Bezpieczeństwo, wydajność i ekologia to powody, dla których napędy pneumatyczne pełnią centralną rolę praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, konstrukcji maszyn i wielu innych zastosowaniach.

Napędy pneumatyczne działają na zasadzie zamiany energii sprężonego powietrza lub innego gazu na ruch liniowy lub obrotowy. Technologia ta cieszy się niesłabnącym powodzeniem wszędzie tam, gdzie pojawia się potrzeba wykonania pracy mechanicznej. Napędy pneumatyczne oferują szerokie możliwości, jednocześnie są bezpieczne i łatwe w eksploatacji. Duża różnorodność oferty na rynku sprawia, że znajdują one zastosowanie w wielu branżach, a konstruktorzy mogą z powodzeniem wybierać optymalne do wymagań projektu komponenty. Spektrum potencjalnych aplikacji jest bardzo szerokie.

Zastosowania siłowników pneumatycznych obejmują szeroko rozumianą konstrukcję maszyn, od urządzeń stacjonarnych, wykorzystywanych np. w produkcji czy przemyśle ciężkim, po mobilne maszyny stosowane w transporcie lub rolnictwie. Do tej kategorii należą też wszelkie zastosowania w budownictwie, takie jak: windy, bramy i ruchome platformy. Napędy pneumatyczne są też szeroko stosowane w procesach technologicznych i przemysłowych układach automatyki, w których priorytetem są: wydajność, niezawodność i bezpieczeństwo.

Napędy pneumatyczne - wydajnie, bezpiecznie i w trosce o środowisko

Pneumatyka to solidnie zakorzeniona na rynku technologia, bardzo dobrze znana konstruktorom i inżynierom utrzymania ruchu. Jednocześnie to obszar, który nadal zadziwia coraz to nowymi rozwiązaniami i możliwościami. Producenci komponentów z tej grupy stale rozwijają swoje produkty, dostosowując je do rosnących wymagań klientów i coraz to wyższych celów efektywności energetycznej, jakie są stawiane przed przemysłem. Dzisiejsze napędy pneumatyczne to urządzenia o dużych możliwościach, a jednocześnie cechuje je wysoka sprawność i niezawodność.

Dzięki temu, że są odporne na trudne warunki środowiskowe, jak: wilgotność, zabrudzenia czy wahania temperatury, zdają egzamin w wymagających aplikacjach przemysłowych, kopalniach czy budownictwie. Jednocześnie, z uwagi na rodzaj użytego nośnika energii, czyli powietrza, pneumatyka jest uznawana za czystą technologię, która doskonale sprawdza się w przedsiębiorstwach o podwyższonych standardach higieny, szczególnie z branży farmaceutycznej i spożywczej. Powietrze jest ogólnodostępne i darmowe, nie generuje zanieczyszczeń, a po wykorzystaniu nie wymaga regeneracji lub utylizacji. Niskie opory i lepkość umożliwiają wydajny transport w przewodach pneumatycznych, nawet na znaczne odległości.

Magazynowanie i transport powietrza są stosunkowo łatwe i bezpieczne. Co więcej, w odróżnienia od prądu lub cieczy powietrze nie grozi porażeniem, pożarem lub zanieczyszczeniem. Nieszczelności w układzie nie niosą więc ze sobą zagrożenia dla ludzi lub sprzętu. W odróżnieniu od napędów elektrycznych, elementy pneumatyczne są w pełni bezpieczne w środowisku zagrożonym wybuchem.
Minimalne wymagania w zakresie przeglądów i konserwacji w znacznym stopniu odciążają służby utrzymania ruchu i przekładają się na niskie koszty eksploatacji.

Pneumatyka jest od dawna ceniona przez konstruktorów z uwagi na dużą łatwość instalacji i wymiany, co jest m.in. zasługą wysokiego stopnia standaryzacji w branży oraz ujęcie konstrukcji siłowników normami ISO. Dla użytkownika oznacza to, że produkty od różnych dostawców są zamienne i nie ma ryzyka uzależnienia się od jednego producenta. Z uwagi na prostą budowę i wykorzystane materiały (przede wszystkim aluminium) komponenty pneumatyczne charakteryzują się niewielkimi rozmiarami i wagą, dzięki czemu łatwo dopasować je do każdego projektu.

Budowa układu pneumatycznego

Układ pneumatyczny tworzy szereg komponentów, które wytwarzają i transportują sprężone powietrze, a także elementy sterujące oraz wykonawcze. Z uwagi na pełnioną funkcję w układzie pneumatycznym możemy rozróżnić główne grupy komponentów, takie jak:

1. Sprężarki – pierwszym etapem procesu jest sprężenie powietrza w pojedynczej lub kilku połączonych sprężarkach elektrycznych i magazynowanie go w zbiorniku ciśnieniowym. Wybór odpowiedniej sprężarki jest kluczowy dla uzyskania wysokiej wydajności układu pneumatycznego i tym samym optymalizacji kosztów. Ostatnie lata to dynamiczny rozwój nowych rozwiązań i metod wytwarzania sprężonego powietrza, nakierunkowany na poprawę efektywności procesu.

