UNIVERZITET U NIŠU

SEMINARSKI RAD

Dinamičke karakteristike pneumatskih sistema i korekcioni i izvršni organi pneumoelektričnih upravljačkih sistema

Studenti: Profesor:Mladenović Vladimir 12307 Prof dr Vlastimir Nikolić

Niš, februar 2010.

UVOD

Naziv pneumatika potiče od grčke reči pneuma – dah, vetar. Na bazi te reči je formiran naziv, pneumatika. Naziv nije sasvim adekvatan, jer se radi o sistemu koji je ispunjen vazduhom (na grčkom aero) zato je možda pravilnije koristiti aerotiku umesto pneumatike.

Sistemi sa sabijenim vazduhom služe za prenos - transport energije i informacije.

Energetski vazdušni sistemi mogu da transportuju toplotnu energiju u obliku unutrašnje energije ili mehanički radni potencijal u obliku energije pritiska (pV).

Vazdušni sistemi za transport toplotne energije služe za grejanje i hlađenje, njihovo proučavanje izlazi iz okvira tradicionalne pneumatike.

Tehnička pneumatika uglavnom se bavi sa prenosom informacija i mehaničkog radnog potencijala pomuću sabijenog vazduha.

U savremenoj industijskoj praksi dominirajuću ulogu igra energetska pneumatika dok je pneumatska informatika praktično zamenjena sa elektonikom i mikroprocesorima.

Eventualno, u izvesnim prostim slučajevima, još se primenjuje tradicionalna ventilska pneumatska logika sa ventilskim senzorima.

1

Osobine pneumatike

Osobine pneumatike proizlaze uglavnom iz osobina samog sabijenog vazduha, pa odatle i potiču prednosti i mane pneumatskih sistema.

Prednosti pneumatskih sistema:

Zbog velike mogućnosti sabijanja vazduha, pneumatski sistem može da akumuliše veliku količinu radnog medijumuma (sabijenog vazduha) što istovremeno znači i veliku količinu mehaničkog radnog potencijala tj. energije. Akumulacija se odvija u rezervoaru pneumatskog elementa.

Zbog relativno niske viskoznosti moguće je formirati veću strujnu brzinu (nekoliko [m/s] ) uz manji pad pritiska.

Transponovana količina mehaničkog radnog potencijala (pV) po jediničnoj masi vazduha je relativno visoka vrednost, što omogućava manje gabarite komponenata (kompresora, prečnika cevovoda, ventila, cilindara..itd...).

Radni medium, vazduh je prisutan svugde, nije potreban poseban izvor.

Regulacija brzine kretanja izvršnih organa je relativno lako izvodljiva primenom izentalpskog prigušivanja, što se realizuje prigušnim ventilima. Izentalpskim prigušivanjem sabijenog vazduha podešava se protok, a time i brzina kretanja klipa i poluge.

Regulacija sile (dejstva) izvršnih organa vrši se takode preko izentalpskog prigušivanja podešavanjem pritiska unutar radnog prostora izvršnih organa.

Razvod sabijenog vazduha do izvršnih organa je lako ostvarljiv (npr. Pomoću plastične cevne mreže, bez ikakvih geometrijskih ograničenja.

Sabijeni vazduh je pogodan za pokretanje laganih ručnih alata male snage, a ogromnih brojeva obrtaja (nekoliko desetina hiljada po minuti).

Pneumatika odgovara za stvaranje dugotrajne i precizno definisane sile za stezanje. Ovo proizlazi iz činjenice da nivo mehaničkog radnog potencijala (čiji je pokazatelj pritisak) je moguće održavati, u principu bez gubitaka, u nepokretnim sistemima beskonačno dugo. Kod stvarnih sistema obično postoje izvesni zapreminski gubici što treba kontinualno nadoknaditi svežim sabijenim vazduhom radi održvanja odgovarajuceg pritiska. Međutim kod dobro zaptivenih sistema te gubitke možemo svesti gotovo na nulu.

2

Neostljivost na temperaturne promene (pneumatski elementi mogu raditi na temperaturama od -20°C do + 70°C )

Neosetljivost na radijaciju

Neosetljivost na preopterećenje (pneumatski radni elementi se mogu opteretiti do zaustavljanja a da se pri tom ne oštete)

Sigurnost (nema opasnosti od eksplozije i požara)

Nedostaci:

Buka prilikom ekspanzije.

Osnovni nedostatak pneumatike je veoma loš energetski stepen iskorišćenja mehaničkog radnog potencijala u izvršnim organima (samo 20-30 %). Ova osobina sledi iz velike sabitljivosti vazduha. Naime, posle izvršenja mehaničkog rada sabijeni vazduh je i dalje pod radnim pritiskom, i sadrži još veliku količinu radnog potencijala (pV). Kod otvorenih sistema zajedno sa vazduhom, ova energija izlazi u atmosferu.

Primenom zatvorenog sistema (skupljati vazduh) veći deo te energije može se spasiti. Ovakvo rešenje zahteva komplikovaniju tehničku realizaciju. Postavlja se pitanje ekonomičnosti - da li je skuplja izgubljena energija ili instalacija za skupljanje.

Kod otvorenog sistema, iz izvršnih organa, sa vazduhom pored energije izlazi u atmosferu i ulje za podmazivanje. Ova pojava je višestruko nepoželjna, sa jedne strane gubi se ulje i zagađuje okruženje,a sa druge strane štetno utiče i na zdravlje, tačnije na pluća radnika.

Ima više rešenja za eliminisanje ulja iz atmosferskog vazduha, kao što je upotreba filtra za ulje prilikom ispuštanja vazduha (kod otvorenih sistema)

Danas postoji tendencija kod poznatih svetskih proizvodaca, za razvojem izvršnih organa koji ne zahtevaju upotrebu ulja za podmazivanje.

