Napędy maszyn
Wiadomości wstępne:
Napędy pneumatyczny i pneumohydrauliczny.
Napęd Pneumatyczny jest realizowany za pomocą silników pneumatycznych o ruchu postępowo zwrotnym, siłowników lub wirujących, Rozróżnia się mechanizmy pneumatyczne nadciśnieniowe i podciśnieniowe (próżniowe). Mechanizmy pneumatyczne nadciśnieniowe są zasilane za pomocą sprężarki. W mechanizmach pneumatycznych podciśnieniowych siłę czynną na tłok w cylindrze roboczym wywiera z jednej strony ciśnienie atmosferyczne, podczas gdy druga strona cylindra jest połączona z pompą próżniową.
Na podstawie porównania właściwości napędów hydraulicznych i pneumatycznych stwierdzono, iż w wielu przypadkach korzystne jest zastosowanie mieszanego układu napędowego tzn. układów pneumohydraulicznych.
Sterowanie pneumatyczne
Jest to oddziaływanie w określony sposób na obiekt za pomocą sprężonego powietrza jako energetycznego nośnika informacji. Pneumatyczne urządzenia sterujące nazywane są potocznie zaworami pneumatycznymi, są stosowane w części wykonawczej oraz centralnej. W części wykonawczej urządzenia te sterują energią sprężonego powietrza kierowaną do pneumatycznych urządzeń napędowych. W części centralnej układów pneumatycznych urządzenia sterujące służą do przetwarzania informacji w postaci sygnałów pneumatycznych. Pneumatyczne urządzenia związane z częścią centralną nazywa się potocznie elementami automatyki pneumatycznej.
Rozróżnia się zatem elementy automatyki przemysłowej analogowe – pracujące przy sygnale pneumatycznym ciągłym analogowym – oraz elementy dyskretne pracujące przy sygnale pneumatycznym nieciągłym .
Najważniejsze zastosowanie znalazły pneumatyczne elementy dyskretne pracujące przy sygnałach pneumatycznych ciernych. Jest to sygnał dyskretny, którego wielkość wyróżniająca może przyjmować jedynie dwie wartości umownie określane jako 0 i 1.
Rozróżnia się pneumatyczne elementy dyskretne :
- średnio ciśnieniowe – sygnał o ciśnieniu 80-100% ciśnienia zasilania, którego wartość jest stała i wynosi 0,14 MPa
- niskociśnieniowe
- wysokociśnieniowe
Klasyfikacja urządzeń pneumatycznych
Urządzenia pneumatyczne stosowane w układach sterowania i napędach pneumatycznych można podziali na:
· urządzenia, elementy części wykonawczej
· urządzenia, elementy części centralnej
· urządzenia, elementy części pomocnicze
Klasyfikacji urządzeń pneumatycznych można dokonać na podstawie cech konstrukcyjnych , przeznaczenia itd. Na ogół dzieli się je na 3 grupy :
· Urządzenia w których zachodzi tylko zmiana parametrów pneumatycznych. Podczas pracy tych urządzeń nie zachodzi przekształcenie energii potencjalnej powietrza w pracę mechaniczną i części mechaniczne nie wykonują żadnego ruchu.
· Urządzenia w których odbywa się ruch pewnych części mechanicznych i jednocześnie ulegają zmianie parametry powietrza. Głównym zadaniem urządzeń pneumatycznych tej grupy jest zmiana kierunku przepływu powietrza lub włączanie i wyłączanie przewodów układu pneumatycznego lub celowa zmiana parametrów powietrza.
· Urządzenia, w których odbywa się przekształcenie energii jednej postaci w inną . Urządzenia przetwarzające energię sprężonego powietrza na pracę mechaniczną.
Silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym
Rozróżnia się silniki pneumatyczne wirnikowe zębate i łopatkowe. W silniku pneumatycznym z wirnikami zębatymi sprężone powietrze wpływa 1 otworem i wypływa otworem 2 napędzając po drodze koła zębate.
W silniku z pojedynczym wirnikiem łopatkowym sprężone powietrze dopływa otworami do cylindra i wywierając nacisk na łopatki wirnika powoduje jego obrót, po czym wypływa otworami.
