego i przewodzie
łączącym zawór z siłownikiem. Przy właściwie dobranym zaworze spadek ten nie
powinien przekraczać 0,1 MPa;
t
p
∆
– spadek ciśnienia na tłoku (w siłowniku). Spadek ten jest niezbędny do pokonania
tarcia i obciążenia zewnętrznego, a przy ruchu pionowym również do pokonania sił
ciężkości;
2
p
∆
– spadek ciśnienia w przewodzie odpływowym i kanałach zaworu rozdzielającego.
Dla ruchu ustalonego równanie ruchu upraszcza się i przyjmuje postać:
u
T
F
A
p
mg
F
A
p
+
+
+
=
2
2
1
1
Dzięki właściwościom fizycznym sprężonego powietrza w fazie ruchu ustalonego możliwe
jest uzyskanie bardzo szybkiego ruchu tłoka do 1,5 m/s. Trudne jest natomiast uzyskanie
równomiernej prędkości poniżej 0,02 m/s.
Podczas czasu hamowania t
D
w układzie działa siła amortyzacji ruchu w położeniach
krańcowych, regulowana za pomocą zaworu dławiącego. Wytworzone przeciwciśnienie
hamuje ruch tłoka. W tym przypadku równanie ruchu przyjmuje postać:
u
T
F
A
p
mg
F
dt
x
d
m
A
p
+
+
+
=
+
2
2
2
2
1
1
Wyznaczanie sprawno
ść
mechanicznej siłownika pneumatycznego
Sprawność mechaniczna siłownika pneumatycznego jest to stosunek siły, jaką
uzyskuje się na tłoczysku do siły maksymalnej, jaka wystąpiłaby dla określonego stałego
ciśnienia gdyby wewnątrz siłownika nie było tarcia:
8
[ ]
%
100
⋅
⋅
=
=
n
n
n
rz
n
t
n
rz
m
p
A
P
P
P
η
gdzie:
P
tn
– siła teoretyczna na tłoczysku [N],
P
rzn
– siła rzeczywista zmierzona na tłoczysku [N],
A
n
– powierzchnia, na którą działa ciśnienie p [m
2
],
p – ciśnienie [MPa],
n – znacznik odpowiedniej strony siłownika (np. 1–tłokowa, 2–tłoczyskowa).
Przy badaniu sprawności mechanicznej siłownika należy spełnić między innymi
następujące warunki:
1. badanie przeprowadzić dla pełnego cyklu pracy siłownika,
2. pomiar parametrów pracy (siła rzeczywista, oba ciśnienia, przemieszczenie) należy
wykonać na pełnym skoku siłownika,
3. sprawności wyznaczyć dla stałego ciśnienia zasilania komór siłownika,
4. badany siłownik powinien być obciążony siłą zewnętrzną na całym skoku jego pracy.
Cykl pracy siłownika jest to taki czas pracy, w którym zrealizowany jest wysuw
i powrót tłoka na pełnym skoku siłownika z uwzględnieniem postojów na obu jego końcach.
Skok siłownika jest to odległość pomiędzy dwoma skrajnymi położeniami tłoka.
Stanowisko badawcze
Schemat stanowiska do badania siłownika pneumatycznego dwustronnego działania
przedstawiono na rysunku 6.
Czynnik roboczy (sprężone powietrze) jest wstępnie oczyszczony z oleju
z kompresora oraz kondensatu pary wodnej – w układzie osuszania agregatu sprężarkowego.
Zawór odcinający (1) otwiera dopływ sprężonego powietrza do układu przygotowania
powietrza, gdzie przepływa przez: filtr powietrza (2) (powietrze zostaje dokładnie
oczyszczone z resztek oleju sprężarkowego, cząsteczek wody oraz cząstek mechanicznych
z układu zasilającego), zawór redukcyjny (3) daje możliwość przetworzenia parametrów
ciśnieniowych sprężonego powietrza (doprowadzony do zaworu czynnik tłoczony
ze sprężarki o zmiennym ciśnieniu 0,6÷1,0 [MPa] na wyjściu z zaworu ma ciśnienie
o charakterze stałym obniżone do wielkości wymaganej w układzie roboczym
– np. 0,4 [MPa]) oraz smarowniczkę (4), w której powietrze zostaje nasycone mgłą olejową
(przepływ powietrza przez zwężkę smarowniczki powoduje zasysanie oleju ze zbiorniczka
do rurki rozpylacza i rozpylenie go w strudze przepływającego przez zwężkę powietrza).
Tak przygotowane powietrze zostaje przez element sterujący – rozdzielacz (5),
skierowane do elementu roboczego, którym jest cylinder pneumatyczny (6). Sterowanie
rozdzielaczem odbywa się poprzez załączenie odpowiedniego czujnika krańcowego. Siłownik
pneumatyczny obciążony jest przez siłownik hydrauliczny (7), zaś wielkość obciążenia
regulowana jest przy pomocy dwóch zaworów dławiąco–zwrotnych (8). Dokonanie
pomiarów umożliwiają zamontowane na stanowisku przetworniki pomiarowe: ciśnienia (10)
i (11) oraz siły (12). Sygnały z czujników po wzmocnieniu przez wzmacniacz pomiarowy
(14) i przetworzeniu przez kartę pomiarową są zapisywane na dysku komputera (15).
9
Rys. 6. Schemat stanowiska badawczego.