Pneumatika

VIŠA TEHNIČKA SKOLA SUBOTICA

Dr. Njerš Jožef

PNEUMATIKA

SUBOTICA,2004.

Autor: Dr. Nyers József - Njerš Jožef Profesor VTŠ Subotica

Stručni recenzent: Dr. Firstner Stevan Profesor VTŠ Subotica

Tehnički realizatori: Antal Károly - Antal Karolj inž. Szügyi Zsolt - Siđi Žolt inž. Ivković Miroslav inž.

2

PREDGOVOR

Pneumo na grčkom znači pluća. Na bazi te reči je formiran naziv, pneumatika. Naziv nije sasvim adekvatan, jer se radi o sistemu koji je ispunjen sa vazduhom (na grčkom aero) zato je možda pravilnije koristiti aerotiku umesto pneumatike. Sistemi sa 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 pritisne energije (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 pomoću sabijenog vazduha. U savremenoj industijskoj praksi dominirajuću ulogu igra energetska pneumatika dok je pneumatska informatika praktično zamenjena sa elektronikom i mikroprocesorima. Eventualno, u izvesnim prostim slučajevima, još se primenjuje tradicionalna ventilska pneumatska logika sa ventilskim senzorima.

NAPOMENA: U vezi svih vidova reprodukcije, štampanja knjige sva prava su zadržana.

3

SADRŽAJ

4

OZNAKE

l m t T F p V ρ γ

dužina, masa, vreme, temperatura, Sila, pritisak, zapremina, gustina, specifična težina,

c G L Q E P ∆ A U x ϕ g w δ

specifični toplotni kapacitet Protok mehanički rad toplotna energija Energija Snaga matematički - razlika, fizički – promena površina, poprečni preseka unutrašnja energija apsolutna vlažnost relativna vlažnost ubrzanje zemljine teže Brzina debljina zida cevi Ubrzanje Brzina Napon Prečnik koeficient koji uzima u obzir vrste strujanja i relativnu hrapavost unutrašnje površine cevi koeficijent lokalnih gubitaka Rejnolds-ov broj odnos obima kruga i njegovog rpecnika, Ludolfov broj Viskoznost Entalpija mehanički radni potencijal

&x& x&

σ D, d ξ1 ξlok Re π ε I Pv

7

η A B P R, S, T, ... X, Y, Z, ... ⊥ ↑ a , a, ... N yA+, yA−, ... A+, A−, ...

8

stepen dobrote priključak koji spalja jedan kraj Pneumatskog izvršnog organa priključak koji spalja drugi kraj Pneumatskog izvršnog organa priključak za napajanje, priključen u cev od kompresora priključci za ispuštanje vazduha u atmosferu, za odzraku priključak za upravljanje ventilom zatvorenost priključka otvorenost priključka položaj aktiviranih senzora broj izvršenih organa označavanje upravljačkih funkcija u ciklogramima označavanje smera kretanja radnog organa A

0. PARAMETRI I MERNE JEDINICE U FLUIDNOJ TEHNICI

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice

0.1 OSNOVNI PARAMETRI STANJA I MERNE JEDINICE U mehanici osnovne fizičke veličine stanja i njihove merne jedinice, po ISO (Internacionalna Standardna Organizacija ) su: • dužina, l[m] • masa, m[kg] • vreme, t[s] • temperatura, T[K] Popularan naziv ovog mernog sisitema u tehničkoj praksi je MKS – metar, kilogram, sekundum. Ostali parametri stanja i merne jedinice su izvedene na bazi gore definisanih osnovnih veličina stanja a njihove merne jedinice sadrže osnovne merne jedinice m, kg, s, K. Stari, prevaziđeni sistem mera je MKpS – metar, kilopond, sekundum. • dužina, l[m] • sila, F[kp] • vreme, t[s] • temperatura, T[C] Primena MKpS sistema jedinica i mera po međunarodnoj konvenciji je zabranjena.

02. IZVEDENI PARAMETRI STANJA I MERNE JEDINICE r

0.2.1. SILA ( F ) Fizički, sila predstavlja dejstvo između dva tela. Matematički, po Njutnu (Newton) sila je umnožak mase i ubrzanja. Sila je definisana sa četiri podatka: sa intenzitetom (F) sa napadnom tačkom, sa napadnom linijom i smerom dejstva. Grafički je možemo prikazati vektorom. Matematička formulacija sile po Njutnu:

r r F = m ⋅a 10

m  kg ⋅ s 2  ≡ [N ]


v F

napadna tačka

napadna linija

F Slika 1. Grafičko prikazivanje sile

r

0.2.2. PRITISAK ( p ) Pritisak je jedinična sila i pokazuje nivo mehaničke energije u materiji. U fluidima pritisak se prostire podjednako u svim pravcima. U čvrstoj materiji pritisak menja intenzitet u zavisnosti od pravca. Kao sila i pritisak je vektorska veličina. U opštem slučaju intenzitet pritiska zavisi od prostornog položaja i vremena p(x,y,z,t)

dA

r dF

Slika 2. Elementarna sila i površina

Matematička formulacija: elementarna sila po elementarnoj površini r r dF  N  p= Pa – Paskal   ≡ [Pa ] dA  m 2 

Jedan Paskal je veoma mala jedinica zato je uvedena veća merna jedinica pod nazivom bar. Bar je po veličini veoma blizu staroj mernoj jedinici, atmosfera. Značajan je praktičan značaj da su približno jednaki. Nova merna jedinica bar i atmosfera po veličini se približno razlikuju 3 %, dakle korisnici novih manometara sa podeocima [bar] ne moraju se privikavati na potpuno nove veličine. primer . 1[atm] = 0.981 [bar] 1[bar] = 105 [Pa] definicija

11

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice  daN  1[bar ] = 1 2   cm   kp  1[atm] = 1 2   cm  odnos između bar i atm.

1

daN cm 2

1 ⋅ 10 ⋅ N 10 1bar = = = kp 1 ⋅ 9,81 ⋅ N 9,81 1atm 1 2 cm dokaz

1da = 10 1kp = 9,81 [N] 1kp = 9,81

0.2.3.

m   kgm  F[kp] = G = m ⋅ g kg ⋅ 9,81 2  = 9,81 2  s    s 

kgm = 9,81[N ] s2

HIDROSTATIČKI PRITISAK ( ps )

Fizička definicija. Hidrostatički pritisak je dejstvo težine fluidnog sloja na određenu površinu. U fluidu se hidrostatički pritisak prostire podjednako u svim pravcima.

h H

dA

dQ h dA

Slika. 3 Elementarni fluidni stub

Matematička definicija

12

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice dF = dQ = γ ⋅ dV = γ ⋅ h ⋅ dA ⋅ p(h ) =

dF dA = γ⋅h⋅ dA dA

p(h) = γ ⋅ h 0.2.4. HIDRODINAMIČKI PRITISAK ( pd )

Hidrodinamički pritisak nastaje pri opstrujavanju neke uronjene površine ili pri skretanju struje fluida. Dejstvo nastaje usled udaranja čestica fluida o zid čvrste površine. Ispred ploče stvara se ukupan pritisak (pu) a iza ploče prostor statičkog pritiska (ps). U prostoru smanjenog pritiska čestice se vrte u krug i stvaraju vrtloge. Vrtlozi su nepoželjni jer se kinetička energija čestica zbog prisustva viskoznog trenja pretvara u toplotnu energiju.

Slika 4. Srujnice i vrtlozi u fluidu pri opstrujavanju ploče

p

w2 =p − p = ξ ⋅ ⋅ρ d u s 2

0.2.5. SPECIFIČNA ZAPREMINA ( v )

Ako geometrijsku zapreminu podelimo sa masom fluida u njoj dobijamo specifičnu zapreminu.

v=

V − V2 dV ∆V = lim = 1 ∆m → 0 ∆m m1 − m 2 dm

 m3     kg 

U opštem slučaju intenzitet specifične zapremine može da se menja u toku vremena i da bude različit u prostornim tačkama. v (x,y,z,t)

13

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice 0.2.6. GUSTINA ( ρ ) Specifična gustina je recipročna vrednost specifične zapremine. U opštem slučaju se menja u toku vremena u svim tačkama prostora.

ρ=

1 dm ∆m = ≅ v dV ∆V

 kg   m 3 

0.2.7. SPECIFIČNA TEŽINA ( γ ) Specifična težina je količnik težine i zapremine. Srazmerna je gustini, umesto mase uzima se težina.

γ=

dG ∆G ≅ dV ∆V

N   m3    m g = 9,81 2  s 

dG = g ⋅ dm

γ = g⋅

dm = g ⋅ρ dV

0.2.8. TEMPERATURA ( T ) Temperatura je termički parametar stanja i pokazuje nivo unutrašnje energije materije. Mikro posmatrano, gledajući unutar materije, srazmerna je kinetičkoj energiji čestica fluida.

T = k⋅

m ⋅ w2 2

[ C] o

[K ]

Meri se indirektno širenjem žive, alkohola ili bimetala. Izražava se u stepenima Celziusa ili Kelvina. -273,13[oC]

0[K]

0[oC]

273,16[K]

Celzius Kelvin

Slika 5. Grafički prikaz odnosa Celziuseve i Kelvinove temperaturske skale °C i K

14

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Kelvin za početak skale uzima apsolutnu nulu. Priraštaj tj. Kelvinov stepen se poklapa sa stepenom Celziusa. Celzius je ranije definisao svoju skalu od Kelvina i za nulu je uzeo temperaturu ključanja vode na pritisku od 1[atm] a za sto, stepen temperaturu smrzavanja vode. Temperatursku razliku između ključanja i smrzavanja vode je podelio na sto jednakih delova i dobio je jedan stepen koji je nazvan po njemu temperaturskim stepenom Celziusa. Skalu je kasnije okrenuo Stremmer i sa 100 označavao temperaturu ključanja vode na 1atm. 0.2.9. PROTOK ( G )

Protok je količina fluida koja proteče kroz posmatrani poprečni presek u toku vremena. Količina može da bude izražena u zapremini ili masi. Zato imamo zapreminski i maseni protok. U opštem slučaju protok menja intenzitet u zavisnosti od prostora i vremena. G(x,y,z,t)

za dt dV dm dx Slika 6. Pomeranje elementarne količine fluida za elementarno vreme

Zapreminski protok:

GV =

dV ∆V ≅ dt ∆t

m3   sec   

Maseni protok:

Gm =

dm ∆m ≅ dt ∆t

 kg   sec 

Odnos između zapreminskog i masenog protoka G V dV dt dV = ⋅ = Gm dt dm dm

15

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice v=

dV 1 = dm ρ

GV 1 =v= Gm ρ

⇒

G = v ⋅G v m Ako je strujanje ustaljeno (slika strujanja se ne menja u toku vremena) i uzimamo prosečnu brzinu u preseku proticanja, onda protok možemo izraziti sa prostom formulom. GV ≅

∆V ∆t ∆V = A ⋅ ∆x

GV = A ⋅

∆x ∆t

GV = A⋅w

zapreminski ili

Gm =

∆m ∆t

Gm = ρ ⋅ A ⋅ maseni protok

∆m = ρ ⋅ ∆V = ρ ⋅ A ⋅ ∆x ∆x ∆t

Gm = ρ ⋅ A ⋅ w

0.3. ENERGETSKI SPOLJNI UTICAJI Toplotna energija i mehanički rad su spoljni uticaji. U sistemu materije, samo pomoću spoljnih uticaja je moguće postići promene. Promene se odražavaju u promeni parametara stanja sistema. Menja se : pritisak, spec. zapremina, temperatura, .... U datom slučaju posmatrana materija je fluid. Fluid može da poseduje razne vidove energije kao što je kinetička, pritisna, položajna, toplotna. Nivoe spomenutih energija možemo menjati isključivo pomoću spoljnih uticaja.

16

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice 0.3.1. MEHANIČKI RAD ( L ) Mehanički rad je umnožak komponente sile u pravcu kretanja i pređenog puta.

r FR

m

m

r F

α

dx Slika 7. Plan sila i pređeni put

dL = FR ⋅ cos α ⋅ dx dL = F ⋅ dx

[Nm] ≡ [J ]

0.3.2. TOPLOTNA ENERGIJA ( Q ) Toplotna energija je razmenjena količina energije između dva tela. Toplotni sadržaj u samoj materiji je unutrašnja energija (U). Ako ne postoji mehanički rad promena količine unutrašnje energije se poklapa sa razmenjenom količinom toplotne energije. Na osnovu prvog zakona termodinamike

dQ = dU + dL dQ = dU = c ⋅ m ⋅ dT

ako je dL = 0  J  ⋅ kg ⋅ K  = [J ]   kg ⋅ K   J  c   kgK 

- specifična toplota

m[kg ]

- masa

dT[K ]

- promena temperature materije tela

17


0.3. ENERGIJE STRUJNOG FLUIDA Energija znači na grčkom mogućnost, a u energetici znači mogućnost izvršenje rada. U opštem slučaju svaka čestica u prostoru može da sadrži različitu količinu energije, i da je ta količina promenljiva u toku vremena. Radi dobijanja prostijih matematičkih relacija prilikom matematičkog opisivanja energije, uvodimo neka uprošćenja. Smatramo da je strujanje stacionarno, tj. da se slika strujnog fliuda ne menja u toku vremena, da je brzina svake čestice fluida u poprečnom preseku proticanja ista. Sa navedenim uprošćenjima se uvodi izvesna greška, beznačajna za inženjersku praksu, ali se dobija veoma mnogo, jer matematičke formule postaju proste a sa time i lako primenljive u praksi. 0.4.1. KINETIČKA ENERGIJA ( EK )

Kinetička energija je mogućnost mase u kretanju da izvrši rad ili da se pretvori u drugi vid energije, npr. u toplotu. Pri matematičkom izvođenju kinetičke energije polazi se od mehaničkog rada. Po intenzitetu te dve veličine su jednake. Deo mehaničkog rada uvek se pretvara u kinetičku energiju i obratno uz izvesne gubitke.

dE k = dL = F ⋅ dx = m ⋅ a ⋅ dx dw dt dx w= dt a=

dE k = m ⋅

dw ⋅ w ⋅ dt dt

dEk = m ⋅ w ⋅ dw U opštem slučaju primenom određenog integrala dobija se jednačina Ek

∫ dE

Ek0

18

w K

=

∫ m(

w0

w)

⋅ w ⋅ dw


Ako se količina mase ne menja u toku vremena m = const, fizički to znači, da se sa strane strujnom fluidu ne dovodi i ne odvodi nikakva količina fluida. Masa fluida kao constantna veličina može da izlazi ispred integrala. Ek

w

Ek 0

w0

∫ dE K = m ∫ w ⋅ dw = m ⋅

E k − E k 0 = ∆E k = m ⋅

w2 2

w w0

w2 w2 −m⋅ 0 2 2

Dakle kinetička energija constantne mase u jednom trenutku vremena.

Ek = m ⋅

0.4.2.

w2 2

 m2   m  kg ⋅ = kg m = [N ⋅ m] = [J ]  s 2   s 2  

PRITISNA ENERGIJA – RADNI POTENCIJAL ( EP )

Pritisna energija ili radni potencijal predstavlja energiju fluida usled prisustva mehaničkog radnog potencijala, čije je merilo nivoa pritisak. Po intenzitetu promena pritisne energije je jednaka mehaničkom radu. dE P = dL = F ⋅ dx F=p⋅A

sila usled pritiska

dE P = p ⋅ A ⋅ dx dV = A ⋅ dx promena zapremine

dE P = p ⋅ dV

N 3  m 2 ⋅ m  = [N ⋅ m ] = [J ]  

U opštem slučaju primenom određenog integrala dobija se diferencijalna jednačina. Ep

∫

Ep0

V

dE P =

∫ p(v) ⋅ dV

V0

19

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Ako se pritisak ne menja u funkciji zapremine i vremena, p = const. p izlazi ispred integrala V

E P − E p 0 = p dV = p ⋅ (V − VO ) = p ⋅ ∆V

∫

V0

Trenutna vrednost pritisne energije fluida, ako je pritisak isti u svakoj tačci zapremine fluida u toku vemena. za p=const.  N 3  m 2 ⋅ m  = [N ⋅ m ] = [J ]  

EP = p ⋅ V

0.4.3.

POLOŽAJNA ENERGIJA ( Eh )

Mehanička položajna energija postoji usled gravitacionog polja zemlje (zemljina teža). Masa zemlje privlači svaku masu u svoju okolini. Tu privlačnu silu zovemo težinom. Ako telo određene mase dižemo, uložimo rad, rad se pretvara u položajnu energiju, a ako ga spustimo, položajna energija prelazi u rad. Svaka energetska transformacija je praćena sa izvesnim energetskim gubicima. dE h = dL = F ⋅ dx F=G dx = dh dE h = G (h ) ⋅ dh

Težina G zavisi i od radijusa zemlje i nije sasvim konstantna veličina. Oblik površine zemlje nije idealna lopta, na polovima je udubljena. Na polovima svaka masa za nijansu ima veću težinu. Tu promenu uzimamo u obzir gravitacionom konstantom (g). Eh

∫

E h0

h

dE h =

∫ G(h)

dh

h0

ako je G = const

20

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice E h − E h 0 = ∆E h = G ⋅ h

h h0

= G (h − h O ) = G ⋅ ∆h

Položajna energija konstantne mase (m) na datoj visini (h) jednaka je:

[Nm] = [J ]

Eh = G ⋅ h

Eh = m ⋅ g ⋅ h

0.4.4. SNAGA ( P )

Snaga ili učinak pokazuje brzinu izvođenja rada. Po matematičkoj definiciji snaga je promena rada u vremenskom intervalu posmatranja.

P=

dL F ⋅ dx = =F⋅w dt dt

 m J  N s  =  s  ≡ [W ]    

Smenom parametara stanja koji su lako merljivi kod fluida npr. pritisak i protok, matematička relacija se pretvara u sledeći oblik. Važi za fluide ako su

p = cost. i Gv=const.

F = p⋅A P = p⋅A⋅

dx dV = p⋅ dt dt GV =

P = p ⋅GV

dV dt

[W ]

21


0.5. OSNOVNE JEDNAČINE STRUJNOG FLUIDA Raspolažemo sa dve osnovne jednačine. Jedna je za održanje materije, a druga je za održanje energije. Obe jednačine su izvedene za prostorne i vremenske nepromenljive parametra stanja, drugačije rečeno, za ustaljeno strujanje sa prosečnim veličinama stanja.

0.5.1.

JEDNAČINA KONTINUTETA

Ova jednačina je izvedena na osnovu zakona o održanju materije. Zakon glasi ovako: materiju ne možemo stvoriti niti uništiti. Materija je neuništiva, tj.večna. Primenjeno za fluide. U ustaljenom režimu strujanja kroz svaki poprečni presek duž strujanja mora da proteče ista količina fluida. Gm1=Gm2 ---------------------------------

ρ1A1w1=ρ2A2w2

A1

A2 W1

W2

Gm2 Gm1

Slika 8. Strujanja fluida u cevi promenljivog poprečnog preseka

22

0. Osnovni parametri stanja i merne jedinice Ako je fluid nestišljiv, a strujanje je ustaljeno, i zapreminski protoci su isti u svakom poprečnom preseku duž cevi, jednačina kontinuiteta značajno se uprošćuje i dobija sledeći oblik:

ρ1=ρ2 ρ≠ρ(t) --------------------------

A1w1=A2w2

0.5.2. BERNOULIJEVA ENERGETSKA JEDNAČINA

Bernoulijeva energetska jednačina je izvedena na osnovu zakona o održanju energije. Sadrži zbir energija u posmatranom preseku fluida. Strujna energija fluida se sastoji od kinetičke, pritisne i položajne energije. Kod stvarnih fluida uzima se u obzir i promena unutrašnje "toplotne" energije. Primer: Promena unutrašnje energije se odvija zbog viskoziteta (unutrašnje trenje) u fluidu. Posledica toga je delimično pretvaranje pritisne energije u unutrašnju (toplotnu) energiju.

