Budowa i działanie podstawowych elementów układów pneumatycznych

ELEMENTY WYKONAWCZE

Siłowniki są to urządzenia przekształcające energię sprężonego powietrza (lub innych płynów) na energię mechaniczną.
Ze względu na rodzaj uzyskiwanego ruchu rozróżnia się:

• siłowniki o ruchu liniowym,
• siłowniki o ruchu obrotowym.

Ze względu na sposób wymuszenia ruchu tłoczyska siłowniki dzielimy na:

• siłowniki jednostronnego działania,
• siłowniki dwustronnego działania.

W siłowniku jednostronnego działania (rys. 5.6) ruch tłoczyska w jedną stronę jest wymuszany przez ciśnienie czynnika roboczego, w drugą – przez siłę sprężyny lub siłę ciężaru tłoka. Siłowniki jednostronnego działania w zależności od tego, czy podawane ciśnienie powoduje wysunięcie tłoczyska, czy wsunięcie – dzielą się odpowiednio, na siłowniki o działaniu prostym lub odwrotnym.

Rys. 5.6. Schematy konstrukcji siłowników jednostronnego działania: a) membranowy o działaniu prostym; b) membranowy o działaniu odwrotnym; c) tłokowy o działaniu prostym; d) tłokowy o działaniu
odwrotnym; 1 – tuleja/cylinder, 2 – tłoczysko, 3 – sprężyna, 4 – tłok, 5 – zespół uszczelnień, 6 – membrana [2]
[Kordowicz-Sot A.: Analizowanie działania układów pneumatycznych 311[50].O1.07, Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005]

Rys. 5.7. Siłownik tłokowy dwustronnego działania
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

W siłownikach dwustronnego działania ruch tłoczyska w obu kierunkach wymuszany jest ciśnieniem czynnika podawanego przemiennie do komór siłownika (rys. 5.7). Jedną z wielkości charakteryzujących siłowniki pneumatyczne jest siła teoretyczna F wytwarzana na tłoczysku siłownika w wyniku podania do wnętrza siłownika sprężonego powietrza o ciśnieniu p1.

Rys. 5.8. Główne parametry siłownika pneumatycznego dwustronnego działania
http://hafner.pl/silowniki-tloczyskowe

p1 – ciśnienie zasilania [bar]
D – średnica nominalna (tłoka) [cm]
d – średnica tłoczyska [cm]

Siła pchająca siłownika F1(siła wytwarzana na tłoczysku siłownika podczas wysuwania) obliczana jest zgodnie z następującą zależnością:

F1=π x D²/4 x p1 [daN]

Siła ciągnąca siłownika F2 (siła wytwarzana na tłoczysku siłownika podczas wysuwania) obliczana jest zgodnie z następującą zależnością:

F2 = πx (D²-d²)/4 x p1 [daN]
Np. p1= 6 bar; D = 4 cm; d = 1 cm
F1=π x 4²/4 x 6 = 75,36 [daN]
F2 = πx (4²-1²)/4 x 6 = 70,65 [daN]

Rys. 5.9. Siłowniki o ruchu obrotowym: a) wahliwy zębaty, b) wahliwy łopatkowy, c) silnik łopatkowy; 1 – wirnik, 2 – obudowa, 3 – łopatki [2]
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]
 

Siłowniki obrotowe najczęściej wykonywane są jako: wahliwe zębate, wahliwe łopatkowe, silniki łopatkowe. W siłowniku zębatym ruch liniowy tłoka z naciętą zębatką przenoszony jest na koło zębate osadzone na wale wyjściowym siłownika, wał wykonuje ruch wahliwy. W siłowniku łopatkowym wahliwym łopatka zamontowana w komorze siłownika osadzona jest na wale wyjściowym siłownika i wykonuje ruch wahliwy pod wpływem sprężonego powietrza podawanego z lewej lub z prawej strony łopatki. Silnik łopatkowy wykonuje ruch obrotowy o kierunku zależnym od kierunku podawania sprężonego powietrza. W silniku łopatkowym wirnik osadzony jest mimośrodowo względem obudowy. Wpływające pod ciśnieniem powietrze wymusza ruch obrotowy wirnika. Na skutek działania siły odśrodkowej łopatki dociskane są do obudowy zapewniając szczelność komór.

