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: Nap
ę
d pneumatyczny
Grupa: ........................ Zespół: .........................
Data wykonania sprawozdania: .....................
Data oddania sprawozdania: .........................
Lp
Nazwisko i Imię
Ocena
Data
2
Program
ć
wiczenia:
1.
Pojęcie napędu i sterowania pneumatycznego,
2.
Zapoznanie z budową, funkcją i zasadą działania wybranych elementów wchodzących w skład
układu opartego o elementy napędu pneumatycznego,
3.
Zapoznanie z budową schematów pneumatycznych (symbole pneumatyczne),
4.
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.
Podaj schemat układu pneumatycznego (dla stanowisk podanych przez prowadzącego),
2.
Wymień elementy wykorzystane do budowy układu z uwzględnieniem złączy i przewodów,
3.
Opisz zasadę działania układu,
4.
Przedstaw wnioski z przeprowadzonych testów dla kaŜdego stanowiska oddzielnie,
5.
Podaj wnioski końcowe.
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 naleŜy wykonać za pomocą dowolnego programu graficznego zgodnie z zasadami.
3
Poj
ę
cie nap
ę
du pneumatycznego
Pneumatyka jest jedną z najstarszych form energii wykorzystywanej przez człowieka.
Pierwsze próby zastosowania spręŜonego powietrza podejmowano przy konstrukcji miotaczy
pocisków. Opierając się na Biblii moŜna doszukiwać się stosowania spręŜonego powietrza
przy burzeniu murów Jeryha. Obecnie trudno znaleźć dziedzinę Ŝycia, która obywałaby się
bez spręŜonego powietrza.
W terminologii technicznej uŜywa się najczęściej dwa pojęcia napędu pneuma-
tycznego oraz sterowania pneumatycznego. Oba pojęcia są podobne i często mylnie
uŜywane. Problem wynika z wykorzystywanego czynnika roboczego, jakim jest spręŜone
powietrze. Powietrze to moŜe pełnić rolę nośnika energii lub nośnika informacji.
W pierwszym przypadku dzięki energii wejściowej otrzymywane jest spręŜone powietrze,
które poprzez wybrany odbiornik (element wykonawczy) wytwarza energię mechaniczną w
postaci ruchu liniowego lub obrotowego. W drugim przypadku to samo spręŜone powietrze
moŜe być wykorzystane w procesie decyzyjnym, realizowanym przez określoną grupę
elementów stosowaną w napędzie pneumatycznym, do dalszej pracy układu.
W rzeczywistości najczęściej mamy do czynienia z układami pneumatycznymi spełniającymi
obie wymienione funkcje. Dziedzina nauki zajmująca się problematyką tych układów jest
Napęd i sterowanie pneumatyczne. NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe spręŜonym gazem moŜe być
dowolny gaz, który posiada podobne właściwości jak powietrze.
Stąd definiując napęd pneumatyczny moŜna stwierdzić, Ŝe to taki napęd, który energię
spręŜonego powietrza zamienia na energię mechaniczną do napędzania np. maszyn i narzędzi
w postaci ruchu liniowego oraz obrotowego. Napęd pneumatyczny i napęd hydrauliczny
naleŜą do napędów płynowych.
Terminologia związana z techniką napędu i sterowania pneumatycznego jest
uporządkowana międzynarodową normą ISO 5598 z 1985r. lub w polskim odpowiedniku
PN-91/M-73001 (tłumaczenie normy ISO).
Powietrze, jako czynnik roboczy
Nośnikiem energii w napędzie pneumatycznym jest najczęściej powietrze. Jego
właściwości wywierają zasadniczy wpływ na budowę i na pracę układu pneumatycznego, a co
za tym idzie na jego charakterystyki i sprawności oraz trwałość elementów i zespołów
tworzących taki układ.
Dlatego teŜ spręŜone powietrze w układzie pneumatycznym musi spełniać następujące
funkcje:
•
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
•
odprowadzanie ciepła,
•
w wybranych przypadkach smarowanie powierzchni ruchomych,
•
w wybranych przypadkach zmniejszenie zuŜycia ruchomych części.
4
SpręŜone powietrze, aby mogło być wprowadzone do instalacji napędu
pneumatycznego musi zostać oczyszczone tak, by charakteryzowało się:
-
brakiem wody w postaci kropel; woda w postaci pary jest dopuszczalna, pod warunkiem,
Ŝ
e punkt rosy występuje w temperaturze niŜszej o 5 do 10 [
o
C] od najniŜszej temperatury
pracy układu napędowego,
-
zanieczyszczeniami mechanicznymi poniŜej 5 [
µ
m], przy udziale wagowym 0,7 [mg/m
3
]
w warunkach normalnych fizycznych,
-
nie występowaniem oleju oraz innych cieczy w postaci kropel.