Prenos signala na velike udaljenosti nije mogić zbog gubitka pritiska vazduha

Zbog ovih nedostataka pneumatski sistemi se često kombinuju sa hidrauličkim (za velike sile) i/ili električnim (za prenos i obradu signala).

3

Karakteristike pneumatskog upravljanja

Zadaci pneumatskog sistema uključuju pretvaranje, prenos i upravljanje energijom. Slika šematski prikazuje princip rada pneumatskog sistema. U gornjembloku prikazano je pretvaranje mehaničke energije u energiju sabijenog vazduha koji se smešta u vazdušni rezervoar. Kroz pneumatsku razvodnu mrežu taj vazduh se dovodi u donji blok, u kojem se vrši obrnuto pretvaranje energije. Nakon jedinice za pripremu vazduha (čišćenje, sušenje), u pneumatskom sistemu energija vazduha pretvara se u koristan mehanički rad. Taj sistem obuhvata komponente koje upravljaju smerom strujanja, protokom i vazdušnim pritiskom, kao i komponente koje vrše pretvaranje energije. Osim pretvaranja u mehanički rad, pneumatski sistem često obavlja i ulogu upravljanja, odnosno regulacije.

Princip rada pneumatskog sistema

Elementi pneumatskog sistema mogu se prema njihovoj funkciji u sistemu podijeliti na:

- elementi za proizvodnju i prenos vazduha- elementi za pripremu vazduha- izvršni elementi- upravljački elementi- upravljačko-signalni elementi- pomoćni elementi

Elementi za proizvodnju i prenos vazduha imaju zadatak da potrošačima osiguraju potrebne količine sabijenog vazduha odgovarajućih parametara (kompresor, rezervoar, cevovodne mreže za razvod). Elementi za pripremu vazduha obavljaju pripremu (kondicioniranje) vazduha, što uključuje čišćenje, podmazivanje i regulaciju pritiska (filtar, mazalica, regulator pritiska). Izvršni elementi su elementi koji obavljaju željene radnje odnosno mehanički rad (cilindri, motori). Upravljački elementi (ventili) upravljaju tokovima energije i informacija (signala). Upravljanje može biti u potpunosti pneumatsko, a najčešće se izvodi u kombinaciji sa drugim

4

elementima (električno upravljanje). Upravljačko-signalni elementi imaju zadatak prikupljanja informacija o stanju sistema (senzori, indikatori). Pomoćni elementi ispunjavaju različite dodatne funkcije (npr. priključne ploče, prigušivači buke, brojači itd.)

Funkcionisanje pneumatskog sistema

Preko cevi struji radni medium, sabijeni vazduh, do energetskih izvršnih organa i transportuje radni potencijal (pV) primljen od kompresora. Strujanje je praćeno gubitkom mehaničkog radnog potencijala zbog prisustva unutrašnjeg trenja (viskoziteta) u vazduhu. Pokazatelj preko koga se najlakše prati energetsko prestruktuisanje je pritisak. Pritisak pokazuje nivo mehaničkog radnog potencijala (pV), pošto ovaj potencijal stalno opada, zbog viskoznosti, tu tendenciju prati i pritisak, dakle opada.

Za održavanje kontinuiteta strujanja, struktura kinetičke energije pri datom režimu strujanja mora da opstane, bez obzira na to, da trenje neprestano pretvara kinetičku energiju u toplotnu energiju. Kinetička energija se nadoknađuje iz mehaničkog radnog potencijala. Radni medijumum prima mehanički radni potencijal posredstvom kompresora. Preko kompresora se prenosi mehanički rad, koji je stvoren u pogonskom motoru.

U praksi se većinom primenjuje otvoreni sistem, znači da kompresor stalno usisava svež vazduh iz atmosfere i sabija ga. Isti vazduh napušta sistem kod izvršnih organa nosivši sa sobom ogromnu količinu mehaničkog radnog potencijala (70-80%) i ulja za podmazivanje. Gubici su ogromni kako u energetskom tako i u materijalnom smislu. Eventualno primenom zatvorenog sistema jedan deo energije i najveći deo materijala bi se mogao spasiti.

Zatvoreno rešenje znači komplikovaniji i skuplji sistem razvoda, jer treba formirati povratnu cevnu mrežu sa spremnikom (rezervoarom) i sa potrebnim upravljačkim i regulacionim elementima.

Jedan deo mehaničkog radnog potencijala se gubi u napuštajućem vazduhu, jer pritisak u povratnom podsistemu mora da bude uvek manji od minimalnog radnog pritiska, na kome radi jedan od izvršnih organa. U principu moguće je zamisliti da se ide na maksimalni radni pritisak koji vlada u jednom od izvršnih organa, a to znači da u svim ostalim izvršnim organima, posle izvršenja mehaničkog rada na nižem pritisku, vazduh treba istisnuti u podsistem za skupljanje uz primenu mehaničkog rada.

To znači da su i kod minimalne i kod maksimalne varijante energetski gubitci prisutni, ali je lakše tehnički ostvariti ekspanziju vazduha na niži pritisak nego mehaničkom kompresijom povećati.

5

Pneumatski izvršni organi

Pneumatski izvršni organi (pogonski elementi ili aktuatori) su mehaničke konstrukcije tako konstruisane i izvedene, da mogu pretvarati mehanički radni potencijal sabijenog vazduha u mehanički rad. Unutar te konstrukcije postoji pokretan zid koji prihvata dejstvo sabijenog vazduha i preko formiranog mehanizma prenosi ga na masu koja se želi pomerati.

