001 Strojírenství

AUTOMATIZACE A ROBOTIZACE I. Učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství

1

1 Pneumatické řízení 2.1 Pneumatika úvodem Stlačený vzduch je prokazatelně jednou z nejstarších forem energie, kterou člověk znal a využíval ke zvýšení své fyzické výkonnosti. Vzduch jako médium si člověk uvědomoval již před tisíci lety a pokoušel se ho i využít k práci. Jedna z prvních dochovaných zaručených zpráv o využití stlačeného vzduchu jako pracovního prostředku je o Řeku Ktesibiovi, který před více než 2000 lety postavil pneumatický prak (katapult). Jedna z prvních knih o použití stlačeného vzduchu jako nositeli energie pochází z l. století našeho letopočtu. Obsahuje popisy zařízení, poháněných ohřátým vzduchem. Také výraz "pneuma" pochází od starých Řeků; znamenal dech, vítr, resp. ve filosofii také duši. Z tohoto slova pak byl odvozen termín "pneumatika" pro obor, zabývající se projevy a pohybem vzdušniny, resp. procesy, které ve vzdušnině probíhají. Základní vědomosti z pneumatiky sice patří k nejstarším znalostem lidstva, trvalo však celá staletí, prakticky až do minulého století, než byly systematicky prozkoumány její základy. A teprve přibližně od 50. let minulého století lze hovořit o průmyslové aplikaci pneumatiky ve výrobě, i když jsou známy jednotlivé starší aplikace - např. v hornictví, stavebnictví a železniční dopravě (vzduchové brzdy). K celosvětovému průmyslovému uplatnění pneumatiky však dochází teprve v posledních desetiletích, mimo jiné jako důsledek zavádění automatizace a racionalizace technologických procesů. Přes počáteční nedůvěru, způsobenou většinou neznalostí nebo nedostatečným vzděláním, se aplikační oblast pneumatiky stále rozšiřuje. V současnosti moderní průmyslové provozy si prakticky nelze představit bez využívání stlačeného vzduchu a pneumatická zařízení se úspěšně využívají v nejrůznějších průmyslových odvětvích.

2.1.1 Vlastnosti stlačeného vzduchu Rychlý rozvoj a praktické uplatnění pneumatiky v poměrně krátkém časovém období vyplynul mimo jiné ze skutečnosti, že mnohé problémy automatizace lze řešit nejjednodušeji a nejhospodárněji právě s využitím pneumatiky. Jaké vlastnosti jsou základem přitažlivosti praktického využívání stlačeného vzduchu? Dostupnost: Doprava: Akumulace: Teplota:

vzduch je k dispozici v neomezeném množství prakticky všude. stlačený vzduch lze potrubím dopravovat snadno i na větší vzdálenosti, není nutné žádné zpětné vedení. kompresor vyrábějící stlačený vzduch nemusí pracovat nepřetržitě, neboť stlačený vzduch lze akumulovat v tlakové nádobě. Navíc ho lze v tlakových nádobách (lahvích) i přepravovat. stlačený vzduch není citlivý ke změnám teploty, což je zárukou bezpečné činnosti pneumatických zařízení i při extrémních teplotních podmínkách.

Bezpečnost proti výbuchu: použití stlačeného vzduchu nepřináší nebezpečí výbuchu a požáru. Proto nejsou ani nutná nákladná ochranná opatření proti výbuchu. 2

Čistota:

stlačený vzduch neobsahuje žádné škodliviny a proto nedochází ke znečišťování okolí při jeho unikání do okolí při činnosti pneumatických prvků a zařízení nebo z netěsných rozvodů vzduchu ap. To je výhodné pro použití např. v potravinářském, dřevozpracujícím, textilním a kožedělném průmyslu. Jednoduchost: pracovní výkonové prvky jsou konstrukčně jednoduché a proto vycházejí i levné. Rychlost: stlačený vzduch je velmi rychlé pracovní médium, umožňující dosahovat vysokých pracovních rychlostí. (Rychlost pohybu pístu pneumatických motorů je 1 až 2 m/s). Řiditelnost: rychlosti a síly pneumatických prvků jsou řiditelné ve velkém rozsahu. Přetížitelnost: přetížení pneumatických zařízení (zejména pracovních prvků) vede k zastavení jejich činnosti bez poškození. Jsou tedy bezpečné proti přetížení. Pro přesnější vymezení aplikační oblasti pneumatiky je nutné se seznámit i s negativními vlastnostmi. Úprava: Stlačitelnost:

úpravě stlačeného vzduchu je nutné věnovat zvýšenou pozornost. Zejména musí být odstraněny nečistoty a vlhkost, které by jinak způsobovaly zvýšené opotřebení pneumatických prvků. stlačený vzduch neumožňuje dosáhnout konstantní rychlosti pohybu pístu pneumatických motorů.

Dosažitelná síla:

Hlučnost: Náklady:

mez hospodárně dosažitelné síly pneumotoru při provozně používaném tlaku 700 kPa je v závislosti na celkovém zdvihu a rychlosti pístu v rozmezí 20 000 až 30 000 N. při činnosti pneumatických zařízení při odfuku vzduchu do okolí vzniká nepříjemný hluk. Tento problém je v současnosti částečně vyřešen používáním nově vyvinutých materiálů tlumících zvuk. tlakový vzduch je relativně drahý nosič energie. Vysoké náklady vynaložené na energii jsou však zase kompenzovány nízkou cenou a velkou výkonností prvků (např. vysokým počtem pracovních taktů).

2.1.2 Hospodárnost pneumatických zařízení Jedním z důsledků mechanizace, automatizace a robotizace je nahrazení fyzické síly člověka využíváním různých druhů energie; jednou z nich je energie stlačeného vzduchu. Příklady: Manipulace s různými břemeny, materiálem, polotovary, ovládání pák, dopravy dílů apod. Stlačený vzduch je sice dražší nosič energie, na druhé straně však poskytuje řadu výhod. Velké náklady vyžaduje výroba a akumulace stlačeného vzduchu, jeho rozvod ke strojům a zařízením. To často svádí k názoru, že použití pneumatických zařízení je spojeno s vynaložením vysokých nákladů. Do úvah o hospodárnosti je však nezbytné zahrnout nejen výdaje na energii, ale je nezbytné kalkulovat veškeré vynaložené náklady. Při podrobnější 3

analýze se totiž ukazuje, že náklady na energii ve srovnání s pořizovacími náklady, se mzdami, s náklady na údržbu, s opravami apod. jsou relativně tak nízké, že nakonec nehrají podstatnou roli. Náklady na provoz pneumatických zařízení však mohou značně vzrůst v důsledku případných netěsností v rozvodné síti stlačeného vzduchu. Již malé netěsnosti mají za následek podstatné zvýšení nákladů. Diagram na obr. 21 umožňuje určit ztrátové množství vzduchu v závislosti na průřezu výtokového otvoru a na tlaku. Příklad a): otvorem o průměru 3,5 mm vytéká při tlaku 600 kPa množství 0,5 m3/min. Za hodinu je celkový ztrátový výtok 30 m3 vzduchu. Příklad b): uvolněním těsnění ucpávky vznikla na obvodu vřetena ventilu o průměru 20 mm prstencová štěrbina 0,06 mm. Ztráty výtokem touto štěrbinou odpovídají ztrátám výtokem kruhovým otvorem o průměru 2 mm. Potom při přetlaku 600 kPa je ztrátový průtok asi 0,2 m3/min., tj. 12 m3/h. Přitom vzduch uniká i v době, kdy zařízení není v provozu, takže celková denní ztráta v případě nepřetržitého provozu je 288 m3. Příklad ilustruje, jak pečlivé odstraňování netěsností zvyšuje hospodárnost.

Obr. 21 Diagram pro určení ztrátového množství vzduchu

4

2.1.3 Fyzikální základy Povrch Země je obklopen vrstvou vzduchu, který je směsí plynů se složením: - dusík přibližně 78 % objemu; - kyslík přibližně 21 % objemu; - zbývající 1% je tvořen oxidem uhličitým, argonem, vodíkem, heliem, kryptonem, xenonem, aj. K chápání zákonitostí chování vzduchu je nutné připomenout podstatné a určující fyzikální veličiny a jejich jednotky v užívaných měrových soustavách. V současné době se prakticky celosvětově používá vyjádření všech fyzikálních veličin v mezinárodní měrové soustavě SI. Dříve se však hodně používalo tzv. technické měrové soustavy a proto je dále uvedeno srovnání obou těchto měrových soustav.

