-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 1
SISTEME DE ACIONARE PNEUMATICE 4.1. Introducere
Sistemele de acionare pneumatice sunt preferate ntr-un numr mare
de aplicaii industriale, din cele mai diverse sectoare, datorit
unor caliti incontestabile cum sunt: robusteea, simplitatea
constructiv, productivitatea, fiabilitatea ridicat i nu n ultimul
rnd preul de cost mai sczut. n general, asemenea sisteme sunt
folosite atunci cnd: trebuie controlate fore i momente de valori
medii; viteza de deplasare a sarcinii nu trebuie s respecte cu
strictee o anumit lege; poziionarea sarcinii nu trebuie fcut cu
precizie ridicat; condiiile de funcionare sunt severe (exist
pericol de explozie, incendiu, umiditate etc);
trebuie respectate cu strictee o serie de norme igienico -
sanitare (n industria alimentar, farmaceutic, tehnic dentar).
Figura 4.1 pune n eviden locul sistemelor de acionare
pneumatice n raport cu celelalte tipuri de sisteme de acionare
prin prisma forei controlate i a preului de cost. Trebuie subliniat
faptul c n timp ce n unele domenii sistemele pneumatice de acionare
intr n competiie cu celelalte sisteme (electrice, hidraulice,
mecanice), n anumite aplicaii ele se utilizeaz aproape n
exclusivitate, fiind de nenlocuit.
LEGENDA:
SP - sisteme pneumatice
SE - sisteme electrice
SH - sisteme hidraulice
SM - sisteme mecanice
Fig.4.1
4.2. Structura unui sistem pneumatic de acionare n figura 4.2
este prezentat, spre exemplificare, un sistem de acionare
pneumatic. Acest
sistem, un sistem simplu, are n componena sa urmtoarele
echipamente: motorul pneumatic MP, care transform energia pneumatic
de intrare n lucru mecanic
util;
elementele de reglare i control ERC, care ndeplinesc urmtoarele
funcii: - dirijeaz fluidul sub presiune, controlnd astfel sensul de
micare al sarcinii antrenate de ctre motor i oprirea acesteia
(distribuitorul pneumatic DP); - regleaz debitul la valoarea cerut
de motor i prin aceasta viteza de micare a sarcinii (droselele de
cale D1 i DC2); - regleaz presiunea n sistem, n coresponden cu
sarcina antrenat;
generatorul de energie GE, care genereaz energia pneumatic
necesar sistemului; n practic pot fi ntlnite dou situaii: - cnd se
dispune de o reea de aer comprimat, caz n care energia necesar este
preluat de la aceast reea prin simpla cuplare a sistemului la unul
din posturile de lucru ale reelei; - cnd nu se dispune de reea de
aer comprimat, situaie n care trebuie apelat la un compresor, ca n
exemplul din figura 4.2;
n practic exist o mare diversitate de sisteme de acionare
pneumatice. Totui se poate vorbi de o structur comun (fig.4.3) care
pe lng echipamentele deja prezentate mai poate conine:
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 2
unitatea de comand UC; la acest nivel se poate opta pentru un
numr limitat de soluii, bazate pe:
dispozitive electronice
- relee electromagnetice
- elemente logice pneumatice.
Fig.4.2
Dispozitivele electronice sunt cele care au cea mai larg
utilizare. n aceast categorie sunt incluse att circuitele
electronice, ct i unitile programabile. Foarte rspndite astzi sunt
PLC - urile ("control logic programabil"), dar se constat o tendin
de utilizare tot mai mult a calculatoarelor personale pentru
control. Releele electromagnetice reprezint un mijloc tradiional
pentru construcia circuitului cablat de control, chiar dac funcia
lor actual se limiteaz la sisteme de acionare relativ simple i la
operaii de siguran, care de preferin nu se ncredineaz programelor
software.
Elementele logice pneumatice se folosesc n sistemele de mici
dimensiuni, cnd se
dorete obinerea unor sisteme pur pneumatice din motive de ambian
(pericol de explozie, de incendiu, umiditate etc.) sau din motive
de pre de cost.
elementele de interfa I au rolul de a transforma semnalele de
putere joas, de natur electric sau pneumatic, furnizate de unitatea
central, n semnale de putere nalt, de regul de alt natur; exemplul
cel mai sugestiv l constituie electrovalva care transform semnalele
electrice primite de la unitatea de comand UC n semnale
pneumatice;
senzorii i limitatoarele de curs sunt de cele mai multe ori
electromecanice, dar pot fi i pneumatice; alegerea lor este legat
de tipul unitii de comand;
elementele de intrare pot fi electrice sau pneumatice, natura
lor fiind dependent tot de tipul unitii de comand.
O prim clasificare a sistemelor pneumatice de acionare se poate
face dup modul de operare a sistemului n:
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 3
- sisteme proporionale sau analogice - sisteme digitale.
Fig.4.3
Sistemele proporionale au specific faptul c mrimea de ieire este
determinat de nivelul semnalului de intrare (impropriu se spune c
aceast dependen este proporional). De exemplu, n cazul unui sistem
care controleaz fora, pentru o anumit valoare a mrimii de intrare,
presiunea din sistem are un anumit nivel, cruia i corespunde o
anumit for. Orice variaie a presiunii determin modificarea
forei.
Un asemenea sistem este sensibil la perturbaii externe. Aceste
perturbaii fac ca semnalul de comand s varieze accidental n jurul
unei valori medii, riscul constnd n interpretarea perturbaiei ca o
modificare a semnalului de comand, ceea ce va determina modificarea
mrimii de ieire din sistem. Mai sigure din acest punct de vedere
sunt sistemele digitale. ntr-un asemenea sistem conteaz numai
nivelele discrete ale semnalelor. De cele mai multe ori se lucreaz
cu dou nivele ale semnalului, prezena sau absena semnalului,
semnale "on - off', sau semnale "totul sau nimic". Din punct de
vedere al logicii algebrice existena semnalului este echivalent cu
"i", iar absena semnalului cu "0", Pentru o mai bun nelegere se
consider un distribuitor pneumatic clasic, comandat pneumatic
(fig.4.4). Se va urmri variaia semnalului de ieire(presiunii PA) n
funcie de mrimea de intrare - presiunea de comand pc.
Fig.4.4
Atunci cnd presiunea de comand pc este nul, presiunea la
orificiul de consumator A al distribuitorului, msurat cu manometrul
MA, este de asemenea nul (punctul O din fig.4.4); distribuitorul
materializeaz cmpul (0). Crescnd presiunea pc manometrul MA indic o
presiune nul pn cnd presiunea de comand reuete s nving fora
rezistent datorat arcului i frecrile interne; acest lucru se ntmpl
cnd presiunea de comand atinge valoarea pc1 (punctul B de pe
grafic). n acest moment distribuitorul comut, materializeaz poziia
(1), iar la orificiul de ieire A se msoar presiunea pa (punctul D
de pe grafic). Creterea ulterioar a presiunii de comand nu modific
presiunea de ieire. Reducnd acum presiunea de comand, presiunea de
la ieire rmne la valoarea pa pn ce presiunea de comand devine pa
(punctul E de pe grafic); se observ c datorit frecrilor
(fenomenului de histerezis) se depete punctul
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 4
D. n punctul E se realizeaz comutarea i presiunea de ieire
devine zero (se trece n punctul F). Reducerea n continuare a
presiunii de comand face s se parcurg traseul de la F la O fr a se
modifica presiunea PA. Diagrama din figura 4.4 b pune n eviden dou
presiuni diferite de comutare pc1 i pC2, datorit existenei
fenomenului de histerezis.
n concluzie, oricare ar fi presiunea de comand Pc > Pcl la
orificiul de ieire al distribuitorului exist presiune, deci
semnalul de ieire este "1", n timp ce oricare ar fi presiunea de
comand Pc < Pc2 la orificiul de ieire presiunea este zero, deci
semnalul de ieire este "0". ntre valorile pc1 i pC2 semnalul de
ieire depinde de modul n care este parcurs ciclul. n ceea ce
privete presiunea de comand se consider pc = 1 dac Pc > Pc1 i pc
= 0 dac Pc < Pc2. n intervalul [Pc2, Pc1] presiunea de comand nu
este definit.
Echipamentele pneumatice dintr-un sistem pneumatic de acionare
pot funciona la presiuni de lucru diferite. Cele ce sunt conectate
direct cu motorul (distribuitoarele, supapele de
sens, droselele, supapele de presiune) uzual lucreaz la presiuni
de 8 ... 10 [bar]. Dac echipamentul are numai rolul de a genera
semnale logice, fr a interveni n fluxul principal de putere,
presiunea de lucru poate fi redus. Din aceast categorie fac parte
att elementele logice pneumatice, care pot s lucreze la presiuni de
3 ... 4 [bar], ct i elementele micropneumatice cu membran care
lucreaz la presiuni de 1,4 ... 2,5 [bar]. n sfrit, pentru funcii
speciale se poate apela la elementele logice fluidice care au
presiuni de lucru de 0,1 ... 1 [bar].
Echipamentele pneumatice se pot mpri n echipamente active i
echipamente pasive, dup modul de obinere a semnalului de ieire.
Sunt active acele echipamente la care semnalul de ieire provine
de la o surs de presiune constant. n acest caz semnalul de comand
are numai rolul de pilotare. Aceste echipamente pot avea la ieire
semnale mai mari dect cele de comand. Se realizeaz astfel o
regenerare a semnalului i chiar o amplificare a acestuia graie
energiei furnizate de sursa de presiune constant. Echipamentele
pasive au specific faptul c semnalele de ieire se obin direct
dintr-un semnal de intrare. Aceste echipamente nu necesit o legtur
suplimentar cu sursa de energie, dar semnalul de ieire nu numai c
nu este amplificat, dar are un nivel energetic mai sczut, datorit
pierderilor de presiune i debit care apar n urma curgerii prin
echipament.
4.3. Generatoare de energie pneumatic 4.3.1. Introducere
Aerul comprimat folosit ca agent purttor de energie i informaie
n sistemele pneumatice de acionare poate fi produs local, cu
ajutorul unui compresor, sau centralizat, ntr-o staie de
compresoare.
Ultima variant este cea mai utilizat. De altfel, producerea
aerului comprimat este unul dintre serviciile de baz (alturi de
alimentarea cu energie electric, ap, gaze naturale) de care dispune
un stabiliment modern.
Fig.4.5
n staia de compresoare aerul este aspirat din atmosfer i
comprimat cu ajutorul unor compresoare, i dup ce este tratat i
nmagazinat ntr-un rezervor tampon, este distribuit consumatorilor
prin intermediul unei reele de distribuie (fig.4.5). Generarea
energiei
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 5
pneumatice se face dup un ciclu deschis. Un asemenea ciclu
presupune aspirarea din atmosfer, comprimarea, tratarea, distribuia
la utilizatori i refularea n atmosfer. Fiind un ciclu deschis,
aerul care alimenteaz sistemul de acionare se remprospteaz
continuu, fiind supus de fiecare dat unui proces complex de
filtrare. Avantajul acestui tip de sistem (cu circuit deschis)
const n simplitatea sa (nu mai este necesar un circuit de ntoarcere
a mediului de lucru la staia de compresoare).
Fiabilitatea, durata de via i nu n ultimul rnd performanele unui
sistem pneumatic de acionare depind n cea mai mare msur de
calitatea agentului de lucru folosit.
