NAP
D ROBOTÓW
NAP
DY PNEUMATYCZNE
I HYDRAULICZNE
ProwadzÄ…cy:
dr hab. in\
. Krzysztof Pieńkowski
Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki
Wrocławskiej
[e-mail]
LITERATURA
Szenajch W.: Napęd i sterowanie pneumatyczne. WNT,
Warszawa, 1997.
Tomasiak E.: Napędy i sterowania hydrauliczne i
pneumatyczne. Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej,
Gliwice, 2001.
Osiecki A.: Hydrostatyczny napęd maszyn. WNT,
Warszawa, 1998.
Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny. T.I. Elementy, T.II.
Układy. WNT, Warszawa, 1995.
NAP
D PNEUMATYCZNY
Napęd pneumatyczny - jest to napęd, w którym następuje
przetwarzanie energii sprÄ™\
onego powietrza na energiÄ™
mechanicznÄ…, wykorzystywanÄ… do wprawiania w ruch
mechanizmów roboczych.
NAP
D HYDRAULICZNY
Napęd hydrauliczny - jest to napęd, w którym następuje
przetwarzanie energii cieczy hydraulicznej na energiÄ™
mechanicznÄ…, wykorzystywanÄ… do wprawiania w ruch
mechanizmów roboczych.
NAP
D PNEUMATYCZNY
 Pneumos (w języku greckim) = wiatr, oddech, dusza.
Pneumatyka - nauka o ruchu powietrza i jego własnościach.
Współczesna pneumatyka zajmuje się wykorzystaniem sprę\
onego
powietrza do transmisji energii.
SprÄ™\
one powietrze jest jedną z najstarszych form energii, którą zna
ludzkość.
NAP
D PNEUMATYCZNY  Rys historyczny
Pierwsze wzmianki o wykorzystaniu sprÄ™\
onego powietrza pochodzą z około 2500
r. p.n.e.
W I wieku naszej ery pojawiły się pierwsze opisy zastosowań nagrzanego powietrza
do napędzania ró\
nych urządzeń.
Grek Ktesibios jest pierwszą znaną osobą, który wykorzystał moc pneumatyczną w
skonstruowanej i zbudowanej wyrzutni katapultowej.
W XVII w. pneumatyka stała się nauką rozwijaną przez wielu badaczy.
NAP
D HYDRAULICZNY  Rys historyczny
Ruch cieczy oraz ciecz pod ciśnieniem były wykorzystywane przez człowieka do
wykonywania pracy od wielu lat. Pierwsze prawa na których opiera się technika
hydrauliczna sformułowali Pascal i Bernoulli.
Pascal odkrył \
e ciśnienie wewnątrz cieczy, wywołane działaniem sił
zewnętrznych ma jednakową wartość we wszystkich punktach cieczy.
Natomiast Bernoulli stwierdził 100 lat po Pascalu, \
e w ruchu ustalonym cieczy,
energia jednostki masy jest stała w ka\
dym punkcie strugi cieczy.
Blaise Pascal Daniel Bernoulli
(1623-1662) (1700-1782)
NAP
D HYDRAULICZNY  Rys historyczny
Pierwsze zastosowania przemysłowe
W 1882 r. w Londynie zbudowano układ hydrauliczny, który przekazywał
wodę pod ciśnieniem przez główne rury pod ulicami do maszyn fabrycznych.
W 1906 r. zastosowano olejowy system hydrauliczny na statku USS Virginia,
który słu\
ył do poruszania działami okrętowymi.
W latach dwudziestych XX wieku powszechne stały się jednostki
hydrauliczne składające się z pomp, silników i układu sterowania, co
umo\
liwiło ich wprowadzenie do narzędzi, maszyn przemysłowych i
rolniczych, samolotów itp.
CIÅšNIENIE I SIA
A
F
p =
Ciśnienie p:
S
F
F = p Å" S
Siła F:
F  wartość siły; S  powierzchnia działania siły;
Stosowane jednostki ciśnienia:
1 Pa = 1 paskal = 1 N/m2
1 bar = 100 000 N/m2 =100 kPa
S
p
1 psi = 1 pound/square/inch = 7.03 kPa
1 bar = 14.50 psi
1 kG/cm2 = 0.981 bar =98.1 kPa
PRZETWARZANIE ENERGII SPR
śONEGO
POWIETRZA NA ENERGI
MECHANICZN

W napędach pneumatycznych energia sprę\
onego powietrza jest
przetwarzana na energię mechaniczną, wykorzystywaną następnie do
wprawiania w ruch mechanizmów roboczych.
Do tego rodzaju przetwarzania energii stosowane są następujące
przetworniki:
siłowniki pneumatyczne;
silniki pneumatyczne.
Siłowniki pneumatyczne są stosowane w przypadku konieczności uzyskiwania
małych przesunięć napędzanego mechanizmu, najczęściej liniowych (przy małych
wartościach mocy napędowych).