Rys. 5.10. Podstawowe parametry konstrukcyjne siłownika tłokowego
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Coraz częściej stosowane są siłowniki beztłoczyskowe.

Rys. 5.11. Schemat konstrukcji siłownika beztłoczyskowego
[http://tbystrowski.notatki.oen.agh.edu.pl/page/index.php?id=pne&pne=pwyk4#3.1.1]

Tłok siłownika beztłoczyskowego sprzężony jest z karetką, tłok osadzony jest we wnętrzu cylindra siłownika, natomiast karetka jest na zewnątrz. Cylinder siłownika jest
rozcięty, rozcięcie jest uszczelnione i umożliwia przesuwanie się karetki wzdłuż rozcię-
cia. Tłok przemieszcza się pod wpływem sprężonego powietrza podawanego do wnętrza
siłownika.

ELEMENTY STERUJĄCE PRZEPŁYWEM SPRĘŻONEGO POWIETRZA

Sterowanie przepływem sprężonego powietrza może odbywać się poprzez wpływ na jego ciśnienie, natężenie lub kierunek przepływu. Elementami tymi są zawory sterujące. Wyróżnia się następujące rodzaje zaworów:

• zawory sterujące ciśnieniem (zawory bezpieczeństwa, redukcyjne)
• zawory sterujące kierunkiem przepływu (zawory rozdzielające, zawory zwrotne,
• zawory odcinające, zawory realizujące funkcje logiczne),
• zawory sterujące natężeniem przepływu (dławiki).

Zadaniem zaworów bezpieczeństwa jest zabezpieczenie układu przed przeciążeniem. Przeciążenie w układach pneumatycznych oznacza przekroczenie ciśnienia ponad dopuszczalną wartość. Zawór bezpieczeństwa przy wzroście ciśnienia ponad dopuszczalną wartość, samoczynnie otwiera się (grzybek otwiera przepływ powierza), część powietrza przepływa przez zawór do atmosfery, w ten sposób zmniejszając wartość ciśnienie w układzie. Wartość ciśnienia bezpieczeństwa można nastawiać za pomocą pokrętła nastawczego i sprężyny.

Rys. 5.12. Schemat konstrukcji zaworu bezpieczeństwa
[http://tbystrowski.notatki.oen.agh.edu.pl/page/index.php?id=pne&pne=pwyk4#3.1.1]

Rys. 5.13. Schemat budowy zaworu redukcyjnego: 1 – membrana, 2 – sprężyna, 3 – pokrętło
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Zadaniem zaworu redukcyjnego jest redukcja ciśnienia i utrzymanie jego stałej wartości za zaworem (rys. 5.13). Na membranę 1 od dołu oddziałuje ciśnienie przepływającego powietrza, a od góry siła pochodząca od sprężyny 2. Za pomocą pokrętła 3 i sprężyny 2 nastawiana jest wartość ciśnienia zadanego. Jeżeli wartość ciśnienia powietrza jest większa od wartości zadanej, to membrana unosi się do góry i zmniejsza przepływ powietrza przez zawór – ciśnienie na wylocie maleje. Jeżeli wartość ciśnienia powietrza jest mniejsza od wartości zadanej to membrana opada do dołu i zwiększa przepływ powietrza przez zawór – ciśnienie na wylocie rośnie.
 

ZAWORY STERUJĄCE KIERUNKIEM

Zawór odcinający – zadaniem zaworu jest zamykanie/otwieranie przepływu czynnika roboczego przez dany przewód. Zawory odcinające mogą być kulowe lub grzybkowe.

Rys. 5.14. Schemat budowy zaworu kulowego: 1. korpus zaworu, 2. gniazdo, 3. kula, 4. dźwignia, 5. wałek zwrotny
[http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Ball.PNG]

Podczas otwarcia kula (3) z wydrążonym w środku otworem przepuszcza medium, obracając ją o 90 stopni zakrywa gniazda (2), blokując przepływ. Zawór zwrotny – umożliwia przepływ czynnika roboczego tylko w ściśle określonym kierunku.