Prenosni mehanizam može da bude konstruisan za ostvarivanje pravolinijskog i kružnog kretanja. Tako dobijamo i osnovnu podelu pneumatskih izvršnih organa.

- elementi sa ograničenim (njihajućim) kretanjem

a) linearni ili pravolinijski (cilindri)b) rotacioni ili kružni (zakretni cilindri, koračni motori)

- pneumatski motori (rotacioni, sa kontinualnim kretanjem)

U obe osnovne grupe su razvijeni različiti mehanizmi sa pokretnim zidom, površinom za prihvatanje i prenos dejstva (sile) odnosno mehaničkog rada.

Jedan od zadataka pri konstruisanju je da mehanizam radi reverzibilno tj. kao pneumatski motor ili kao kompresor.

Cilindri

U pneumatskim sistemima, cilindar je najčešći izvršni element. U principu, kretanjecilindra je pravolinijsko, osim kod rotacionih cilindara gde imamo kružno kretanje.

Podele cilindara

- Prema načinu deljstva: jednoradni dvoradni posebne izrade:

- kombinovani- višepoložajni- teleskopski- bez klipnjače (najčešće magnetni)- udarni

Cilindri mogu biti jednoradni i dvoradni. Jednoradni cilindri vrše koristan rad samo u jednom smeru, a dvosmerni u oba smera – guraju i vuku. Dvoradni cilindar ponekad ima dvostranu klipnjaču (prolaznu) i jednaku korisnu površinu obe strane klipa.

6

- Prema načinu izrade:

klipni membranski

Dvoradni klipni cilindar

Delovi cilindra:

1) plašt cilindra (košuljica)2) klip3) klipnjača4) prednji poklopac5) zadnji poklopac (kroz koji prolazi klipnjača)6) stezni prsten7), 8) dihtung9) šipka za spajanje10) matice za spajanje

Priključci za vazduh smešteni su u poklopcima cilindra.

Jednoradni cilindri

Vrše koristan rad samo u jednom smeru, priključak vazduha nalazi se samo na prednjoj strain. Povratno kretanje najčešće se ostvaruje oprugom (ona ograničava maksimalni hod klipa otprilike na 100 mm) ili težinom tereta. U nekim slučajevima povratno kretanje ostvaruje se zadnjim priključkom na regulacioni ventil ili naRezervoar vazduha (˝vazdušni jastuk˝), a zadnja komora tada nema otvor premaatmosferskom pritisku. Koriste se za pritezanje, utiskivanje (žig), dodavanje, pomicanje itd., kad nije bitna brzina povratnog kretanja klipa.

7

Membranski cilindri

U odnosu na klipne, membranski cilindri omogućavaju veće sile uz kraće hodove i niže frekvencije rada. Postoje dva načina izrade membrane, tanjirasti i ˝putujući˝ . Pretežno se koriste jednoradni membranski cilindri i to s tanjirastom membranom. Takav cilindar se izvodi za sile do 400 kN uz hod od maksimalnih 80 mm. Maksimalan hod cilindra sa ˝putujućom˝ membranom iznosi oko 200 mm.

Jednoradni cilindar sa tanjirastom membranom: 1)cilindar, 2)membrane, 3)šipka, 4)opruga

Jednoradni cilindar sa putujućom membranom: 1)cilindar, 2)membrane, 3)šipka, 4)opruga

Dvoradni cilindri

Dvoradni cilindri vrše koristan rad u oba smera (guraju i vuku), a priključci za vazduh (prednji i zadnji) nalaze se sa obe strane klipa. Za pokretanje klipa sabijeni vazduh dovodi se u komoru s jedne strane klipa, a istovremeno se komora na suprotnoj strani mora rasteretiti (ispuštanjem vazduha).

Prečnici klipa kreću se otprilike u granicama 5-500 mm. Površina zadnje strane klipa veća je od površine prednje strane klipa za iznos površine preseka klipnjače.

Zato je sila F = pS koju klip ostvaruje pri kretanju prema napred (udesno) veća od sile pri kretanju unazad (ulevo) (F1>F2). Uz pretpostavku jednakog zapreminskogprotoka vazduha za napajanje kroz zadnji (kretanje unapred) i prednji (kretanje unazad) priključak, brzina kretanja klipa unazad će biti veća nego unapred.

8

Cilindar sa amortizacijom udara

Cilindar sa amortizacijom udara (sa prigušenjem u krajnjem položaju)prigušuje strujanje vazduha pri kraju kretanja klipa, kako bi se u krajnjem položajuizbjegli udari klipnjače. Klip nosi manji klip, koji pri kraju hoda zatvara odvod vazduha, pa se do kraja hoda vazduh odvodi užim kanalom, preko prigušnice (vazdušni amortizer).

Na slici je prikazan cilindar sa prigušenjem samo u levom krajnjem položaju. Prigušenje se može podešavati, a na početku hoda udesno nepovratni ventil omogućava punjenje po cijeloj površini klipa.

Cilindar sa podesivim prigušenjem u krajnjem levom položaju: 1) cilindar, 2) klip,3)dihtung, 4)prigušnica, 5)nepovratni ventil

Izbor cilindra

Kriterijim za izbor cilindra

- potrebna sila- potreban hod- potrebna brzina- konstrukcija cilindra (učvršćenje cilindra, spoj klipnjače, priključci)

Moguć je niz standardnih i specijalnih izrada, a za izbor se koriste dijagrami.

PNEUMATSKI MOTORI9

O pneumatskim motorima:

Pneumatski motori se koriste kao ugradne pogonske ili upravljačke jedinice za pogon, upravljanje i regulaciju ali najčešće su u primeni kod pneumatskih alata kao pogonski elementi.

