Wiadomości ogólne o napędach pneumatycznych
Zastosowanie napędów pneumatycznych:
- maszyny pakujÄ…ce, manipulatory i roboty pneumatyczne na liniach technologicznych,
- maszyny w przemyśle spo\ywczym,
- uchwyty mocujÄ…ce w obrabiarkach,
- narzędzia o ruchu obrotowym ( klucze, wiertarki ),
- narzędzia o ruchu postępowym ( ubijaki ).
Zalety sprÄ™\onego powietrza:
- powietrze jest wszędzie dostępne,
- powietrze jest czyste i (względnie) bezpieczne,
- jest dobrym zródłem do wytwarzania sił do kilkunastu kN i małych momentów,
- po wykorzystaniu energii zawartej w sprę\onym powietrzu nie trzeba go zwracać do sieci lub
wymieniać.
Wady sprÄ™\onego powietrza:
- du\a ściśliwość powietrza (do 2000 razy większa ni\ oleju), co utrudnia uzyskiwanie powolnych i
płynnych ruchów napędzanych mechanizmów.
Zalety oleju pod ciśnieniem:
- olej (przy ciśnieniach do 500 bar [50MPa]) jest bardzo dobrym zródłem do uzyskiwania sił do
kilkuset kN lub du\ych momentów przy małych wymiarach urządzeń napędowych,
- olej jest mało ściśliwy, co umo\liwia uzyskiwanie ruchów spokojnych (z wyjątkiem rozruchu i
zatrzymania) i płynnych,
- zapewnia smarowanie mechanizmów.
Wady oleju jako czynnika roboczego:
- niekiedy występują przecieki oleju z układu,
- olej zmienia lepkość wraz ze zmianą temperatury, co ma istotny wpływ na opory przepływu,
- w niekorzystnych warunkach olej w układzie zapowietrza się,
- z czasem ulega starzeniu (szybszy rozkład przy wy\szych temperaturach) co wywołuje spadek
jego właściwości oraz korozję elementów.
Zalety układów pneumatycznych i pneumohydraulicznych:
- łatwość zabezpieczenia całego układu napędowego przed przecią\eniem oraz łatwość nastawiania
obciÄ…\enia szczytowego (maksymalnego),
- mo\liwość ciągłej kontroli obcią\eń poszczególnych zespołów napędowych,
- łatwa obsługa urządzeń sterowniczych (małe siły sterujące oraz mo\liwość rozmieszczenia
elementów w dogodnych miejscach),
- mo\liwość wprowadzania du\ej automatyzacji,
- łatwa ich przebudowa (przestawialność),
- mo\liwość składania urządzeń ze znormalizowanych elementów
- oraz du\a trwałość przy prawidłowej eksploatacji i zachowywaniu czystości.
Wady układów pneumatycznych i pneumohydraulicznych:
- utrudnione precyzyjne powiązanie ruchów napędzanych mechanizmów spowodowane du\ą
ściśliwością powietrza,
- zmiany wartości sił zewnętrznych obcią\ających mechanizmy robocze powodują zakłócenia
prędkości ruchów,
- ograniczenie długości przemieszczeń liniowych (stosuje się siłowniki teleskopowe i
beztłoczyskowe).
Własności fizyczne płynu
Płynem określa się ciecze i gazy. Ka\dy płyn charakteryzuje się:
- sprę\ystością,
Wiadomości ogólne o napędach pneumat.
1
- ściśliwością (ciecze są mało ściśliwe),
- płynnością,
- ciecz tworzy powierzchnię swobodną a gaz wypełnia całą objętość do której jest wpuszczany.
Równanie stanu płynu ma następującą postać:
F(p,Â,T) = 0
gdzie:
p - ciśnienie absolutne dla gazu, nadciśnienie dla cieczy,
 gęstość płynu,
T temperatura bezwzględna płynu [oK].
Model płynu nieściśliwego:
Równanie stanu dla płynu nieściśliwego ma postać:
 = const
Jeśli płyn jest nieściśliwy to jego gęstość się nie zmienia. Olej do ciśnienia 500 bar zmienia swoją
objętość o (2-3)% , stąd mo\e być traktowany w układach pneumohydraulicznych jako nieściśliwy.
Rozszerzalność cieplna płynu
Zmianę objętości płynu pod wpływem zmiany jego temperatury opisuje poni\sze równanie:
"V = Ä… * V * "T ,
gdzie:
ą współczynnik rozszerzalności cieplnej objętościowej, ą =8*10-4[1/oK] dla olejów z destylacji
ropy naftowej, a dla gazu doskonałego (powietrza) ą = 1/273,15=3.66*10-3[1/oK] i jest 4,6 razy
większy ni\ oleju,
V objętość płynu [m3],
"T zmiana temperatury rozwa\anego płynu [oK].
Model gazu doskonałego
Gaz doskonały jest to hipotetyczny gaz charakteryzujący się następującymi cechami:
- drobiny gazu nie oddziałują na siebie wzajemnie,
- drobiny mają objętość równą zeru (są punktami materialnymi)
- i są sztywne (nie wykonują drgań).