Za ustaljeni režim strujanja u toku vremena, zbir energija se u svakom poprečnom preseku fluida ne menja. E = E k + E P + E h + U = const

∑ ∑E = ∑E 1

2

Matematička formulacija energija u fluidu w2 2 EP = p ⋅ V

Ek = m ⋅

Eh = m ⋅ g ⋅ h U = c ⋅ m ⋅ dT

23


1

2 Ek2 Ep2 Eh2 U2

Ek1 Ep1 Eh1 U1

Slika 9. Energetska struktura fluida u cevi promenljivog porečnog preseka

Ukupna strujna energija fluida u jednom preseku proticanja. Za ustaljeni režim strujanja za nestišljivi, viskozni fluid.

∑E = m ⋅

w2 + p ⋅ V + m ⋅ g ⋅ h + U = const 2

---------------------------------------------------------

ρ=

m v

ili

v=

m ρ

---------------------------------------------------m⋅

w2 m + p ⋅ + m ⋅ g ⋅ h + U = const 2 ρ

w2 p U + + g ⋅h + = const 2 ρ m

24

/:m


Ukupna strujna energija fluida u dva posmatrana preseka proticanja, zbog zakona o održanju energije,u svim presecima je isti.

∑E = ∑E 1

2

w12 p1 U w2 p U + + g ⋅ h1 + 1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 2 ρ1 m 2 ρ2 m w12 p1 w2 p U U + + g ⋅ h1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 − 1 2 ρ1 2 ρ2 m m

w 12 p 1 w2 p ∆U + + g ⋅ h1 = 2 + 2 + g ⋅ h 2 + 2 ρ1 2 ρ2 m ∆U je priraštaj unutrašnje energije. Kod ustaljenog strujanja priraštaj ∆U nastaje zbog opadanja pritisne energije. Pritisna energija, zbog prisustva viskoznog trenja, delom se pretvara u unutrašnju energiju (toplotu). Pokazatelji te promene su pad pritiska i porast temperature fluida.

25


Slika!

26

1. PODELA PNEUMATIKE

1. Podela pneumatike 1.1 ENERGETSKA PNEUMATIKA Energetska pneumatika igra bitnu ulogu u industrijskoj praksi. Primenjivana je gde tehnološki - tehnički zadatak zahteva da:

kretanje bude:

•

•

pravolinijsko, periodično o dugačko o sa brzinom do ( ≅ v = 2[m/s]) o sa silom do 30 [kN] kružno o

sa visokim brojevima obrtaja (i do 25000 [o/min]) o za male snage, zbog lošeg stepena dobrote nema kretanja, što znači stezanje (samo indirektno preko mehanizma). 1.1.1. OSOBINE ENERGETSKE PNEUMATIKE Prednosti: Osobine pneumatike proizlaze uglavnom iz osobine samog sabijenog vazduha. • Zbog velike sabitljivosti vazduha pneumatski sistem može da akumuliše veliku količinu radnog medijuma, tj. sabijenog vazduha, što istovremeno znači i veliku količinu mehaničkog radnog potencijala tj. energije. Akumulacija se odvija u rezervoaru. • Zbog relativno niske viskoznosti moguće je formirati veću strujnu brzinu (nekoliko [m/s]) uz manji pad pritiska. • Zbog malog pada pritiska moguć je transport vazduha na veća rastojanja. • Transporovana količina mehaničkog radnog potencijala (pV) jediničnoj masi vazduha je relativno visoka vrednost što omogućava manje gabarite komponenata (kompresora, prečnika cevovoda, ventila, cilindara..itd...). • Radni medijum, vazduh, prisutan je svugde, nije potreban poseban izvor.

28

1. Podela pneumatike • • • • • •

Regulacija brzine kretanja izvršnih organa je relativno lako izvodljiva primenom izentalpskog prigušivanja što se realizuje prigušnim ventilima. Izentalpskim prigušivanjem sabijenog vazduha koje se realizuje prigušnim ventilima podešavamo protok a time i brzinu kretanja klipa i poluge. Regulacija sile (dejstva) izvršnih organa vrši se takođe 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 (položaj i rastojanje) ograničenja. Sabijeni vazduh je pogodan za pokretanje laganih ručnih alata male snage sa 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 (pv), čiji pokazatelj pritisak u principu bez gubitka tj. rasipanja moguće je održavati u nepokretnim sistemima beskonačno dugo. Kod stvarnih sistema obično postoje izvesni zapreminski gubici što treba kontinualno nadoknaditi svežim sabijenim vazduhom radi održvanja odgovarajućeg pritiska. Medjutim kod dobro zaptivenih sistema te gubitke možemo svesti maltene na nulu.

Nedostaci: •

•

•

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 (p V). Kod otvorenih sistema, zajedno sa vazduhom, ova energija izlazi u atmosferu. Primenom zatvorenog sistema (skupljati vazduh) veći deo te energije mogao bi 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

29

1. Podela pneumatike

•

okruženje, sa druge strane štetno utiče i na zdravlje, tačnije na pluća radnika. Ima više rešenja za eliminisanje ulja iz atmosferskog vazduha: 0 prvo, primena zatvorenog sistema, o drugo, kod otvorenih sistema upotreba filtra za ulje prilikom ispuštanja vazduha, o treće, tendencija je danas kod poznatih svetskih proizvođača da razvijaju izvršne organe koji ne zahtevaju ulje za podmazivanje. Treća varijanta se sve više primenjuje u svetskim razmerama.

1.2. UPOREĐENJE RAZNIH SISTEMA ZA PRENOS MEHANIČKOG RADNOG POTENCIJALA U tehničkoj praksi za prenos, razvod mehaničkog radnog potencijala uglavnom imamo tri sistema i to elektro-mehanički, pneumatski, hiadrulični sistem. Kao što vidimo ima ih više jer nijedan od njih nije idealan i svestran, svaki ima prednosti i nedostatke što znači da je primenljiv tamo gde ispoljava dobre osobine. Te osobine uglavnom slede iz samih osobina medijuma za prenos energetskog radnog potencijala.

1.3. UPRAVLJAČKA PNEUMATIKA Sedamdesetih godina prošlog veka upravljačka pneumatika je dostigla svoju kulminaciju u tehničkoj primeni. Počeli su je primenjivati kod vasionskih letilica, kod aviona, u mašinskoj industriji, u tehnološkoj industriji itd. Pojavom i primenom poluprovodničke tehnike pneumatske logičke i upravljačke komponente sve više su zamenjene električnim i elektronskim elementima. Danas pneumatsko upravljanje se primenjuje tamo gde upravljački algoritam nije komplikovan i ide se na monoenergetski sistem radi smanjivanja cene izrade mašine. 1.3.1. OSOBINE UPRAVLJAČKE PNEUMATIKE

Prednosti: •

30

osnovna prednost upravljačke pneumatike je da zajedno sa energetskom pneumatikom čine monoenergetski sistem, tj. i jedna i druga koriste sabijeni vazduh, tako da nema potrebe za drugim energetskim sistemom,

1. Podela pneumatike •

u slučaju primene sabijenog vazduha za prenos i obradu upravljačkih informacija ne preti opasnost od eksplozije u eksplozionim sredinama jer se ne stvara električna iskra što se može eventualno desiti primenom električnog sistema.

Nedostaci:

• • • •

sporo stvaranje i prostiranje pneumatskog signala, velike dimenzije pneumatskih logičkih elemeneta, komplikovano je povezivanje pneumatskih logičkih elemeneta sa cevima, promenu upravljačke logike je moguće realizovati jedino rasklapanjem postojeće i ponovno sklapanje nove od predviđenih pneumatskih logičkih elemeneta.

1.4. ELEKTROMEHANIČKI SISTEM Elektromehanički sistem se sastoji od elektromotora i čvrstih mašinskih elemenata. Mašinski elementi su čvrsti, zato veoma malo deformabilni. Ova osobina obezbedjuje stalnu kinematsku vezu između proizvodjača mehaničkog rada (elektromotora) i potrošača (mašina). Sistem akumuliše energiju maltene jedino u obliku kinetičke energije.

Prednosti: •

pogodan je za precizno pozicioniranje uz predusporavanje i primenu kočnice.

Nedostaci: • • • •

osnovni nedostatak elektro-mehaničkog sistema je geometrijska komplikovanost konstruktivnih elemenata mehanizma za prenos mehaničkog rada. veliki gabariti u slučaju veće snage, komplikovano je sa njim ostvarivati pravolinijsko kretanje izvršnih organa, veoma je teško stvoriti konstantnu statičku silu za stezanje.

31

1. Podela pneumatike

1.5. HIDRAULIČNI SISTEM Pokazuje velike sličnosti sa pneumatskim, kako u strukturi tako i u načinu funkcionisanja i upravljanja. Osobine radnih medijuma ih čine različitim i obezbedjuje drugačije karakteristike.

Prednosti: •

•

• •

Zbog veoma male stišljivosti ulja ne preti opasnost od većih oscilacija protoka, a zajedno sa tim i pritiska. Iz iste osobine sledi i to da ulje akumuliše malu količinu mehaničkog radnog potencijala. Kao posledica povećava se energetski stepen dobrote prenosa. Manja količina energije odlazi sa uljem posle obavljanja rada u izvršnom organu. Praktična nestišljivost ulja omogućava u hidrauličnim sistemima postizanje i sto puta većih radnih pritisaka nego u pneumatskom, bez pretnje eksplozije i energetskih gubitaka. Povećavanjem pritiska, srazmerno se povećava gustina prenosa mehaničkog radnog potencijala, posledica je mogućnost postizanja ogromne sile u izvršnim organima.

Nedostaci: • • •

Skoro svi nedostaci proizlaze iz jake viskoznosti ulja. Zbog jake viskoznosti ulja strujni gubici su veoma intenzivni, drugačije rečeno, značajan je gubitak transportovanog radnog potencijala. Posledica viskoznosti je da je brzina strujanja ulja relativno mala a sa time i brzina kretanja energetskih izvršnih organa. I usled nestišljivosti pojavljuje se nedostatak, naime, treba primenjivati poseban akumulator energije sa stišljivom masom.

1.6. KONSTATACIJE: Pneumatika: Primenljiva je tamo gde je potrebna veća brzina kretanja energetskih izvršnih organa sa dejstvom do 30 kN (3t) i za male snage zbog visokih energetskih gubitaka.

Hidraulika: 32

1. Podela pneumatike Hidraulika i pneumatika se dopunjuju. Hidraulika je pogodna za postizanje veoma velikih sila u energetskim izvršnim organima pri malim brzinama kretanja. Tumačenje: velike sile. jer je ulje nestišljivo, male brzine, jer je ulje viskozno.

Elekto-mehanički sistem: Elekto-mehanički sistem je pogodan gde se traži tačno, precizno pozicioniranje.

33

2. ENERGETSKA PNEUMATIKA

2. Energetska pneumatika

2.1. STRUKTURA ENERGETSKE PNEUMATIKE Struktura energetske pneumatike u obliku blok dijagrama izgleda na sledeći način:

POTROŠAČ, mašina

ENERGETSKI IZVRŠNI ORGANI Aktuatori ili pneumatski motori UPRAVLJAČKI IZVRŠNI ORGANI Razvodni i regulacioni ventili

UPRAVLJAČKI LOGIČKI ELEMENTI PRIPREMNA GRUPA Filter, regulator pritiska, zauljivač i odvajač kondenzata

REZERVOAR Sa sigurnostnim ventilom i odvajačem kondenzata

TOPLOTNA ENERGIJA

HLADNJAK - SUŠAČ RAZVONI SISTEM – CEVOVOD

E

L POGONSKI MOTOR

Mehaničke nečistoće

odvajačem kondenzata

KOMPRESOR FILTERI VAZDUH

Slika 10. Blok dijagram struktura energetske pneumatike

34


Za strukturu pneumatskog sistema karakteristično je da su gore navedene komponente prostorno razdvojene prema potrebi tehnološkog zadatka bez ikakvog ograničenja, a povezani su pomoću cevovoda.

2.2. FUNKCIONISANJE PNEUMATSKOG SISTEMA Preko cevi struji radni medijum, sabijeni vazduh struji do energetskih izvršnih organa i transportuje radni potencijal (p V) primljen od kompresora. Strujanje je praćeno gubitkom mehaničkog radnog potencijala zbog prisustva unutrašnjeg trenja (viskoziteta) u vazduhu. Pokazatelj preko koga je najlakše pratiti energetsko prestruktuiranje je pritisak. Pritisak pokazuje nivo mehaničkog radnog potencijala (p V), 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 medijum 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 noseći sa sobom ogromnu količinu mehaničkog radnog potencijala (70-80%) i ulja za podmazivanje. Gubici su veliki kako u energetskom tako i u materijalnom smislu. Eventualno, primenom zatvorenog sistema, jedan deo energije, i najveći deo vazduha i ulja bi se mogao spasiti. Zatvoreno rešenje znači komplikovaniji i skuplji sistem razvoda, jer treba formirati povratnu cevnu mrežu sa 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 gubici prisutni, ali je lakše tehnički ostvariti ekspanziju vazduha na niži pritisak nego mehaničkom kompresijom povećati. 35


2.3. KOMPONENTE PNEUMATSKOG SISTEMA

2.3.1. RADNI MEDIJUM − VAZDUH 2.3.1.1 SASTAV VAZDUHA Vazduh je mešavina raznih jednoatomnih, dvoatomnih, troatomnih gasova a sadrži još i vodu, razne čvrste čestice, komade (prašina). U vazduhu su najviše prisutni azot (N2) i kiseonik (O2). Suvi i čisti vazduh sadrži N2 79 % i O2 21% u zapreminskom procentu. U praksi vazduh pored N2 i O2 uvek sadrži i druge gasove kao što su CO, CO2 a ponekad u pogonima i razne agresivne gasove npr. SO, SO2 itd. Posebnu pažnju treba posvetiti na prisutnu vodu, jer u pneumatskom sistemu voda u tečnom, eventualno u čvrstom stanju je jako štetna. U čvrstom stanju može da zapuši cevovod a u tečnom potpomaže, katalizuje, oksidaciju čeličnih konstruktivnih delova, zato relativna vlažnost vazduha u svim tačkama pneumatskog sistema i u najtežim radnim uslovima (minimalna temperatura, maksimalni pritisak) mora da bude manja od jedan. Vazduh treba sušiti. Sušenje je moguće izvesti upijanjem vode, vodene pare sa tečnosću (absorpcija) ili čvrstim telom (adsorbcija) npr. silikagelom. Silikagel je trgovački naziv ekspandiranog silicium dioksida, SiO2 sa ogromnim brojem mikroskopskih pukotina, kapilara. Kapilari uvlače čestice vodene pare Spomenuti postupci su primenljivi samo kod stacioniranog (mirujućeg) vazduha u malim količinama, ako je u pitanju velika količina protočnog vazduha, praktično sušenje je moguće izvesti samo hladjenjem, kondenzacijom.

2.3.1.2 OSOBINE VAZDUHA Sa aspekta pneumatike najbitnije osobine vazduha su:

stišljivost, gustina, viskoznost, sadržaj vode i čvrstih čestica.

36


Stišljivost vazduha je visoka, možemo je meriti po koeficijentu stišljivosti. Ova osobina vazduha u velikoj meri karakteriše osobinu kompletnog pneumatskog sistema. Obezbeđuje mu veliku moć akumulacije materijala, a zajedno sa tim i energije. Iz te osobine proizlazi i nepoželjan efekat skakutanja izvršnih organa i loš energetski stepen dobrote prenosa kod otvorenog sistema. Viskoznost vazduha je relativno mala vrednost, zato je u pneumatskom sistemu moguće postići i veće brzine kretanja vazduha kako u cevovodu tako i u izvršnim organima, bez većih strujnih gubitaka. Sadržaj vode u vazduhu moguće je pratiti preko pokazatelja kao što je apsolutna i relativna vlažnost vazduha. Apsolutna vlažnost je odnos koji pokazuje ukupnu količinu vode u vazduhu, bez obzira na agregatno stanje vode. Tačnije rečeno, koliko kg-ma vode ima u kg-mu suvog vazduha.

x=

m voda [kg] [-] m vazduh [kg]

Relativna vlažnost ima puno veći značaj od apsolutne. Ona pokazuje odnos izmedju parcijalnog pritiska efektive količine prisutne vodene pare i parcijalnog pritiska maksimalne količine vodene pare u vazduhu. Maksimalna količina vodene pare u vazduhu je vrednost koju još može u potpunosti da apsorbuje (upija) vazduh na posmatranoj temperaturi i pritisku. Preko te količine, para se kondenzuje, prelazi u tečno stanje i izdvaja se u obliku magle.

ϕ=

p efekt [Pa ] = f (T,p) p max [Pa ]

Konstatacija: Apsorbciona moć vazduha u velikoj meri zavisi od temperature, a u manjoj meri od pritiska. Raste kad se povećava temperatura ili opada pritisak.

37


2.3.2. FILTRACIJA I FILTERI 2.3.2.1. FILTRACIJA Najšire posmatrano filtracijom možemo odstraniti sve nepoželjne komponente vazduha. U praksi se filtracija najčešće odvija potiskivanjem vazduha preko poroznog sloja. Hemijsko aktivni filteri su ispunjeni sa poroznim materijalom koji ima hemijski afinitet prema komponentama vazduha koje želimo odstraniti. Prostrujavanjem vazduha preko aktive ispune dolazi do hemijske relacije, (do hemijskog vezivanja čestica). Tako se mogu odstranjivati nepoželjni gasovi npr. SO, SO2. Vek trajanja, kapacitet filtera je ograničen pa ispunu povremeno treba promeniti, zato valja postaviti dva filtera sa paralelnom vezom. Jedan radi dok se drugi se menja. Stanje filtera moguće je kontrolisati preko praćenja koncentracije nepoželjnog gasa u vazduhu, ako koncentracija poraste preko dozvoljene vrednosti, ispunu filtra treba promeniti. Valja napomenuti da je primena aktivnog filtera u praksi prava retkost. Nasuprot tome, primena neaktivnih ili mehaničkih filtera je obavezna u svim pneumatskim sistemima. Mehaničkom filtracijom se odstranjuju čvrste - mehaničke čestice, prašina iz vazduha.

2.3.2.2. POZICIJA FILTERA Mehanički filteri se ugradjuju u razne lokacije u pneumatskom sistemu. U usisnu granu kompresora kod otvorenog sistema je obavezno potrebno ugraditi filter. Svež vazduh uzet iz okoline, uvek sadrži izvesnu količinu prašine i komadića raznih predmeta, počev od listova do vlakana tkanina. Za odstranjivanje krupnih komada, u usis se ponekad stavlja sasvim grubi filter od metalne žice.

Obrazloženje: Bez filtracije, prašina ulazi u kompresor, pomeša se sa uljem za podmazivanje stvarajući mešavinu kao masa za brušenje. Neke veoma oštre čestice prašine zajedno sa uljem dospevaju u sve okretne sklopove kompresora 38


izazivajući habanje mašinskih elemenata. Neke od čestica prašine sa strujom sabijenog vazduha dospevaju i u druge komponente sistema, u ventile, izvršne organe i tamo izazivaju habanje. Druga lokacija, gde se po pravilu stavlja filter, je potisna grana tj. na ulaz u izvršne organe. Spomenuti filter se ugradjuje u pripremnu grupu i veće je finoće nego filter u usisnoj grani. Na prvi pogled se čini da je fini filter skoro nepotreban, jer je u ulaznom filteru vazduh već očišćen, međutim ne treba zaboraviti da u toku eksploatacije pneumatskog sistema postoji mogućnost odvajanja raznih čestica od konstruktivnih materijala usled habanja, oksidacije, lomljenja itd. Te čestice sa vazdušnom strujom dospevaju u izvršne organe i izazvaju spomenute nepoželjne efekte.

2.3.2.3. MEHANIČKI FILTERI Obično ih klasifikujemo prema veličini rupica filtracionog sloja. Fini filteri imaju pore prečnika nekoliko 10 µm (papir), srednji filteri prečnika rupica nekoliko 100 µm (papir), grubi filteri prečnika otvora od nekoliko milimetara. Danas za fine i srednje filere, materijal filtracionog sloja skoro je uvek od poroznog specijalnog papira. Nekad su primenjivali i razne tkanine tzv. filc. Za grube filtere po pravilu primenjuje se metalna mreža pletena ili probušeni (perforirani) lim. U principu geometrijski oblik filtera može da bude veoma različit, međutim optimalan oblik je ipak valjak. Prednosti valjčastog geometrijskog oblika su sledeće: • • • •

Filtraciona površina je od papira i savijena je u obliku harmonike. Od tako savijenog papira najlakše je formirati valjak koji zauzima malu zapreminu i ima mali obim i veliku aktivnu površinu. Valjčasti oblik ima veliku čvrstoću, zato podnese veću razliku pritiska (∆p) Lako ga je zameniti, lako se vadi i stavlja valjčasti umetak u kućište filtera. Zaptivači kućišta valjčastog oblika su jednostavnii, uglavnom su to gumeni prstenovi.