U pneumatskim motorima energija pritiska koja je sadržana u komprimiranom vazduhu pretvara se u mehanički rad. Vazduh pod pritiskom deluje na sve površine prostora u kome se nalazi podjednako. Ako jedan elemenat može da se kreće pod dejstvom pritiska, javiće se kretanje sve dok postoji razlika između sile pritiska i sile otpora. Kada pokretani element povećava zapreminu, vazduh u izdvojenoj komori će se u tom slučaju ponašati prema jednačini stanja tj. opadaće pritisak odnosno vršiće se ekspanzija vazduha, dobijaće se rad bez novog dovođenja energije sve do željenog odnosno mogućeg stepena ekspanzije.

U zavisnosti od načina vođenja procesa širenja u pneumatskom motoru se dobija minimalni rad pri adijabatskom procesu, odnosno maksimalani rad pri izotermskom procesu. Ovo bi bio osnovni princip rada pneumatskih motora.

U zavisnosti od izlaznog kretanja svi motori mogu se razvrstati u dve osnovne grupe:

- pravolinijske motore- rotacione motore.

Pravolinijski motori:

Ovu grupu sačinjavaju motori kod kojih vazduh deluje na elemente koji izvode pravolinijsko kretanje a krajnje izlazno kretanje iz motora je takođe pravolinijsko. Pod ovakvu definiciju mogu se svrstati klipni pneumatski motori udarnog dejstva. Takođe i pneumatski cilindri i uređaji membranskog tipa mogu se pripisati ovoj kategoriji pod uslovom da su snabdevani samoradnim razvodnikom koji će omogućiti stalnost rada.

Klipni pneumatski motori udarnog dejstva primenjuju se i na pneumatskim alatima, tako da se ne pravi greška ako se klipni udarni pneumatski alat poistoveti sa ovom vrstom motora. Pneumatski alati udarnog dejstva u principu poseduju klip u cilindru koji se pokreće komprimiranim vazduhom. Klip je bez posebne mehaničke veze sa ostalim mašinskim dijelovima. Kinetička energija klipa preko udarnog dejstva izvršava rad. Da bi se obezbedila stalnost rada odnosno kretanja k cilindru dovodi se komprimirani vazduh u određenim vremenskim intervalima iznad i ispod klipa a kroz izlazne otvore odvodi se izrađeni vazduh. Ovu ulogu na sebe preuzima samoradni razvodnik ili njemu adekvatni sistem. Na slici 1 data je principijalna šema razvoda pravolinijskog pneumatskog motora udarnog dejstva.

10

Razvodnik predstavlja bitan elemenat za ekonomičan rad usklađujući pritom odvijanje procesa u obe radne komore. Razvodnik se postavlja na dovodni sistem vazduha i prema stvorenim zahtevima razvodnik distribuira vazduh u jednu ili drugu komoru odnosno iznad ili ispod klipa. To je osnovna funkcija razvodnika kojoj mogu biti pridate i druge funkcije koje pospešuju rad motora odnosno uređaja ili mu daju posebene specifičnosti.

U primeni se nalaze pločasti, prstenasti, tanjirasti sa klackalicom i cilindrični razvodnici.

Ako pneumatski čekić udarnog dejstva na klipu posjeduje zavojne žljebove koji omogućavaju pored udarnog dejstva i obrtanje usađenog pribora u jednom smjeru tada se karakteristikama alata dodaje i broj obrtaja a u izvjesnim slučajevima i obrtni moment.

Rotacioni motori:

Ovi motori na izlaznom vretenu imaju obrtno kretanje bez obzira na vrstu kretanja ostalih radnih elemenata, a prema izvedbama mogu biti - klipni- aksijalno klipni- turbinski- zupčasti- lamelni

U pogledu smera obrtanja rotacioni motori mogu biti izvedeni kao jednosmerni motori - obrtno kretanje se izvodi samo u jednom smeru levom ili desnom i kao dvosmerni motori kod kojih postoji mogućnost obrtanja u oba smera. Izvedba pneumatskog motora bira se prema uslovima proizvodnog procesa: potrebnog broja obrtaja, obrtnog momena, snage, mogućnosti preopterećenja, dimenzija,

11

težine, broja promene i načina promjene smjera okretanja, pogodnosti rukovanja, radnih uslova, mogućnosti održavanja, ekonomičnosti rada itd. Od navedenih tipova rotacionih motora daje se samo razmatranje lamelnih motora.

Lamelni motori:

Princip rada prikazan je na slici 2.

Unutrašnji otvor cilindra ekscentrično je postavljen u odnosu na rotor. U prorezima rotora nalaze se lopatice - lamele. Lamele u prorezima moguslobodno da se kreću. Vazduh pod pritiskom ulazi u komoru sa malom zapreminom koju formiraju lamele.

Pošto jedna od lamela ima veću površinu izloženu pritisku rotor će krenuti u tom smeru. Okretanjem rotora povećava se zapreminom između dve susedne lamele čime se koristi osobina ekspanzije komprimiranog vazduha. U svakom položaju rotora prednja lopatica u smeru kretanja ima veću površinu izloženu pritisku tako da se javlja tangencijalna sila čiji se moment prenosi na osu rotora. Usled centrifugalne sile lopatice naležu na zid cilindra i vrše zaptivanje. Zaptivanje se ostvaruje i na bočnim poklopcima motora. Pri daljem kretanju lopatice dolaze do ispusnih otvora preko kojih ekspandirani vazduh izlazi iz motora.

