TEKUTINOVÉ POHONY
TEKUTINOVÉ POHONY Pneumatické (medium – vzduch) Hydraulické (medium – kapaliny s příměsí) Přednosti: – dobrá realizace přímočarých pohybů – dobrá regulace síly, která je vyvozena motorem (píst, pístní tyč)
F=S·p
(možnost regulace tlaku)
– nízká hmotnost vzhledem ke svým výkonům – lze je přetížit, aniž by nastala nějaká destrukce
2
TEKUTINOVÉ POHONY - VÝHODY PNEUMATICKÉ – větší rychlost (až 3 m·s-1) s – pružnost ⋅ =Q t – medium všude kolem nás – možnost centrální výroby stlačeného vzduchu – kompresor nemusí pracovat nepřetržitě – doprava i na velké vzdálenosti, – jednoduché vedení bez zpětného vedení (odpad přímo do ovzduší) – čistota provozu – zanedbatelný vliv okolí (nezávislé na T) – bezpečnost provozu (nehořlavost, nevýbušnost) – plynulé nastavení rychlostí a sil – montáž (jednoduché konstrukce prvků, výhodné pro montáž) – malá hmotnost vzhledem k výkonu, robustnost, snadná opravitelnost
ρ
HYDRULICKÉ
s v= t
– – – – –
větší síly 32 – 50 Mpa malé rychlosti vysoká účinnost plynulý chod při všech rychlostech – dobrá regulace – tuhost – přesnost
3
TEKUTINOVÉ POHONY - NEVÝHODY PNEUMATICKÉ – špatně se dosahuje malých plynulých rychlostí (2 – 3 ms-1) – obtížné mazání – neumějí vykonat veliké síly (tlak standard 0,6 Mpa, max do 1,0 MPa) ⇒více nejde stlačit, pak už pruží – hlučnost (expanze stlačeného vzduchu do okolí) – úprava vzduchu (musí se odstranit všechny nečistoty, aby nedocházelo k nadměrnému opotřebování prvků) – výroba stlačeného vzduchu je (6 - 8) * dražší než výroba elektrického proudu a asi 4* dražší než výroba tlakové kapaliny
HYDRULICKÉ – hořlavost – závislost na T – agregát musí být blízko motoru (jinak velké ztráty) – malé rychlosti
4
2
1
VJ 1
1
PM
HM
ČÁST 1
2
VS
2
VS 2
1 R
R
TM F M
ČÁST 2
VR
TM
M HG
VP F
5
• Nutno umět řídit u tekutinových pohonů: – rychlost pohybu • škrcením – zmenšováním průtoku škrtícím ventilem ⇒ nemění se tlak, pouze množství ⇒ škrcení na výtoku z pístu odstraňuje kmitání
– smysl (směru) pohybu • • • •
stoupnutím tlaku poklesem tlaku diferenciálním účinkem tlaku řízení pomocí rozvaděčů – převod kapaliny nebo vzduchu na jednu nebo druhou stranu pístu
– velikost síly 6
PNEUMATICKÉ OBVODY
Pneumatické mechanizmy Pneumatický mechanizmus – zařízení pro přenos energie a transformaci vstupních funkcí na výstupní, kde nositelem energie je plyn, zpravidla atmosférický vzduch.
8
Podle využívané formy energie se rozlišují: Proud plynu je nositelem tří hlavních forem energie: • Potencionální • Deformační • Kinetická
a) pneumaticko-statické mechanizmy b) pneumaticko-dynamické mechanizmy 9
Pneumaticko-statické mechanizmy 1. Pracovní prostory motoru kompresoru se zaplňují plynem o konstantním tlaku Využívaná tlaková energie je vyjádřená vztahem: (deformační a kinetická se nevyužívá)
Wp = V ⋅ p
( N ⋅ m)
kde V - objem plynu [m3], p - tlak [Pa].
