UWAGA! To jest zamrożona wersja strony konkursowej z dnia 1.IV.2006r.
Aktualna, uzupełniana na bieżąco wersja znajduje się pod adresem www.hip.agh.edu.pl
Strona Główna
 
Wykłady
Ćwiczenia
Laboratoria
Symbole graficzne
Testy
Literatura
Linki
Logowanie
Login / Hasło
Pomoc
Pomoc


Zobacz wersję demo konta administracyjnego
Pneumatyka - Wykłady

‹‹ Wykład 2i3 Wykład 4 Wykład 5 ››

Wykład 4 SPIS TREŚCI
3. PRZETWORNIKI ENERGII SPRĘŻONEGO POWIETRZA NA ENERGIĘ MECHANICZNĄ
3.1 Siłowniki
3.1.1. Podział siłowników pneumatycznych
3.1.2. Podstawowe części siłownika tłokowego
3.1.3. Przegląd siłowników tłokowych
3.1.3.1 Siłownik jednostronnego działania pchający
3.1.3.2 Siłownik jednostronnego działania ciągnący
3.1.3.3 Siłownik dwustronnego działania bez amortyzacji
3.1.3.4 Siłownik dwustronnego działania z nastawialną amortyzacją w położeniach krańcowych
3.1.3.5 Siłownik udarowy
3.1.3.6 Siłownik dwustronnego działania z obustronnym tłoczyskiem
3.1.3.7 Siłownik dwustronnego działania z prowadnicą
3.1.3.8 Siłownik dwustronnego działania z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka
3.1.3.9 Siłownik wielopołożeniowy (czteropołożeniowy)
3.1.3.10 Siłownik dwustronnego działania z zaciskiem pneumatycznym tłoczyska
3.1.3.11 Siłownik z podwójnym tłokiem (typu TANDEM)
3.1.3.12 Siłownik teleskopowy jednostronnego działania
3.1.3.13 Siłownik wahadłowy
3.1.4. Siłowniki beztłoczyskowe
3.1.4.1 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindryczną
3.1.4.2 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy ze sprzęgiem magnetycznym
3.1.4.3 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy cięgnowy
3.1.4.4 Różne rozwiązania konstrukcyjne siłowników beztłoczyskowych
3.1.5. Siłowniki nietypowe i do specjalnych zastosowań
3.1.5.1 Siłowniki mieszkowe
3.1.5.2 Siłowniki workowe
3.1.5.3 Siłowniki membranowe
3.1.5.4 Siłowniki dętkowe
3.1.5.5 Siłowniki typu muskuł
3.1.6. Typowe uszczelnienia stosowane w siłownikach pneumatycznych
3.2. Silniki pneumatyczne
3.2.1. Silniki łopatkowe
3.2.2. Silnik pneumatyczny turbinowy
3.2.3. Silniki zębate
3.2.4. Silnik pneumatyczny tłokowy osiowy i promieniowy
Literatura



WYKŁAD VI.
PRZETWORNIKI ENERGII SPRĘŻONEGO POWIETRZA NA ENERGIĘ MECHANICZNĄ

3.1 Siłowniki

Siłowniki pneumatyczne należą do elementów realizujących przetwarzanie energii czynnika roboczego, czyli sprężonego powietrza na energię mechaniczną. Dzięki temu możliwe jest użycie tych pneumatycznych układów napędowych do wprawiania w ruch mechanizmów i elementów maszyn.

Aby otrzymać prawidłowe działanie i dostateczną trwałość siłowników pneumatycznych, należy zapewnić im prawidłowe przyłączenie, to znaczy należy siłownik odpowiednio zamocować i następnie doprowadzić do nich w prawidłowy sposób wystarczającą ilość właściwie przygotowanego sprężonego powietrza, które w przypadku niektórych siłowników tłokowych powinno być naolejone w celu zapobieżenia zatarciu się tłoków w tulejach cylindrowych.

3.1.1. Podział siłowników pneumatycznych

Ze względu na stosowane rozwiązania konstrukcyjne siłowniki pneumatyczne można podzielić na:
  • tłokowe,
  • membranowe,
  • mieszkowe,
  • nurnikowe,
  • workowe,
  • dętkowe

Dalej będziemy zajmować się jedynie pierwszą grupą siłowników pneumatycznych, a więc dalszy podział będzie dotyczył tylko siłowników tłokowych.

Ze względu na możliwości wywierania przez nie siły można podzielić je na siłowniki:
  • jednostronnego działania,
  • dwustronnego dziania

Ze względu na sposób zmiany siły działającej na element wykonawczy tłokowe siłowniki pneumatyczne można podzielić na:
  • działające łagodnie (siłowniki z amortyzacją),
  • działające z małym uderzeniem (siłowniki bez amortyzacji),
  • działające udarowo (siłowniki udarowe)

Ze względu na liczbę ściśle określonych położeń roboczych tłoczysk siłowników można je podzielić na :
  • dwupołożeniowe n=2,
  • wielopołożeniowe n>2,
  • krokowe

Ze względu na rodzaj ruchu realizowanego przez siłownik można podzielić je na siłowniki:
  • z ruchem prostoliniowym tłoczyska,
  • z wahadłowym ruchem wałka napędowego

Ze względu na sposób powiązania elementu napędzającego siłownika z elementem napędzanym rozróżnia się siłowniki:
  • z tłoczyskiem (jednostronnym lub dwustronnym),
  • beztłoczyskowe

Ze względu na budowę konstrukcyjną tulei i tłoczyska można podzielić siłowniki na :
    1. jednolite,
    2. wielosegmentowe, czyli siłowniki teleskopowe

3.1.2. Podstawowe części siłownika tłokowego oraz stosowane materiały do ich budowy

W siłownikach tłokowych najczęściej tuleja cylindrowa jest wytwarzana z rury stalowej lub aluminiowej bez szwu. Tuleja jest poddawana procesowi honowania, co daje dużą gładkość jej powierzchni roboczej, a to w celu przedłużenia żywotności uszczelnień tłoka. Natomiast na powierzchniach ślizgowych tulei wykonuje się chromowanie na twardo, co daje znacznie lepszą odporność na korozję. Pokrywy najczęściej robi się z odlewów aluminium lub żeliwa ciągłego, ale również stosuje się w pewnych przypadkach tworzywo sztuczne. Tłoczysko jest przeważnie wykonane ze stali chromowych ulepszanych cieplnie. Prowadnice tłoczyska natomiast najczęściej wytwarzane są z brązu lub spiekane z proszków nasyconych substancjami zapewniającymi dobre właściwości smarne. Na rys. 3.1 pokazano konstrukcję typowego siłownika tłokowego.