Przykłady zastosowań:
•
maszyny technologiczne,
•
transport kolejowy i samochodowy (urządzenia hamulcowe),
•
narzędzia wirujące i udarowe,
•
manipulatory,
•
przemysł szklarski,
•
przemysł przetwarzający tworzywa sztuczne,
•
przemysł spoŜywczy i farmaceutyczny,
•
górnictwo.
Cechy układu pneumatycznego:
•
maksymalna długość linii pneumatycznej wynosi 1000m,
•
wartość siły w elementach napędowych osiąga do 30kN,
•
maksymalne stosowane wartości ciśnienia 1,5 MPa,
•
sterowanie siłą realizowane przez sterowanie ciśnieniem,
•
sterowanie prędkością silnika poprzez dławienie strumienia doprowadzonego
powietrza na wejściu lub wyjściu z odbiornika (silnika),
•
moŜliwość pracy w pomieszczeniach, gdzie istnieje wystąpienie samozapłonu,
•
minimalizacja hałasu (przy wypływie powietrza do atmosfery) poprzez
zastosowanie tłumików.
Zalety spręŜonego powietrza: ogólnodostępność, łatwe w transporcie przewodowym,
„zuŜyte” powietrze moŜe być oddane do atmosfery, bezpieczeństwo i czystość w uŜyciu,
odporność na wahania temperatury.
Wady spręŜonego powietrza: duŜa ściśliwość, utrudniająca powolne i płynne ruchy
mechanizmów pneumatycznych.
Zalety układów pneumatycznych: łatwe zabezpieczenie przed przeciąŜeniem (moŜliwość
obciąŜenia aŜ do zatrzymania), moŜliwość ciągłej kontroli obciąŜeń, łatwa obsługa elementów
sterowniczych, wdraŜanie rozbudowanych systemów automatyzacji, łatwość wprowadzania
zmian, przy prawidłowym uŜytkowaniu duŜa trwałość urządzeń.
Wady układów pneumatycznych: ściśliwość spręŜonego powietrza i straty w wyników
przecieków (powodem utrudnień w wygodnym powiązaniu ruchów poszczególnych zespołów
maszyn i urządzeń), wpływ zmian sił zewnętrznych na prędkość przesuwanych elementów,
ograniczenia w zakresie (długości) przemieszczeń prostoliniowych.
5
Budowa nap
ę
du pneumatycznego
Układy napędu i sterowania pneumatycznego zawierają następujące grupy
elementów, które określone są normą PN-73/M-73020:
-
elementy zasilania (spręŜarka),
-
elementy przygotowania, magazynowania i przesyłania spręŜonego powietrza (układ
przygotowania powietrza, zbiorniki, przewody, etc.),
-
elementy sterujące przepływem energii oraz ciśnieniem spręŜonego powietrza (zawory),
-
elementy wykonawcze (odbiorniki powietrza),
-
elementy pomocnicze (złącza, płyty montaŜowe, mierniki, etc.).
ELEMENTY ZASILANIA
Czynnikiem roboczym i zarazem źródłem energii w układach pneumatycznych jest
spręŜone powietrze. Otrzymywane jest ono za pomocą spręŜarki (kompresor). W układach
najczęściej mogą występować spręŜarki w postaci stacjonarnej lub ruchomej.
Z pracą spręŜarki i samego procesu spręŜania gazu, jakim jest powietrze, wiąŜe się
wiele problemów, które wpływają na rodzaj i budowę zastosowanych w napędzie elementów.
Na pierwszym miejscu naleŜy zwrócić uwagę na proces spręŜania gazu (jak i rozpręŜania),
który wiąŜe się z pojawieniem się duŜej ilości ciepła. RównieŜ tarcie tłoka o cylinder generuje
znaczną ilość ciepła. Przykładem tego zjawiska jest pompowanie koła w rowerze za pomocą
pompki do roweru. Ciepło to ma wpływ na temperaturę spręŜonego powietrza. Po kilku
minutach temperatura moŜe sięgać juŜ granicę 50-60ºC. Tak nagrzane powietrze
doprowadzone do układu najczęściej przewodami o małych średnicach prowadzone jest w
obszarze, gdzie temperatura oscyluje w granicach 10-20ºC. W ten sposób doprowadzamy do
gwałtownego spadku temperatury związanego z dąŜeniem do równowagi temperatur.
W efekcie przekraczamy tak zwany punkt rosy. Efektem jest pojawienie się pary wodnej a
następnie kropli wody. Obserwujemy to zjawisko zimą w aucie. Im gwałtowniejszy spadek
temperatury tym intensywniejszy jest ten proces.
Drugim waŜnym negatywnym efektem pracy kompresora jest tarcie tłoka o cylinder.
W jego efekcie w wyniku pojawiają się mikropęknięcia, które dla człowieka nie mają
znaczenia, ale dla pracy elementów w układzie juŜ tak. Dodatkowo, aby zminimalizować
tarcie w kompresorze, stosuje się smarowanie zespołu tłok-cylinder. Część tego smaru
zabierana jest przez powietrze, miesza się z mikropęknięciami i wchodzi w reakcję z wodą,
Woda zmienia właściwości tego smaru.
Dlatego w celu usunięcia wody z spręŜonego powietrza w układach pneumatycznych
stosuje się osuszacze powietrza. W jednostkach mobilnych zamocowane są one bezpośrednio
na kompresorze, a w jednostkach stacjonarnych są to oddzielne elementy. Tutaj równieŜ znika
część smaru. Reszta „zabrudzeń” usuwana jest w układzie przygotowania powietrza za
pomocą filtru powietrza. Za filtrem mamy oczyszczone, suche i spręŜone powietrze.
ELEMENTY PRZYGOTWANIA POWIETRZA
Konstruktor i uŜytkownik urządzeń pneumatycznych, znając najniŜsze temperatury w
nich występujące, powinien ocenić, czy przy danej wilgotności powietrza zasilającego moŜe
wystąpić szkodliwe wykraplanie się wody zawartej w postaci pary w spręŜonym powietrzu
(tzn., czy zostanie osiągnięty tzw. punkt rosy).
Do oceny stopnia wilgotności powietrza określa się dwie, wielkości:
6
1 - wilgotność bezwzględna określająca ilość pary wodnej w gramach zawartej w 1 m
3
powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze (zwykle są to warunki normalne
fizyczne lub techniczne);
2 - wilgotność względna określającą stosunek ilości pary wodnej zawartej w 1 m
3
powietrza,
przy określonym ciśnieniu i temperaturze, do ilości pary wodnej maksymalnie moŜliwej do
pochłonięcia w tych warunkach przy zupełnym nasyceniu powietrza. Stosunek ten zwykle
podaje się w procentach.
Osuszacz chłodniczy (rysunek 1) słuŜy, poprzez obniŜenie temperatury punktu rosy
wytrąceniu wilgoci ze spręŜonego powietrza. Schłodzenie następuje dwustopniowo: ciepłe,
nasycone w 100% parą wodną spręŜone powietrze wchodzi do osuszacza i zostaje wstępnie
schłodzone przez suche juŜ i zimniejsze powietrze w wymienniku ciepła powietrze/powietrze.
Następnie dostaje się do wymiennika ciepła czynnik chłodzący/powietrze i zostaje schłodzone
do temperatury około 2
o
C. Woda kondensująca w strumieniu powietrza zostaje w separatorze
oddzielona od spręŜonego powietrza.
Parownik
Zawór stałego
ci
ś
nienia
Wziernik szklany
Separator
wody
Wymiennik ciepła
Skraplacz
Filtr
Zbiornik
czynnika
chłodniczego
Kompresor chłodniczy
ze zintegrowanym
separatorem cieczy
Rys. 1 Schemat działania osuszacza zi
ę
bniczego z zaworem stałego ci
ś
nienia
Rys. 1. Schemat działania osuszacza z zaworem stałego ci
ś
nienia
Odprowadzenie skroplin, składających się z mieszaniny wody, oleju i pyłu, następuje
w sposób automatyczny. Suche spręŜone powietrze przepływa ponownie przez wymiennik
ciepła powietrze/powietrze, gdzie ogrzewane jest przez powietrze napływające do osuszacza
do temperatury o około 8
o
C powietrza na wejściu. Dzięki temu nie ma moŜliwości
kondensowania pary w zewnętrznych rurociągach. Osuszacze chłodnicze pracować mogą w
sposób ciągły i mogą być obciąŜone do wartości znamionowych. Przy mniejszych wydatkach
specjalny układ regulacyjny troszczy się o doprowadzenie odpowiedniej ilości czynnika
chłodzącego tak, aby zawsze utrzymać ciśnieniowy punkt rosy + 2
o
C i uniemoŜliwić w ten
sposób zamroŜenie kondensatu. UŜycie wymiennika ciepła powietrze/powietrze powoduje, Ŝe
moŜna obniŜyć zuŜycie energii o około 55%.
7
Zalety osuszaczy chłodniczych: minimalne straty ciśnienia, pewność eksploatacji, niskie
koszty eksploatacji, punkt rosy stały - niezaleŜnie od warunków zewnętrznych, mało
wraŜliwy na zanieczyszczenia w powietrzu, usuwa z powietrza w znacznym stopniu
zanieczyszczenia stałe i oleje, brak konieczności wymiany chemikaliów, automatyczny
system
odwadniania
minimalizujący
obsług,
prosty
sposób
podłączenia,
małe
zapotrzebowanie powierzchni,
Wady osuszaczy chłodniczych: punkt rosy powyŜej temperatury zamarzania wody.
Oczyszczone (uzdatnione) powietrze moŜe zostać wprowadzone do instalacji napędu
pneumatycznego. Jednak, aby zapewnić poprawne działanie poszczególnych odbiorników -
urządzeń przetwarzających energię spręŜonego powietrza na energię mechaniczną - naleŜy
dostosować parametry dostarczonego powietrza do wymagań poszczególnych odbiorników.
Realizowane jest to za pomocą indywidualnego układu przygotowania powietrza
(rysunek 2) złoŜonego z:
-
zaworu odcinającego,
-
filtra (przepuszczającego zanieczyszczenia do maksymalnie 0,5
µ
m),
-
zawór redukcyjny (obniŜający ciśnienie powietrza ze spręŜarki np. 1,6 MPa
do 0,4 MPa wymagane w instalacji napędowej) z manometrem,
-
smarownicy (w zaleŜności od potrzeb).
Rys. 2. Indywidualny układ przygotowania powietrza.
W fi1trach z rys. 3 do usuwania cząstek stałych i oleju ze spręŜonego powietrza
wykorzystuje się:
-
oddziaływanie sił odśrodkowych i sił powstających w wyniku zmiany kierunku
przepływu (rys. 3a),
-
osadzenie cząstek stałych i oleju na powierzchni przegrody filtracyjnej (rys. 3b).
Do filtra z rys. 3a spręŜone powietrze jest doprowadzane kanałem wlotowym 1 i
kierowane na kierownicę 6, która rozdziela je na kilka strumieni i wprawia w ruch wirowy.
Dzięki temu cząsteczki wody, oleju i zanieczyszczeń stałych spływają na osłonę 8 i ściankę 3
zbiornika i dostają się do osadnika 4, skąd przez zawór 7 mogą być odprowadzone na
8
zewnątrz. W filtrze z rys. 3b do filtrowania wykorzystano wkład filtracyjny 5 umieszczony w
zbiorniku 3. W rozwiązaniach technicznych filtrów (rys. 3c i d) są wykorzystywane
równocześnie obie metody filtracji. Na rys. 3c, jako wkład ad filtracyjny 5 wykorzystano
tulejkę wykonaną ze spiekanych kulek brązowych lub porowatego tworzywa. Pozostałe
elementy składowe filtra oznaczono identycznie jak na rys. 3a i b. Filtr moŜna oczyszczać
odkręcając pokrętło o zaworu 7 lub stosując automatyczny spust (rys. 3d). Po przekroczeniu
poziomu granicznego wykroplona ciecz podnosi pływak 1 i otwiera dopływ spręŜonego
powietrza przez dyszę 2 do komory 3 nad membraną 6. Powoduje to odsunięcie w dół
grzybka 5 i wypływanie zanieczyszczeń otworem 4 aŜ do momentu, gdy pływak 1 powtórnie
zamknie dyszę 2. Omówione filtry usuwają głównie zanieczyszczenia mechaniczne i
wykroploną uprzednio wodę.
Rys. 3. Budowa filtrów
.
Zawory redukcyjne (rysunek 4) słuŜą do zredukowania ciśnienia wejściowego (p
we
)
do wartości nastawionej przez obsługującego (p
red
) i następnie dość dokładnego utrzymania
tego ciśnienia na zadanym poziomie, pomimo zmian ciśnienia wejściowego (p
we
) i zmian
natęŜenia przepływu powietrza Q przez ten zawór.
SpręŜone powietrze do zaworu redukcyjnego (rys. 4a) doprowadzane jest otworem 1, a
po zredukowaniu ciśnienia wypływa otworem 2. Aby moŜliwy był przepływ powietrza przez
zawór naleŜy za pomocą pokrętła 6 napiąć spręŜynę 7, co spowoduje obniŜenie membrany 4 i
za pomocą popychacza 5 przesunięcie w dół grzybka zaworowego 3. W wyniku tego
powstanie szczelina pomiędzy przylgnią zaworową w korpusie zaworu i grzybkiem
umoŜliwiająca przepływ powietrza do przestrzeni pod membraną i do otworu wylotowego 2.
Przesunięcie grzybka zaworowego w dół, spowoduje równieŜ napięcie spręŜyny powrotnej
grzybka zaworowego 9. Szczelina pomiędzy grzybkiem i przylgnią zaworową powoduje
dławienie przepływu powietrza przez zawór oraz spadek jego ciśnienia. Manometr połączony
z przestrzenią pod membraną pozwala na kontrolę i regulację (pokrętłem 6) wielkości
ciśnienia spręŜonego powietrza zasilającego odbiorniki. Wahania ciśnienia w komorze pod
membraną 4, powodują podnoszenie lub obniŜenie membrany, a za tym odpowiednio
zmniejszenie lub powiększenie szczeliny pomiędzy przylgnią zaworową i grzybkiem.
9
Rys. 4. Zawory redukcyjne
.
O moŜliwości ruchów membrany, a tym samym o wielkości szczeliny pomiędzy
przylgnią zaworową i grzybkiem decyduje siła wywołana napięciem spręŜyn 7 i 9:
S
7
+ S
9
= p
m
* F
m
Na rys. 4c pokazano często stosowaną kombinację połączenia zaworu redukcyjnego z filtrem
- co zmniejsza gabaryty obu elementów.
W pneumatycznych układach napędowych w celu zapewnienia ich smarowania
stosuje się nasycenie spręŜonego powietrza olejem. Do nasycania spręŜonego powietrza
olejem wykorzystuje się:
-
smarownice smoczkowe (rys. 5a),
-
smarownice selekcyjne (rys. 5b) wytwarzające mikromgłę.
Wymienione smarownice działają na zasadzie rozpylacza oleju.
Smarownice selekcyjne stosuje się w układach, w których odległość smarownicy od
mechanizmu napędowego przekracza 4÷5 m, przy jednoczesnym istnieniu duŜej liczby zagięć
i rozgałęzień przewodów rozprowadzających spręŜone powietrze. W takich warunkach
przepływu krople ze smarownicy smoczkowej (o wymiarach 2÷4
µ
m) osiadają głównie na
ś
ciankach przewodów i nie docierają do zaworów rozdzielających i siłowników
mechanizmów napędowych. Natomiast mikrokrople (o wymiarach 0,1÷1
µ
m) ze smarownicy
selekcyjnej są przenoszone przez spręŜone powietrze na znaczne odległości (50÷60 m).
10
Rys 5. Smarownice spr
ęŜ
onego powietrza.
Działanie wymienionych smarownic polega na rozpyleniu odpowiedniej ilości środka
smarującego - oleju - i nasyceniu nim czynnika roboczego - spręŜonego powietrza.
W smarownicy smoczkowej z rys. 5a wykorzystano zjawisko spadku ciśnienia w
zwęŜce 4 w stosunku do ciśnienia statycznego panującego w otworze dolotowym I i zbiorniku
z olejem 3. Olej ze zbiornika 3 jest zasysany przewodem 6 i wkraplany rurką 1 do zwęŜki 4,
gdzie następuje jego rozpylenie - bezpośrednio w strudze przepływającego spręŜonego
powietrza. Dławikiem 7 moŜna regulować intensywność kroplenia, zaś wkręt 8 jest
wykorzystywany, jako zawór odcinający, umoŜliwiający wlewanie oleju do zbiornika 3 bez
odcinania zasilania doprowadzanego do smarownicy, tym samym bez przerywania pracy
mechanizmu napędowego.
W smarownicy selekcyjnej (rys. 5b) krople oleju nie wpadają bezpośrednio do kanału
przepływowego smarownicy, lecz są porywane przez spręŜone powietrze przepływające
otworem 1, zostają rozpylone przechodząc przez otwory w tulei 2 i wpadają do zbiornika 3,
skąd otworem 4 tylko bardzo małe krople (mikromgła) dostają się do wypływającego
otworem II powietrza, natomiast większe krople opadają ku dołowi zbiornika.
Pozostałe trzy grupy elementów omówiono w innych opracowaniach w ramach
laboratorium Napędu i Sterowania Hydraulicznego i Pneumatycznego. DuŜą grupę
elementów wykorzystana zostanie w trakcie wykonania laboratorium.