Avnd n vedere faptul c aerul intr n contact cu elementele mobile
(sertare, plunjere, pistoane, supape etc.) sau fixe (corpuri, plci,
capace etc.) ale echipamentelor, confecionate din cele mai diverse
materiale (oel, aluminiu, bronz, alam, cauciuc, material plastic
etc.) i c nu de puine ori traverseaz seciuni de curgere, uneori de
dimensiuni foarte mici, calibrate, acestuia i se impun urmtoarele
cerine:
s fie ct mai curat posibil; un aer contaminat cu particule mai
mari sau egale cu jocurile funcionale existente ntre elementele
constructive mobile i cele fixe (de exemplu sertar - buc la un
distribuitor, piston - cma la un cilindru) poate duce la blocarea
(griparea) elementelor mobile, dar i la uzura lor prin abraziune i
la mbcsirea filtrelor din sistem; "fineea de filtrare" (cea mai
mare dimensiune de particul strin exprimat n m care se accept n
masa de fluid) este un parametru ce caracterizeaz din acest punct
de vedere aerul; firmele productoare de echipamente pneumatice de
automatizare garanteaz performanele acestora numai dac aerul
folosit are o anumit finee de filtrare; cu ct fineea de filtrare
este mai mic cu att cheltuielile de exploatare ale sistemului sunt
mai mari;
s asigure lubrifierea sistemului de acionare; deoarece aerul nu
are proprieti de lubrifiere, n acest scop se folosesc echipamente
speciale numite ungtoare, care pulverizeaz n masa de aer particule
fine de ulei; trebuie avut n vedere faptul c o ungere abundent (n
exces) poate conduce la "nclirea" elementelor constructive ale
echipamentelor, iar o ungere insuficient poate conduce la scoaterea
prematur din funcionare a sistemului respectiv;
s conin ct mai puin ap; n aer exist ap sub form de vapori, iar
prin condensarea acestora se obine ap care va coroda piesele din
oel; la temperaturi mai sczute poate s apar fenomenul de ngheare a
apei, care poate mpiedica funcionarea sistemului la parametri
normali;
s aib o temperatur apropiat de temperatura mediului ambiant
pentru a evita modificrile de stare care la rndul lor ar duce la
modificri ale parametrilor funcionali ai sistemului;
s intre n sistem avnd presiunea i debitul corespunztoare bunei
funcionri a sistemului; o presiune mai mare dect cea recomandat de
productor poate duce la avarii, iar o presiune mai mic nu asigur
fora sau momentul cerute de aplicaia respectiv; n ceea ce privete
debitul, abaterile acestuia influeneaz viteza de deplasare a
sarcinii antrenate de sistem.
Cerinele impuse aerului sunt diferite de la o aplicaie la alta.
O mprire pe grade de calitate conform ISO 8573-1 (tabelul 4.1) este
bine venit, fiind deosebit de util utilizatorilor unor sisteme de
acionare pneumatice. Corelarea gradelor de calitate cu aplicaia
(tabelul 4.2) trebuie fcut n cunotin de cauz.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 6
Tabelul 4.1 Impuriti solide Coninutul de ap Coninutul
Gradul de ulei rezidual
Mrimea Concentraia particulelor particulelor Punct de rou
[mg/m3] lumi [mg/m
3l RCI
1 0,1 0,1 -70 0,01
2 1 1 -40 0,1
3 5 5 -20 1
4 15 8 3 5
5 40 10 7 25
6 - - 10 - 7 - - - +
Tabelul 4.2 Aplicaia Gradul de Gradul Gradul de ulei
particule
solide
de ap
Aparate de msur 2 1 4
Sisteme de acionare 3 2 6 Vopsire 2 1 5
Industria alimentar 3 3 3 Fabrici 4 3 6
Scule pneumatice 3 3 6
Sisteme de control 4 2 5
4.3.2. Structura unei staii de compresoare n figura 4.6 este
prezentat schema de principiu a unei staii de compresoare. Aa cum
s-
a artat deja, la acest nivel se genereaz aerul comprimat i apoi
se prepar n vederea furnizrii lui prin reeaua de distribuie
diverilor consumatori. n structura luat n discuie se identific
urmtoarele echipamente:
- F1,Fn filtre ce au rolul de a reine impuritile din aer,
asigurnd astfel buna funcionare a compresoarelor i condiiile
refulrii unui aer curat;
- C1, Cn compresoare care au rolul de a genera energia
pneumatic; acestea sunt puse n micare de motoarele de antrenare
M1,Mn;
- R1, Rn robinete care permit conectarea sau deconectarea
compresoarelor n sistem;
- Su supap de sens unic care mpiedic curgerea aerului dinspre
sistem ctre compresoare atunci cnd acestea din urm sunt oprite (n
specia] n situaii de avarie);
- Sc schimbtor de cldur cu ap care realizeaz rcirea aerului
refulat de compresoare (n timpul comprimrii temperatura aerului
crete, la ieirea din compresor fiind n jur de 80 C); aici vaporii
de ap se condenseaz i se transform n picturi;
- SCf separator centrifugal, de tip ciclon n care se face o
reinere grosolan a apei i a eventualelor impuriti existente n masa
de aer;
- Rz rezervor tampon n care se acumuleaz energia pneumatic
furnizat de compresoare; datorit acestui rezervor problema
neuniformi taii debitului (problem foarte deranjant n cazul
pompelor) nu mai prezint importan;
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 7
Fig.4.6
- SSig supap de siguran ce are rolul de a limita valoarea maxim
a presiunii din rezervor;
- U ungtor; - FamU, i FavU filtre montate n amonte i n aval de
ungtorul U;
- Sp supap de reglare a presiunii, echipament ce regleaz
presiunea la ieirea din staia de compresoare.
4.3.3. Compresoare
Aa cum s-a artat, compresorul transform energia furnizat de ctre
motorul de antrenare (electric sau termic) n energie pneumatic.
Compresoarele se pot clasifica n dou mari familii: compresoare
volumice i compresoare dinamice (turbocompresoare).
Compresoarele volumice realizeaz creterea presiunii agentului de
lucru prin reducerea volumului unei cantiti de aer nchise n
interiorul unui spaiu delimitat (spaiu numit n continuare camer
activ). Aspiraia aerului n compresor i refularea se fac cu
intermitene.
Compresoarele dinamice realizeaz creterea presiunii agentului de
lucru prin transmiterea unei energii cinetice ridicate unui curent
de aer i apoi prin transformarea acestei energii n presiune static.
Aspiraia aerului n compresor i refularea se fac continuu.
Cele mai utilizate sunt compresoarele volumice, al cror
principiu de funcionare este identic cu cel al pompelor volumice
(paragraful 3.2.1). Aceste compresoare se construiesc
pentru o gam larg de debite i presiuni, putnd deservi n condiii
optime orice sistem pneumatic de acionare. Din punct de vedere
constructiv compresoarele se clasific n:
- compresoare cu piston
- compresoare cu membran - compresoare rotative.
Compresoare cu piston
Acest tip de compresor este prezentat principial n figura 4.7.
Pistonul p culiseaz n interiorul cilindrului c, micarea acestuia
fiind obinut prin intermediul unui mecanism format din manivela m i
biela b. La partea superioar a cilindrului exist dou supape, una de
aspiraie A i una de refulare R; aceste dou supape controleaz
admisia i respectiv evacuarea n i din
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 8
camera activ a compresorului, camer delimitat de suprafaa
superioar a pistonului, suprafaa interioar a cilindrului i capacul
superior, n care sunt amplasate cele dou supape. Manivela este pus
n micare de rotaie de motorul de antrenare (nefigurat), mecanismul
biel - manivel transformnd aceast micare ntr-o micare rectilinie
alternativ a pistonului p.
Fig. 4.7 Fazele succesive ale unui ciclu de lucru al
compresorului sunt prezentate n figura 4.8.
Curbele din componena acestei figuri au n ordonat presiunea
absolut P din camera activ a compresorului i n abscis volumul V al
acestei camere, volum ce se modific continuu n timpul funcionrii.
Cnd pistonul se gsete n poziia 1 camera activ este umplut cu aer la
presiunea atmosferic Po punctul 1 corespunde poziiei celei mai de
jos a pistonului, cnd volumul camerei active este maxim (fig.4.8
a).
Fig.4.8
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 9
Fig.4.9
Prin deplasarea pistonului din punctul 1 n punctul 2 (fig.4.8
b), deoarece cele dou supape de admisie A i de refulare R sunt
nchise, aerul din volumul V este comprimat pn la presiunea Pr. n
punctul 2 supapa de evacuare R se deschide (fig.4.8 c) i aerul
comprimat este expulzat ctre consumatori la presiunea Pr.
Deplasarea are loc pn n punctul 3, punctul cel mai de sus, cruia i
corespunde valoarea minim a volumului V0. Din acest moment pistonul
inverseaz micarea, iar supapa de refulare R se nchide. Aerul reinut
n camera activ n urma coborrii pistonului se destinde. n punctul 4
(fig.4.8 d) supapa de aspiraie A se deschide i n continuare aerul
ptrunde n cilindru (fig.4.8 e) pn cnd pistonul revine n punctul 1.
Din acest moment ciclul se reia.
Ciclul real (fig.4.9) ns este diferit de cel teoretic din cauza
pierderilor de debit prin etanarea pistonului i a pierderilor de
presiune pe cele dou supape. De exemplu, considernd supapa de
refulare, pentru a furniza consumatorilor aer la presiunea Pr este
necesar ca
comprimarea aerului s se fac la o presiune mai mare pentru a
compensa pierderile de presiune pe aceast supap. n ceea ce privete
supapa de admisie, curgerea prin ea este posibil numai dac
presiunea n camera activ este mai mic dect presiunea atmosferic
Po.
La acest tip de compresor etanarea camerei active se face cu
segmeni metalici sau din teflon grafitat amplasai pe piston.
Compresoarele cu segmeni metalici necesit o ungere abundent, mai
pronunat n perioada de rodaj i n stadiul de uzur avansat. Ungerea
se asigur prin introducerea mecanismului biel - manivel ntr-o baie
de ulei, prevzut la partea inferioar a carcasei compresorului.
O mare cantitate din uleiul de ungere ajunge n camera activ a
compresorului i de aici odat cu aerul refulat n ntregul sistem
deservit de compresor. Aa cum s-a artat, prezena uleiului n exces
este de nedorit, motiv pentru care se impune folosirea unor
mijloace speciale
pentru reinerea unei pri nsemnate din acest ulei. Odat cu
creterea presiunii de refulare Pr are loc i o cretere a
temperaturii, ceea ce favorizeaz formarea vaporilor de ulei,
existnd pericolul ca la un moment dat aceti vapori s se autoaprind.
Pentru presiuni mai mari de 10 [bar], pentru a da posibilitatea
unei rciri intermediare a aerului, compresoarele se construiesc cu
mai multe trepte de compresie (fig.4.10). La aceast construcie, pe
traseul de legtur dintre cele dou trepte se amplaseaz un schimbtor
de cldur.
La ieirea din compresor aerul poate avea temperaturi de pn la
200 C. Alimentarea sistemelor de acionare cu aer la aceast
temperatur poate avea efecte negative cum sunt: deformarea sau
topirea elementelor constructive ale echipamentelor sistemului i a
conductelor confecionate din plastic, degradarea elementelor de
etanare nemetalice, griparea unor elemente mobile n urma modificrii
jocurilor funcionale datorit dilatrilor. Iat de ce este necesar ca
la consumator aerul s ajung la o temperatur apropiat de temperatura
mediului ambiant.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 10
Fig.4.10
Pentru aceasta se impune o rcire a aerului, o prim etap fiind
realizat chiar la nivelul compresorului. In acest scop compresorul
este prevzut cu un circuit de rcire cu ap care mbrac cilindrul (ca
la motoarele termice). O alt posibilitate const n suflarea de aer
asupra cilindrului, acesta din urm fiind prevzut cu aripioare, care
au rolul de a mri suprafaa de schimb de cldur cu mediul
nconjurtor.