Lopatice mogu biti postavljene u rotoru radijalno ili tangencijalno pod nekim uglom u odnosu na rotor što se najčešće primenjuje kada se koriste rotori malih dimenzija sa većim ekscentritetom cilindra.

12

Lamelni motori se izvode kao jednosmerni ili dvosmerni. Dvosmernimotori se izradjuju kao simetrični i asimetrični sa stanovišta snage i smera.

Karakteristike lamelnih motora

Na slici 3. dat je procentualni dijagram snage P momenta M i potrošnje vazduha Q u odnosu na broj obrtaja motora n. Iz dijagrama se mogu sagledati odnosi bitnih veličina pri različitim opterećenjima odnosno u različitim režimima eksploatacije. Maksimalna snaga se javlja na polovoni broja obrtaja od praznog hoda.Maksimalni obrtni moment je oko dva puta veći od momenta pri maksimalnoj snazi.

Pošto je rad motora najekonomočniji na maksimalnoj snazi, vrlo često ovakvi motori sadrže centrifugalne regulatore koji ograničavaju broj obrtaja iznad područja maksimalne snage. Regulator dozvoljava broj obrtaja u području maksimalne snage a ograničava veće brojeve obrtaja gde bi bila manja snaga a veća potrošnja. Na dijagramu karakteristika dat je sa Pr uticaj regulatora na snagu a sa Mr obrtni moment u području regulacije broja obrtaja.

13

Karakteristike lamelnih motora pri promeni pritiska

Na dijagramu sl. 4. razmatra se odnos bitnih karakteristika, broja obrtaja, potrošnje vazduha, obrtnog momenta i snage kod lamelnih motora za slučaj kad pritisak odstupa od radnog pritiska. Pritisak od 6 bar natpritiska je ujedno i radni pritisak za najveći broj pneumatskih motora a takođe i pneumatskih alata.

14

Slika 4.

Posmatrani primer na dijagramu: Ako radni pritisak sa 6 bar gde su broj obrtaja n, potrošnja vazduha Q, obrtni moment M i snaga P nominalni i označen sa 100% padne na 5 bar, broj obrtaja n smanjiće se na 95% potrošnja Q i obrtni moment M iznosiće 80% a snaga P čak će pasti na 75% od pvobitne snage koja se dobijala na pritisku većem za 1 bar.

Realni motori

U realnim motorima od radnog, odnosno pritiska punjenja, do pritiska konačne ekspanzija proces se odvija politropski a sam eksponent politrope pored režima rada motora biće definisan i nizom konstruktivnih faktora. Lamelni motori se koriste u velikom

15

rasponu broja obrtaja od 3000 do 40000 o/min a izuzetno sa ovim motorima se ide na veće brojeve obrtaja. Ova izvedba motora je dominantna u odnosu na druge izvedbe rotacionih motora tako da je u svetskoj produkciji zastupljena sa 90%. Brzohodnost se može izvući kao bitna karakteristika lamelnih pneumatskih motora. Direktan pogon se koristi uglavnom kod bruslica.

Prema prirodi pokretača motori se dele na: - membranske- kripne- krilne

Membranski pneumatski motori

Membranski pneumatski motori se najčesće koriste u procesnoj industriji kao pokretači raznih ventila. Prema svojim gabaritima relativno su malog hoda od 10 do 150mm. Na slici 8 je data funkcionalna šema jednog ovakvog pneumatskog motora koji se goni pomoću jednog pneumatskog pojačavača koji je poslednji elemenat kod pneumatskog korekcionod organa ili, ako je obrada signala električna, elektropneumatskog pretvarača.

Pritisak vazduha se dovodi ispod membrane 2 površine AMV tako da se

vreteno 8 pomera naviše zajedno sa ukrućenjem 3 sabijajući oprugu krutosti k OPR(6). Vreteno motora putuje do mesta dok sile koje na njega deluju ne budu ponovo u ravnoteži.

Slika 8.1.kućište 2.membrana 3.ukrućenje 4.vođica 5.nosač 6.opruga 7.navrtka

8.vreteno 9.zaptivke 10.pojačavač

Jasno je da je V 2 N daleko veće nego kod neopterećenog pojačavača pa je i

vremenska konstanta τ 2 znatno veća. Takođe je i promena zapremine V 2 nešto

16

izmenjena u odnosu na slučaj neopterećenog pojačavača. Dinamička jednačina ravnoteže sila na vretenu motora data je jednačinom:

mM∗∂2 y∂ t2

+B∗∂ y∂ t

+kOPR∗y+C r∗sgh(∂ y∂ t )+f OPT=AMV∗P2

gde su:mM - masa vretena (kg)B- faktor viskoznog trenja (Ns/m)C r - koeficijent suvog trenja (N)

f OPT - odstupanje spoljašnje sile opterećenja (N)Pomenuta spoljašnja sila opterećenja kod motora koji pokreće ventil je ili

hidrodinamička ili aerodinamička sila. Jednačine koje opisuju ponašanje pojačavača mogu da se napišu kao:

τ 2∗∂ p2

∂ t+ p2=K1

∂ x∂ t

+K2∗xgde su konstante:

K1=n∗τ2∗P2 N

V 2 N

∗AMV;

K2=P2 N

( n+12∗n

+ K12+K 23)∗A12

∗∂ A12

∂ X

Nelinearni blok dijagram pneumatskog motora i pojačavača dat je na slici 9. Iz

predhodne jednačine se vidi da odstupanje sile opterećenja f OPT utiče na promenu pozicije vretena ventila. Tokođe, sila suvog trenja zadaje puno muke da se vreteno tačno ispozicionira. Ovakva veza pojačavača i pneumatskog motora koji su vezani na red se koristi u slučajevima kada se ne traži velika tačnost u pozicioniranju vretena. Pneumatski motor koji je dat na slici 8. je takvog tipa da u neaktiviranom stanju vreteno zauzima krajnji donji položaj. Takođe, postoje i motori dvostranog dejstva.