39

2. Energetska pneumatika ulaz vazduha izlaz vazduha papir u obliku harmonike zaštitni sloj od tankog perforiranog lima

Slika 11. Šematski prikaz valjkastog filtera

2.3.2.4. TRAJNOST FILTERA Filter se koristiti do zapušenja većina pora u filtracionom sloju. Zapušenje se manifestuje u povećanju vazdušnog pritiska ispred filtera radi potiskivanja određenog protoka vazduha preko filtera. Detektovanje stanja filtera je moguće primenom dva manometra za merenje pada pritiska – otpora preko filtra. U slučaju usisavanja vazduha iz atmosfere i jedan manometar je dovoljan. Kada mereni pad pritiska dostigne propisanu vrednost treba izmeniti uložak.

p1

p2

∆p = p1 – p2 Slika 12. Šema merenja otpora filtera

Bez merenja pada pritiska ne može se saznati pravo stanje filtera, a zamena u tom slučaju je samo intuitivno-iskustvena ili administrativnopreventivna. Zamena uloška filtera nakon kriterijumima propisanog vremenskog perioda je potpuno nesigurna i ponekad neopravdana.

40


2.3.3. RAZVODNI SISTEM – CEVOVOD

2.3.3.1. UVOD Energetski pneumatski sistem služi za transport mehaničkog radnog potencijala (p V) što znači da su proizvodjač (kompresor) i potrošač (aktuator), u zavisnosti od tehničke situacije na izvesnom rastojanju. U pitanju je jedan centralizovani potrošački sistem mehaničkog rada, tj. sistem aktuatora u centru sa kompresorom. Za energetsko povezivanje kompresora sa aktuatorima služe razvodni sistem ili cevovod.

2.3.3.2. POPREČNI PRESEK CEVI Osnovna komponenta razvodnog sistema je cev. Kroz nju struji transporter energije, (sabijeni vazduh). Veoma je bitno naći optimalno rešenje za oblik poprečnog preseka, koji zadovoljava kriterijume u pogledu tehnologije izrade, ugradnje, spajanja sa komponentama, uslova strujanja, vrste i količine materijala, naponskog stanja. Sretna okolnost je da sve te gornje uslove zadovoljava kružni poprečni presek. Idealni poprečni presek cevi za razvod je krug:

Slika 13. Raspodela pritiska u cevi kružnog poprečnog oblika

41


Obrazloženje: • •

• • •

kružni poprečni presek, od mogućih preseka, ima najveću površinu proticanja u odnosu na obim, cev sa kružnim prstenastim poprečnim presekom od mogućih preseka ima najpovoljnije naponsko stanje. Naprezanje zida cevi sa kružnim prstenastim poprečnim presekom, svodi se na čisto istezanje ili pritisak (nema savijanja) u zavisnosti od toga da li sabijeni vazduh opterećuje cev spolja ili iznutra, iz gornje dve konstatacije sledi da se za izradu cevi kružnog prstenastog poprečnog preseka troši manja količina materijala od ma kojeg drugog profila, razlozi su: obim kruga je najmanji od svih obima za razne oblike, zbog najpovoljnijeg naponskog stanja i debljina zida je najmanja. samo kod kružnog preseka je moguća primena navoja za spajanje.

2.3.3.3. DEFINISANJE ZIDA CEVI U zavisnosti od spoljašnjeg opterećenja, pritiska (p) i od jačine primenjenog materijala cevi (σe), moguće je definisati debljinu zida cevi. Polazi se od statičkog uslova ravnoteže, jer ovaj uslov u toku eksploatacije mora biti ispunjen u svakom trenutku u svakoj geometrijskoj tački

cevi.

42


p Fp Fu

Fu

δ

L

δ

D

Slika 14 Plan sila statičkog uslova ravnoteže

Statički uslov ravnoteže Σ F = m ⋅ &x& = 0 Spoljašna sila usled pritiska

FP = p ⋅ A P AP = D ⋅ L

projekcija unutrašnje površine

Unutrašnja sila u materijalu zida Fu = σ e ⋅ A u σm dozvoljeni napon u zidu cevi ν A u = δ ⋅ L površina uzduznog preseka

σe =

Ravnoteža sila FP − 2 ⋅ Fu

=0

p ⋅ A P − 2 ⋅ σe ⋅ A u = 0 p ⋅ D ⋅ L − 2 ⋅ σe ⋅ δ ⋅ L = 0 Konačna zavisnost 43


p ⋅ D − 2 ⋅ σe ⋅ δ = 0 Konačna zavisnost je pogodna za: 1. Dimenzionisanje debljine zida cevi (δ) za odredjeni pritisak (p), materijal (σe) i veličinu prečnika (D) δ=? (poznato je: p, σe, D), 2. Proveru maksimalnog radnog pritiska (p) za datu cev debljine zida (δ), materijala (σe) i veličine (D) p=? (poznato je: δ, σe, D)

2.3.3.4. MATERIJAL ZA CEVI Radni pritisak u pneumatskim sistemima obično je do p=6 [bar]. Povećanje radnog pritiska energetski nije opravdano, jer srazmerno sa porastom pritiska eksponencijalno rastu i gubici. Nivo pritiska do 6 [bar] bez većih debljina zida cevi mogu trajno da izdrže mnogi konstruktivni materijali: čelik, bakar, plastika, guma. Tradicionalni materijali za izradu cevi su čelik i bakar sa dobro poznatim osobinama.

Čelik: Osnovni nedostatak mu je da korodira. Treba voditi računa da toku eksploatacije u čeličnim cevima ne dodje do kondenzacije vodene pare, jer u suprotnom, cevna mreža brzo propada. Cevi se spajaju zavarivanjem ili navojnim spojevima. Montaža nije laka zbog težine i tvrdoće čeličnih cevi. Bakar: je plemenitiji materijal od čelika, ne korodira, lakše se ugradjuje, jer bakarna cev se lakše savija. Cevi se spajaju tvrdim lemljenjem. Bakar u svakom pogledu ima bolje osobine od čelika sem čvrstoće i cene. Guma: Veoma je elastična, zato je gumene cevi lako ugradjivati. Za veće pritiske armira se sa staklenim vlaknima ili čeličnom žičanom mrežom. Primenjuje se samo za manje dužine, uglavnom zbog cene, jer od svih mogućih materijala, gumene cevi su najskuplje. Plastika: Veliku pažnju treba posvetiti plastičnim cevima. Danas već veoma značajnu ako ne i odlučujuću ulogu igraju u tehničkoj praksi. Visoku

44


cenjenost plastične cevi mogu zahvaliti veoma povoljnim osobinama koje su sledeće:

Prednost: • pre svega cena im je povoljna, • nisu osetljive na baze, kiseline i ne oksidišu se. Zato ih ne treba štititi raznim premazima od korozije, naprotiv, veoma im pogoduje vlažna i tamna sredina, • lako se montiraju jer je njihovo spajanje lako izvodljivo pomoću homogenog zavarivanja (primenom toplog vazuha) ili spojnicama sa holanderima, • gipkost im obezbeđuje još mnogo veoma povoljnih osobina, • zbog gipkosti plastične cevi su namotaei u koture dužine od i više stotina metara. Prilikom montaže bez spajanja, odseca se potrebna dužina. • savitljive su i bez primene posebnih kolena. Moguće ih saviti u kružni luk malog poluprečnika, • ne predstavlja nikakav problem plastičnim cevima spajati komponenete koje u prostoru zauzimaju proizvoljan položaj. Nedostaci: • Plastične cevi imaju samo jedan ozbiljan nedostatak, a to je, starenje. Starenje plastičnih cevi: U vezi starenja plastičnih cevi ono što nam je poznato, znamo na osnovu laboratorijskih ispitivanja. U tehničkoj praksi imamo ih svega nekoliko decenija. Proces starenja uglavnom izazivaju ultra violetni zraci. UV zraci su sposobni da prodru u plastičnu masu i da razbiju polimerizovani lanac velikih molekula. Posledica je da plastična masa postaje kruta i lomljiva. Na sreću postoje materijali koji mogu bitno da usporavaju proces starenja. U žargonu ti materijali se zovu aditivi, dodaci. Jeda od najpoznatijih među njima je aktivni ugalj, čađ. Čađ se u nekoliko procenta dodaje plastičnoj masi i homogeno se pomeša sa njom.

2.3.3.5. MATERIJAL PLASTIČNIH CEVI: Plastične cevi su izrađene od raznih polimerizovanih hidrovodonika. Trgovački nazivi spomenutih vestačkih masa su: 45


polietilen, polipropilen, polibutilen, polivinilhlorid (PVC) …itd. Za veće pritiske se najviše primenjuje polipropilen i polietilen veće gustine. Do 10 [bar] i blizu sobne temperature u zid cevi se ne stavlja armatura, jer odgovarajuću čvrstoću plastike postižemo povećanjem gustine. Za više temperature ugrađuje se armatura u obliku pletene mreže od staklenih vlakana i eventualno od čeličnih niti. U poslednje vreme se umesto pletene mreže primenjuje bakarna ili aluminijumska cev tankog zida, praktično, bakarna ili aluminijska cev sa unutrašnje i spoljašnje strane prevučena polietilenom. Ovakve cevi se mogu ručno trajno saviti, zato ih je veoma lako montirati i bez zavarivanja formirati kompletan cevovod. Cena im nije značajno veća od čeličnih cevi, a montaža je prostija i brža, a time i jeftinija.

Stakl. vlakna

Al, Cu

Slika 15. Šema armiranih plastičnih cevi

Slika 16. Presek cevi sa čeličnom armiturom

46


2.3.3.6. SPAJANJE CEVI Čelične, bakarne i plastične cevi se spajaju hladnom i toplom tehnikom, a gumene samo hladnom. Topli postupak znači homogeno zavarivanje, tvrdo i meko lemljenje. Postupci homogenog zavarivanja su elektrolučno, autogeno i zavarivanje toplim vazduhom. Ovi postupci zahtevaju posebnu opremu, energetski izvor, visoko kvalifikovanu radnu snagu sa velikim iskustvom i rad na terenu. Sumirano, topli postupci su prilično komplikovani i skupi. Medjutim za spajanje čeličnih i bakarnih cevi oni su veoma često u primeni.

Hladno spajanje bi značilo povezivanje cevi primenom raznih elemenata za spajanje. Spojnice su skoro uvek bazirane na primeni navoja. Navoj obezbedjuje medjusobno pomeranje, približavanje mašinskih elemenata, i spajanje.

2.3.3.7. ELEMENTI ZA SPAJANJE CEVI– SPOJNICE Za povezivanje cevi manjih prečnika se primenjuju spojnice sa holenderom, za veće prečnike koristimo prirubnice, za medjusobno spajanje čeličnih cevi mufove, kolena, te-račve itd. Velika prednost mekih bakarnih i cevi od plastike je da su one u koturu i ne treba ih medjusobno spajati, jer je dužina kotura ide i do 200 ÷ 300 [m].

47

2. Energetska pneumatika Slika 17. Spoj sa prirubnicom za plastične cevovode 1 i 2 prirubnice; 3 vijčani par; 4 zaptivač

Slika 18. Spojnica sa holenderom za plastične cevi

Sika 20. Lako rastavljivi cevni spojevi pomoću navoja

Načini spajanja: 48


a) pomoću zaptivnog elementa; b) i c) pomoću koničnih krajeva d) i e) pomoću steznog prstena

2.3.3.8. CEVNA MREŽA I VRSTE Cevna mreža je skup cevi različitih dimenzija i služi za povezivanje komponenata pneumatskog sistema. Sastoji se od magistralne cevi i od lokalnih grana. Magistralna (glavna) cev spaja kompresor preko hladnjaka sa rezervoarom i produžuje se do lokalnih grana. Lokalne grane se priključuju na magistralu i snabdevaju potrošače sa sabijenim vazduhom. Magistralna cev, gde su priključci, formira se geometrijski, zrakasto ili prstenasto.

Slika 21. Zrakasta i prstenasta magistrala

Zrakasti sistem razvoda geometriski je prostijijer je magistrala jednostavnija. Nedostatak jednostavnije magistrale je u tome, što su pojedine grane do potrošača duže, pa će kod istovremenog uključivanja aktuatora zbog velike potrošnje sabijenog vazduha, pritisak biti manji kod poslednjih, najudaljenijih potrošača. Kod prstenastog sitema razvoda pad pritiska do potrošača je manji, jer se potrošači snabdevaju sabijenim vazduhom sa obe strane. Grane do aktuatora su kraće jer magistrala ide okolo na spošnjem zidu hale. Jedini nedostatak je veća cena. Magistralna cev treba da ima blagi pad (max 1-3%) prema smeru strujanja sabijenog vazduha, sa time je obezbedjeno istosmerno strujanje eventualno stvorenog kondenzata. Posle nekoliko metara po dužini cevi treba postaviti odvajač tečnosti i cev ponovo podići. 49


Slika 22. Magistralni vod sa odvajačem kondenzata

2.3.3.9. KARAKTERISTIKA CEVOVODA 2.3.3.9.1. MATEMATIČKI MODEL Za praćenje hidrodinamičkog ponašanja radnog medijuma u cevovodu potrebno je matematičko opisivanje fizičkih pojava. Matematički model preko parametara stanja daje vezu izmedju energetskih nivoa. U toku strujanja unutar fluida odvijaju se energetske transformacije, opisane u nastavku. Nakon kompresije sabijeni vazduh u sistemu raspolaže sa najvišim radnim potencijalom (pV). Zbog visokog radnog potencijala počinje strujanje radnog medijuma ka potrošačima. Usled kretanja aktivira se unutrašnje trenje (viskozno) i stvara se otpor. Za savladjivanje strujnog otpora troši se deo mehaničkog radnog potencijala i pretvara se u toplotni potencijal ili u drugi vid energije (izentalpsko prigušivanje). Pokazatelji energetskog nivoa, srazmerno prate te energetske promene. Pad pritiska pokazuje opadanje mehaničkog radnog potencijala. Porast temperature sabijenog vazuha pokazuje porast toplotnog sadržaja. Interesuje nas šta se dešava sa transportovanom energijom,odnosno, sa mehaničkim radnim potencijalom. Postavlja se pitanje kako se može energetski transport realizovati uz najmanje energetske gubitke. Zadovoljavaljući odgovor, može nam dati matematički model. Matematičko opisivanje transportnog procesa je bazirano na poluempirijskoj relaciji izmedju pada pritiska i člana kinetičke energije. Član kinetičke energije se množi sa koeficijentima koje uzimaju u obzir strujne i geometrijske karakteristike cevi i cevovoda.

50


Radi uprošćenja matematičkog modela, uvode se sledećepretpostavke: cevovod se sastoji od pravih delova, u kojima se prečnik i smer kretanja medjuma ne menja i nema lokalnih otpora, i od lokacija koje su uzroci za stvaranje vrtloga. Vrtlozi se stvaraju zbog promene prečnika, primene kolena, račvi, ventila itd. Matematička formulacija pada pritiska u pravim delovima covovoda, po Darsijevoj poluempiriskoj jednačini:

∆p l = ξ l ⋅

gde je:

l w2 ⋅ ⋅ρ d 2

d [m] l [m] w [m/s] ρ [kg/m3]

unutrašnji prečnik dužina cevi brzina medijuma gustina medijuma

ξl ξ l = f(Re, ε) [-]

Re =

koeficijent gubitaka u pravim delovima cevovoda koeficijent zavisi od vrste strujanja i relativne hrapavosti unutrašnje površine cevi

d⋅w [-] ν

ν [m2/s] ∆d ε= [-] d

Rejnolds-ov broj.

koeficijent kinematičke viskoznosti relativna hrapavost unutrašnje površine cevi

∆d [m]

apsolutna hrapavost unutrašnje površine cevi

51

∆d

d

∆d


Slika 23. Hrapavost unutrašnje površine cevovoda

Matematička formulacija pada pritiska u lokalnim delovima cevovoda je:

∆p lok = ξ lok ⋅

w2 ⋅ρ 2

ξ lok – koeficijent lokalnih gubitaka ξ lok = f (geometrija lokalnih elemenata) Ukupan pad pritiska izmedju dve tačke ceovovoda jednak je zbiru pada pritiska u pravim i u lokalnim delovima: m

n

m

i =1

i =1

i =1

∆p = p 1 − p 2 = ∑ ∆p li + ∑ ∆p loki = ∑ ξ li ⋅

n l i w i2 w2 ⋅ ρ + ∑ ξ loki ⋅ i ρ i =1 di 2 2

Ako u posmatranoj deonici cevi imaju isti nominalni prečnik (d i ) tada su i prosečne brzine iste (w i ), dakle gornja relacija može se napisati u sledećem obliku: n  m  wi2 li  ∆p =  ∑ ξ li ⋅ + ∑ ξloki  ⋅ ρ d i i =1  i =1  2

Sa aspekta praktičnosti umesto brzine valja uvesti protok koji je lako merljiva veličina stanja. Ova smena je moguća samo onda, ako je prečnik cevi u deonici konstantna veličina, iz čega sledi da je i protok nepromenljiv . Sretna okolnost je da u tehničkoj praksi uvek radimo sa cevima konstantnog prečnika. Prosečan zapreminski protok na dužini l, ako d = const: 52


GV = A ⋅ w površina poprečnog preseka cevi

A=

d2π 4

w=

GV GV ⋅ 4 = 2 A d π

n l i G 2Vi ⋅ 16 G 2Vi ⋅ 16 ∆p = ∑ ξ li ⋅ ⋅ 4 2 ρ + ∑ ξ loki ⋅ 4 2 ρ di di π ⋅ 2 di π ⋅ 2 i =1 i =1 m

Konstatacije: • • • •

Kod realizovanog cevovoda prečnika d i dužine l, ako se transportuje količina medijuma protoka Gv, troši se mehanički radni potencijal što se meri padom pritiska ∆p. Pad pritiska ili gubitak mehaničkog potencijala kvadratno se menja sa promenom protoka. Količina protoka je posledica razlike pritiska izmedju polazne tačke (1) i poslednje tačke (2) u cevovodu. tj. p1 − p2. Pritisak polazne tačke p1 zavisi odpodešenosti rada kompresora, praktično od naše volje.

53


Slika 24. Dijagram za određivanje koefcijenta ξ

54


• •

•

Pritisak poslednje tačke u cevovodu p2 zavisi i menja se sa petim i četvrtim stepenom u zavisnosti od prečnika, zatim menja se srazmerno dužini i hrapavosti površine cevi, a utiču i vrste strujanja. Najveći uticaj na pad pritiska ima prečnik cevi. Promene prečnika sa petim i sa četvrtim stepenom obrnuto srazmerno utiču na promenu pada pritiska.

Ako se dva puta povećava prečnik cevi, u pravom delu 25= 32 puta a u lokalnom delu 24= 16 puta se smanjuje pad pritiska za istu vrednost protoka.

2.3.3.10. GRAFIČKO PRIKAZIVANJE KARAKTERISTIKE CEVOVODA Pad pritiska u funkciji protoka se može prikazati kao familija krivih drugog reda, tj parabole.To je slučaj kada je strujanje turbulentno. Familija parabola se dobija menjanjem variabilne konstante (l, d, ρ, ε, Re). Može se konstatovati da su neke fizičke veličine već unapred definisane kao što su rastojanje, dužina cevi, radni medijum (vazduh) ili hrapavost površine cevi. Od nas zavisi, koji prečnik ćemo izabrati. Grafika puno pomaže u izboru, jer vizuelno možemo uočiti uticaj različitih prečnika. ∆p = C ( l, d, ρ, ε, Re …) ⋅ G 2V C – zavisi od geometrije cevi cevovoda

d=0

ove grane parabole fizički ne postoje, ne postoji negativan protok

∆p [bar]

d1

d2

d3

radna tačka d=∞ Gv [ m 3 /min] ili v [m/s] Slika 25. Karakteristika cevovoda

55


Dva krajnja slučaja: ako je prečnik površine proticanja jednak nuli otpor ili pad pritiska raste do maksimuma i protok postaje nula. Praktična realizacija ovog slučaja je pomoću promenljive površine proticanja, ventilom.Na dijagramu (sl.25) to je ordinata, − ako je prečnik beskonačno velik, ne postoji otpor i protok teži beskonačno velikoj vrednosti. U praksi nije ostvarljivo.Na slici (25) to je apscisa. −

Karakteristika cevovoda može da se definiše izborom prečnika cevi i tako se dobija statička osnovna karakteristika. Karakteristika se menja u toku vremena (eksploatacije) podešavanjem površine priticanja u regulacionom ventilu (lokalni pad pritiska).

