INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN
Katedra Maszyn Roboczych i Transportu Bliskiego
Zespół Napędu i Sterowania Hydraulicznego
LABORATORIUM
NAP
DÓW I STEROWANIA
HYDRAULICZNEGO I PNEUMATYCZNEGO
Temat: Napęd pneumatyczny
Grupa: ........................ Zespół: .........................
Data wykonania sprawozdania: .....................
Data oddania sprawozdania: .........................
Lp Nazwisko i ImiÄ™ Ocena Data
 2
Program ćwiczenia:
1. Pojęcie napędu i sterowania pneumatycznego,
2. Zapoznanie z budową, funkcją i zasadą działania wybranych elementów wchodzących w skład
układu opartego o elementy napędu pneumatycznego,
3. Zapoznanie z budową schematów pneumatycznych (symbole pneumatyczne),
4. Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych.
Warunki zaliczenia ćwiczenia:
- obecność na zajęciach laboratoryjnych,
- oddanie poprawnie wykonanego sprawozdania z ćwiczenia laboratoryjnego,
- pozytywna ocena z kolokwium zaliczeniowego (minimalnie 3 punkty).
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego:
1. Podaj schemat układu pneumatycznego (dla stanowisk podanych przez prowadzącego),
2. Wymień elementy wykorzystane do budowy układu z uwzględnieniem złączy i przewodów,
3. Opisz zasadę działania układu,
4. Przedstaw wnioski z przeprowadzonych testów dla ka\
dego stanowiska oddzielnie,
5. Podaj wnioski końcowe.
Uwagi końcowe do sprawozdania:
1. Sprawozdanie wykonać za pomocą komputera i w formie wydruku przekazać do prowadzącego
(wydruk dwustronny),
2. Ocenie podlega głównie forma przekazu i sposób wypowiedzi,
3. Kopie wydruków i kserokopie nie zostaną przyjęte!
4. Schematy nale\
y wykonać za pomocą dowolnego programu graficznego zgodnie z zasadami.
 3
Pojęcie napędu pneumatycznego
Pneumatyka jest jedną z najstarszych form energii wykorzystywanej przez człowieka.
Pierwsze próby zastosowania sprę\
onego powietrza podejmowano przy konstrukcji miotaczy
pocisków. Opierając się na Biblii mo\
na doszukiwać się stosowania sprę\
onego powietrza
przy burzeniu murów Jeryha. Obecnie trudno znalez
ć dziedzinę \
ycia, która obywałaby się
bez sprÄ™\
onego powietrza.
W terminologii technicznej u\
ywa się najczęściej dwa pojęcia napędu pneuma-
tycznego oraz sterowania pneumatycznego. Oba pojęcia są podobne i często mylnie
u\
ywane. Problem wynika z wykorzystywanego czynnika roboczego, jakim jest sprÄ™\
one
powietrze. Powietrze to mo\
e pełnić rolę nośnika energii lub nośnika informacji.
W pierwszym przypadku dzięki energii wejściowej otrzymywane jest sprę\
one powietrze,
które poprzez wybrany odbiornik (element wykonawczy) wytwarza energię mechaniczną w
postaci ruchu liniowego lub obrotowego. W drugim przypadku to samo sprÄ™\
one powietrze
mo\
e być wykorzystane w procesie decyzyjnym, realizowanym przez określoną grupę
elementów stosowaną w napędzie pneumatycznym, do dalszej pracy układu.
W rzeczywistości najczęściej mamy do czynienia z układami pneumatycznymi spełniającymi
obie wymienione funkcje. Dziedzina nauki zajmująca się problematyką tych układów jest
Napęd i sterowanie pneumatyczne. Nale\
y zauwa\
yć, \
e sprÄ™\
onym gazem mo\
e być
dowolny gaz, który posiada podobne właściwości jak powietrze.