Rys. 3.1. Podstawowe części siłownika tłokowego:
1 - tuleja cylindrowa, 2 - pokrywa przednia, 3 - pokrywa tylna, 4 - tłok, 5 - pierścień uszczelniający połączenie ruchowe tłoka, 6 - tłoczysko, 7 - tuleja prowadząca tłoczysko, 8 - pierścień uszczelniający umieszczony w pokrywie przedniej, 9 - pierścień zgarniający

Uszczelnienia tłoka to przeważnie pierścienie typu U lub O albo inne o specjalnych kształtach. Wykonane są one przede wszystkim z gumy, perbunanu, vitonu, a także teflonu (możliwość pracy w temp. od -80 do +200oC) w zależności od warunków pracy siłownika, a konkretnie temperatury. Zabezpieczenia uniemożliwiające dostanie się zanieczyszczeń do wnętrz siłownika to pierścienie zgarniające oraz wkłady filtrujące.

3.1.3. Przegląd siłowników tłokowych

3.1.3.1 Siłownik jednostronnego działania pchający

Są to siłowniki, w których ruch tłoka w jedną stronę jest wymuszany sprężyną. Symbol graficzny takiego siłownika pokazano na rys. 3.2, a symbol przekrojowy na rys. 3.3.

Rys. 3.2. Symbol graficzny siłownika jednostronnego działania pchającego

Rys. 3.3. Siłownik jednostronnego działania pchający:
1 - tłok, 2 - tłoczysko, 3 - sprężyna, 4 - wkład filtrujący, I, II - otwory przyłączeniowe

W siłowniku tym sprężone powietrze wpływa do lewej komory przez przyłącze I i wywiera ciśnienie na tłok 1, powodując zarazem ugięcie sprężyny 3 i wysunięcie tłoczyska 2. Prawa komora jest stale połączona z atmosferą przez otwór II wyposażony w płaski wkład filtrujący 4, który zabezpiecza siłownik wpadaniem zanieczyszczeń z atmosfery. W momencie, gdy lewa komora pozostanie połączona z atmosferą tłok 1 z tłoczyskiem 2 wraca pod działaniem sprężyny 3 do położenia wyjściowego.

3.1.3.2 Siłownik jednostronnego działania ciągnący

Siłownik jednostronnego działania ciągnący oznacza się symbolem pokazanym na rys. 3.4. W siłowniku tym sprężone powietrze wpływa do prawej komory (rys. 3.5) przez przyłącze I i wywiera ciśnienie na tłok 1, powodując zarazem ugięcie sprężyny 3 i wsunięcie tłoczyska 2. Lewa komora jest stale połączona z atmosferą przez otwór II wyposażony w płaski wkład filtrujący 4, który zabezpiecza siłownik przed wpadaniem zanieczyszczeń z atmosfery. W momencie, gdy prawa komora pozostanie połączona z atmosferą tłok 1 z tłoczyskiem 2 wraca pod działaniem sprężyny 3 do położenia wyjściowego.

Rys. 3.4. Symbol graficzny siłownika jednostronnego działania ciągnącego

Rys. 3.5. Symbol graficzny siłownika jednostronnego działania ciągnącego:
1 - tłok, 2 - tłoczysko, 3 - wkład filtrujący, 4 - sprężyna, I, II - otwory wlotowe

3.1.3.3 Siłownik dwustronnego działania bez amortyzacji

W siłowniku tym sprężone powietrze wpływa do prawej (lewej) komory przez przyłącze I (II) (rys. 3.7) i wywiera ciśnienie na tłok 1, powodując zarazem wsunięcie (wysunięcie) tłoczyska 2. Symbol graficzny pokazano na rys. 3.6.

Rys. 3.6. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania bez amortyzacji

Rys. 3.7. Siłownik dwustronnego działania bez amortyzacji:
1 - tłok, 2 - tłoczysko, I, II - otwory przyłączeniowe

3.1.3.4 Siłownik dwustronnego działania z nastawialną amortyzacją w położeniach krańcowych

Sprężone powietrze przez otwór I dostaje się do prawej komory (rys. 3.9), powodując wsuwanie się tłoczyska 2. Gdy tłok 1 będzie się zbliżał do lewego położenia krańcowego swobodny wypływ powietrza przez otwór II zostanie przymknięty przez pierścień uszczelniający 3 i powietrze z powstałej w ten sposób "poduszki pneumatycznej" może przepływać jedynie przez otwór, którego przepustowość jest nastawialna dławikiem 4, a wynikiem tego jest mniejsza prędkość ruchu tłoka.

Rys. 3.8. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania z nastawialną amortyzacją w położeniach krańcowych

Rys. 3.9. Siłownik dwustronnego działania z nastawialną amortyzacją w położeniach krańcowych:
1 - tłok, 2 - tłoczysko, 3 - pierścień uszczelniający, 4- dławik, 5 - zawór zwrotny, I, II - otwory przyłączeniowe

Jeżeli natomiast przez otwór II wpłynie sprężone powietrze, a wiec w sytuacji kiedy tłok porusza się ze skrajnego lewego położenia w prawo, powietrze dostaje się do lewej komory poprzez zawór zwrotny 5. Dzięki temu, że sprężone powietrze przepływa prze zawór zwrotny 5, tłok może się od razu zacząć poruszać z dużą prędkością i może być rozwinięta maksymalna siła siłownika. Amortyzacja pneumatyczna ruchu tłoka w prawą stronę odbywa się w identyczny sposób.

3.1.3.5 Siłownik udarowy

Siłowniki udarowe stosuje się w przypadkach, gdzie siła na tłoczysku 2 (rys. 3.11) ma działać w sposób udarowy. Siłowniki te wykorzystywane są do przebijania, nitowania, znakowania, wtłaczania, krojenia, ścinania itp. Siłownik udarowy podzielony przez wkładkę 3 na dwie komory A i B. W momencie gdy doprowadzimy do komory A sprężone powietrze przez otwór I, tłok 1 jest dociśnięty do wkładki 3 i w siłowniku zostaje utworzona trzecia komora C, która jest połączona z atmosferą poprzez dławik 4.