Silniki pneumatyczne są stosowane w przypadku konieczności uzyskiwania
długotrwałego ruchu obrotowego napędzanego mechanizmu lub du\
ych
przesunięć (przy du\
ych wartościach mocy napędowych - do około 10 kW).
Konstrukcja i działanie siłownika pneumatycznego
1
3
2
a)
F
p1
p2
b)
F
p1
p2
F
p1
c)
4
Zasada działania siłowników pneumatycznych tłokowych:
a),b) dwustronnego działania; c)jednostronnego działania (ze sprę\
ynÄ… zwrotnÄ…):
1-tłok; 2-tłoczysko; 3-cylinder; 4-sprę\
yna zwrotna
Schemat blokowy
pneumatycznego układu napędowego
Pneumatyczny układ napędowy
Zespół
Zespół
Siłownik
przygotowania Zespół
Mechanizm
przewodów
lub silnik
sprÄ™\
onego sterujÄ…cy
roboczy
pneum.
pneum.
powietrza
Podstawowe zespoły w pneumatycznym układzie napędowym:
- zespół przygotowania sprę\
onego powietrza;
- zespół sterujący: elementy sterujące przepływem i ciśnieniem powietrza, układy
przełączające i sterowania programowego;
- zespół ciśnieniowych przewodów pneumatycznych;
- zespół przetwarzający energię sprę\
onego powietrza na energię mechaniczną (siłownik
lub silnik pneumatyczny);
- mechanizm roboczy.
Zalety sprÄ™\
onego powietrza jako z
ródła energii
powietrze jest łatwo i wszędzie dostępne, gdy\
stanowi
atmosferÄ™ ziemskÄ…;
powietrze jest bezpieczne w eksploatacji (nie stanowi
zagro\
enia po\
arowego lub wybuchowego);
po wykorzystaniu zawartej w nim energii powietrze jest
zwracane do otoczenia i nie stanowi zagro\
enia dla
zanieczyszczenia środowiska (brak konieczności podejmowania
starań dla zapewnienia du\
ej szczelności instalacji
pneumatycznych oraz wyeliminowania stanów awaryjnych);
łatwa i bezpieczna obsługa urządzeń pneumatycznych;
prosta konstrukcja elementów urządzeń pneumatycznych;
du\
a trwałość urządzeń pneumatycznych oraz łatwa wymiana
zu\
ytych części lub zespołów.
Wady sprÄ™\
onego powietrza jako z
ródła energii
du\
a ściśliwość powietrza (około 2000 razy większa ni\

oleju) - du\
a trudność uzyskiwania powolnych i płynnych ruchów
napędzanych mechanizmów roboczych;
bardzo du\
a hałaśliwość przy rozprę\
aniu - stÄ…d bardzo
du\
a hałaśliwość pracy mechanizmów z napędem pneumatycznym;
konieczność odpowiedniego przygotowania
sprÄ™\
onego powietrza  filtrowanie, osuszanie, smarowanie;
wysoki koszt wytwarzania sprÄ™\
onego powietrza - stacja
kompresorowa z odpowiednim wyposa\
eniem;
Przygotowanie sprÄ™\
onego powietrza
usunięcie z powietrza występujących w nim zanieczyszczeń;
zapewnienie właściwej, wymaganej wartości ciśnienia
powietrza;
wprowadzenie do powietrza czynników smarnych.
Powietrze oczyszczone powinno charakteryzować się następującymi
właściwościami:
" brak wody w postaci kropel;
" brak zanieczyszczeÅ„ mechanicznych o wielkoÅ›ci wiÄ™kszej od 5 µm, a udziaÅ‚
wagowy zanieczyszczeń mechanicznych nie mo\
e być większy od 0.7 mg/m3;
" brak obecności olejów oraz innych cieczy w postaci kropel.
Zespół przygotowania sprę\
onego powietrza
(stacja kompresorowa)
4
M
3~
7
8
1
3
2 6 9
7
5
5
1 - silnik elektryczny (najczęściej indukcyjny klatkowy);
2 - sprÄ™\
arka (agregat sprÄ™\
arkowy); 3 - zbiornik sprÄ™\
onego powietrza;
4 - filtr z odolejaczem; 5 - odwadniacze; 6 - stacja osuszania sprÄ™\
onego powietrza;
7 - filtr; 8 - reduktor ciśnienia; 9 - smarownica.
Filtr 7, reduktor ciśnienia 8 oraz smarownica 9 stanowią zwykle indywidualny układ
przygotowania sprÄ™\
onego powietrza umieszczony w pobli\
u odbiornika sprÄ™\
onego
powietrza.
SprÄ™\
arki
SprÄ™\
arka (kompresor)  jest to maszyna energetyczna, której
zadaniem jest podwy\
szenie ciśnienia gazu lub wymuszenie jego
przepływu (nadanie energii kinetycznej).
Podstawowy podział sprę\
arek obejmuje sprÄ™\
arki tłokowe, śrubowe
i spiralne oraz inne.