10
2) Pracovní prostory motoru kompresoru jsou naplněny v počátečním stavu takovým objemem plynu, aby jeho deformací došlo k provedení požadované činnosti Deformační energie se vyjádří vztahem:
1 2 Wd = k ⋅ x 2
ΔV x= S
- deformace nositele energie
kde k - tuhost nositele energie ΔV - změna objemu, S - plocha (průřez nositele energie)
1 k 1 2 Wd = ⋅ 2 ⋅ ΔV = ⋅ D ⋅ ΔV 2 2 S 2 D=
k S2
- odpor nositele energie proti deformaci 11
Pneumaticko-dynamické mechanismy – použití je omezeno malou hmotností plynu. – Používá se proto kombinovaných mechanizmů (úderné válce) využívajících kinetické energie tuhých částí. (razící lisy) Pohybová energie se vyjádří vztahem:
1 2 Wk = ⋅ m ⋅ v 2 kde m - hmotnost nositele energie v - rychlost pohybu nositele energie. 12
Dělení pneumatických mechanizmů, podle funkcí, které plní ve stroji A) mechanizmy sloužící převážně k přenosu energie: 1) posuvné mechanizmy – zajišťují relativní pohyb mezi dvěma celky 2) servomechanizmy – slouží rovněž k přenosu a zpracování informace 3) převodové mechanizmy – přenášejí výkon k výstupním členům stroje
B) mechanizmy sloužící k přenosu informace Zpoždění při přenosu (často větší než zpoždění přístrojů) – vhodné pouze tam, kde jsou velké časové konstanty sledovaného systému ¾
Na přenos energie a informací se používají pneumatické mechanizmy v tlakových pásmech: nízkotlakové (p = 0,1÷10 kPa), střednětlakové (p = 20÷100 kPa), a 13 vysokotlakové (p = 200÷1000 kPa),
Výhody pneumatických mechanizmů Výhody a rovněž nevýhody pneumatických mechanizmů vyplývají ze dvou vlastností plynů: a) velká stlačitelnosti plynu b) malá viskozita a z toho vyplývající malé třecí odpory
14
K výhodám pneumatických mechanizmů patří: -
medium (vzduch) se nachází všude kolem nás možnost využití centrální výroby stlačeného vzduchu v závodě kompresor nemusí pracovat nepřetržitě doprava stlačeného vzduchu pomocí potrubí i na velké vzdálenosti, bez zpětného vedení čistota provozu zanedbatelný vliv okolí přípustnost přetížení bezpečnost provozu (vhodné i do provozů s agresivním prostředím i nebezpečím požáru či exploze) plynulé nastavení rychlostí a sil montáž možnost zapojení do automatických pracovních cyklů nízké ceny prvků robustní provedení 15 vysoká provozní spolehlivost
Nevýhody pneumatických mechanizmů - stlačitelnost vzduchu - úprava vzduchu - značné tření při pohybu ⇒ zhoršená přesnost nastavení polohy - nutnost přimazávání vzduchu - hlučnost (hlučné odfuky) - vysoké náklady na energii - možná netěsnost 16
Stlačitelnost vzduchu Vzduch - stlačitelný (komprese) - rozpínatelný (expanze) Tento jev je popsán Boyle – Mariottovým zákonem. Platí pro izotermický děj. Platí vztah:
p1 ⋅ V1 = p2 ⋅ V2 = p3 ⋅ V3 = konst
17
Gay – Lussacův zákon pro adiabatický děj Objem plynu se mění v závislosti na teplotě
V1 : V2 = T1 : T2 Obecný vztah, který platí pro ideální plyn :
p ⋅V = m ⋅ R ⋅ T kde p - tlak [MPa] V - objem [m3] m - hmotnost [kg] R - univerzální plynová konstanta [J.kg-1.K-1] T - teplota [K] 18
Stlačení vzduchu F1 F2 F3 V1 p1
V2 p2
V3 p3 19
Stlačení vzduchu TYPY KOMPRESORŮ
20
Výroba stlačeného vzduchu K výrobě stlačeného vzduchu se používají kompresory - stlačují vzduch z tlaku okolního prostředí na požadovaný pracovní tlak - stlačují plyn na přetlak vyšší než 200 kPa Rozlišují se dvě základní provedení: První provedení pracuje na objemovém principu pístové kompresory - s přímočarým pohybem pístu - s otáčivým pohybem pístu membránové kompresory Druhé provedení využívá proudového principu radiální turbokompresory axiální turbokompresory proudové kompresory dmychadla, ventilátory 21
Tlak vzduchu Tlak je definován jako síla působící na plochu:
F p= S
kde
p - tlak [Pa] F - síla [N] S - plocha [m2]
Podle soustavy SI je jednotkou tlaku 1 Pa ( Pascal).
1N 1Pa = 2 m 22
Další používané jednotky: a) Atmosféra – absolutní tlak v technické soustavě 1kp 1at = = 0,981bar 2 cm
b) bar
105 N 5 1bar = = 10 Pa = 1,02at 2 m
c) Torr
1Torr =
1 at 736
1Torr =
1 bar 750
23
Pneumatické pohony •
•
•
•
Dělení podle prvku převádějícího tlak na sílu nebo výchylku: – S membránou – S vlnovcem – S pístem – Speciální Podle způsobu generování pohybu – Jednočinné – Dvojčinné Podle dráhy výstupního prvku – Posuvné, – Kyvné – Rotační Podle signálu – Spojité (proporcionální) – Nespojité 24
Výpočet SÍLY NA PÍSTU u přímočarých motorů Teoretická síla pístu je dána vztahem:
Fth = S ⋅ p kde Fth - teoretická síla pístu [kp] S - účinná plocha pístu [cm2] p - pracovní tlak [bar]
