TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Studie o možnostech dalšího průmyslového využití Semestrální projekt závěrečná zpráva Bc. Ondřej Plachý Liberec 2010 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Zadání projektu navazujícího magisterského studia Název projektu: Studie o možnostech dalšího průmyslového využití Autor: Vedoucí projektu: Bc. Ondřej Plachý Ing. Lukáš Hubka Zadání: 1. Popis a dosavadní použití regulátoru tlaku v CZ 200S. 2. Možné použití tohoto regulátoru v dalších průmyslových aplikacích a jeho porovnání se současnou technikou. 3. Popis nutných změn v konstrukci, jenž by umožnil využití v dalších aplikacích. 4. Zhodnocení studie 2

Anotace Tento projekt pojednává o možnostech dalšího průmyslového využití již zkonstruovaného regulátoru tlaku pro CZ 200S. Je zaměřen na stávající popis použití tohoto regulátoru, jeho funkci, způsob provedení a změnu konstrukce, jež by umožnila použití pro další aplikace. První část projektu popisuje stávající použití regulátoru, jeho funkci a provedení. Druhá část je zaměřena na příklady možného dalšího použití regulátoru a jeho porovnání s regulační technikou, jenž se používá v průmyslových aplikacích. Třetí část projektu se věnuje popisu nutných konstrukčních změn, které je nutné vyřešit, aby mohl být regulátor použit pro průmyslové aplikace popsané v druhé části. V poslední části je provedeno celkové zhodnocení studie, její závěry a naznačeno další možné pokračování. Klíčová slova regulátor tlaku, CZ 200S, nízkotlaký regulátor, vysokotlaký regulátor Annotation This project describes other possibilities of invented industrial pressure regulator for air gun CZ 200S. It is orientated on existing description of the regulator, own function, concept design and construction variation. This variation could change usage for other industrial applications. First part of the project describes current application, function and construction. The second part is focused on future methods of regulator applications and his comparing with other industrial regulation technics. The thirth part of the project applies to necessary construction changes. These are needed for an industrial usage which was mention in second part. The last part estimates whole study. Conclusions of this part indicates future possible continuation of this report. Key words pressure regulator, CZ 200S, low- pressure regulator, high- pressure regulator 3

Obsah Seznam zkratek... 5 Úvod... 6 1 Dosavadní použití regulátoru tlaku v CZ 200S... 7 1.1 Požadavky na regulátor... 7 1.2 Popis konstrukčního provedení... 8 2 Možné použití regulátoru v průmyslových aplikacích... 10 2.1 Vysokotlaké regulátory... 10 2.1.1 Potápěčská technika... 10 2.1.2 Kyslíkové láhve... 10 2.2 Nízkotlaké regulátory... 11 2.3 Porovnání vyráběných regulátorů s navrhovaným regulátorem... 12 2.3.1 Vysokotlaký pístový regulátor... 13 2.3.1 Nízkotlaký membránový regulátor... 14 3 Popis konstrukčních změn umožňující využití v dalších aplikacích... 15 3.1 Použití jako vysokotlaký regulátor... 15 3.1.1 Snížení pásma necitlivosti... 15 3.1.2 Pojišťovací ventil... 16 3.1.3 Regulace výstupního tlaku... 16 3.2 Použití jako nízkotlaký regulátor... 17 3.2.1 Zmenšení stěn těla regulátoru... 17 3.2.2 Regulace výstupního tlaku a změna těsnění... 17 4 Závěr... 18 Použitá literatura... 19 4

Seznam zkratek D [mm] F [N] P [MPa] Pv [MPa] Re [N/mm2] S [mm2] s l vnitřní průměr síla tlak výstupní tlak mez kluzu plocha bezpečnostní konstanta rozdíl délky 5