2.3.3.11. RADNA TAČKA - PONAŠANJE CEVOVODA Radna tačka cevovoda je definisana padom pritiska i protokom koji se javljaju u posmatranom preseku cevovoda (tačka 2, sl.25). Eksplicitno određivanje radne tačke nije moguće samo jednačinom cevovoda. Jednačina sadrži tri nepoznate (p1, p2 ,Gv(v) pod uslovom da su poznate sve konstruktivne dimenzije: (d i , l i , ε, ρ). Za egzaktno matematičko definisanje problema potrebno je poznavati još dve jednačine: jednačinu kompresora, koja sadrži nepoznati pritisak medijuma nakon sabijanja (p1), i jednačinu izvršnog organa koja sadrži radni pritisak medijuma (p2) u potrošaču (cilindar). Rešavanjem spomenute tri jednačine definiše se radna tačka tj. Gv, ∆p = p1-p2 uz poznavanje svih geometrijskih dimenzija cevovoda (di, li, ε, ρ, ξl , ξlok ...). Parametri radne tačke (Gv, ∆p) stalno se menjaju u toku eksploatacije, jer pritisak (p1) u potisnoj grani kompresora zavisi od materijalnog bilansa medijuma, sabijenog vazduha. • Ako je protok medijuma iz kompresora veći nego što odlazi iz cevovoda (potrošnja) tada p1 raste. • Ako proizvodnja i potrošnja sabiljenog vazduha u ravnotaži p1= const. 56


•

Ako je proizvodnja sabiljenog vazduha manja od potrošnje, p1 opada.

Pritisak p2 takođe se menja i zavisi od spoljašnjeg otpora (sile) koju treba da savlada energetski izvršni organ (cilindar). Uticaj promene pritiska p1 može se ublažiti primenom kapacitivnosti tj. rezervoara. Rezervoar prima višak medijuma a u slučaju manjka, šalje ga u cevovod. Matematički posmatrano, transport radnog medijuma preko covoda je dosta složen proces, jer zavisi od vremena i prostora. Moguće je egzaktno opisati sa parcijalnim diferencijalnim jednačinama uz granične uslove (kompresor i aktuator), medjutim takva analiza izlazi iz okvira ovog kursa. Sa aspekta prakse ova problematika se svodi na tehnički proračun cevovoda za stacionarni (ustaljeni) režim transporta sabijenog vazduha.

2.3.3.12. TEHNIČKI PRORAČUN CEVOVODA U tehničkoj praksi proračun cevovoda se svodi na jednostavniju formu. Koristi se ranije izvedena analitička poluempirijska jednačina cevovoda. Proračunom se mogu tražiti: • prečnik cevi (d), • pad pritiska (∆p) • protok, brzina medijuma (Gv; w). U sva tri slučaja treba usvojiti sve parametre cevovoda sem traženih. Konfiguracija i sastav cevne mreže je poznat. Unapred znamo položaj i mesto kompresora, rezervoara i svih potrošača (mašina) sabijenog vazduha, a poznajemo sve dužine (li) i profile (račve, lukove, ventile…) kao i njihov broj. Znamo i to od kog materijala je napravljena cev, kolika je površinska hrapavost. Imamo na raspolaganju samo jednu algebarsku jednačinu petog reda, sa tri nepoznate. Moramo još postaviti dve jednačine ili usvojiti vrednost za dva parametra od tri nepoznata.

Tri nepoznate:

prečnik cevi, (d). pad pritiska (∆p), 57


protok ili brzina (Gv; w)

2.3.3.13. PRORAČUN PREČNIKA Pad pritiska usvojimo. Usvojena vrednost zavisi od naše slobodne procene, uzimajući u obzir tehničke zahteve potrošača i cenu cevovoda. Ako usvojimo malu vrednost pada pritiska to je pogodno u eksploataciji ali povećava cenu izrade cevovoda. Usvojena vrednost pada pritiska obično se kreće u granicama ∆p=0,1 ÷ 0,01 [bar]

Protok procenimo, izračunamo, na osnovu predviđene potrošnje potrošača. Poznat nam je projekat, plan sistema, poznajemo broj i karakter izvršnih organa, dakle možemo sprovesti dosta realnu procenu potrošnje. Potreban zapreminski protok: m

G V = ∑ G Vi i =1

potrošača

m [-] broj potrošača 3 Gvi [m /h] specifična potrošnja

Puno je jednostavnije umesto protoka usvojiti brzinu strujanja sabijenog vazduha. U slučaju sabijenog vazduha brzina može da bude nekoliko m/s (w=0,1 ÷ 2 [m/s]). Kao što je gore navedeno sve geometrijske podatke poznajemo sem prečnika. Nakon usvajanja ∆p i procene Gv ili v iz analitičke algebarske jednačine cevovoda iterativnim numeričkim postupkom može se izračunati, odrediti, prečnik. Prečnik nije moguće eksplicitno izraziti, jer ξ l zavisi od relativne hrapavosti i od Rejnoldsovog broja a oba zavise od prečnika, zatim ξ lok zavisi od geometrije i dimenzije lokalnih profila. Primenom računara i jednog veoma prostog iterativnog algoritma već iz implicitne jednačine cevovoda može se izračunati prečnik.

58


Algoritam je sledeći: ulaz: li, ∆p, Gv ili v, ρ, ∆d, γ d1= d1usv ξl (Re, ε) ξlok (geometrija, d) ∆p= (Σξl ( li / di ) + Σξlok ) ( w 2 ⋅ ρ / 2 )

∆ p k > ∆ p k −1

izlaz: di Slika 26. Algoritam za iračunavanje prečnika cevi

2.3.3.14. PRORAČUN PADA PRITISKA Pad pritiska možemo izračunati koristeći jednačinu za cevovod, ako ponajemo sve geometrijske dimenzije cevovoda i sve prečnike cevne mreže. Procenom utvrdimo i sve protoke u cevima.

2.3.3.15. PRORAČUN PROTOKA

59


Proračun protoka može se izvesti koristeći dobro poznatu jednačinu uz poznavanje svih dimenzija cevovoda. Pad pritiska i ovde terba usvojiti u svim deonicama cevovoda.

60


2.3.4. KOMPRESIJA i KOMPRESORI

2.3.4.1. UVOD Kompresor je komponenta pneumatskog sistema, koja je konstruisana i izvedena od čvrstih mašinskih elemenata, sa ciljem da mehanički rad pogonskog motora prenese na radni medijum kompresijom (sabijanjem). Kompresijom jedan deo prenešenog mehaničkog rada u radnom medijumu se pretvara u unutrašnju energiju (toplotnu), a drugi deo u pritisnu energiju tj. u mehanički radni potencijal (pv). Pokazatelj ili parametar stanja nivoa unutrašnje energije je temperatura, a mehaničkog radnog potencijala je pritisak. Kompresijom, nivo obe energije se povećava, a posledica je porast temperature i pritiska. Prilikom kompresije količinska podela mehaničkog rada na unutrašnju i pritisnu energiju zavisi od osobine radnog medijuma. Uglavnom je stvar medijuma, šta se stvara više, unutrašnja energija ili mehanički radni potencijal. Istovremenim odvođenjem stvorene unutrašnje energije može se uticati na proces kompresije, a stvaranje unutrašnje energije nemoguće sprečiti. Kod rashladnih sistema bilo bi poželjno da se kompresijom sav mehanički rad pretvori u unutrašnju energiju tj. da se povećava samo temperatura a da ne raste pritisak, a kod pneumatskog sistema, baš obrnuto, bez povećanja unutrašnje energije i temperature da se postigne porast mehaničkog radnog potencijala, tj. pritiska. Naime, pneumatski sistemi služe za transport mehaničkog radnog potencijala a ne unutrašnje - toplotne energije. U pneumatici unutrašnja - toplotna energija se pojavljuje kao čist energetski gubitak. U zavisnosti od načina vodjenja procesa kompresije, tj. od dinamike odvodjenja stvorene unutrašnje energije, znači hladjenje radnog medijuma, imamo beskonačno puno mogućnosti realizacije. 59

2. 2. Energetska pneumatika

Najgori način realizacije je adijabatsko vodjenje kompresije, bez ikakvog hladjenja, tj. pri potpunoj termičkoj izolaciji. Kompletno stvorena unutrašnja energija ostane u radnom medijumu. Najpovoljniji slučaj je izotermsko vodjenje kompresije. Znači, iz svih delova radnog medijuma odvodi se unutrašnja energija hladjenjem, istom dinamikom kako se ona stvara. Izotermska promena pri stalnoj temperaturi u tehničkoj praksi je nažalost neostvarljiva, možemo joj se samo približiti. Kod stvarnih kompresora uvek postoji izvesno hladjenje, barem prirodnim putem. To je razlog da se ne ostvaruje ni izotermski ni adijabatski proces, već politropski (puno promena), znači svaki parametar medijuma se menja. U tehničkoj praksi, mehanička kompresija se ostvaruje uglavnom istiskivanjem zapremine ili primenom centrifugalne sile, turbo-efekat.

2.3.4.2. PRINCIP ISTISKIVANJA ZAPREMINE Princip istiskivanja zapremine može da se opiše na sledeći način: pokretna površina, koja razdvaja prostor niskog i visokog pritiska, iz radne zapremine kompresora, primenom mehaničkog rada istiskuje radni medijum u prostor visokog pritiska. Kod principa istiskivanja mehanički rad se direktno pretvara u priraštaj unutrašnje energije i priraštaj mehaničkog radnog potencijala. Saopšteni mehanički rad vazduhu je jednak priraštaju entalpije. Entalpija je ukupan energetski sadržaj vazduha (I). Matematička formulacija principa:

I=

U+

p⋅V

/ ∆

∆I = ∆U + ∆ (p ⋅ V ) = ∆L ∆L = F ⋅ ∆S ∆U = m ⋅ C v ⋅ ∆T ∆ (p ⋅ V )

Tehnička realizacija principa istiskivanja može da bude veoma različita. Razvijeno je mnogo tehničkih rešenja i konstrukcija primenom različitih mehanizama sa svojstvenim osobinama, npr. klip i cilindar, spregnuti zupčasti par sa pravim i kosim ozubljenjem, rotacioni sa lopaticama itd.

60


Princip istiskivanja je možda najlakše uočiti kod mehanizma rotor sa lopaticama. Kod ove konstrukcije lopatica je pokretan zid i preko rotora se snabdeva sa mehaničkim radom.

Slika 27. Princip rada kompresora sa lopaticama

Kompresori na bazi istiskivanja zapremine su pogodni za postizanje visokih pritisaka uz manje protoke. Brzina kretanja pokretnog zida praktično ne utiče na nivo postignutog pritiska. Postignuti nivo pritisak zavisi od istisnute količine medijuma u prostor visokog pritiska. Konstrukcija mehanizma mora da bude tako dimenzionisana da izdrži to opterećenje.

2.3.4.3. PRINCIP TURBO KOMPRESIJE Preko rotirajuće zapremine lopatičnog kola prolazi radni medijum i ubrzava se. Mehanički rad lopatičnog kola prelazi na radni medijum u obliku kinetičke energije. Suština turbo kompresije je da se kinetička energija predata fluidu pretvara usporenjem u mehanički radni potencijal. Ovaj princip tehnički se ostvaruje pomoću rotirajućeg rotora sa lopaticama i usporivača tz. difuzora. Lopatični medjuprostor je radna zapremina kompresora, a difuzor, skupljač, je jedna cev promenjivog prečnika u obliku puža. 61


Ukupna energija radnog medijuma, vazduha, je jednaka zbiru entalpije i kinetičke energije. Priraštaj ukupne energije medijuma je jednak mehaničkom radu lopatičnog kola. Matematička formulacija principa:

I + EK = U +

∆I + ∆E

K

pV +

EK

/ ∆

= ∆U + ∆ (pV ) + ∆E

K

= ∆L

∆U = m ⋅ C V ⋅ ∆T  m ⋅ w2   ∆EK = ∆  2  ∆L = F ⋅ ∆S ∆(pV )

fizičko tumačenje oznaka za vazduh: I[J] Ek[J] U[J] L[J] m[kg] Cv[J/kgT] T[K] w[m/s] p[N/m2] V[m3]

∆

62

- entalpija - kinetičai energija - unutrašnja energia - mehanički rad - masa - toplotni kapacitet pri stalnoj zapremini - temperatura - brzina strujanja - pritisak - zapremina matematički-znači: razliku ili operator diferencijal, fizički - znači: promenu


2.3.4.4. TURBO KOMPRESOR

Slika 28. Šematski prikaz turbo kompresora

Slika: 29.1 Presek turbo kompresora

63


Oblici energije u pojedinim delovima turbo kompresora pogonski motor: mehanički rad L lopatično kolo: kinetička energia Ek difuzor: mehanički radni potencijal pV

Slika 29. Plan brzina napred i nazad savijenih lopatica

Napred savijene lopatice:

w R1 = w K + w T Nazad savijene lopatice:

w R1 = w K + w T wR – rezultujuća brzina medijuma wK – brzina medijuma u međulopatičnom prostoru wT – tangencijalna ili prenosna brzina lopatičnog kola

Sa oblikom lopatica može se uticati na vrednost porasta pritiska, tj. mehaničkog radnog potencijala. 64


Sa slike(29) se vidi da se sa napred savijenim lopaticama postiže veća brzina čestica vaduha, to znači da se akumuliše veća količina kinetičke energije u masi radnog medijuma. Iz veće količine kinetičke energije dobija se veća količina mehaničkog radnog potencijala,a kao posledica, viši nivo pritiska. Jasno je, da je za obrtanje lopatičnog kola sa napred savijenim lopaticama potreban pogonski motor veće snage. Konstatcija: napred savijene lopatice daju veći pritisak od nazad savijenih wR1 > wR2 Turbo efekat daje dobar energetski stepen dobrote kompresiji samo kod većeg protoka i nižeg pritiska. Sa porastom pritiska i zapreminski gubici rastu. kao posledica značajno opada energetski stepen dobrote. Turbo kopresorima je ovo osnovni nedostatak.

2.3.4.4. KLIPNI KOMPRESOR

2.3.4.4.1. KONSTRUKCIJA Centralni deo kompresora je radni prostor ispunjen medijumom. Radni prostor formiraju cilindar i pokretan zid, klip. U poklopcu cilindra su otvori za izlaz i ulaz medijuma. Otvori su zatvoreni ventilima sa oprugom radi razdvajanja prostora visokog i niskog pritiska. Klip i ekscentar pogonskog vretena su povezani sa klipnom polugom.

65


2.3.4.4.2. FUNKCIONISANJE Sama konstrukcija mehanizma definiše način rada kompresora. Obrtno kretanje pogonskog vretena sa ekscentrom preko klipnjače obezbeđuje klipu oscilatorno kretanje. Kretanjem klipa nazad od poklopca, u vazduhu koji ispunjava radni prostor stvara se niži pritisak od pritiska koji vlada u usisnoj grani. Zbog opadanja pritiska samoupravljeni istisni ventil zatvara, dok usisni ventil, otvara prolaz novoj količini vazduha. Usisavanje traje do unutrašnje mrtve tačke. Posle mrtve tačke počinje suprotnosmerno kretanje klipa, sabijanje. Istiskivanje počinje kada pritisak sabijenog vazduha dostiže za nijansu veću vrednost od pritiska koji vlada u prostoru visokog pritiska. Istiskivanje se odvija preko istisnog ventila

2.3.4.4.3. ENERGETSKI TOK Mehanički rad se formira u pogonskom motoru, prostire se preko vretena sa ekscentrom i klipnjače do klipa. Klip ispoljava dejstvo na radni medijum pomerajući ga ka izlazu. Tako se prenosi mehanički rad na medijum pretvarajući se delom u kinetičku energiju a najvećim delom u mehanički radni potencijal i unutrašnju energiju.

2.3.4.4.4. ŠTETNI PROSTOR Štetni prostor kod klipnih kompresora je zapremina iz koje klip ne može da istisne radni medijum. Prostor se formira zbog konstruktivnih razloga, jedan od tih je sedište kao i otvor ventila, zatim prostor zbog zazora izmedju poklopca i klip u gornjoj mrtvoj tačci . U ovom prostoru nakon istiskivanja zadržava se izvesna količina medijuma. Usled kretanja klipa radi usisavanja nove količine vazduha, preostala količina komprimovanog vazduha se širi i ispunjava deo radne zapremine, taj deo radnog prostora postaje nekoristan. Sa porastom pritiska istiskivanja uticaj štetnog prostora raste. Postoji kritičan pritisak kada ekspandirani vazduh iz štetnog prostora ispunjava ukupni radni prostor i ne može da se odvija usisavanje sveže količine. Transportovana količina medijuma tada pada na nulu. Štetni prostor je karakterističan samo za kompresore sa periodičnim radom i zauzima od ukupne radne zapremine 3-5%.

66


2.3.4.4.5. GRAFIČKI PRIKAZ RADA

Slika 30. Grafički prikaz rada klipnog komresora

2.3.4.4.6. OSOBINE: • •

•

Zbog konstruktivnih razloga klipni kompresor pogodan je za male i srednje protoke. Za veće protoke zbog manjih gabarita primenjuje se rotacioni kompresor sa istiskivanjem zapremine ili turbo kompresor. Za postizanje visokog pritiska primenjuje se višestepeni kompresor sa medjuhladjenjem. U jednom stepenu ekonomski je opravdano povećati pritisak za 10 [bara], inače eksponencijalno se troši više mehanički rad za sabijanje nego sa primenom medjuhladjenja. Blagotvoran uticaj međuhlađenja na količinu utrošenog mehaničkog rada jasno se vidi iz priloženog dijagrama, slika 31.

67


Prednosti: • Dobro poznata i jednostavna konstrukcija, lako za izradu i održavanje. • Zapreminski gubici su mali zbog malog zazora izmedju klipa i cilindra. Nedostaci: • Osnovni nedostatak je periodičan rad • iz čega proizlazi uticaj štetnog prostora, • vibracije, bučnost • i neophodna primena ventila.

2.3.4.4.7. UTICAJ MEĐUHLAĐENJA NA KOLIČINU RADA PRI KOMPRESIJI

Slika 31. Grafička prezentacija uticaja međuhlađenja na količinu rada pri kompresiji

68


2.3.5. REZERVOAR – SPREMNIK

2.3.5.1. DEFINICIJA I ULOGA REZERVOARA Rezervoar je zatvorena posuda koja služi za prihvatanje sabijenog vazduha radi akumulisanja mehaničkog radnog potencijala. Rezervoar je kapacitivnost u pneumatskom sistemu, ublažuje uticaj oscilacije protoka a sa time i oscilacije pritiska. Pored te osnovne uloge, zbog relativno velike površine, ponaša se i kao hladnjak. U praksi, u pneumatskim sistemima, retko se primenjuje poseban rashladhi sistem. Preko površine rezervoara vrši se razmena toplotne energije sa okruženjem, sa atmosferskim vazduhom. Posledica hladnjenja je izvesna kondenzacija vodene pare iz sabijenog vazduha. Kondenzat se stvara na unutrašnjoj površini rezervoara, jer je temperatura na toj površini najniža pa se sliva u dno rezervoara.

2.3.5.2. OPREMLJENOST Rezervoar ima minimum dva priključka, jedan za dovod, drugi za odvod sabijenog vazduha. Po pravilu se na oba priključka montira ventil za zatvaranje. Naime, u slučaju kvara. u dovodnoj ili odvodnoj grani cevovoda, zatvara se ventil, može da se sačuva akumulirani sabijeni vazduh. Na svakom rezervoaru mora obavezno da postoji sigurnostni ventil za ispuštanje viška vazduha u slučaju prekomernog punjenja. Sigurnosni ventil prati promenu pritiska, ako pritisak zbog debalansa dotoka i odtoka poraste i dostigne zadatu kritičnu vrednost, ventil se otvara i ispušta višak vazduha u atmosferu. Na dnu rezervoara treba da postoji ručni ili automatski ventil za ispuštanje kondenzata. Od mernih instrumenata obavezno se stavlja merač pritiska, manometar. Poželjno je imati i merač temperature, termometar.

