Průvodní zpráva k projektu

1 SPŠ a VOŠ Písek, Karla Čapka 402, 397 01 Písek Průvodní zpráva k projektu 0862P2006 Implementace e-learningu do výuky automatizační techniky část III Učební tety - pneumatika autoři: Ing. Miroslav Paul Ing. Michal Burger V Písku dne 30.11.2006

2 Úvod Jestliže použijeme vzduch v technické prai, tak bychom si měli předem rozmyslet, zda-li toto využití nebude mít za následek jeho poškození nebo změny v jeho složení. Změny v jeho složení znamenají porušení nebo zničení životního prostředí a to i v případě, že tyto změny působí pomalu. Z tohoto důvodu se musíme starat o to, aby odpadový vzduch unikal v dýchatelné kvalitě. Výhody použití pneumatických systémů jednoduchá konstrukce vzduch působí jako přirozený tlumič rázů vzduch je stlačitelný možnost akumulování energie vysoké rychlosti - 0,05 až 3 (5) ms -1 nízké tření jeden zdroj tlaku stačí na rozvod po celém systému šetrnost vůči životnímu prostředí (vzduch lze vypustit, odpadá nutnost zpětného vedení vzduchu) možnost použití ve výbušných prostředích snadná ochrana proti přetížení pojistné ventily Nevýhody těžko lze dosáhnout konstantních rychlostí pohybu nutnost velkých průtoků média při epanzi (rozpínání) vzduchu dochází k jeho ochlazování, může dojít až k zamrznutí systému vzhledem k relativně nízkým pracovním tlakům jsou rozměry pneumatických zařízení poměrně velké vyšší úroveň hluku v místě spotřeby vzduchu (zdroj tlakového vzduchu lze umístit v odděleném prostoru) Základní jednotky tlaku Výpočet tlaku: p = F / S Základní jednotka: 1 Pa = 1 Nm -2 Další jednotky: Vakuum: 1 MPa = 1.10 3 kpa = 1.10 6 Pa = 9,81 bar 10 bar 1 bar 0,1 N/mm 2 = 10 N/cm 2 1 Torr = 0,1034214 kpa - 100 kpa = 750 torr nglo-saské míry: psi = unce-force / inch 2 (unce-force = 28,35 g, inch 2 = 0,025 m 2 ) 1 Pa = 1,45.10-4 psi 1 psi = 6894,74 Pa

3 Základní pojmy tmosférický tlak: p= 101 325 Pa Vakuum (tlak nižší než atmosférický tlak) bsolutní tlak (absolutní vakuum): p a = -101 325 Pa atmosférického tlaku Rozdělení tlaku Rosný bod teplota, při níž se začne vylučovat, při daném tlaku, vlhkost obsažená ve vzduchu ve formě kondenzátu. Při zvyšování tlaku klesá hodnota rosného bodu. bsolutní vlhkost skutečné množství vlhkosti v jednotkovém objemu. Relativní vlhkost vzduchu poměr skutečného množství vlhkosti ve vzduchu k maimálnímu možnému množství vlhkosti ve vzduchu. relativní vlhkost vzduchu skutečné množství vlhkosti = 100 [%] maimální možná vlhkost Obsah vody ve vzduchu při daném rosném bodu: Teplota vzduchu [ C] -4 0-3 5-3 0-2 5-2 0 Ma. možná vlhkost [gm -3 ] 0,1 0,2 0,4 0,7 1,0 8 9 5 0 8-1 5 1,6 1-1 0 2,3 7-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 3,4 2 4,9 8 6,8 6 9,5 1 13, 0 17, 7 23, 8 31, 6 41, 8 54, 1