SprÄ™\
arki
SprÄ™\
arka tłokowa Sprę\
arka śrubowa Sprę\
arka Roots a
SprÄ™\
arka Å‚opatkowa SprÄ™\
arka wirowa
Zbiornik sprÄ™\
onego powietrza
Zbiornik sprÄ™\
onego powietrza jest
stosowany do magazynowania sprÄ™\
onego
powietrza oraz wyrównywania chwilowych
wahań ciśnienia (zachodzących w czasie
sprÄ™\
ania powietrza w sprÄ™\
arkach) i
zapewnienia stałego ciśnienia w punktach
poboru.
W zale\
ności od indywidualnych potrzeb i
mo\
liwości stosuje się:
zbiornik poziomy;
zbiornik pionowy;
zbiornik przenośny (np. z kołami
przystosowanymi do transportu oraz
zamontowania przenośnego kompresora).
Wyposa\
enie zbiornika sprÄ™\
onego powietrza
Podstawowe wyposa\
enie zbiornika
1. Wyłącznik ciśnieniowy do sterowania pracą
sprÄ™\
arki
2. Zawór odcinający po stronie zasilania -
umo\
liwia odłączenie zbiornika od kompresora
3. Zawór bezpieczeństwa,
4. Kołnierz kontrolny pomiaru ciśnienia
powietrza w zbiorniku
5. Manometr ciśnieniowy do kontroli ciśnienia
sprÄ™\
onego powietrza
6. Zawór odcinający (odłączający) odbiór
sprÄ™\
onego powietrza.
7.Zawór spustowy kondensatu.
Filtry powietrza
Zadaniem filtru powietrza jest usunięcie ze sprę\
onego powietrza cząstek stałych
i oleju.
Stacja osuszania powietrza
SprÄ™\
one powietrze ze stacji kompresorowej ma temperaturÄ™ wy\
szÄ… o 10÷15 ºC od temperatury
otoczenia. Przepływ tego powietrza do instalacji związany byłby ze stygnięciem i wykraplaniem
zawartej w nim pary wodnej. Dla wyeliminowania tego zjawiska stosowane jest osuszanie
sprÄ™\
onego powietrza, dokonywane w osuszaczu sprÄ™\
onego powietrza. W osuszaczu dokonywane
jest celowe oziębianie powietrza, a wykroplona wtedy woda jest automatycznie usuwana przez
specjalne zawory.
Zawory redukcyjne
Zawory redukcyjne słu\
Ä… do obni\
enia (zredukowania )
ciśnienia wejściowego do wartości ciśnienia nastawionej przez
obsługującego i następnie dość dokładnego utrzymywania tego
ciśnienia na zadanym poziomie, pomimo zmian ciśnienia
wejściowego i zmian natę\
enia przepływu powietrza przez
zawór.
Zawór redukcyjny
1 - Otwór doprowadzania sprę\
onego powietrza;
2 - Otwór wyprowadzania sprę\
onego powietrza o
zredukowanym ciśnieniu;
3 - Grzybek zaworowy;
4 - Membrana;
5 - Popychacz;
6 - Pokrętło nastawcze;
7 - SprÄ™\
yna;
8  Otwór w sztywniku membrany
9 - SprÄ™\
yna powrotna grzybka zaworowego
SprÄ™\
one powietrze do zaworu redukcyjnego jest doprowadzane otworem 1, a po
zredukowaniu ciśnienia wypływa otworem 2. Aby mo\
liwy był przepływ powietrza
przez zawór nale\
y za pomocą pokrętła 6 napiąć sprę\
ynÄ™ 7, co spowoduje obni\
enie
membrany 4 i za pomocą popychacza 5 przesunięcie w dół grzybka zaworowego 3. W
wyniku tego powstanie szczelina pomiędzy przylgnią zaworową w korpusie zaworu i
grzybkiem umo\
liwiająca przepływ powietrza do przestrzeni pod membraną i do
otworu wylotowego 2. Przesunięcie grzybka zaworowego w dół, spowoduje równie\

napięcie sprę\
yny powrotnej grzybka zaworowego 9. Szczelina pomiędzy grzybkiem i
przylgnią zaworową powoduje dławienie przepływu powietrza przez zawór oraz
spadek jego ciśnienia. Wahania ciśnienia w komorze pod membraną 4, powodują
podnoszenie lub obni\
enie membrany, a za tym odpowiednio zmniejszenie lub
powiększenie szczeliny pomiędzy przylgnią zaworową i grzybkiem.
Wykonany w sztywniku membrany otwór 8 umo\
liwia obni\
enie ciśnienia
wyjściowego gdy zawór zasila zbiornik. Zbyt du\
e ciśnienie w zbiorniku unosi
membranę 4 i otworem 8 wypływa do atmosfery a\
do momentu gdy zrówna się z
nastawionym.
Symbol graficzny
Smarowanie urządzeń pneumatycznych
W pneumatycznych układach napędowych w celu zapewnienia
smarowania ruchomych elementów pneumatycznego układu
napędowego stosuje się smarowanie - nasycanie sprę\
onego
powietrza olejem.