69


2.3.5.3. TEHNIČKI PREGLED Rezervoar je posuda pod pritiskom zato podleže inspekcijskom periodičnom tehničkom pregledu. Propisi predvidjaju hladnu vodenu probu pre puštanja rezervoara u rad: • rezervoar treba napuniti sa vodom, • u vodi postići pritisak za 20 % veći od maksimalnog radnog • ovaj pritisak držati 24 h. U toku i posle probe ne smeju se javiti nikakve deformacije, ni u obliku ni u materijalu rezervoara. Tehnički pregled treba ozbiljno shvatiti, jer je u sabijenom vazduhu nagomilavana ogromna količina energije. Usled korozije čelika, zid rezervoara oslabi, i preti opasnost od pucanja lima, što dovodi do nagle ekspanzije, širenja sabijenog vazduha, tj. do eksplozije. Za dijagnostiku stanja rezervoara danas već postoji teleskop za vizuelni pregled unutrašnje površine lima rezervoara.

2.3.5.4. KAPACITET REZERVOARA Sa energetskog aspekta poželjno je da zapremina rezervoara bude što veća. Veći kapacitet rezervoara omogućava veću akumulaciju, sa time kompresor može da bude manjeg kapaciteta. Investicioni aspekti su u kontradikciji sa energetskim, jer predviđaju minimalni kapacitet rezervoara, u cilju smanjivanja troškova izrade, smeštaja i održavanja. Matematička formulacija: Ako poznajemo broj i karakter potrošača sabijenog vazduha kao i način njihove primene, tada se dosta tačno može proceniti funkcija potrošnje u toku vremena. Vremenska funkcija potrošnje omogućava matematičko određivanje potrebne zapremine rezervoara.

70

2. Energetska pneumatika fali

Gv [m3/min] pr ≈ pr1

Gv(t)–potrošnja vazduha

višak

Gs=Gkompr

t0

t

t[min]

Slika 32. Dijagram potrošnje sabijenog vazduha

Treba posmatrati što duži vremenski interval potrošnje ili interval potrošnje koji se periodično javlja u vremenu (t 0 - t). Za ovaj vremenski interval iz egzaktnog matematičkog opisa može se odrediti prosečna potrošnja sabijenog vazduha (Gs): t

Gs ⋅ (t − t 0 ) = Gv ( t ) ⋅ dt ≅

∫

t0

n

∑ Gv i =1

t

1 Gs = Gv (t ) ⋅ dt t − t0 0

∫

U inžinjerskoj praksi dosta retko treba neku veličinu egzaktno izračunati, jer se izračunate veličine obično zaokružuju i usvaja se sledeća manja ili veća standardna veličina. I u ovom slučaju je puno lakše proračun sprovesti uvodjenjem nekih uprošćenja. Bez veće greške može se smatrati da je posle uključenja jednog potrošača potrošnja sabijenog vazduha konstantna, naime, interval početnog punjenja radne zapremine sa sabijenim vazduhom traje veoma kratko, a posle toga je potrošnja stalna.

71


Matematički to znači da se sa integrala prelazi se na sumu. Sa sabiranja beskonačnih malih delova prelazimo na sabiranje konačnih malih delova. Ako je:

t i − t i −1

Gvi = const. za interval

i = 1…n

Onda je: t

∫

t1

t2

∫

t3

∫

∫

Gv (t ) ⋅ dt = Gv1 ⋅ dt + Gv 2 ⋅ dt + Gv 3 ⋅ dt + ... +

t0

t0

t1

t1

t2

t2

∫

∫

t3

∫

= Gv1 dt + Gv 2 dt + Gv 3 dt +... + t0

t1

t2

= Gv1 (t 1 − t 0 ) + Gv 2 (t 1 − t 2 ) + Gv 3 (t 2 − t 3 ) + ... +

=

n

∑ Gv (t i

i

− t i −1 )

i =1

Matematička formulacija srednjeg protoka preko matematičkog operatora sume:

Gs =

n 1 ∑ G i (t i − t i −1 ) = const t n − t 0 i =1

U principu za svaki interval t i − t i −1 treba izračunati zapreminu sabijenog vazduha koja odstupa od prosečne. Sa dijagrama sl. 32 se vidi da odstupanje može da bude pozitivno i negativno u zavisnosti od viška ili manjka sabijenog vazduha u sistemu u odnosu na srednju vrednost. Srednja vrednost u praksi odgovara protoku kompresora u ustaljenom režimu rada. Razlika protoka izmedju potrošnje i proizvodnje sabijenog vazduha za posmatrane intervale t i − t i −1 jednaka je:

72


∆Gv i = Gv (t )i − Gs Na osnovu definicije protoka zapremina sabijenog vazduha koja odstupa od srednje vrednosti je:

G=

dV ⇒ dt

dV = G ⋅ dt

d∆Vi = ∆Gv i ⋅ dt

∫ d∆Vi = ∫ ∆Gvi ⋅ dt = ∫ (Gv i [t ] − Gs )dt

∆Vi

ti

ti

0

ti −1

ti −1

/

∫

;

ako je Gs = const. ti

∆Vi = ∫ Gvi ( t )dt − Gs(t i − t i −1 )

u obliku integrala

ti −1

ako je Gv i = const. Gs = const. ∆Vi = ∑ Gvi (t i − t i −1 ) − Gs(t i − t i −1 ) n

i =1

ili

u obliku sume

n

∆Vi = ∑ (Gv i − Gs ) ⋅ (t i − t i −1 ) i =1

Od dobijenih odstupanja treba izabrati zapreminu najveće vrednosti, bez obzira na predznak. Rezervoar treba da ima zapreminu minimum te vrednosti ili veću. VREZERVOAR ≥ ∆Vi

max

73


2.3.5.5. OBLIK REZERVOARA Idealan oblik za svaki rezervoar je lopta. U praksi najčešće, umesto lopte, primenjuje se valjak sa dancima. Prednosti. Lopta od svih ostalih tela ima najveću zapreminu u odnosu na površinu plašta. Naponsko stanje unutar zida plašta lopte ima najbolje karakteristike iz čega proizilazi da lim plašta može da ima minimalnu debljinu. Nedostaci: teška izrada i nezgodan smeštaj. U praksi najčešće, umesto lopte, primenjuje se valjak sa dancima. Valjak je praktično jedna cev većeg prečnika. Znamo da i cev ima povoljne karakteristike u vezi izrade, naponskog stanja i debljine zida i postavljanja.

Slika 33. Oblik rezervoara: kugla i valjak

74


Slika 34. primer valjčastog rezervoara

2.3.5.6. MATERIJAL LIMA Materijal rezervoara je najčešće nelegirani, ponekad legirani čelični lim. Spajanje limova rezervoara se obično vrši zavarivanjem. Koroziona zaštita je neophodna za rezervoare od nelegiranih limova. 2.3.5.7. DIMENZIONISANJE LIMA Proračun za određivanje debljine lima treba provesti u poprečnom i uzdužnom preseku. Matematički opis je u potpunosti isti kao kod cevi za razvod.

75


Matematički opis za poprečni presek:

Fr

F

F

Fr

D

Slika 35. Plan sila na porečnom preseku

∑F = 0 Fr = p ⋅ A1 A1 = D 2

76

π 4


F = σ e ⋅ A2

(

A2 = (D + 2δ) − D2 2

A2 = δ ⋅ D π σe =

) π4

tačna površinapreseka pribliznapovršina preseka

σm ν

dozvoljeninapon u zidurezervoara

Fr − F = 0

(

)

π π 2 − σ e (D + 2δ ) − D 2 = 0 4 4 2 p ⋅ D 2 − σ e  (D + 2δ ) − D 2  = 0  

p ⋅ D2

p ⋅ D − 4 σe ⋅ δ = 0

tačna formula

približna formula sa beznačajnim odstupanjem

Matematički opis za uzdužni presek:

77

Fr

F

F Fr

L


D F

δ Fr

Sika 36. Plan sila za uzdužni presek

r ∑F = 0 Fr = p ⋅ A 1 A = D⋅L 1 F = σe ⋅ A2 A2 = δ ⋅ L σe =

78

σm ν


Fr − 2 F = 0 p ⋅ D − 2σ e ⋅ δ = 0

2.3.5.8. UPROŠĆENJA: Mehanički uticaj oba danca je zanemaren. Smatra se da je rezervar jedna samostalna cev bez poklopce. Stvarna situacija je nešto povoljnija za poprečni presek, u pogledu debljine zida i naponskog stanja, nego što obrazac pokazuje.

2.3.5.9. KONSTATACIJE: •

•

Vidimo da u oba slučaja debljina zida zavisi od prečnika i jačine materijala. Lako možemo dokazati jednostavnom zamenom podataka u oba obrasca da po uzdužnom poprečnom preseku treba da bude veća debljina zida nego po poprečnom preseku, zato proračun treba vršiti samo za uzdužni presek. Kad je materijal lima homogen i debljina lima ista po plaštu, zbog kritičnog pritiska se stvara uzdužna pukotina u plaštu vajčastog rezervoara.

2.3.6. HLADNJAK - SUŠAČ

2.3.6.1. OPIS PROBLEMATIKE U toku sabijanja vazduha jedan deo mehaničkog rada se troši na povećanje mehaničkog radnog potencijala, raste pritisak. a drugi deo na povećanje unutrašnje energije, raste i temperatura. 79


Vazduhu sa porastom temperature raste absorbciona moć,može da upija veću količinu vodene pare, a sa porastom pritiska ova moć opada. Dok je sabijeni vazduh u zagrejanom stanju, i pored visokog pritiska ne dolazi do izdvajanja vodene pare, ne kondenzuje se. Medjutim u cevnom pneumatskom sistemu sabijeni vazduh se kontinualno hladi. Stalno je u indirektnom kontaktu sa vazduhom okruženja, i preko spoljašnih površina komponenata (cevovod, rezervoar, ventili...) razmenjuje toplotnu energiju. U pogledu razmere toplote rezervoar ispoljava najveći uticaj, jer ima najveću dodirnu površinu sa atmosferskim vazduhom. Sabijeni vazduh u ovoj zapremini se zadržava najviše. Ako je površina razvodnog sistema sa rezervoarom dovoljno velika, i sabijeni vazduh se dovoljno dugo zadržava u njemu, onda sigurno postoji tačka u sistemu gde je toliko opala temperatura, da na tom pritisku relativna vlažnost iznosi 100 %, gornja granica upojne moći. Kod ove kritične tačke već dolazi do izdvajanja kondenzata. Najčešće mesto kritične tačke kondenzacije je u rezervoaru. U rezervoaru i u svakoj komponenti pneumatskog sistema uslovi kondenzacije mogu da budu ispunjeni. Uslovi su: visok pritisak, a temperatura sabijenog vazduha blizu temperaturi atmosferskog vazduha. Ako se sabijeni vazduh ohladi na temperaturu spoljašnjeg vazduha zbog većeg pritiska skoro je uvek postignut uslov kondenzacije. Izuzetak je u slučaju usisavanja veoma suvog vazduha, tada se ni sa povećanjem pritiska ne postiže 100% relativna vlažnost. Ako želimo (stoprocentno) sigurno da izbegnemo kondenzaciju u pneumatskom sistemu, onda posle kompresora obavezno treba ugraditi hladnjak sa skupljačem i ispuštačem kondenzata. U praksi se zbog cene retko kad primenjuje poseban rashladi sistem.

2.3.6.2. KONSTRUKCIJA HLADNJAKA Uloga hladnjaka je da pomoću čvrste površine razdvaja i intenzivira razmenu toplote izmedju sabijenog vazduha i rashladnog medijuma. Rashladni medijum prima i transportuje (odnosi) toplotnu energiju. Rashladni medijum je najčešće vazduh iz okruženja ili voda. Oblik površine hladnjaka zavisi od: • rashladnog medijuma za odvodjenje toplotne energije, • od raspoloživih poluproizvoda za površinu

80


•

od raspoložive tehnologije za izradu.

Hladnjak vazduh-vazduh obično se pravi od cevi kružnog poprečnog preseka. Cevi su orebrene sa spoljašnje strane, ali postoje cevi i sa unutrašnjim orebrenjem. Rebra povećavaju aktivnu površinu razmene toplotne energije. Strujanje sabijenog vazduha je uvek prinudno, dok kod spoljašnjeg ili prirodno (termo sifonski uzgon) ili najčešće prinudno (ventilator). Kod prinudnog strujanja intenzitet razmene toplote je veći. Cevi su savijene u obliku zmije zbog prostornog smeštaja. Ima više cevnih redova i paralelno su priključene u dva kolektora. Danas se sve više primenjuje pločasti-lamelasti izmenjivači pogotovo kod većih kapaciteta.

Gv Tvu

Gm Tmu Tmi

Tvi

Slika 37. hladnjak od orebrenih bakarnih cevi u obliku cevne zmije sa ventilatorom

2.3.6.3. DIMENZIONISANJE HLADNJAKA Dimenzionisanje hladnjaka se svodi na odredjivanje veličine površine izmenjivača. Treba odrediti prečnik, dužinu, broj cevi kao i razmak lamela. Proračun je dosta složen čak i u slučaju stacionarnog režima rada hladnjaka. Jednačine su implicitne i spregnute po promenljivima. Rešenje se najlakše dobija iterativnim numeričkim postupkom. 81


Matematičku formulaciju stacionarnog rada hladjaka u uprošćenom obliku može se uraditi na sledeći način: Potrebna količina odvedene toplote od sabijenog vazduha na osnovu kalorične jednačine u stacionarnom režimu razmene:

Q V = G V ⋅ CVV ⋅ (Tri − Tru ) Razmenjena količina toplote preko površine izmenjivača - hladnjaka (F) izmedju sabijenog vazduha i rashladnog medijuma:

QC = k ⋅ F

∆Tmax − ∆Tmin ∆T ln max ∆Tmin ∆Tmax = Tmi − Tvu ∆Tmin = Tmu − Tvi

k=

1 1 1 δ + ∑ cev + d cev α m αv

Odvedena količina toplote sa strane rashladnog medijuma:

Qm = G m ⋅ C vm (Tmu − Tmi ) Imamo tri glavne jednačine, pomoću njih se može izračunati ma koja od tri veličine stanja. Nas interesuje veličina površine izmenjivača (F). Proračunom se dobija i izlazna temperatura vazduha (Tvi) kao i izlazna temperatura rashladnog medijuma (Tmi). 82


Ostale parametre treba unapred definisati:

G V , CVV , Tvu , α v , δ cev , d cev , α m , G m , C vm , Tmu . Gornja analiza je radjena za stacionarni-ustaljeni režim rada hladnjaka zato su razmenjene količine toplote jednake: Qv = Qc = Qm.

2.3.7. PRIPREMNA GRUPA

2.3.7.1. UVOD Pripremna grupa se sastoji od više komponenata za obavljanje različitih zadataka kao što su filtracija, izdvajanje kondenzata, regulisanje pritiska, i zauljivanje sabijenog vazduha. Ugrađuje se u cevnoj mreži ispred izvršnih organa.

2.3.7.2. FILTRACIJA Filtrirani vazduh ulazi u kompresor, ali je ipak poželjno ispred svakog potrošača staviti filter za ponovnu filtraciju. Izmedju ulaza u kompresor i potrošača, sabijeni vazduh prolazi kroz kompresor, cevnu mrežu, upravljačke komponente. U svim tim komponentama postoji mogućnost odvajanja delića konstruktivnih elemenata ili produkata korozije (rdje). Na te čvrste komadiće dosta su osetljive regulator pritiska kao i izvršni organi. Nečistoće mogu da izazovu zaribavanje i zaglavljivanje svih pokretnih sklopova u pneumatskom sistemu. 2.3.7.3. ODVOĐENJE KONDENZATA Ako se ne obavlja sušenje sabijenog vazduha posebnim hladnjakom, tada preti opasnost od pojave kondenzata u cevima ispred potrošača. Kondenzat ulazi u upravljačke i energetske izvršne organe. Prisustvo vode unutar 83


spomenutih komponenata krajnje je nepoželjno. Sama čista voda nije korozivna ali znamo da u vazduhu stalno ima CO, CO2 i eventualno još neka druga jedinjenja sa kojima voda stvara kiseline. Pored toga voda deluje i kao katalizator, pospešuje oksidacioni proces čelika, a kiseonik je uvek prisutan u sabijenom vazduhu.

2.3.7.4. REGULACIJA PRITISKA U pneumatskom sistemu obično ima više energetskih izvršnih organa, za svaki su tehnološki zahtevi drugačiji. Traže se različiti intenziteti brzina i sila. Pošto se intenzitet sile može podešavati jedino preko pritiska, neophodno je ispred svakog potrošača ugraditi regulator pritiska.

2.3.7.5. ZAULJIVANJE U energetskim izvršnim organima ne postoji poseban sistem za podmazivanje nego se sa sabijenim vazduhom transportuje ulje u obliku sitnih kapljica, magle. Ovaj način podmazivanja je veoma efikasan, jer sabijenim vazduhom uljna magla se ravnomerno rasporeduje po celoj unutrašnjoj površini izvršnog organa. Nedostatak: je u tome da kod otvorenog pneumatskog sistema zajedno sa vazduhom i ulje napušta izvršni organ i dospeva u vazduh okruženja. Prisustvo ulja u vazduhu škodi zdravlju, jer radnici udišu zauljeni vazduh. Ulje za podmazivanje je motorno ulje manjeg viskoziteta a količina potrošnje se kreće izmedju 0,04 ÷ 0,4 [gr/m3]. Danas je tendencija proizvođača da izvršne organe koncipiraju tako, da ne zahtevaju podmazivanje, te u tom cilju klizne površine oblažu teflonom.

Slika 38 Spoljašni izgled pripremne grupe i simbol

84


Slika 39. Elementi pripremne grupe: filter; regulator pritiska i zauljivač

Slika 40. Princip rada zauljivača. Venturijeva cev.

85


2.3.8. PNEUMATSKI ENERGETSKI IZVŠNI ORGANI AKTUATORI – MOTORI

2.3.8.1. UVOD Pneumatski energetski izvršni organi tj. aktuatori ili motori 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 povoljno formiranog mehanizma prenese 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. 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.

2.3.8.2. ROTACIONI PNEUMATSKI MOTORI Rotacioni pneumatski motori se uglavnom koriste za manje snage i veći broj obrtaja. U principu mogu da budu izvedeni i za veće snage, ali zbog slabog energetskog stepena dobrote ekonomski se ne isplate u eksploataciji. Korišćeni su uglavnom za ručne alate, zbog malih gabarita i težina pneumatskog motora. Te prednosti pneumatskih motora proizlaze iz visoke gustine energije sabijenog vazduha. Broj obrtaja pneumatskog motora može se relativno lako regulisati kontinualno preko protoka sabijenog vazduha.

85


Značaj rotacionih pneumatskih motora u praksi mnogo je manji nego pneumatskih motora za pravolinijsko kretanje, zato njihovu detaljnu analizu u okvirima ovog kursa nećemo vršiti. Navešćemo neka moguća konstruktivna rešenja bez dublje analize. U principu ista konstruktivna rešenja se mogu naći kod hidruličnih pumpi. Ta analiza u potpunosti važi i ovde, razlika je samo u osobinama radnih medijuma.

