Wytwarzanie i przygotowanie sprężonego powietrza

W układach pneumatycznych występuje otwarty obieg czynnika roboczego. Powietrze pobierane z atmosfery po wykonaniu cyklu roboczego upuszczane jest z powrotem do atmosfery.

W celu zapewnienia poprawnej pracy urządzeń pneumatycznych powietrze w układach pneumatycznych musi spełniać następujące warunki:

1) musi mieć odpowiednie ciśnienie – najczęściej stosowane jest ciśnienie 6,3 bar (ale możliwe jest stosowanie powietrza o innych wartościach ciśnienia),
2) nie może zawierać zanieczyszczeń stałych (pył, rdza) oraz płynnych (woda, zanieczyszczony olej pochodzący ze sprężarki),
3) musi mieć odpowiednią wilgotność (osuszone),
4) musi być nasycone mgłą olejową z wyjątkiem układów, w których zastosowano siłowniki niewymagające smarowania.

W celu przygotowania sprężonego powietrza wykorzystywanego przez układy pneumatyczne stosowane są specjalne instalacje – schemat ideowy takiej instalacji pokazany jest na rys 5.21. Powietrze zasysane z atmosfery ulega kolejno sprężaniu do wartości charakterystycznej dla danej sprężarki. Ze sprężonego powietrze po przejściu przez chłodnicę usuwany jest kondensat wodny, resztki oleju, zanieczyszczenia mechaniczne oraz następuje schłodzenie powietrza. Następnie powietrze wpływa do zbiornika, w którym dodatkowe zostaje ochłodzone i ponownie usunięty zostaje nagromadzony kondensat. Zbiornik zabezpiecza utrzymanie stałego ciśnienia.

Rys. 5.21. Schemat ideowy instalacji przygotowania sprężonego powietrza
[opracowanie własne]

Sprężarki tłokowe

Jedna z najbardziej rozpowszechnionych grup sprężarek stosowanych do wytwarzania sprężonego powietrza w przemysłowych instalacjach. Sprężarki tłokowe służą do uzyskiwania ciśnień wyjściowych w zakresie od 0,1 MPa (1 bar) do kilkunastu MPa (kilkadziesiąt bar). Elementem ruchowym sprężarek jest napędzany tłok 4 wykonujący ruchy posuwisto-zwrotne, zasysający powietrze atmosferyczne kanałem 1, sprężający je w komorze sprężania 2, a następnie przesyłający do kanału tłoczenia 3. Schemat konstrukcji sprężarki tłokowej przedstawia rysunek 5.22a.

Rys. 5.22. Rodzaje sprężarek: a) tłokowa, b) membranowa, c) śrubowa, d) Rootsa, e) łopatkowa.
[http://www.hafner.pl/podstawy-pneumatyki/wytwarzanie-sprezonego-powietrza]

Sprężarki wyporowo-membranowe

Sprężarki membranowe zwane również przeponowymi posiadają tłok 1 poruszający membraną sprężające powietrze w komorze sprężania 3. Jest on oddzielony od komory sprężania. Brak jest kontaktu bezpośredniego ze sprężanym powietrzem, w związku z czym nie jest ono zanieczyszczane olejem stosowanym do smarowania tłoka. Takie sprężarki znajdują zastosowanie tam gdzie wymagane jest powietrze o bardzo wysokiej czystości (przemysł farmaceutyczny, lakierniczy, spożywczy, chemiczny itp.). Budowę sprężarki membranowej ilustruje rysunek 5.22b. 

Sprężarki śrubowe są to urządzenia do wytwarzania sprężonego powietrza o dwóch obracających się wałach 2. Wały 2 mają profil śruby i są asymetryczne względem siebie. Zasada działania oparta jest o powstawanie wewnętrznych komór roboczych, gdzie następuję sprężanie powietrza pomiędzy dwoma wirnikami o kształcie śruby. Powietrze w tych komorach przemieszcza się od kanału ssania 1 do kanału wylotowego 3 (rys. 5.22c).

Sprężarki Roots’a – z dwoma współpracującymi profilowymi wirnikami. Rodzaj sprężarki, w której rolę elementów ruchowych spełniają dwa napędzane wirniki profilowe 2. Cechą charakterystyczną tego typu sprężarek jest to, że powietrze przemieszcza się od wlotu 1 do wylotu 3 bez zmiany objętości. Przestrzeń robocza ma kształt współpracujących ze sobą wirników o kształcie krzywek, a przestrzeń od strony wlotu zwiększa się umożliwiając zasysanie powietrza. Od strony tłoczenia zmniejsza swoją objętość sprężając powietrze. Budowa sprężarki Roots’a przedstawia rys. 5.22d.

Sprężarki wyporowe łopatkowe. Sprężarka, w której zwiększenie ciśnienia powietrza odbywa się w zmniejszających się komorach utworzonych jako przestrzeń po między suwliwie zamontowanymi na wirniku 2 łopatkami 3, a obudową sprężarki. Oś wirnika z zamontowanymi łopatkami jest przesunięta mimośrodowo względem osi korpusu. Podczas ruchu wirnika siła odśrodkowa dociska łopatki do ścianek korpusu uszczelniając komory robocze, które wraz z obrotem zmniejszają swoją objętość sprężając powietrze po stronie tłoczenia 4. Zwiększająca się objętość robocza od strony ssania
1 pozwala na zasysanie powietrza (rys.5. 22e). 