Prvky pneumatického obvodu 4 Pneumatický obvod se neskládá jen z částí přímo zajišťujících logické funkce nebo řízení pneumatických pohonů. Každý pneumatický obvod obsahuje kromě výše zmíněného zařízení zdroj tlakového vzduchu - kompresor a zásobník tlakového vzduchu, zařízení pro úpravu a čištění vzduchu, tlakový regulační ventil, rozprašovač oleje, tlakoměr, přetlakový bezpečnostní ventil, potrubní rozvody tlakového vzduchu. Kompresor a zásobník tlakového vzduchu Výroba stlačeného vzduchu se zajišťuje u větších celků v kompresorových stanicích - kompresorovnách, u menších celků se používají jednotlivé kompresory. Tlakový vzduch je nasáván kompresorem přes vzduchový filtr (kde se odlučují hrubé nečistoty) a je stlačován. Stlačený vzduch je přepouštěn do zásobníku tlakového vzduchu - vzdušníku nebo do rozvodu. Kompresory Kompresory dělíme podle způsobu stlačování média na objemové (statické) a rychlostní (dynamické). - objemové a/ Pístový kompresor - pracovní prostor je tvořen stěnou pracovního válce. Na horní straně válce je víko kompresoru opatřené sacím a výtlačným ventilem. Dno tvoří píst, který se pohybuje pomocí klikového mechanismu. Při pohybu pístu dolu se otevře sací ventil a vzduch je nasáván do prostoru nad pístem. Při pohybu nahoru se vzduch stačuje, otevírá se výtlačný ventil a tlakový vzduch se dostává do obvodu. b/ Rootsův kompresor - princip činnosti je založen na otáčení dvou stejných rotorů tvaru piškotu. Ke stlačení vzduchu dochází až u výstupu z kompresoru. c/ Rotační kompresor - např. křídlový (lamelový) kompresor - má ecentricky uložený rotor s pohyblivými lamelami. Při otáčení se lamely odstředivou silou vysouvají, mění se objem pro stlačování vzduchu a nastává komprese. d/ Membránový kompresor - zvláštní typ objemového kompresoru. Membrána je přímo spojena s ojnicí a klikovým hřídelem. Při pohybu ojnice se mění objem v kompresorovém prostoru. Při pohybu dolů je vzduch nasáván přes sací klapku, při pohybu nahoru se zmenšuje prostor a vzduch je vytlačován přes výtlačnou klapku do vzdušníku nebo rozvodu.

5 - rychlostní Pracují na principu změny kinetické energie na energii tlakovou. Turbokompresory - nasávané médium získá na lopatkách oběžného kola vysokou rychlost a po průchodu tvarovaným difuzorem dojde ke změně pohybové energie na tlakovou. Zásobník tlakového vzduchu - vzdušník Je to tlaková nádoba plnící následující funkce: - akumulátor tlakového vzduchu s cílem pokrýt špičkovou spotřebu - vyrovnává tlakové nárazy způsobené přerušovanou dodávkou tlakového vzduchu od kompresoru - umožňuje odloučení vody a oleje z tlakového vzduchu Vzdušník je vybaven přívodem (1) a odvodem (2) tlakového vzduchu, výpustí kondenzátu (3), manometrem (4), přetlakovým pojistným ventilem (5) a dalšími konstrukčními částmi. Tlakoměr (manometr) 4 1 5 2 3 Tlakoměry slouží k měření, znázornění a kontrole tlaků tlakového vzduchu. Pracují na principu pružné deformace trubkové pružiny, která se v závislosti na zavedení tlaku narovnává. Tento pohyb je spojen přes ozubené soukolí s ručičkou ukazatele. Viz. snímače tlaku. Přetlakový pojistný ventil Jedná se zajištění bezpečnosti a pojištění funkce tlakového spínače. Při dosažení nastaveného tlaku odpustí vzduch do atmosféry a zabrání tak překročení dovoleného provozního tlaku ve vzdušník Zařízení pro úpravu vzduchu V prai je třeba věnovat zvýšenou pozornost kvalitě vzduchu, který používáme v pneumatických zařízeních. Podle druhu kompresoru nebo délky vedení a stavu potrubí je vzduch více či méně vlhký, zaolejovaný a plný jiných nečistot. Tyto cizí látky jsou pro použití pneumatice nežádoucí a zmenšují trvanlivost pneumatických agregátů. Z těchto důvodů se musí tlakový vzduch upravovat. Musíme tedy odstranit nečistoty a vodu ze stlačeného vzduchu a vytvořit vhodnou směs oleje a vzduchu. Hlavní části zařízení pro úpravu tlakového vzduchu: - čistič vzduchu - redukční ventil - rozprašovač oleje