Pneumatski zupčasti motori:

Slika 41. Zupčasti motor: 1. telo motora; 2.i 3. zupčanik; 4. radno vratilo;

5. dovod vazduha i 6. odvod

Pneumatski lamelasti motori:

Slika 42. Lamelasti (krilni) motor: 1. telo; 2. rotor; 3. krilca; 4. dovod vazduha, 5. otvor za ispuštanje vazduha

86


2.3.8.3. LINIJSKI PNEUMATSKI MOTORI - CILINDRI

2.3.8.3.1. UOPŠTE O CILINDRIMA Cilindri su pneumatski energetski izvršni organi, linijski pneumatski motori. Često su primenjeni u tehničkoj praksi jer poseduju, pored nedostatka, veoma povoljne osobine. Konstrukcija im je veoma jednostavna: • deblja cev sa dva poklopca, • pokretan klip u obliku valjka sa dužom valjčastom šipkom (klipna poluga), • razni zaptivači. OSOBINE: Prednosti: • u cilindru klip sa polugom vrši pravolinjsko kretanje, • dejstvo klipa preko poluge u vremenu može da traje dugo, dakle pogodan je i za indirektno stezanje, • intenzitet sile stezanja može se veoma lako regulisati menjanjem intenziteta pritiska sabijenog vazduha, • brzina kretanja se takođe lako reguliše preko količine protoka sabijenog vazduha, • cilindri su dugotrajni i ne zahtevaju skoro nikakvo održavanje, • lako ih je ugradjivati jer imaju male gabarite i pogodan oblik i u slučaju kada je sila velikog intenziteta. Nedostaci: • Pored navedenih dobrih osobina, kao i rotacioni. tako i linijski pneumatski motori, imaju zajedničku manu, loš energetski stepen dobrote pretvaranja mehaničkog potencijala u mehanički rad.

87


Pored te ozbiljne mane cilindre ipak veoma često primenjujemo u praksi, jer skoro da ne postoji drugo tehničko rešenje za njihovu zamenu. Dejstvo na pravolinijskom putu može se postići i sa linijskim elektromotorima (elektro magnetima), za relativno male sile i kratka pomeranja. Za veće sile gabariti elektro motora drastično rastu, zato na današnjem nivou njihovog razvoja, za tu svrhu su još neprimenljivi. Kao drugo rešenje za realizaciju pravolinijskog kretanja je elektromehanički prenos sa rotacionim elektromotorom i sa mehanizmom za pretvaranje kružnog kretanja u pravolinijsko. Ovo rešenje je konkuretno sa pneumatskim ali puno složenije, tako i skuplje. Nažalost nije primenljivo za postizanje trajnog dejstva, za stezanje. Današnji rotacioni elektro motori bez pregrevanja namotaja trajno zaustavljanje ne podnose.

2.3.8.3.2. FUNKCIONISANJE CILINDRA Zadatak cilindra sa klipom je da za klipnjaču pričvršćenu masu periodično pomera ili je čvrsto fiksira, steže. Kod obe primene postoji radni i povratni hod klipa. Po karakteru radni i povratni hod malo se razlikuje kod pokretanja i kod stezanja. Kod pokretanja radni i povratni hod se sastoji od ubrzanog, jednolikog i usporenog kretanja. Ova strukturna kretanja važe za klip, klipnjaču i spoljašnju masu, oni čine jednu čvrstu, kompaktnu celinu. Kod stezanja, situacija je malo drugačija, zajedničku pokretnu masu čini klip, klipnjača i pribor za stezanje, dok telo za fiksiranje obično odvojeno stoji. Sklop mase se ubrzava, jednoliko se kreće do tela za fiksiranje, zatim počinje usporenje tj. proces stezanja. Etapa usporenja je prilično složena, jer se javljaju sile otpora usled plastičnih deformacija klipa, klipnjače, pribora i tela za fiksiranje. Kod otpuštanja stegnutog predmeta sve se odvija obrnuto, ubrzanje se odvija uz prisustvo elastičnih sila, pa sledi odvajanje i jednoliko kretanje, na kraju, usporenje i zaustavljanje.

88


2.3.8.3.3. FIZIČKO TUMAČENJE REALIZACIJE KRETANJA 2.3.8.3.3.1. Ubrzanje Sabijeni vazduh posreduje u prenosu mehaničkog rada između kompresora i pneumatskog motora, cilindra. Vazduh se nalazi na višem energetskom nivou, (pritisku) i pripremljen je da ispoljava dejstvo na bilo koju površinu. U zavisnosti od ravnoteže sila površina može da ostane u stanju mirovanja ili da se pomera. Pomeranje površine prouzrokuje strujanje sabijenog vazduha. Ova količina sabijenog vazduha potiče iz rezervoara ili direktno iz kompresora, praktično kompletan vazdušni stub se pomera, struji ka cilindru. Sabijeni vazduh preko priključne cevi struji u cilindar i počinje da ispunjava radnu zapreminu. Sa kakvom dinamikom stiže sabijeni vazduh u radnu zapreminu, sa istom dinamikom raste i pritisak. Sa rastom pritiska se srazmerno povećava dejstvo na radnu površinu klipa. Ako pritisak tj. aktivna sila na radnoj površini klipa, dostigne za nijansu veću vrednost od zbira svih sila otpora, počinje ubrzano kretanje čvrsto povezanih masa. Te mase su klip, klipna poluga i spoljašnje mase. Razlika između aktivne sile i svih sila otpora se koristi za savlađivanje inercijalnih sila svih pokretnih masa. Kao rezultat pojavljuje se ubrzano kretanje. Pokazatelj povećanja intenziteta inercijalnih sila je vrednost ubrzanja.

2.3.8.3.3.2. Jednoliko kretanje Razlika između aktivne sile i sila svih otpora kod pokretnih masa, uzrokuje ubrzanje tj. priraštaj brzine od početne vrednosti (w0= 0) do jedne postignute (w). Sa ovom brzinom se realizuje, vrši kretanje. Sa aspekta sabijenog vazduha to znači da količina sabijenog vazduha, usled toga i nivo pritisaka, u cilindru raste od nule do jedne vrednosti. Pritisak je uvek posledica količine tj. gustine sabijenog vazduha u cilindru i ima istu tendenciju promene intenziteta kao količina, protok. Uspostavlja se dinamička ravnoteža sila, jer intenzitet protoka se stabilizuje i postaje manje više konstantna vrednost. Ista veličina zapremine sabijenog vazduha ulazi u cilindar u jedinici vremena i sa istom zapreminom se širi sabijeni vazduh u cilindru. Vazduh pomera ispred sebe klip sa pričvršćenom masom.

89


U sabijenom vazduhu vlada konstantan pritisak. Na čelo klipa deluje sa konstantnom silom a pomeranje obezbeđuje raspoloživa količina sveže dopremljenog vazduha. Brzina pomeranja zavisi od količine sveže pristiglog sabijenog vazduha tj. od protoka. Gv = w A.

2.3.8.3.3.3. Usporenje Pri kraju kretanja klipa, za nekoliko milimetara pre mrtve tačke mora da se započne sa kočenjem. Kočenje se realizuje sa regulisanjem ispuštanja vazduha iz prstenaste zapremine cilindra. Prigušivanje se vrši pomoću prigušnog ventila. Proces kočenja je automatizovan, definisan je trenutak starta i intenzitet prigušivanja. Tehnička realizacija procesa kočenja je izvedena u poklopcu cilindra. Osnovna ideja za realizaciju bazirana je na stvaranju vazdušnog jastuka ispred čela klipa. To se postiže zatvaranjem redovnog otvora za izlaz, tako je vazduh prinuđen da preko prigušnog ventila otežano napušta prstenastu zapreminu. Zbog prigušenog isticanja vazduha iz prstenaste zapremine i kretanja klipa ka mrtvoj tačci, u preostalom vazduhu raste gustina, a time i pritisak. Povećani pritisak deluje na čelo klipa i stvara kočeću silu koja deluje suprotno od smera kretanja klipa. Srazmerno intenzitetu kočeće sile pojavljuje se usporenje svih pokretnih masa.

2.3.8.3.4. MATEMATIČKI OPIS FUNKCIONISANJA CILINDRA Primenom Njutnovog zakona o dinamičkoj ravnoteži možemo odrediti elemente kretanja, ubrzanje &x&( t ) , brzinu x& ( t ) i pređeni put x ( t ) klipa, klipnjače i spoljašnje mase u funkciji vremena. Na osnovu porekla sila možemo konstatovati da imamo samo jednu aktivnu silu, • silu pritiska Fp1 koja napada čelo klipa. Sve ostale sile su reaktivne kao što su: • sile trenja u sklopovima, • sila prititiska na površinu klipa sa strane klipne poluge Fp 2 , • 90

sve inercijalne sile pokretnih masa i


•

spoljašnja sila otpora Fotp .

2.3.8.3.4.1. Plan sila pri radnom hodu

Slika 43. Plan sila pri radnom hodu

2.3.8.3.4.2. Matematički model kretanja Početni uslovi: 0 ≤ &x& ≤ a v 0 ≤ x& ≤ v

s0 ≤ x ≤ s = h = l − lk

Dinamički uslov ravnoteže po Njutnu: r m ∑ F = &x& ⋅ ∑ m i i =1

ukupne mase:

sila pritiska:

m

∑ mi ≡ m = m k + mS

i =1

Fp1 = p 1 ⋅ A 1

A1 =

D2π 4

91


Fp2 = p 2 ⋅ A 2

sila pritiska:

(

)

µ=

µ0 1 + b x& n

A2 =

π 2 D − d2 4

sila trenja:

Ft = FN ⋅ µ

suvo trenje:

n = 1…m

F = k ⋅ x& t

viskozno trenje:

U sklopovima bez podmazivanja pojavljuje se suvo trenje. Po Kulonu intenzitet sile trenja se može izračunati pomoću proizvoda normalne sile i koeficijenta trenja. Koeficijent trenja kao funkcija brzine, najveća je kad je brzina jednaka nuli. Za male brzine eksponent (n) je jednak jedinici n=1, a za veće brzine n>1. Podmazivanjem u sklopovima, površine su razdvojene uljnim filmom (molekulima ulja), zato govorimo o viskoznoj sili trenja. Intenzitet viskozne sile trenja se može izračunati proizvodom koeficijenta (k) i brzine ( x& ). Koeficijent (k) uzima u obzir geometrijske parametre sklopa i viskoznost uljnog sloja. Jednačina kretanja ukupne pokretne mase u implicitnoj formi za radni i povratni hod: m

± Fp1 m Fp 2 − ∑ Ft − Fotp − &x& ∑ m i = 0 i =1

+ Fp1 − Fp 2

radni hod

− Fp1 + Fp 2 povratni hod

2.3.8.3.4.3. Analitičko rešenje: Iz jednačine kretanja se može izvesti ubrzanje u eksplicitnoj formi:

&x& =

92

∑ F( ) t

m


&x& =

1   ⋅A − p − ∑ F −F p 1 2 t otp  m  1(t )

U opštem slučaju svaka sila može da se menja u toku vremena, ali se Fp1 sigurno menja u početku punjenja. Intenzitet ubrzanja samo aproksimativno možemo smatrati stalnim. Brzinu kretanja se može odrediti integrisanjem: &x& =

dx& dt

dx& = &x& ⋅ dt = v

t

v0

0

∫ dx& = ∫

x&

v v0

∑ F( ) dt t

m

∑ F( t ) dt m t

= v − v0 = ∫

0

∑ F(t ) dt m

Vidimo da je priraštaj brzine ∆v = v − v 0 samo onda stalan ako je ubrzanje stalna vrednost u toku vremena. Ubrzanje direktno zavisi od sume sila. U praksi je teško zamisliti da je suma svih sila nepromenjiva, a time i ubrzanje stalno. Pređeni put ukupne pokretne mase:

x& =

dx dt

dx = x& ⋅ dt s t t t ∑F  (t ) ⋅ dt  dt ∫ dx = ∫ x& ⋅ dt = ∫  ∫ m s0 0 0 0 

93


x

s s0

t t  t ∑F  (t ) = s − s 0 = ∫ x& ⋅ dt = ∫  ∫ ⋅ dt  dt 0 0 0 m 

2.3.8.3.4.4. Grafički prikaz kretanja masa

Kao što je navedeno i radni i povratni hod se sastoje od ubrzanog, jednolikog i usporenog kretanja. Spomenuto je i to da ubrzanje i usporenje u praksi nisu stalne vrednosti, a i jednoliko kretanje se ne odvija pri strogo stalnoj brzini. Prikazani dijagram, daje približnu a ne baš pravu sliku kretanja.

&x&

t [s]

x&

t [s]

[m/ s 2 ]

[m/s]

x [m] t [s]

Slika 44. Dijagram prikazuje pomeranje, brzinu i ubrzanje klipa u funkciji vremena

94


2.3.8.3.5. ENERGETIKA CILINDRA Sa aspekta energetike cilindri su pretvarači energije sabijenog vazduha u mehanički rad. Ovo pretvaranje se odvija skoro izobarski tj. ''bez ekspanzije medijuma''. Sabijeni vazduh pod približno stalnim radnim pritiskom gura ispred sebe klip, klipnjaču i masu. Pritisak se održava praktično stalnim jer stiže stalno nova količina sabijenog vazduha u radnu zapreminu cilindra. Pogonski motor

proizvođač mehaničkog rada

Klipni kompresor

prenosnik mehaničkog rada (x)⋅dx=p(x)⋅A⋅dx

Sabijeni vazduh

nosioc mehaničkog radnog potencijala p(v)⋅dV

Cilindar sa klipom

primalac mehaničkog rada p(x)⋅A⋅dx=F(x)⋅dx

Pogonjena mašina

potrošač mehaničkog rada

dWu

T O P L O T A

dWi

Slika 45. Blok dijagram

2.3.8.3.5.1. Plan sila pneumatskog cilindra

uzimajući u obzir i gubitke:

Slika 46. Plan sila

95


2.3.8.3.5.2. SILE: Aktivne sile, sile usled dejstva sabijenog vazduha na čelo klipa A1 , sa pritiskom p1 . F1 = p1 ⋅ A1 = p1 ⋅ D 2

π 4

Korisna sila na klipu: FK =

∑ F = F − (F + ∑ F ) ≥ F m

i

1

2

t

otp

i =1

2.3.8.3.5.3. MEHANIČKI RAD: Aktivan rad sabijenog vazduha zbog povećanja zapremine za dV. dL1 = F1 ⋅ dx = p 1 ⋅ (A 1 ⋅ dx ) = p 1 ⋅ dV

Reaktivan rad, je rad svih otpora zbog prisustva sila trenja u različitim sklopovima i u samom vazduhu pri isticanju iz prstenaste zapremine. Sva ova količina mehaničkog rada se pretvara u toplotnu energiju. dL 2 = ∑ Fi ⋅ dx = (F2 + ∑ Ft )dx = ∑ dL i m

m

i=2

i=2

Koristan rad cilindra, rad koji se troši na savladjivanje spoljašnjeg otpora Fotp i inercijalnih sila pri ustaljenom režimu kretanja. Brzina kretanja je konstantna w=const..

dL K = FK ⋅ dx = (F1 − (F2 + ∑ Ft ))dx = dL1 − dL 2

Ukupan rad sistema, uzimajući u obzir sve prisutne spoljašnje sile:

96

2. Energetska pneumatika m

3

i =1

i =1

∑ Fi = &x&∑ m i FR = ∑ Fi = F1 − (F2 + ∑ Ft + Fotp ) m

i =1

3

m = ∑ mi i =1

FR = &x& ⋅ m / ⋅ dx FR ⋅ dx = m ⋅ &x& ⋅ dx &x& ≡ a =

dx& dx& ⇒ dt = &x& dt

x& ≡ w =

dx dx ⇒ dt = x& dt dt=dt

dx& dx = ⇒ x& ⋅ dx& = &x& ⋅ dx &x& x&

FR ⋅ dx = m ⋅ x& ⋅ dx& dL R = dE K

2.3.8.3.5.3. Snaga Iz gornjih izraza sledi da se priraštaj mehaničkog rada troši na priraštaj kinetičke energije ukupne mase. Uslov za pomeranje povezane mase je da je rezultujuća sila veća od nule.

Snaga aktivne sile tj. snaga sabijenog vazduha, ulazna snaga. P1 =

dL 1 dx = F1 = F1 ⋅ w = p 1 (A 1 ⋅ v ) = p 1 ⋅ G V1 dt dt

97


Snaga reaktivnih sila, otpori. P2 = (F2 + ∑ Ft )

dx = ( F2 + ∑ Ft ) w dt

Korisna snaga cilindra, izlazna snaga.

PK = (F1 − (F2 + ∑ Ft ))

dx = (F1 − (F2 + ∑ Ft )) ⋅ w dt

PK = (P1 − P2 )

2.3.8.3.6. ENERGETSKI STEPEN DOBROTE PNEUMATSKOG CILINDRA Veoma je bitno analizirati i definisati sa kakvim stepenom dobrote se može pretvoriti mehanički radni potencijal sabijenog vazduha u mehanički rad tj. u priraštaj kinetičke energije ukupne pokretne mase. Sabijeni vazduh raspolaže sa mehaničkim radnim potencijalom, ovaj potencijal se menja i pretvara se u mehanički rad uz izvesne gubitke. Jedan deo mehaničkog potencijala ostaće i dalje akumulisan u sabijenom vazduhu. Stepen dobrote pri dobijanju mehaničkog rada uzimajući u obzir gubitke usled suvog trenja i otpore pri istiskivanju vazduha iz prstenaste zapremine je: ηm =

dL K dL 1 dL 1 = F1 ⋅ dx = p 1 ⋅ dV dL K = dL 1 − dL 2 = (F1 − (F2 + ∑ Ft ))dx

98


ηm =

(F − (F + ∑ F ))dx = F − (F + ∑ F ) 1

ηm = 1 −

2

F1 ⋅ dx

t

1

2

t

F1

F2 + ∑ Ft F1

Problem je što sabijen vazduh sadrži i nakon izvršenja mehaničkog rada radni potencijal količine u + pVh . Sabijeni vazduh je i dalje pod pritiskom p1 i ispunjava radnu zapreminu cilindra Vh . Ovu količinu sabijenog vazduha pri povratnom hodu klipa treba evakuisati. U idealnom slučaju uz minimalne strujne gubitke trebalo bi sabijeni vazduh vraćati na ulaz u kompresor, ali bi za istiskivanje potrošili više uložili mehaničkog rada sa gubicima nego što bi imali pri ponovnom radnom hodu. Tu količinu mehaničkog radnog potencijala je teško spasiti, nažalost, zajedno sa vazduhom izlazi u atmosferu. Sabijeni vazduh ekspandira sa pritiska p1 na atmosferski pritisak p 0 . Ispuštanjem se gubi i energija i materija. Vazduh je očišćen, osušen i zauljen, ipak u praksi ga skoro nikad ne skupljamo. Za sada još po zakonu o očuvanju okoline nismo prisiljeni na to. Poznato je da udisanje ulja štetno utiče na čovekovo zdravlje. Ulje možemo odstraniti filtracijom. Jedan od razloga da se ne izradjuje cevna mreža za skupljanje vazduha je cena te mreže.

Fizičko tumačenje: Energetski gubici zbog stišljivosti vazduha su veoma visoki, mogu da dostižu i 70-90% od ukupne količine mehaničkog radnog potencijala vazduha. Praktično postoji mogućnost za poboljšanje stepena dobrote, a to ćemo ostvariti smanjenjem radnog pritiska u sistemu.

Smanjenje radnog pritiska dovodi do ozbiljnih posledica. Ako želimo zadržati istu snagu, smanjenje pritiska moramo kompenzovati povećanjem protoka sabijenog vazduha. Snaga je umnožak pritiska i zapreminskog protoka.

99


Posledica povećanja protoka je neophodan rast svih geometrijskih dimenzija komponenata sistema. Rastu prečnici cevovoda i gabariti izvršnih organa računajući i ručne alate. Puno više materijala se ugrađuj u sistem.

Ponovo se dolazi do istine da se materijalom obrnuto.

štedi

energija i

Druga teoretska mogućnost smanjenja energetskog gubitka je da se izabere manje stišljiv ili praktično nestišljiv radni medijum, npr. neka tečnost. U tom slučaju već je reč o hidraulici. Sa tečnošću se drastično smanjuje gubitak radnog potencijala, ali se pojavljuje novi izvor rasipanja (intenzivnija viskoznost).

Definisani stepen dobrote cilindra ηm je parcijalni, uzima u obzir samo mehaničke gubitke usled trenja u cilindru. Potpuniju sliku o stepenu dobrote dobijanja mehaničkog rada u cilindru, možemo steći globalnom analizom energetske situacije od kompresora do cilindra. Treba odrediti koju količinu energije smo uložili po jedinici mase kod motora za pogon kompresora i koju količinu mehaničkog rada smo dobili, po jediničnoj masi, na klipnoj polugi cilindra. Globalni energetski stepen dobrote cilindra je jednak količniku mehaničkog rada na klipnoj polugi cilindra i uložene energije pogonskog motora kompresora. ηg =

L1 L motor

Dok energija stigne od pogonskog motora do klipne poluge cilindra prilično se raspe. Rasipanje nastaje i u toku transporta zbog suvog i viskoznog trenja. Sile trenja mehanički potencijal pretvaraju u toplotni potencijal. Još jednom valja spomenuti da pored trenja, najveći deo gubitka ipak nastaje zbog stišljivosti vazduha.