Úvod V moderním průmyslu má regulační technika nezastupitelnou roli, která se každým rokem zvyšuje. V dnešní době bychom jen stěží hledali odvětví, do kterého regulace a řízení ještě nepronikla. Své uplatnění si nachází téměř v každém oboru ať již formou jednoduchých mechanických strojů až po složitá elektronická zařízení. Samotnou kapitolou regulace je řízení tlaku a průtoku kapalného či plynného media. Regulace tlaku a průtoku se nejvíce využívá v hydraulických a pneumatických pohonech, v elektrárnách, kde se jimi řídí průtok a tlak páry, v plynovodech, v průmyslových rozvodech stlačeného vzduchu a všude tam, kde je nutné mít možnost nastavit požadovaný tlak či průtok media. Úkolem tohoto semestrálního projektu je zpracování studie, která zhodnotí možnosti uplatnění původního regulátoru tlaku vytvořeného pro konkrétní aplikaci ve vzduchové pušce CZ 200S, na jeho další průmyslové využití, pokud se dosavadní technické řešení vhodně upraví, aby vyhovělo současným požadavkům, jež jsou kladeny na průmyslový regulátor tlaku. 6

1 Dosavadní použití regulátoru tlaku v CZ 200S Původní návrh regulátoru tlaku vznikl pro konkrétní potřeby vzduchové pušky označené CZ 200S vyráběné firmou zbrojovka Uherský Brod. V původním návrhu regulátor řešil regulaci vysokotlakého vzduchu v zásobníku z tlaku Pv = 200bar na tlak Pvy = 100bar jež přepouštěl do malé komůrky před bicí mechanizmus. Touto regulací se zajišťovala stále stejná rychlost střely, která byla v původním návrhu výrazně ovlivňována změnou tlaku v tlakovém zásobníku. Regulace způsobila, že bylo dosaženo téměř poloviční rychlostní diference jednotlivých střel a zároveň umožnila využít plný tlakový rozsah zásobníku vzduchu, díky čemuž mohlo být vystřeleno 2,5x více střel na jedno naplnění zásobníku tlakovým vzduchem. 1.1 Požadavky na regulátor Při konstrukci regulátoru bylo důležité dosáhnout především následujících bodů: Přesnou regulaci s minimální diferencí výstupního tlaku. Čím je menší diference výstupního tlaku, tím je nižší rozdíl rychlostí mezi jednotlivými výstřely, a tím je přesnější střelba. [1] Malou časovou konstantu regulace po výstřelu. Je nutné, aby se tlak v regulované části po výstřelu co nejdříve ustálil na požadovanou hodnotu, neboť prodleva mezi výstřely může být velmi malá (t 1.5s). [1] Možnost přesného nastavení velikosti výstupního tlaku. Jelikož velikost výstupního tlaku úzce souvisí s úsťovou rychlostí střely, je nutné mít možnost vyladění systému pomocí tohoto nastavení. [1] Dlouhodobou stabilitu Sportovní vzduchové pušky se používají celou sezonu, údržba a nastavení se často provádějí pouze jednou ročně. Je nutné, aby regulátor pracoval s dlouhodobou stabilitou, protože i drobná změna v nastavení může výrazně ovlivnit trajektorii střely. [1] 7

1.2 Popis konstrukčního provedení Provedení regulátoru tlaku znázorňuje návrhový výkres (obr. 1), který ukazuje regulátor tlaku v podélném řezu. Těleso 7 regulátoru tvoří vysoustružená tyčovina, na níž jsou závitem přichyceny tlakový zásobník 8 a uzavírací ventil 6. Ve středu tělesa 7 je vytvořen válec pro talířovou pružinu 2 s dutým pístem 1, na němž je uchyceno pístové těsnění 3. Na konci tělesa 7 je závitem přichycena seřizovací matice 9, ve které se nachází pístnicové těsnění 5, pod kterým je přepouštěcí kanálek 4. Regulátor tlaku pracuje tak, že při zvyšování tlaku v prostoru za dutým pístem 1, tlak působící na pístové těsnění 3 vyvolá sílu, která působí proti talířové pružině 2. Talířová pružina 2 se začne stlačovat, čímž se začne pohybovat dutý píst 1 a po překročení dané síly talířové pružiny 2 se zasune přepouštěcí kanálek 4 pod pístnicové těsnění 5, a tím zamezí zvyšování tlaku za dutým pístem 1. Při snižování tlaku za dutým pístem 1 se začne pružina 2 roztahovat, čímž odsouvá dutý píst 1, a tím vysune přepouštěcí kanálek 4 zpod pístnicového těsnění 5, čímž je opět umožněno pronikání tlakového vzduchu za dutý píst 1. Regulovanou výši tlaku lze měnit změnou tvrdosti pružiny 2 anebo posunem seřizovací matice 9. [1] 8