6 Čistič vzduchu Čističe vzduchu slouží k odstranění nečistot z protékajícího vzduchu a současně ho zbavují zkondenzované vody. Nevyčištěný vzduch je uveden čističem v rotační pohyb. Odstředivé síly působí zejména na větší mechanické nečistoty a kapalné částice, které se usazují na dně nádobky. Z vířivého prostoru proudí tlakový vzduch filtrem k výstupu. Ve filtru se zachytí zbývající pevné částice. Na dně nádoby je umístěn vypouštěcí ventil pro odvod kondenzátu. Vypouštění kondenzátu se provádí ručně, poloautomaticky, automaticky. Důležité parametry čističe: - stupeň odloučení - odloučené množství vlhkosti (udává se v procentech) - pórovitost filtru - filtr zachycuje částice větší než jsou póry filtru (dodávané sériově 30 µm, zvláštní 5 µm, 0,01 µm). Příklady použití: - 30 µm - tlakové motory, rotační nástroje, průmyslová pneumatika - 5 µm - regulační systémy vzduchových turbín, pneumatické měřicí systémy - 0,01 µm - stříkací zařízení, zubařská vybavení, potravinářský průmysl, farmacie Tlakový regulační ventil Regulační ventily (redukční ventily) mají za úkol vyrovnat kolísání tlaku dané regulací kompresorů a zajistit konstantní tlak v síti. Většinou se používá ventil s dvojicí pružin a membránou pomocí nichž se nastavuje velikost tlaku. Proti přetlaku je ventil pojištěn sekundárním odvzdušněním. Tlakem vzduchu na plochu membrány se vyrovnává síla pružiny, která na ni působí. Předpětí pružiny se nastavuje otáčením nastavovacího šroubu. Síla F vyvolaná předpětím pružiny působí směrem dolů, prohne membránu a otevře ventil. Stlačený vzduch proudí do výstupního kanálu, kde současně působí na spodní plochu membrány. Síla, vyvolaná tlakem vzduchu na plochu membrány, působí proti směru síly pružiny. Dojde-li k vyrovnání sil, ventil se uzavře. Odběr vzduchu na výstupu z regulátoru tlaku se projeví poklesem tlaku vzduchu p2 ve výstupním kanálu. Síla pružiny je větší než síla vyvinutá působením tlaku p2 na membránu a ventil se otevře. Při kolísání odběru stlačeného vzduchu se ventil otevírá a zavírá tak, aby byla vždy zachována rovnováha sil, působících na membránu.