De cele mai multe ori rcirea aerului fcut la nivelul
compresorului nu este suficient, motiv pentru care staiile de
compresoare sunt prevzute cu agregate de rcire (fig.4.6,
schimbtorul de cldur Sc).
La variantele de compresoare cu o singur treapt de compresie
mecanismul biel - manivel este neechilibrat, motiv pentru care n
timpul funcionrii, datorit forelor mari de inerie, apar solicitri
importante. Pentru diminuarea acestor solicitri s-au realizat
compresoare cu mai muli cilindri, dispui n linie, V, W sau I.
Compresoare cu membran Din punct de vedere constructiv -
funcional aceste compresoare (fig.4.11) sunt
asemntoare celor cu piston. Diferena const n aceea c locul
pistonului este luat de o membran. Avantajele unei asemenea
construcii sunt: realizeaz o etanare perfect a camerei active, nu
necesit ungere, sunt compacte. Ca dezavantaje se pot aminti:
debitele furnizate sunt mici, au o durabilitate mai redus. La
aceste construcii presiunea de refulare nu depete 8 ... 10
[bar].
Fig. 4.11
Compresoare rotative
Din punct de vedere constructiv exist mai multe variante de
compresoare rotative, i anume: cu palete, cu urub, cu roi dinate,
cu rotor profilat etc. De altfel, aceste construcii sunt similare
cu cele ale motoarelor pneumatice rotative. Compresoarele rotative
prezint o serie de avantaje cum ar fi: sunt simple constructiv, pot
furniza debite ntr-un domeniu larg, au o
funcionare silenioas, nu necesit ungere abundent.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 11
Dei simple constructiv compresoarele rotative ridic probleme
deosebite la execuie i montaj. La aceste compresoare etanarea
camerelor active este o etanare "vie", metal pe metal. Din acest
motiv, presiunea de refulare nu poate depi 8 [bar], ceea ce
limiteaz domeniul de utilizare a lor. Spre exemplificare, n figura
4.12 este prezentat un compresor cu palete, ce are
n componena sa urmtoarele elemente constructive: statorul 1,
rotorul 2, paletele 3 i arborele de antrenare 4. Compresorul are un
numr de camere active egal cu numrul de palete; o camer activ este
delimitat de dou palete consecutive, suprafaa exterioar a rotorului
i suprafaa interioar a statorului. Variaia volumului V al unei
camere active este o consecin a excentricitii e care exist ntre axa
rotorului i axa alezajului prelucrat n stator. n timpul funcionrii
paletele culiseaz n canalele radiale prelucrate n rotor ntre dou
poziii extreme. n permanen paletele menin contactul cu suprafaa
interioar a statorului datorit forelor centrifuge. Pentru a avea un
contact ferm, uneori n spatele fiecreia dintre palete se monteaz un
arc elicoidal sau se aduce presiune de la refulare prin nite canale
special prelucrate n acest scop.
Construcia luat n discuie poate fi folosit i ca motor, situaie n
care orificiul de admisie A se conecteaz la sursa de presiune.
Pentru c la aceste construcii camerele active sunt puse n legtur
cu orificiul de refulare n mod continuu, randamentul volumic al
acestor compresoare este mai bun
dect n cazul compresoarelor cu piston.
Figura 4.13 [4.7] pune n eviden gama de debite i presiuni
acoperit de fiecare tip de compresor. Informaiile din aceast figur
pot fi folosite pentru alegerea tipului de compresor care poate
deservi o anumit aplicaie atunci cnd se cunosc debitul i presiunea
necesare. Fig.4.12
Reglarea debitului unui compresor
Nu puine sunt aplicaiile la care din diverse motive energia
pneumatic nu poate fi preluat de la o reea de aer comprimat. n
asemenea situaii trebuie folosit un compresor care s deserveasc
aplicaia respectiv. Debitul furnizat de compresor trebuie s fie
adecvat cerinelor utilizatorului i trebuie s varieze n acord cu
condiiile concrete de funcionare.
Deoarece toate construciile de compresoare au cilindree fix,
modificarea debitului furnizat de un compresor nu se poate face pe
aceast cale.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 12
Fig.4.13
De cele mai multe ori motorul de antrenare al unui compresor
este unul electric;
totui, n condiii de antier, acolo unde nu exist posibilitatea
conectrii la reeaua electric, se folosesc motoare cu combustie
intern.
Transmisia ntre motor i compresor poate fi fcut prin curea, prin
intermediul unui reductor cu roi dinate sau, n anumite situaii,
direct printr-un cuplaj elastic.
n concluzie, turaia de antrenare a arborelui compresorului este
fix, i deci nici pe aceast cale nu este posibil reglarea
debitului.
Pentru reglarea debitului se folosesc dispozitive electrice de
reglare i control. Un asemenea dispozitiv trebuie s fie capabil s
comande furnizarea de debit sau s ntrerup acest proces atunci cnd
consumul o cere. Reglarea se bazeaz pe utilizarea a dou presostate,
reglate unul pe nivelul de presiune minim, iar cellalt pe nivelul
de presiune maxim. Compresorul furnizeaz debit sistemului de
acionare prin intermediul unui rezervor (integrat n construcia
compresorului) n care se acumuleaz debitul de aer care reprezint
diferena ntre cel furnizat de compresor i cel cerut de consumator.
Dac presiunea n rezervor atinge nivelul maxim reglat, presostatul
corespunztor d un semnal electric care determin dezactivarea
compresorului. Din acest moment aerul necesar consumatorului este
furnizat de ctre rezervor, motiv pentru care presiunea n rezervor
scade. Atunci cnd presiunea atinge valoarea minim reglat cu
presostatul corespunztor acesta d un semnal electric care determin
reactivarea compresorului.
Activarea i dezactivarea compresorului se poate realiza n dou
moduri, i anume: - prin oprirea motorului de antrenare; n acest caz
trebuie ca rezervorul s fie dimensionat
corespunztor astfel nct motorul de antrenare s rmn n repaus un
anumit timp prestabilit;
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 13
totodat, motorul trebuie protejat la pornire, cunoscut fiind
faptul c momentul rezistent este mai mare n perioadele de
iniializare i oprire a micrii;
- prin comandarea supapei de aspiraie; n acest caz motorul de
antrenare funcioneaz continuu, iar cnd se dorete dezactivarea
compresorului supapa de aspiraie este meninut n permanen deschis; n
acest fel aerul aspirat este restituit mediului ambiant, iar
consumul energetic este minim.
A doua posibilitate este folosit cu precdere n cazul
compresoarelor de dimensiuni mari i medii, pentru a evita
solicitrile dinamice nsemnate ale motorului de antrenare, solicitri
ce apar la demararea i oprirea motorului.
4.3.4. Usctoare de aer Aerul este un amestec gazos ale crui
componente principale sunt azotul i oxigenul. Mai exact, ponderea
medie a fiecrei componente a amestecului este:
azot 75,31 % oxigen 22,95 % bioxid de carbon 0,04 % gaze nobile
1,43 % alte substane 0,27 %.
Compoziia aerului variaz n funcie de loc i de condiiile
ambiante, ntotdeauna n aer se afl o anumit cantitate de vapori de
ap, ce depinde de temperatur, presiune i de condiiile atmosferice.
Se spune c aerul dintr-un volum dat este saturat atunci cnd
cantitatea de vapori de ap coninut de acest aer este maxim; un
aport suplimentar de vapori nu mai este asimilat de masa de aer i n
consecin aceti vapori se vor condensa.
Cantitatea maxim de vapori de ap ce poate fi coninut n aer
variaz n funcie de temperatur i presiune, aa cum se arat n tabelul
4.3. Tabelul 4.3
Presiunea relativ [bar]
Temperatura
[0C]
0 5 10
70 192,48 32,08 17,50
60 126,57 21,09 11,51
50 80,69 13,45 7,34
40 49,71 8,28 4,52
30 29,51 4,92 2,68
20 16,82 2,80 1,53
10 9,18 1,53 0,83
0 4,78 0,80 0,43
-10 2,12 0,35 0,19
-20 0,86 0,14 0,08
-30 0.32 0.05 0.03
Valorile din tabel arat cantitatea de ap sub form de vapori,
exprimat n grame - fie aceasta mvs, coninut n aerul saturat
dintr-un volum Vo = 1 m
3 pentru diferite temperaturi i
presiuni.
Pentru a exprima cantitatea de vapori de ap coninut de aerul
dintr-un volum V se definete umiditatea aerului ca fiind:
[%], (4.1)
unde mv reprezint masa vaporilor de ap coninui de aerul
nesaturat, de umiditate ua din volumul V; este de la sine neles c n
ambele situaii (cnd n volumul V exist aer saturat i
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 14
respectiv aer cu o umiditate ua) avem aceeai presiune i aceeai
temperatur i c umiditatea aerului saturat este de 100 %.
Compresorul aspir direct din atmosfer, aerul avnd de cele mai multe
ori presiunea absolut de 1 bar, temperatura de 20 C iar umiditatea
de 65 %. n aceste condiii masa de vapori de ap coninut ntr-un metru
cub de aer este conform relaiei (4.1): mv =0,65 16,82 = 10,93 g
unde mai nti s-a stabilit pentru condiiile precizate mvs =16,82 g
din tabelul 4.3.
Analiznd valorile din tabelul 4.3 se observ c micorarea
temperaturii i creterea presiunii favorizeaz condensarea vaporilor
de ap coninui n masa de aer. n timpul procesului de comprimare (la
nivelul compresorului) temperatura aerului crete raportat la
temperatura mediului din care se aspir aerul. ntruct ns creterea
temperaturii n raport cu creterea presiunii la nivelul
compresorului este mult mai semnificativ, nu exist pericolul ca
aerul s se satureze (n aceste condiii de presiune i temperatur
aerul are nevoie de o cantitate mare de vapori ca s ajung la
saturaie) i deci n compresor nu exist pericolul apariiei
fenomenului de condens.
n schimb, fenomenul de destindere a aerului este nsoit de
scderea semnificativ a temperaturii sale; n aceast situaie aerul
are nevoie pentru a se satura de o mas mai mic de vapori de ap i o
bun parte din masa de vapori de ap coninut de aerul din compresor
trebuie s se condenseze. Acest fenomen poate s apar n rezervorul
compresorului, n schimbtorul de cldur al staiei de compresoare, n
conductele reelei de aer sau n echipamentele sistemelor de acionare
conectate la reea.
n concluzie, dac nu se iau msuri speciale, compresorul poate s
furnizeze un aer saturat i n multe aplicaii acesta poate fi folosit
ca atare. La nivelul multora dintre echipamentele sistemului de
acionare deservit de compresor are loc o destindere a aerului,
nsoit, aa cum s-a artat, de o scdere a temperaturii care provoac
condens. Acest lucru se poate ntmpla n supape, cilindri i n special
la nivelul motoarelor rotative.
n sistemele de acionare pneumatice prezena apei este de nedorit
deoarece: - apa determin corodarea pieselor metalice; - la
temperaturi sczute apa poate nghea, formnd dopuri de ghea n
conducte sau n
aparate i prin aceasta mpiedicnd buna funcionare a sistemului; -
mpreun cu uleiul de ungere apa formeaz un amestec vscos care ader
pe suprafeele
elementelor mobile ale echipamentelor, ngreunnd micarea
acestora. n plus exist o serie de aplicaii la care nu este admis
prezena aerului umed, ca de
exemplu n industria alimentar, chimic, sau acolo unde se lucreaz
cu o atmosfer controlat. Este de la sine neles faptul c o staie de
compresoare trebuie dotat cu un sistem de uscare a aerului
comprimat, dup dorin, sistem care trebuie dimensionat n funcie de
aplicaiile deservite de staia respectiv. Nivelul de uscare atins
este indicat n mod obinuit definind "punctul de rou", care este
temperatura la care se produce condensarea pentru o concentraie
determinat de vapori de ap. n general, se menine acest punct de rou
la o temperatur cu 5 C sub temperatura minim atins n instalaie.