Jednotky a značení Veličina

Označení Soustava SI

Technická soustava

Síla

F

newton N

kilopond kp

Teplota

T

kelvin K

stupeň Celsia

Tlak

p

pascal Pa

atmosféra at

o

C

Platí převodní vztahy síla teplota

1 kp = 9,81 N rozdíl teplot: 1°C = 1 K nulová teplota: O°C = 273 K

tlak

vedle již uvedených jednotek (Pa v SI soustavě a at v technické soustavě) se často používaly další jednotky. Pro úplnost uvedeme ty nejvýznamnější:

1. atmosféra, at (absolutní tlak v technické soustavě) 2. pascal, Pa (absolutní tlak v soustavě SI) 1 Pa = 1 N/m 2= 10-5 bar 1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 1,02 at 5

3. fyzikální atmosféra, atm (absolutní tlak v tzv. fyzikální měrové soustavě) 1 atm = 1,033 at = 1,013 bar = 101,3 kPa 4. mm vodního sloupce, mm v.s. 10 000 mm v.s. = 1 at = 0,981 bar = 98,1 kPa 5. mm rtuťového sloupce, mm Hg (odpovídá jednotce tlaku torr) 1 mm Hg = 1 torr 1 at = 736 torr, 100 kPa (1 bar) = 750 torr 6. psi (v zámoří) 1 psi = 6,89 kPa.

Protože na povrchu Země působí všude atmosférický tlak, nevnímáme ho a považujeme ho za vztažnou hodnotu. Odchylku od tohoto atmosférického tlaku patm označujeme jako přetlak + pe nebo podtlak - pe.

Obr. 22 Tlak

6

Atmosférický tlak na povrchu Země není ve všech místech stejný, mění se s nadmořskou výškou a s počasím. Rozsah tlaku od nulového absolutního tlaku do této mírně proměnné hodnoty atmosférického tlaku patm se nazývá podtlak (- pe), oblast tlaku nad hodnotou patm se nazývá přetlak (+ pe). Absolutní tlak pabs je pak součtem tlaků - pe a+ pe. V praxi se však používají přístroje, které ukazují pouze přetlak pe nebo podtlak - pe. Hodnota absolutního tlaku je pak oproti ukazované hodnotě přibližně o 100 kPa vyšší (patm - 100 kPa). Pomocí uvedených veličin lze nyní vyložit nejdůležitější fyzikální vlastnosti vzduchu. Stavová rovnice pro plyny Vzduch podobně jako všechny plyny nemá stálý tvar, tj. přijímá tvar svého okolí. Lze ho stlačovat (komprese), resp. má snahu se rozpínat (expanse). Tyto jevy při konstantní teplotě popisuje Boyle - Marriottův zákon: objem plynu v uzavřeném prostoru je při konstantní teplotě nepřímo úměrný absolutnímu tlaku, resp. součin absolutního tlaku a objemu určitého množství plynu je konstantní: p1 . V1 = p2 . V2 = p3 . V3 = konst.

Obr. 23 Boyle - Marriottův zákon

Vzduch při změně teploty při konstantním tlaku mění svůj objem. Tyto závislosti popisuje Gay - Lussacův zákon:

V1 T1 = V2 T2 kde: V1 – objem při teplotě T1; V2 – objem při teplotě T2

tedy poměr objemů se rovná poměru teplot, vyjádřených v Kelvinech.

7

Obr. 24 Gay - Lussacův zákon

Obě zákonitosti, uvedené v předešlých odstavcích lze vyjádřit společně tzv. stavovou rovnicí :

p1.V1 p2 .V2 = = konst. T1 T2

2.2 Výroba stlačeného vzduchu K výrobě stlačeného vzduchu se používají kompresory, které stlačují vzduch na požadovaný pracovní tlak. Většinou se používá centrální výroba stlačeného vzduchu, který se pak rozvádí k jednotlivým pneumatickým zařízením a prvkům. Proto uživatelé jednotlivých zařízení většinou nemusí provádět výpočet a návrh zařízení pro výrobu stlačeného vzduchu. K jednotlivým zařízením se z kompresorové stanice rozvádí stlačený vzduch potrubím. Mobilní zdroje stlačeného vzduchu se používají většinou jen ve stavebnictví nebo u strojů, které častěji mění svá stanoviště. Při návrhu výroby stlačeného vzduchu je třeba uvažovat i o budoucím navyšování spotřeby v důsledku pořizování nových pneumatických zařízení. Je vždy výhodnější výrobu vzduchu předimenzovat, než později zjistit, že je nedostatečná. Dodatečné rozšiřování kompresorových stanic je vždy spojeno s velkými náklady. Důležitým požadavkem při výrobě vzduchu je zabezpečení jeho čistoty. Čistý vzduch je podmínkou pro dlouhou životnost výrobního zařízení. Velmi důležitá je rovněž správná volba typu kompresoru.

2.2.1 Druhy kompresorů Na základě požadavků na množství vzduchu a jeho pracovní tlak se volí různé druhy kompresorů. Podle principu činnosti se kompresory dělí na dva základní typy:

8

první typ kompresorů pracuje na objemovém principu, stlačení se dosahuje nasátím vzduchu do prostoru, který je pak uzavřen a zmenšován; druhý typ kompresorů je založen na rychlostním principu, kdy nasátý vzduch je urychlován a jeho kinetická energie je v difuzoru transformována na tlakovou energii. Kompresory, které pracují na tomto principu, se nazývají turbokompresory.

Druhy kompresorů Objemové

přímočaré pístové membránové rotační

lamelové šroubové rotační

Turbokompresory radiální axiální

Pístové kompresory s přímočarým pohybem pístu Pístové kompresory s přímočarým pohybem pístů jsou v současné době nejpoužívanějším typem kompresorů. Jsou vhodné k získání nízkých, středních i vysokých tlaků, tj. od 100 kPa až do několika tisíc kPa. Při stlačení vzduchu na vyšší tlaky je však nutné vícestupňové provedení. Nasátý vzduch se v prvním stupni stlačí, následuje jeho ochlazení a pak stlačení v dalším stupni. Zdvihový objem druhého stupně je vždy menší než prvního stupně. Teplo vznikající při stlačování vzduchu musí být vždy odváděno. Chlazení se provádí vzduchem nebo vodou. Doporučuje se použít: do 400 kPa jednostupňové do 1 500 kPa dvoustupňové nad 1 500 kPa tří nebo vícestupňové kompresory Lze ještě použít, i když to nebývá vždy hospodárné: do 1 200 kPa jednostupňové 9

do 3 000 kPa dvoustupňové do 22 000 kPa třístupňové kompresory Rozsahy tlaků a dodávaného množství pístových kompresorů jsou na obr. 29.

Obr. 25 a) pístový kompresor s přímočarým pohybem pístu b) dvoustupňový pístový kompresor s mezichlazením Membránové kompresory Řadí se do skupiny pístových kompresorů. Píst je však od sání i výtlaku oddělen membránou, takže vzduch nepřichází do styku s kluzně uloženými pohyblivými díly, a není proto znečišťován olejem. Membránové kompresory se proto používají zejména v potravinářském, farmaceutickém a chemickém průmyslu (obr. 26a). Rotační objemové kompresory Princip činnosti: při rotačním pohybu jednoho nebo dvou rotorů - pístů dochází ke zmenšování pracovních prostorů se vzduchem a tím k jeho stlačování. Lamelový kompresor Ve válcovém tělese s otvory pro sání a výtlak se otáčí excentricky uložený rotor. V podélných zářezech rotoru jsou uloženy posuvné lamely, které se opírají a kloužou po vnitřním povrchu tělesa statoru, a tím vytvářejí řadu komor. Při otáčení excentricky uloženého rotoru se komory se vzduchem zmenšují, a tím dochází ke stlačování vzduchu. Lamely jsou při otáčení rotoru přitlačovány ke statoru odstředivou silou. Přednostmi tohoto typu kompresoru jsou malé vnější rozměry, klidný chod a rovnoměrná, prakticky bezrázová dodávka stlačeného vzduchu.

10

Obr. 26 a) membránový kompresor b) lamelový kompresor Šroubový kompresor Šroubový kompresor je typ moderního dvourotorového kompresoru. Vzduch je nasáván a vytlačován dvěma šroubovými vřeteny s konkávním a konvexním, do sebe zapadajícím profilem šroubových ploch, které stlačují axiálním směrem vytlačovaný vzduch. Rootsův kompresor Vzduch je dodáván z jedné strany na druhou dvěma stejnými rotory s průřezem piškotového tvaru. Patří do skupiny kompresorů s tzv. vnější kompresí, neboť ke stlačení nasátého vzduchu nedochází uvnitř samotného kompresoru, nýbrž až vytlačováním vzduchu do uzavřeného prostoru, tj. výtlakem proti odporu výstupní větve.

Obr. 27

a) šroubový kompresor b) Rootsův kompresor

11

Turbokompresory Pracují na rychlostním principu a jsou vhodné zejména pro velká dodávaná množství vzduchu. Vyrábějí se v axiálním a radiálním provedení. Princip činnosti: nasávanému vzduchu se jedním nebo více oběžnými koly udělí vysoká rychlost (a částečně i stlačení) a tato kinetická energie se v následujícím pevném difuzoru mění na tlakovou. U axiálních turbokompresorů se zrychlení vzduchu dosahuje pomocí lopatek při axiálním směru proudění. U radiálních turbokompresorů proudí nasávaný vzduch do oběžného kola přibližně axiálně a v oběžném kole se změní směr průtoku na radiální. Při vysoké obvodové rychlosti dochází i k částečnému stlačení působením odstředivé síly. Po výstupu z oběžného kola dochází ke zpomalení vzduchu v difuzoru s výsledným zvýšením tlaku. To se opakuje podle počtu zvolených oběžných kol (stupňů).

