Ljiljana Božić

Uvod u pneumatiku Procesi u pneumatici

2

Karakteristike pneumatskih sistema Elementi Dobijanje i priprema vazduha Kompresori i motori Ventili

3

Karakteristike pneumatskog sistema

KompresorRezervoar vazduha

Pneumatski sistem

Mehanički rad

Pogonski motor

Priprema vazduha

Pretvaranje mehaničke energije u energiju pritiska vazduha

Pretvaranje energije pritisnutog vazduha u mehaničku energiju

Elementi pneumatskog sistema• Elementi za proizvodnju i razvod vazduha – osiguravaju

potrebne količine vazduha pod pritiskom(kompresor, rezervoar, razvod)

• Elementi za pripremu vazduha – obavljaju pripremu vazduha što uključuje čišćenje, podmazivanje i regulaciju pritiska (filter, zauljivač i regulator pritiska)

• Upravljački elementi – upravljaju tokovima energije i informacija (ventili)

• Izvršni elementi – snagu vazduha pretvaraju u mehanički rad (cilindri i motori)

• Upravljačko-signalni elementi – dobavljaju informacije o stanju sistema (senzori, indikatori)

• Pomoćni elementi – ispunjavaju različite dodatne funkcije (priključne ploče, prigušivači buke)

Prednosti pneumatskog sistema

• Sirovina (okolni vazduh) je uvek i slobodno na raspolaganju• Vazduh se može skladištiti i transportovati u rezervoarima• Vazduh je neosjetljiv na promenu temperature, radijaciju,

magnetska i el. polja• Sigurnost, jer vazduh nije eksplozivan niti zapaljiv• Ne zagađuje okolinu• Nema povratnih vodova (ispuštanje u atmosferu)• Neosetljivost elemenata na preopterećenje i vibracije• Trajnost i robusnost pouzdanih elemenata• Jednostavna ugradnja elemenata• Jednostavno održavanje uređaja• Lako se postiže visoka brzina kretanja elemenata• Visok stepen snage i mase elemenata

Karakteristike pneumatskih sistema

• Pritisak vazduha za napajanje je od 1-15 bara (uobičajeno 7 bara)

• Pogonske temperature vazduha od -10 do 600C (maks. oko 2000C)

• Optimalna brzina strujanja vazduha - 40 m/s

• Pomeranje elemenata – pravolinijsko i rotaciono

• Brzina cilindra – 1 do 2 m/s (maks oko 10 m/s)

• Maksimalna ostvariva sila oko 40 kN

• Maksimalna snaga oko 30 kW

Simboli i šeme

• Pneumatski sklopovi i sistemi i grafički se predočuju pomoću pneumatskih šema, koje se crtaju prema normi DIN/ISO 1219.• Neka pravila za crtanje simbola i šema:

vod (cev za vazduh) mimoilaženje vodova

spoj vodova upravljački vod

rotaciona mašina vratilo, osovina

ventil, izmjenjivač zglob na poluzi

mogućnost podešavanja

sklop od više elemenata

• Detalji vezani za simbol razvodnika (npr. razvodnik 3/2 )

1

2

3

Priključci i razvod

- napajanje (vazduh)

- odzračivanje (atmosfera)

- otvoren prolaz s naznačenim smerom strujanja

- zatvoren prolaz

Način aktiviranja razvodnika

- fizički, npr. simbol dugmeta

- mehanički, simbol opruga

- pritiskom

- Električki, simbol elektromagneta

Dobijanje i priprema vazduha

Skica napajanja razvodne mreže

• Grupa za pripremu zraka sadrži filtar, regulacijski ventil i eventualno zauljivac.• Glavni vod se postavlja s padom 1-2% radi oticanja

kondenzovane vode.

