AKADEMIA MORSKA W GDYNI KATEDRA PODSTAW TECHNIKI
	LABORATORIUM AUTOMATYKI OKRĘTOWEJ	TEMAT: Badanie charakterystyki statycznej siłownika pneumatycznego
		OPRACOWAŁ: Jakub KOSIOREK

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem pneumatycznego siłownika z ustawnikiem pozycyjnym oraz wyznaczenie jego charakterystyk statycznych.

1. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Połączono stanowisko pomiarowe według schematu siłownika bez ustawnika, wyzerowano siłownik, zwiększano ciśnienie wejściowe P_X i rejestrowano zmiany wychylenia tłoka na wyjściu oraz ciśnienia w układzie, następnie do układu siłownika dodano ustawnik pozycyjny, wyzerowano siłownik, zwiększano ciśnienie P_X i rejestrowano zmiany wychylenia tłoka na wyjściu oraz ciśnienie w układzie.

1. SCHEMAT POŁĄCZENIA

1. Siłownik pneumatyczny bez ustawnika – załącznik numer 1

2. Siłownik pneumatyczny z ustawnikiem – załącznik numer 2

1. TABELA POMIARÓW I WYNIKÓW

Załącznik numer 3

1. WYKRES CHARAKTERYSTYKI STATYCZNEJ

1. Siłownik pneumatyczny bez ustawnika – załącznik numer 4

2. Siłownik pneumatyczny z ustawnikiem – załącznik numer 5

1. OBLICZENIA

Obliczamy współczynnik wzmocnienia dla siłownika i siłownika z ustawnikiem, sztywność sprężyny i powierzchnię czynną membrany siłownika:

h = 0 [mm]

$$F = \left\lbrack \frac{kg*\frac{m}{s^{2}}*mm}{\text{mm}} \right\rbrack = \left\lbrack kg*\frac{m}{s^{2}} \right\rbrack = \left\lbrack N \right\rbrack$$

$$F = \frac{G*b}{a} = \frac{mg*b}{a} = \frac{17*10*480}{150} = 544\ \left\lbrack N \right\rbrack\ \ sila\ ktora\ obciazamy\ trzpien\ silownika$$

1. Siłownik pneumatyczny bez ustawnika

- nieobciążony siłą F

$$k = \tan{\alpha = \frac{h}{P_{x}}} = \frac{\left( h_{9} - h_{5} \right)}{\left( P_{x_{9}} - P_{x_{5}} \right)} = \frac{\left( 8,07 - 3,70 \right)}{10^{3}\left( 60 - 40 \right)} = \frac{4,37}{20*10^{3}} = 2,185*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{mm}}{\text{Pa}} \right\rbrack$$

y = ax  → y = 2, 185 * 10⁻⁴x

- obciążony siłą F

$$k_{F} = \tan{\alpha = \frac{h}{P_{x}}} = \frac{\left( h_{9} - h_{5} \right)}{\left( P_{x_{9}} - P_{x_{5}} \right)} = \frac{\left( 8 - 4,61 \right)}{10^{3}\left( 60 - 40 \right)} = \frac{4,39}{20*10^{3}} = 2,195*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{mm}}{\text{Pa}} \right\rbrack$$

y = ax  → y = 2, 195 * 10⁻⁴x

1. Siłownik pneumatyczny z ustawnikiem

- nieobciążony siłą F

$$k = \tan{\alpha = \frac{h}{P_{x}}} = \frac{\left( h_{9} - h_{5} \right)}{\left( P_{x_{9}} - P_{x_{5}} \right)} = \frac{\left( 8,77 - 4,20 \right)}{10^{3}\left( 60 - 40 \right)} = \frac{4,27}{20*10^{3}} = 2,135*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{mm}}{\text{Pa}} \right\rbrack$$

y = ax  → y = 2, 135 * 10⁻⁴x

- obciążony siłą F

$$k_{F} = \tan{\alpha = \frac{h}{P_{x}}} = \frac{\left( h_{13} - h_{8} \right)}{\left( P_{x_{13}} - P_{x_{8}} \right)} = \frac{\left( 8,51 - 3,15 \right)}{10^{3}\left( 80 - 55 \right)} = \frac{5,36}{25*10^{3}} = 2,68*10^{- 4}\left\lbrack \frac{\text{mm}}{\text{Pa}} \right\rbrack$$

y = ax  → y = 2, 68 * 10⁻⁴x

1. Sztywność sprężyny i powierzchnia czynna membrany siłownika

$$F = - kx \rightarrow - k = \frac{F}{x}\ \left\lbrack \frac{N}{\text{mm}} \right\rbrack\ \ gdzie\ x = h_{\text{bez\ }obciazenia} - h_{\text{z\ }obciazeniem}$$

$$F = S*P \rightarrow S = \frac{F}{P}$$

- dla P_x=60 kPa

$$\left| \mathbf{- k} \right| = \frac{F}{x} = \frac{544}{8,07 - 4,17} = \frac{544}{3,9} = 139\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}} \right\rbrack = 139\left\lbrack \frac{N}{10^{- 3}m} \right\rbrack = 139\left\lbrack 10^{3}\frac{N}{m} \right\rbrack\mathbf{= 139*}\mathbf{10}^{\mathbf{3}}\left\lbrack \frac{\mathbf{N}}{\mathbf{m}} \right\rbrack$$

- powierzchnię membrany liczymy dla siłownika nieobciążonego siłą F

$$S*P_{x} = k*h\ \rightarrow S = k*\frac{h}{P_{x}}\ \ \ gdzie\ h = h_{13} - h_{9}\ i\ P_{x} = P_{13} - P_{9}$$

$$S = \left\lbrack \frac{N}{m}*\frac{\text{mm}}{\text{kPa}} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{N}{m}*\frac{10^{- 3}m}{10^{3}\text{Pa}} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{N}{m}*\frac{10^{- 3}m}{10^{3}\frac{N}{m^{2}}} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{10^{- 3}m}{10^{3}\frac{1}{m}} \right\rbrack = \left\lbrack 10^{- 6}m^{2} \right\rbrack$$

$$\mathbf{S =}139*10^{3}*\frac{12,48 - 8,07}{80 - 60} = 139*10^{3}*0,2205 = 30,6495*10^{3}\left\lbrack 10^{- 6}m^{2} \right\rbrack =$$

30, 6495 * 10⁻³[m²]=306, 495 [cm²]

1. WNIOSKI

Po przeprowadzeniu doświadczenia i dokonaniu pomiarów a następnie sporządzeniu charakterystyk statycznych można zaobserwować, że są one liniowo narastające. Z charakterystyk tych wynika, że każdemu zakresowi zmian wielkości sygnału standardowego (20-100 kPa) odpowiada zakres ciśnienia roboczego, które wykonuje pracę tłoka. Możemy zauważyć, że charakterystyka jest liniowa dla siłownika nieobciążonego żadną siłą. W momencie obciążenia siłownika, jego charakterystyka staje się liniowa w momencie, gdy ciśnienie robocze zwiększy się na tyle, a co za tym idzie siłownik zaczyna pracować z opóźnieniem sygnału standardowego, aby wytworzyć siłę, która będzie siłą większą od obciążenia. Po podłączeniu ustawnika pozycyjnego zauważamy, że charakterystyka statyczna staje się liniowa poprzez zjawisko sprzężenia zwrotnego, którego zadaniem jest wzmocnienie ciśnienia roboczego do takiego, aby tłok wychylał się w całym zakresie sygnału standardowego.