Zalety pneumatycznych silników obrotowych to:
· Prostota konstrukcji
· Łatwość eksploatacji
· Możliwość osiągnięcia dużej prędkości obrotowej
· Niewielka masa w stosunku do uzyskiwanej mocy
Wady:
· Zmienność prędkości obrotowej pod wpływem zmian obciążenia silnika
· Duże zużycie energii spowodowane niską sprawnością ogólną
Silniki pneumatyczne o ruchu postępowo-zwrotnym (siłowniki)
Pneumatyczne silniki o ruchu postępowo zwrotnym są stosowane w maszynach drogowych, obrabiarkach i wielu innych narzędziach. Istnieje wiele odmian konstrukcyjnych takich silników. Najbardziej znane są siłowniki membranowe i tłokowe. Dwukomorowy siłownik umożliwia zwielokrotnienie siły na tłoczysku w wyniku oddziaływania ciśnienie na tłoki przesuwające się w oddzielnych komorach.
Odmiany siłowników tłokowych:
· Dwustronnego działania
· Jednostronnego działania – pchający
· Jednostronnego działania – ciągnący
· Nurnikowy
· Teleskopowy
· Dwukomorowy
· Wielopołożeniowy
· Wirujący
· Wahadłowy
· Pneumohydrauliczny
Zawory rozdzielające:
Zawory rozdzielające służą do zmiany kierunku czynnika roboczego w przewodach pneumatycznych zgodnie z zewnętrznymi sygnałami sterującymi. Mogą to być sygnały mechaniczne, pneumatyczne lub elektryczne. Zawory rozdzielające umożliwiają także zatrzymanie przepływu. Istnieje wiele odmian zaworów rozdzielających różniących się między sobą: liczbą dróg, połączeń, schematem połączeń, rodzajem sterowania. Zawory rozdzielające mogą być sterowane: mechanicznie, siłą mięśni, pneumatycznie, elektrycznie. Każdy z tych rodzajów może być sterowaniem bezpośrednim lub pośrednim (ze wspomaganiem)
Przykłady podstawowych odmian zaworów rozdzialjących
b,c,a – suwakowe lub tłokowe
d,e,f – grzybkowe
a i d – dwudrogowe dwupołożeniowe
b i e – trzydrogowe dwupołożeniowe
c i f – trzydrogowe trzypołożeniowe
Podczas projektowania układów pneumatycznych, podobnie jak przy projektowaniu układów elektronicznych, używa się symboli ideowych elementów, które są zgodne z przyjętymi normami. Umożliwia to późniejsze odczytanie zaprojektowanego układu przez dowolną osobę. Elementy pneumatyczne posiadają symbole ideowe, które niejako pokazują działanie tego elementu, zarówno napędów jak i sterowania. Ilość różnych rozwiązań napędów jest ograniczona, natomiast jeśli chodzi o sterowanie to w zasadzie liczba różnych możliwych połączeń i działania zaworów rozdzielających jest olbrzymia, a co za tym idzie może również istnieć tyle symboli.
Istnieje jednak pewna systematyka działania elementów sterowania, która dzięki kilku zasadom umożliwia tworzenie symboli tych elementów.
zawory przedstawiane są jako kwadraty
ilość kwadratów informuje o liczbie możliwych stanów (położeń) zaworu
Funkcja jaką spełniają zawory przedstawiana jest w kwadracie.
linią przedstawia się możliwe połączenie dróg czujnika
strzałką przedstawia się kierunek przepływu (jeśli nie ma to dwukierunkowo)
za pomocą poprzecznych kresek przedstawione są odcięcia przepływu
kropką przedstawione są połączenia przelewów wewnątrz zaworów
Przy polu położenia tzw. zerowego bądź wyjściowego nanoszone są połączenia doprowadzające i odprowadzające
Przez przesunięcie kwadratów, aż do pokrycia się przelotów z połączeniami, przedstawione są inne położenia
Cyframi arabskimi można oznaczyć kolejne położenia elementu sterującego
Za pomocą symbolu trójkąta stykającego się bezpośrednio z wylotem oznacza się wylot powietrza bezpośrednio do atmosfery
Za pomocą symbolu trójkąta nie stykającego się bezpośrednio z wylotem, a połączoną z nim linią oznacza się wylot powietrza do atmosfery za pośrednictwem podłączonego przewodu.
Położenie zerowe zaworów na schematach oznacza się za pomocą dochodzących do danego kwadratu linii, a jest to takie położenie które zajmuje element sterujący zaworu, kiedy nie działają na niego żadne siły zewnętrzne. Położenie wyjściowe to takie, które występuje w momencie włączenia zaworu do układu pneumatycznego. Aby uniknąć pomyłek podczas montowania zaworów do układu, przyłącza oznacza się nast. dużymi literami.