Rys. 5.15. Sposób działania zaworu zwrotnego
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Rys. 5.16. Sposób działania zaworu szybkiego spustu
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Zawór szybkiego spustu (rys. 5.16) – w przypadku doprowadzenia czynnika roboczego do kanału 1 zawór umożliwia wypływ tego czynnika kanałem 2. Jeżeli w kanale 1 ciśnienie spadnie, wówczas nastąpi szybki wypływ czynnika roboczego kanałem 3. Zawory rozdzielające (rozdzielacze) są grupą elementów pneumatyki, których zadaniem jest sterowanie kierunkiem przepływu czynnika roboczego w pneumatycznych układach napędowych i sterujących poprzez łączenie lub przełączanie dróg przepływu. Stosowanych jest wiele rodzajów zaworów rozdzielających. Wyjaśnienie budowy i sposobu działania zaworów rozdzielających ograniczymy do dwóch: zaworu 3/2 (trójdrogowego-dwupołożeniowego).

Rys. 5.17. Schemat budowy i sposób działania zaworu 3/2: a) położenie otwartego przelotu P –A, b) położenie otwartego przelotu A-R, c) symbol graficzny zaworu.
[http://www2.simr.pw.edu.pl/imrc/polski/Cwiczenie_HP4-instrukcja.pdf]

Zawór 3/2, dzięki przemieszczaniu tłoczka, umożliwia przełączenie pomiędzy przepływami łącząc z A albo P, albo R. Do P podłączany jest dopływ sprężonego powietrza natomiast R służy do odpowietrzania zaworu (zazwyczaj upust do atmosfery). Na symbolu zaworu kratka a odpowiada jednej pozycji roboczej zaworu (połączenie P-A), a kratka b odpowiada drugiej pozycji roboczej zaworu (połączenie R-A). Tłoczek zaworu przemieszczany jest (inaczej mówiąc zawór jest sterowany) dzięki przyłożeniu siły pochodzącej z zewnątrz. Siły te mogą pochodzić od nacisku mechanicznego( innego urządzenia lub siły mięśni), sygnału pneumatycznego, sygnału elektrycznego. Siły te przemieszczają tłoczek w położenie lewe (rys. 5.17b) oraz prawe (rys. 5. 17a). W związku z tym rozróżnia się następujące sposoby sterowania zaworów rozdzielających:

• mechaniczne,
• pneumatyczne,
• elektryczne.

Rozróżnia się zawory bistabilne oraz monostabilne: w zaworach bistablnych przesterowanie zaworu (przemieszczanie tłoczka w obu kierunkach) odbywa się dzięki sile zewnętrznej; natomiast w przypadku zaworów monostabilnych przemieszczanie tłoczka w jedną stronę wymuszane jest siłą zewnętrzną, a przemieszczanie w stronę przeciwną odbywa się dzięki sile sprężystości sprężyny montowanej w zaworze.

Rys. 5.18. Schemat budowy zaworu 3/2 monostabilnego sterowanego sygnałem elektrycznym
[http://www.hafner.pl/podstawy-pneumatyki/zawory-rozdzielajace-dydaktyka]
 

Zawory sterujące natężeniem przepływu oddziałują na ilość przepływającego czynnika. Zawory sterujące natężeniem przepływu w zależności od funkcji, dzielą się na grupy:

• zawory dławiące (dławiki),
• zawory dławiąco-zwrotne.

Dławiki działają na zasadzie przepuszczania strumienia przez odpowiedni opór. Opór jest to celowo wykonane przewężenie kanału. Opory ze względu na konstrukcję są dzielone na (rys. 5.19):

• opory stałe,
• opory nastawne,
• opory zmienne.

Rys. 5.19. Opory pneumatyczne: a) stały, b) nastawny, c), d) zmienny. p1 – ciśnienie wejściowe, p2 – ciśnienie wyjściowe, l – długość szczeliny, δ – szerokość szczeliny, x- odległość przysłony o dyszy oporu.
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Zawór dławiąco-zwrotny – w zależności od kierunku podawania czynnika roboczego pracuje jako zawór dławiący lub jako zawór zwrotny (rys. 5.19).

Rys. 5.20. Zawór dławiąco-zwrotny pracujący: a) jako dławik, b) jako zawór zwrotny [2]
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.