Obr. 1 Návrhový výkres [1] Seznam vztahových značek 1 dutý píst 2 talířová pružina 3 pístové těsnění 4 přepouštěcí kanálek 5 pístnicové těsnění 6 uzavírací ventil 7 těleso 8 tlakový zásobník 9 seřizovací matice 9

2 Možné použití regulátoru v průmyslových aplikacích 2.1 Vysokotlaké regulátory V předchozí kapitole bylo popsáno původní zaměření návrhu regulátoru, jež bylo určeno pro vysokotlakou aplikaci. V tomto případě se jednalo o tlakové rozmezí mezi 10 až 20 MPa. Tento tlak se v běžných průmyslových aplikacích téměř nepoužívá, přesto jsou některé obory, kde najde uplatnění. Kromě již zmíněného použití pro vzduchové pušky se zásobníkem tlakového media, jsou i další možnosti. 2.1.1 Potápěčská technika Příkladem může být potápěčská technika, ve které můžeme tento regulátor použít k regulaci vysokotlakého vzduchu z tlakové nádoby na střední tlak a poté druhým regulátorem na atmosférický tlak vhodný k dýchání. První stupeň potápěčské automatiky je zobrazen níže (obr. 2). Obr. 2 První stupeň potápěčské automatiky [2] 2.1.2 Kyslíkové láhve Druhým podobným příkladem, ve kterém je nutná redukce vysokého tlaku, je použití na kyslíkových lahvích. Ty se používají například v lékařství, ale významné uplatnění mají také ve strojírenství v podobě kyslíkových-acetylenových či CO2 řezáku. 10

Zde je nutné zredukovat hodnotu tlaku z 20-30MPa na hodnotu tlaku 0-1,5bar. Příklady těchto provedení jsou patrné na obrázcích níže (obr. 3) a (obr. 4). Obr. 3 Lékařský regulátor tlaku kyslíku [3] Obr. 4 Redukční ventil pro autogen [4] 2.2 Nízkotlaké regulátory Jak již bylo uvedeno v předchozím odstavci, tlaky v řádech desítek MPa se sice používají, ale mnohem běžněji se setkáme s tlaky do 10-15bar. To je dáno především podstatně jednoduší konstrukcí kompresoru, který musí zajistit přetlak 10-30x menší oproti vysokotlakým kompresorům. Dalším důvodem je jednoduší rozvod a menší 11

energetické ztráty při výrobě tlakového vzduchu. Z těchto důvodů bude další zaměření především na tyto nízkotlaká zařízení a jejich aplikace. Největší použití nízkotlakého vzduchu najdeme ve výrobních halách, kde se stlačený vzduch používá zejména k čištění proudem vzduchu, k pohonu ručních zařízení, nebo jako hnací medium v pístnicích a jiných polohovacích zařízení. Další uplatnění nachází v regulační technice v pneumatických servoventilech. Ve většině těchto aplikací nelze dodávat přímo tlakový vzduch z kompresoru, ale je nutné ho upravit tak, aby vyhověl požadovaným parametrům. K této úpravě se používají různé druhy regulátoru tlaků, redukčních a pojistných ventilů. Nejběžnějším používaným typem je membránový regulátor (obr. 5). Obr. 5 Regulační tlakový ventil 300 Pietro Fiorentina [1] 2.3 Porovnání vyráběných regulátorů s navrhovaným regulátorem Následující podkapitoly budou věnovány porovnání běžně vyráběných regulátorů a to jak vysokotlakých tak nízkotlakých s regulátorem tlaku pro CZ 200S. 12