Stąd definiując napęd pneumatyczny mo\
na stwierdzić, \
e to taki napęd, który energię
sprÄ™\
onego powietrza zamienia na energię mechaniczną do napędzania np. maszyn i narzędzi
w postaci ruchu liniowego oraz obrotowego. Napęd pneumatyczny i napęd hydrauliczny
nale\
ą do napędów płynowych.
Terminologia związana z techniką napędu i sterowania pneumatycznego jest
uporządkowana międzynarodową normą ISO 5598 z 1985r. lub w polskim odpowiedniku
PN-91/M-73001 (tłumaczenie normy ISO).
Powietrze, jako czynnik roboczy
Nośnikiem energii w napędzie pneumatycznym jest najczęściej powietrze. Jego
właściwości wywierają zasadniczy wpływ na budowę i na pracę układu pneumatycznego, a co
za tym idzie na jego charakterystyki i sprawności oraz trwałość elementów i zespołów
tworzących taki układ.
Dlatego te\
sprÄ™\
one powietrze w układzie pneumatycznym musi spełniać następujące
funkcje:
" przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
" odprowadzanie ciepła,
" w wybranych przypadkach smarowanie powierzchni ruchomych,
" w wybranych przypadkach zmniejszenie zu\
ycia ruchomych części.
 4
SprÄ™\
one powietrze, aby mogło być wprowadzone do instalacji napędu
pneumatycznego musi zostać oczyszczone tak, by charakteryzowało się:
- brakiem wody w postaci kropel; woda w postaci pary jest dopuszczalna, pod warunkiem,
\
e punkt rosy występuje w temperaturze ni\
szej o 5 do 10 [oC] od najni\
szej temperatury
pracy układu napędowego,
- zanieczyszczeniami mechanicznymi poni\
ej 5 [µm], przy udziale wagowym 0,7 [mg/m3]
w warunkach normalnych fizycznych,
- nie występowaniem oleju oraz innych cieczy w postaci kropel.
Przykłady zastosowań:
" maszyny technologiczne,
" transport kolejowy i samochodowy (urzÄ…dzenia hamulcowe),
" narzędzia wirujące i udarowe,
" manipulatory,
" przemysł szklarski,
" przemysł przetwarzający tworzywa sztuczne,
" przemysł spo\
ywczy i farmaceutyczny,
" górnictwo.
Cechy układu pneumatycznego:
" maksymalna długość linii pneumatycznej wynosi 1000m,
" wartość siły w elementach napędowych osiąga do 30kN,
" maksymalne stosowane wartości ciśnienia 1,5 MPa,
" sterowanie siłą realizowane przez sterowanie ciśnieniem,
" sterowanie prędkością silnika poprzez dławienie strumienia doprowadzonego
powietrza na wejściu lub wyjściu z odbiornika (silnika),
" mo\
liwość pracy w pomieszczeniach, gdzie istnieje wystąpienie samozapłonu,
" minimalizacja hałasu (przy wypływie powietrza do atmosfery) poprzez
zastosowanie tłumików.
Zalety sprÄ™\
onego powietrza: ogólnodostępność, łatwe w transporcie przewodowym,
 zu\
yte powietrze mo\
e być oddane do atmosfery, bezpieczeństwo i czystość w u\
yciu,
odporność na wahania temperatury.
Wady sprÄ™\
onego powietrza: du\
a ściśliwość, utrudniająca powolne i płynne ruchy
mechanizmów pneumatycznych.
Zalety układów pneumatycznych: łatwe zabezpieczenie przed przecią\
eniem (mo\
liwość
obciÄ…\
enia a\
do zatrzymania), mo\
liwość ciągłej kontroli obcią\
eń, łatwa obsługa elementów
sterowniczych, wdra\
anie rozbudowanych systemów automatyzacji, łatwość wprowadzania
zmian, przy prawidłowym u\
ytkowaniu du\
a trwałość urządzeń.