A, B, C – przyłącza robocze
R, S, T – przyłącza odprowadzające
Z, Y, X – czynnika sterującego
W zależności od liczby położeń oraz liczby dróg, zawory w nazewnictwie oznacza się dwoma cyframi. Pierwsza oznacza liczbę przyłączy, druga ilość możliwych położeń zaworu np. zawór rozdzielający
4\2” – to zawór czterodrogowy dwupołożeniowy
W zależności od potrzeb stosowane są różne sposoby sterowania zaworami. Symbole sterowania dorysowuje się do zaworu prostopadle do kierunku połączeń z zaworze.
Sterowanie siłą mięśni
ogólne przyciskiem
dźwignią pedałem
Sterowanie mechaniczne
popychaczem sprężyną
rolką rolką działającą w jednym kierunku
Sterowanie elektryczne
z elektromagnesem jednocewkowym
z dwoma cewkami działającymi w jednym kierunku
z cewkami działającymi w dwóch kierunkach przeciwnych
Sterowanie ciśnieniem bezpośrednio
przez wzrost ciśnienia przez spadek ciśnienia
przez różnicę ciśnień
Sterowanie ciśnieniem pośrednio
przez wzrost ciśnienia
przez spadek ciśnienia
Sterowanie złożone
zaworem impulsowym włączanym elektromagnetycz. szeregowo
elektromagnesem lub zaworem impulsowym
Poniżej znajdują się symbole przykładowych zaworów, które zostały stworzone za pomocą powyższych zasad
zawór rozdzielający 2\2 (w położeniu zerowym otwarty)
zawór rozdzielający 3\2
zawór rozdzielający 4\2
zawór rozdz. 6\3 (w położeniu zerowy jeden przewód połączony z atmosferą, pozostałe dwa zamknięte)
zawór rozdz. 3\2 sterowany przyciskiem, powrót przy pomocy sprężyny
Wykład 7.03.11
Poza zaworami rozdzielającymi istnieją jeszcze zawory dławiące, zwrotne, redukcyjne, itp. które oznacza się w następujący sposób:
zawór zwrotny (przepuszcza strumień w jednym kierunku)
zawór dławiący z regulacją (reguluje dławienie w obu kierunkach)
zawór dławiący zwrotny z regulacją (reguluje dławienie w jednym kierunku, w drugim umożliwia swobodny przepływ)
zawór redukcyjny
Do oznaczenia napędów używa się dużo mniej symboli gdyż istnieje stosunkowo mało rodzajów elementów wykonawczych, ponieważ to głównie od zaworów zależy poprawne działanie i sterowanie układami pneumatycznymi. Poniżej znajduje się zestawienie podstawowych elementów wykonawczych.
Siłowniki jednostronnego działania:
powrót tłoka pod działaniem siły zewnętrznej.
powrót tłoka pod działaniem sprężyny.
Sterowniki dwustronnego działania.
Jednostronne tłoczyskoDwustronne tłoczysko
Siłowniki z amortyzacją jednostronną.
Stała
Zmienna
Dwustronną:
Siłownik teleskopowy.
Jednostronnego działania
Dwustronnego działania
Siłownik o ruchu obrotowym wahadłowym
Siłownik mieszkowy
Praca układu pneumatycznego. Podczas pracy ukł pneumat jego poszczególne elementy wielokrotnie zmieniają swój stan, dotyczy to zarówno siłowników jak i elementów stanowiących siłowniki, wykonują określoną, założoną dla danego układu funkcję, natomiast zawory spełniają funkcję logiczną układu tzn umożliwiają jego poprawne działanie.
Poniżej został zaprezentowany przykładowy zespół wykonawczy podczas pracy. Przedstawione zostały kolejne fazy pracy siłownika oraz zmiany jakim podlegają zawory. Jest to układ zapewniający posuwisto zwrotny ruch tłoka siłownika. Dwa zawory są sterowane za pomocą sygnału przekazującego przez tłok siłownika natomiast ruch powrotny jest realizowany za pomocą sprężyny, jeden z zaworów jest sterowany ręcznie przez osobę załączającą i jeden zawór jest obustronnie sterowany ciśnieniem. Użyty siłownik jest siłownikiem dwustronnego działania bez amortyzacji. Rys. Układ pneumatyczny nie załączony
W tej fazie układ nie działa ponieważ od elementów czynnych odłączone jest źródło ciśnienia. Jeżeli się przyciśnie przycisk start wtedy faza I pracy.