2.3.1 Vysokotlaký pístový regulátor Nejprve se podobně jako v předchozí kapitole zaměříme na porovnání s vysokotlakými regulátory. Zde se výrazněji projevují i malé konstrukční nedostatky, jelikož regulace vysokotlakého media je podstatně náročnější než nízkotlakého. Jako příklad vysokotlakého regulátoru je zde zobrazen regulační ventil firmy Swagelog série KCP (obr. 6), konstruovaný pro maximální vstupní tlak 248 bar a maximální výstupní tlak 103 bar. Obr. 6 Vysokotlaký regulátor firmy Swagelog [5] Jedná se o pístový typ pracující na principu předepnutí pružiny. Při snížení výstupního tlaku pod nastavenou mez dojde silou pružiny k otevření ventilu a tlak proudí do prostoru pístu, při zvýšení tlaku dojde k překonání síly pružiny silou tlaku na píst a ventil se zavře. Hlavní nevýhodou tohoto řešení je to, že vstupní tlak působí na plochu ventilu, což ovlivňuje výstupní tlak v závislosti na změně vstupního tlaku. Tento nedostatek je částečně kompenzovaný velkým poměrem ploch pístu a sedla ventilu, což značně zmenšuje tlakovou diferenci výstupního tlaku v závislosti na vstupním tlaku. 13

Tímto opatřením se však také velmi snižuje maximální průtok regulátorem, jelikož malým prostorem ventilu projde jen omezené množství vzduchu. Vždy je tedy nutné vybrat kompromis mezi velikostí průtoku a tlakovou diferencí výstupního tlaku. Regulátor tlaku pro CZ 200S se liší především tím, že na rozdíl od předchozího regulátoru, změna vstupního tlaku neovlivňuje výstupní tlak, jelikož vstupní tlak nemá žádnou plochu, na kterou by mohl působit, neboť rozdílné tlaky jsou odděleny pístním těsněním, jak je patrné z řezu (obr. 1). Druhou podstatnou výhodou oproti předchozímu je, že velikost průtoku není závislá na maximální dovolené ploše ventilu, ale pouze na velikosti a počtu kanálku na dutém pístu. Díky tomu je možné docílit vysokého průtoku, aniž by byla zhoršena přesnost výstupního tlaku. 2.3.1 Nízkotlaký membránový regulátor Nyní následuje srovnání s nízkotlakým regulátorem membránového typu (obr. 5). Kromě již vypsaných předchozích nevýhod společných s vysokotlakými regulátory, se zde navíc objevuje složitější konstrukce, což nepříznivě ovlivňuje především cenu, ale také možnost poruchy díky většímu počtu součástek. Oproti tomu, jak je patrné z řezu (obr. 1), je druhý regulátor složen pouze ze tří částí, kde je jedna pohyblivá (dutý píst). Tato část je s ostatními spojena pouze přes těsnící prvky, tudíž nedochází styku kov na kov a jejich odírání. Hlavní výhody navrženého regulátoru oproti běžně prodávaným regulátorům: Změna vstupního tlaku neovlivňuje výstupní tlak Možnost velkého průtoku Jednoduchá konstrukce Nižší poruchovost Cena výroby 14