Kompresori i motori

• U kompresorima se vrši pretvaranje mehaničke energije u energiju vazduha, a u pneumatskim motorima transformacija energije se vrši u suprotnom smeru.• Kompresori i motori principijelno se ne razlikuju bitno, a konstrukcijski

samo u detaljima. Često isti stroj može raditi kao kompresor i kao motor.• Osnovna podela kompresora je na zapreminske kompresore i

turbokompresore, a u pneumatici se uglavnom koriste zapreminski kompresori.• Princip zapreminskih kompresora bazira se na radnoj komori

promenljive zapremine, kod kojeg se smanjivanjem zapremine komore smanjuje i zapremina vazduha, što uzrokuje odgovarajući porast pritiska vazduha

Podela zapreminskih kompresora

• Klipni kompresori- mehanizam – koljeničasti/radijalni/aksijalni/kulisni- jednoradni/dvoradni- jednostupanjski/višestupanjski- vertikalni/horizontalni- mobilni/stacionarni

• Rotacijski kompresori- krilni- vijčani- zupčasti

• Membranski kompresori

Klipni kompresori

Primer: kolenasti mehanizam, jednoradni, jednostepeni, vertikalni• Cilindar se puni kroz usisni ventil (faza usisavanja), dok se pri

kretanju u suprotnom smeru vazduh sabija kroz ventil (faza sabijanja).

1 – cilindar2 – klip3 – usisni ventil4 – ventil5 – poluga6 – kolenasto vratilo

Rotacijski krilni kompresori

1 – stator2 – ekscentrično postavljen rotor3 – krilo (lamela)4 – opruga

• Vazduh zarobljen u zapremini između krila, statora i rotora sabija se smanjenjem te zapremine prilikom rotacije rotora postavljenog ekscentrično u odnosu na osu statora.

Vijčani kompresori

1 – stator2 – rotor (vijak)

• Nešto su skuplji i imaju lošiji stepen korisnog dejstva, ali im je duži vik trajanja i manji troškovi održavanja. Radni mehanizam je spregnuti vijčani par koji se okreće u suprotnim smerovima. Vazduh se kontinuirano usisava na jednoj strani vijka i sabijai na suprotnoj strani.

Zupčasti kompresori

1 – stator2 – rotor (zupčanik s dva

zuba)

• Imaju sličan princip rada kao i vijčani kompresori. Radni mehanizam je jedan par zupčanika koji se okreću u suprotnim smerovima. Na strani na kojoj zubi izlaze iz zahvata otvara se i puni nova usisna komora, a na suprotnoj strani komora se smanjuje i sabija vazduh.

Sušenje i hlađenje

U pneumatskim upravljačkim i izvršnim elementima ne smije se dopustiti kondenzacija vlage iz vazduha. Zato se suvišna vlaga izdvaja postupcima sušenja/hlađenja na izlazu iz kompresora. Postupci sušenja/hlađenja su:

• Hemijski – vazduh se provodi kroz sloj higroskopne materije(npr. magnezijev perklorat, litijev klorid,...). Vlaga se zadržava u tom sloju, a hemikalija se pomalo troši pa se mora nadoknađivati.

• Fizikalni – zrak se provodi kroz usitnjen silicijev dioksid (silikagel) ili aluminijev oksid, koji se zasićuju vodom.

• Termički – zrak se hladi na temperaturu +1.50C.

Simbol sušila Simbol hladnjaka

Priprema vazduha

Prije ulaska u pneumatske uređaje sabijeni vazduh je potrebno pripremiti, tj. izvršiti:

• Pročišćavanje pomoću filtra pomoću kojeg se eliminiraju nečistoće (voda, kompresorsko ulje, prašina, ...)

• Zauljivanje vazduha pomoću mazalica koje ulje raspršuju u finu maglu u struji zraka. Za ubrizgavanje ulja koristi se princip ejektora.

• Regulaciju tlaka pomoću regulatora tlaka

Simbol jedinice za pripremu zraka

filtar regulator tlaka mazalica

Regulator pritiska

Regulator pritiska osigurava stabilan željeni (podešeni) radni pritisak. S jedne strane on neutralizira oscilacije pritiska zbog promjenljive potrošnje zraka, a s druge strane u njemu se pritisak iz glavnog voda (obično od 8-10 bara) reducira na potrebnu vriednost radnog pritiska(5-6) bara.

Skica regulatora pritiska Princip radaPritoisak na izlazu regulatora podešava se vijkom (3) kojim se mienja sila u opruzi (2). Pod delovanjem opruge otvara se ventil (6) i propušta vazduh prema izlazu regulatora, povećavajući izlazni pritisak. Kada izlazni pritisak poraste on deluje na membranu (1) tako da se ventil zatvara i smanjuje protok, čime se smanjuje izlazni pritisak. Kod velikog porasta pritiska membrana uvjetuje potpuno zatvaranje ventila, a otvara se prolaz zraka (7) kroz membranu. Kao rezultat ostvaruje se konstantna razina pritiska na izlazu iz regulatora.