7 Rozprašovač oleje Rozprašovače oleje slouží pro bezporuchový provoz přístrojů, které vyžadují olejové mazání. Obohacuje proudící tlakový vzduch odpovídajícím množstvím oleje. Pracují na principu Venturiho trubice, kdy dochází k rozdílu tlaků v prostoru před tryskou spojeném se zásobníkem oleje a nejužším průřezem trubice s výtlačnou částí. Při poklesu tlaku vzduchu v nejužší části dochází k nasávání oleje, který je strháván proudícím vzduchem procházejícím přístrojem. V současné době se používají zařízení, které již mazání nevyžadují. Pokud jsou však zapojeny do obvodu, ve kterém je vzduch přimazáván, musí se již trvale přimazávat. Rozvod stlačeného vzduchu Potrubí pro rozvod stlačeného vzduchu je trvale instalované zařízení, kterým se přivádí stlačený vzduch k různým spotřebičům v provozovně. Platí empirické pravidlo: čím menší má být tlaková ztráta dlouhého potrubí, tím větší musí být jeho průměr. Většinou se volí tlaková ztráta v řádu setin MPa. Pokud není za kompresorem instalován účinný chladič stlačeného vzduchu, nebo za vzdušníkem zařízení pro vysoušení stlačeného vzduchu, pak plocha rozváděcího potrubí působí jako chladič a v celé délce potrubí se ochlazením stlačeného vzduchu tvoří kondenzát. by bylo možné kondenzát odvést, je nutné, aby bylo potrubí uloženo se spádem 1 až 2 %. V nejnižším bodě potrubí musí být instalován sběrač kondenzátu s automatickým odpouštěním. Vyústění odboček stlačeného vzduchu musí být na horní straně větve rozváděcího potrubí, protože jen tak se zabrání stékání kondenzátu do odboček. Vyústění odboček pro odvod kondenzátu musí být na spodní straně větve rozváděcího potrubí, aby kondenzát mohl volně stékat do sběrače.

8 Pneumatické obvody řídicí část Řídicí částí je ovládán tlak, průtok a směr vzduchu v potrubí. Do řídicí části obvodu patří především tyto prvky: Prvky pro řízení směru proudu rozvaděče (ventily) Prvky pro hrazení průtoku jednosměrné (zpětné) ventily uzavírací ventily logické ventily Prvky pro řízení průtoku škrticí ventily clony Prvky pro řízení tlaku tlakové ventily (pojistné a přepouštěcí) připojovací a odpojovací ventily redukční ventily Rozvaděče Rozvaděče jsou zařízení pro řízení proudících médií (tlakový vzduch). Jsou zobrazovány jako obdélníky složené z několika čtverců. Počet čtverců udává počet funkčních stavů (poloh). Značení rozvaděčů má tvar /y. Kde udává počet přípojů, y - počet funkčních stavů. Příklad: Rozvaděč 3/2 (tři přípoje a dva funkční stavy) 2 1 2 1 3 Pomocí čar a šipek uvnitř čtverců je určen počet a propojení přípojů. Směr šipky udává možný směr průtoku v rozvaděči. Příčné čáry znamenají uzavření. Připojení rozvaděčů do schéma pneumatického obvodu se kreslí v základním postavení nejčastěji pravým čtvercem. Pravý čtverec udává nečinnou polohu (základní postavení), levý činnou polohu. Na vnější levé straně obdélníka se označuje druh působení na rozváděč. Na pravé straně obdélníka se označuje způsob zpětného přestavení rozváděče. Příklad: Působení na rozváděč 2 1 3

9 Způsoby ovládání rozváděčů (výběr) Silou svalů všeobecná značka tlačítko (knoflík) páčka pedál Mechanické ovládání pružina dřík s kladičkou dřík Elektrické ovládání elektromagnet s jedním vinutím nepřímé ovládání Tlakové (pneumatické) ovládání přímé ovládání stoupnutím tlaku stoupnutím tlaku v pomocném rozváděči (pneumatickém zesilovači) Druhy signálů a jejich připojení k rozvaděči Zapojení hadic (potrubí) se kreslí pouze k čtverci v základním postavení, u kterého jsou čísly označeny přípoje (u dvoustavových rozvaděčů k pravému čtverci, u třístavových k prostřednímu). K horní straně čtverce se přivádí pracovní signály. K dolní straně čtverce zdroje a odfuky. K levé a pravé straně řídicí signály. vývod do atmosféry (odfuk) přímo z prvku vývod do atmosféry (odfuk) z prvku připojeným potrubím