Wady układów pneumatycznych: ściśliwość sprę\
onego powietrza i straty w wyników
przecieków (powodem utrudnień w wygodnym powiązaniu ruchów poszczególnych zespołów
maszyn i urządzeń), wpływ zmian sił zewnętrznych na prędkość przesuwanych elementów,
ograniczenia w zakresie (długości) przemieszczeń prostoliniowych.
 5
Budowa napędu pneumatycznego
Układy napędu i sterowania pneumatycznego zawierają następujące grupy
elementów, które określone są normą PN-73/M-73020:
- elementy zasilania (sprÄ™\
arka),
- elementy przygotowania, magazynowania i przesyłania sprę\
onego powietrza (układ
przygotowania powietrza, zbiorniki, przewody, etc.),
- elementy sterujące przepływem energii oraz ciśnieniem sprę\
onego powietrza (zawory),
- elementy wykonawcze (odbiorniki powietrza),
- elementy pomocnicze (złącza, płyty monta\
owe, mierniki, etc.).
ELEMENTY ZASILANIA
Czynnikiem roboczym i zarazem z
ródłem energii w układach pneumatycznych jest
sprÄ™\
one powietrze. Otrzymywane jest ono za pomocÄ… sprÄ™\
arki (kompresor). W układach
najczęściej mogą występować sprę\
arki w postaci stacjonarnej lub ruchomej.
Z pracÄ… sprÄ™\
arki i samego procesu sprÄ™\
ania gazu, jakim jest powietrze, wiÄ…\
e siÄ™
wiele problemów, które wpływają na rodzaj i budowę zastosowanych w napędzie elementów.
Na pierwszym miejscu nale\
y zwrócić uwagę na proces sprę\
ania gazu (jak i rozprÄ™\
ania),
który wią\
e siÄ™ z pojawieniem siÄ™ du\
ej ilości ciepła. Równie\
tarcie tłoka o cylinder generuje
znaczną ilość ciepła. Przykładem tego zjawiska jest pompowanie koła w rowerze za pomocą
pompki do roweru. Ciepło to ma wpływ na temperaturę sprę\
onego powietrza. Po kilku
minutach temperatura mo\
e sięgać ju\
granicÄ™ 50-60ºC. Tak nagrzane powietrze
doprowadzone do układu najczęściej przewodami o małych średnicach prowadzone jest w
obszarze, gdzie temperatura oscyluje w granicach 10-20ºC. W ten sposób doprowadzamy do
gwałtownego spadku temperatury związanego z dą\
eniem do równowagi temperatur.
W efekcie przekraczamy tak zwany punkt rosy. Efektem jest pojawienie siÄ™ pary wodnej a
następnie kropli wody. Obserwujemy to zjawisko zimą w aucie. Im gwałtowniejszy spadek
temperatury tym intensywniejszy jest ten proces.
Drugim wa\
nym negatywnym efektem pracy kompresora jest tarcie tłoka o cylinder.
W jego efekcie w wyniku pojawiają się mikropęknięcia, które dla człowieka nie mają
znaczenia, ale dla pracy elementów w układzie ju\
tak. Dodatkowo, aby zminimalizować
tarcie w kompresorze, stosuje się smarowanie zespołu tłok-cylinder. Część tego smaru
zabierana jest przez powietrze, miesza się z mikropęknięciami i wchodzi w reakcję z wodą,
Woda zmienia właściwości tego smaru.
Dlatego w celu usunięcia wody z sprę\
onego powietrza w układach pneumatycznych
stosuje się osuszacze powietrza. W jednostkach mobilnych zamocowane są one bezpośrednio
na kompresorze, a w jednostkach stacjonarnych są to oddzielne elementy. Tutaj równie\
znika
część smaru. Reszta  zabrudzeń usuwana jest w układzie przygotowania powietrza za
pomocÄ… filtru powietrza. Za filtrem mamy oczyszczone, suche i sprÄ™\
one powietrze.