Pentru eliminarea apei din aerul comprimat se folosesc n
principal trei metode de uscare
diferite:
metoda de uscare prin rcire; metoda de uscare prin adsorbie;
metoda de uscare prin absorbie. Metoda de uscare prin rcire este
prezentat principial n figura 4.14. Aceast metod se
bazeaz pe faptul c la scderea temperaturii, vapori de ap din
masa de aer se condenseaz,
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 15
picturile de ap formate depunndu-se n colector, acesta din urm
fiind amplasat la nivelul cel mai de jos al instalaiei.
Aerul refulat de compresor intr n instalaie la o temperatur
relativ ridicat i traverseaz schimbtorul de cldur SC1, unde are loc
prima etap a rcirii (o parte din cldura aerului este cedat
schimbtorului SC2). n continuare aerul traverseaz schimbtorul SC2,
unde n contact cu serpentina circuitului de rcire cu ap aerul sufer
o rcire semnificativ. Cea mai mare parte a vaporilor de ap se
condenseaz, iar picturile formate prin efect gravimetric se depun
la partea cea mai de jos a instalaiei, adic n colector, de unde
sunt purjate periodic ctre exterior. n drumul su, aerul trece din
nou prin schimbtorul SC;, unde recupereaz o parte din cldura cedat
iniial, ajungnd la o temperatur apropiat de cea a mediului
ambiant.
Fig.4.14
Metoda descris este economic, sigur i nu ridic probleme n ceea
ce privete ntreinerea i exploatarea instalaiei de rcire. Aceste
argumente fac ca aceast metod s fie cea mai des folosit.
Metoda de uscare prin adsorbie Schema de principiu a acestei
metode este prezentat n figura 4.15. n calea aerului se interpune
un gel constituit din cristale ale unor substane cu proprieti
adsorbante (cel mai adesea dioxid de sulf, clorit de litiu sau
calciu etc); n contact cu acest gel apa din aer ader la suprafaa
cristalelor.
Fig.4.15
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 16
Instalaia conine dou adsorbere A1 i A2 atunci cnd unul dintre
ele lucreaz cellalt se regenereaz. n figur lucreaz adsorberul Ai, n
timp ce adsorberul A2 se regenereaz. Regenerarea const n suflarea
de aer cald prin gelul saturat cu ap. Pentru aceasta robinetele Ri
i R2 sunt deschise, robinetele R3 i R4 sunt nchise, iar
distribuitoarele D] i D2 realizeaz conexiunile figurate. Aceast
metod, deosebit de eficient, este mai puin folosit datorit faptului
c substana adsorbant este costisitoare i nu n ultimul rnd datorit
consumului mare de energie. Se utilizeaz pentru aplicaiile unde se
cere uscarea la un punct de rou foarte sczut.
Metoda de uscare prin absorbie Metoda, prezentat principial n
figura 4.16, se bazeaz pe proprietatea apei de a
reaciona atunci cnd vine n contact cu anumite substane chimice,
formnd cu acestea un compus greu, care se separ apoi prin efect
gravitaional. Avantajele utilizrii acestei metode sunt: consum
redus de energie n timpul funcionrii i ntreinere uoar. Totui,
metoda este mai puin folosit datorit preului ridicat al substanei
absorbante, care periodic trebuie completat i al eficienei
sczute.
Fig.4.16
4.3.5. Filtrarea n staiile de compresoare
Filtrele folosite ntr-o staie de producere a aerului comprimat
(fig.4.6) sunt amplasate att pe circuitul de
aspiraie al compresoarelor, ct i dup compresoare, nainte de
intrarea n reeaua de distribuie. Filtrele montate pe circuitul de
aspiraie al compresoarelor au rolul de a reine particulele coninute
n aerul aspirat din mediul nconjurtor i sunt n general de tip
mecanic, cu o slab rezisten la trecerea aerului. Se pot folosi
filtre "uscate" sau filtre cu baie de ulei.
n primul caz reinerea particulelor strine din masa de aer se
realizeaz prin centrifugarea aerului ntr-o anticamer a filtrului i
apoi cu ajutorul unui element filtrant confecionat din fetru, fibr
sau carton. Pentru a reduce rezistena la curgere a aerului care
traverseaz filtrul, acesta trebuie s aib a suprafa de filtrare ct
mai mare. Fig.4.17
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 17
Este motivul pentru care se opteaz pentru construcii plisate
(fig.4.17 a) sau obinute prin stivuirea unor rondele (fig.4.17 b).
Filtrele cu baie de ulei prezint n partea de jos a construciei o
zon cu ulei, a crei suprafa vine n contact cu aerul, care n acest
fel se umezete. Aerul umed trece apoi printr-un element filtrant
(umed datorit uleiului existent n masa de aer), care realizeaz o
filtrare foarte eficient, n aval de compresoare impuritile sunt
reprezentate de particulele solide nereinute de filtrele de pe
circuitele de aspiraie ale compresoarelor, de particulele generate
la nivelul compresoarelor, sau care se desprind din
pereii conductelor de legtur, de vapori de ulei provenii de la
compresoare i de apa condensat. Aa cum s-a artat n paragraful
anterior, aerul furnizat de compresoare conine ap sub form de
vapori. Este motivul pentru care filtrele sunt n general amplasate
dup rezervor i rcitor, n punctele n care aerul se gsete la
temperaturi mai joase i apa este parial condensat. Aceste filtre
opereaz n general dup unul din urmtoarele principii: separarea prin
centrifugare; n figura 4.18 este prezentat schematizat un separator
centrifugal; n acest caz aerul ptrunde n echipament printr-un canal
tangenial, dup care est obligat s parcurg o traiectorie elicoidal;
evacuarea se realizeaz printr-o conduct central; datorit
traiectoriei imprimate fluidului, particulele solide i lichide sunt
mpinse de fora centrifug ctre peretele filtrului, de unde alunec
spre baza acestuia. fixarea pe fibre; n figura 4.19 este prezentat
un filtru cu fibre confecionate din fetru, metal sau vat de sticl,
la care particulele solide din aer sunt eliminate n urma ciocnirii
lor cu fibrele; dimensiunile fibrelor au obinuit valori de 5 ... 8
m; schema de principiu este aceeai cu cea a unui filtru cu cartu
poros (paragraful 4.4.2) n care aerul sosete n exteriorul
cartuului, strbate apoi elementul filtrant, dup care iese din
echipament; astfel de filtre se satureaz n timp, motiv pentru care
se impune nlocuirea lor periodic; fenomenul de coalescen; un filtru
de acest tip (fig.4.20) conine un cartu confecionat din metal
sinterizat, ceramic sau microfibre; aerul parcurge filtrul n sens
invers fa de cazul precedent, adic din interiorul cartuului ctre
exteriorul acestuia; particulele lichide sunt constrnse s parcurg
drumuri lungi i ntortocheate i sunt reinute pe parcurs; cnd aceste
micropicturi intr n contact de-a lungul traseelor din cartu, ele se
reunesc formnd picturi mari, care sunt mpinse de aer ctre
exteriorul cartuului; odat aceste picturi ajunse pe suprafaa
exterioar a cartuului se scurg de-a lungul acestei suprafee,
acumulndu-se la baza filtrului; un asemenea filtru trebuie cuplat
cu un filtru cu cartu obinuit, deoarece el nu reine impuritile
solide din masa de aer, ci numai apa; de altfel, rolul lui este de
a provoca formarea picturilor mai mari de ap, care se pot elimina
cu mai mult uurin.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 18
Fig.4.18 Fig. 4.19 Fig. 4.20
4.3.6. Reele de distribuie a aerului comprimat Aerul comprimat
generat n staia de compresoare trebuie transportat la diverii
consumatori printr-o reea de distribuie (fig.4.5 i fig.4.21).
Reeaua de distribuie cuprinde totalitatea conductelor,
furtunurilor, fitingurilor,
robinetelor, oalelor de condens i a celorlalte elemente care
asigur transportul aerului comprimat de la staia de compresoare la
consumatori.
Reeaua de distribuie trebuie proiectat i dimensionat conform
exigenelor i cerinelor impuse de beneficiarul ei. Totodat, aceasta
trebuie s satisfac o serie de cerine generale, cum sunt:
pierderile de presiune de-a lungul reelei s fie minime; s nu
existe pierderi de aer comprimat; s asigure eliminarea apei
condensate, atunci cnd nu se dispune de o instalaie de uscare; s
fie rezistent la coroziune; s permit accesul uor pentru verificri i
reparaii; s permit extinderea.
n afar de aceste cerine este necesar ca componentele reelei i
reeaua n ntregul ei s prezinte o rezisten structural adecvat
sarcinilor existente, cu respectarea normativelor n vigoare.
Reeaua de aer se poate realiza n circuit deschis (fig.4.21 a)
sau n circuit nchis (fig.4.21 b).
Fig.4.21
Ultima variant este adesea preferat deoarece asigur o distribuie
uniform a aerului, chiar i n situaia n care n reea, n diferite
puncte ale acesteia, exist mai muli consumatori importani. Acest
lucru este posibil datorit faptului c la alimentarea unui
consumator particip
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 19
mai multe linii deodat. De remarcat faptul c n cazul din figura
4.21 b calea aleas de aer pentru a alimenta un anumit consumator se
poate modifica n funcie de locul n care se identific consumatorii
majori. De-a lungul liniilor reelei exist robinete care permit
izolarea anumitor poriuni din reea att din motive de siguran, ct i
pentru ntreinere, care va fi astfel posibil fr a nchide ntreaga
reea. n apropierea consumatorilor importani reeaua este prevzut cu
rezervoare intermediare, aa cum se arat n figura 4.22, unde este
prezentat schema unei reele de aer comprimat.
Fig. 4.22
Conductele reelei de aer comprimat, de culori diferite de cele
ale altor instalaii (de ap, gaze), sunt dispuse la marginea
localului pe pmnt, n lungul pereilor sau pe tavan.
Problema separrii condensului, n cazul absenei unei instalaii de
uscare, impune nclinarea conductelor de alimentare cu o pant de 1 -
2 % n sensul curgerii, astfel nct s se asigure n acest fel
scurgerea condensului, care va fi colectat n oale de condens
amplasate n
anumite puncte ale reelei, n figura 4.23 este prezentat soluia
frecvent folosit pentru a favoriza eliminarea condensului n cazul
reelelor de lungime mare; aici, prin amplasarea n acest mod a
oalelor de condens O, pe lng faptul c se elimin condensul se menine
cota de amplasare pe vertical a conductei.