Układ zostaje załączony ciśnienie zaczyna płynąć przez zawór (rys 2) do odpowiedniej komory tłoka w siłowniku, co powoduje ruch tłoka, druga komora siłownika jest opóźniana przez zawór i połączenie do atmosfery.
Tłok siłownika będąc w skrajnym położeniu (rys 3) pokazuje sygnał za pomocą popychacza do zaworu który w wyniku przyłożonej siły zmienia pozycje, a co za tym idzie przepuszcza sprężone powietrze do zaworu bezpośrednio sterującego siłownikiem, w wyniku czego zostaje zmieniona jego pozycja. Siłownik powraca do stanu początkowego. Zawór, który zmienił pozycję pod wpływem tłoka siłownika teraz wraca do pozycji wyjściowej za pomocą sprężyny. Tłok siłownika w skrajnej pozycji daje sygnał do drugiego zaworu, który zmieniając pozycję przekierowuje ciśnienie do zaworu bezpośrednio sterującego siłownikiem, a ten zmienia pozycję na początkową. Zawór bezpośrednio sterujący siłownikiem wraca do stanu początkowego, a co a tym idzie cały układ jest w stanie początkowym, cały cykl powtarza się aż do zamknięcia zaworu odcinającego.
Prawo Pascala jako prawo hydrauliki. Jeżeli na dowolny ukł hydrauliczny działaja siły zewnętrzne to ciśnienie w dowolnym punkcie cieczy w spoczynku jest takie samo w każdym kierunku i ciśnienie wywarte na ciecz w naczyniu zamkniętym równomiernie rozchodzi się na wszystkie strony i działa jednakową siłą na powierzchnie jednostkowe.
Tak więc gdy na zamkniętą ciecz działa siła F na powierzchnie A to w cieczy powstaje ciśnienie. Ciśnienie zależne jest od wielkości siły działającej pionowo na powierzchnię i od wielkości tej powierzchni.
r=F/A, r - ciśnienie [Pa]; F – siła [N]
Prasa hydrauliczna
Urzadzenie zwielokratniające siłe nacisku dzięki temu że w zamkniętym układzie hydraulicznym panuje stałe cisnienie. Składa się z 2 połączonych cylindrów o rożnym przekroju A1 A2 wypełnionym woda lub olejem w którym mogą się poruszac 2 tłoki(rys.)
Jeżeli na tłok o pow. A1 Działa siła F1 To wywołuje w ukł. Ciśnienie p które zgodnie z prawem Pascala działa w każdym miejscu układu. Napór cieczy na duży tłok wynosi: F2=p A2=F1/A1*A1 stad f2/F1=A2/A1=i
Napór cieczy na tłok jest proporcjonalny do przekroju powierzchni poprzecznego przekroju tłoka. Stosunek „i” nazywamy założeniem hydraulicznym prasy Dobierając odpowiednie przekroje tłoków można uzyskać bardzo znaczne przyłożenie hydrauliczne,tzn. za pomoca małej siły działającej na tłok można na drugim wywołac wielka siłe naporu.
Hydrodynamika:
Elementy ruchu Cieczy
-predkosc wyjsciowa
-cisnienie w danym punkcie
-tor czasteczki(droga)
-linia pradu((styczna w dowolnym punkcie która okresla kierunek wektora prędkości miejscowej
-struga cieczy(wiazka lini pradu)
-srednia prędkość przypływu(Vsr=Q/A Q-natężenie przepływu(m^2/s) A-przekroj strugi m^2
Prawo przepływu(rys).
Gdy ciecz przepływa przez rure o zróżnicowanych przekrojach w tym samym czasie płynie przez nie ta sama objętość zmienia się tylko szybkość strumienia (prędkość przepływu strumienia cieczy)
Wielkość przepływu - objetosc cieczy która w jednostce czasu przepływa przez przekroj strugi wyrazona jest wzorem
Q=V \T Q-wielkość przepływu nazywana strumieniem objętości m^3/s
V-objetosc m^3
T-czas s
A powierzchnia przekroju m^2
S- droga długośc m
objętość wyrażona
V=A*s?
Po podstawieniu do równania Q=A*s/T
Prędkość V=s/t
Stad Q=A*V wynika
Równanie zwane równaniem ciągłości strugi
A1V1=A2V2
...
ETI_sosnowiec