Izvršni elementi

Izvršni elementi pretvaraju energiju sabijenog vazduha u mehanički rad.

Prema načinu kretanja mogu se podeliti na:

• elementi s ograničenim kretanjem- translacijski (cilindri)- rotacijski (zakretni cilindri, koračni motori)

• pneumatski motori (rotacijski s kontinuiranim kretanjem)

20

Cilindri

Prema načinu delovanja cilindri se dele na:• jednoradni• dvoradni• posebne izvedbe (tandem, teleskopski, višepoložajni, udarni)

Prema izvedbi cilindri se dele na:• klipni• membranski

Brzina klipa obično je od 1-2 m/s (maksimalno do 10 m/s); hod je obično do 2,5 m (maksimalno do 12 m); promjer cilindra do 50 cm, sila do 30 kN, faktor korisnog djelovanja η=70-90%.

21

Jednoradni cilindri

Jednoradni cilindri vrše koristan rad samo u jednom smeru, a povratno kretanje najčešće se ostvaruje oprugom ili težinom tereta. Koriste se za razna pritezanja, izbacivanja, dodavanja, pomicanja itd. kada nije bitna brzina povratnog kretanja klipa.Za upravljanje jednoradnim cilindrom koriste se razvodnici 3/2 (3 priključka/2 položaja).

Shema upravljanja i simbol

Sila na klipnjaču je:

gdje su:p – tlak napajanja (radni tlak)S1 – površina čela klipaS2 – površina klipa na strani oprugep2 – tlak u prostoru s oprugomFt – sila trenjaF0 – sila opruge

F pS p S F F pS Ft 1 2 2 0 1 0

22

Membranski cilindri

U odnosu na klipne, membranski cilindri omogućavaju veće sile uz kraće hodove i niže frekvencije rada. Postoje dva izvodjenja membrane: tanjirasta i putujuća. Pretežno se koriste jednoradni membranski cilindri s tanjirastom membranom. Takav cilindar izvodi se za sile do 400 kN (tandem izvedba) uz hod od maksimalno 80 mm.

1 – cilindar2 – membrana3 – šipka4 - opruga

23

Dvoradni cilindri

Dvoradni cilindri vrše koristan rad u oba smera, a priključci za vazduh nalaze se na obe strane klipa. Za pokretanje klipa vazduh se dovodi u komoru s jedne strane klipa, a istovremeno se komora s druge strane mora ozračiti.Za upravljanje dvoradnim cilindrom koriste se razvodnici 4/2 ili 5/2. Površina stražnje strane klipa veća je od površine prednje strane klipa za iznos površine preseka klipnjače. Zato je, uz isti radni pritisak , sila klipa veća pri kretanju udesno.

Shema upravljanja i simbol: a) razvodnik 4/2 b) razvodnik 5/2

24

Posebna izvodjenja cilindaraDvoradni cilindar s

dvostranom klipnjačomTandem cilindar

Dva cilindra i dva klipa koriste istu klipnjaču, pa se uz isti hod povećava sila.Na prednjoj i zadnjoj strani

jednake su površine i sile, pa je jednaka i brzina kretanja klipa.

Teleskopski cilindarTeleskopski cilindri se koriste kad je potreban dugi hod klipnjače. Oni se sastoje od više cilindara koji su smješteni jedan unutar drugoga. Prvo se izvlači cilindar s najvećim presjekom jer na njega djeluje najveća sila (F=p·S), a nakon njega i ostali cilindri s manjim presjecima.

25

Pneumatski motori

Pneumatski motori su rotacijski izvršni elementi kojima se ostvaruje kontinuirano kružno gibanje vratila. Konstrukcijski su slični kompresorima, ali se u njima vrši suprotna pretvaranje energije, tj. pretvorba energije vazduha u mehanički rad.