Fig.4.23
Pentru alimentarea unui consumator (fig.4.22) exist o derivaie
"d" care se ramific din conducta principal "cp" sub o anumit
geometrie, artat n figur. Se observ c, conectarea are loc
ntotdeauna la partea superioar a conductei principale, evitndu-se
astfel ptrunderea apei condensate n derivaia "d". De altfel, la
partea cea mai de jos a derivaiei exist o oal de condens, care
poate fi golit periodic prin intermediul unui robinet.
La aceast derivaie este conectat un rezervor intermediar dac,
consumatorul este unul important. Conectarea consumatorului
(sistemului de acionare) se face la partea superioar a
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 20
rezervorului i ntotdeauna prin intermediul unui grup de pregtire
a aerului comprimat (paragraful 4.4).
Trebuie subliniat faptul c existena unei instalaii de uscare la
nivelul staiei de compresoare este costisitoare. Printr-o
proiectare corect a reelei de aer comprimat (conducte nclinate,
oale de condens amplasate corect, ramificaii cu o geometrie bine
stabilit etc.) se poate renuna la instalaia de uscare realizndu-se
astfel o important economie.
De cele mai multe ori conductele reelei sunt confecionate din
metal. mbinrile dintre conducte sunt realizate prin filetare, sau
cu flane pentru dimensiuni mari. Suspendarea conductelor pe perei
nu este realizat direct, ci prin intermediul unor elemente care au
n primul rnd rolul de a evita transmiterea vibraiilor de la
conducte la perei. Diametrele nominale ale conductelor sunt
standardizate i in seama de recomandrile ISO 65 (tabelul 4.4).
Tabelul 4.4 Mrimea 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2
Diametrul
nominal [mm]
6 8 10 15 20 25 32 40 ......
n prezent tendina este ctre folosirea de reele de distribuie
construite din tuburi trefilate din aliaje uoare, i de elemente
(mufe, coturi, ramificaii etc.) normalizate. O asemenea reea se
poate monta cu uurin, ntr-un timp mult mai scurt dect cea clasic. n
plus se pot face cu eforturi minime modificri ale reelei, iar
pierderile de presiune de-a lungul reelei sunt foarte reduse.
n tabelul 4.5 sunt prezentate simbolurile principalelor
echipamente ntlnite n structura
staiei de compresoare i a reelei de distribuie. Tabelul 4.5
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 21
4.4. Grupul de pregtire a aerului 4.4.1. Introducere
Aa cum s-a artat n paragraful anterior, conectarea sistemului de
acionare la reeaua de aer comprimat (fig.4.22) trebuie fcut prin
intermediul unui grup de echipamente, numit n continuare grup de
pregtire a aerului. Acest grup este compus din: filtru, regulator
de presiune, ungtor. Rolul lui este de a furniza sistemului de
acionare deservit un aer comprimat curat, reglat la presiunea cerut
de consumator i lubrifiat.
Un grup de pregtire a aerului comprimat este realizat prin
nserierea echipamentelor precizate mai sus (n mod obligatoriu n
ordinea amintit). n anumite situaii exist posibilitatea ca grupul s
conin n structura sa mai mult de un echipament de acelai tip (de
exemplu pot fi folosite dou filtre, urmrindu-se prin aceasta
livrarea ctre consumator a unui aer mai curat). De asemenea, uneori
grupul poate s conin n afara echipamentelor precizate i alte
echipamente auxiliare, cum sunt: un robinet, un dispozitiv de
alimentare progresiv a consumatorului la pornire, blocuri de
derivaie.
Nu de puine ori filtrul i regulatorul de presiune sunt realizate
ntr-o construcie modular.
Trebuie subliniat faptul c exist aplicaii care nu necesit un
grup de pregtire a aerului cu o structur standard. n cazul n care
nu se impun condiii severe asupra valorii presiunii aerului,
prezena regulatorului de presiune nu este necesar. De asemenea, dac
existena uleiului pericliteaz procesul tehnologic deservit de
sistemul de acionare (de exemplu n anumite aplicaii din industria
textil, farmaceutic, alimentar, tehnic dentar) ungtorul lipsete din
structura grupului.
n figura 4.24 este prezentat un grup de pregtire a aerului cu o
structur standard. Robinetul este n fapt un distribuitor 3/2 (cu
trei orificii i dou poziii), cu poziie reinut, comandat manual sau
pneumatic. n una din poziiile stabile de funcionare distribuitorul
alimenteaz cu aer comprimat sistemul, n cealalt blocheaz orificiul
de presiune i descarc la atmosfer sistemul deservit de grup.
Fig. 4.24
Blocurile de derivaie permit preluarea de aer comprimat dintr-un
anumit punct al grupului. De exemplu, dac anumite echipamente din
sistem nu funcioneaz cu aer lubrifiat, prin intercalarea unui bloc
de derivaie ntre regulator i ungtor se poate capta pentru aceste
echipamente aer nelubrifiat din amonte de ungtor.
4.4.2. Filtre
Aceste echipamente ndeplinesc att rolul de filtrare propriu-zis
ct i pe acela de separator de ap. La nivelul acestui echipament
filtrarea se face, de obicei, n dou trepte.
Aerul comprimat intr, mai nti, n treapta de filtrare prin
inerie, n care sunt separate particulele grele de impuriti i
picturile de ap. Pentru aceasta, odat ptruns n echipament
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 22
aerului i se imprim o micare turbionar. Ca urmare condensul i
impuritile mai mari sunt proiectate pe peretele interior al
paharului filtrului, de unde se scurg la baza acestuia.
A doua treapt realizeaz o filtrare mecanic. La acest nivel se
face o filtrare fin cu ajutorul unui cartu filtrant, care reine
particulele fine de impuriti mecanice. Unele filtre sunt prevzute i
cu un element magnetic care realizeaz reinerea particulelor
metalice din masa de aer. Cartuele filtrante se pot realiza
din:
- sit metalic; acestea se folosesc frecvent pentru filtrri medii
(finee de filtrare de 40 ... 250 m);
- esturi textile sau materiale fibroase (psl, fetru, hrtie,
carton, vat de sticl); aceste cartue prezint urmtoarele avantaje:
sunt ieftine, pot lua orice form i permit obinerea unei finei de
filtrare foarte bune (1 ... 2 m); n schimb au o rezisten mecanic i
o rigiditate foarte sczute, iar la presiuni mari exist pericolul de
desprindere a fibrelor din care sunt confecionate, urmat de
antrenarea acestora n sistem; curirea i recondiionarea lor este
practic imposibil;
- materiale sinterizate; n acest caz cartuele se obin prin
sinterizarea unor pulberi metalice de form i dimensiuni apropiate,
fr adaos de liant, confecionate din bronz i mai rar din oel
inoxidabil, nichel, argint sau alam; prezint urmtoarele avantaje:
sunt foarte eficiente, permit obinerea unei finei de filtrare
ntr-un domeniu larg (2 ...10m), pierderile de presiune pe ele sunt
mici, sunt rezistente la coroziune, au durabilitate mare, pot fi
curate i recondiionate uor; dezavantajul acestor cartue const n
preul lor de cost mai ridicat.
n figura 4.25 este prezentat o seciune printr-un asemenea
echipament. Aerul ptrunde prin orificiul de intrare i dup care
trece n paharul transparent 5 prin piesa de turbionare 4 (o pies cu
aripioare) care i imprim o micare elicoidal, pe parcursul creia
datorit forelor centrifuge care iau natere, particulele mai mari i
condensul sunt proiectate pe peretele interior al paharului 5;
datorit cmpului gravitaional i poziiei lor periferice, n afara
curentului principal de aer ele se scurg n camera de colectare C ,
desprit de restul paharului prin deflectorul 8. Cnd jetul de aer
ntlnete deflectorul 8 acesta i schimb direcia de curgere cu 180;
aerul traverseaz n continuare elementul filtrant 6 care reine
impuritile mai fine. Impuritile i apa colectate n camera C sunt
golite periodic sub presiunea aerului cu ajutorul robinetului 10. n
cazul n care cantitatea de condens ce trebuie eliminat este relativ
mare este posibil utilizarea unui dispozitiv automat de descrcare.
Un asemenea dispozitiv este prezentat n figura 4.26; acest
dispozitiv se monteaz la partea de jos a paharului n locul
robinetului 10 (fig.4.25).
Cnd lichidul din condens ajunge la o limit prestabilit,
plutitorul 1 se ridic sub aciunea apei i provoac deschiderea
supapei Si. n acest moment aerul sub presiune ajunge prin tubul 4 n
camera C 1 a membranei m i dezvolt pe suprafaa acesteia o for de
presiune care are drept efect deplasarea membranei i odat cu ea
deschiderea supapei de purjare S2. Sub efectul aerului comprimat
impuritile i apa sunt expulzate n atmosfer.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 23
Fig.4.26
Fig.4.25
4.4.3 Regulatoare de presiune
Aceste echipamente, reprezentate principial n figura 4.27,
realizeaz urmtoarele dou funcii:
- regleaz presiunea de la ieirea echipamentului pe la valoarea
dorit n intervalul [0 ,P i -hmin], unde hmin reprezint pierderea de
presiune pe traseul intrare - ieire atunci cnd seciunea de curgere
prin echipament este egal cu seciunea sa nominal;
- menine presiunea reglat constant, n anumite limite, atunci cnd
n timpul funcionrii variaz presiunea de intrare, P i i/sau se
modific consumul de debit mc din aval de echipament. Datorit
acestor funcii ndeplinite de echipament, el este ntlnit fie sub
denumirea de reductor de presiune, fie sub denumirea de
stabilizator sau regulator de presiune.
n fapt echipamentul este o supap normal deschis, de reducie
(paragraful 4.6.3). Presiunea de ieire este reglat prin intermediul
membranei m; pe suprafaa de jos a
membranei acioneaz presiunea de ieire pe, n timp ce pe cealalt
suprafa acioneaz arcul a a crui for de pretensionare este reglabil
prin intermediul urubului s.
Atunci cnd fora de pretensionare este zero, membrana m se afl n
poziia de referin, iar supapa plan Sp este poziionat pe scaunul su
5; aceasta nseamn c presiunea de ieire este zero.
Pentru o anumit for de pretensionare, fie aceasta Fa0, centrul
rigid al membranei i odat cu el i tija t i supapa Sp se vor deplasa
fa de poziia de referin cu sgeata fo. n acest fel ntre supapa plan
Sp i scaunul su S se va genera o seciune de curgere creia i va
corespunde o anumit pierdere de presiune h0; presiunea de ieire va
fi atunci pe0 = pi0 h0 Deci, prin intermediul forei de
pretensionare (reglabil cu ajutorul urubului s) , se poate obine la
ieirea echipamentului presiunea dorit. n momentul efecturii
reglajului, presiunea de intrare i consumul de debit din aval de
echipament au fost considerate constante la valorile pi0, i
respectiv mc0 .
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 24
Fig.4.27
Dac dup un timp presiunea de intrare scade/crete la valoarea
pi1, ntr-o prim etap presiunea de ieire tinde s scad/creasc. Acest
lucru determin deplasarea membranei i odat cu ea i a supapei n
jos/sus, ntr-o nou poziie de echilibru, i n consecin
scderea/creterea pierderii de presiune pe seciunea intern a
echipamentului. In acest fel presiunea de ieire rmne constant, la
valoarea reglat pe0.