Gaz półdoskonały drobiny nie są sztywne i wykonują drgania.
Powietrze traktujemy jako gaz doskonały podlegający następującym prawom:
- prawo Boylela Mariottela (przemiana izotermiczna T = const)
p1 * V1 = p2 * V2 ,
Zale\ność pozwala na obliczenie ciśnienia płynu przy zmianie jego objętości (lub odwrotnie)
przy zachowaniu stałej temperatury przemiany.
- prawo Gay Lussaca (przemiana izobaryczna p = const)
V1 T1
= ,
V2 T2
- prawo Clapeyrona
p * V = m * R * T
lub inaczej
p * v = Â * R * T ,
gdzie: p ciÅ›nienie bezwzglÄ™dne pÅ‚ynu, V objÄ™tość pÅ‚ynu, v objÄ™tość wÅ‚aÅ›ciwa pÅ‚ynu, Â
gęstość płynu, R=287 [J/(kg*K)] - stała gazowa dla powietrza,
Warunki normalne dla powietrza
- fizyczne, dla których: p = 760 Tr = 0,1013 MPa, T = 273,15 K = 0 oC, wilgotność względna
È = 0%,
- techniczne, p = 1 at = 0,0981 MPa, T = 293,15 K = 20 oC, È = 65 %.
Gęstość płynu to masa jednostki objętości płynu. Dla olejów hydraulicznych gęstość  = (840 -
900) kg/m3, a dla powietrza w warunkach normalnych technicznych  = 1,166 kg/m3. Przy ciśnieniu
p = 0,6 MPa (6 bar), T = 20 0C Â = 7,14 kg/m3.
Wiadomości ogólne o napędach pneumat.
2
Lepkość to opór jaki stawia ciecz przy przemieszczaniu się cząsteczek względem siebie. Siłę tego
oporu (siłę tarcia między warstewkami cieczy) opisuje prawo Newtona:
T = µ * F * dv/dy ,
albo jako naprÄ™\enie styczne:
Ä = µ * dv/dy ,
gdzie: µ lepkość dynamiczna [Pa*s , Pascalosekunda lub P(puaz)], F powierzchnia przesuwanej
warstwy, dv/dy gradient (zmiana) prędkości przemieszczania po wysokości szczeliny.
1 P = 10-1 Pa * s
Dla wody w temperaturze 20 0C lepkość dynamiczna µ = 1 * 10-3 Pa*s = 1 cP, a dla oleju
µ = (9-32)*10-3 Pa*s.
DzielÄ…c lepkość dynamicznÄ… przez gÄ™stość pÅ‚ynu otrzymamy lepkość kinetycznÄ… ½ :
½ = µ / Â .
Jednostką lepkości kinetycznej w układzie SI jest [m2/s]. Stosuje się te\ jednostkę mniejszą równą
1 St = 1 cm2/s.
W praktyce u\ywa się równie\ lepkości względnej wyra\onej w stopniach Englera, Redwooda,
Seybolta. Metoda Englera polega na porównaniu czasu wypływu 200 cm3 wody i np. oleju w
określonej temperaturze.
ÅšciÅ›liwość to zmiana objÄ™toÅ›ci pÅ‚ynu pod wpÅ‚ywem zmiany ciÅ›nienia. Współczynnik Å›ciÅ›liwoÅ›ci ²
określony jest następująco:
"V
² = [1 / MPa] ,
V Å" "p
gdzie: "V zmiana objętości płynu, "p zmiana ciśnienia, V objętość początkowa płynu.
Odwrotność współczynnika ściśliwości to moduł sprę\ystości objętościowej E płynu:
E = 1 / ² [MPa].
Statyka płynów
W płynie znajdującym się w stanie spoczynku nie mogą powstać siły styczne. Ciśnienie na
dowolnej głębokości w płynie wynosi:
px = p1 + Â * g * h ,
gdzie: p1 ciśnienie działające na powierzchni płynu,  gęstość płynu, g przyspieszenie
grawitacyjne, h głębokość zanurzenia. Jeśli głębokość h jest mała to mo\na przyjąć, \e:
px = p1 = const.
Równanie to stanowi prawo Pascala, które mówi, \e ciśnienie wywierane na powierzchnię płynu
rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Ma ono zastosowanie do rozwiązywania
zagadnień statycznych występujących np. w prasach hydraulicznych. Poni\ej przedstawiono prasę
zło\oną z dwóch cylindrów połączonych ze sobą przewodem. W cylindrach poruszają się tłoki o
małej d i du\ej średnicy D. Przy rozwiązaniu pominięto masy tłoków i siły tarcia. Jeśli na mały tłok
wywieramy siłę P1 to w cylindrze wytwarza się ciśnienie p, które działa równocześnie na tłok o
średnicy D dając siłę P2. Czyli:
P1 = Ä„ * d2 * p / 4 ; P2 = Ä„ * D2 * p / 4 .
StÄ…d
P2 = P1 * ( D/d )2 .