100


2.3.8.3.7. UPRAVLJANJE PNEUMATSKIM CILINDROM Osnovno pravilo: upravljanje je moguće vršiti jedino preko variranja parametra unete količine energije. U slučaju pneumatskog cilindra nosilac energije je sabijeni vazduh. Jediničnu količinu energije čini proizvod između nivoa te energije (pritisak) i količine nosioca energije (protok vazduha). Postoje dve mogućnosti za postizanje promene stanja sabijenog vazduha u cilindru, menjati pritisak ili protok.

2.3.8.3.7.1. Regulacija sile i brzine kretanja klipa Iako su pritisak i protok u striktnoj uzročnoj vezi, njihov uticaj možemo u prvom približenju posmatrati odvojeno. Po tom pristupu pritisak direktno utiče na intenzitet sile F = p(t) A G (t) dok protok na brzinu kretanja w = v . A Sa aspekta regulacije situacija je veoma povoljna, u oba slučaja veze su linearne. Sila linearno zavisi od pritiska, a brzina linearno od protoka.

2.3.8.3.8 TEHNIČKE MOGUĆNOSTI ZA UPRAVLJANJE U principu imamo dva strategijska pristupa za realizaciju upravljanja.

2.3.8.3.81. Decentralizovana struktura U prvom pristupu je struktura potpuno decentralizovana. Decentralizovana struktura funkcioniše sa smanjenim rasipanjem mehaničkog radnog potencijala. Koncepcija: svaki pneumatski cilindar imao svoj kompresor sa upravljanim pogonom. Upravljanje silom i brzinom klipa se vrši preko broja obrtaja kompresora. Za veće brzine klipa broj obrtaja kompresora treba da raste. Pritisak je samoregulisajuća veličina i formira se u zavisnosti od protoka sabijenog vazduha, veličine poprečnog preseka cilindra i intenziteta spoljašnje sile.

101


Osobine: U okviru te koncepcije ne postoji razvodni cevovod i regulacioni ventili. Nema razvodnog cevovoda i ventila zato su energetski gubici usled prigušivanja svedeni na minimalnu vrednost. Cena uštede energije, veći su investicioni troškovi. Poznato pravilo:veća investicija, jeftinija eksploatacija. Ovakva pneumatska struktura još nije odomaćena u tehničkoj praksi, ali prateći tendencije u elektro mehaničkim sistemima možemo pretpostaviti da:

Decentralizovana struktura u nekoj formi ima budućnost.

1

2 . . .

n Slika 47. Decentralizovana struktura

2.3.8.3.8.2. Centralizovana struktura Druga mogućnost je dobro poznata centralizovana struktura sa povećenim rasipanjem mehaničkog radnog potencijala. Struktura centralizovanog sistema se sastoji od jednog kompresora sa rezervoarom, razvodnim cevovodom, regulacionim ventilima za pritisak i protok za svaki cilindar posebno. Struktura je tradicionalna sa tradicionalnim regulacionim komponentama. Regulacija pritiska i protoka se postiže primenom izentalpskog prigušivanja.. Izentalpskim prigušivanjem prestruktuira se energetska struktura. Smanjuje se mehanički radni potencijal, pritisak svodi na potreban nivo. Ovim načinom regulisanja pritiska rasipamo mehanički radni potencijal. 102


Pri regulaciji, prigušni ventil može samo da smanji pritisak, jedino kompresor može da ga povećava.

1

2 . . .

n

Slika 48. Decentralizovana struktura

KONSTATACIJE: Ako uporedimo te dve ekstremne strukture možemo konstantovati sledeće:

Decentralizovana upravljačka struktura: Prednosti: • fleksibilna je u svakom pogledu, • upravljanje se vrši direktno preko izvora energije, radom kompresora. Sa time postižemo da se nivo pritiska može menjati, povećati i smanjiti prema potrebama tehnološkog postupka. • Ne rasipa se energija prigušivanjem u cevovodu i prigušnim ventilima jer ih nema u sistemu. Sistem radi sa minimalnim energetskim gubicima. Nedostaci: • upravljanje mora da bude veoma precizno, složeno. znači skupo, • treba ugrađivati toliko kompresora koliko ima izvršnih organa, • više kompresora je skupje rešenje, nego jedan veliki.

Centralizovana upravljačka struktura:

103


Za centralizovanu upravljačku strukturu sve je obrnuto nego kod decentralizovane. Jednu specifičnost valja spomenuti kod centralizovane strukture. Regulaciju brzine klipa je moguće realizovati preko regulisanja protoka ulazećeg vazduha ili prigušivanjem evakuisanog, izlazećeg vazduha. Drugo rešenje je povoljnije, jer klip se nalazi između dva vazdušna jastuka i u slučaju promene smera spoljašnje sile, amplitude oscilacija klipa su manje i ranije se prigušuju.

2.3.8.3.9. VRSTE CILINDARA PO KONSTRUKCIJI Osnovna konstrukcija cilindra je veoma jednostavna. Ipak razni proizvođači nude nam veoma različite konstruktivne modifikacije. Potpunu sliku o tome je teško dati, eventualno možemo navesti neka tipična rešenja. Osnovna podela je: monostabilni, jedan stabilan položaj bistabilni, dva stabilna položaja.

2.3.8.3.9.1. Monostabilni cilindar Kod monostabilnih cilindara za povratni hod se koristi neko elastično telo, najčešće opruga. Opruga pri radnom hodu akumuliše energiju. Pri povratnom hoduakumulisana energija opruge vraća u sistem za kretanje, klip i polugu u osnovni položaj. Prednosti: • ne troši se sabijeni vazduh za povratni hod, • nije potreban priključak, cevovod i razvodni venti, • vraćanje klipa i poluge inicirano je sa ispuštanjem vazduha iz radnog dela cilindra. Nedostaci: • gubi se u intenzitetu dejstva cilindra, jer deo sile se troši na sabijanje opruge, • intenzitet sile u opruzi nije moguće menjati, zato pri povratnom hodu opruga može da savlada samo manje otpore.

104


Fopr F

Fs

Slika 49. Monostabilni cilindar

Efektivna sila na klipnoj poluzi: Fs = Fp − Fotp − Σ Ft

2.3.8.3.9.2. Bistabilni cilindar Kod bistabilnih cilindara povratni hod se ostvaruje pomoću sabijenog vazduha. Ako uporedimo osobine bistabilnog sa monostabilnim cilindrom možemo konstantovati da se razlikuju samo u povratnom hodu.

Prosti bistabilni cilindar:

Slika 50. Šema bistabilog cilindra

105


Slika 51. Presek bistabilnog cilindra

Slika 52. Izgled bistabilnog cilindra

106


2.3.8.3.9.3. RAZNE MODIFIKACIJE PNEUMATSKIH CILINDARA Treba konstatovati da u principu svaki cilindar može da bude u monostabilnoj ili u bistabilnoj izvedbi.

2.3.8.3.9.4. Dvoradni cilindar sa dve poluge

Slika 53. Šema dvoradnog cilindra

Slika 54. Spoljni izgled dvoradnog cilindra

107


2.3.8.3.9.5. Tandem cilindar Paktično imamo dva redno vezana cilindra u monoblok izvedbi. Sa ovim rešenjem postižemo da: kod nepromenjenog prečnika dobijemo dvostruko dejstvo, u radnom i povratnom hodu dobijamo sile različitog intenziteta.

Fp2

Fp1

F

v1 = v2 = v l1 = l2 = l F = Fp1 + Fp2

v v1

v2

Slika 55. Šema tandem cilindra

2.3.8.3.9.6. Višepoložajni cilindar Dva potpuno nezavisna cilindra su spojeni u jednu konstruktivnu celinu. Sa ovom izvedbom je moguće ostvariti četiri različita stabilna položaja i beskonačno puno međupoložaja. Kraj jedne poluge treba da bude fiksiran, cilindri su slobodni, pomeraju se.

Fp1

Fp2

F

w = w1 + w2 l = l1 + l2 F = Fp1 = Fp2 Slika 56. Šematski prikaz višepoložajnog cilindra

108


2.3.8.3.9.7. Zaokretni cilindar Klipna poluga je ozubljena i nalazi se između dva klipa. Ozubljena poluga je u sprezi sa zupčanikom. Pravolinijsko kretanje zupčaste poluge posredstvom zupčanika se pretvara u kružno. Ugao zaokretanja je obično manji od 180°.

Slika 57. Šema zaokretnog cilindra

Slika 58. Spoljni izgled zaokretnog cilindra

Slika 59. Presek zaokretnog cilindra

109


2.3.8.3.9.8. Cilindar sa užetom Klipna poluga je zamenjena užetom, tako da je opasnost od izvijanja poluge u potpunosti eliminisana. Ovo rešenje omogućava da hod bude i nekoliko metara. Osetljiva tačka konstrukcije je zaptivanje između poklopca i čeličnog užeta.

Slika 60. Šema cilindra sa užetom

2.3.8.3.9.9. Cilindar bez poluge Klipna poluga je u potpunosti eliminisana. Klip ima direktnu čvrstu vezu sa spoljašnjim klizačem. Plašt cilindra je uzdužno ožljebljen, rasečen i zaptiven gumenim trakama, u ovom žljebu se kreće klizač. Prednost rešenja je u tome da dužina cilindra ničim nije ograničena, može da ima relativno veliku dužinu. Zaptivanje je osetljiva tačka ovog rešenja.

Slika 61. Šema cilindra

110


Slika 62. Spoljni izgled cilindra

Slika 63. Presek cilindra

2.3.8.3.9.10. Udarni cilindar Funkcionisanje Cilindar je snabdeven sa pretkomorom za akumulaciju sabijenog vazduha i energije. Pretkomora je preko manjeg otvora povezana sa cilindrom. Klip zatvara otvor i sprečava da sabijeni vazduh prevremeno prodre u cilindar. Intenzivno prodiranje sabijenog vazduha u cilindar počinje tog trenutka, kada pritisak poraste do nivoa, da na zaptivnoj površini klipa (sl.62) stvara silu malo većeg intenziteta od spoljašnje sile. Sabijeni vazduh odgurne klip sa prolaza, prodire u prostor ispred klipa i napada celu površinu čela klipa. Proces prodiranja vazduha se odvija veoma

111


brzo, jer je prolaz dovoljno velik, i sabijeni vazduh je već pripremljen u pretkomori. Nagli porast intenziteta sile dolazi usled naglog porasta aktivne površine čela klipa, uz neznatno smanjenje radnog pritiska sabijenog vaduha. Trenutak prodiranja sabijenog vazduha u prostor ispred klipa se može regulisati intenzitetom pritiska vazduha u prstenastoj zapremini, p1 . Ako je pritisak p 1 dovoljno visok ne dolazi do kretanja jer je površina za p r puno manja nego za p 1 . Intenzitet ubrzanja kompletne mase (klip, i spoljašnja masa) zavisi od veličine stvorene sile i od veličine masa. Primena: Udarni cilindar se primenjuje za utiskivanje, probijanje itd., jednom rečju gde je potrebna kratkotrajna intenzivna sila.

pr

p1

Zaptivač (guma)

∆F

pr F0

∆A

A0

F = F0 + ∆F F = pr ⋅ A + p1 ⋅ ∆ A

Slika 64. Šematski prikaz i plan sila

112

pr ≈ pr1


2.3.8.3.9.11. Membranski cilindar Membranski cilindar umesto klasičnog klipa ima klip sa membranom.

Prednost: •

aktivna površina čela klipa je velika bez značajnog porasta mase klipa i gabarita konstrukcije.

Nedostatak: • •

hod klipne poluge je kratak, povratni hod se ostvaruje najčešće pomoću opruge

Primena: kod presa, kao pogonski deo za velike cevne zatvarače.

Silka 65. Šema i presek membranskog cilindra

2.3.8.3.9.12. Savremeni clindar U odnosu na klasične, savremeni pneumatski cilindri su u nekim detaljima i funkcijama usavršeni. U osnovnoj konstrukciji cilindra nije moguće nešto spektakularno novo izmisliti, ali se uspeo eliminisati deo dosadašnjih anomalija, nedostataka. Kod klasičnih pneumatskih cilindara velik problem je: • podmazivanje,

113


• •

precizno zaustavljanje i utvrđivanje položaja klipa.

Usavršenja: Podmazivanje. Kod novih konstrukcija klasični zaptivni materijali su zamenjeni veštačkim materijalom, teflonom koji ima mali koeficijent trenja i veliku postojanost i bez podmazivanja. Precizno zaustavljanje. Za precizno zaustavljanje i fiksiranje klipa sa polugom je razvijena i u sklop cilindra ugrađena elektromagnetna kočnica. Sa ovim dodatnim uređajem u bilo kojem međupoložaju je moguće precizno zaustaviti i fiksirati klip. Utvrđivanje položaja. U poslednje vreme radi utvrđivanja položaja klipa u sklop cilindra se ugrađuju senzori. Davači su obično beskontaktni, induktivni. Mogu da budu izvedeni samo za detekciju dva krajnja položaja, ili za kontinualno praćenje kretanja klipa po celoj dužini hoda. Jedna komponenta senzora se ugrađuje u klip a druga komponenta u omotač cilindra. senzor

kočnice

teflon Silka 66. Šematski prikaz savremenog cilindra

2.3.8.3.9.13. Pneumatski meh Pneumatski meh obavlja istu funkciju kao cilindar, ali ima potpuno drugačiju konstrukciju. Meh je napravljen od armirane gume u obliku torusa (kao unutrašnja auto guma).

114


Može da ispoljava dejstvo samo u pravcu sopstvene ose. Konstrukcija meha je takva da ne omogućava radijalno širenje. Kao i kod cilindra i kod meha sabijeni vazduh, ispunjavanjem unutrašnjeg volumena vrši rad, razlika je u tome, da pokretnu površinu meha čini kompletan omotač. Unutar meha, za povratni hod, ne postoji poseban elemenat, nego sa ispuštanjem vazduha, zbog elastičnosti gumenog omotača on se skuplja. Prednosti: * meh je veoma proste konstrukcije, * nema sklopova sa pokretnim delovima, * ne zahteva nikakvo održavanje itd.. Nedostaci: * ima kratak hod, * zauzima velik prostor, * povratni hod nije rešen. Primenjuje se tamo gde ima dovoljnog prostora i u povratnom hodu se javlja neka spoljašnja sila za istiskivanje vazduha iz meha. Odgovara uglavnom za podizanje tereta.

Slika 67. Šema i presek meha

2.3.8.3.9.14. Cilindri za stezanje Cilindre za stezanje karakteriše: • monostabilnost, • kratak hod,

115


• klipovi imaju veliku površinu, uz mali gabarit cilindra. Spomenute konstruktivne karakteristike proizlaze i samog zadatka. Za stezanje je potrebna velika sila, a kratko pomeranje.

Posle otpuštanja obično ne postoji sila za vraćanje klipa zato valja ugraditi oprugu u mehaničku konstrukciju steznog pribora.

Slika 68. Šematsi prikaz steznog cilindra

lika 69. Razne veličine steznih cilindara, gama

2.3.8.3.9.15. Cilindar sa kočnicom Zadatak kočnice je da pri kraju hoda uspori kretanje klipa i pokretnih

masa. Bez kočenja klip sa masom bi udario u poklopac cilindra. Kinetička energija svih pokretnih masa bi se pretvorila u deformacijski rad. Klip bi se ponašao kao čekić. Funkcionisanje:

116


Pri kraju hoda klipa, ispušta se vazduh iz radne zapremine cilindra. Kočenje: Usled kretanja klipa kuglice pritiskuju čauru udesno. Kosi kraj čaure priljubljuje kočione papučice uz klipnjaču, i ostvaruje se kočenje. Otpuštanje kočnice: Opruga potiskuje kuglice ka klipu i čaura otpusti papučice.

Slika 70. Presek cilindra sa kočnicom

2.3.8.3.10. IZBOR CILINDRA Cilindri su dimenzionisani i standardizovani od strane proizvođača a naš zadatak je da vršimo izbor na osnovu nekoliko kriterijuma. Dimenzije su standardizovane i rastu po aritmetičkoj ili geometriskoj progresiji, zato izračunate potrebne prečnike ili dužine uvek treba zaokružiti na sledeću veću standardnu veličinu.

2.3.8.3.11. KRITERIJUMI IZBORA 2.3.8.3.11.1 Sila dejstva Potreban intenzitet sile može se postići izborom pritiska i površine čela klipa. U praksi radni pritisak je definisan i obično se kreće do 6 [bara], dakle potreban prečnik treba izračunati i usvojiti standardnu veličinu.

117


F = pr ⋅ A

A=

D2π F = 4 pr

2.3.8.3.11.2 Hod klipa U principu, hod klipa ne zavisi od prečnika klipa. Za isti prečnik obično proizvođači nude različite dužine hoda (dužine poluga). Zbog izvijanja ipak postoji uzajamna veza između moguće sile i dužine klipnjače. Dužina hoda (cilindra) se bira iz kataloga na osnovu potrebne dužine pomeranja mase.

2.3.8.3.11.3 Brzina kretanja Brzina kretanja klipa sa polugom zavisi od protoka sabijenog vazduha, a intenzitet protoka zavisi od razlike pritiska između pritiska na ulazu u cilindar p c i pritiska koji vlada u sabijenom vazduhu pr neposredno na čelu klipa. Za ustaljeno kretanje matematička formulacija je sledeća:

G v (∆p )= A ⋅

ds dt

G v (∆p ) = A ⋅ w A=

D2π 4

∆p = p r − p c

2.3.8.3.11.4 Kinetička energija Pokretne mase (klip sa polugom i deo mašine) raspolažu sa kinetičkom energijom. Ako je potrebno usporiti ili zaustaviti te mase, moramo tu kinetičku energiju da pretvorimo u neki drugi vid energije. U praksi je najprostije da kinetičku energiju pretvoriti u toplotnu energiju posredstvom sile trenja. Silu trenja možemo stvoriti primenom mehaničkog kočionog mehanizma ili primenom izentalpskog prigušivanja ističućeg vazduha iz prstenastog volumena cilindra. Drugo rešenje često se primenjuje u praksi, jer je veoma jednostavno, kompaktno i efikasno. 118


Funkcionisanje: Klip se produžava u manji klip, a manji klip zatvara prolaz za isticanje vazduha. Vazduh može samo preko prigušno nepovratnog ventila, kroz malu površinu da izlazi, uz veliki pad pritiska. Pomoću vijka u prigušnom ventilu može se regulisati proprečni presek isticanja tj. intenzitet samog prigušivanja, a sa tim i količina ističućeg vazduha. Videli smo da kod radnog hoda brzina kretanja direktno zavisi od ulaznog protoka, isto važi i kod usporavanja da opadanje brzine neposredno zavisi od protoka isticajućeg vazduha. Ako je pomeranje mase naizmenično, u oba smera, onda je potrebno usporenje ostvariti i za povratno kretanje. Opisani mehanizam treba ugraditi u oba poklopca. Nepovratni ventil u glavi cilindra služi za zatvaranje otvora za punjenje cilindra pri povratnom hodu.

Slika 71. Šematski prikaz cilindra sa prigušivanjem

119


Slika 72. Presek cilindra za prigušivanje

2.3.8.3.11.5. Izvijanje cilindra sa polugom Klasičani cilindari sa klipom i polugom su izloženi pritisku, dakle preti opasnost od izvijanja. Poznato je da kritična sila kod koja dolazi do izvijanja u velikoj meri zavisi od dužine i prečnika poluge i cilindra. Bitno utiču i načini pričvrsćivanja cilindra i poluge za mašinsku konstrukciju. O problemu izvijanja proizvođač vodi brigu i za razne slučajeve pričvršćavanja propisuje intenzitet dozvoljene sile. Sa dozvoljenom silom se sme opterećivati cilindar sa polugom. Ako nije poznat taj podatak tada treba vršiti proveru konstrukcije na izvijanje, prema poznatom postupku iz otpornosti, proračun na vitkost.