Dac dup un anumit timp consumul de debit din aval de echipament
scade/crete, ntr-o prim etap exist tendina creterii/scderii
presiunii de ieire. Acest lucru determin deplasarea membranei, i
odat cu ea i a supapei n sus/jos, i n consecin micorarea/creterea
seciunii de curgere prin echipament, i deci adaptarea debitului de
ieire la valoarea celui cerut de sistemul
deservit de echipament.
n cazul n care consumul de debit devine zero, seciunea de
curgere prin echipament devine nul. Eventualele scpri de aer
(datorate unor imperfeciuni ale etanrii n zona scaun - supap) pot
determina creterea presiunii de ieire. n aceast situaie membrana m
se deplaseaz n sus, i cum deplasarea supapei Sp i a tijei t nu mai
este posibil (este mpiedicat mecanic), tija t pierde contactul cu
scaunul prelucrat n talerul inferior U (fig.4.27 i 4.28 b),
realizndu-se n acest fel (prin orificiile o1 i o2) punerea n legtur
cu atmosfera a circuitului din aval de echipament i deci n acest
fel eliminarea surplusului de aer i meninerea constant la valoarea
pe0 a presiunii de ieire.
Fig.4.28
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 25
n figura 4.28 este prezentat o seciune printr-un asemenea
echipament, n cazul n care debitul cerut de consumator este relativ
mare, regulatorul trebuie dimensionat ca atare; aceasta
nseamn c seciunea de curgere prin regulator este de valoare
mare, iar pentru reglarea presiunii de ieire este necesar un arc
adecvat. Opiunea pentru un arc puternic conduce la reducerea
sensibilitii regulatorului. n aceast situaie, precum i n cazul n
care operaia de reglare a presiunii de ieire trebuie realizat de la
distan, fora elastic de referin este nlocuit cu o for de presiune
de referin obinut cu ajutorul unui regulator de presiune acionat
manual, numit regulator pilot.
n figura 4.29 este prezentat o seciune printr-un regulator de
presiune pilotat.
La aceast construcie, arcul 1 este folosit numai pentru a menine
n contact supapa 2 cu scaunul prelucrat n corp atunci cnd
echipamentul nu este alimentat.
Presiunea de pilotaj se instaleaz n camera 4 i se exercit pe
ansamblul format din cele dou membrane 5. Fora de presiune creat
astfel nlocuiete fora de pretensionare a arcului ntlnit la
construciile nepilotate.
Fig.4.29
4.4.4. Ungtoare Aceste echipamente au rolul funcional de a
pulveriza n masa de aer comprimat furnizat
sistemului de acionare o cantitate minim de ulei necesar ungerii
garniturilor i elementelor mobile din echipamentele sistemului, n
funcie de fineea picturilor de ulei pulverizate n masa de aer se
disting dou tipuri de ungtoare: ungtoare cu pulverizare obinuit (cu
cea de ulei) i ungtoare cu pulverizare fin (cu microcea de
ulei).
Dei soluiile constructive ale celor dou ungtoare sunt diferite,
totui funcionarea lor se bazeaz pe acelai principiu.
n cazul ungtoarelor cu pulverizare obinuit picturile de ulei
sunt mari (mai mari de 5 m) n timp ce la cele cu pulverizare fin
picturile au dimensiuni mai mici i sunt mai uniform distribuite n
masa de aer comprimat. Schema de principiu a unui ungtor cu
pulverizare obinuit este prezentat n figura 4.30 a, n timp ce n
figura 4.31 este prezentat o seciune printr-un echipament de acest
tip. Principiul de funcionare se bazeaz pe efectul Venturi, n care
se exploateaz depresiunea creat la trecerea aerului comprimat
printr-o seciune restrictiv Ra.
Fig.4.30
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 26
Datorit acestei restricii presiunea P1 (fig.4.30 a) este mai
mare dect presiunea P2, lucru ce favorizeaz urcarea uleiului din
rezervorul r n conducta c; acest ulei, al crui debit poate fi
reglat cu ajutorul droselului Ru, ajunge n zona restrictiv unde
este antrenat de aerul comprimat ce curge aici cu o vitez foarte
mare.
Ungtoarele sunt prevzute n general cu vase transparente
(fig.4.31, poz.5) pentru a putea observa n permanen nivelul de ulei
din rezervor. De asemenea, la partea superioar a ungtorului exist o
cupol (poz.8) confecionat tot dintr-un material transparent care
permite vizualizarea picturilor de ulei generate.
Datorit turbulenei aerului n aval de ungtor, picturile de ulei
tind s se asocieze i s se depun pe peretele interior al conductei
de legtur dintre ungtor i consumatorul deservit de acesta. Din
acest motiv un ungtor cu pulverizare obinuit pentru a fi eficient
trebuie s fie montat n imediata vecintate a consumatorului (n orice
caz la o distan mai mic de 5 ... 6 m) i ntr-un punct ct mai nalt n
raport cu acesta.
Ungtoarele cu pulverizare fin au schema de principiu reprezentat
n figura.4.30 b. Spre deosebire de schema unui ungtor cu
pulverizare obinuit, aici exist dou circuite de aer care leag
orificiul de intrare i cu cel de ieire e, i anume: - circuitul
principal 1- x -2, circuit ce conine seciunea restrictiv x (un
circuit identic cu cel ntlnit n cazul ungtoarelor cu pulverizare
normal); pe acest traseu trece cea mai mare cantitate de aer;
- circuitul secundar 1 - z - 4 - b - 6 - 2; debitul de aer ce
urmeaz acest traseu trece mai nti prin seciunea restrictiv z , unde
are loc prima pulverizare a uleiului; existena acestui debit este o
consecin a faptului c ntre seciunile 1 i 2 exist o diferen de
presiune creat de restricia x.
Rezervorul de ulei se gsete sub circuitul principal de aer.
Uleiul din acest rezervor este pus n legtur prin intermediul unei
conducte cu cavitatea c , situat deasupra circuitului principal de
aer; aceast cavitate comunic att cu seciunea restrictiv z ct i cu
cavitatea b. Uleiul care ajunge n zona restriciei z este pulverizat
de curentul de aer, a crui vitez de curgere n aceast seciune este
foarte mare, dup care ajunge n rezervor, n volumul determinat de
pereii rezervorului i suprafaa uleiului; la intrarea n rezervor,
amestecul aer - ulei se destinde, iar picturile mai mari de ulei
cad n rezervor. n masa de aer rmn n suspensie numai picturile de
ulei foarte fine, care formeaz o cea de ulei, ce este antrenat prin
orificiul de ieire 6 n fluxul principal de aer. Aici curentul de
aer provoac o nou pulverizare, i mai ales o distribuie uniform a
picturilor de ulei n suspensie n toat masa de aer.
O alt caracteristic a acestui tip de ungtor este aceea c aici
debitul de ulei este reglat indirect, prin intermediul unui circuit
de aer care leag cavitatea b cu cavitatea c; debitul de aer pe
acest circuit este reglat prin intermediul droselului R. n acest
fel se elimin pericolul care exist n cazul n care droselul ar fi
montat direct pe circuitul de ulei, i anume acela de obturare a
droselului, drosel ce controleaz seciuni de curgere foarte
fine.
Ungtoarele cu pulverizare fin se folosesc cu precdere atunci cnd
amplasarea echipamentului nu se poate face n imediat apropiere a
elementelor ce trebuie unse sau cnd sistemul deservit de ungtor are
o complexitate ridicat (multe coturi, strangulri etc). i n acest
caz picturile de ulei se pot asocia i apoi depune pe pereii
interiori ai conductelor, numai c acest lucru se produce dup o
distan de 25 ... 30 m de ungtor. Acest tip de ungtor are o
eficacitate redus n cazul echipamentelor la care echipajele mobile
au curs mic, iar schimbarea sensului de micare se face rapid; n
asemenea cazuri picturile de ulei din aer nu
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 27
au timp s se depun pe suprafeele ce trebuie unse, ele fiind
evacuate din echipament odat cu aerul.
Fig.4.31
4.4.5. Dispozitive de alimentare progresiv Fig.4.32
n timpul funcionrii unui sistem de acionare pneumatic exist
situaii n care la un moment dat ntregul sistem este pus n legtur cu
atmosfera. Asemenea cazuri pot s apar dup o urgen, sau dup
terminarea unui ciclu de
lucru. Punerea sub presiune a sistemului poate cauza micri brute
i imprevizibile ale organelor mobile ale motoarelor din sistem.
Acest fenomen este favorizat i de faptul c unele elementele mobile
ale echipamentelor sistemului pot fi n poziii necontrolabile.
Iat de ce este de dorit ca reconectarea sistemului s se fac
progresiv, la nceput cu un debit mic, care s determine creterea
lent a presiunilor n camerele active ale motoarelor din sistem; n
acest fel se realizeaz ntoarcerea lent a organelor active ale
motoarelor din poziii intermediare n poziiile de referin. Pentru a
realiza acest lucru au fost concepute dispozitive speciale numite
dispozitive de alimentare progresiv. Schema de principiu a unui
asemenea dispozitiv este prezentat n figura 4.32. Se observ c
dispozitivul este format dintr-un distribuitor 2/2, cu poziie
preferenial, comandat pneumatic, i dintr-o rezisten fix. n situaia
n care sistemul din aval este oprit (pus n legtur cu atmosfera),
datorit arcului distribuitorul materializeaz poziia (0) , poziie n
care seciunea de curgere prin distribuitor este blocat. Pentru a
conecta sistemul se deschide robinetul grupului de alimentare,
robinet montat la intrarea n grup, situaie n care la intrarea n
dispozitiv exist presiune; ntr-o prim etap aerul curge ctre
sistemul deservit de grup prin rezistena fix a dispozitivului;
datorit acestei rezistene umplerea sistemului i deci creterea
presiunii n sistem se va face progresiv, pn la valoarea nominal,
situaie n care distribuitorul comut n poziia (1); n acest moment
sistemul este alimentat printr-o seciune egal cu seciunea nominal
de curgere.
4.4.6. Structuri de grupuri de pregtire a aerului comprimat
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 28
Echipamentele descrise n paragrafele anterioare pot fi utilizate
fie singular, fie grupate n
diferite structuri.
n tabelul 4.6 sunt prezentate pentru fiecare dintre aceste
echipamente o vedere a sa i simbolul corespunztor.
n paragraful 4.4.1 (fig.4.24) a fost prezentat un grup de
pregtire cu o structur standard (robinet, filtru, regulator de
presiune, ungtor).
n continuare, n figurile 4.33 i 4.34 sunt prezentate alte dou
exemple de grupuri de pregtire a aerului comprimat. Grupul din
figura 4.33 poate livra sistemului deservit:
- aer nelubrifiat, la presiunea Pr,
- aer lubrifiat, la presiunea Pr,
aer uscat, la o presiune joas P2. Tabelul 4.6
Fig.4.33
Pentru aceasta, n componena grupului exist: - un prim grup de
echipamente format dintr-un robinet R i modulul filtru + regulator
de presiune F+RP; aici se realizeaz filtrarea aerului i reglarea
presiunii Pf , - un al doilea regulator de presiune RP* care
regleaz presiunea joas P2; - un ungtor U care realizeaz lubrifierea
aerului pe care l furnizeaz echipamentelor din sistem care lucreaz
cu aer lubrifiat.
n afara acestor echipamente, grupul trebuie s conin dou blocuri
de derivaie BD1 i BD2 care permit conectarea regulatorului de joas
presiune RP* i a ungtorului U.
n figura 4.33 b este redat schema cu simboluri a grupului
prezentat mai sus. n figura 4.34 este prezentat un alt grup de
pregtire a aerului care are n structura sa: - dou filtre F1 i
F2;
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 29
- un regulator de presiune RP;
- un bloc de derivaie BD care permite alimentarea echipamentelor
din sistem ce funcioneaz cu aer nelubrifiat;
- un ungtor U; - un robinet R;
- un dispozitiv de alimentare progresiv DAP.