Obr. 28

a) axiální turbokompresor b) radiální turbokompresor

12

Obr. 29 Rozsahy tlaků a nasávaného množství vzduchu pro různé typy kompresorů

2.2.2 Kriteria pro volbu kompresoru a) Dodávané množství vzduchu Dodávané množství je průtok vzduchu dodávaný kompresorem při požadovaném tlaku.

13

Rozlišují se dva údaje: 1. teoretický průtok; 2. efektivní průtok. Teoretický průtok je u pístových kompresorů dán součinem zdvihového objemu a otáček. Efektivní (skutečný) průtok je v důsledku tzv. objemové účinnosti menší než teoretický a závisí na typu kompresoru a tlaku vzduchu. Pro praxi je důležitá hodnota efektivního dodávaného průtoku, protože udává množství vzduchu, které je skutečně kdispozici ke spotřebě, tj. k činnosti pneumatických zařízení. Průtok se udává v jednotkách m3/ min nebo m3/h.

b) Tlak Je třeba rozlišovat: 1. provozní tlak - tlak vzduchu na výstupu z kompresoru, resp. ve vzdušníku, případně v potrubí ke spotřebičům; 2. pracovní tlak - požadovaný a nutný tlak pro správnou funkci jednotlivých pneumatických zařízení. Ve většině případů se volí pracovní tlak 600 kPa. Udržování konstantního tlaku je nutným předpokladem pro spolehlivou a přesnou činnost. c) Pohon kompresorů K pohonu kompresorů se podle provozních podmínek používá elektromotor nebo spalovací motor. V průmyslových provozech převažuje pohon elektromotorem, u mobilních kompresorů se většinou používá pohon spalovacím motorem. d) Regulace kompresorů V důsledku nerovnoměrné spotřeby tlakového vzduchu je nutné výkon kompresoru přizpůsobovat této proměnné spotřebě, aby nedocházelo k nepřípustnému kolísání výtlačného tlaku. K tomu slouží regulace, která udržuje provozní tlak v povolených (zpravidla nastavitelných) mezích mezi maximální a minimální hodnotou. Rozlišují se tyto druhy regulace: 1) regulace chodem naprázdno: a) regulace odpouštěním do atmosféry Tato nejjednodušší regulace je realizována zabudováním pojistného ventilu ve výtlačném potrubí. Dojde-li- k překročení nastavené hodnoty max. tlaku ve vzdušníku, v síti apod., pojistný ventil otevře odfuk do atmosféry, kam je vzduch vypouštěn tak dlouho, až poklesne tlak pod nastavenou mez. Jednosměrný ventil mezi výstupem kompresoru a vzdušníkem zamezuje jeho vyprázdnění. Tento způsob regulace je vhodný jen pro malá zařízení. b) regulace uzavřením sání Tento způsob regulace je realizován uzavíráním sacího nástavce kompresoru, v důsledku čehož kompresor nemůže nasávat vzduch a v sání vzniká podtlak. Tento způsob se používá

14

především u rotačních (např. křídlových) kompresorů, někdy též u přímočarých pístových. c) regulace odtlačením sacího ventilu Používá se u větších pístových kompresorů. Pístek regulátoru odtlačí sací ventil a drží ho otevřený, takže kompresor nemůže vzduch stlačovat. Jde o velmi jednoduchý způsob regulace.

Obr. 30 Regulace odtlačením sacího ventilu

2) regulace výkonu: a) regulace otáček Používá se při pohonu spalovacím motorem, který je řízen regulátorem otáček. Nastavení požadované hodnoty otáček je ruční nebo automatické v závislosti na provozním tlaku. V případě pohonu elektromotorem se používá stupňovitá regulace jeho otáček přepínáním počtu pólů. Tento způsob se používá méně často. b) regulace škrcením v sání Realizuje se škrcením průtočného průřezu sacího nástavce, čímž lze nastavit výkon kompresoru v širokém rozmezí. Používá se zejména u rotačních kompresorů a u turbokompresorů. 3) dvoupolohová regulace zastavováním a spouštěním Při tomto způsobu regulace má kompresor dva provozní stavy - stav plného zatížení a klidový stav. Při dosažení tlaku pmax je vypnut motor, který pohání kompresor. Při poklesu tlaku na hodnotu pmin je motor opět spuštěn a kompresor je v plné činnosti. Rozdíl tlaků pmax pmin je na regulátoru nastavitelný. Pro snížení frekvence spínání je nezbytné použít větší vzdušník, z něhož se kryje spotřeba stlačeného vzduchu v době, kdy je kompresor v klidovém stavu.

15

2.2.3 Chlazení Při stlačování vzduchu v kompresoru se vyvíjí teplo, které musí být odváděno. Podle množství vznikajícího tepla je nutné volit vhodný způsob chlazení. K odvádění tepla u malých kompresorů postačují chladicí žebra na vnějším povrchu válce. Větší kompresory se vzduchovým chlazením se vybavují navíc ventilátorem, který nuceným prouděním zvyšuje odvod tepla. U kompresorových stanic s výkonem nad 30 kW vzduchové chlazení už nestačí a kompresory se vybavují vodním chlazením, a to buď s nuceným nebo bez nuceného oběhu chladicí vody. Často vznikají obavy ze zvýšení nákladů při pořízení většího chladicího systému s chladicí věží. Je však třeba si uvědomit, že dobré chlazení prodlužuje životnost kompresoru a umožňuje dodávat kvalitnější, chladnější vzduch. Takový prozíravý přístup nás může navíc ušetřit případného dodatečného pořizování vzduchového chlazení.

Obr. 31 Vzduchové a vodní chlazení kompresoru

2.2.4 Kompresorová stanice a vzdušník Kompresorová stanice má být umístěna v uzavřeném prostoru, zvukově izolovaném vůči okolí. Vnitřní prostor má být dobře větraný, nasávaný vzduch má být pokud možno co nejchladnější, suchý a bez prachu. Vzdušník (tlaková nádoba) vestavěný do výtlačného potrubí slouží ke snížení kolísání tlaku, které je vyvoláváno proměnnou spotřebou stlačeného vzduchu. Současně je vzduch částečně ochlazován odvodem tepla velkou plochou pláště vzdušníku. Z tohoto důvodu pak dochází ve vzdušníku i k vylučování vysrážené vlhkosti s olejem.

16

Obr. 32 Vzdušník Velikost vzdušníku závisí na: - množství dodávaného vzduchu; - spotřebě vzduchu; - rozvodné síti (přídavný objem); - zvoleném způsobu regulace; - přípustném tlakovém spádu v síti. Objem vzdušníku lze určit z diagramu na obr. 33 Příklad: dodávaný průtok počet sepnutí za hodinu tlakový spád

VQ = 20 m3/min. Z = 20 Δ p = 100 kPa

objem vzdušníku

Vv = ?

výsledek :

Vv = 15 m3

17

Obr. 33 Diagram pro určení objemu vzdušníku

18

2.2.5 Rozvod stlačeného vzduchu S rozvojem automatizace technologických procesů stoupá spotřeba tlakového vzduchu. K jednotlivým strojům a zařízením, které ke své činnosti potřebují určité množství tlakového vzduchu, je nutné stlačený vzduch od kompresoru přivést rozvodnou sítí. Průměr potrubí rozvodné sítě je nutné volit tak, aby tlaková ztráta mezi vzdušníkem a spotřebiči nepřesáhla cca 10 kPa. Větší tlakové ztráty značně snižují užitečný výkon, a tedy i hospodárnost. Proto je vhodné již při návrhu předvídat případné budoucí zvýšení spotřeby vzduchu a dimenzovat rozvodné potrubí s určitou velkorysostí, protože dodatečné zvětšování potrubní rozvodné sítě je vždy velmi nákladné. Dimensování potrubí Průměr potrubí by neměl být volen podle toho, jaké trubky jsou právě náhodou k dispozici ani na základě zvyklostí, nýbrž by měl být určen z: - průtoku vzduchu; - délky potrubí; - přípustné tlakové ztráty; - provozního tlaku; - počtu míst se škrcením. V praxi většinou vycházíme ze zkušeností, které např. vyjadřuje nomogram na obr. 34, z něhož lze průměr potrubí stanovit snadno a rychle. Příklad: Spotřeba tlakového vzduchu v podniku je 4 m3/min (240 m3/hod). Odhadujeme zvýšení spotřeby vzduchu během 3 roků o 300 %, tj. o 12 m3/min (720 m3/hod ), proto potrubí navrhujeme pro spotřebu vzduchu 16 m3/min (960 m3/hod ). Délka rozvodu je 280 m, bude v něm celkem šest T - odboček, pět normálních oblouků a jeden průtočný ventil. Přípustná tlaková ztráta Δ p = 10 kPa, provozní tlak 800 kPa. Máme určit průměr potrubí rozvodné sítě. Řešení: Ze zadaných hodnot lze určit předběžně průměr potrubí pomocí nomogramu na obr. 34: spojíme bod na svislé přímce A, který odpovídá délce rozvodné sítě 280 m, s bodem na přímce B, odpovídající průtoku 960 m3/h, a přímku prodloužíme tak, abychom dostali průsečík s přímkou C. Dále spojíme bod na přímce E, která odpovídá provoznímu tlaku 800 kPa, s bodem na přímce G, odpovídající přípustné tlakové ztrátě 10 kPa, a určíme průsečík s přímkou F. Získané průsečíky na přímce C a F určují další přímku, jejíž průsečík se svislou přímkou D určuje hledaný vnitřní průměr potrubí - v našem případě cca 90 mm.