ELEMENTY PRZYGOTWANIA POWIETRZA
Konstruktor i u\
ytkownik urządzeń pneumatycznych, znając najni\
sze temperatury w
nich występujące, powinien ocenić, czy przy danej wilgotności powietrza zasilającego mo\
e
wystąpić szkodliwe wykraplanie się wody zawartej w postaci pary w sprę\
onym powietrzu
(tzn., czy zostanie osiągnięty tzw. punkt rosy).
Do oceny stopnia wilgotności powietrza określa się dwie, wielkości:
 6
1 - wilgotność bezwzględna określająca ilość pary wodnej w gramach zawartej w 1 m3
powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze (zwykle są to warunki normalne
fizyczne lub techniczne);
2 - wilgotność względna określającą stosunek ilości pary wodnej zawartej w 1 m3 powietrza,
przy określonym ciśnieniu i temperaturze, do ilości pary wodnej maksymalnie mo\
liwej do
pochłonięcia w tych warunkach przy zupełnym nasyceniu powietrza. Stosunek ten zwykle
podaje siÄ™ w procentach.
Osuszacz chłodniczy (rysunek 1) słu\
y, poprzez obni\
enie temperatury punktu rosy
wytrÄ…ceniu wilgoci ze sprÄ™\
onego powietrza. Schłodzenie następuje dwustopniowo: ciepłe,
nasycone w 100% parÄ… wodnÄ… sprÄ™\
one powietrze wchodzi do osuszacza i zostaje wstępnie
schłodzone przez suche ju\
i zimniejsze powietrze w wymienniku ciepła powietrze/powietrze.
Następnie dostaje się do wymiennika ciepła czynnik chłodzący/powietrze i zostaje schłodzone
do temperatury około 2 oC. Woda kondensująca w strumieniu powietrza zostaje w separatorze
oddzielona od sprÄ™\
onego powietrza.
Wymiennik ciepła
Separator
wody
Parownik
Zawór stałego
ciśnienia
Skraplacz
Wziernik szklany
Kompresor chłodniczy Filtr
ze zintegrowanym
Zbiornik
separatorem cieczy
czynnika
chłodniczego
Rys. 1 Schemat działania osuszacza ziębniczego z zaworem stałego ciśnienia
Rys. 1. Schemat działania osuszacza z zaworem stałego ciśnienia
Odprowadzenie skroplin, składających się z mieszaniny wody, oleju i pyłu, następuje
w sposób automatyczny. Suche sprę\
one powietrze przepływa ponownie przez wymiennik
ciepła powietrze/powietrze, gdzie ogrzewane jest przez powietrze napływające do osuszacza
o
do temperatury o około 8 C powietrza na wejściu. Dzięki temu nie ma mo\
liwości
kondensowania pary w zewnętrznych rurociągach. Osuszacze chłodnicze pracować mogą w
sposób ciągły i mogą być obcią\
one do wartości znamionowych. Przy mniejszych wydatkach
specjalny układ regulacyjny troszczy się o doprowadzenie odpowiedniej ilości czynnika
chłodzącego tak, aby zawsze utrzymać ciśnieniowy punkt rosy + 2 oC i uniemo\
liwić w ten
sposób zamro\
enie kondensatu. U\
ycie wymiennika ciepła powietrze/powietrze powoduje, \
e
mo\
na obni\
yć zu\
ycie energii o około 55%.
 7
Zalety osuszaczy chłodniczych: minimalne straty ciśnienia, pewność eksploatacji, niskie
koszty eksploatacji, punkt rosy stały - niezale\
nie od warunków zewnętrznych, mało
wra\
liwy na zanieczyszczenia w powietrzu, usuwa z powietrza w znacznym stopniu
zanieczyszczenia stałe i oleje, brak konieczności wymiany chemikaliów, automatyczny
system odwadniania minimalizujący obsług, prosty sposób podłączenia, małe
zapotrzebowanie powierzchni,
Wady osuszaczy chłodniczych: punkt rosy powy\
ej temperatury zamarzania wody.