Fig.4.34
4.5. Motoare pneumatice
4.5.1. Introducere
Ca i motoarele hidraulice (paragraful 3.2) motoarele pneumatice
au rolul funcional de a transforma energia fluidului (aici aer
comprimat) ntr-o energie mecanic pe care o transmit prin organele
de ieire mecanismelor acionate. Dup tipul procesului de
transformare a energiei pneumatice n energie mecanic motoarele
pneumatice se mpart n: - motoare pneumostatice sau volumice; la
aceste motoare procesul de transformare are loc pe
baza modificrii permanente a unor volume delimitate de prile
mobile i prile fixe ale camerelor active ale motorului;
- motoare pneumodinamice, cunoscute i sub denumirea de turbine
pneumatice; la aceste motoare energia pneumostatic a mediului de
lucru este transformat ntr-o prim etap n energie cinetic, care apoi
este la rndul ei transformat n energie mecanic.
n sistemele de acionare pneumatice n marea majoritate a
cazurilor motoarele folosite sunt motoare volumice. Este motivul
pentru care n cele ce urmeaz vor fi prezentate numai aceste
motoare.
Organul de ieire al unui motor pneumatic poate fi o tij sau un
arbore. n primul caz organul de ieire are o micare rectilinie
alternativ (cazul cilindrilor i camerelor cu membran), n timp ce n
cel de-al doilea caz micarea acestuia este fie de rotaie alternativ
(cazul motoarelor oscilante), fie de rotaie pe un unghi nelimitat
(cazul motoarelor rotative).
Un alt criteriu de clasificare a motoarelor pneumatice l
reprezint modul n care se realizeaz micarea organului de ieire; dup
acest criteriu se disting: motoare cu micare continu i motoare cu
micare incremental.
Tot n aceast familie, a motoarelor pneumatice, se pot ncadra i
motoarele pneumo - hidraulice, la care micarea organului de ieire
este controlat prin intermediul unui circuit hidraulic
auxiliar.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 30
4.5.2. Motoare pneumatice liniare
Aa cum s-a artat n paragraful anterior, aceste motoare transform
energia pneumatic n energie mecanic pe care o transmit prin organul
activ de ieire - tija motorului - mecanismelor acionate. Micarea
organului de ieire are loc ntre dou poziii limit, stabilite
constructiv sau funcional, ce definesc cursa motorului.
4.5.2.1. Motoare pneumatice liniare de construcie clasic Aceste
motoare din punct de vedere constructiv - funcional nu difer
semnificativ de
cele hidraulice (paragraful 3.2.7). Diferenele care apar,
valabile de altfel pentru toate echipamentele pneumatice, se refer
la urmtoarele aspecte: etanarea camerelor active se face ntotdeauna
cu elemente de etanare nemetalice; datorit vscozitii reduse a
mediului fluid de lucru, n cazul motoarelor pneumatice nu se poate
realiza o etanare "vie" sau o etanare cu segmeni metalici, aa cum
se ntmpl uneori n hidraulic; materialele folosite pot avea
proprieti mecanice mai modeste, iar dimensiunile (grosimi de perei,
seciuni transversale etc.) unora dintre elementele constructive
sunt mai reduse datorit solicitrilor mai mici care apar ca o
consecin a presiunilor de lucru, limitate la 10 ... 12 [bar]; nu de
puine ori n construcia acestor motoare se ntlnesc aliaje pe baz de
aluminiu.
Cele prezentate n paragraful 3.2.7 privind clasificarea,
simbolizarea i parametrii tehnico - funcionali ai motoarelor
hidraulice i pstreaz i aici valabilitatea.
Dup modul n care sunt separate cele dou camere funcionale
motoarele pneumatice se pot clasifica n:
- cilindri (fig.4.35 a, b i c): la aceste motoare separarea se
face prin intermediul unui piston 3, iar etanarea se realizeaz prin
intermediul unor garnituri nemetalice 7;
- camere ca membran (fig.4.35 d): la aceste motoare rolul
pistonului este preluat de o membran nemetalic 8, care realizeaz i
etanarea celor dou camere.
Din punct de vedere constructiv motoarele pneumatice liniare
sunt formate din dou subansambluri principale:
subansamblul carcas: format din cmaa 1 i capacele 2 i .5;
subansamblul piston: format din pistonul 3 i tija 4.
n funcie de subansamblul ce se deplaseaz, motoarele pneumatice
liniare se pot clasifica n:
- motoare cu carcas fix i piston mobil (fig.4.35 a, b); -
motoare cu carcas mobil i piston fix (fig.4.35 c).
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 31
Fig. 4.35
Se prefer ca orificiile s se execute n subansamblul fix al
motorului. Deplasarea subansamblului mobil se poate realiza:
- sub efectul aerului sub presiune n ambele sensuri de micare; n
acest caz se spune c motorul este cu dubl aciune (fig.4.35 b i c);
pentru deplasarea n sensul vitezei v1 (fig.4.35 b) - ctre dreapta
se alimenteaz cu aer sub presiune camera C1 i se pune n legtur cu
atmosfera camera C2, pentru deplasarea n sensul vitezei v2 - ctre
stnga se alimenteaz cu aer sub presiune camera C2 i se pune n
legtur cu atmosfera camera C1;
- sub efectul aerului sub presiune ntr-un sens, iar n cellalt
sens: - sub aciunea unui arc (fig.4.35 a i d); - sub efectul
greutii proprii a ansamblului mobil, situaie n care motorul trebuie
s
lucreze n poziie vertical; - sub aciunea mecanismului antrenat;
n acest caz se spune c motorul este cu simpl aciune. n cazul
motoarelor cu dubl aciune se pot ntlni dou situaii: - cnd cele dou
suprafee active S 1 i S2 sunt egale (fig.4.35 c); n acest caz se
spune c
motorul este cu tij bilateral sau c acesta este nediferenial;
vitezele (v1 i v2) i forele
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 32
dezvoltate (Fa i Fr) sunt egale dac alimentarea celor dou camere
active se face n aceleai condiii (acelai debit i aceeai
presiune);
- cnd cele dou suprafee active S1 i S2 sunt diferite (fig.4.35
b); n acest caz se spune c motorul este cu tij unilateral sau c
acesta este diferenial; pentru un asemenea motor v1 < v2 i Fa
> Fr atunci cnd alimentarea celor dou camere se face n aceleai
condiii.
Una dintre problemele ce apar la aceste motoare este cea a
opririi la capetele de curs. Aici, n urma impactului dintre
ansamblul mobil i capace, apar ocuri mecanice care solicit dinamic
elementele constructive ale motorului. Pentru eliminarea acestei
deficiene exist urmtoarele soluii:
- dac viteza de deplasare i sarcina nu sunt foarte mari se poate
amortiza impactul cu ajutorul unor inele 1, montate pe pistonul 4 ,
ca n figura 4.36; exist i posibilitatea utilizrii n acelai scop a
unor arcuri elicoidale sau arcuri taler;
Fig.4.36 - de cele mai multe ori se opteaz pentru o frnare
realizat pe cale pneumatic, prin micorarea seciunii de evacuare n
apropierea capacului; n figura 4.37 este prezentat principial
aceast soluie; practic, n apropierea capului de curs se ntrerupe
evacuarea pe traseul obinuit i aerul din volumul V este evacuat
prin seciunea controlat de droselul 2; pentru a nu diminua fora
dezvoltat de presiune n faza de pornire se folosete supapa de sens
3; frnarea se poate realiza la un singur capt (fg.4.37 a) sau la
ambele capete (fig.4.37 b i c) i poate fi fix (fig.4.37 a i b) sau
reglabil (fig.4.37 c); - cnd energia care trebuie amortizat este
prea mare, se recurge la amortizoare externe de tip hidraulic.
Fig.4.37
Legend: 1 - buc de frnare, 2 - drosel, 3 - supap de sens
unic
n figura 4.38 este prezentat o materializare a schemei de
principiu din figura 4.37.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 33
Fig. 4.38
n cazul motoarelor pneumatice liniare cursa de lucru poate fi
modificat, folosind n acest scop opritori mecanici. n asemenea
situaii frnarea trebuie s fie extern. Oprirea ansamblului mobil n
poziiile limit se poate realiza cu destul precizie, n schimb
oprirea n poziii intermediare, prin nchiderea camerelor active,
este mult mai imprecis datorit compresibilitii mediului de lucru.
Totodat, ceilali parametri ai micrii (viteza i acceleraia) sunt
dificil de controlat, fiind influenai de o serie de factori
variabili n timpul funcionrii, cum sunt: presiunea i debitul de
alimentare, forele rezistente, masa inerial redus etc.
Pentru prinderea motorului n structura mecanica pe care multe
posibiliti, aa cum se arat n figura 4.39.
Legenda:
1 - talpa
2 - flan capac piston 3 - flan capac tija 4 - ochi capac
piston
5 - ochi de mijloc
6 - ochi capac tija
Fig.4.39
n continuare sunt prezentate cteva soluii constructive de
asemenea motoare, dup cum urmeaz:
- n figura 4.40 a un motor pneumatic liniar cu simpl aciune,
fabricat de firma Martonair; n acest caz, avansul ansamblului mobil
(format din tija 2 i pistonul format din piesele 5 i 10) se
realizeaz sub efectul presiunii, iar revenirea, sub aciunea arcului
8; pentru alimentarea acestui motor se folosete un distribuitor
3/2, ceea ce constituie de fapt avantajul principal al acestui tip
de motor; ca dezavantaje se pot aminti: cursa limitat, consecin a
existenei arcului i pierderea unei pri din fora util pentru
deformarea arcului;
- n figura 4.40 b un motor pneumatic liniar cu tij bilateral, fr
frnare la capetele de curs, fabricat de firma Martonair;
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 34
Fig.4.40
- n figura 4.41 un motor pneumatic liniar diferenial (cu tij
unilateral), fr frnare la capetele de curs, fabricat de firma
Festo;
- n figura 4.42 un motor pneumatic liniar diferenial (cu tij
unilateral), cu frnare la capetele de curs, fabricat de firma
Festo.
Fig.4.42
Alegerea cilindrilor, recomandri privind utilizarea acestora. n
multe aplicaii industriale se poate opta pentru un cilindru
tipizat, care se alege din
cataloagele firmelor productoare, astfel nct principalele
caracteristici tehnico - funcionale s corespund scopului urmrit. De
altfel, exist multe firme productoare de echipamente pneumatice de
automatizare (FESTO, SMC, MARTONAIR, BOSCH etc), care pun la
dispoziia utilizatorilor cataloage complete cu echipamentele
fabricate, unde sunt precizate pentru construciile promovate
dimensiunile constructive principale, parametrii tehnico -
funcionali, recomandri privind utilizarea produselor respective
etc. Pentru alegerea cilindrului trebuie mai nti precizate:
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 35
- fora ce trebuie dezvoltat de motor; - viteza de deplasarea; -
cursa; - modul de montare a motorului n structura mecanic i
restriciile privind gabaritul i
greutatea motorului.