Smarowanie urządzeń pneumatycznych ma na celu:
zmniejszenie tarcia między współpracującymi powierzchniami,
zmniejszenia zu\
ycia trÄ…cych powierzchni,
usunięcie wody, skraplającej się w mechanizmach w rezultacie
obni\
enia temperatury gazu wskutek rozprÄ™\
ania,
usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych między
współpracującymi częściami ruchomymi,
chłodzenie niektórych elementów trących,
ochronÄ™ przeciwkorozyjnÄ… i przeciwrdzewnÄ….
Smarownice sprÄ™\
onego powietrza
Smarownice działają na zasadzie rozpylacza oleju.
Do nasycania sprÄ™\
onego powietrza olejem wykorzystuje siÄ™:
- smarownice smoczkowe;
- smarownice selekcyjne (wytwarzające mikromgłę olejową).
Smarownice smoczkowe stosuje się w układach, w których odległość smarownicy
od mechanizmu napÄ™dowego jest maÅ‚a (nie przekracza 4 ÷ 5 m).
Smarownice selekcyjne stosuje się w układach, w których odległość smarownicy od
mechanizmu napędowego jest du\
a (przekracza 4 ÷ 5 m) i przy wystÄ™powaniu du\
ej
liczby zagięć i rozgałęzień przewodów rozprowadzających sprę\
one powietrze.
Mikrokrople ze smarownicy selekcyjnej sÄ… przenoszone przez sprÄ™\
one powietrze
na du\
e odlegÅ‚oÅ›ci (50 ÷ 60 m).
Smarownice sprÄ™\
onego powietrza
Działanie smarownic polega na
rozpyleniu odpowiedniej ilości
oleju i nasyceniu nim
sprÄ™\
onego powietrza.
W smarownicy smoczkowej
wykorzystuje siÄ™ zjawisko spadku
ciśnienia w zwę\
ce 4. Olej ze zbiornika
3 jest zasysany przewodem 6 i
wkraplany rurkÄ… 1 do zwÄ™\
ki 4, gdzie
następuje jego bezpośrednie rozpylenie
w strudze przepływającego sprę\
onego
powietrza.
W smarownicy selekcyjnej krople oleju
Symbol smarownicy
sÄ… porywane przez sprÄ™\
one powietrze
przepływające otworem 1, zostają
rozpylone przechodzÄ…c przez otwory w
a) b)
tulei 2 i wpadajÄ… do zbiornika 3, skÄ…d
otworem 4 tylko bardzo małe krople
smarownica smarownica
dostają się do wypływającego otworem
smoczkowa selekcyjna II powietrza, natomiast większe krople
opadają ku dołowi zbiornika.
Zespół przygotowania sprę\
onego powietrza
Zespół (blok) przygotowania sprę\
onego powietrza składa się z filtra, zaworu
redukcyjnego z manometrem i smarownicy.
Zespół przeznaczony jest do uzyskiwania powietrza zasilającego o wymaganych
właściwościach.
Klasyfikacja siłowników pneumatycznych
Klasyfikacja siłowników pneumatycznych jest dokonywana najczęściej
na podstawie konstrukcji mechanicznej lub rodzaju ruchu i sposobu
działania siłownika.
Ze względu na budowę konstrukcyjną wyró\
nia się siłowniki:
tłokowe;
nurnikowe;
membranowe;
mieszkowe;
workowe i dętkowe.
Ze względu na rodzaj realizowanego ruchu wyró\
nia siÄ™:
siłowniki o ruchu prostoliniowym (postępowo-zwrotnym);
siłowniki o ruchu wahadłowym.
Ze względu na mo\
liwość wymuszania kierunku siły napędowej siłowniki
pneumatyczne dzielÄ… siÄ™ na:
siłowniki jednostronnego działania (ze sprę\
ynÄ… powrotnÄ…);
siłowniki dwustronnego działania.
Konstrukcja i działanie siłownika pneumatycznego
tłokowego dwustronnego działania
Konstrukcja i działanie siłownika pneumatycznego
jednostronnego działania
Konstrukcja szczegółowa siłownika pneumatycznego
1 - tuleja cylindrowa;
2 - zespół tłoka z tłoczyskiem;
3 - pokrywa przednia;
4 - pokrywa tylna;
5 - tuleja prowadząca tłoczysko;
6 - pierścień zgarniający;
7 - pierścień uszczelniający;
8 - zawory zwrotne;
9 - zawory dławiące;
10 - uszczelka zamocowana na
tłoczysku
Przy ruchu tłoka ze skrajnego poło\
enia prawego w lewo sprÄ™\
one powietrze wpływa otworem II przez
zawór zwrotny (8) i dostaje się bezpośrednio pod tłok, co umo\
liwia natychmiastowe uzyskanie
parametrów roboczych siłownika. Przy zbli\
aniu się tłoka do krańcowego poło\
enia po lewej stronie
ruch tłoka jest amortyzowany - uszczelka (10) na tłoczysku wsuwa się do cylindrycznego wytoczenia w
pokrywie zamykając swobodny wypływ powietrza przez otwór I. Pomiędzy tłokiem i pokrywą (3)
tworzy się "poduszka pneumatyczna", z której powietrze powoli odpływa przez zawór dławiący (9) do
otworu I.