Zespół przygotowania powietrza

Rys. 5. 23. Widok zespołu przygotowania powietrza.
[http://www.motointegrator.pl/produkty/183567-zespol-przygotowania-powietrza-profitool-14]

Powietrze sprężone przekazywane do układów pneumatycznych jest ostatecznie przygotowane w zespołach przygotowania powietrza. Przygotowanie powietrza polega na: 

• ostatecznym oczyszczeniu z zanieczyszczeń mechanicznych, wilgoci i pozostałości oleju,
• zadaniu odpowiedniej wartości ciśnienia powietrza,
• nasyceniu mgłą olejową („nasmarowaniu” powietrza) – jeżeli jest taka potrzeba; nowe generacje elementów układów pneumatyki nie wymagają powietrza nasyconego mgłą olejową.

W skład zespołu przygotowania powietrza wchodzą: filtr, którego zadaniem jest usuwanie zanieczyszczeń stałych, zawór redukcyjny z manometrem do ustawiania odpowiedniej wartości sprężonego powietrza oraz smarownica do nasycenia mgłą olejową. Przykładową konstrukcję filtra pokazano na rys. 5.24. Sprężone powietrze wpływając kanałem 7 i uderzając o ściankę korpusu 1, zmienia kierunek przepływu. Następnie, natrafiając na kierownicę 2, jest wprawiany w ruch wirowy. W wyniku działania siły odśrodkowej większe zanieczyszczenia stałe i płynne osiadają na ściankach filtra, a następnie spływają do zbiornika 5. Dokładne oczyszczanie następuje podczas przepływu powietrza przez wkład filtrujący. Osłona zapobiega ponownemu dostaniu się wcześniej oddzielonych większych zanieczyszczeń do przepływającego powietrza.

Rys. 5. 24. Schemat budowy filtra sprężonego powietrza: 1. korpus, 2. kierownica, 3. wkładka filtrująca, 4. osłona, 5. zbiornik, 6. zawór spustowy zanieczyszczeń, 7. otwór wlotowy
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Smarownica powietrza

Sprężone powietrze przepływa od kanału 1 do kanału 2. Na zwężce zaworu 5 następuje spadek ciśnienia powietrza. W kanale 8 i przestrzeni 7 powstaje podciśnienie i zassanie oleju poprzez kanał 6 i rurkę 4, a następnie rozpylenie skapujących kropli oleju w strumieniu przepływającego powietrza.

Rys. 5.25. Schemat konstrukcji smarownicy sprężonego powietrza: 1. kanał wlotowy, 2. kanał wylotowy, 3. zawór zwrotny, 4. rurka, 5. zawór, 6. kanał doprowadzający olej, 7. komora kroplenia oleju, 8. kanał kroplenia
[http://tbystrowski.notatki.oen.agh.edu.pl/page/index.php?id=pne&pne=pwyk4#3.1.1]

Układy sterowania pneumatycznego i elektropneumatycznego

Elementy i urządzenia układów napędowych można przedstawić na rysunkach w mniej lub bardziej uproszczony sposób lub za pomocą umownych symboli. Symbole te, zawarte w Polskiej Normie PN-ISO 1219-1 – w sposób bardzo uproszczony oddają istotę konstrukcji i sposoby działania przedstawionych elementów.

Rys. 5.26. Wybrane symbole stosowane na schematach układów pneumatycznych
[http://www2.simr.pw.edu.pl/imrc/polski/Cwiczenie_HP4-instrukcja.pdf]

Symbole wszystkich elementów tworzących układ pneumatyczny rysowane są na schematach zgodnie z zasadą przedstawiona na rysunku 5.27.

Rys. 5. 27. Rozmieszczenie symboli elementów pneumatycznych na schematach układów pneumatycznych
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

Strukturę funkcjonalną elektropneumatycznego układu przedstawiono na rys. 5.28.

Ze względu na funkcję w układzie, elementy można podzielić na następujące:
1) elementy wykonawcze – zamiana energii sprężonego powietrza na energię mechaniczną,
2) elementy sterujące – sterowanie przepływem powietrza do elementów wykonawczych,
3) elementy sygnalizacyjne – podawanie informacji o aktualnym stanie sygnałów w określonych miejscach układu,
4) elementy przetwarzania informacji – realizacja zależności logicznych pomiędzy sygnałami w celu zapewnienia odpowiedniego sposobu pracy elementów wykonawczych,
5) elementy wejściowe – dostarczanie informacji o stanie elementów wykonawczych układu, wprowadzanie do układu informacji typu START, STOP oraz informacji o stanie urządzeń współpracujących,
6) elementy przygotowania powietrza – usunięcie ze sprężonego powietrza zanieczyszczeń, nasycenie powietrza mgłą olejową, redukcja wartości ciśnienia do odpowiedniego poziomu,
7) elementy zasilania elektrycznego – dostarczenie energii elektrycznej do układu sterującego.

Rys. 5.28. Struktura funkcjonalna układu elektropneumatycznego
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. Napęd i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999]

W układach elektropneumatycznych można wyodrębnić część pneumatyczną (elementy wykonawcze) oraz część elektryczną (elementy wejściowe, przetwarzania informacji, sygnalizacyjne i sterujące). Do sterowania elementów wykonawczych stosuje się układy sterowania przekaźnikowo-stycznikowego (patrz moduł IV „Układy sterowania przekaźnikowo-stycznikowego”). Najczęściej układ sterowania układu elektropneumatycznego zasilany jest prądem stałym o napięciu 24 V, 48 V lub prądem zmiennym 230 V. Poniżej podano wybrane symbole elementów elektrycznych stosowanych w układach elektropneumatycznych.
 

Rys. 5.29. Wybrane symbole elementów elektrycznych stosowane na schematach układów elektropneumatycznych [opracowanie własne]

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.