Pneumatski motori mogu biti:• klipni - aksijalni - radijalni• lamelni• zupčasti• vijčani• koračni

26

Pneumatski ventili

Pneumatski ventili služe za usmeravanje i regulaciju vazduha, a moguće funkcije su: propuštanje, zaustavljanje, promena smera, regulaciju protoka i pritiska. Ventili mogu biti: razvodnici, nepovratni ventili, venitili za pritisak, protočni ventili, kombinirani ventili, cevni zatvarači.U pneumatskim shemama koriste se simboli ventila koji prikazuju njihovu funkciju. Broj kvadrata odgovara broju mogućih razvodnih položaja (a), strelice prikazuju razvodne putove i smer protoka medija (b). Zatvoren put označava se poprečnom crtom unutar polja. Dovodni i odvodni priključci ucrtavaju se na polju mirnog položaja kojeg ventil zauzima kad na njega ne deluje upravljački signal ili na polju polaznog položaja ako ventil nema nultog položaja (c). Način aktiviranja označava se sa strane (d) – u ovom slučaju oprugom i kombinirano: elektromagnetom i ručno.

27

Pneumatski ventili

Priključci ventila označavaju se brojevima, i to:

– radni priključci: 2, 4, 6...(A, B, C...)– napajanje 1 (P)– odzračivanje 3, 5 (R, S, T)– priključak na upravljačke vodove 12, 14 (X, Y, Z)

28

Razvodnici

Razvodnici se razlikuju po sledećim karakteristikama: tip, veličina, način aktiviranja, dužina trajanja upravljačkog signala, konstrukcija.

Tip razvodnika određen je brojem priključaka i razvodnih položaja. Npr. 3/2 razvodnik ima 3 priključka i dva razvodna položaja.

Veličina razvodnika definirana je veličinom priključnih cijevi (npr. 1/4“).

Aktiviranje može biti: fizičko, mehaničko, pritiskom, električko i kombinirano.

Dužina trajanja upravljačkog signala može biti trenutna (bistabil) ili trajna.

Prema konstrukciji razvodnici se dijele na:• razvodnike sa sjedištem - ravni (tanjurasti), konusni, kuglasti• razvodnike s kliznim prekrivanjem – klipni, pločasti, kulisni

29

Način aktiviranja razvodnika

30

3/2 razvodnik s polukuglastim sedištem

Pre aktiviranja Nakon aktiviranja

31

Otvaranje / zatvaranje ventila sa sedištem vrši se pomoću pladnja (oblik tanjira, ploče ili kugle) koji može otkriti / prekriti i pritiskanjem zatvoriti otvor koji senaziva sedište. Sedište je najčešće obloženo gumenom bravom. Potreban je relativnomali pomak pladnja za otvaranje znatne protočne površine. Sila ovakvog aktiviranja jerelativno velika, a vreme kratko.

Klipni razvodnici

Prednosti razvodnika s klipom su manja sila aktiviranja i jednostavnije funkcioniranje. Mane su mu veća dužina hoda, manja frekvencija prebacivanja i poteškoće s zatvaranjem. Izrađuju se kao 3/2 i 5/2 razvodnici.

Na slici je prikazan nulti položaj 5/2 razvodnika. Ako se klip pomakne u lijevo sabijeni vazduh izlazi kroz priključak 4, a iz sistema se vraća kroz priključak 2, te se odzračuje preko priključka 3 (desna strana simbola). U suprotnom, ako se klip pomakne u desno,sabijeni vazduh izlazi kroz priključak 2, a vraća se kroz priključak 4 i odzračuje kroz priključak 5 (leva strana simbola).

2 4

13 5

32

Nepovratni ventili

Nepovratni ventili ne dopuštaju protok u jednom smeru, a propuštaju u suprotnom smeru (kao dioda). Dele se na: nepovratne, uslovno nepovratne (logički I), naizmjenično nepovratne (logički ILI).

Nepovratni ventil s mogućnošću mehaničkog otvaranja

1

2

12

33

Uslovno nepovratni ventil (I–ventil)

Uslovno nepovratni ventil ostvaruje logičku I-funkciju. Ventil se zatvara ako pritisak deluje na bilo kojem ulaznom priključku ali se ne može zatvoriti ako deluje na oba. Ovaj se ventil koristi npr. na presama tako da se pomoću dva tastera upravlja s dve ruke, te se na taj način izbegavaju ozlede ruku.