Da bi se obezbedio tačan rad pneumatskog motora potrebno je uvesti regulatore položaja ili pozicionere. Oni se koriste da savladaju sile trenja, povećaju brzinu rada motora, menjaju statičku karakteristiku motora, kompenzuju uticaj spoljašnjih sila koje deluju na vreteno... Takođe, treba reći da motor dvostranog dejstva može da radi samo uz pomoć pozicionera.

17

Kod većine pneumatskih motora jednostranog dejstva dominiraju sila u opruzi i sila trenja koje zajedno treba da savlada aktivna sila. Stoga, blok dijagram, ovoga puta uprošćen sa zadržanim dominantnim silama, može da se predstavi kako je dato na slici 10. Kod nelinearnosti suvog trenja je uzet u obzir fenomen statičkog suvog trenja koji se odnosi na vrednost sile trenja kada je brzina kretanja vretena jednaka nuli. Naime, ta sila je nešto veća nego sila suvog trenja kada je brzina različita od nule.

Slika 10.

Kada se nađe ekvivalentna nelinearnost pri f OPT=0 dobija se histerezisna nelinearnost predstavljena na slici 11. koja ima puno fizičkog opravdanja.

Slika 11.

Ako se radna tačka u početnom momentu nađe na idealnoj pravoj liniji (tačka

A) i pritisakP2 počinje polagano da se povećava, vreteno neće da se pomeri sve dok aktivna sila ne bude veća od statičke sile suvog trenja, a to je u tački B. Nadalje sa

povećanjem pritiska P2 linearno se menja pozicija vretena y. Ako od tačke C počinje

polako da se smanjuje pritisak P2 , tada pozicija vretena V neće da se menja sve dok

se pritisak P2 ne promeni toliko da aktivna sila u suprotnom smeru ne nadjača silu

trenja (tačka D). Daljim smanjivanjem pritiska P2 pozicija vretena y se linearno menja (smanjuje).

18

Jasno je da je veličina histerezisa veća ako je sila trenja veća i obratno, što znači da treba imati što manju silu trenja da bi se vreteno motora što lakše ispozicioniralo. S druge strane, da bi curenje vazduha na zaptivkama bilo malo, one treba da su „tesne“, što uzrokuje veću silu trenja. Ova dva poslednja zahteva su suprotstavljena pa se obično traži kompromisno rešenje da bi se obezbedio zadovoljavajući rad motora.

Jedno od najčešćih rešenja regulatora položaja dato je na slici 12.

Slika 12.1.poluga 2.bregasta ploča 3.poluga sa točkićem 4.opruga

5.elektromehanički pretvarač 6.poluga 7.mlaznica 8.pojačavač 9.membranski motor

Membranski motor je jednostranog dejstva i povratni hod se obozbeđuje pomoću opruge na motoru. Pošto je matematički model motora izveden, to treba izvesti još matematički model pozicionera. Ovde ne važi pretpostavka o malim pomeranjima krajeva poluge 1 sa bregastom pločom 2. Stoga mora da se izvrši analiza rada poluge za veća pomeranja koja u sebi uključuje i nelinearne efekte. Za nominalni položaj vretena motora se uzima polovina njegovog maksimalnog hoda.Odstupanje

pomeranja motora je: y=Y −Y N .

Klipni pneumatski motor upravljan razvodnikom

Kako je pokazano u prethodnom poglavlju membranski pneumatski motori su obično upravljani pomoću pojačavača jer su uglavnom jednostranog dejstva(opruga obezbeđuje povratni hod). Klipni pneumatski motori ili pneumatski cilindri su najčešće dvostranog dejstva te se u najvećem broju slučajeva njima upravlja poomoću klipnog razvodnika. Pri matematičkom modelovanju ovih notora će biti razmatrana dva slučaja:

19

1.ako su sa razvodnikom sa negativnim preklopom (13) i2.ako su sa razvodnikom sa nultim preklopom (14).

Pošto je u oba slučaja pneumatski cilindar isti, to će i sledeće jednačine važiti za oba slučaja

M 2 N

nP2 N

dPdt

=−M 2 N

V 2 N

dv 2

dt+

dm2

dtM 3 N

nP3

dP3

dt=−

M 3 N

V 3 N

dv 3

dt+

dm3

dt

Slika 13.

Slika 14.

20

Za razvodnik sa negativnim preklopnikom mogu da se napišu jednačine kontinuiteta:

dm2

dt=( M 12 N

¿

+m12

¿

)−( M 24 N

¿

+m24

¿

)

dm2

dt=( M 12 N

¿

+m12

¿

)−( M 24 N

¿

+m24

¿

)

Za najveći broj proračuna sledeća jadnačina u potpunosti zadovoljava:

(1+τ p p )( p2+ p3 )=−Ku 1 τ p px 2+∂( ΔP )∂ X 1

Blok dijagram celog sistema sa razvodnikom sa negativnim preklopom za pomeranja

razvodnika |x1|⊲n0 je dat na slici 15.

Slika 15.

Kod razvodnika sa nultim preklopom situacija se dosta razlikuje. Postupak modeliranja sistema sličan je postupku modeliranja analognih hidrauličkih sistema. Naime, potrebno je poznavati statičku karakteristiku razvodnika koja je u opštem slučaju predstavljena na slici 16.

21

Slika 16.