Oczyszczone (uzdatnione) powietrze mo\
e zostać wprowadzone do instalacji napędu
pneumatycznego. Jednak, aby zapewnić poprawne działanie poszczególnych odbiorników -
urządzeń przetwarzających energię sprę\
onego powietrza na energiÄ™ mechanicznÄ… - nale\
y
dostosować parametry dostarczonego powietrza do wymagań poszczególnych odbiorników.
Realizowane jest to za pomocą indywidualnego układu przygotowania powietrza
(rysunek 2) zło\
onego z:
- zaworu odcinajÄ…cego,
- filtra (przepuszczajÄ…cego zanieczyszczenia do maksymalnie 0,5 µm),
- zawór redukcyjny (obni\
ający ciśnienie powietrza ze sprę\
arki np. 1,6 MPa
do 0,4 MPa wymagane w instalacji napędowej) z manometrem,
- smarownicy (w zale\
ności od potrzeb).
Rys. 2. Indywidualny układ przygotowania powietrza.
W fi1trach z rys. 3 do usuwania cząstek stałych i oleju ze sprę\
onego powietrza
wykorzystuje siÄ™:
- oddziaływanie sił odśrodkowych i sił powstających w wyniku zmiany kierunku
przepływu (rys. 3a),
- osadzenie cząstek stałych i oleju na powierzchni przegrody filtracyjnej (rys. 3b).
Do filtra z rys. 3a sprÄ™\
one powietrze jest doprowadzane kanałem wlotowym 1 i
kierowane na kierownicę 6, która rozdziela je na kilka strumieni i wprawia w ruch wirowy.
Dzięki temu cząsteczki wody, oleju i zanieczyszczeń stałych spływają na osłonę 8 i ściankę 3
zbiornika i dostają się do osadnika 4, skąd przez zawór 7 mogą być odprowadzone na
 8
zewnątrz. W filtrze z rys. 3b do filtrowania wykorzystano wkład filtracyjny 5 umieszczony w
zbiorniku 3. W rozwiązaniach technicznych filtrów (rys. 3c i d) są wykorzystywane
równocześnie obie metody filtracji. Na rys. 3c, jako wkład ad filtracyjny 5 wykorzystano
tulejkę wykonaną ze spiekanych kulek brązowych lub porowatego tworzywa. Pozostałe
elementy składowe filtra oznaczono identycznie jak na rys. 3a i b. Filtr mo\
na oczyszczać
odkręcając pokrętło o zaworu 7 lub stosując automatyczny spust (rys. 3d). Po przekroczeniu
poziomu granicznego wykroplona ciecz podnosi pływak 1 i otwiera dopływ sprę\
onego
powietrza przez dyszę 2 do komory 3 nad membraną 6. Powoduje to odsunięcie w dół
grzybka 5 i wypływanie zanieczyszczeń otworem 4 a\
do momentu, gdy pływak 1 powtórnie
zamknie dyszę 2. Omówione filtry usuwają głównie zanieczyszczenia mechaniczne i
wykroplonÄ… uprzednio wodÄ™.
Rys. 3. Budowa filtrów.
Zawory redukcyjne (rysunek 4) słu\
ą do zredukowania ciśnienia wejściowego (pwe)
do wartości nastawionej przez obsługującego (pred) i następnie dość dokładnego utrzymania
tego ciśnienia na zadanym poziomie, pomimo zmian ciśnienia wejściowego (pwe) i zmian
natÄ™\
enia przepływu powietrza Q przez ten zawór.
SprÄ™\
one powietrze do zaworu redukcyjnego (rys. 4a) doprowadzane jest 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. Manometr połączony
z przestrzenią pod membraną pozwala na kontrolę i regulację (pokrętłem 6) wielkości
ciśnienia sprę\
onego powietrza zasilającego odbiorniki. Wahania ciśnienia w komorze pod
membranÄ… 4, powodujÄ… podnoszenie lub obni\
enie membrany, a za tym odpowiednio
zmniejszenie lub powiększenie szczeliny pomiędzy przylgnią zaworową i grzybkiem.