25 Pneumatické pístové pohony dosahují značné síly – desítky kN.
Pro praxi má však význam efektivní síla pístu. Při jejím výpočtu se musí uvážit odpory třením. Při normálních provozních podmínkách mohou činit třecí síly 3 – 20 % celkové vyvozené síly. U jednočinných motorů je efektivní síla dána vztahem:
Fn = S ⋅ p − Ftr − Fpr Fpr Fn
Ftř
Rozbor sil u jednočinného pístu 26
U dvojčinných motorů:
Fn = S ⋅ p − Ftr Ftř
Fn
Rozbor sil u dvojčinného motoru
27
Zpětný zdvih dvojčinných motorů:
Fn = S ′ ⋅ p − Ftr kde Fn – efektivní síla pístu [N] D 2 ⋅π S=
4
(D S′ =
- účinná plocha pístu [cm 2 ]
)
− d 2 ⋅π − účinná plocha pístu na straně pístnice [cm 2 ] 4 p – pracovní tlak [bar] 2
Ftr – síla tření [N] Fpr – síla odtahové pružiny [N]
∅d
∅D
D – vnitřní průměr pístu [cm] d – průměr pístnice [cm]
Průměry pístu 28
Schémata pneumatických obvodů Schématické značky prvků jsou uváděny podle normy ČSN ISO 1219 Hydraulika a pneumatika – Grafické značky a obvodová schémata. Přehled nejpoužívanějších značek v pneumatických schématech NÁZEV PRVKU
VEDENÍ
VÝZNAM ZNAČKY
SCHÉMATICKÁ
PROVEDENÍ PRVKU VE
ZNAČKA
SKUTEČNOSTI
prvek sloužící na vedení proudu vzduchu, potrubí
jeden přívod vzduchu do válce zpětný pohyb vyvozen vnější silou JEDNOČINNÝ VÁLEC
jeden přívod vzduchu do válce zpětný pohyb vyvozen pružinou 29
DVOJČINNÝ VÁLEC
ROZVADĚČ
ŠKRTÍCÍ VENTIL
JEDNOSMĚRNÝ VENTIL
DVOJITÝ JEDNOSMĚRNÝ VENTIL
dva přívody vzduchu ovládá směru průtoku vzduchu označení x/y, x – počet poloh rozvaděče (počet obdélníků), y – počet cest, na bocích způsob ovládání rozvaděče umožňuje regulovat rychlost průtoku vzduchu umožňuje průtok vzduchu jenom v jednom směru, kulička brání průtoku pro ovládaní ze dvou míst, realizuje funkci: na výstupu je signál tehdy, jestliže alespoň na jednom z vstupů je signál 30
DVOUTLAKÝ VENTIL
TLUMIČ
JEDNOTKA PRO ÚPRAVU VZDUCHU
FILTR
realizuje funkci: na výstupu je signál pouze tehdy, jestliže jsou současně na všech vstupech signály
zabraňuje hlučnosti provozu
upravuje vzduch před vstupem do rozvaděčů a válců
snižuje obsah nečistot ve vzduchu
31
MAZNICE
slouží a mazání vzduchu olejem
MANOMETR
zařízení pro měření tlaku
REDUKČNÍ VENTIL
redukuje množství procházejícího vzduchu
KOMPRESOR
stroj na výrobu stlačeného vzduchu
32
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Jednočinný válec
33
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Dvojčinný motor
34
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Rotační motor
35
Ukázky reálné podoby vybraných prvků 3/2 rozvaděč, v základní poloze neprůchodný
36
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Dvojtlaký ventil (logická fce AND)
37
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Dvoupolohový jednosměrný ventil (logická fce OR)
38
Ukázky reálné podoby vybraných prvků Regulační ventil závislý na viskozitě
Jednosměrný regulační ventil závislý na viskozitě
39
Ovládání rozvaděčů Způsoby ovládání rozvaděčů: a) mechanické b) elektromagnetické c) pneumatické
Mechanické
- nejjednodušší způsob ovládání Způsoby mechanického ovládání
Schématická značka
Popis Obecný znak
Příklad mechanického ovládání rozvaděče
Ovládání tlačítkem Ovládání ruční pákou Ovládání nožním pedálem Ovládání kladičkou Ovládání pružinou Ovládání narážkou
40
Elektromagnetické - nejpoužívanější způsob ovládání a)
b)
Elektromagnetické řízení: a) jedním elektromagnetem a pružinou, b) dvěma elektromagnety
Pneumatické - rozlišují se dva způsoby řízení
Schéma označení pneumatického řízení 41
1. negativní řízení - obě strany rozvaděče jsou trvale napojeny na tlakové větve a od hlavní tlakové větve jsou pouze odděleny odporem, přestavení nastane, odlehčí-li se jedna ze stran rozvaděče, tj. spojí-li se s vnějším ovzduším
Ukázka negativního řízení
42
2. pozitivní řízení - každá strana rozvaděče může být zapojena buď jen na tlakovou větev, nebo jen na vnější ovzduší. Nedochází tím k unikům tlakového vzduchu. Pozitivní řízení není ztrátové.
Ukázka pozitivního řízení 43
Návrh schématu pohony válce
výstup signálu/provedení
regulační orgány rozvaděče
zpracování signálu členy pro zpracování signálu
vysílače signálu
přívod vzduchu, rozvod, údržba
vstup signálu
přívod energie 44
Uspořádaní schémat nemusí odpovídat skutečnému umístění prvků v zařízení. Rozvaděč V1 je vysílačem signálu, kreslí se do příslušné spodní části schématu a jeho skutečné umístění se vyznačí značkou, v tomto případě svislou čárkou ( ). V1
pohony
regulační člen zpracovávací člen V1
vysílače signálu přívod energie
Ukázka pneumatického schéma
45