3 Popis konstrukčních změn umožňující využití v dalších aplikacích Na možné příklady aplikace, popsané v předchozí kapitole, lze tento regulátor použít, aby však byla zajištěna maximální funkčnost, je nutné stávající konstrukci vhodně modifikovat. 3.1 Použití jako vysokotlaký regulátor V případě použití jako vysokotlaký regulátor, by se jednalo především o standardní závity pro uchycení přívodu a výstupu tlakového media. Vnitřní funkce by mohla být zachována, jelikož byla koncipovaná též na vysokotlaké medium. Nutná by byla vhodná volba vnitřní pružiny v závislosti na výstupním tlaku, s jakým by regulátor pracoval. Zároveň by bylo vhodné zvětšit počet kanálku na dutém pístu, čímž by se zajistil vyšší průtok a zároveň zvýšila citlivost. 3.1.1 Snížení pásma necitlivosti Při stávající koncepci je pásmo necitlivosti, kdy regulátor velmi pomalu reaguje na malý úbytek tlaku v rozmezí 90-100 bar, při nastavení výstupní hodnoty tlaku na 100 bar. Pro původní konstrukci tento nedostatek nemá vliv, jelikož se zde skokově mění tlak až na hodnotu 40-60 bar, tudíž pásmo necitlivosti neovlivňuje regulaci. Pásmo necitlivosti lze ještě výrazněji zmenšit vhodnou volbou pružiny s menší tuhostí. Výpočet tuhosti lze vyjádři vztahem 1.1. F k (1.1) l V tomto případě za sílu F dosadíme velikost výstupního tlaku, přenásobenou plochou pístu. Poté dostaneme upravený vztah 1.2. V případně použití talířových pružin zvětšíme S Pv k (1.2) l l větším počtem sériově řazených pružin, které se při stejné síle více stlačí, a tím se sníží celková tuhost. V tomto případně výsledné l lze vypočítat přímo z tabulek výrobce talířových pružin, kde je 15

vždy uvedeno jaké prodloužení odpovídá dané síle a to poté přenásobit počtem pružin v sérii. 3.1.2 Pojišťovací ventil Další možnou úpravou stávající konstrukce je vytvoření pojišťovacího ventilu, jenž by v případě poruchy či zvýšení regulovaného tlaku nad nastavenou mez odpustil přetlak do atmosféry či tlakového zásobníku. Tento pojišťovací ventil lze jednoduše vytvořit pouhým vyvrtáním odvzdušňovacího kanálku, tudíž nevznikají žádné náklady navíc. 3.1.3 Regulace výstupního tlaku Jedním z hlavních nedostatků stávající konstrukce, jenž výrazně omezuje použití, je nemožnost nastavování velikosti výstupního tlaku bez předchozí demontáže z tlakové aplikace. Tento problém je způsoben umístěním seřizovací matice do prostoru tlaku, jenž není v provozu přístupná. V některých aplikacích, kdy se regulátor seřídí na danou hodnotu a v průběhu se s již nastavení nemění, nebo opětovné seřízení se děje jen velmi zřídka, tento způsob seřízení není na závadu. V jiných aplikacích je však tento problém zásadní, jelikož je nutné mít možnost daný tlak operativně měnit dle potřeby obsluhy. Z těchto důvodů je nutné provést konstrukční změnu, která zajistí vyvedení seřizování výstupního tlaku z tlakového prostoru do prostoru přístupnému ručnímu seřízení při provozu regulátoru. Při této změně je možné postupovat dvěma směry. První možnost je modifikovat samotnou seřizovací matici, tak aby ji bylo možné otáčet i při zapojeném regulátoru. Zde se nabízí možnosti převodového ústrojí a přes těsnící prvek konec tohoto převodu vyvést do atmosférické části, kde by již byla volně přístupná. Druhou možností je vytvoření polohovacího členu, jenž by přímo ovlivňoval předpětí pružiny a tím i výstupní tlak. Výhodou tohoto řešení je to, že samotná pružina se nachází mimo tlakový prostor regulátoru a není tedy nutné řešit jakékoliv těsnění. Nevýhodou, při použití pro vysokotlaké medium, je předepínací síla pružiny, pro výstupní tlak 100 bar, rovna 2400 N. 16