19

Obr. 34 Nomogram pro určování průměru potrubí

Další postup: prvky rozvodné sítě, které způsobují tlakové ztráty (různé druhy ventilů, T kusy, kolena, šoupátka), nahradíme ekvivalentními délkami potrubí, čímž rozumíme délku přímého potrubí (s již zvoleným průměrem), které má stejný odpor jako nahrazované prvky. Evivalentní délky lze rychle odečíst z nomogramu na obr. 35.

20

Obr. 35 Nomogram pro určení ekvivalentních délek potrubí Pro náš případ odečteme: 6 ks T- kus (90 mm)

6.10,5 = 63 m

1 ventil (90 mm) 5 kolen (90 mm)

32 m 5. 1

celkem ekvivalentní délka celková délka potrubí

= 5m 100 m

280 + 100 = 380 m

Pro takto určenou celkovou délku potrubí a pro ostatní výchozí - zadané hodnoty určíme opět z nomogramu na obr. 34 konečný průměr potrubí. V tomto případě vychází průměr potrubí 95 mm.

21

Provedení a umístění potrubní rozvodné sítě Vedle správného dimenzování potrubí je dále důležité provedení a umístění rozvodné sítě. Potrubí pro rozvod tlakového vzduchu je nutné pravidelně kontrolovat a provádět jeho údržbu, proto není vhodné ho zazdívat nebo ukládat do úzkých šachet či kanálů, kde by pak bylo obtížné provádět zejména kontrolu jeho těsnosti. Přitom již malé netěsnosti způsobují pozorovatelné tlakové ztráty. Materiál potrubí rozvodné sítě Hlavní potrubí Při volbě materiálu se vychází z těchto možností: měď ocelová trubka černá mosaz ocelová trubka pozinkovaná nerez ocel umělé hmoty Pokládání trubek má být snadné, trubky mají být odolné proti korozi a levné. Pro dlouhodobé využívání se trubky spojují svařováním nebo letováním. Výhodou svařovaných spojů je těsnost a vycházejí levněji. Nevýhodou je vznik okují, které je nutné z potrubí odstranit. Navíc je svarový šev zdrojem částeček rzi, a proto je pak nezbytné používat jednotku pro úpravu vzduchu s čističem. U rozvodů z ocelových pozinkovaných trubek jsou problémem časté netěsnosti ve spojovacích šroubeních. Ani odolnost proti rezavění u nich nebývá podstatně lepší než u tzv. černých trubek, zejména v místech, kde je ochranná vrstva narušena (např. u závitů). Proto i při použití těchto trubek je nezbytné používat jednotky pro úpravu vzduchu. Pouze ve výjimečných případech se hlavní rozvodné potrubí provádí z měděných nebo mosazných trubek. Přívodní potrubí k pneumatickým zařízením Gumové hadice se používají zejména v případech, kde je vyžadována určitá pohyblivost přívodního potrubí a nelze s ohledem na vyšší mechanické namáhání volit hadice z umělé hmoty. Gumové hadice jsou dražší a obtížněji se s nimi manipuluje než s hadicemi z umělých hmot. V současné době se nejčastěji používají hadice z umělých hmot - z polyetylénu nebo z polyamidu. Jejich výhodami jsou rychlost a jednoduchost připojování a nízká cena.

Obr. 36 Polyuretanové hadice

22

Obr. 37 Pevná šroubení

Obr. 38 Nástrčná šroubení

Obr. 39 Rozváděcí lišty Je-li během práce požadována pohyblivost, zde najdou se svojí nejvyšší pružností svoje uplatnění spirálové hadice. Velká přizpůsobivost v provozu, dlouhá životnost, velká síla při navrácení se do původního tvaru, různé pracovní délky – to jsou základní přednosti.

23

Obr. 40 Spirálová hadice Zelenou pro rychlá a excelentní spojení, obzvlášť atraktivní tam, kde se jedná o jednoduchou a rychlou a na přání absolutně těsnou montáž či demontáž, představují rychlospojky. Mají mnoho variant se jmenovitou světlostí od 1.5 do 13 mm a průtokem od 40 do 2.000 l/min

Obr. 41 Rychlospojka Ať už pro stlačený vzduch, vakuum, kapaliny nebo plyny - jednoduché nebo vícenásobné otočné průchodky zaručují bezpečný přenos médií z pevného zdroje na otáčející se části strojů. Mají přizpůsobivý přívod nebo výstup médií prostřednictvím radiálních a osových vstupů a výstupů.

Obr. 42 Otočná průchodka

24

2.3 Úprava tlakového vzduchu 2.3.1 Znečištění vzduchu V praxi se v mnoha případech klade velký důraz na kvalitu tlakového vzduchu. Znečištění vzduchu mechanickými nečistotami, částečkami rzi, zbytky oleje a vlhkostí často vede k poruchám pneumatických zařízení, příp. ke zničení jejich prvků. První hrubé odstraňování kondensátu se provádí v odlučovači, umístěném za chladičem vzduchu. Na pracovním místě se pak provádí jemné odlučování, filtrace a další úpravy tlakového vzduchu. Zvláštní pozornost je nutné věnovat vlhkosti. Voda (vlhkost) se dostává do rozvodné sítě tlakového vzduchu se vzduchem nasávaným do kompresoru. Stupeň vlhkosti závisí na relativní vlhkosti ovzduší, která je určována teplotou ovzduší a povětrnostní situací. Absolutní vlhkost je množství vodních par, které obsahuje 1 m3 vzduchu. Relativní vlhost je množství vodních par v 1 m3 vzduchu, vztažené na maximální možné množství při dané teplotě, vyjádřené v %. Relativní vlhkost může být proto max. 100 %. Největší možné množství vodních par (vody) v 1 m3 vzduchu při dané teplotě (teplota rosného bodu) je tzv. mezní stav, tj. stav sytosti, kterému odpovídá relativní vlhkost 100 %. Vzduchový čistič s redukčním ventilem Úkolem vzduchových čističů je odstranit z tlakového vzduchu veškeré zbytky nečistot a zkondensované vody. Při vstupu do nádobky čističe (1) proudí tlakový vzduch vodícími štěrbinami (2) tak, že se dostane do rotačního pohybu. Působením odstředivé síly pak dochází k odlučování tekutých a větších tuhých částic nečistot, které se usazují ve spodní části nádobky čističe. Dále vzduch proudí přes jemnou filtrační vložku (4) s póry řádově 40 mikronů, kde jsou zachycovány drobnější pevné nečistoty. Tím dochází k postupnému zanášení filtrační vložky, kterou je proto nutno občas vyměnit nebo vyčistit. Vyčištěný tlakový vzduch je pak přes redukční ventil a rozprašovač oleje veden ke spotřebičům. Kondensát nahromaděný na dně nádobky čističe (1) musí být po dosažení max. povolené výšky vypuštěn - děje se tak výpustným šroubem (3). Jestliže předpokládáme větší množství kondensátu v tlakovém vzduchu, je výhodné použít čističe s automatickým vypouštěním kondensátu.

25

Obr. 43 Vzduchový čistič s redukčním ventilem

Automatické vypouštění kondensátu Vypouštění kondensátu je nezbytné, protože jinak vzniká nebezpečí, že zkondensovaná voda bude opět strhávána proudícím tlakovým vzduchem. Kondensát lze vypouštět automaticky pomocí konstrukčního principu na obr. : kondensát stéká spojovací trubičkou

26

(1) do plovákové komory (3), kde stoupající hladina zdvíhá plovák (2). Při dosažení určité výšky hladiny uvolní plovák pomocí páky otvor trysky (10). Vrtáním (9) začne proudit tlakový vzduch do dalšího prostoru a působí na membránu (6), která svým zdvihem otevře výpustný ventil (4) a kondensát může odtékat výpustným otvorem (7). Při následujícím poklesu hladiny kondensátu plovák (2) opět uzavře otvor trysky (10) a tlakový vzduch odfoukne tryskou (5) do ovzduší. Čepem (8) lze kondensát vypouštět ručně.