Ruch tłoka i jego amortyzacja w prawą stronę odbywa się identycznie.
Konstrukcje przemysłowe siłownika pneumatycznego
Siłownik Siłownik
z jednostronnym tłoczyskiem z dwustronnym tłoczyskiem
Siłowniki pneumatyczne membranowe
Siłowniki pneumatyczne membranowe mają zastosowanie do
napędu zaworów oraz innych elementów nastawczych w
automatyce przemysłowej.
Siłowniki pneumatyczne membranowe są wykonywane w
następujących odmianach:
- siłowniki membranowe o działaniu prostym (sprę\
one powietrze
- wysuwa trzpień),
- siłowniki membranowe o działaniu odwrotnym (sprę\
one
powietrze - cofa trzpień).
W siłowniku o działaniu prostym sprę\
one powietrze jest doprowadzane do komory nad
membraną. Odkształcenie membrany powoduje przesunięcie trzpienia w dół do pozycji
odpowiadającej równowadze sił wytworzonych przez działanie ciśnienia powietrza oraz
ugiętej sprę\
yny. W siłowniku o działaniu odwróconym sprę\
one powietrze jest
doprowadzane do komory pod membraną i wywołuje przesunięcie trzpienia w górę do pozycji
odpowiadającej równowadze sił.
Siłownik membranowy
siłownik membranowy o działaniu prostym
Konstrukcje siłowników membranowych
1 - Jarzmo z \
eliwa z otworami do
zamocowania dodatkowego wyposa\
enia;
2 - SprÄ™\
yna;
3 - Obudowa z blachy stalowej;
4 - Membrana z materiału o du\
ej
wytrzymałości na kruszenie, temperaturę i
starzenie;
5 - Åšruba regulacyjna do nastawy lub
regulacji napięcia sprę\
yny;
6 - Stalowa płyta przymocowana do
membrany  integralna część trzpienia
siłownika;
7 - Trzpień siłownika ze stali nierdzewnej;
8 - Ogranicznik;
9 - Wskaz
nik skoku;
10 - Komora sprÄ™\
yny;
11 - Kołpak ochronny;
12 - Uszczelnienie.
Siłownik o działaniu prostym - typ 37
Siłownik o działaniu odwrotnym - typ 38
Podstawowe parametry siłowników
pneumatycznych
Teoretyczna siła napędowa siłownika Fst;
Skok tłoczyska siłownika s;
Wymiary konstrukcyjne (średnica tłoka, powierzchnia
membrany);
Maksymalne ciśnienie robocze sprę\
onego
powietrza.
Silniki pneumatyczne
Klasyfikacja silników pneumatycznych
Klasyfikacja silników pneumatycznych jest dokonywana najczęściej na
podstawie rodzaju ruchów realizowanych przez silnik pneumatyczny.
Pod tym względem silniki pneumatyczne dzielą się na:
Silniki o ruchu obrotowym;
Silniki o ruchu wahadłowym (wahadłowe);
Silniki krokowe.
Silnik pneumatyczny zębatkowy
Zasada działania pneumatycznego silnika zębatkowego
1  wylot sprÄ™\
onego powietrza, 2  wlot powietrza sprÄ™\
onego
powietrza, 3  napędzane koła zębate, 4  korpus silnika
Silnik pneumatyczny Å‚opatkowy
1 - Tarcza cylindryczna; 2 - Wirnik; 3 - PÅ‚ytki; 4 - Cylinder; 5- Tarcza
cylindryczna
PODSTAWOWE ZAGADNIENIA NAP
DÓW
HYDRAULICZNYCH
Napęd hydrauliczny - jest to napęd wykorzystujący płyn (ciecz
roboczą) jako nośnik energii hydraulicznej i przetwarzający tą
energiÄ™ na energiÄ™ mechanicznÄ….
Postać energetyczna równania Bernouliego
v2
pV + Á V + ÁghV = Ec + Ek + Ep = const
2
gdzie:
v2
Ep = ÁghV
Ec = pV
Ek = Á V
2
Ec - energia ciśnienia cieczy; Ek - energia kinetyczna cieczy;
Ep -energia potencjalna cieczy
V - objÄ™tość cieczy; p - ciÅ›nienie statyczne cieczy; Á - gÄ™stość
Á
Á
Á
cieczy; v - prędkość przepływu cieczy; h - wysokość przekroju
strugi cieczy ponad wybrany poziom odniesienia; g - przyspieszenie
ziemskie;
Składniki energii hydraulicznej
v2
Ep = ÁghV
Ec = pV
Ek = Á V
2
Z przykładu obliczeń dla danych:
p = 10 MPa, h = 10 m, v = 10 m/s, Á = 1000 kg/m3 (woda)
Á
Á
Á
otrzymuje się następujące procentowe udziały składników energii w całkowitej
energii hydraulicznej:
energia ciśnienia Ec = 98.5 %;
energia kinetyczna Ek = 0.5 %,
energia potencjalna Ep = 1.0 %.