3.2 Použití jako nízkotlaký regulátor Při použití regulátoru v nízkotlakých aplikacích, kde vstupní tlak je maximálně 20 bar platí obdobně všechny předchozí vyjmenované konstrukční úpravy. Je zde však několik změn. 3.2.1 Zmenšení stěn těla regulátoru První změna je v rozměrech a použitém materiálu na tvorbu těla regulátoru. Původní konstrukce je navrhnuta na deseti až dvacetinásobně větší síly, jež jsou způsobeny vysokým tlakem. V tomto případě lze tedy použít materiál s menší pevností, či zmenšit velikosti stěn. Je však nutné dodržet podmínky vyplívající ze vzorce pro minimální tloušťku stěny těla regulátoru dány vztahem 1.3 D P S t (1.3) 2 Re 3.2.2 Regulace výstupního tlaku a změna těsnění Další změna je v případě tvorby polohovacího členu, který by umožňoval změnu předpětí pružiny. V tomto případě by maximální síla pístu na pružinu pro výstupní tlak 10 bar byla 240 N oproti předchozím 2400 N. Při této síle lze již jednoduše otáčet maticí na jemném závitu, která by předepínala pružinu. Z tohoto důvodů by pro nízkotlaké regulátory byla možnost regulace tlaku přes předepnutí pružiny vhodnější než modifikace seřizovací matice. Poslední změna oproti vysokotlakému regulátoru je možnost použít jiných druhů těsnění, které nemusejí být určeny pro vysoký tlak, díky čemuž jsou levnější a lépe dostupné. Po aplikování těchto změn do původní konstrukce, bude možné regulátor použít téměř pro jakékoliv aplikace ať již vysokotlaké či nízkotlaké. 17

4 Závěr Při porovnání navrhovaného regulátoru s běžnými průmyslovými regulátory vyplývají výhody v podobě výstupní tlakové necitlivosti vůči změně vstupního tlaku, možnosti vysokého průtoku, nízké ceny a jednoduchosti konstrukce. Nejdůležitějšími konstrukčními úpravami, které je nutno provést, jsou především snížení pásma necitlivosti zvětšením velikosti a počtu přepouštěcích kanálků a vhodná volba velikosti a tuhosti pružiny. Dále upravení možnosti nastavování výstupního tlaku bez demontáže regulátoru, což je možné provést nastavitelným přítlakem pružiny. Poslední důležitou úpravou je jednoduché vytvoření pojišťovacího ventilu, který by v případě poruchy regulátoru provedl snížení tlaku. Závěrem lze říci, že studie nastínila další směry, kterými je možno se ubírat při dalším vývoji a vylepšování stávajícího regulátoru tlaku. Z těchto důvodů by bylo vhodné se touto problematikou nadále hlouběji zabývat a ověřit teoretické návrhy v praxi. 18

Použitá literatura [1] Plachý O. Bakalářská práce: Konstrukce regulátoru výstupního tlaku zásobníku vzduchu. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2009. [2]První stupeň potápěčské automatiky. [online]. [cit. 22. 04. 2009]. Dostupné z: <http://www.divers-direct.cz/automatika-1-st-diamond-ice-300-bar--seacsub/d37137/> [3] Redukční ventil se dvěma výstupy. [online]. [cit. 20. 04. 2009]. Dostupné z: < http://www.szo.cz/cs/lekarske-pristroje/?redukcni-ventil-se-dvemavystupy-rv2v15l > [4]Redukční ventil pro autogen. [online]. [cit. 19. 04. 2009]. Dostupné z: < http://www.prumyslovydum.cz/gce-autogen/redukcni-ventil-argon- GCE-velky_g3159.html > [5]Vysokotlaký regulátor firmy Swagelog. [online].[cit. 20. 04. 2009]. Dostupné z: < http://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/en/ms-02-230.pdf > 19

Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 20