Obr. 44 Automatické vypouštění kondensátu Jemný vzduchový čistič Jemný vzduchový čistič se používá při zvýšených nárocích na čistotu tlakového vzduchu (např. v potravinářském, chemickém a farmaceutickém průmyslu). Jemné vzduchové čističe zbavují tlakový vzduch téměř úplně zbytků kondensátu a částic oleje. Vzduch je jimi vyčištěn cca na 99,9 % . Princip činnosti jemného vzduchového čističe (obr. 45): Tlakový vzduch přiváděný vstupním otvorem (1) proudí filtrační vložkou (2) zevnitř ven. Vyčištěný vzduch je výstupem (5) veden dál ke spotřebičům. Filtrační vložka je z borokřemičitého skla. Odlučování nejjemnějších částeček nečistot až do rozměru 0,1 mikron je dosaženo mimořádnou jemností filtrační vložky. Vyloučené zbytky nečistot lze z nádobky čističe odstranit vypouštěcím šroubem (4). Aby nedošlo ke strhávání částic vody a oleje proudícím tlakovým vzduchem, je třeba věnovat pozornost i velikosti průtoku. Pro instalaci je důležité: jemný čistič musí být montován ve svislé poloze; musí být dodržen směr proudění (je vyznačen na tělese čističe šipkami).

27

Obr. 45 Jemný vzduchový čistič

2.3.2 Vysoušení vzduchu K vysoušení vzduchu se používá: - absorbční vysoušení; - adsorbční vysoušení; - vysoušení chlazením.

Absorbční vysoušení 28

Jedná se o čistě chemický postup, při němž se stlačený vzduch vede prostředím se sušicím prostředkem. Voda nebo vodní pára se při styku se sušicím prostředkem na něj chemicky váže. Proto musí být sušicí prostředek v absorbéru vždy po určité době vyměněn, což se provádí ručně nebo automaticky. Sušicí prostředek je tedy po určitém čase "spotřebován" a musí být nahrazen novým (2 x až 4 x za rok). S absorpčním vysušováním bývá spojeno také vylučování olejových par a částeček. Protože větší množství oleje ve vzduchu má negativní vliv na účinnost sušení, je vhodné před vysoušením olej zachycovat jemným filtrem. Výhody absorbčního vysoušení: - jednoduchá instalace; - malé mechanické opotřebení, protože absorbér nemá žádné pohyblivé části; - nevyžaduje přívod energie.

Adsorbční vysoušení Základem tohoto postupu je fyzikální jev adsorbce (zachycování látek na povrchu pevných těles). Sušicím prostředkem je zrnitý materiál, většinou dioxid křemičitý, pro nějž se používá název "gel". Tento gel adsorbuje vodu či vodní páru: vlhký tlakový vzduch prochází vrstvou gelu, který na sebe váže vlhkost z tlakového vzduchu. Akumulační schopnost gelové náplně adsorbéru je omezená. Proto je-li sušicí prostředek nasycen, je třeba ho regenerovat. Regenerace se provádí nejčastěji tak, že nasyceným sušicím prostředkem se nechá proudit teplý vzduch, který mu vlhkost opět odejme. Na tepelnou energii potřebnou k regeneraci je nutná elektrická energie nebo horký tlakový vzduch. Často se používá dvoukomorové uspořádání, kdy jedna komora se využívá k vysoušení a druhá je profukována horkým vzduchem (regenerační princip).

Vysoušení ochlazováním Podstatou tohoto postupu je snížení teploty tlakového vzduchu pod teplotu rosného bodu, což je teplota, pod níž je nutné plyn ochladit, aby v něm obsažené vodní páry zkondensovaly. Tlakový vzduch přiváděný do sušičky se zpravidla nejdřív vede vzduchovým tepelným výměníkem, v němž se předchladí. Vyloučený kondensát se shromažďuje v odlučovači, který je třeba pravidelně vypouštět. Předchlazený vzduch pak proudí chladicím agregátem (výparníkem) a je ochlazován až na teplotu kolem 274,7 K(1,7 °C). Zde se vzduchu podruhé odnímá vlhkost v podobě vodního kondensátu (kondensuje i olej). Vysušený vzduch se doporučuje ještě vést přes jemné filtry, kde se zachycují poslední zbytky nečistot (zejména mechanické).

29

Obr. 46 Vysoušení ochlazováním

2.3.3 Jednotka pro úpravu vzduchu Jednotku pro úpravu vzduchu tvoří tato zařízení: - čistič vzduchu; - redukční ventil; - rozprašovač oleje. Pro správnou činnost jednotky je třeba mít na zřeteli: l. Celkový průtok v m3/h určuje velikost jednotky. Při průtoku vyšším než udává výrobce vzrůstá nadměrně tlaková ztráta. Proto je nutné se řídit údaji výrobce. 2. Tlak vzduchu na vstupu jednotky nesmi překročit maximální hodnotu uvedenou výrobcem. 3. Teplota okolí nesmí překročit 50 °C (s ohledem na umělou hmotu nádobek jednotlivých částí jednotky).

30

Údržba jednotky pro úpravu vzduchu: a) čistič vzduchu: kontrolovat pravidelně výšku hladiny kondensátu, která nesmí překročit max. výšku, udanou ryskou na průhledné nádobce čističe. Nahromaděný kondensát by pak mohl být strháván proudícím vzduchem. Vypouštění kondensátu se provádí vyšroubováním výpustného šroubu. Filtrační vložku je nezbytné pravidelně čistit nebo vyměňovat. b) redukční ventil: nevyžaduje žádnou údržbu, je-li mu předřazen čistič c) rozprašovač oleje: kontrolovat množství oleje v průhledné nádobce, v případě potřeby doplnit olej až k rysce na nádobce. Nádobky čističe vzduchu a rozprašovače jsou z umělé hmoty a nesmí se čistit trichloretylenem. Do rozprašovače je nutné používat výhradně minerální oleje.

Redukční ventil s odfukem do atmosféry Redukční ventil udržuje na svém výstupu konstantní tlak (tzv. sekundární tlak) i při kolísání tlaku rozvodné sítě (tj. primárního tlaku) a proměnné spotřebě vzduchu. Primární tlak (tj. tlak na vstupu) musí být vždy větší než tlak na výstupu. Hodnota výstupního tlaku je udržována membránou (1) – na jednu stranu membrány působí výstupní tlak, na její druhou stranu působí síla pružiny (2), nastavitelná šroubem (3). Při zvýšení tlaku se membrána prohne proti síle pružiny, a tím průtočný průřez na ventilovém sedle (4) přivře, event. zcela uzavře. Výstupní tlak je tedy regulován protékajícím množstvím vzduchu. Při zvýšení odebíraného množství tlak klesne a pružina začne otvírat ventil. Regulace nastavitelné hodnoty výstupního tlaku se tedy dosahuje stálým otvíráním nebo přivíráním průtočného průřezu ventilového sedla (4). Aby nedocházelo k rozkmitání, je pohyb ventilového dříku (6) tlumen pružinou (5). Nastavený výstupní tlak je většinou měřen a ukazován zabudovaným tlakoměrem. Při náhlém zvýšení tlaku na výstupní straně se membrána prohne proti pružině a po uzavření ventilku (6) se pak dále ještě otevře průtočný otvor ve středové části membrány a umožní snížení tlaku odfukem do atmosféry.

31

Obr. 47 Redukční ventil s odfukem do atmosféry

Rozprašovač oleje Úkolem rozprašovače je dodávat do tlakového vzduchu mazivo, potřebné k mazání pneumatických prvků. Toto mazivo (v podobě rozptýleného oleje) zmenšuje opotřebení pohyblivých částí, snižuje třecí síly a chrání před korozí. Rozprašovače většinou pracují na principu Venturiho trubice. Tlakový spád Δp mezi prostorem před trubicí a nejužším místem trubice se využívá k nasávání oleje ze zásobníku a k jeho rozprašování do proudícího vzduchu. Funkce rozprašovače oleje je podmíněna dostatečnou rychlostí proudění. Při pomalejším proudění poklesne rychlost natolik, že se nevytvoří dostatečný podtlak, nezbytný k nasání oleje ze zásobníku. Proto je nezbytné dodržovat výrobcem udávané minimální množství průtoku. Rozprašovač oleje (obr. 48) pracuje na popsaném principu Venturiho trubice: vzduch protéká ze vstupu (1) rozprašovače na jeho výstup (2). Zmenšením průtočného průřezu ventilem (5) vzniká tlakový spád, a tím podtlak v kanálku (8) a prostoru (7). Podtlakem je olej nasáván kanálkem (6) a trubičkou (4) ze zásobníku oleje. Olej kape do prostoru (7), stéká kanálkem (8) a v prostoru (5) ventilu je rozprašován do proudícího vzduchu. Se změnou rychlosti protékajícího vzduchu se mění i tlakový spád, což má za následek i změnu množství rozprašovaného oleje. Nastavování množství oleje lze provádět pomocí stavěcího šroubku na hořejším konci trubičky (4). Prostor nad olejem je jednosměrným ventilem (3) spojen se vstupním kanálem rozprašovače, takže v zásobníku vzniká mírný přetlak, který působí na hladinu oleje v zásobníku.

32

Obr. 48 Rozprašovač oleje

2.4 Pneumatické motory Energie stlačeného vzduchu je pneumatickými motory (pneumotory) transformována na mechanickou energii přímočarého nebo otáčivého pohybu.