Głównym składnikiem energii hydraulicznej jest zwykle energia
ciśnienia cieczy.
Udział energii kinetycznej wzrasta przy du\
ych prędkościach ruchu cieczy, a udział
energii potencjalnej ma znaczenie tylko przy du\
ych wysokościach strugi cieczy.
Rodzaje napędów hydraulicznych
Podział ogólny napędu hydraulicznego:
napęd hydrostatyczny - w którym decydujące znaczenie ma
energia ciśnienia cieczy;
napęd hydrokinetyczny - w którym decydujące znaczenie ma
energia kinetyczna cieczy.
Napęd hydrostatyczny - jest to napęd hydrauliczny, w którym
następuje zamiana dowolnego rodzaju energii na energię ciśnienia
cieczy oraz ponowna zamiana tej energii na energiÄ™ mechanicznÄ….
Hydrostatyczny układ napędowy
Hydrostatyczny układ napędowy
Silnik
Silnik Pompa
hydrostat.
Zespół
Sieć Mechanizm
napędowy hydrostatyczna
lub
hydrauliczna
sterujÄ…cy
roboczy
(pierwotny) (wyporowa)
siłownik
W hydrostatycznym układzie napędowym występują następujące
podstawowe elementy:
" silnik napędowy (pierwotny);
" pompa hydrostatyczna (wyporowa);
" układ sterowania;
" sieć hydrauliczna;
" silnik hydrostatyczny (silnik wtórny) lub siłownik;
" mechanizm napędzany lub narzędzie.
Przykład hydrostatycznego układu napędowego z
silnikiem hydrostatycznym
Przewody hydrauliczne
Zawór
Pompa
bezpieczeństwa
Rozdzielacz
hydrostatyczna
Silnik
hydrostatyczny
Przewody hydrauliczne
Zbiornik cieczy
hydrostatycznej
Pompa hydrostatyczna (napędzana silnikiem pierwotnym) zasysa ciecz ze zbiornika i
tłoczy ciecz pod ciśnieniem do instalacji. W przewodzie tłocznym jest umieszczony zawór
zwrotny bezpieczeństwa, który przy braku przepływu cieczy (zatkaniu przewodów)
otwiera przepływ zwrotny cieczy do zbiornika. Ciecz przez rozdzielacz jest kierowana do
silnika hydrostatycznego. Po wykonaniu pracy ciecz jest zwracana do zbiornika.
W schemacie pominięto filtry, wskaz
niki ciśnienia, złącza, itp..
Hydrostatyczny układ napędowy z siłownikiem
1 - Pompa hydrostatyczna
2 - Zbiornik cieczy hydrostatycznej
3 - Zawór zwrotny
4 - Zawór bezpieczeństwa
5 - Siłownik hydrostatyczny
6 - Rozdzielacz
Zalety napędu hydrostatycznego
" Mo\
liwość uzyskiwania du\
ych wartości sił i mocy
napędowych przy zwartej konstrukcji układu napędowego, tzn.
du\
ej wartości stosunku masy napędu do przenoszonej mocy.
" Mo\
liwość bezpośredniego otrzymywania ruchów
postępowo-zwrotnych lub prostą transformację ruchu
obrotowego na ruch postępowo-zwrotny.
" Zastosowanie układu sterowania poło\
eniem pozwala na
uzyskiwanie bardzo du\
ej dokładności pozycjonowania,
wynoszÄ…cej nawet 1 µm.
" Mo\
liwość nastawiania prędkości ruchów roboczych przy
małych stratach mocy i dostosowywanie tych prędkości do
chwilowego obciÄ…\
enia napędzanych mechanizmów.
" Zastosowanie ró\
nego typu zaworów sterujących umo\
liwia
precyzyjne sterowanie napędzanym mechanizmem podczas
stanów rozruchu, hamowania i pracy ustalonej oraz
programowanie przebiegów w tych stanach.
Wady napędu hydrostatycznego
Konieczność stosowania ciekłego czynnika roboczego jako
nośnika energii hydraulicznej.
Konieczność zapewnienia odpowiednich parametrów
technicznych i czystości cieczy roboczej.
Hydrostatyczny układ napędowy musi być wyposa\
ony w
zbiornik cieczy hydraulicznej, który zwiększa wymiary, cię\
ar
i przestrzeń zabudowy układu napędowego.
Konieczność zastosowania w hydrostatycznym układzie
napędowym pompy i silnika napędowego tej pompy obni\
a
całkowitą sprawność układu napędowego.
CIECZE HYDRAULICZNE
PierwszÄ… u\
ywaną cieczą hydrauliczną była woda. Miała ona
wiele wad - powodowała korozję, osadzanie się kamienia, łatwo
odparowywała, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości
niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych
właściwości smarnych.
Aktualnie, w układach hydraulicznych stosowane są ciecze
hydrauliczne, będące najczęściej uszlachetnionymi olejami
mineralnymi lub roślinnymi.
W niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna
musi być trudnopalna, u\
ywa siÄ™ specjalnych cieczy syntetycznych
lub w niektórych przypadkach cieczy zawierających wodę.
PODSTAWOWE WA
AÅšCIWOÅšCI CIECZY
HYDRAULICZNYCH
Lepkość.
Odporność na utlenianie.
Ochrona przed korozjÄ….
Własności smarne.
Stabilność termiczna.
Filtrowalność.
Zbiornik cieczy hydraulicznej
Podstawowym zadaniem zbiornika cieczy hydraulicznej jest
zasilanie układu hydraulicznego cieczą hydrauliczną o
odpowiednich parametrach .
Zbiorniki cieczy hydraulicznej z silnikiem
pierwotnym (elektrycznym) i pompą cśnienia
Filtry hydrauliczne
Układy hydrauliczne pracują często w trudnych warunkach. Niezawodna praca wymaga
utrzymania dobrych własności oleju oraz zapewnienia trwałości elementów układu
nara\
onych na działanie wysokich ciśnień.
Filtry oleju hydraulicznego to wkłady wymienne umieszczane w rozbieralnej obudowie.
Zawierają one przegrody filtracyjne wykonane z siatki metalowej (mała skuteczność
filtracji, mo\
liwość regeneracji) lub specjalnych materiałów filtracyjnych wzmacnianych
siatkami metalowymi.
Pompy hydrostatyczne
Pompa hydrostatyczna (nazywana te\
generatorem
ciśnienia)  jest to maszyna, która dokonuje zamiany
energii mechanicznej dostarczanej przez silnik
pierwotny na energię ciśnienia, która jest
akumulowana w ciekłym czynniku roboczym.
Wymagania stawiane pompom:
" mo\
liwość uzyskiwania wysokich ciśnień roboczych
przy wysokich sprawnościach;
" zapewnienie odpowiedniej wydajności w całym
zakresie ciśnień roboczych;
" zdolność samozasysania cieczy roboczej ze zbiornika
cieczy.
Pompy wyporowe
W napędach hydrostatycznych stosowane są obecnie pompy, które
ze względu na ich konstrukcję i zasadę działania są nazywane
pompami wyporowymi.
Pompa wyporowa - jest to urządzenie które zamienia energię
mechaniczną silnika napędowego na energię ciśnienia (energię
hydrostatycznÄ…).
Pompy wyporowe charakteryzujÄ… siÄ™ tym, \
e przestrzeń ssawna
jest w nich szczelnie oddzielona od przestrzeni tłocznej przez
odpowiednio ukształtowany element, którego ruch wypiera ciecz
z jednej przestrzeni do drugiej, wymuszajÄ…c odpowiednio ruch
cieczy.
Klasyfikacja pomp wyporowych
Klasyfikacja pomp wyporowych jest dokonywana na podstawie:
1) rodzaju ruchu elementów wyporowych:
a) pompy rotacyjne;
b) pompy tłoczkowe.
2) rodzaju konstrukcji mechanicznej pompy:
a) pompy rotacyjne: pompy zębate, pompy śrubowe i pompy
Å‚opatkowe;
b) pompy tłoczkowe: pompy rzędowe, pompy promieniowe i
pompy osiowe;
3) rodzaju wydajności:
a) pompy o stałej wydajności - pompy niesterowane;
b) pompy o zmiennej (nastawialnej) wydajności - pompy
sterowane;
4) rodzaju napędu: napęd elektryczny, napęd spalinowy i inne.
Klasyfikacja konstrukcji pomp wyporowych
Pompy wyporowe niesterowane i sterowane
Pompa łopatkowa o zmiennej wydajności
Pompa zębata o stałej wydajności
W pompie o zmiennej wydajności przez mechaniczne
przesuwanie mimośrodowe wirnika w komorze pompy
uzyskuje się sterowanie wydajnością pompy.
Pompy śrubowe
Pompy śrubowe działają na zasadzie obracania się rotora w
statorze. Geometria i wymiary części pompy są takie, \
e gdy rotor
jest wkładany w stator, powoduje to utworzenie podwójnego
łańcucha wodoszczelnych wgłębień. Gdy rotor obraca się
wewnątrz statora ciecz przemieszcza się po spirali wzdłu\
osi
pompy.
Pompy śrubowe
Pompa śrubowa trójwirnikowa - pompa z jednym śrubowym
wirnikiem czynnym i współpracującymi z nim dwoma wirnikami
śrubowymi biernymi - satelitami.
Działanie rozdzielacza
Rozdzielacz
W przedstawionym układzie rozdzielacz przez odpowiednie
przestawienie pozwala na zmianę kierunku przepływu cieczy
roboczej przez silnik (siłownik) hydrostatyczny, a przez to
uzyskanie zmiany kierunku ruchu silnika (siłownika).
Silniki hydrauliczne
Silnik hydrauliczny wyporowy  jest to maszyna, w której
następuje zamiana energii ciśnienia cieczy dostarczonej
przez pompÄ™ na energiÄ™ mechanicznÄ….