12 14 2

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Funkcija I

34

Funkcija I, ulazi: 12, 14, izlaz: 2

Primjena I-funkcije za upravljanje cilindrom pomoću a) I-ventila, b) serijskog spoja 3/2 razvodnika

35

Primjer 1 – uvlačenje i izvlačenje dvoradnog cilindra

Dijagram put-korak

Klipnjača dvoradnog cilindra treba nakon signala za start doći u krajnji položaj, pa se zatim automatski vratiti u početni položaj. Vraćanje u polazni položaj izvodi se pomoću graničnog prekidača koji se aktivira u krajnjem desnom položaju klipnjače. Brzinu klipa treba usporiti prigušivanjem.Dugmetom na razvodniku 1.2 dovodi se sabijeni vazduh na upravljački priključak 12 razvodnika 1.1. Na taj način razvodnik 1.1 prelazi u levi položaj koji omogućuje da sabijeni vazduh ulazi u levu komoru klipa i tera klipnjaču u desno. Kada klipnjača dođe u krajnji desni položaj, udara u ticalo koje upravlja razvodnikom 1.3. U tom trenutku dovodi se sabijeni vazduh na upravljački priključak 14 razvodnika 1.1, što uzrokuje da on prelazi u desni položaj, tj. Pritisnuti vazduh ulazi u levu komoru klipa i klipnjaču tera natrag u levu stranu.

36

Primjer 1 – uvlačenje i izvlačenje dvoradnog cilindra

Element 1.01 na slici je:

Jednosmerno prigušni ventil

predstavlja paralelni spoj prigušnice i nepovratnog ventila. U jednom smeru protok ide kroz prigušnicu, dok se u suprotnom smjeru otvara nepovratni ventil, pa protok najvećim delom prolazi kroz njega uz minimalni otpor.Prigušno-nepovratni ventili često se koriste za smanjenje brzine cilindra.

37

Primjer 2 – presa za zakivanje

Dijagram put-vrijeme

Presa ima dva pneumatska cilindra od kojih jedan priteže radni komad, a drugi cilindar izvršava zakivanje. Radni ciklus je prikazan dijagramom put-vrijeme.Na dijagramu “0” označava uvučenu, a “1” izvučenu klipnjaču. Gornji graf odnosi se na na cilindar oznake 1.0 koji priteže radni komad, a donji graf na cilindar oznake 2.0 koji zakiva. Oznake razvodnika koji daju naredbu za pomak cilindra upisuju se na mesto na dijagramu na kojem se aktiviraju. Kružna strelica označava da cilindar preko razvodnika deluje na samog sebe. Posebno se označava signal za start (S). Kretanje klipa normalnom brzinom označava se pravcem pod kutom od 450, ubrzano kretanje (brzoispusni ventil) pravcem pod kutom od 600, a usporeno kretnje (prigušno-nepovratni ventil) pravcem pod kutom od 300.

38

Primjer 2 – pneumatska shema upravljanjaNakon signala START na razvodniku 1.2 klipnjača cilindra 1.0 izvlači se u krajnji položaj i aktivira razvodnik 2.2 (korak 1). Tada se izvlači klipnjača cilindra 2.0, aktivirajući razvodnik 2.3 (korak 2). Taj razvodnik preko razvodnika 2.1 vraća cilindar 2.0 u početni položaj, čime se aktivira razvodnik 1.3 (korak 3). Time se i cilindar 1.0 vraća u početni položaj (korak 4), čime je radni ciklus završen. Ciklus zakivanja novog komada započinje ponavljanjem signala START.

04.11.2010.

39

Predavanje 10 - EAP

Primjer 2 – pneumatska shema upravljanja

Element 2.01 na prethodnom slajdu je

Brzoispusni ventil

Brzoispusni ventili koriste se za ubrzanje pražnjenja cilindra, čime sepovećava brzina kretanja klipa. Cilindar se ne prazni preko upravljačkog razvodnika, nego prekobrzoispusnog ventila. Brzoispusni ventil ima relativno veliki protočni presek i predstavlja manji otpor strujanju medija koji izlazi iz cilindra nego razvodnik.Također, u slučaju pražnjenja cilindra kroz razvodnik, na razvodniku se javlja bukazbog prigušivanja zraka. Prilikom punjenja cilindra zaporni element brzoispusnogventila (Slika) zatvara priključak 3 i svojim deformiranjem omogućava prolaz od 1(razvodnik) prema 2 (cilindar). Prilikom pražnjenja zaporni element zatvarapriključak 1 (onemogućava odzračivanje cilindra preko razvodnika), uz istovremenootvaranje prolaza od 2 (cilindar) prema 3 (odzračni otvor).

04.11.2010.

40

Predavanje 10 - EAP