2. Przygotowujące sprężone powietrze  – zanim sprężone powietrze będzie wykorzystane w napędzie pneumatycznym, musi być wcześniej odpowiednio przygotowane, pozbawione wody i innych zanieczyszczeń.

3. Zawory sterujące przepływem – ich zadaniem jest sterowanie pracą siłowników poprzez kontrolę kierunku i ciśnienia przepływu powietrza w układzie.

4. Wykonawcze  – siłowniki pneumatyczne, w których następuje zmiana energii sprężonego powietrza na siłę mechaniczną.

Przygotowanie sprężonego powietrza to ważny proces

Niezwykle ważny proces przygotowania sprężonego powietrza ma na celu zapewnienie odpowiedniej klasy czystości medium roboczego, co ma kluczowe znaczenie przy zapewnieniu bezawaryjności pracy i trwałości urządzeń pneumatyki. Sprężone powietrze zawiera cząstki wody, olejów i ciał stałych, które dostając się do przewodów, zaworów i siłowników prowadzą do korozji, uszkodzeń mechanicznych i szybszego zużycia części ruchomych.

Zmiana ciśnienia powietrza w wyniku sprężenia powoduje jego nagrzanie w zbiorniku, natomiast w rurociągu następuje ponowne ochłodzenie, prowadząc do wykraplania się wody w formie kondensatu. Dlatego też w układzie przy ujściu ze sprężarki instaluje się chłodnice i osuszacze mające oczyścić powietrze z wody. Znajdują się tam też filtry do usunięcia innych zanieczyszczeń. Norma ISO 8573-1: 2010 definiuje klasę czystości powietrza wymaganą w układzie pneumatycznym, przy czym dla branż takich jak spożywcza czy farmaceutyczna wymagają co do czystości powietrza są podwyższone. Dobór odpowiednich filtrów i osuszaczy jest zależny od parametrów pracy układu, użytych komponentów oraz ilości powietrza, jaką trzeba do nich dostarczyć.

Zawory dla branży pneumatycznej

Zawory rozdzielające to elementy układu, które sterują kierunkiem przepływu sprężonego powietrza, realizują funkcje logiczne, odcinają lub otwierają przepływ powietrza albo zmieniają jego natężenie. W układzie pneumatycznym odpowiadają m.in. za sterowanie przemieszczeniem siłowników lub regulację szybkości ruchu tłoka, mogą też być wykorzystane do realizacji pneumatycznych układów sekwencyjnych.

Zawory rozdzielające służą do sterowania kierunkiem przepływu powietrza w układzie. Do podstawowych parametrów zaworów z tej grupy należy liczba dróg przepływu, czyli liczba możliwych kombinacji wejść i wyjść elementu, które są łączone przez element sterujący zaworu; liczba położeń elementu sterującego; sposób i odmiana sterowania.

Sterowanie pracą zaworu może odbywać się manualnie, za pomocą przycisku, pedału lub innego interfejsu użytkownika. Sterowanie w pełni automatycznie jak dostępne w przypadku zaworów elektromagnetycznych. Dodatkowo rozróżnia się zawory, które wracają do pierwotnego położenia po odjęciu sygnału sterującego, czyli zawory monostabilne, a także te utrzymujące położenie, czyli zawory bi-stabilne. Ze względu na odmiany sterowania wyróżniamy dwie grupy. Zawory sterowane bezpośrednio, które nie wymagają przyłączenia dodatkowego zaworu ze sprężonym powietrzem, jednak są ograniczone do małych ciśnień i wielkości przepływu.

Zawór elektromagnetyczny SY51205YO01FQ

Elementy sterowane pośrednio do pracy wymagają dostarczenia powietrza pod ustalonym ciśnieniem, często za pomocą dodatkowego przyłącza w zaworze lub płycie przyłączeniowej, ale dzięki temu mogą wygenerować siłę potrzebną do pokonania wysokiego ciśnienia gazu roboczego. Osobną grupą są zawory regulacji przepływu dławiąco-zwrotne lub zawory dławiące, których zadaniem jest regulacja natężenia przepływu lub kompletne jego odcięcie.

Każdy siłownik pneumatyczny ma określoną wartość ciśnienia powietrza, jaką trzeba dostarczyć do poprawnego działania, w większości przypadków nieprzekraczającą 10 barów. Ponieważ powietrze w zbiorniku magazynowane jest pod bardzo wysokim ciśnieniem, należy stosować regulatory ciśnienia, które zapewnią stabilne ciśnienie powietrza na wejściu elementu. Umieszczone w sąsiedztwie elementów wykonawczych pozwalają również sterować prędkością działania tłoka, dławiąc natężenie powietrza na wejściu lub wyjściu siłownika.

W przypadku siłowników dwustronnych regulacja natężenia na wyjściu pozwala uzyskać bardziej stabilną pracę elementu. Najczęściej stosuje się ciśnienie robocze do 10 barów dla elementów wykonawczych oraz dużo mniejsze (poniżej 1 bara) do elementów sterujących. W celu redukcji stopnia komplikacji systemu powszechnie stosuje się wyspy zaworowe, które w pojedynczej obudowie integrują szereg zaworów elektromagnetycznych oraz wspólne zasilanie i sterowanie.