Rozró\
nia siÄ™ silniki hydrauliczne:
silniki hydrauliczne obrotowe;
siłowniki hydrauliczne.
Zasada działania silników obrotowych wyporowych jest
odwróceniem działania pomp wyporowych
StÄ…d wiele konstrukcji pomp wyporowych sÄ… jednostkami
odwracalnymi, które mogą pracować równie\
jako obrotowe
silniki hydrauliczne wyporowe.
Silniki hydrauliczne
Silnik zębaty
Silnik Å‚opatkowy
Podział ogólny silników hydraulicznych obrotowych obejmuje:
Silniki szybkoobrotowe  n > 250 ÷ 5000 obr./min.;
Silniki wolnoobrotowe  n d" 250 obr./min.;
Siłowniki hydrauliczne
Siłownik hydrauliczny  jest to maszyna, w której następuje
zamiana energii ciśnienia cieczy dostarczonej przez pompę
na energię mechaniczną o ruchu postępowo-zwrotnym.
Rozró\
nia się siłowniki hydrauliczne:
siłowniki jednostronnego działania;
siłowniki dwustronnego działania;
siłowniki wahliwe.
Klasyfikacja siłowników hydraulicznych
Siłowniki jednostronnego działania:
tłokowe;
nurnikowe;
teleskopowe;
Siłowniki dwustronnego działania:
jednotłoczyskowe;
dwutłoczyskowe;
wielotłokowe;
teleskopowe
Siłowniki wahliwe:
z tłokiem obrotowym;
z mechanizmem wahliwym;
śrubowe;
Konstrukcja i działanie siłowników
hydraulicznych jednostronnego działania
Siłowniki jednostronnego działania mają tylko jedną komorę roboczą i jeden
otwór dopływowo-odpływowy. Pod wpływem ciśnienia cieczy roboczej wykonują
ruch w jednym kierunku. Ruch powrotny jest wymuszany działaniem siły
zewnętrznej  siły od ściskanej sprę\
yny, siły cię\
kości unoszonej masy lub siły od
mechanizmu roboczego.
Siłownik jednostronnego Siłownik jednostronnego
działania ze sprę\
yną działania bez sprę\
yny
Konstrukcja i działanie siłownika hydraulicznego
nurnikowego
W siłowniku nurnikowym tłok i tłoczysko stanowią jednolity element o takiej
samej szerokości nazywany nurnikiem.
Siłowniki nurnikowe są stosowane w mechanizmach dz
wigowych i
podnośnikowych.
Siłownik nurnikowy
Konstrukcja i działanie siłownika hydraulicznego
teleskopowego
Siłownik teleskopowy składa się z kilku cylindrów o coraz mniejszej średnicy,
zamontowanych jeden w drugim i kolejno się wysuwających. Tłok, którego
powierzchnia decyduje o wytwarzanej sile znajduje siÄ™ w cylindrze o najmniejszej
średnicy. Podstawową zaletą siłownika teleskopowego jest du\
y skok przy małej
długości siłownika (w stanie wsunięcia)  do kilku-kilkunastu metrów.
Siłowniki teleskopowe są stosowane w mechanizmach dz
wigowych i
podnośnikowych pojazdów samochodowych, dz
wigach hydraulicznych, itp.
Siłownik teleskopowy
Konstrukcja prostego siłownika
hydraulicznego teleskopowego
Siłownik teleskopowy Siłownik teleskopowy w
w stanie jałowym stanie roboczym
Konstrukcja i zastosowanie siłownika teleskopowego
Przykład zastosowania siłownika teleskopowego
w pojez
dzie samochodowym
Siłownik teleskopowy
Konstrukcja i działanie siłowników
hydraulicznych dwustronnego działania
Siłowniki dwustronnego działania mają dwie komory robocze, jeden tłok oraz
jeden lub dwa tłoczyska. Pod wpływem ciśnienia cieczy roboczej siłowniki
wykonujÄ… ruch w dwu kierunkach.
Siłownik dwustronnego
działania z dwoma tłoczyskami
Siłownik dwustronnego
działania z jednym tłoczyskiem
Konstrukcja i działanie dwutłokowego siłownika
hydraulicznego dwustronnego działania
Spotykane są rozwiązania siłowników o dwóch i więcej ni\
dwóch tłokach i
większej od dwóch liczbie komór roboczych. W siłownikach wielotłokowych
mo\
liwe jest niezale\
ne wykonywanie ruchów przeciwbie\
nych lub
współbie\
nych.
Siłownik dwustronnego działania z dwoma tłokami
Szczegółowa konstrukcja siłowników
hydraulicznych dwustronnego działania
Siłownik zamieniający ruch liniowy
na obrotowy
Siłowniki hydrauliczne - animacja
Siłownik jednostronnego działania
Siłownik dwustronnego działania
Siłownik zamieniający ruch liniowy
na obrotowy
Symbole graficzne podstawowych siłowników