2.4.1 Pneumatické přímočaré motory Jednočinné přímočaré motory

33

U jednočinných přímočarých motorů působí tlakový vzduch jen na jednu stranu pístu, takže mohou vykonávat mechanickou práci pouze v jednom směru pohybu. Zpětný pohyb je realizován silou pružiny nebo jinou vnější silou, která musí být dostatečně veliká, aby vratný pohyb pístu proběhl s dostatečnou rychlostí. Zdvih jednočinných motorů je omezen právě použitelnou délkou pružiny - bývá přibližně do 100 mm. Tyto motory se používají zejména k upínání, vyhazování, lisování, zdvíhání, přisouvání apod. Používá se též provedení, kdy pracovní zdvih je realizován pružinou a zpětný pohyb je vyvozen tlakovým vzduchem. Příkladem použití tohoto provedení jsou např. vzduchové brzdy u železničních vagónů. Výhodou je, že brzdy působí i při výpadku energie.

Obr. 49 Jednočinný přímočarý pístový motor Dvojčinné přímočaré motory U dvojčinných motorů vyvozuje síla daná působením tlakového vzduchu na píst pohyb v obou směrech, tj. jak při dopředném, tak při zpětném pohybu pístu. Proto se tyto motory používají v případech, kdy má píst vykonávat pracovní činnost i při zpětném pohybu. Délka zdvihu není omezena, prakticky je však nutné uvažovat vzpěrnou pevnost a průhyb pístnice. Utěsnění pístu při pohybu ve válci se provádí manžetami nebo membránami.

Obr. 50 Dvojčinný přímočarý pístový motor

34

Pístové motory s tlumením v koncových polohách Jestliže jsou s pohybujícím se pístem spojeny velké hmotnosti, používá se tlumení jeho pohybu v koncových polohách, aby se zamezilo vzniku rázů, a tím i případnému poškození. Tlumení se dosahuje tím, že píst před dosažením koncové polohy uzavře hlavní odfuk do ovzduší a pro výtok vzduchu zůstává pouze malý (většinou nastavitelný) průtočný průřez. Tím dochází ke stlačení vyfukovaného vzduchu, přičemž velikost vznikajícího přetlaku lze nastavit škrtícím jednosměrným (zpětným) ventilem. Tím se pohyb pístu před dosažením koncové polohy zpomaluje. Při opačném směru pohybu pístu proudí tlakový vzduch do prostoru válce jednosměrným ventilem volně.

Obr. 51 Pístový motor s tlumením v koncových polohách Přímočaré pístové motory s převodem na výstupní rotační pohyb Převodu přímočarého pohybu pístu na výstupní rotační pohyb se dosahuje pístnicí, jejíž prodloužený konec je proveden jako ozubená tyč, zabírající do ozubeného kola. Rozsah celkového výstupního natočení je 450, 900, 180°, 290° až 7200. Vyvozený kroutící moment závisí na tlaku, ploše pístu a převodu. Tyto motory se používají k otáčení obrobků, ohýbání kovových trubek, k ovládání klimatizačních zařízení, činnosti uzavíracích šoupátek, ventilů ap.

Obr. 52 Pístový motor s převodem na rotační pohyb 35

Konstrukce přímočarých pístových pneumotorů (dle obr. 51) Pístový pneumotor tvoří trubka válce, přední a zadní čela, píst s těsněním (dvojitá hrncová manžeta), pístnice, pouzdra na vedení pístnice a stírací kroužek; dále k pneumotorům patří spojovací díly a další těsnění. Těleso válce (1) je většinou bezešvá ocelová trubka. Pro zvýšení životnosti těsnění pístu bývá vnitřek válce jemně opracován (honován). Pro zvláštní použití se válce zhotovují z hliníkových slitin, mosazi nebo z oceli s vnitřním povrchem tvrdě chromovaným; tato zvláštní provedení se nepoužívají často. Zadní (2) a přední čelo (3) bývají z hliníku nebo temperované litiny a jsou k tělesu válce připevněna svorníky se závity nebo přírubami. Pístnice (4) se většinou vyrábějí z legované oceli. Pro zvýšení ochrany proti korozi obsahuje ocel určité procento chrómu. Na přání zákazníka se pístnice kalí. Válečkováním povrchu se dosahuje jeho vyšší jakost - drsnost bývá kolem 1 µm. Závity na pístnici jsou většinou zhotoveny tvářením, aby se nesnižovala pevnost. Pro použití v hydraulice je nutné používat tvrdě chromované nebo kalené pístnice. K utěsnění pístnice je v předním čele válce motoru zabudován těsnicí kroužek (manžeta) (5). Pístnice je kluzně vedena v pouzdře (6), zhotoveném zpravidla z bronzu nebo z pokovené umělé hmoty. Na konci pouzdra je stírací kroužek (7), který zamezuje vnikání prachu a dalších nečistot do vnitřního prostoru válce. Proto není nutné používat krycí měch. Dvojitá hrncová manžeta (8) těsní pracovní prostory válce. Pro manžety se používají tyto materiály: perbunan - pro teploty v rozsahu - 20° až + 80°; viton - pro teploty v rozsahu - 20° až 190°C; teflon - pro teploty v rozsahu - 800 až 200°C.

Fluidní sval je systém kontrakční membrány, zjednodušené hadice, která se pod tlakem zkracuje. Základní myšlenka spočívá v kombinaci pružné nepropustné hadice, která je ovinuta pevnými vlákny tvořícími kosočtvercový vzor. Tak vzniká trojrozměrná mřížková struktura. Pomocí vtékajícího média se mřížková struktura podélně deformuje a vzniká tažná síla v axiálním směru. Mřížková struktura také zajišťuje zkrácení při rostoucím vnitřním tlaku až do neutrálního úhlu. Bez zátěže to odpovídá zdvihu asi 25 % počáteční délky.„Sval“ vytvoří v protaženém stavu až desetkrát vyšší sílu než konvenční pneumatický válec a při stejné síle spotřebuje pouze 40 % energie. Pro stejnou sílu postačuje třetinový průřez, při stejné montážní délce je zdvih svalu kratší. Toto srovnání otevírá mnoho možností použití – a nabízí zcela nové oblasti použití pro pneumatiku. Uchopení, upnutí, stříhání, vysekávání, pohyby s vysokou frekvencí opakování, použití je téměř bez hranic.

36

Obr. 53 Fluidní sval

2.4.2 Výpočet přímočarých pneumotorů Sila vyvozená na pístu Síla vyvozená na pístu je závislá na tlaku vzduchu, průměru válce a třecích odporech na těsněních. Velikost síly je teoreticky dána vztahem: Ft = A . p Ft ... teoretická síla na pístu A ... účinná plocha pístu p ... pracovní tlak Prakticky nás nezajímá tato teoretická, nýbrž skutečná, tzv. efektivní velikost vyvozené síly, při jejímž výpočtu je nutné uvažovat třecí odpory. Při normálních provozních podmínkách (v rozsahu tlaku 400 až 800 kPa) je velikost třecí síly 3 až 20 % celkové vyvozené síly. Pro jednočinné pístové motory je efektivní síla Fe (N) : Fe = A . p - Ftř - Fpr Pro dvojčinné pístové motory pro pohyb vpřed Fe = A . p - Ftř pro zpětný pohyb Fe = A´ . p - Ftř kde je A….. ... činná plocha pístu (m2) A' ... ….činná plocha pístu na straně pístnice (m2) p………pracovní tlak (Pa) Ftř…… síla tření (3 až 20 % z Fe) Fpr…… síla pružiny pro zpětný chod

37

Příklad: D = 50 mm d = 12 mm p = 6 barrů Ftř = střední hodnota 10 % Fe = ? plocha pístu π π A = D 2 = 0,05 2 = 0,00196m 2 4 4 plocha mezikruží (plocha pístu na straně pístnice)

A´=

π π ( D 2 − d 2 ) = (0,052 − 0,012 2 ) = 0,00185m 2 4 4

teoretická síla Ft = A . p = 0,00196 . 6.105 = 1176 N třecí síla (10 % teoretické sily Ft) F tř = 117,6 N efektivní síla pro pohyb vpřed Fe= A . p - Ftř = 1176 – 117,6 = 1058,4 N teoretická síla pro zpětný pohyb Ft´ = A´ . p = 0,00185 . 6. 105 = 1 110 N Ftř = 111 N efektivní síla na pístu pro zpětný pohyb Fe = A' . p - Ftř = 1110 - 111 = 999N

Zdvih pístu Velikost zdvihu pístu u pneumotorů by neměla přesáhnout 2000 mm. Při velkém průměru pístu a velkém zdvihu přestává být použití pneumatických motorů hospodárné, protože podstatně narůstá spotřeba vzduchu. Navíc při velkém zdvihu dochází i ke značnému mechanickému namáhání pístnice a vodících pouzder. Aby při větším zdvihu nedošlo k deformaci v důsledku vzpěru, volí se průměr pístnice o něco větší, než vychází výpočtem. Tím se současně snižuje namáhání a opotřebení kluzného uložení pístnice. Rychlost pístu Rychlost pístu přímočarých pneumotorů je závislá na odporu působícím proti jeho pohybu, dále na tlaku vzduchu, na délce a průřezu připojovacích potrubí, na průtočných průřezech rozvaděče použitého pro řízení motoru. Dále je rychlost ovlivněna i tlumením pohybu pístu v jeho koncových polohách (nutné pro omezení vzniku rázů). Realizace tlumení

38

způsobuje, že při opouštění koncové polohy je po určitou dobu pracovní prostor válce plněn přes větší odpor jednosměrného škrtícího ventilu. Střední rychlost pístu u standardních provedení je v rozmezí 0,1 - 1,5 m/s. U speciálních pneumotorů (např. pneumotory s úderným účinkem) lze dosáhnout rychlosti až 10 m/s. Rychlost pístu lze měnit použitím různých ventilů. Škrticí jednosměrné ventily a další typy ventilů umožňují nastavit menší nebo větší rychlost pístu.