Rys. 3.10. Symbol graficzny siłownika udarowego

Rys. 3.11. Siłownik udarowy:
1 - tłok, 2 - tłoczysko, 3 - wkładka, 4 - dławik, C - komora, I, II - otwory przyłączeniowe

Przed uderzeniem w komorze A siłownika panuje pewne ciśnienie p1, które dociska tłok 1 do wkładki 2. W komorze za tłokiem panuje wtedy ciśnienie p2, równe ciśnieniu atmosferycznemu, gdyż komora B połączona jest z atmosferą poprzez otwór II. Gdy natomiast komora A zostanie połączona przez dławik z atmosferą, a do komory B zostanie doprowadzone ciśnienie zasilające, wtedy następuje spadek ciśnienia p1 w komorze A, a wzrasta ciśnienie p2 w komorze B. Ciśnienie p1 działa na prawą powierzchnię tłoka, zaś p2 działa na znacznie mniejszą lewą powierzchnię tłoka 1. Ruch tłoka 1 nastąpi dopiero wtedy, gdy wytworzy się dostatecznie duża różnica ciśnień p2 - p1. Wtedy też tłok 1 zostaje odsunięty od wkładki 2 i w tym momencie od razu na całą jego powierzchnię zaczyna działać pełne ciśnienie zasilania. W krótkim czasie nadaje ono tłokowi znaczne przyśpieszenie. Hamowanie siłownika uzyskuje się przez odpowiedni sposób sterowania dopływem i wypływem powietrza z siłownika. Norma ISO 1219 nie zawiera symbolu siłownika udarowego, dlatego na rys. 3.10 podano symbol stosowany przez producentów.

3.1.3.6 Siłownik dwustronnego działania z obustronnym tłoczyskiem

Większość siłowników tłokowych wytwarzana z jest z jednostronnym tłoczyskiem, lecz wtedy, gdy istnieje potrzeba obsługiwania dwóch urządzeń jednocześnie, stosowane są właśnie siłowniki z obustronnym tłoczyskiem 2 i 3 (Rysunek 3.13). Dzięki obustronnemu tłoczysku uzyskuje się jednakowe powierzchnie tłoka po obu stronach, co daje takie same siły występujące na tłoczyskach podczas ruchu w dwóch kierunkach.

Rys. 3.12. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania z obustronnym tłoczyskiem

Rys. 3.13. Siłownik dwustronnego działania z obustronnym tłoczyskiem:
1 - tłok, 2, 3 - tłoczyska, I, II - otwory przyłączeniowe

3.1.3.7 Siłownik dwustronnego działania z prowadnicą

W przypadkach kiedy istnieje zagrożenie obrotu wokół osi wzdłużnej siłownika, stosuje się tuleje prowadzące 2 (rys. 3.15) w pokrywie przedniej siłownika, które są łożyskowane za pomocą łożysk tocznych lub ślizgowych 3. Użycie prowadnic również zapewnia poprawienie prostoliniowości ruchu.

Rys. 3.14. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania z prowadnicą

Rys. 3.15. Siłownik dwustronnego działania z prowadnicą:
1 - prowadnica, 2 - tłoczysko, 3 - łożyska toczne lub ślizgowe, I, II - otwory przyłączeniowe

Innym rozwiązaniem zapewniającym te warunki jest zastosowanie dwóch tłoczysk równoległych lub nie kołowego przekroju poprzecznego tulei cylindrycznej. Przykłady wykorzystania siłowników z prowadnicami przedstawiono na rys. 3.16.

funkcja zatrzymująca

funkcja podnosząca

Rys. 3.16. Zastosowanie siłowników z prowadnicą

3.1.3.8 Siłownik dwustronnego działania z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka

W siłowniku tym na tulei cylindrowej 3 (rys. 3.18), która wykonana jest z aluminium lub mosiądzu, umieszczone są przesuwne czujniki elektryczne 4 z kontaktronami 5. Kontaktrony te zwierają się w momencie, gdy magnes 2 zamocowany na tłoku 1 znajdzie się pod kontaktronem.

Rys. 3.17. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka

Rys. 3.18. Siłownik dwustronnego działania z bezstykową sygnalizacją położenia tłoka:
1 - tłok, 2 - magnes, 3 - tuleja cylindryczna, 4 - czujniki elektryczne, 5 - kontaktrony

3.1.3.9 Siłownik wielopołożeniowy (czteropołożeniowy)

Siłowniki dwupołożeniowe mają tylko dwa położenia skrajne wyznaczone przez pokrywy tych siłowników lub zderzaki umieszczone na zewnątrz siłowników, ograniczające przesuwy mechanizmów napędzanych przez te siłowniki. W wielu przypadkach powstaje potrzeba zwiększenia liczby ściśle określonych położeń tłoczyska. Siłownik wielopołożeniowy zbudowany z n siłowników jest w stanie osiągnąć 2n pozycji tłoczyska.

Rysunek 3.19. Symbol graficzny siłownika wielopołożeniowego (czteropołożeniowego).

Poniżej przedstawiona jest konstrukcja siłownika czteropołożeniowego o zamocowaniu wahliwym za pomocą sworznia 5, co zapewnia zawsze osiowe oddziaływanie reakcji zamocowania siłownika w płaszczyźnie prostopadłej do osi sworznia mocującego. Siłownik ten zbudowany jest z dwóch siłowników dwupołożeniowych podwójnego działania. W zależności od tego do których otworów I, II, III czy IV zostanie podłączone sprężone powietrze uzyskujemy odpowiednie położenia tłoczyska. Gdy skoki mają wynosić 0, l1, 2 l1, 3 l1, wtedy należy przyjąć l2 =2l1.Wtedy też odpowiednie położenia będą wynosić:
  • 0, gdy zasilane będą wejścia: I i IV ;
  • l1 , gdy zasilane będą wejścia: I i III ;
  • 2 l1 , gdy zasilane będą wejścia: II i IV ;
  • 3 l1 , gdy zasilane będą wejścia: II i III ;

Rys. 3.20. Siłownik wielopołożeniowy (czteropołożeniowy):
1, 2 - tłoczysko, 3, 4 - tłok, 5 - sworzeń, I, II, III, IV - otwory przyłączeniowe

3.1.3.10 Siłownik dwustronnego działania z zaciskiem pneumatycznym tłoczyska

Również, aby zamocować tłoczysko w określonym położeniu, wytwarza się siłowniki z dodatkową jednostką hamującą, czyli zaciski pneumatyczne, które wbudowane są w przednią pokrywę siłownika.

Rys. 3.21. Symbol graficzny siłownika dwustronnego działania z zaciskiem pneumatycznym tłoczyska

Gdy w pewnym momencie następuje potrzeba zatrzymania tłoczyska 1 wtedy też odpowietrza się obie komory siłownika oraz zaprzestaje się podawania sprężonego powietrza przez otwór III. Tłok 2 jednostki hamującej, na którego działają sprężyny 3 dociska tuleję dociskową 4 (wyłożoną wkładką hamulcową) do tłoczyska 1 siłownika. Gdy otwór III zostanie zasilony sprężonym powietrzem, zacisk zostanie odblokowany.

Rys. 3.22. Siłownik dwustronnego działania z zaciskiem pneumatycznym tłoczyska:
1 - tłoczysko, 2 - tłok jednostki hamującej, 3 - sprężyna, 4 - tuleja dociskowa, I, II, III - otwory przyłączeniowe

3.1.3.11 Siłownik z podwójnym tłokiem (typu TANDEM)

Siłowniki z wielokrotnym tłokiem wykonuje się w celu zwiększenia sił wywieranych przez tłoczysko. Poniżej (rys. 3.24) przedstawiona została konstrukcja siłownika o podwójnym tłoku 1i 2, tzw. tandem.

Rys. 3.23. Symbol graficzny siłownika z podwójnym tłokiem typu tandem

Rys. 3.24. Siłownik z podwójnym tłokiem, typu tandem:
1, 2 - tłok, 3 - tłoczysko, I, II, III, IV - otwory przyłączeniowe

Siłownik ten składa się z dwóch siłowników podwójnego działania, połączonych jednym tłoczyskiem 3. Przy wysuwaniu tłoczyska zasilane są jednocześnie wejścia I i III , natomiast przy wsuwaniu tłoczyska zasilane są jednocześnie wejścia II i IV. Do właściwości siłownika wielotłokowego można zaliczyć znacznie większa siłę przy mniejszych średnicach tulei cylindrowej. Siłowniki te są siłownikami o małych skokach. Wykorzystywane są w takich maszynach gdzie wymagane są małe średnice siłowników ze względu na ograniczoną przestrzeń.

3.1.3.12 Siłownik teleskopowy jednostronnego działania

Siłownik teleskopowy składa się z kilku siłowników , które zagnieżdżone są jeden w drugi. Siłowniki te charakteryzują się tym iż mają znacznie większą średnicę. A stosowane są tam, gdzie wymagany jest duży skok siłownika przy mniejszej ogólnej długości siłownika. W pneumatyce są jednak bardzo rzadko stosowane.

Rys. 3.25. Symbol graficzny siłownika teleskopowego jednostronnego działania

Rys. 3.26. Symbol przekrojowy siłownika teleskopowego jednostronnego działania:
1 - tłok, 2 - tłoczysko

3.1.3.13 Siłownik wahadłowy

Do napędu ruchu obrotowego o kącie obrotu nie większym niż 7200 wykorzystuje się siłowniki wahadłowe z wbudowaną przekładnią. Symbol graficzny tych siłowników przedstawiono poniżej.

Rys. 3.27. Symbol graficzny siłownika wahadłowego

Siłownik składa się z dwóch tłoków 1 umieszczonych w tulejach cylindrycznych 7, które stanowią całość z zębatką 4. Zębatka 4 napędza koło zębate 3 osadzone na wałku wyjściowym 2. Tłoki 1 są zaopatrzone w wewnętrzne uszczelnienie za pomocą pierścieni uszczelniających 8, które współpracując z tulejami 9 zapewniają ich amortyzację w krańcowych położeniach. Umieszczone na tłokach 1 pierścieniowe magnesy 5 umożliwiają zastosowanie bezdotykowych magnetycznych łączników drogowych sygnalizujących krańcowe położenia tłoków 1.

Rys. 3.28. Siłownik wahadłowy:
1 - tłok, 2 - wałek wyjściowy, 3 - koło zębate, 4 - zębatka, 5 - magnesy pierścieniowe, 6 - pierścienie uszczelniające, 7 - tuleja cylindryczna, 8 - pierścienie uszczelniające, 9 - tuleja, I, II - otwory przyłączeniowe

3.1.4. Siłowniki beztłoczyskowe

Oprócz rozwiązań znormalizowanych, istotne znaczenie dla racjonalizacji procesów przemysłowych mają niekonwencjonalne, specjalizowane na wybrane wymagania i pola zastosowań, pneumatyczne napędy siłownikowe.

Do tej grupy współczesnych siłowników zaliczyć należy przede wszystkim siłowniki beztłoczyskowe z suwadłem przemieszczanym za pomocą:
  • przewijanego cięgna: taśmy lub linki,
  • sprzęgu magnetycznego suwadła i tłoka,
  • sprzęgu mechanicznego suwadła i tłoka przez przeciętą tuleje cylindrową

Spotkać się również można z siłownikami płaskimi z niecylindryczną (owalną, ośmiokątną) tuleją i tłokiem.

W grupie siłowników beztłoczyskowych siłowniki z przeciętą tuleją, po pokonaniu początkowych kłopotów ze szczelnością i trwałością (materiał taśm uszczelniających i uszczelnienia tłoka) stopniowo wypierają siłowniki cięgnowe i magnetyczne. Powodem jest przede wszystkim zdecydowanie mniejsza przestrzeń zabudowy, kłopoty z wyciągającym się cięgnem (siłowniki taśmowe i linkowe) oraz ze stratą części rozwijanej siły roboczej i niejednoznacznością przemieszczeń suwadła i tłoka (siłowniki magnetyczne).

Na bazie wszystkich tych rozwiązań budowane są jeszcze bardziej interesujące rozwinięcia konstrukcyjne, np.: siłowniki z tzw. podwójnym skokiem roboczym (np. przy długości cylindra 1348 mm skok roboczy 2000 mm), siłowniki kręte (w wykonaniu magnetycznym), siłowniki super-długie itp.

Zabudowa siłownika w mechanizmie:
  • z tłoczyskiem

Rys. 3.29. Zabudowa siłownika z tłoczyskiem w mechanizmie

  • beztłoczyskowo

Rys. 3.30. Zabudowa siłownika bez tłoczyska w mechanizmie

L2 ‹‹ L1

Typowe siłowniki tłokowe wykonujące długie skoki S powodują znaczne zwiększenie długości, gdyż długość L1 musi być:

L1 = 2S + [delta]L1

W wymiarze [delta]L1 mieści się długość tłoka, grubość pokrywy siłownika i innych elementów konstrukcji mechanizmu umożliwiających połączenie suwaka z tłoczyskiem siłownika. W przypadku zastosowania siłownika beztłoczyskowego długość L2 musi wynosić:

L2 = S + [delta]L2

Zwykle [delta]L2 > [delta]L1, ale przy długich skokach S otrzymuje się L2 ‹‹ L1.

Powyższa zaleta siłowników beztłoczyskowych spowodowała szybki rozwój ich konstrukcji, gdyż mają one o około 40% mniejszy wymiar wzdłużny niż typowe siłowniki tłokowe o tym samym skoku.

3.1.4.1 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindryczną

Główne cechy siłownika:
  • może przenosić momenty obrotowe i siły poprzeczne o wysokiej wartości
  • takie samo pole powierzchni tłoka po obu stronach daje tę samą siłę w obu kierunkach działania siłownika
  • dzięki wyeliminowaniu wysuwającego się tłoczyska skraca się przestrzeń zabudowy w porównaniu z konstrukcją standardową
  • nie występuje zjawisko wyboczenia

Rys. 3.31. Siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindra

Rys. 3.32. Siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindra:
1 - tuleja cylindra, 2 - tłok, 3 - tuleja, 4 - suwak, 5, 6 - uszczelki, 7, 8 - pokrywy siłownika

Zasada działania pneumatycznego siłownika beztłoczyskowego z przeciętą tuleją cylindrową (Rysunek powyżej):

W przeciętej tulei cylindrowej 1 jest umieszczony tłok 2 uszczelniony za pomocą pierścieni typu U. Wewnętrzne uszczelnienia tłoka łącznie z tulejkami 3 zapewniają jego amortyzację w krańcowych położeniach. Do tłoka 2 jest przymocowany suwak 4, który w czasie przesuwania się odchyla uszczelki 5 i 6 zapewniające szczelność tulei cylindrowej 1 w obszarach znajdujących się pomiędzy suwakiem 4 i pokrywami siłownika 7 i 8.

Rys. 3.33. Siłownik beztłoczyskowy z przeciętą tuleją cylindryczną firmy Metal Work

3.1.4.2 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy ze sprzęgiem magnetycznym

Główne cechy siłownika:
  • siła transmisji zależna jest od siły magnetycznej,
  • strata części rozwijanej siły roboczej,
  • nie można dopuścić do przeciążania siłownika, aby nie następowało zerwanie sprzęgu magnetycznego,
  • nie występuje zjawisko wyboczenia

Rys. 3.34. Uproszczony symbol przekrojowy siłownika beztłoczyskowego ze sprzęgiem magnetycznym

Rys. 3.35. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy ze sprzęgiem magnetycznym - widok

Rys. 3.36. Budowa pneumatycznego siłownika beztłoczyskowego ze sprzęgiem magnetycznym:
1 - tuleja cienkościenna, 2 - tłok, 3, 5 - komplet magnesów trwałych, 4 - suwak, 6 - suwak, 7 - stojak, A, B - kanały zasilające

Zasada działania pneumatycznego siłownika beztłoczyskowego ze sprzęgiem magnetycznym (Rysunek powyżej):

W cienkościennej tulei 1 o specjalnych własnościach magnetycznych umieszczony jest tłok 2 z kompletem magnesów trwałych 3, który jest sprzęgnięty magnetycznie z suwakiem 4 (również ma umieszczony komplet magnesów trwałych 5). Powierzchnie czołowe suwaka 4 są zamknięte pokrywami 6. Do przylgi P suwaka 4 można przykręcać odpowiednie elementy przenoszące siłę napędową rozwijaną przez siłownik. Na obu końcach siłownika są umieszczone stojaki 7. Powietrze dostarczane jest przez kanały zasilające A i B.

3.1.4.3 Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy cięgnowy

Główne cechy siłownika:
  • drążek tłoka został zastąpiony cięgnem (taśma, lina),
  • trudność uszczelnienia,
  • nie występuje zjawisko wyboczenia,
  • mniejsza żywotność w porównaniu z innymi typami siłowników z powodu wyciągającego się cięgna

Rys. 3.37. Symbol przekrojowy pneumatycznego siłownika beztłoczyskowego cięgnowego

Rys. 3.38. Budowa siłownika beztłoczyskowego cięgnowego:
1 - tuleja cylindryczna, 2 - tłok, 3 - cięgno, 4 - koła prowadzące, 5 - uszczelnienia, 6 - elementy naciągu, 7 - suwak

Zasada działania pneumatycznego siłownika beztłoczyskowego cięgnowego (Rysunek powyżej):

Cięgno 3 jest zamocowane do tłoka 2 umieszczonego w tulei cylindrowej 1. Uszczelnienie cięgna 3 zapewniają specjalne uszczelnienia 5, natomiast jego naciąg elementy 6 umieszczone w suwaku 7. Prawidłowe prowadzenie cięgien zapewniają koła prowadzące 4. Siłowniki cięgnowe są wykonane o długościach dochodzących do kilku metrów, jednak wadą tych siłowników są trudności związane z uszczelnieniem tulei cylindrowej lub cięgna.

Rys. 3.39. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy cięgnowy - przykłady

3.1.4.4 Różne rozwiązania konstrukcyjne siłowników beztłoczyskowych

Japońska firma CKD wprowadziła w miejsce typowego cylindrycznego "tłoka" - tłok owalny. Owalny kształt tłoka umożliwia lepsze przyleganie wargi uszczelki do profilu, w wycięcie którego wprowadzono poliuretanową taśmę uszczelniającą.

Rys. 3.40. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy z tłokiem owalnym firmy CDK:
1 - owalny tłok magnetyczny, 2 - poliuretanowa taśma uszczelniająca, 3 - profil aluminiowy, 4 - sanie robocze

Rys. 3.41. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy z tłokiem owalnym firmy CDK - przekrój poprzeczny części uszczelnianej

Największą zaletą przy zastosowaniu owalnego tłoka jest zmniejszenie do minimum przecieków zewnętrznych. A co za tym idzie:
  • zwiększenie dokładności realizacji zadanej prędkości liniowej,
  • poprawa efektu amortyzacji pneumatycznej,
  • uzyskanie oszczędności energetycznych

Siłownik z tłokiem owalnym wyróżnia się budową i gabarytami. Jest stosunkowo szeroki i niski, co umożliwia korzystną zabudowę. Sanie robocze są dobrze prowadzone wzdłuż profilu siłownika, a powierzchnia montażowa zespołu napędowego relatywnie duża.

Rys. 3.42. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy z tłokiem cylindrycznym - przekrój

Siłownik z tłokiem cylindrycznym posiada stosunkowo wąskie jarzmo łączące tłok z saniami roboczymi, przenoszące głównie siły i momenty obciążające. Badania udowodniły, że siłowniki z tłokiem cylindrycznym mają trzykrotnie mniejszą obciążalność w stosunku do rozwiązania z tłokiem owalnym. Czas użytkowania siłownika z tłokiem cylindrycznym jest krótszy od czasu eksploatacji w przypadku siłownika z tłokiem owalnym. Przy uszczelnianiu tłoka walcowego występuje uskok pomiędzy taśmą a uszczelką, powodujący wypływy powietrza i przyśpieszone zużycie.

Rys. 3.43. Siły i momenty przenoszone przez siłownik beztłoczyskowy

3.1.5. Siłowniki nietypowe i do specjalnych zastosowań

3.1.5.1 Siłowniki mieszkowe

Siłowniki mieszkowe są napędami, które mogą pracować również jako sprężyna powietrzna. Poprzez napełnianie i odpowietrzanie siłownik mieszkowy pracuje jako element napędowy. Ze wzrostem skoku wytwarzana siła użyteczna maleje przy danym stałym ciśnieniu roboczym, na skutek zmiany objętości siłownika. Przy zasilaniu stałym ciśnieniem można te napędy wykorzystać jako elementy amortyzujące. Konstrukcja jest prosta i składa się z dwóch metalowych płyt połączonych zawiniętym gumowym mieszkiem. Nie występują tu żadne elementy uszczelniające i ruchome części mechaniczne, jak np. tłoczysko. Są to napędy jednostronnego działania, nie jest wymagana żadna sprężyna powrotna, położenie powrotne jest osiągane pod wpływem zewnętrznej siły w danym zastosowaniu (np. pod wpływem obciążenia). Mieszki przewijane różnią się od mieszków fałdowych charakterystyką skok-siła i mogą w stosunku do wysokości zabudowy uzyskiwać większe skoki. Przy mieszkach przewijanych początek redukcji siły związany z przewężeniem mieszka zaczyna się dopiero przy ok. 50% przebytego skoku.

Rys. 3.44. Przekrój siłownika dwumieszkowego:
1 - pokrywa górna, 2 - wlot powietrza, 3 - ślepy otwór, 4 - obręcz, 5 - dolna pokrywa miecha, 6 - pokrycie miecha

Rys. 3.45. Budowa pokrycia miecha:
1 - pokrycie zewnętrzna, 2 - pierwsza warstwa siatki, 3 - druga warstwa siatki, 4 - pokrycie wewnętrzne

Rys. 3.46. Siłowniki mieszkowe najczęściej wykonywane są w wersji jedno-, dwu-, lub trójmieszkowej

W zależności od ilości mieszków siłownik może pracować w dość dużych granicach przemieszczenia liniowego. Np. dla siłownika dwumiechowego maksymalna jego wysokość jest dwa razy większa niż jego minimalna wysokość, oznacza to że siłownik taki może być stosowany wszędzie tam gdzie zachodzi potrzeba wykorzystania elementu o dużym skoku roboczym.

Rys. 3.47. Stany pracy siłownika jednomieszkowego

Rys. 3.48. Symbole graficzne siłowników mieszkowych na podstawie dokumentacji Festo

Rys. 3.49. Siłownik dwumieszkowy

Rys. 3.50. Siłownik jednomieszkowy

3.1.5.2 Siłowniki workowe

Konstrukcja siłowników workowych różni się przede wszystkim kształtem i wymiarami tłoka (podstawy). Od jego kształtu zależą charakterystyki pracy siłownika, a od powierzchni tłoka - rozwijana siła. Tłok może być wykonany z aluminium, stali, plastiku czy nawet z twardej gumy. Rozwiązanie tego typu jest pewną nowością, ponieważ gumowe elementy chronią metal przed korozją i pozwalają na stosowanie sprężonego powietrza niezbyt oczyszczonego i osuszonego oraz nie naoliwionego. Uzyskuje się duże szczelności przy małej dokładności wykonania składowych elementów, odpada także konieczność stosowania uszczelek i warstw ochronnych zabezpieczających wnętrze siłownika przed korozją.

Rys. 3.51. Siłownik workowy:
1 - pokrywa górna, 2 - wlot powietrza, 3- ślepy otwór, 4 - pokrywa zamykająca mieszek, 5 - mocowanie pokrywy, 6 - otwór mocujący, 7 - tłok, 8 - mieszek

Rys. 3.52. Rozwiązania konstrukcyjne (ze względu na powierzchnie tłoka)

Rys. 3.53. Rozwiązania konstrukcyjne (ze względu na kształt tłoka)

Rys. 3.54. Stany pracy siłownika workowego

Rys. 3.55. Symbol graficzny siłownika workowego

3.1.5.3 Siłowniki membranowe

Siłowniki membranowe przeważnie wykonywane są jako siłowniki jednostronnego działania, dlatego symbol graficzny jest taki sam jak dla siłownika z jednostronnym tłoczyskiem jednostronnego działania.

Rys. 3.56. Stany pracy siłownika membranowego

Rys. 3.57. Stany pracy siłownika z przewijaną membraną

Rys. 3.58. Stany pracy siłownika membranowego płaskiego

Rys. 3.59. Symbol graficzny siłownika membranowego na podstawie dokumentacji Festo

Rys. 3.60. Siłownik membranowy płaski firmy Festo

3.1.5.4 Siłowniki dętkowe

Przy pomocy tego rodzaju siłowników można uzyskać siły i momenty mocujące.

Rys. 3.61. Stany pracy siłownika dętkowego wywierającego siłę

Rys. 3.62. Stany pracy siłownika dętkowego wywierającego moment obrotowy

3.1.5.5 Siłowniki typu muskuł

Muskuł pneumatyczny zbudowany jest z kurczliwej membrany i zakończony odpowiednimi elementami złącznymi. Po podaniu do wnętrza sprężonego powietrza następuje zwiększenie objętości i jednoczesne skrócenie w wyniku czego zostaje wytworzona siła ciągnąca w osi muskułu. Siła pociągowa ma swoje maksimum na początku skurczu i maleje niemal liniowo ze skokiem. Przy pomocy muskułu można uzyskać skok roboczy w granicach 25% długości nominalnej muskułu. Warianty i funkcje:

- Gotowe zmontowane muskuły o średnicy wewnętrznej 10, 20 i 40 mm o długościach od 40 do 9000 mm

Dane techniczne:
  • doskonały współczynnik wydajność / ciężar,
  • duża dynamika,
  • elastyczność, różne wersje, precyzja,
  • odpowiedni do pracy w dużym zanieczyszczeniu,
  • nie występuje efekt ruchu skokowego (tylko tarcie wewnętrzne),
  • nie występuje zużycie mechaniczne,
  • nie występują problemy z transportem,
  • odpowiedni do zastosowań mobilnych,
  • większe siły w porównaniu z tradycyjnymi siłownikami,
  • większe siły przy takiej samej średnicy tłoka w porównaniu ze zwykłymi siłownikami,
  • lepsza odporność na różne media,
  • istotnie nieduży ciężar na jednostkę rozwijanej siły,
  • możliwe proste pozycjonowanie przez zmianę ciśnienia,
  • brak przecieków,
  • niski pobór powietrza dla wielu zastosowań,
  • bardzo prosta produkcja na różne długości-X

Rys. 3.63. Siłownik typu muskuł pneumatyczny

Rys. 3.64. Zasada działania siłownika typu muskuł pneumatyczny

Rys. 3.65. Stany pracy siłownika typu muskuł

Rys. 3.66. Symbol graficzny siłownika typu muskuł zaproponowany przez firmę Festo

3.1.6. Typowe uszczelnienia stosowane w siłownikach pneumatycznych

Rys. 3.67. Pierścień typu O

Rys. 3.68. Pierścień kwadratowy (krzyżowy)

Rys. 3.69. Pierścień rowkowany obustronnie (typu podwójne U)

Rys. 3.70. Pierścień samouszczelniający wargowy nasadzany

Rys. 3.71. Podwójny pierścień samouszczelniający

Rys. 3.72. Pierścień samouszczelniający wargowy

3.2. Silniki pneumatyczne

Silniki pneumatyczne można podzielić na:
  • silniki o ruchu wahadłowym (wahadłowe),
  • silniki o ruchu obrotowym,
  • silniki krokowe

Silniki pneumatyczne wahadłowe mogą realizować jeden niepełny obrót. Gdy kąt obrotu nie przekracza 120o, można zastosować silniki dwułopatkowe, natomiast gdy jest większy - stosuje się silniki jednołopatkowe. Silniki te mają małe gabaryty i dlatego są wykorzystywane do napędu mechanizmów niezbyt obciążonych o zwartej budowie, np. manipulatorów przemysłowych. Ze względu na ich mniejsze zastosowanie nie będą opisane dokładniej.

Silniki pneumatyczne obrotowe charakteryzują się znacznymi prędkościami obrotowymi (5 ÷ 100 tys. obr/min i więcej), ale niewielkim momentem obrotowym. Wykorzystuje się je zamiast silników elektrycznych w przypadkach:
  • zagrożenia pożarowego,
  • wymagania dużej elastyczności napędu (dostosowania się do bardzo zmiennych obciążeń),
  • dużych prędkości obrotowych

Najszersze zastosowanie znalazły w praktyce przemysłowej silniki pneumatyczne:
  • łopatkowe,
  • przepływowe (turbinowe),
  • zębate

Do napędu różnego rodzaju mechanizmów wykorzystywane są także silniki umożliwiające w prosty sposób ich pozycjonowanie. Do tego celu często wykorzystywane są najczęściej silniki krokowe elektryczne, jednak przy znacznych obciążeniach i pracy w warunkach zagrożenia pożarowego z powodzeniem mogą być wykorzystywane wysokomomentowe silniki krokowe pneumatyczne z wbudowaną przekładną mechaniczną zmniejszającą wielkość kroku na wale wyjściowym silnika.

Symbol graficzny silników pneumatycznych został przedstawiony na rysunku 3.73.

Rys. 3.72. Symbol graficzny silnika pneumatycznego o dwóch kierunkach obrotów

Rys. 3.73. Schemat klasyfikacyjny silników pneumatycznych

3.2.1. Silniki łopatkowe

Typowy silnik łopatkowy zbudowany jest z cylindra 1 (Rysunek 3.74), wirnika 2 z łopatkami 3 prowadzonymi w szczelinach wzdłużnych, przedniej pokrywy cylindra 4 (Rysunek 3.5) z łożyskiem wirnika oraz tylnej pokrywy cylindra 5 z łożyskiem wirnika.

Wirnik 2 umieszczony jest mimośrodowo w stosunku do osi cylindra 1, co powoduje, że pomiędzy ścianką wewnętrzną cylindra, łopatkami oraz wirnikiem powstają komory robocze zmiennej wielkości.

Sprężone powietrze dostaje się do silnika pomiędzy dwie sąsiednie łopatki. Wskutek różnicy ciśnień przed i za łopatką wirnik zostaje wprowadzony w ruch obrotowy. Powietrze, które znajduje się pomiędzy łopatkami, ulega rozprężaniu (ekspansji) wskutek powiększania się przestrzeni miedzy tymi łopatkami w czasie obrotu wirnika. Jednocześnie ciśnienie się zmniejsza, ale w dalszym ciągu różnica sił jest stała, gdyż wskutek obrotu wirnika powierzchnia łopatki poprzedzającej jest większa niż łopatki następnej w komorze roboczej. Rozprężanie to następuje do momentu osiągnięcia przez łopatkę otworów wylotowych połączonych z atmosferą. Siła powodująca obrót wirnika (wynikająca z ciśnienia w komorze wlotowej) działa teraz na kolejną łopatkę. Podczas pracy silnika łopatki dociskane są do powierzchni wewnętrznej cylindra siłą odśrodkową, zapewniając w ten sposób efektywne uszczelnienie pomiędzy poszczególnymi komorami roboczymi.

Rys. 3.74. Silnik łopatkowy - schemat konstrukcyjny: 1 - cylinder, 2 - wirnik, 3 - łopatki

Rys. 3.75. Przykłady silników łopatkowych

Silniki tego typu osiągają na biegu luzem obroty rzędu kilku tysięcy do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę, zależnie od wielkości i konstrukcji silnika.

Liczba łopatek w silniku, wahająca się od 3 do 10, jest ważnym kryterium konstrukcyjnym. Ogólnie można powiedzieć, że im mniej łopatek, tym mniejsze straty tarcia, ale jednocześnie gorszy rozruch silnika. Większa liczba łopatek łagodzi wprawdzie moment rozruchu i obniża "przecieki wewnętrzne", powoduje jednak większe tarcie.

Rys. 3.76. Elementy silnika łopatkowego:
1 - cylinder, 2 - wirnik, 3 - łopatki, 4 - pokrywa przednia cylindra, 5 - pokrywa tylnia cylindra

3.2.2. Silnik pneumatyczny turbinowy

W silnikach turbinowych w korpusie umieszczone jest koło łopatkowe 1 (Rysunek 3.77 C) napędzające wałek 2. Gdy otwór 3 zostanie podłączony do źródła zasilania o dużym natężeniu przepływu, a otwór 4 do atmosfery, to wałek 2 będzie obracał się w prawo. Ruch obrotowy wałka 2 jest wymuszany w silnikach przepływowych podobnie jak w turbinach parowych. Turbiny, czyli silniki przepływowe, są stosowane przy małych obciążeniach, mogą natomiast osiągać bardzo duże obroty (rzędu 500000 obr/min), na przykład w napędach wiertarek dentystycznych.

Rys. 3.77. Silnik turbinowy: A, B - rysunek poglądowy, C - schemat konstrukcyjny:
1 - koło łopatkowe, 2 - wałek, 3 - otwór wejściowy, 4 - otwór wyjściowy

3.2.3. Silniki zębate

W silnikach zębatych moment obrotowy powstaje w wyniku nacisku sprężonego powietrza na powierzchnię zębów dwóch współpracujących ze sobą kół zębatych. Silniki te znajdują zastosowanie w napędach o dużych mocach, powyżej 40 kW.

Rys. 3.78. Silnik zębaty. A - widok poglądowy, B - schemat konstrukcyjny:
1 - korpus, 2, 3 - koła zębate, 4 - wałek

W korpusie 1 (Rysunek 3.78 B) znajdują się dwa koła zębate 2 i 3, z których koło 2 jest sprzęgnięte z napędzanym wałkiem 4, a koło 3 jest kołem współpracującym. Kierunek obrotów wałka 4 zależy od kierunku doprowadzenia sprężonego powietrza, gdy jest doprowadzane do otworu 5, wtedy wałek 4 obraca się w prawo.

3.2.4. Silnik pneumatyczny tłokowy osiowy i promieniowy

W silnikach tłokowych organem roboczym jest tłok 1, którego ruch posuwisto-zwrotny jest zamieniany na ruch obrotowy przez zastosowanie wału korbowego 2. Schemat działania takiego silnika przedstawia rysunek 3.79. Równomierną pracę uzyskuje się przez współpracę kilku tłoków z wałem. W silniku osiowym natomiast, którego schemat przedstawia rysunku 3.80, zamiana na ruch obrotowy następuje przez zastosowanie tarczy mimośrodowej 3 Silniki tłokowe są stosowane w zakresie mocy od 1,5 do 20 kW, a uzyskiwane obroty wynoszą do 5000 obr/min, przy ciśnieniu zasilania 6 barów.

Rys. 3.79. Silnik tłokowy promieniowy:
1 - tłok, 2 - wał korbowy

Rys. 3.80. Silnik tłokowy osiowy:
1 - tłok, 3 - tarcza mimośrodowa

Rys. 3.81. Przykłady silników tłokowych osiowych: A, B - rysunek poglądowy

Jedną z odmian silnika tłokowego jest silnik wielotłoczkowy promieniowy (Rysunek 3.82 i 3.83) gdzie powietrze pod ciśnieniem doprowadzone jest do połowy ze wszystkich komór utworzonych przez wirnik 4 i tłoczki 8. Pod działaniem czynnika tłoczki 8 dążą do wysuwania się z wirnika 4. Ruch tłoczków 8 za pomocą pierścienia z bieżnią powoduje obrót walka odbiorczego 7. Powietrze z pozostałych komór wirnika 4 odprowadzane jest do otoczenia przez wysuwowy ruch tłoczków 8. Cykl odpowietrzania komór lub ich napełniania koordynuje pierścień sterujący 6.

Rys. 3.82. Silnik wielotłoczkowy promieniowy - rysunek poglądowy

Rys. 3.83. Elementy składowe silnika wielotłoczkowego promieniowego:
1, 2 - korpus, 3 - pierścień z bieżnią, 4 - wirnik, 5 - rolka, 6 - tuleja sterująca, 7 - wałek

 

Do góry
Kliknij, aby powrócić do początku tej strony
Pneumatyka - Wykłady
Użytkowników online: 1 Odwiedzono dzisiaj: 10 razy
Aktualizacja: 31/3/2006 Wszystkich odwiedzin od 1 X 2004r.: 418066
 Mapa Witryny | O stronie | Statystyki Zgodność | Kontakt