Siłownik okrągły RT_57212_M_50

Napędy pneumatyczne to najbardziej widoczna część układu pneumatycznego i element, który bezpośrednio realizuje jego podstawową funkcję – przemieszczanie elementów, otwieranie, zamykanie i innego typu ruchy.

Najczęściej wykorzystywanymi komponentami są siłowniki liniowe i siłowniki obrotowe. W tych pierwszych element roboczy, najczęściej tłoczysko, wykonuje ruch posuwisty. Dla konstruktorów dostępnych jest wiele typów tych urządzeń, w tym pchające lub ciągnące, tłokowe lub beztłokowe, jednostronne lub dwustronne. Wszystkie opierają się na tej samej, prostej zasadzie działania. Przez port przyłączeniowy do komory siłownika doprowadzane jest sprężone powietrze, co powoduje przesunięcie tłoka o ustalony skok. Zwykle dystans ruchu tłoka to od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, co jest wystarczające do zastosowań w większości aplikacji. Możliwy jest dłuższy wysięg, jednak pociąga to za sobą większe rozmiary urządzenia.

W siłownikach jednostronnego działania ruch tłoka w przeciwną stronę może być realizowany np. za pomocą sprężyny. Jest to energooszczędne rozwiązanie, jednak ograniczone do krótkiego dystansu, zwykle w zakresie kilkudziesięciu milimetrów. Jeśli urządzenie jest dwustronnego działania, ruch tłoka w przeciwnym kierunku wymaga przekazania powietrza do przeciwległej komory przy jednoczesnym odpowietrzeniu drugiej.

Siłowniki obrotowe to urządzenia, w których energia sprężonego powietrza zamieniana jest na ruch obrotowy wałka lub wpustu. W zależności od charakteru wykonywanego ruchu, dzieli się je na wahadłowe, realizujące ruch w określonym zakresie kątowym, i na w pełni obrotowe, zwane również silnikami pneumatycznymi. Podobnie jak w przypadku siłowników liniowych, w tej grupie też można wyróżnić napędy jednostronnego i dwustronnego działania. Popularnym zastosowaniem silników obrotowych jest regulacja przepływu poprzez otwieranie i zamykanie zaworów kulowych i przepustnic.

Na rynku dostępne jest szerokie spektrum siłowników w różnych kształtach i wymiarach obudów, dzięki czemu konstruktorzy mogą swobodnie wybierać w ofercie, wliczając w to siłowniki kompaktowe przeznaczone do zastosowań w trudnodostępnych miejscach. Warto pamiętać, że rozstaw otworów montażowych jest ujęty w normie ISO 15552, dzięki czemu możliwe jest stosowanie wymienne produktów różnych producentów.

Wybór odpowiedniego siłownika pneumatycznego do projektu musi być poprzedzony analizą wymaganych parametrów pracy i warunków środowiskowych, takich jak wielkość i charakter obciążenia, temperatura, ilość wolnej przestrzeni do montażu i inne potencjalnie szkodliwe czynniki środowiskowe. Siła generowana przez tłoczysko może być obliczona na podstawie prawa Pascala – jest iloczynem jego powierzchni czynnej i różnicy ciśnienia powietrza. Oczywiście jest to uproszczony model, a w prawdziwym układzie ta wartość będzie mniejsza z uwagi na straty wynikające z siły tarcia i strat ciśnienia w przewodach.

Ostateczna decyzja nie ogranicza się tylko do parametrów roboczych siłownika, ale również determinuje materiały użyte w konstrukcji. Korpus siłownika najczęściej wykonany jest z aluminium, jednak do pracy w najcięższych warunkach środowiskowych, takich jak: ekspozycja na czynniki chemiczne, duże zasolenie lub skrajne temperatury, stosowane są też różne gatunki stali nierdzewnej. Tłoczyska siłowników wykonuje się ze stali lub ze stali nierdzewnej, w tym drugim przypadku ma to zastosowanie przede wszystkim w branży spożywczej. Podobnie materiał uszczelnienia determinuje możliwy zakres temperatur pracy, ale i normy czystości, a w rezultacie np. dopuszczenie do pracy w urządzeniu mającym kontakt z żywnością.

Praca w szerokim zakresie temperatur to właściwie standard w tej grupie produktów. Większość siłowników w ofercie TME jest przystosowana do pracy w temperaturach od -10 do 80°C, natomiast w przypadku konieczności pracy w trudniejszych warunkach dostępne są też urządzenia dostosowane do temperatur od -40 do 150°C.

Dużym ułatwieniem w eksploatacji siłowników jest fakt, że są one w większości przypadków smarowane fabrycznie i nie wymagają zewnętrznego smarowania. Trzeba jednak pamiętać, że jeśli w linii stosuje się smarownice, to należy ten proces kontynuować w całym cyklu eksploatacji urządzenia.

Źródło: TME