Dla przykładu: jeśli d = 30 mm, a D = 300 mm to uzyskujemy siłę P2 = 100 * P1 .
Poni\ej obliczono siły uzyskiwane na siłowniku dwustronnego działania z jednostronnym
tłoczyskiem. I tak dla ruchu pchającego tłoczyska (przy pominięciu sił tarcia) :
Ä„ Ä„
2
Ppch = Å" D2 Å" p1 - Å" (D2 - d ) Å" p2
4 4
Dla ciągnięcia:
Ä„ Ä„
2
Pcof = Å"(D2 - d ) Å" p2 - Å" D2 Å" p1 .
4 4
Wiadomości ogólne o napędach pneumat.
3
Dynamika płynów
- Równanie ciągłości przepływu przedstawia sumę mas płynu dopływającego i wypływającego do
obszaru ograniczonego powierzchnią F (pierwsze wyra\enie poni\szego równania) oraz zmianę
masy płynu w czasie w rozpatrywanej objętości V (drugie wyra\enie).
d
+"+"Â Å"vn Å" dF + dt+"+"+"Â Å"dV = 0
F V
Dla ruchu ustalonego drugie wyra\enie jest równe zeru. Stąd dla przepływu ustalonego
jednowymiarowego otrzymano równanie na masowe natę\enie przepływu Qm postaci:
Qm = Â Å"v Å" F = Â Å"Q = const .
Gdzie: Q = v * F jest objętościowym natę\eniem przepływu (prędkość płynu razy przekrój
przewodu).
- Prawo zachowania energii (równanie Bernoulliego) dla ustalonego jednowymiarowego
przepływu płynu nielekkiego i nieściśliwego ma postać:
v2
 Å" + p + Å" g Å" h = const .
2
Jest to równanie bilansu energii odniesione do jednostki objętości a poszczególne człony równania
oznaczajÄ…:
 * v2 / 2 - energię kinetyczną płynu,
p - energię ciśnienia,
 * g * h - energię potencjalną poło\enia.
Z równania Bernoulliego mo\na obliczyć ró\nicę ciśnień między rozpatrywanymi przekrojami
przewodu, przy stałym ciśnieniu statycznym w przewodzie (p = const) oraz przy stałej wysokości
poło\enia h1 = h2 . Czyli
Â
2 2
"p = p2 - p1 = Å"(v2 - v1 ) .
2
Powy\sze równanie Bernoulliego dla płynów lepkich powinno uwzględniać straty przepływu
występujące między dwoma rozpatrywanymi przekrojami. Straty te zale\ą głównie od charakteru
przepływu, który mo\e być laminarny (liczba Re <=2300 a profil prędkości w rozpatrywanym
przekroju jest parabolą) lub burzliwy (Re > 2300 , profil prędkości jest bardziej wyrównany).
LiczbÄ™ Reynoldsa oblicza siÄ™ ze wzoru;
Re = v * dh / ½ ,
gdzie: v prędkość płynu, dh = 4 * F / U - średnica hydrauliczna równa czterem przekrojom
przewodu F podzielonÄ… przez obwód zwil\any U (dla przekroju koÅ‚owego dh = d ), ½ lepkość
kinetyczna.
Straty miejscowe występują w kolankach, przewę\eniach, nieciągłościach i wyra\one są wzorem:
Â
"pm = ¾ Å" Å"v2 ,
2
gdzie: ¾ współczynnik strat miejscowych, v prÄ™dkość pÅ‚ynu.
W prostoliniowych odcinkach przewodów występują straty liniowe
l Â
"pl = Å" Å" Å"v2 ,
d 2
gdzie: współczynnik strat liniowych, l długość przewodu, d średnica przewodu. Jak widać
straty ze wzorów wyra\one są przez przyrost ciśnienia. Straty w przewodach mo\na te\ odczytać z
odpowiednich nomogramów i wykresów. Obliczenie strat w przewodach jest bardzo wa\ne, gdy\
sumaryczne straty związane z przepływem płynu nie mogą być du\e (maksimum do około 10 %
ciśnienia roboczego).
Siły hydrodynamiczne powstają w wyniku zmiany pędu masy przepływającego płynu i oddziałują
między strumieniami płynu a elementami np. zaworów. Siły te są tak skierowane, \e dą\ą do np. do
zmniejszenia przekroju przepływowego (zamknięcia grzybka zaworu). Oddziaływanie tych sił
zmniejsza się przez odpowiednie profilowanie elementów zaworów.
Wiadomości ogólne o napędach pneumat.
4
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Litwa wiadomości ogólneAlkohole, tiole, fenole i etery wiadomości ogólneNowotwory wiadomosci ogolne ver101 Wiadomości ogólne o systemie elektroenergetycznymISAF wiadomości ogólneGrafika wiadomosci ogolneI Wiadomości ogólneWiadomości ogólne o SEEwiadomości ogólnewiadomosci ogolne z mechanikiWiadomości ogólneMaszyny elektryczne WIADOMOSCI OGOLNEHamulce wiadomości ogólnewięcej podobnych podstron