 9
Rys. 4. Zawory redukcyjne.
O mo\
liwości ruchów membrany, a tym samym o wielkości szczeliny pomiędzy
przylgnią zaworową i grzybkiem decyduje siła wywołana napięciem sprę\
yn 7 i 9:
S7 + S9 = pm* Fm
Na rys. 4c pokazano często stosowaną kombinację połączenia zaworu redukcyjnego z filtrem
- co zmniejsza gabaryty obu elementów.
W pneumatycznych układach napędowych w celu zapewnienia ich smarowania
stosuje siÄ™ nasycenie sprÄ™\
onego powietrza olejem. Do nasycania sprÄ™\
onego powietrza
olejem wykorzystuje siÄ™:
- smarownice smoczkowe (rys. 5a),
- smarownice selekcyjne (rys. 5b) wytwarzające mikromgłę.
Wymienione smarownice działają na zasadzie rozpylacza oleju.
Smarownice selekcyjne stosuje się w układach, w których odległość smarownicy od
mechanizmu napÄ™dowego przekracza 4÷5 m, przy jednoczesnym istnieniu du\
ej liczby zagięć
i rozgałęzień przewodów rozprowadzających sprę\
one powietrze. W takich warunkach
przepÅ‚ywu krople ze smarownicy smoczkowej (o wymiarach 2÷4 µm) osiadajÄ… głównie na
ściankach przewodów i nie docierają do zaworów rozdzielających i siłowników
mechanizmów napÄ™dowych. Natomiast mikrokrople (o wymiarach 0,1÷1 µm) ze smarownicy
selekcyjnej sÄ… przenoszone przez sprÄ™\
one powietrze na znaczne odlegÅ‚oÅ›ci (50÷60 m).
 10
Rys 5. Smarownice sprÄ™\
onego powietrza.
Działanie wymienionych smarownic polega na rozpyleniu odpowiedniej ilości środka
smarujÄ…cego - oleju - i nasyceniu nim czynnika roboczego - sprÄ™\
onego powietrza.
W smarownicy smoczkowej z rys. 5a wykorzystano zjawisko spadku ciśnienia w
zwÄ™\
ce 4 w stosunku do ciśnienia statycznego panującego w otworze dolotowym I i zbiorniku
z olejem 3. Olej ze zbiornika 3 jest zasysany przewodem 6 i wkraplany rurkÄ… 1 do zwÄ™\
ki 4,
gdzie następuje jego rozpylenie - bezpośrednio w strudze przepływającego sprę\
onego
powietrza. DÅ‚awikiem 7 mo\
na regulować intensywność kroplenia, zaś wkręt 8 jest
wykorzystywany, jako zawór odcinający, umo\
liwiajÄ…cy wlewanie oleju do zbiornika 3 bez
odcinania zasilania doprowadzanego do smarownicy, tym samym bez przerywania pracy
mechanizmu napędowego.
W smarownicy selekcyjnej (rys. 5b) krople oleju nie wpadają bezpośrednio do kanału
przepływowego smarownicy, lecz są porywane przez sprę\
one powietrze przepływające
otworem 1, zostajÄ… rozpylone przechodzÄ…c przez otwory w tulei 2 i wpadajÄ… do zbiornika 3,
skąd otworem 4 tylko bardzo małe krople (mikromgła) dostają się do wypływającego
otworem II powietrza, natomiast większe krople opadają ku dołowi zbiornika.
Pozostałe trzy grupy elementów omówiono w innych opracowaniach w ramach
laboratorium Napędu i Sterowania Hydraulicznego i Pneumatycznego. Du\
Ä… grupÄ™
elementów wykorzystana zostanie w trakcie wykonania laboratorium.