Predimensionarea cilindrului i apoi alegerea din catalog poate s
urmeze, cu mici adaptri, algoritmul prezentat n paragraful
3.2.7.
n cele ce urmeaz se prezint a alt modalitate de alegere a
cilindrilor pneumatici. Metoda presupune ca pornind de la valoarea
forei ce trebuie dezvoltate de motor, s se determine mai nti
diametrul pistonului. Trebuie inut seama de faptul c o parte din
fora de presiune este pierdut pentru a nvinge forele de frecare
existente. La cilindrul cu simpl aciune este necesar s se in seama
i de fora consumat prin comprimarea arcului. n cazul unui astfel de
cilindru, notnd cu p1 presiunea din camera activ, cu S 1 seciunea
pistonului, cu Ff fora de frecare i cu Fa fora datorat arcului (for
proporional cu deplasarea ansamblului mobil) se poate scrie
expresia forei utile:
F=p1S1-Ff Fa n cazul unui cilindru cu dubl aciune dac se noteaz
cu p1 presiunea din camera de
descrcare i cu S2 seciunea pe care acioneaz aceast presiune se
poate scrie expresia forei utile:
F=p1S1-p2S2 Ff Se face precizarea c n expresiile (4.2) i (4.3)
presiunile p1 i p2 sunt presiuni relative;
totodat, aceste expresii sunt valabile numai n regim de micare
stabilizat. n fazele de accelerare i frnare a micrii trebuie inut
seama i de forele ineriale.
Referitor la valorile orientative ale presiunilor din camerele
active ale motorului, n
calculele de predimensionare, se poate considera:
- p1 0.8 p , unde p reprezint presiunea de alimentare; nu se
lucreaz cu aceast presiune deoarece trebuie inut seama de
pierderile de sarcin existente pe circuitul de alimentare a
motorului;
- p2 =0,2...0,4 [bar] . Forele de frecare sunt dependente de
tipul de garnitur folosit pentru etanarea
pistonului i a tijei i de condiiile de utilizare. Condiiile de
ungere i de gresare pot s reduc considerabil valorile forelor de
frecare.
La iniializarea micrii trebuie nvinse i forele de aderen
(paragraful 2.4.2) care sunt mai mari chiar dect forele de frecare;
aceste fore cresc semnificativ dac pistonul rmne oprit ntr-o anumit
poziie un timp mai ndelungat. Pentru a ine cont de forele de
frecare (termenul Ff) se reduce procentual fora teoretic maxim de
presiune p 1 S 1 cu 10 ... 20 %.
n tabelul 4.7 sunt indicate n [N] forele utile dezvoltate de un
cilindru cu dubl aciune att pentru faza de avans ct i pentru cea de
revenire. Pentru determinarea valorilor din tabel s-a considerat c
forele de frecare reprezint 10 % din valoarea forei de presiune.
Determinrile s-au fcut pe baza relaiilor:
- pentru cursa de avans: Fa = [ N ] ;
- pentru cursa de revenire:
Fr = [ N ] , unde d reprezint diametrul alezajului
cilindrului
(egal cu diametrul pistonului),
iar d, diametrul tijei. Dimensiunile alezajelor corespund celor
unificate de norma UNI ISO
3320.
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 36
Tabelul 4.7 d d, Micarea Presiunea p1 [bar]
[mm] [mm] 2 4 6 8 10 1 2 14
8 4 avans 9.0 18.0 26.9 35.9 45 53.8 62.7
retragere 6.7 13.4 20.2 26.9 34 40.3 47
10 4 avans 14 28 42 56 70 84 98
retragere 11.8 23.5 35.8 47 59 70.6 180.3
12 6 avans 20.2 40.3 60.5 80.6 100.8 121 141.1
retragere 15.1 30.2 45.4 60.5 75.6 90.7 105.8
16 6 avans 35.8 71.7 107.5 143.4 179.2 215 250.9
retragere 30.8 61.6 92.4 123.2 154 184.8 215.6
20 8 avans 56.5 113 170 226 283 339 396
retragere 47 94.1 141.1 188.2 235.2 282.2 329.3
25 12 avans 88.4 177 265 353 442 530 619
retragere 67.3 134.7 202 269.4 336.7 404 471.4
32 12 avans 145 290 434 579 724 869 1010
retragere 123.2 246.4 369.6 492.8 616 739.2 862.4
40 16 avans 226 452 679 905 1130 1360 1580
retragere 188.2 376.3 564.5 752.6 940.8 1129 1317
50 20 avans 353 707 1060 1410 1770 2120 2470
retragere 294 588 882 1176 1470 1764 2058
63 20 avans 561 1120 1680 2240 2810 3370 3930
retragere 499 999 1499 1998 2498 2998 3498
80 25 avans 905 1810 2710 3620 4520 5430 6330
retragere 809 1617 2426 3234 4043 4851 5660
100 32 avans 1410 2830 4240 5650 7070 8480 9900
retragere 1257 2513 3770 5027 6283 7540 8796
125 32 avans 2210 4420 6630 8840 11000 13300 15500
retragere 2044 4088 6132 8177 10221 12265 14309
Pentru o predimesionare rapid a unui cilindru pneumatic se pot
folosi o serie de grafice, puse la dispoziie de firmele
productoare. Spre exemplificare, firma Festo pune la dispoziia
potenialilor beneficiari familiile de curbe din figurile 4.43, 4.44
i 4.45, care reprezint:
F = f ( d ) pentru diferite valori ale presiunii de alimentare -
figura 4.43;
aceste curbe au fost trasate pornind de la expresia forei utile
dezvoltate de motor pe cursa de avans;
Fk= f ( c ) pentru diferite valori ale diametrului tijei dt,
unde c reprezint cursa, iar Fk fora de flambaj - figura 4.44;
aceste curbe au fost trasate pornind de la expresia forei de
flambaj:
(4.4)
unde E reprezint modulul de elasticitate, J momentul de inerie,
l lungimea de flambaj, s un factor de siguran; lungimea de flambaj
s-a considerat pentru cazul cel mai defavorabil - cilindru dublu
articulat, situaie n care l= 2 c, iar factorul de siguran s s-a
considerat egal cu 5;
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 37
Fig.4.43
Fig.4.44
- q= f ( d ) pentru diferite valori ale presiunii de alimentare,
unde q reprezint volumul de aer consumat la deplasarea pistonului
cu l [cm] - figura 4.45; aceste curbe au fost trasate
pornind de la expresia:
(4.5)
unde qa reprezint volumul de aer consumat pentru avansul
pistonului cu l[cm] , P presiunea absolut la intrarea n cilindru,
exprimat n [bar] , iar P0 = 1,013 [bar] .
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 38
Fig.4.45
Pentru a determina consumul de aer atunci cnd pistonul se
retrage cu l [cm] se
folosete relaia:
(4.6)
n aceste condiii volumul de aer consumat pentru ca pistonul s
realizeze un ciclu complet este: q=(q a + q a c)[ l]
unde c reprezint cursa de lucru, exprimat n centimetri. Se poate
exprima acum debitul de aer consumat de un motor liniar:
Q = q n [l/min] (4.7)
unde n reprezint numrul de cicluri efectuate de piston ntr-un
minut. n continuare, pentru a evidenia modul de utilizare a
nomogramelor de mai sus, se
predimensioneaz un cilindru pneumatic pentru care se cunosc: -
valoarea forei utile: F = 600 [N] ; - cursa de lucru: c = 600
[mm];
- valoarea maxim a presiunii de lucru: p = 6 [bar]. Rezolvarea
acestei probleme presupune parcurgerea urmtoarelor etape:
a. pe nomograma din figura 4.43 se identific punctul de
funcionare "A" la intersecia verticalei corespunztoare forei de 600
[N] cu dreapta oblic corespunztoare presiunii de 6 [bar]; ducnd o
linie orizontal prin punctul A se determin diametrul alezajului
cilindrului d&35 [mm]; cum aceast valoare nu face parte din
irul de valori unificate prin norma UNI ISO 3320 se alege pentru
diametrul alezajului valoarea imediat superioar de 40 [mm]; cu un
cilindru avnd acest diametru fora precizat prin tem se obine cu o
presiune p = 5 [bar] (valoare determinat tot cu ajutorul nomogramei
din fig.4.43);
b. pe nomograma din figura 4.44 se determin punctul de
funcionare "B" la intersecia verticalei corespunztoare forei de 600
[N] cu dreapta orizontal corespunztoare cursei de 600 [mm]; acest
punct corespunde unui diametru al tijei d, - 14,3 [mm]; cum aceast
valoare nu face parte din irul de valori stabilite de norma
amintit, se alege valoarea imediat superioar, deci dt = 16
[mm];
c. cu ajutorul nomogramei din figura 4.45 se stabilete consumul
de aer; se localizeaz mai nti punctul de funcionare "C" la
intersecia orizontalei corespunztoare diametrului alezajului d = 40
[mm] cu dreapta oblic corespunztoare presiunii de lucru p = 5
[bar]; pe verticala cobort din acest punct se citete volumul de aer
consumat la avansul pistonului cu 1 [cm], i anume qa =0,065 [IJ;
pentru a stabili consumul de aer la retragerea pistonului cu 1 [cm]
se determin cu ajutorul nomogramei volumul de aer care corespunde
volumului ocupat
-
Curs ACTIONRI PNEUMATICE scanat de Ungureanu Marin 39
de tij; pentru dt = 16[mm] i p = 5 [bar] rezult q = 0,01 [ l] ,
iar volumul de aer consumat la retragerea pistonului cu 1 [cm] va
fi:
q, = qa - q = 0,065 - 0,01 = 0,055 [l].
Pentru determinarea acestui volum se poate proceda i altfel: -
se determin mai nti un diametru echivalent, cu relaia:
de = =37 [mm];
- pentru aceast valoare i la o presiune de 5 [bar] din nomograma
se citete direct: qr = 0,055 [ l] .
Cele dou valori, pentru qa i qr se pot determina exact cu
ajutorul relaiilor (4.5) i (4.6); pe aceast cale se gsete:
qa =0,063 [ l]
qr = 0,053 [ l] ;
ntre aceste valori i cele citite din nomograma exist o diferen
datorat n primul rnd erorilor de citire fcute.
Pentru un ciclu complet de lucru consumul de aer va fi:
q=( 0,063 + 0,053) -60 =6,96 [ l ] .
Trebuie remarcat faptul c necesarul consumului de aer al
cilindrului este o dat important, deoarece pe baza lui se
dimensioneaz conductele de legtur.
n sistemele pneumatice de automatizare, n mod uzual presiunea
relativ de lucru este de 5...6 [bar] .
n ceea ce privete cursa de lucru la cilindrii cu simpl aciune nu
depete 100...200 [mm] , n timp ce la cilindrii cu dubl aciune n mod
obinuit cursa este de 12 [m] ; cilindrii de construcie special pot
avea curse de pn la 5...6 [m] .
Viteza de deplasare a pistonului i deci i a sarcinii antrenate
poate varia n intervalul 0,2 ... 2 [m/s] . n cazuri speciale se
poate atinge 3...5 [m/s] .
4.5.2.2. Motoare pneumatice liniare de construcie special Pentru
a satisface o gam ct mai larg de aplicaii, n afara construciilor
deja prezentate
(construcii clasice) au fost concepute i realizate o serie de
motoare cu o construcie special, numite n cele ce urmeaz motoare
speciale. Un asemenea motor rspunde unor cerine speci