10 vývod do atmosféry s tlumičem hluku zdroj tlaku záslepka Příklady provedení rozvaděčů: 2 1 3 Rozvaděč 3/2 (3 přípoje a 2 funkční stavy) ovládaný ručně a elektromagnetem, zpětné přestavení je realizováno pružinou. 4 2 5 1 3 Rozvaděč 5/3 (5 přípojů, 3 funkční stavy) ovládaný tlakem. V základní (klidové) poloze uprostřed všechny přípoje uzavřeny. Další příklady rozvaděčů Ventily a rozvaděče lze použít pro realizaci logických funkcí. Monostabilní a bistabilní ventily Monostabilní ventily se po zrušení signálu pro ovládání okamžitě vrátí do výchozí polohy. Signál pro ovládání ventilu (elektrický, mechanický, manuální atd.) musí trvat po celou dobu jeho přestavení do požadované polohy. Bistabilní ventil nemá žádnou definovanou výchozí polohu. Pro jeho ovládání jsou třeba dva na sobě nezávislé impulsy. Bistabilní ventil zůstane po přestavení v poloze, která odpovídá poslednímu impulsu pro jeho přestavení. Přímé a nepřímé ovládání ventilů Přímo ovládané ventily jsou takové ventily, u kterých tlačítko, kladka, nebo kotva elektromagnetu přímo přestavují funkční prvek sedlového ventilu, nebo šoupátko. Přímé ovládání se

používá u ventilů malých světlostí, protože se zvětšující se světlostí roste i síla, potřebná k jejich přestavení. 11 U nepřímo ovládaných ventilů slouží k přestavení funkčního prvku sedlového ventilu, nebo šoupátka malý 3/2 ventil, který po přestavení vzduchem přestaví funkční prvek sedlového ventilu, nebo šoupátko. Síly potřebné k přestavení ovládacího 3/2 ventilu jsou velmi malé ve srovnání se silami k přestavení přímo ovládaných ventilů. Princip konstrukce monostabilního rozvaděče 3/2 přímo ovládaného vzduchem: Ventily Zpětný ventil Zpětný ventil propouští vzduch pouze v jednom směru. Proudění v opačném směru zamezuje pružina vtlačující pístek zpětného ventilu do sedla. Na pístek též působí síla vzniklá zpětným tlakem média a sčítá se se silou pružiny. Jestliže proudění směřuje proti tlačné síle pružiny, je pružina a těsnicí pístek odtlačen ze sedla a průtok je možný. Principielní obrázek zpětného ventilu Schematická značka Zpětný škrticí ventil Zpětný škrticí ventil má dvě funkce. V jednom kanále (směru průtoku) je zpětný ventil, v druhém kanále se může ovládacím prvkem z vnějšku zašroubovat nebo vyšroubovat kuželový hrot a tím zmenšovat nebo zvětšovat průtočné množství přes ventil. Zpětné škrticí ventily se nejčastěji používají v systémech s dvojčinnými pneumotory se seškrcením na výstupu z válce. Pouze v odůvodněných případech se použije ventil se škrcením na vstupu válce. Schematická značka

12 Příklad využití ventilů v pneumatickém obvodu: Dvojčinný pneumatický motor Zpětný škrticí ventil (škrcení na výstupu válce) Monostabilní rozvaděč 5/2 s ručním ovládáním

Příloha 1: Příklady rozvaděčů 13

Příloha 2: Příklady realizace logických funkcí pomocí ventilů 14 Logická funkce Logický symbol Pneumatický symbol (ISO 1290) Elektrický symbol Identita = 0 0 1 1 1 Negace = 0 1 1 0 1 OR = + y y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 y y y ND y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 & y y y = y y NOR = + y y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 y y y NND y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 & y y = y y