Za pomeranje klipa razodnika x1≥0oznake su date izvan zagrada, dok

su za pomeranje klipa razvodnika x1≤0 oznake date u zagradama. Za razliku od hidrauličkih razvodnika čija je statička karakteristika simetrčna, ovde to nije slučaj. Pri punjenju komore protok mase gasa pri konstantnom relativnom otvoru razvodnika

χ=x1 / x1 max raste do pritiska P2 /P1=0 . 528 (za vazduh i dvoatmne gasove) i dalje ne mođe da se povećava. Pri pražnjenju komore karakteristika je skoro linearna. Koristeći dijagram statičke karakteristike pneumatskog razvodnika moguće je da se napišu linearizovane jednačine protoka mase gasa kroz rzvodnik i to:

dm2

dt=C3 x1−C4 p2

dm2

dt=C

3ć x1 ' C4ć p2

Na slici 17. dat je blok dijagram sistema sa razvodnikom sa nultim preklopom

22

Slika 17. Sistem sa razvodnikom sa nultim preklopom

Sada može da se napiše pripližna diferencijalna jednačina ponašanja ovog sistema:

x2

x1

=2C3 A

K'

nRT1

M t V N

p [ p2+( BM t

+C4nRT 1

V 1) p+

nPn

M t V N(C4 RT 1 B

PN

+2 AK )]Ova jednačina pokazuje da matematički model pneumatskog cilindra

upravljanog razvodnikom ima velike sličnosti sa matematičkim modelom hidrauličkog cilindra upravljanog razvodnikom.

Ventili

Ventili su pneumatski upravljački elementi koji služe za regulaciju i usmeravanje radnog medijuma. Moguće funkcije ventila uključuju: propuštanje, zaustavljanje i promenu smera medijuma; regulaciju protoka i pritiska. U pneumatskom upravljanju ventili prenose energiju i/ili informaciju.

Ventili se dele na: – razvodnike – propusni ventili– ventili za regulaciju pritiska – protočni ventili – kombinovani ventili – zatvarači cevi

23

Razvodnik

Razvodnici usmeravaju tok radnog medijuma – propuštanjem, zatvaranjem, promenom smera toka. Razvodnici se razlikuju po sledećim karakteristikama:

– tip – veličina – način aktiviranja – daljina trajanja signala – konstrukcija

Tip razvodnika određen je brojem priključaka i razvodnih položaja, veličina razvodnika opisana je priključnom merom protoka medijuma. Aktiviranje razvodnika može biti neposredno i posredno.

Mogući načini (neposrednog) aktiviranja razvodnika su: – fizičko – mehaničko – na pritisak– elektronsko – kombinovano

Prema dužini trajanja signala potrebnog za aktiviranje razvodnika, razvodnici se dele na:

– razvodnike s trajnim aktiviranjem (monostabilne) koji su aktivirani u vremenu dok traje signal

– razvodnike s trenutnim aktiviranjem (bistabilne) koji su trajno aktivirani kratkim signalom (funkcija pneumatske memorije).

Konstrukcija razvodnika je bitna u pogledu trajnosti, sile potrebne za aktiviranje, veličine, načina aktiviranja, održavanja, pouzdanosti rada razvodnika itd.

Propusni ventili Propusni ventili ne dopuštaju protok u jednom smeru, a

propuštaju u suprotnom smeru (kao dioda).

Propusni ventili dele se na: – nepovratni – uslovno propusni (logički I) – naizmenično propusni (logički ILI) – brzoispustni

24

Nepovratni ventili potpuno zatvaraju protok u jednom smeru, a u suprotnom propuštaju uz sto minimalniji mogući pad pritiska (mali otpor). Taj pad pritiska je pokazatelj kvaliteta ventila.

Uslovno propusni ventili (I-ventil)

Uslovno propusni ventil ostvaruje logičku I-funkciju (tabela 1.). Ventil se zatvara ako pritisak deluje na bilo kojem ulaznom priključku (U1,U2), ali se ne može zatvoriti kad deluje na oba.

U1 U2 I0 0 00 1 01 0 01 1 1Tabela 1.

Naizmenično propusni ventil (ILI-ventil)

Naizmjenično propusni ventili ostvaruju logičku ILI funkciju (tabela 2.). Priitisak se prenosi na izlazni priključak, kad pritisak deluje na jedan (bilo koji) ulazni priključak (U1,U2). Ako pritisak deluje na oba ulazna priključka, prolaz ka izlaznom priključku ovoren je kroz jedan od njih (ili kroz oba).

U1 U2 I0 0 00 1 11 0 11 1 1Tabela 2.

Brzopropusni ventili

Brzopropusni ventili koriste se za ubrzanje pražnjenja cilindra, čime se povećava brzina kretanja klipa. Cilindar se ne prazni preko upravljačkog razvodnika, nego preko brzopropusnog ventila. Brzopropusni ventil ima relativno veliki protočni presek i predstavlja manji otpor strujanju medijuma nego razvodnik.

Takođe, u slučaju pražnjenja cilindra kroz razvodnik, na razvodniku se javlja buka zbog prigušivanja vazduha.

25

Ventili za regulaciju pritiska

Ventili za regulaciju pritiska sluze za regulaciju pritiska radnog fluida, kao i za niz drugih funkcija . Ventili za regulaciju pritiska dele se na:

– regulatori pritiska – sigurnosni ventili– ventili za prenos pritiska

Protočni ventili

Protočni ventili deluju na protok radnog fluida, a posredno i druge veličine koje zavise od protoka odn. brzine fluida. Koriste se dva tipa protočnih ventila:

– prigušni (prigušuju u oba smjera) i – jednosmerno-prigušni (prigušuju u jednom smeru)

Prigušno delovanje ostvaruje se suženjem (prigušnicom) koje predstavlja otpor strujanju fluida (izaziva pad tlaka). Jednosmjerno prigušni ventili nazivaju se još nepovratno-prigušni. Oni predstavljaju paralelni spoj prigušnice i nepovratnog ventila. U jednom smeru protok ide kroz prigušnicu, dok se u suprotnom smeru otvara nepovratni ventil, pa protok najvećim dielom prolazi kroz njega uz minimalni otpor. Prigušno-nepovratni ventili često se koriste za smanjenje brzine cilindra.

Kombinovani ventili

Kombinovani ventili realizuju se sastavljanjem elemenata (ventila) iz nekoliko navedenih grupa ventila.

Primeri kombiniranih ventila: – vremenski član (ostvaruje kašnjenje signala) – razvodnik s minimalnim pritiskom za aktiviranje – davaoc takta – pneumatska memorija – elementi taktnog lanca

26

Zatvarači cevi

Zatvarači cevi su ventili i slavine čija svrha je potpuno, statičko zatvaranje cevovoda, npr. prilikom isključivanja dela sistema, pri procesima održavanja, remonta itd.

KOREKCIONI ORGANI

Korekcioni organi su delovi upravljačkih sistema u kojima se neposredno realizuje algoritam upravljanja. Znači u njima treba da se ostvari niz različitih operacija kao što su sabiranje, integraljenje, diferenciranje itd. Oni mogu biti izvedeni čisto pneumatski i čisto elektronski. Takođe oni elektronski mogu biti vremenski neprekidni i vremenski diskretni. U današnje vreme elektronski vremenski diskretni korekcioni organi su bazirani na računarskom izvođenju što im daje veliku fleksibilnost zbog lake promene programa, odnosno algoritma upravljanja.

Pneumatski korekcioni organi

Pneumatski korekcioni organi su do pojave računarskih električnih sisitema bili u vrlo širokoj primeni posebno u procesnoj industriji. I u današnje vreme u ovoj vrsti industrije u značajnoj meri su prisutni zbog svojih prednosti i to:

- velikoj bezbednosti po pitanju nastanka varnica- mogućnost da tačno i dobra rade u vrlo teškim spoljašnjim uslovima.Njihova osnovna mana je relativno ograničena mogućnost ostvarivaja

različitih algoritama upravljanja (uglavnom su to konvencionalni linearni algoritmi upravljanja tipa P, PI ili PID), dosta težak proračun parametara i relativno visoka cena u poređenju sa jeftinijim računarskim sistemima. Zato ćemo dati jedan od najčešće korišćenih korekcionih organa iz koga mogu da se izvedu gotovo svi ostali tipovi sa linearnim algoritmima upravljanja.

27

Pneumatski PID korekcioni organ

Funkcionalna šema pneumatskog PID korekcionog organa data je na slici 5.

Slika 5.

Pritisak P1 je signal odmerača stvarne vrednosti izlazne veličine, pritisak Pit je pritisak koji dolazi odzadavača i predstavlja informaciju o željenoj vrednosti

izlazne veličine, dok je pritisak Pr pritisak koji se vodi do izvršnog organa upravljačkog sistema tj, pneumatskog motora. Dijagram pneumatskog korekcionog organa dat je na slici 6.

28

Slika 6.

Diferencijalna jednačina ponašanja korekcionog organa u kompleksnom domenu je:

P y(S )=KK 0[ A2∗a

A1∗b(1+ 1

τ1∗s)∗( Piz( s )−Pi (s ))+τD∗s∗P i(s )]

Vidi se da ovaj korekcioni organ ima PI dejstvo po signalu greške

E( s )=Piz (s )−P i(s ) i PID dejstvo po mernom signalu Pi( s ). Ovakva konstrukcija korekcionog organa je urađena za slučajeve kada je signal o željenoj vrednosti izlaza

Piz=Const što je u procesnoj industriji čest slučaj. Blok dijagram ovog korekcionog organa dat je na slici 7.

29

Slika 7. Blok dijagram PID korekcionog organa

Podešljivi parametri ovog korekcionog organa su:

K K 0 -menjaju se pojačanjaKK 0

τ1 -menja se integralna vremenska konstantaKK 0

τ D -menja se diferencijalna vremenska konstantaLoša karakteristika ovih korekcionih organa je u tome što se integralna i

diferencijalna vremenska konstanta podešavaju promenom dva parametra.

SADRŽAJ

Uvod........................................................................................... ..........1Osobine pneumatike................................................................... ..........2Karakteristike pneumatskog upravljanja................................... ..........4Funkcionisanje pneumatskog sistema....................................... ..........5Pneumatski izvršni organi.......................................................... ..........6 Cilindri............................................................................. ..........6

Pneumatski motori............................................................ ..........10Pravolinijski motori .............................................. ......... 10Rotacioni motori.................................................... ..........11Lamelni motori....................................................... ..........12Realni motori.......................................................... ..........15Membranski pneumatski motori........................... ..........15Klipni pneumatski motor....................................... ..........18

Ventili......................................................................................... ..........22Razvodnik........................................................................ ..........23Propusni ventili................................................................ ..........23Uslovno propusni (I-ventili) .......................................... ..........24Naizmenično propusni (ILI-ventili) .............................. ..........24Brzopropusni ventili........................................................ ..........24Ventili za regulaciju pritiska........................................... ..........25

30

Protočni ventili................................................................ ..........25Kombinovani ventili........................................................ ..........25Zatvarači cevi................................................................... ..........25

Pneumatski korekcioni organi................................................... ..........26Pneumatski PID korekcioni organ.................................. ..........27

31