2.4.3 Pneumatické rotační motory Tento typ pneumatických motorů transformuje energii stlačeného vzduchu na mechanickou energii rotačního pohybu. Nejčastěji se používají typy s neomezeným úhlem natočení. Podle provedení se dělí na: -

-

pístové motory s výstupním rotačním pohybem; lamelové motory; zubové motory; turbínové (proudové) motory.

Vlastnosti rotačních pneumotorů: - možnost spojité regulace otáček a krouticího momentu; - velký rozsah otáček; - malé rozměry (a tedy i hmotnost); - snadná ochrana proti přetížení; - necitlivost vůči prachu, vodě, vysokým i nízkým teplotám; - nehrozí nebezpečí výbuchu; - malé náklady na údržbu; - snadná reverzace směru otáčení.

Lamelové (křídlové) motory Jsou to nejčastěji používané rotační pneumotory, neboť jsou konstrukčně jednoduché a mají malou hmotnost. Pracují na obráceném principu činnosti lamelových (křídlových) kompresorů: ve válcovém tělese statoru je excentricky uložený rotor s podélnými zářezy, v nichž jsou posuvně uloženy lamely, které jsou při pohybu přitlačovány odstředivou silou k vnitřnímu válcovému povrchu tělesa statoru. Tím jsou utěsněny vzduchové komory mezi jednotlivými lamelami. Lamely jsou v klidovém stavu a při rozběhu přitlačovány k vnitřní straně válce statoru pružinou nebo tlakovým vzduchem nezávisle na otáčení. Provádějí se většinou se třemi až deseti lamelami. Lamely vytvářejí v motoru pracovní komory a tlakový vzduch působí na jejich plochy. Vzduch je přiváděn do komory s nejmenším objemem, kde dochází k jeho rozpínání, a tím postupnému zvětšování objemu komory. Otáčky rotoru lamelových motorů jsou v rozsahu 3 000 až 8 500 1/min, vyrábějí se pravotočivé i levotočivé s řiditelným výkonem v rozmezí 0,1 až 17 kW.

39

Obr. 54 Lamelový motor

2.5 Pomocná zařízení obvodů Pneumatické řídící obvody se skládají ze signálních členů, řídících členů a výkonových (pracovních) členů. Signální a řídící členy ovlivňují průběh činnosti výkonových členů a nazývají se rozvaděče nebo ventily. Řídí rozběh, zastavení a směr činnosti jakož i tlaku nebo průtoku média.

2.5.1 Rozvaděče Jsou to zařízení, která ovládají směr průtoku vzduchu ke spotřebiči (pneumotoru). Znázornění rozvaděčů Ve schématech se používají normalizované značky, které vyjadřují funkci, nikoliv konstrukční provedení. Funkční stav je znázorněn čtvercem, počet čtverců udává počet funkčních stavů rozvaděče, čáry uvnitř udávají vnitřní kanály, šipky směr průtoku. Přímý odfuk do atmosféry (odvětrání) se značí trojúhelníkem, odfuk trubkou s trojúhelníkem na čáře. Pro snadnou a přehlednou montáž jsou výstupy označeny velkými písmeny (u starších typů), u novějších číslicemi:

40

Pracovní výstupy A, B, C 2, 4,6 (sudé) Napájení

P

1

Odfuky

R, S , T 3, 5, 7 (liché)

Řídící vstupy

Z, X, Y 12, 14 (10 + ovládaný výstup)

Označení rozvaděče je dáno počtem vnějších přípojů a počtem funkčních stavů (poloh). Např. Rozvaděč 3/2: 3 přípoje (napájení, výstup, odfuk)/2 funkční stavy Ovládání rozvaděčů Rozvaděče lze ovládat různými způsoby : . • Ovládání silou svalů (pedálem, pákou, tlačítkem); • Mechanické ovládání (narážkou, pružinou, kladkou, sklopnou kladkou (zpětný chod naprázdno); • Elektrické ovládání (elektromagnetem s jednou cívkou, elektromagnetem se dvěma cívkami s navzájem opačným vinutím); • Ovládání tlakem (pneumatické) – přímé (zvýšením tlaku, poklesem, rozdílem tlaků); • Ovládání tlakem (pneumatické) – nepřímé (předzesilovačem zvýšením či poklesem tlaku); • Kombinované. Značku pro ovládání kreslíme vodorovně z boku krajních čtverečků.

Obr. 55 a) Rozvaděč 3/2 ovládaný tlačítkem, návrat do výchozí polohy pružinou; b) Rozvaděč 4/2 ovládaný přímo pneumaticky, návrat do výchozí polohy pružinou. Podle trvání řídícího signálu rozlišujeme: • trvale působící řídící (přestavný) signál; Rozvaděč je po celou dobu přestavení vystaven působení řídícího signálu (ručně, mechanicky, pneumaticky nebo elektricky), zpětný pohyb je realizován ručně nebo pružinou. • krátkodobě působící řídící (přestavný) signál (impuls). Přestavení se provede jedním, zpětné přestavení druhým krátkodobě působícím signálem (impulsem).

41

Obr. 56 Impulsní ovládání rozvaděče

Konstrukce rozvaděčů Konstrukční princip rozvaděčů je určujícím faktorem pro jejich životnost, způsob ovládání, ovládací sílu, připojovací rozměry a vlastní velikost. Podle principu konstrukce rozlišujeme: • ventilové rozvaděče se sedlovými ventily: s kuličkovými ventily; s talířovými ventily; • šoupátkové rozvaděče: s válcovými šoupátky; s plochými přímočarými šoupátky; s plochými rotačními šoupátky. Ventilové rozvaděče Průtočné kanály rozvaděče jsou otevírány a zavírány kuličkami, talíři, deskami nebo kuželkami. K utěsnění sedel se obvykle používá pružných těsniv. Ventilové rozvaděče mají málo součástí, které jsou vystaveny opotřebení, a proto mají vysokou životnost. Jsou značně robustní a necitlivé na nečistoty v pracovním médiu. Potřebná ovládací síla je však poměrně velká, neboť je třeba přemáhat jednostranné zatížení dané silou pružiny nebo vyvozené tlakem vzduchu. Rozvaděče s kuličkovým ventilem Rozvaděče s kuličkovým ventilem se vyznačují jednoduchou konstrukcí, z níž vyplývají i jejich malé rozměry a nízká cena. Pružina přitlačuje kuličku do sedla, a tím zabraňuje průchodu vzduchu z napájení P do

42

pracovního výstupu A. Ovládacím čepem lze kuličku odtlačit ze sedla. Při ovládání je nutné překonat sílu pružiny a sílu vyvolanou působením tlaku vzduchu na kuličku. Tyto ventilové rozvaděče se označují "rozvaděče 2/2", protože mají dvě připojovací místa a umožňují dva funkční stavy (otevřeno, zavřeno). Ovládání je ruční nebo mechanické.

Obr. 57 Rozvaděč 2/2

Rozvaděče s talířovými ventily Vyznačují se dobrými těsnícími vlastnostmi a jsou konstrukčně jednoduché. K ovládání stačí velmi malé zdvihy (malé časové konstanty), které mají za následek změnu velké průtočné plochy. Stejně jako u předchozích typů ventilových rozvaděčů jsou necitlivé na znečištění vzduchu a mají značnou životnost. Při přestavování čepu se po krátkou dobu propojí všechny kanály (P, A a R), což má za následek značný únik vzduchu, zvláště při pomalém přestavování čepu.

Obr. 58 Rozvaděč 3/2

a) v klidovém stavu otevřen b) v klidovém stavu uzavřen

Při jiném konstrukčním řešení ani při pomalém pohybu čepu nedochází ke ztrátám vzduchu. Přestavuje-li se čep, nastane nejprve přerušení spojení výstupu A s odfukem R, čep je opřen o talířek. Při dalším pohybu čepu se talířek zdvihne ze sedla, a spojí tak vstup P s A. 43

Návrat do výchozí polohy je proveden pružinou. Rozvaděče 3/2 se používají k řízení jednočinných přímočarých motorů nebo k řízení jiných řídících prvků.

Obr. 59 Rozvaděč 3/2

v klidovém stavu uzavřen

U rozvaděčů s inverzní funkcí (v klidové poloze jsou otevřeny = průtočné) se při pohybu čepu nejprve přeruší jedním talířkem spojení z P do A. Při dalším zdvihu čepu se zdvihne druhý talířek a spojí výstup R s A. Vrácení do výchozí polohy provede i zde pružina po zaniknutí budícího signálu.