2.3.8.3.12. HIDRO – PNEUMATSKI CILINDRI Zbog stišljivosti vazduha, u slučaju promenljivog intenziteta spoljašnje sile, brzina kretanja klipa sa polugom biće promenljiva. Znači da se pokretne mase nejednako kreću, skakutaju, pogotovo pri malim brzinama. Nejednakosti kretanja je moguće ublažiti primenom principa izentalpskog prigušivanja protoka ulja. Pored pneumatskog cilindra postavljen je i hidraulični cilindar sa prigušnim ventilom. Pneumatski i hidraulični cilindri su povezani serijski (redno) ili paralelno.

Funkcionisanje: Kod oba slučaja klip u pneumatskom cilindru pokreće klip u hidrauličnom cilindru. Usled kretanja klipa ulje struji iz jedne zapremine cilindra u drugu zapreminu preko podešljivog prigušnog ventila. Prestrujavanje ulja ide uz energetske gubitke.

120


Ako je brzina kretanja konstantna, strujni gubici su stalni, to znači da klip uljnog cilindra sa približno stalnom silom deluje na klip pneumatskog cilindra. U slučaju promene intenziteta spoljašnje sile ili pritiska sabijenog vazduha u cilindru dolazi do promene brzine kompletno svih pokretnih masa uračunajući i masu ulja. Promena brzine ulja prouzrokuje promenu otpora u prigušnom ventilu a time se menja sa obe strane pritisak ulja na površinama klipa. Sa menjanjem pada pritiska ulja u prigušnom ventilu menja se i sila dejstva hidrauličnog klipa na pneumatski klip. Suprotno od promene intenziteta spoljašnje sile i sile usled pritiska sebijenog vazduha na čelo klipa, deluje hidraulični klip i na taj način ukupna rezultujuća sila se smanjuje, a time i promena brzine sklopa.

Fs(t)

vu vu v v Fs(t)

Slika 73. Šema redno i paralelno vezanih radnih i prigušnih cilindara

Fu Fp

Fu = A⋅pu1 − Ao⋅pu2 Fs

Fs = Fp ± Fu Slika 74. Plan sila pri prigušivanju

121


2.3.8.3.13. NAČINI FIKSIRANJA CILINDRA I POLUGA Veoma je važan zadatak vezivanje cilindra i pomerljivog dela uređaja koji će se pomerati ili fiksirati. Te veze možemo svrstati u nepokretne, statičke i samopodešavajuće.

Nepokretne veze su izvedene pomoću mašinskih elemenata kao što su nogice i prirubnice. Nepokretnim vezama postižemo da opada opasnost od izvijanja, ali se zahteva veoma precizna ugradnja i vođenje mašinskog dela koji je pokretan. U suprotnom slučaju preti opasnost od iskrivljenja poluga i pojačanog habanja zaptivnih prstenova. Samopodešavajuće veze su uglavnom one koje omogućavaju cilindru zaokretanje u ravni ili u prostoru. Ove veze imaju potpuno suprotne karakteristike od nabrojanih kod statičkih.

Slika 75. Razni načini za fiksiranje cilindra

122


Ponekad je potrebno da se cilindar podešava zbog nepreciznog vođenja, ili kružno kretanje u prostoru ili ravni, u tom slučaju su potrebne zglobne veze. Elementi za vezivanje mogu da budu postavljene po čitavolj dužini cilindra, u zavisnosti od primene.

2.3.8.3.14. ZAPTIVANJE CILINDRA Bitni konstruktivni elementi cilindra su zaptivači. Zaptivači sprečavaju isticanje sabijenog vazduha preko zazora u pokretnim i nepokretnim sklopovima. Nepokretni sklop se javlja između poklopca i cilindra, zaptivanje ovog sklopa se vrši primenom gumenog prstena. Pokretan sklop je između cilindra i klipa, klipnjače i poklopca. U ovim sklopovima zaptivači su prstenasti i složenog poprečnog preseka. Poprečni presek zaptivača je formiran tako da sa povećanjem pritiska jače zaptivaju što znači da je formirana jedna tanka aksijalna površina na koju deluje sabijeni vazduh i pritiska je na površinu klipne poluge, slika 74.

O prsten

gumena mandžeta klipna poluga

Slika 76. Zaptivni elementi: O prsten i mandžeta

123


2.3.8.3.14.1. Materijali zaptivača Materijal zaptivnih elementa je guma otporna na ulje ili veštački materijal od teflona.

Guma Guma je veoma dobar zaptivni materijal, lako se formira i veoma je elastična. Elastičnost zadržava jako dugo a time i zaptivnu moć. Velika prednost gume je da za dobro zaptivanje nije potrebna velika sila pritezanja a ni velika količina gume. Guma zahteva minimalnu negu i održavanje. Treba je čuvati od intenzivnog ultra violetnog i infra zračenja, eventualno povremeno je premazati tanko lakim uljem, radi sprečavanja "sušenja". Isušena guma gubi elastičnost i popuca. Guma je pasivirana protiv ulja i štetnih zračenja sa dodavanjem raznih aditiva npr. aktivnog uglja (čađ).

Teflon Teflon je veštački materijal koji može da izdrži visoke temperature, do 300 C i prilično je otporan na habanje. Zbog tih osobina teflon se često primenjuje za zaptivanje pokretnih sklopova. U poslednje vreme iz ekoloških razloga postoji težnja da se eliminiše podmazivanje pokretnih sklopova u pneumatskim komponentama uljem, pa se teflon upotrebljava za zaptivanjesa ali i bez uljnog podmazivanja.

124


2.3.9. PNEUMATSKI UPRAVLJAČKI IZVRŠNI ORGANI RAZVODNI VENTILI

2.3.9.1. DEFINICIJA I ULOGA Razvodni ventili su mehaničke konstrukcije sastavljene od čvrstih mašinskih elemenata. Služe za pokretanje, zaustavljanje i usmeravanje energije tj. toka sabijenog vazduha. Iz gornjeg nabrajanja sledi da je razvodni ventil praktično izvršni organ upravljačkog sistema i obavlja naredbe koje kreira upravljačka logika. Treba naglasiti da razvodni ventil nije konstruisan za obavljanje regulacionih zadataka, dakle, ne može da menja intenzitet pritiska ili protoka. Za regulaciju imamo posebne, za to konstruisane ventile.

2.3.9.2. KONSTRUKTIVNA REŠENJA Svakom razvodnom ventilu je telo osnovni element. Telo drži i objedinjuje ostale delove ventila. Centralni element razvodnog ventila je pokretno telo koje otvara, zatvara i spaja otvore za dovodne i odvodne cevi. Pokretno telo može da ima različite fizičke oblike ali najčešće ima vajčasti oblik. Valjak može da bude dugačak ili kratak, ako je dugačak onda govorimo o klipu, ako je kratak onda govorimo o ploči. Tako imamo dve osnovne konstrukcije razvodnog ventila sa klipom i sa sedištem. Klipna poluga služi za povezivanje klipa ili ploče sa izvorom mehaničkog rada. Izvor energije može da bude čovekov mišić, sabijeni vazduh, električna struja ili opruga.

125


Slika 77. Razvodni ventili sa klipon i sa sedištem

2.3.9.3. DISKUSIJA KONSTRUKTIVNIH REŠENJA Konstrukcija sa klipom se odlikuje prostom geometrijom i izradom. Sastoji se od valjčastog unutrašnjeg otvora koji se nalazi u samom telu ventila. U istom telu su i ulazni i izlazni otvori. Klip je takođe jednostavne geometrije (valjčastog oblika). Klipna izvedba zahteva tačnu izradu jer klip treba da dobro zaptiva, inače su zapreminski gubici sabijenog vazduha visoki. U slučaju ventila sa sedištem sve je obrnuto, geometrija je dosta složena. Izrada ne mora biti jako precizna, jer se zaptivanje kod ventil ploča realizuje ugradnjom posebnog zaptivača (gume).

2.3.9.4. PODELA Razvodne ventile možemo grupisati prema veoma različitim kriterijumima: Prema konstrukciji: • •

sa sedištem sa klipom

Prema izvoru energije za pomeranje pokretnog tela za zatvaranje: • snagom mišića • pomoću nekog mehanizma, mehanički • pomoću električne struje, električni • pomoću sabijenog vazduha, pneumatski

126


Prema načinu upravljanja: • direktno, kada ručno prebacimo ventil iz jednog položaja u drugi, • indirektno, postoji poseban energetski izvor za prebacivanje pokretnog tela (mehanička,električna, pneumatska), • predupravljanjem, kad postoji iznad razvodnog ventila jedan manji razvodni ventil koji upravlja sa većim. Prema satbilnosti položaja: • monostabilan, ventil ima samo jedan krajnji stabilan položaj, ovaj položaj obezbeđuje opruga, drugi krajnji položaj se ostvaruje spolja dovedenom enerijom, • bistabilan, oba krajnja položaja su stabilna, ventil će ostati u jednom od krajnjih položaja, • tropoložajni, ima tri stabilna položaja. Prema propustljivosti: • •

Prema broju priključaka: • • • •

normalno zatvoren, u osnovnom položaju ventil ne propušta sabijeni vazduh, normalno otvoren, u osnovnom položaju, ventil propušta sabijeni vazduh. sa dva sa tri sa četiri sa pet

Prema položaju: • •

dvopoložajni, ventil ima dva stabilna položa, tropoložajni, ventil ima tri stabilna položaja.

127


2.3.9.5. FUNKCIONISANJE Funkcionisanje razvodnog ventila je veoma prosto i svodi se na pomeranje pokretnog tela – klipa u drugi stabilan položaj. Pomeranje se odvija dovođenjem mehaničkog rada iz energetskih izvora. Izvori su: mišić, mehanizam, pneumatika, električna struja.

2.3.9.6. CILJ POMERANJA Sa pomeranjem klipa se spajaju odgovarajući otvori tj. cevi. Ostvaruje se usmeravanje kretanja sabijenog vazduha, i definiše se smer toka energije.

2.3.9.7. SIMBOLI U tehničkoj dokumentaciji, pogotovo kad se radi o funkcionalnoj šemi, sve komponente kao i razvodne ventile prikazujemo šematski. Nisu interesantni konstruktivni detalji, važna je samo funkcionalnost.

Elementi funkcionalnosti su: • • • • •

broj mogućih položaja, broj priključaka, otvorenost, zatvorenost priključka, energetski izvor za prebacivanje, mesto i način prigušivanja izlazećeg vazduha iz razvodnog ventila itd.

2.3.9.7.1. Elementi simbola: • • • •

Broj mogućih položaja simbolički prikazujemo sa brojem kvadrata. Otvorenost priključka označavamo sa strelicom ↑ Zatvorenost priključka označavamo sa "te" ⊥ Broj priključaka označavamo sa velikim slovima abecede ili brojevima. A – priključak koji spaja jedan kraj pneumatskog izvršnog organa. B – priključak koji spaja drugi kraj pneumatskog

128


izvršnog organa. P – priključak za napajanje, priključen cev od kompresora – rezervoara, označava se sa R, S, T... – priključci za ispuštanje vazduha u atmosferu. X, Y, Z... – priključak za upravljanje ventilom.

2.3.9.8. ENERGETSKI IZVOR ZA FUNKCIONOSANJE Aktiviranje snagom mišića: - opšti simbol - dugme - poluga - pedala

Mehaničko aktiviranje: - pipak - točkić - točkić, deluje u jednom smeru - opruga

Električno aktiviranje: - elektromagnet

129


Pneumatsko aktiviranje: - povećanjem pritiska (pozitivno upravljanje) - smanjenjem pritiska (negativno upravljanje)

Predupravljanje:

2.3.9.9. VRSTE RAZVODNIH VENTILA Uzimajući u obzir gore navedene činjenice moguće je konstrusati veoma različite i mnogobrojne razvodne ventile. Zbog mnogobrojnosti navešćemo samo neke karakteristične izvedbe ventila. Najprostija verzija razvodnog ventila je zaustavni ventil. Dva sa dva Karakteristika:2/2 – Dva priključka i dva položaja. Pneumatsko aktiviranje. Bistabilan. šema

simbol

A A y

x

P P

Tri sa dva: Karakteristika:3/2 – Tri priključka i dva položaja. Ručno aktiviranje. Monostabilan. Povratni hod sa oprugom, normalno zatvoren.

130


šema

simbol

A A

P P

R

R

Četri sa dva: Karakteristika:4/2 – Četri priključka i dva položaja. Električno aktiviranje. Bistabilan. šema A

simbol

B A

B y

x P P

R

R

R

Pet sa dva: Karakteristika:5/2 – Pet priključaka i dva položaja. U suštini izgleda isto tako kao 4/2, jedina razlika je da ne postoji unutrašnji kanal za spajanje izlaznog otvora R i R′. Priključak R′ je otvoren skroz, dakle formirano je mesto za još jedan priključak ⊥. Šema

simbol

B

A

A x

y

P T R T

P

R

131


Ventil 5/2 koristimo ako je potrebno primeniti različite vrednosti prigušivanja prilikom ispuštanja vazduha iz levog ili desnog dela cilindra. Time se postižu različite brzine pri radnom i povratnom hodu.

Tri sa tri: Karakteristika:3/3 – Tri priključka i tri položaja. Normalno zatvoren. Ako ventil nije aktiviran, usled dejstva opruga klip zauzima srednji položaj i zatvara priključke A, P, R. Šema

simbol

A A

P R P

R

Četri sa tri: Karakteristika:4/3 – Četri priključka i tri položaja. Tri stabilan, normalno zatvoren. Šema

simbol

A A

P R P

132

R


Slika 78. 5/2 razvodnik sa elektromagnetskim upravljanjem

Slika 79. 3/2 razvodnik sa elektromagnetskim upravljanjem i prigušivačem šuma

Slika 80. 3/2 razvodnici sa aktiviranjem (polugom i točkićem)

133


2.3.9.10. VENTIL SA PILOT VENTILOM U slučaju velikog protoka sabijenog vazduha dimenzije razvodnog ventila su velike. Za promenu položaja razvodnika potrebna je velika sila. Kad upravljački sistem radi na bazi sabijenog vazduha ne treba primenjivati servo tehniku, nego pilot ventil. Pomoću sabijenog vazduha u razvodnom ventilu je moguće bez problema stvoriti silu dovoljnog intenziteta za pomeranje klipa. Problem se javlja kad je upravljački sistem električan. Linijski elektro motori tj., elektro magneti za prebacivanje klipa kad je sila velikog intenziteta postaju glomazni, višestruko veći nego sam razvodni ventil. Tada se primenjuje elektro pneumatski pilot ventil 4/2. Električni deo služi za upravljanje, dok pneumatski za energiju. Energija je potrebna za menjanje stanja velikog ventila.

šema

simbol

A

P

R

Slika 81. šema i simbol razvodnog ventila sa pilot venilom

134

3. UPRAVLJAČKA PNEUMATIKA

3. Upravljačka pneumatika

3.1. PNEUMATSKI VENTILI ZA MATEMATIČKE – LOGIČKE FUNKCIJE Za tehničku realizaciju upravljačke logike, potrebni su pneumatski logički ventili. Pneumatski logički ventili fizički realizuju potrebne matematičke i logičke operacije kao što su sabiranje, množenje, memorisanje, jednosmernost kretanja, itd. Ovi ventili su po dimenziji višestruko manji od energetskih ventila. Preko njih prolazi samo upravljački – logički signal, tj. sabijeni vazduh malog protoka.

3.1.1. VENTIL ZA MNOŽENJE, I-FUNKCIJA Matematički opis: Zadatak je pomnožiti dve nezavisne promenljive x1 i x2 i dobiti rezultat, y. y = x1 • x2 Fizički opis: U cevima se pojavljuje sabijeni vazduh određenog pritiska, tu pojavu nazivamo pneumatskim signalom i označavamo je sa x1 i x2. Cevi spajaju ventil za množenje i senzorski ventil. Rezultat množenja je, pojava sabijenog pritiska na izlazu iz ventila za množenje. Funkcionisanje: Mora da postoje oba signala x1 i x2 što označava prisustvo sabijenog vazduha na pritisku p1 i p2. Ako ima sabijenog vazduha sa obe strane ventila, vazduh pod višim pritiskom zatvara sebi prolaz, otvara prolaz na drugoj strani i propušta vazduh pod nižim pritiskom. Vazduh pod nižim pritiskom postaće rezultujući signal (y). Šematski prikaz:

logički simbol:

y(p) x1 x1(p1)

136

x2(p2)

x2

&

y = x1 • x2


Ako je logička funkcija "i" za dobijanje izlazne funkcije (y), mora da postoji oba signala x1 i x2

Slika 82. Presek logičkog ventila za množenje

Slika 83. Spojašnji izgled ventila za množenje

137


3.1.2. VENTILI ZA SABIRANJE, ILI - FUNKCIJA Matematički opis: Treba sabrati dve nezavisne promenljive xI i x2 te dobiti rezultat y. y = x1 + x2 Fizički opis: U priključenim cevima x1; x2 pojavljuje se sabijeni vazduh pod pritiskom p1, p2. Ventil je tako konstruisan da propušta sabijeni vazduh iz jedne od dve priključene cevi. Propušteni sabijeni vazduh predstavlja rezultujući signal (y). Funkcionisanje: Dovojno je da postoji jedan od signala ili x1 ili x2, potpuno je svejedno koji od njih. Ako postoje oba signala, sabijeni vazduh pod većim pritiskom dominira, sebi otvara put i prolazi preko ventila i izlazi kao rezultirajući signal (y). Šematski prikaz:

logički simbol:

(p) x1 x1(p1)

x2(p2)

≥1

y = x1 + x2

x2

Logička funkcija ili: ako je logička funkcija "ili" za dobijanje izlazne funkcije (y) dovoljno je da postoji signal x1 ili x2, ili oba i x1 i x2 istovremeno.

138


Slika 84. Presek logičkog ventila za sabiranje

Slika 85. Spoljni izgled ventila za sabiranje

3.1.3. VENTIL ZA MEMORIJU Matematički opis: Za upravljački signal Z formira se z izlaz (set). Za upravljački signal Z formira se z izlaz (reset). Fizički opis: Ventil za memoriju je bistabilni pneumatski upravljan ventil 4/2. Četiri priključka i dva položaja. Za postizanje jednog od položaja služi upravljački signal Z ili Z . U jednom položaju propušta sabijeni vazduh na izlazu z a u drugom položaju na izlazu z . Upravljački signal znači prisustvo sabijenog vazduha na Z i Z strani ventila. 139


Funkcionisanje: Pomoću memorije se razlikuju dve potpuno identične upravljačke funkcije. Fizički to se odvija tako da memorija u jednom položaju orijentiše sabijeni vazduh (upravljački signal) prvo prema razvodnom ventilu koji je predviđen za pokretanje prvog cilindra po ciklogramu. Posle pokretanja prvog cilindra, ventil – memorija se prebaci u drugi položaj, posredstvom upravljačkog signala Z. U drugom položaju ventil, orijentiše upravljačku funkciju (sabijeni vazduh), prema drugom razvodnom ventilu koji propušta sabijeni vazduh za pokretanje drugog cilindra. Jedna memorija razlikuje samo dva slučaja.

Šematski prikaz

y −A

y C+

Z

Z

y

simbol

Z

y −A

Z

y C+

Primer 0:

Slika 86. Primena ventil memorije

140


3.2. PNEUMATSKI SENZORI Senzori su merni pretvarači, davači, detektori, ima puno naziva za njih. Služe za praćenje i pretvaraju jednu fizičku veličinu u neku drugu. U pneumatici je kretanje osnovna fizička veličina. Pneumatski senzori dužinu kretanja pretvaraju u pneumatski signal. Poznajemo više načina pretvaranja np. kontaktni ili bezkontaktni, diskretni ili kontinualni. U tradicionalnom pneumatskom upravljanju su bili u primeni pretežno kontaktni, diskretni davači, senzori. Tehničke izvedbe takvih davača je 3/2 ili 2/2 pneumatski ventil, monostabilni, normalno zatvoreni sa veoma različitim načinom aktiviranja. Za aktiviranje su primenjeni različiti mehanizmi. Mehanizam sa točkićem, sa polugom, sa pipkom itd.. Davač – ventil može samo da detektuje jedan diskretni položaj cilindra. Obično se početni i krajnji položaj cilindra detektuje sa po jednim ventilom. