POLITECHNIKA ŚLĄSKA GLIWICE WYDZIEŁ MECHANICZNO TECHNOLOGICZNY

Automatyka i Robotyka

Napędy elektryczne, hydrauliczne i pneumatyczne

Wieczorek Michał

Gr. IV sem 1

Napęd elektryczny

Napęd elektryczny jest to napędzanie maszyny roboczej, np. pompy za pomocą silnika elektrycznego, z użyciem sprzęgła ewentualnie przekładni.

Rozróżnia się napędy elektryczne:

grupowy - wspólny silnik napędza grupę maszyn pasami napędowymi od wspólnego wału transmisyjnego (bardzo rzadko stosowany).

indywidualny - napęd każdej maszyny oddzielnym silnikiem, jest on bardziej zwarty i bezpieczny, pozwala na optymalizację pracy maszyn.

wielosilnikowy - poszczególne mechanizmy maszyny są napędzane oddzielnymi silnikami.

Układ napędowy (napęd)

Zasilacz - dostarcza do silnika elektrycznego prąd o odpowiednich parametrach.

Silnik elektryczny - maszyna elektryczna przetwarzająca energię elektryczną na mechaniczną zwykle w postaci ruchu obrotowego. Wytwarzanie momentu obrotowego jest wynikiem współoddziaływania dynamicznego pola magnetycznego i prądu elektrycznego. Na przewód z prądem umieszczony w polu magnetycznym oddziałuje siła o kierunku określonym regułą lewej dłoni. Wartość tej siły jest wprost proporcjonalna do wartości prądu oraz natężenia pola magnetycznego. Silnik elektryczny składa się ze stojana z jedna lub kilkoma parami biegunów elektromagnesów oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym.

Zasada budowy maszyny prądu stałego

Rodzaje silników elektrycznych:

• silniki prądu stałego:

a) obcowzbudne

b) samowzbudne

• silniki prądu zmiennego np.: silniki krokowe

• silniki synchroniczne

- silniki asynchroniczne

Budowa silnika prądu stałego

a). obcowzbudnego c). Samowzbudnego

Silniki prądu zmiennego

Silniki synchroniczne

Silniki krokowe są elementami wykonawczymi przetwarzającymi impulsy elektryczne na przesunięcia

kątowe lub liniowe , nazywane krokami lub skokami . W silnikach tych wykorzystuje się zjawisko

zmiany połoŜenia rdzenia ferromagnetycznego (wirnika) w polu magnetycznym w celu osiągnięcia

optymalnej przewodności obwodu magnetycznego .

Schemat budowy i działania

silnika wysokomomentowego

wielofazowego z wirnikiem

jednobiegunowym i stojanem :

a) dwubiegunowym - silnik

dwufazowy ; b)

trójbiegunowym - silnik

trójfazowy ; c)

pięciobiegunowym - silnik

pięciofazowy ; kolejność

zasilania faz w silniku

czterobiegunowym (d) i

trójbiegunowym (e)

Do zalet napędów elektrycznych naleŜy zaliczyć:

1. zwarta konstrukcja napędu i przetworników sterująco - kontrolnych (czujników stanu) 2. duŜa szybkość działania dzięki małej bezwładności elementów ruchomych silnika

3. stałość prędkości obrotowej

4. wysoka maksymalna prędkość obrotowa (do 15000 obr/min)

5. szeroki zakres regulacji rozwijanych momentów

6. małe bezwładności wirników , uzyskiwane dzięki specjalnym konstrukcjom

7. duŜy moment obrotowy przy maksymalnej prędkości

8. bezpieczeństwo pracy

9. niski poziom szumu i wibracji oraz brak zanieczyszczenia otoczenia

10. trwałość i stosunkowo duŜa pojemność cieplna ; umoŜliwia to eksploatację bez nadzoru i

ogranicza czynności obsługi , wymagają niewielkiej liczby zabiegów konserwatorskich

11. łatwy demontaŜ silników w przypadku wystąpienia konieczności ich wymiany bądź remontu

12. ogólnodostępność , taniość i łatwość doprowadzenia energii zasilania

W grupie wad naleŜy wymienić :

1. ograniczoną trwałość szczotek w komutatorach silników prądu stałego

2. ograniczone wykorzystanie w środowisku zagroŜonym wybuchem (moŜliwość wystąpienia

przebić , zwarć)

3. zaleŜność prędkości od obciąŜenia , co wymaga rozbudowy układów regulacji napędu

Napędy pneumatyczne

Urządzenia pneumatyczne odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnych maszynach, bardzo duża liczba budowanych obecnie maszyn zawiera urządzenia pneumatyczne, a w wielu z nich stanowią one jedną z najbardziej istotnych mechanizmów.

Zalety tego rodzaju napędów między innymi wynikają z zalet czynnika roboczego ,czym w tym przypadku jest powietrze lub olej, oraz ogromne zalety urządzeń napędzanych tym medium.

Zalety sprężonego powietrza :

• powietrze jest wszędzie dostępne

• po wykorzystaniu energii sprężonego powietrza nie trzeba go zwracać do sieci

powietrze jest bezpieczne i czyste w eksploatacji tzn. nie grozi pożarem i nie zanieczyszcza otoczenia w razie uszkodzenia instalacji

Urządzenia takie nie pozostają bez wad, którymi głównie jest sprzężone powietrze, konkretnie jego duża ściśliwość (ok. 2000 razy większa od oleju)

Najczęściej stosowanymi w maszynach przemysłowych urządzeniami pneumatycznymi są różnego rodzaju siłowniki. Siłowniki sprężonego powietrza mają zbliżoną budowę do siłowników hydraulicznych. Różnice polegają min. na zastosowaniu innych uszczelnień.

W celu zapewnienia układom napędowym smarowania sprzężonego powietrza olejem stosuje się :

a). smarownice soczewkowe

Do usuwania cząstek stałych i oleju wykorzystuje się filtry:

W celu zredukowania ciśnienia wejściowego do wartości nastawionej przez obsługującego, a następnie dokładnego utrzymania tego ciśnienia na zadanym poziomie stosuje się zawory redukcyjne:

Do elementów sterujących natężeniem przepływu powietrza zalicza się:

• zawory dławiące zwykłe

• zawory dławiące proporcjonalne

Zadaniem zaworów dławiących jest sterowanie natężeniem przepływu powietrza. Zawory dławiące mogą być nastawiane:

• ręcznie

• mechanicznie

• elektromagnetycznie

Zawór dławiący - iglicowy

Do elementów sterujących ciśnieniem powietrza zalicza się zawory:

• zawory refleksyjne zwykłe

• zawory refleksyjne proporcjonalne

Pneumatyczny zawór redukcyjny proporcjonalny

Wykorzystanie spręŜonego powietrza zapewnia wyjściowemu członowi napędu pneumatycznego

osiągniecie duŜych prędkości, co oznacza, Ŝe tłok siłownika dochodzi do zadanej pozycji z duŜą

prędkością. Wymaga to stosowania specjalnych urządzeń hamujących, gdyŜ inaczej spowodowałoby

to zderzenia tłoka ze zderzakiem mechanicznym ograniczającym ruch tłoka. Konieczne zatem staje się

wyhamowanie tłoka w końcowej fazie ruchu.

MoŜna to uzyskać przez:

a) dławienie wpływu czynnika roboczego z opróŜnianej komory siłownika

b) wyhamowanie tłoka za pomocą urządzeń mechanicznych (amortyzatorów), a takŜe

pneumatycznych lub hydraulicznych

Hamulce wykorzystywane w pneumatycznych zespołach napędowych dzielimy na:

a) hamulce cierne

- duŜa sprawność

- nie obciąŜa siłownika podczas ruchu

- duŜe prędkości ruchu

- duŜy wpływ na prędkość i dokładność

Napędy hydrauliczne

Napęd hydrauliczny jest to urządzenie służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytwarzania do urządzenia napędzanego. Czynnikiem przenoszącym energie jest ciecz (najczęściej olej lub woda). Zasada działania tego napędu oparta jest na prawie Pascala dot. równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy.

Zalety układów hydraulicznych:

- moŜliwość uzyskania bardzo duŜych sił, przy małych wymiarach urządzeń

- moŜliwość uzyskania bezstopniowej zmiany prędkości ruchu

- moŜliwość uŜycia małych sił do sterowania pracą cięŜkich maszyn

- moŜliwość zdalnego sterowania

- moŜliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów

- duŜą trwałość elementów układów hydraulicznych oraz łatwość ich wymiany

Do wad naleŜy zaliczyć:

- trudności związane z uszczelnieniem elementów ruchowych; wszelkie nieszczelności

powodują przedostawanie się powietrza do obiegu, a to z kolei powoduje zakłócenia pracy

układu

- duŜe straty energii na pokonywanie oporów przepływu

Rodzaje napędów hydraulicznych:

• hydrostatyczne - wykorzystują energię ciśnienia cieczy, stosujemy w mechanizmach o ruchu obrotowym, jak i postępowym.

• hydrokinetyczne - wykorzystują energię kinetyczną cieczy, stosujemy w przypadku ruchu obrotowego.

Schemat napędu hydraulicznego

Napęd hydrauliczny

P_str

Pompy - zamieniają energię mechaniczną z silnika na energię hydrauliczną, występują pompy wyporowe i wirowe.

Schemat pompy zębatej

Zawory - sterują przepływem cieczy w układzie napędu hydraulicznego, dzielimy na ciśnieniowe (np.: bezpieczeństwa, przelewowe, kolejności

działania, redukcyjne, różnicowe, proporcjonalne) i natężeniowe

(np.: odcinające, rozdzielacze, zwrotne, dławiące, upustowe).

Silniki hydrauliczne lub siłowniki - zamieniają energię hydrauliczną z pomp z powrotem na energię mechaniczną, podobnie jak pompy, dzielimy na wyporowe i wirowe.

Elementy pomocnicze napędu hydraulicznego: przewody łączące, zbiorniki, filtry, akumulatory hydrauliczne, chłodnice lub podgrzewacze, ciśnieniomierze itd.

Układy hydrauliczne są stosowane (jako układy napędowe jak również jako układy sterujące) w wielu nowoczesnych maszynach i urządzeniach, obecnie, w każdej dziedzinie gospodarki.

Zalety układów hydraulicznych:

- możliwość uzyskiwania bardzo dużych sił, przy małych wymiarach urządzenia

- możliwość bezstopniowej zmiana prędkości ruchu

- możliwość użycia małych sił do sterowania pracą ciężkich maszyn

- możliwość zdalnego sterowania

- możliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów

- duża trwałość elementów tych układów oraz łatwość ich wymiany

Wady układów hydraulicznych:

- trudności związane z uszczelnianiem elementów ruchowych

- duże straty energii na pokonywanie oporów przepływu

POMPY

Rodzaje pomp:

wyporowe - posiadają ruchomy element roboczy zasysający i następnie tłoczący kolejne dawki cieczy. Element ten wykonuje ruch posuwisto zwrotny (pompy tłokowe) lub obrotowy (pompy rotacyjne).

wirowe - posiadają szybko obracający się wirnik łopatkowy, powodujący wzrost ciśnienia i energii ruchu pompowanej cieczy. Ciągłe zasysanie cieczy z przewodu ssawnego jest wywołane przez podciśnienie, utworzone podczas wypływu cieczy z wirnika do przewodu tłocznego. Pompy wirowe dzielimy na krążeniowe i krętne.

Przykładowe pompy stosowane w napędach hydraulicznych:

- pompa wielotłoczkowa : promieniowa lub osiowa

- pompa łopatkowa typu Vickersa

- pompa łopatkowa mimośrodowa

- pompa zębata

Schemat pompy wielotłoczkowej promieniowej

Schemat pompy wielotłoczkowej osiowej

Schemat pompy łopatkowej typu Vickersa

Schemat pompy łopatkowej mimośrodowej

Schemat pompy zębatej

Zasilacz

Silnik

Maszyna

Pompa

hydrauliczna

Źródło energii mechanicznej (silnik)

Urządzenie sterujące (zawory)

Silnik hydrauliczny lub siłownik

Element napędzany

---