Obr. 60 Rozvaděč 3/2 v klidovém stavu otevřen Rozvaděče 4/2 Rozvaděč 4/2 s talířovými ventily obdržíme kombinací dvou 3/2 rozvaděčů. Jeden z těchto rozvaděčů je v klidové poloze otevřený, druhý rozvaděč je zavřený. V provedení jsou spolu spojeny kanály P s B a A s R. Při současném stisknutí obou čepů napřed přerušíme spojení P s B a A s R. Další zdvih čepů pak odtlačí talířky, a spojí tak P s A a B s R. Rozvaděč má pozitivní krytí. Prvky rozvaděče jsou přestavovány do výchozí polohy pružinou. Rozvaděče tohoto typu se používají při řízení dvojčinných přímočarých motorů.

44

Obr. 61 Rozvaděč 4/2

Pneumaticky ovládaný rozvaděč 3/2 (talířový) Přivedením řídícího pneumatického signálu na vstup Z se přestaví pístek s čepem a talířek ventilu proti síle pružiny. Dojde k propojení P s A. Po odlehčení vstupu Z vrátí pružina opět celý systém do výchozí polohy (obr. 62). Talířový ventil uzavře opět průtok z P do A a výstup A se odvětrá přes výstup R.

Obr. 62 Rozvaděč 3/2 pneumaticky ovládaný Pneumaticky ovládaný rozvaděč 5/2 Pracuje na principu předepnutých membrán. Tlakovým vzduchem jsou spřažené membrány přestavovány z jedné krajní polohy do druhé, přičemž setrvají v zaujaté poloze dokud nepřijde impuls pro zpětné přepnutí. Přitom přestavují polohu uzavíracího členu podobně jako u šoupátka. Uprostřed přestavného táhla je talířek s těsnícím kroužkem, který spojuje nebo odděluje pracovní kanály A nebo B s napájecím kanálem P. Odfuk do atmosféry je přes R nebo S.

45

Obr. 63 Rozvaděč 5/2

Šoupátkové rozvaděče U těchto rozvaděčů se propojování kanálů provádí např. válcovými šoupátky. Řídícím prkem je dělený pístek – šoupátko, který svým posuvem uzavírá resp. propojuje jednotlivé kanály mezi sebou. Problémem je utěsnění šoupátek.

Obr. 64 Rozvaděč 5/2 - šoupátkový

46

2.5.2 Ventilová hradla Jsou to pneumatické prvky, které slouží k hrazení průtoku převážně v jednom směru, zatímco ve druhém směru umožňují volný průtok. Tlak na závěrné straně působí silou na uzavírací část, a zvětšuje tak těsnost ventilu. Jednosměrný (zpětný) ventil V jednom směru je ventil neprůchodný, zatímco ve druhém směru je průchodný jen s malým odporem. Průtok je uzavírán kuželovým, deskovým nebo membránovým ventilem. Uzavírání vyvozuje navíc i vnější síla, např. pružina, která drží ventil uzavřený i při poklesu tlaku vzduchu.

Obr. 65 Jednosměrný (zpětný) ventil Ventil logické funkce "nebo" Má dva vstupy (X a Y) a jeden výstup (A). Po přivedení tlakového signálu na vstup X dojde k odtlačení kuličky do druhého sedla a uzavření výstupu Y, tlak z X je propojen s výstupem A. Při vstupu signálu z Y se naopak uzavře vstup X a signál se opět objeví na výstupu A. Při průtoku vzduchu ventilem v opačném směru, tj. např. při "odvětrávání" pracovního prostoru pneumotorem, zůstane kulička v důsledku tlakových poměrů v nezměněné poloze. Tento ventil logické funkce "nebo", nazývané také dvojitý zpětný ventil případně pasivní disjunkce, slouží k realizaci logické operace součtu (disjunkce) dvou signálů, přičemž jeho provedení současně zabraňuje eventuálnímu zkratování signálu do atmosféry přes odfuk dalšího připojeného rozvaděče.

Obr. 66 Ventil logické funkce "nebo"

47

Škrtící ventil s jednosměrným ventilem Tento ventil se někdy nazývá "zpětný škrtící ventil" nebo ventil pro řízení rychlosti. Průtok u tohoto ventilu je přiškrcen pouze ve směru, ve kterém je jednosměrný ventil neprůchodný. V opačném směru se jednosměrný ventil otevře a vzduch prochází volně mimo přiškrcený průřez. Používá se pro řízení rychlosti pohybu pneumotorů. U dvojčinných pneumotorů existují v podstatě dva způsoby škrcení. Škrtící ventily se zpětným ventilem mají být umisťovány pokud možno co nejblíže pneumotoru.

Obr. 67 Škrtící ventil Možností je škrcení na vstupu (primární). Škrcen je vzduch, který přichází do válce, zatímco vzduch vytlačovaný na opačné straně odchází volně přes zpětný ventil. Nevýhodou je nerovnoměrnost chodu při proměnném zatížení motoru. Výhodnějším je sekundární škrcení – škrcení na výtoku, které má příznivější vliv na rovnoměrnost chodu pístu. Zde vzduch unikající z výtokové části válce musí projít škrtícím ventilem. Píst je tedy sevřen mezi dva pružící objemy.

Obr. 68 Škrcení na výtoku Odlehčovací ventil (rychloodvětrávací) Odlehčovací ventily se používají ke zvýšení rychlosti přestavení pneumotorů. Především lze zkracovat dlouhé vratné časy jednočinných pneumotorů. Ventil má 3 přípoje - uzavíratelné napájení P, uzavíratelný odfuk R a výstup A. Stoupneli tlak v P, přestaví se uzávěra a uzavře R. Vzduch proudí z P do A. Poklesne-li tlak v P a vzduch proudí zpět z A, přestaví se uzávěra a uzavře P a odkryje R. Vzduch proudí z A do R a

48

volně do atmosféry. Spojení pracovního prostoru motoru s ovzduším je krátké a průřezy velké, takže odpor proti výtoku je malý. Doporučuje se umístit ventil co nejblíže k výstupu motoru.

Obr. 69 Odlehčovací ventil

Ventil logické funkce „a“ (dvoutlakový ventil) Ventil má dva vstupy X a Y a jeden výstup A. Signál na výstupu A existuje jen tehdy, jestliže působí současně vstupní signály X i Y. Je-li přítomen pouze jeden ze vstupních signálů, přestaví se ventil a uzavře vstup ze strany signálu, takže k výstupu A se signál nedostane. Přijdou-li signály X a Y v určitém odstupu, uzavře první signál svůj vstup a druhý pak projde na výstup A. Přijdou-li oba signály současně, uzavře signál o větším tlaku svůj vstup a signál s menším tlakem se dostane na výstup A. Ventil se používá u pneumatických zámků, bezpečnostních nebo kontrolních obvodů a u logických obvodů.

Obr. 70 Ventil logické funkce „a“

2.5.3 Tlakové ventily Používají se buď k řízení velikosti tlaku nebo jsou jeho velikostí řízeny. Podle funkce a provedení se rozlišují: • • •

redukční ventily; omezovací ventily; ventily řízené tlakem.

49

Redukční ventily Udržují konstantní hodnotu nastaveného tlaku, tj. výstupní tlak je konstantní nezávisle na změnách vstupního tlaku. Minimální hodnota vstupního tlaku však musí být vyšší než nastavený výstupní tlak. Funkce ventilu odpovídá na obr. 47.

2.5.4 Uzavírací ventily Slouží k ručnímu spojitému uzavírání a otevírání průtoku. V nejjednodušším provedení jsou známy jako „kohoutky“.

Obr. 71 Uzavírací ventil

2.5.5 Bezdotyková čidla Reflexní tryska Reflexní tryska pracuje na principu hrazení výtoku vzduchu z trysky. Vysílací i přijímací tryska je u tohoto čidla zabudována v jednom tělese. Reflexní tryska se skládá z vysílací a přijímací trysky, škrtícího ventilu a ochranného krytu. Napájení je přivedeno na vstup Px (10 - 20 kPa). Vzduch vytéká z prstencové trysky do atmosféry a při jeho výtoku vzniká v centrální trysce podtlak. Jakmile nějaký předmět zastíní výtok z kruhové trysky, vznikne v přijímací (centrální) trysce přetlak. Na výstupu X vznikne signál. Tento signál je po zesílení v zesilovači použit k dalšímu řízení (ovládání rozvaděčů apod.). Škrtící ventilek zajišťuje vytvoření dostatečně výkonného signálu. Spínací vzdálenost mezi tryskou a předmětem je podle provedení 1 až 6 mm, u zvláštních provedení 20 mm. Na prvek nemají žádný rušivý vliv silné nečistoty, zvukové vlny, světlo, radiace ani průhlednost nebo nemagnetičnost předmětů či nebezpečí exploze.

50

Použití reflexní trysky je možné v každém průmyslové odvětví. Např. jako kontrolní čidlo u lisů, razníků, k počítání kusů, ke kontrole předmětů či kontrole okrajů pásů v textilním průmyslu, v obalové technice, při kontrole zásobníků, k indikování dýhovaných částí nábytku ve dřevařském průmyslu.

Obr. 72 Reflexní tryska

51