Napędy pneumatyczne

Wybór maszyn i urządzeń, które mają zasilić zasoby techniczne przedsiębiorstwa, uzależniony jest od charakteru jego działalności oraz bieżących potrzeb, ale nie tylko. Uwzględnia się również jakość, sprawność, żywotność, niezawodność, gabaryty, moc, przeciążalność, koszt itd. Część tych czynników, to tak naprawdę cechy układu napędowego danej maszyny.

 

W przemyśle stosowane są urządzenia posiadające napęd elektryczny, hydrauliczny, spalinowy, pneumatyczny, wodny czy parowy. A wszystko zależy od rodzaju silnika i energii, jaką może przetwarzać. Sporo zakładów przemysłowych stawia na napędy pneumatyczne. Dlaczego?

 

Rodzaje napędów pneumatycznych

Zanim będzie można udzielić odpowiedzi na pytanie czy i gdzie warto korzystać z układów napędzanych silnikami lub siłownikami pneumatycznymi, należy przyjrzeć się bliżej zasadzie ich działania oraz dostępnym opcjom. Najlepiej zacząć od sformułowania definicji, która według Tomasza Hermanowskiego, Dyrektora PTH VANAX, mogłaby brzmieć tak: napędy pneumatyczne to elementy wykonawcze, zmieniające energię zawartą w sprężonym gazie na ruch w maszynach i urządzeniach. Rafał Jadach, Technical Manager w MANULI FLUICONNECTO dodaje, iż zazwyczaj tym gazem jest powietrze atmosferyczne, a Michał Matyskiel, Doradca techniczno-handlowy w firmie Akcesoria CNC Elżbieta Taraszkiewicz, mówi o napędzie pneumatycznym, jako o urządzeniu, które przetwarza energię sprężonego gazu na ruch liniowy lub obrotowy. W związku z tym można wymienić napędy liniowe i obrotowe, ale istnieją również inne ich rodzaje, szczególnie popularny jest wariant liniowo-tłokowy. W ogóle główny podział napędów pneumatycznych obejmuje silniki oraz siłowniki. Jeśli chodzi o drugi typ urządzeń, to zdaniem Krzysztofa Rajchla, Właściciela firmy PS Automatyka, ze względu na ich budowę, można zastosować następującą klasyfikację siłowników:

  • Liniowe (beztłoczyskowe) – gdzie energię mechaniczną uzyskuje się za pomocą podawania medium roboczego do komory. Elementem roboczym jest w ich przypadku wózek, który porusza się po prowadnicy na obudowie siłownika.
  • Obrotowe – zwane także napędami do zaworów. Służą przeważnie jako napędy otwierające/zamykające do przepustnic czy zaworów kulowych. Dodatkowo montowane krańcówki sygnalizują skrajne położenie przepustnicy (otwarcie/zamknięcie), a pozycjonery pozwalają ustalać pozycję jej otwarcia.
  • Tłoczyskowe – najbardziej rozpowszechniona grupa siłowników pneumatycznych. Energia uzyskiwana jest poprzez napełnianie odpowiedniej komory, co napędza tłok generując ruch liniowy wałka tłoczyskowego.
  • Mieszkowe – tzw. poduszki powietrzne lub bałwanki. Są to siłowniki jednostronnego działania. Medium powoduje napełnianie poduszki, co za tym idzie wykonanie ruchu. Powrót do pozycji wyjściowej generuje siła nacisku. Są używane jako podnośniki (chwilowe podanie sprężonego powietrza) lub jako amortyzatory (stałe utrzymanie określonego ciśnienia).
  • Wahadłowe (obrotowe) – siłowniki pneumatyczne z wbudowaną przekładnią, gdzie ruch roboczy wahadła generowany jest poprzez połączenie mechanizmu analogicznego, jak w siłownikach tłoczyskowych. Jednak zamiast tłoczyska montuje się listwę zębatą, która podczas ruchu napędza koło zębate, zmieniając ruch posuwisty na obrotowy.
  • Membranowe – elastyczna membrana pod wpływem ciśnienia naciska na trzpień dociskający tłoczek do gniazda zaworu. Bardzo często używane do napędu zaworów regulujących przepływ.

Główne rodzaje napędów przydatnych w przemyśle, można z kolei podzielić na:

  • Tłokowe
    – siłowniki jednostronnego działania – wykonują ruch pod wpływem ciśnienia tylko w jedną stronę (powrót lub wysuw za pomocą sprężyny, albo grawitacyjnie), mogą mieć tłok magnetyczny, co umożliwia dodatkowe stosowanie kontaktronowych czujników położenia, to samo dotyczy zresztą pozostałych rodzajów siłowników,
    – siłowniki dwustronnego działania – wysuw jak i powrót siłownika jest realizowany ciśnieniowo,
    – siłowniki zderzakowe – mają wzmocnione oraz wysunięte tłoczysko, służą do zatrzymywania elementów na liniach produkcyjnych,
    – siłowniki dociskowe – są to siłowniki o wzmocnionej konstrukcji służą do dociskania (unieruchomienia) elementu na linii produkcyjnej,
    – siłowniki typu mini – najczęściej typ siłowników jednostronnego działania w miejscach, gdzie ważne są małe gabaryty siłowników.
  • Obrotowe:
    – łopatkowe,
    – zębatkowe,
    – śrubowe,
    – silniki pneumatyczne.

Istnieją również mniej standardowe oraz używane w bardziej zaawansowanych układach  siłowniki chwytające (chwytaki pneumatyczne). Składają się one zazwyczaj z dwóch szczęk, które łapią element, pozwalając na jego transport z miejsca A do B. Możliwa jest wymiana szczęk oraz dopasowanie ich do przenoszenia danego elementu.

 

Budowa siłowników

Powyższe rozróżnienia dokonane zostały przede wszystkim na podstawie budowy siłowników. Natomiast dokładne jej omówienie, to już bardziej złożony temat. Podobnie zresztą jak kwestie dotyczące zasady działania poszczególnych rodzajów napędów pneumatycznych. Jak tłumaczy Tomasz Hermanowski, rzecz w tym, że zależy ona od konstrukcji siłownika, a jak wynika z przedstawionego podziału, każda z wymienionych grup jest inaczej zbudowana i działa na innej zasadzie. Do tego dochodzą jeszcze podziały wewnątrz grup. Przykładowo siłowniki pneumatyczne liniowe można podzielić na tłoczyskowe i beztłoczyskowe. Z kolei urządzenia tłoczyskowe na siłowniki jedno- lub dwustronnego działania itd. Pomimo tego można znaleźć tu wspólny mianownik, bo wszędzie mamy do czynienia z prawem Pascala oraz naciskiem ciśnienia na powierzchnię (tłoka, membrany, mieszka). Działa na nią siła wynikająca z ciśnienia sprężonego powietrza oraz wielkości jej powierzchni. Czyli ogólnie siła, jaką można uzyskać w przypadku danego siłownika, zależy od pola powierzchni (np. tłoka) oraz od ciśnienia gazu (sprężonego powietrza), działającego na ten tłok i wyraża się wzorem F = S * P, gdzie F to teoretyczna siła pchająca lub ciągnąca siłownika, S – powierzchnia tłoka , a P – ciśnienie sprężonego powietrza. Właściwie należy używać pojęcia siły teoretycznej, ponieważ w praktyce siła ta, zwana użyteczną,  jest nieco mniejsza, co wynika z występowania wielu czynników, takich na przykład jak szybkości ruchu tłoka czy siły tarcia uszczelnień na cylinder. W związku z tym w praktyce waha się od 65–80%.

Rafał Jadach zwraca też uwagę na inne prawa wykorzystywane podczas dokonywania obliczeń dotyczących układów pneumatycznych: model gazu doskonałego, w skład którego wchodzą prawo Clapeyrona, prawo Joule’a-Thomsona i prawo Avogadra, definicja warunków normalnych, prawo zachowania masy, równanie ciągłości przepływu, prawo zachowania energii (równanie Bernoulliego) dla płynów w ruchu. Następnie grupuje podstawowe części składowe pneumatycznych układów napędu i sterowania. Wymienia elementy:

  • wykonawcze (siłowniki i silniki pneumatyczne),
  • sterujące pracą członów wykonawczych (m.in. zawory rozdzielające, zawory zwrotne, dławiące, reduktory ciśnienia),
  • przetwarzające informacje (zawory logiczne rozdzielające, opóźniające, progowe i sekwencyjne, wyspy zaworowe, sterowniki pneumatyczne),
  • wejściowe (przyciski, dźwignie, łączniki drogowe),
  • przygotowania sprężonego powietrza (filtry, reduktory, smarownice, elementy kontrolne),
  • wytwarzania sprężonego powietrza (sprężarki, zbiorniki, osuszacze),
  • do magazynowania sprężonego powietrza (zbiorniki),
  • przewody zasilające i sterujące.

 

Możliwości zastosowania

Siłowniki liniowe z powodzeniem mogą pełnić rolę suwnic dla dysz do zdmuchiwania wadliwych detali z linii technologicznej. Jednak okazuje się, że urządzenia te mogą być przydatne w zasadzie na każdym etapie produkcji oraz wszędzie tam, gdzie musi być wykonany jakiś ruch albo kiedy trzeba zastąpić działania człowieka, gdyż konieczne jest użycie dużej siły. Pozostałe rodzaje napędów pneumatycznych również dają bardzo szerokie możliwości zastosowania i to w rozmaitych miejscach. Siłowniki obrotowe – przepustnice, zawory kulkowe są idealne na przykład jako napędy do sterowania otwarciem rurociągów w oczyszczalniach ścieków. Z kolei rozwiązania tłoczyskowe dobrze sprawdzają się jako elementy podnoszące, chowające czy dociskające np. prowadnice boczne przy liniach transportowych. Za to urządzenia mieszkowe mogą być używane jako elementy zawieszenia w pojazdach albo podnośniki w warsztatach samochodowych. Reasumując siłowniki pneumatyczne wykorzystuje się do:

  • napędu urządzeń transportowych – podnośników, podajników, obrotnic itp.,
  • zamykania i otwierania okien, drzwi, zasuw, zaworów itp.,
  • napędu urządzeń hamulcowych w motoryzacji i kolejnictwie,
  • napędu urządzeń odłączających na stacjach wysokiego napięcia,
  • napędu zaworów regulacyjnych w przemyśle chemicznym i przetwórczym,
  • napędu pras pneumatycznych,
  • zasilania uchwytów obróbkowych i montażowych w maszynach technologicznych,
  • chwytania materiałów,
  • mocowania detali do obróbki,
  • obracania rur i profili podczas spawania,
  • zasilania systemów wentylacyjnych,
  • pakowania produktów.

 

Zalety i wady

Zdaniem Michała Matyskiela zalety siłowników pneumatycznych stają się wyjątkowo wyraźne, kiedy porówna się je z innymi rodzajami napędów. Na pierwszy plan wysuwają się tutaj takie kwestie, jak ogólna dostępność powietrza oraz brak generowania zanieczyszczeń. Medium w postaci sprężonego powietrza posiada jeszcze inne plusy, a mianowicie nadaje się do transportu na spore odległości i dobrze znosi wahania temperatury. Ponadto po wykorzystaniu energii tego gazu, nie trzeba zwracać go do instalacji, ani utylizować (jak chociażby oleju). W przeciwieństwie do paliw kopalnych, powietrze jest niepalne, kontakt z nim nie grozi porażeniem, jak w przypadku prądu elektrycznego i nie zanieczyszcza środowiska w razie awarii instalacji. Napędy pneumatyczne (elementy wykonawcze) można zaliczyć do urządzeń ekologicznych, gdyż nie emitują zanieczyszczeń, ewentualnie małe ilości mgły olejowej lub opary emulsji wodno-olejowej, co jest związane z koniecznością smarowania uszczelnień. Należy jednak dodać tutaj, że aby możliwe było sprężenie powietrza, niezbędne jest użycie kompresora, zwykle elektrycznego. Pobór prądu z elektrowni wiąże się co prawda z wytwarzaniem spalin, ale z drugiej strony zdarza się, że jeden silnik zasila wiele wykorzystywanych układów, a nawet narzędzi. Porównując narzędzia pneumatyczne do zyskujących obecnie popularność bateryjnych, ciężko stwierdzić które rozwiązanie jest lepsze. A co z substancjami generowanymi przez sprężarki – chodzi tutaj głównie o wodę zmieszaną z olejem? Trzeba po prostu zadbać o to, aby zanieczyszczenia nie rozprzestrzeniały się poza obszar sprężania. W tym celu stosuje się zespoły przygotowania powietrza, które powinny znajdować się jak najbliżej sprężarki.

Co do samych napędów pneumatycznych, ich największe zalety oprócz czystości to:

  • wygoda i bezpieczeństwo użytkowania,
  • prosta budowa,
  • trwałość i niezawodność,
  • uzyskiwanie bardzo wysokich prędkości ruchu, szybsze działanie siłowników liniowych pneumatycznych niż elektrycznych czy hydraulicznych,
  • możliwość stosowania w miejscach o dużej wilgotności (napędy elektryczne muszą w tym wypadku posiadać odpowiedniej klasy obudowy),
  • praca w szerokim zakresie temperatur (siłowniki hydrauliczne działają znacznie wolniej przy niskich temperaturach, a pompa hydrauliczna jest bardziej obciążona),
  • możliwość uzyskiwania dużego zakresu ciśnień (nawet do 300 bar, gdzie standard to 6-12 bar) i natężeń przepływu sprężonego powietrza, wytwarzanie nadciśnienia lub podciśnienia w układach pneumatycznych,
  • prosta instalacja – brak przewodów powrotnych czynnika, odpowietrzenie czy odprowadzenie zużytego czynnika z układu następuje do otoczenia,
  • łatwość uzyskania ruchu prostoliniowo-zwrotnego,
  • możliwość uzyskiwania dużego zakresu generowanych sił i momentów w przetwornikach energii sprężonego powietrza — siłownikach i silnikach,
  • dostępność zarówno wersji zminiaturyzowanych (np. rozmiary cylindrów już od kilku mm), jak i bardzo ciężkich (średnice cylindrów 320 mm lub większe),
  • spełnianie wymogów pracy w środowisku przeciwwybuchowym,
  • łatwość zautomatyzowania,
  • dobra dostępność podzespołów (siłowniki pneumatyczne wykonywane są według standardów ISO – pasują zamienniki każdego producenta),
  • łatwość kontrolowania i zabezpieczenia układów przed przeciążeniami, brak ryzyka spalenia się siłowników czy narzędzi pneumatycznych w przypadku zablokowania ruchu (w elektrycznych może tak się zdarzyć),
  • duże spektrum wykorzystania w aplikacjach.

 

Wady:

  • praktycznie w każdym wypadku konieczność stosowania dodatkowych zaworów sterujących, które są droższe niż np. zwykły przełącznik do silnika elektrycznego,
  • stosunkowo głośna praca,
  • konieczność używania zespołów przygotowania powietrza oraz filtrów,
  • konieczność konserwacji przewodów ciśnieniowych,
  • z góry narzucony rozmiar siłowników w danej aplikacji, co sprawia, że nie są uniwersalne,
  • brak możliwości precyzyjnego wysterowania (jak w przypadku napędów elektrycznych),
  • stosunkowo mała siła (w odniesieniu do hydrauliki),
  • ściśliwość medium roboczego, co wpływa negatywnie na wydajność, łatwość pozycjonowania i równą pracę w układzie równoległym, oraz na płynność ruchu (szczególnie przy małych prędkościach i niskim ciśnieniu),
  • konstrukcja siłowników ogranicza możliwości ruchu roboczego (choć w przypadku siłowników beztłoczyskowych bywa, że ich skok sięga nawet kilku metrów),
  • stosunkowo wysokie koszty pracy.

Ostatni punkt może budzić wątpliwości, bo przecież skoro powietrze jest ogólnie dostępne, powinno zaliczać się do najtańszych mediów roboczych. Tymczasem, jak tłumaczy Krzysztof Rajchel, układy pneumatyczne są układami otwartymi, przez co po przepracowaniu jednego cyklu medium jest wyrzucane do atmosfery (to zarazem plus), a koszty wytworzenia sprężonego powietrza bynajmniej nie są niskie. Natomiast można je optymalizować, wybierając chociażby odpowiednią sprężarkę, co zapewni dużą wydajność pracy oraz zmniejszy ryzyko występowania kłopotliwych awarii. Poza tym jakość sprężonego powietrza wpływa też na żywotność elementów układu pneumatycznego. Istotne, z punktu widzenia sprawności produkcji i minimalizowania jej kosztów, jest również przyjęcie pewnych założeń podczas projektowania oraz wykonywania instalacji pneumatycznych. Przykładowo, żeby zapobiec zbyt dużej różnicy ciśnienia pomiędzy zbiornikiem i odbiornikiem, należy właściwie dobrać średnicę przewodów. W sytuacji, gdy spadek ciśnienia przekracza 0,1 bara, ma to niekorzystny wpływ na urządzenia oraz na rentowność cyklu produkcyjnego.

Wszystkie rodzaje napędów mają swoje zalety i wady, ale w przypadku układów pneumatycznych, tych pierwszych jest zdecydowanie więcej niż drugich. Nic więc dziwnego, że wielu przedsiębiorców stawia na rozwiązania zasilane sprężonym powietrzem.

 

Autor: Sabina Frysztacka

 

Tekst w wersji PDF poniżej lub proszę kliknąć link do pobrania pliku PDF

 

GM_2019_06_30_33_Napedy
Authors

Related posts

Góra
English