15 Pneumatické prvky Pneumatické motory Pneumatický motor je zařízení, ve kterém se pneumatická energie tlakového vzduchu přeměňuje na jiný druh energie, zpravidla mechanickou. Podle působení vzduchu na pohyblivou část motoru je rozdělujeme na: motory s pohybem rotačním motory s pohybem přímočarým (pneumatické válce - pneumotory) Základní konstrukční provedení pneumotorů: přímočaré jednočinné pneumotory s vratnou pružinou přímočaré dvojčinné pneumotory s bržděním v koncových polohách přímočaré membránové pneumotory vlnovce rotační lamelové motory Přímočaré pneumotory Každý přímočarý pneumotor se skládá ze tří základních částí: těleso válce pístnice píst 2 1 3 U přímočarých pneumotorů působí tlak vzduchu přímo na píst. Přestavná síla závisí na velikosti tlaku a ploše pístu. Základní vzorec pro výpočet síly na pístu: F = p S [N, Pa, m 2 ] kde F - síla pístu p - tlak na píst S - plocha pístu Skutečná síla na pístu zahrnuje ztráty způsobené třením, zmenšenou plochu ze strany pístnice a u jednočinných pneumotorů sílu pružiny pro vratný pohyb. Dalším důležitým parametrem u přímočarých pneumotorů je zdvih, t.j. délka vysunutí pístnice při dopředném či zpětném pohybu.

Jednočinný přímočarý pneumotor (jednočinný válec) 16 Jedná se o nejjednodušší typy pneumotorů. V jednočinných válcích může stlačený vzduch působit na píst pouze z jedné strany. Tyto válce konají práci pouze v jednom směru, ale také pouze při jednom zdvihu spotřebovávají tlakový vzduch. Zpětný pohyb je zajištěn působením jiné síly než pracovním médiem, obvykle vestavěnou tlačnou pružinou. Síla vratné pružiny nebo jiná vnější síla musí být dostatečně velká a musí zajistit dostatečně rychlý návrat pístu do výchozí polohy. Pro usnadnění přesunu jsou montovány do systému rychloodvzdušňovací ventily. Použití jednočinných pneumotorů: upínání, stlačování, vyhazování, přisouvání apod. Dvojčinný přímočarý pneumotor (dvojčinný válec) U dvojčinného přímočarého pneumotoru lze přiváděným médiem dosáhnout pohybu výstupního členu v obou směrech. Tím se může na pístu vyvodit síla jak při vysouvání, tak při zasouvání. Délka zdvihu je omezena vzpěrnou pevností pístnic a jejich průhybem. Dvojčinné motory se vyrábí v provedení s tlumením v koncových polohách nebo bez tlumení. Tlumení zabraňuje rázům vzniklým setrvačnou silou při dojezdu do koncových poloh. Velikost rázů je závislá na hmotnosti pístu a pístnice a na zatížení na pístnici zvenku. Použití dvojčinných pneumotorů: tam, kde je potřeba, aby oba zdvihy byly pracovní. Vlnovec (měch) Vlnovcový přímočarý motor má prostor pro stlačený vzduch vytvořen vlnovcem. Vlnovce jsou zásadně jednočinné. Jsou vyráběny z Neoprenu zesíleného dvěma vrstvami nylonového kordu. Horní a dolní dosedací plochy vlnovce jsou zpevněny deskami. Provedení: jednoduchý (zdvih asi 130 mm) dvojitý (zdvih asi 290 mm) Pracovní tlaky: 0,2 až 0,8 MPa Použití: vzhledem k malému rozměru ve složeném stavu např. pro zdvihání břemen v omezeném prostoru.

17 Rotační lamelový motor Podobná konstrukce jako u lamelového kompresoru. Lamely se nastavují automaticky. Odstředivá síla je tlačí na stěny a tlak je rovnoměrný. Dobré těsnění. Použití: protože nevzniká jiskření, mohou pracovat v prostorech s plyny. Změna otáčení: jednoduchá bez nebezpečí mechanického poškození podle přivedení tlakového vzduchu na levý nebo pravý přípoj. 1 Stator 2 Rotor 3 Lamela 4 - Pružina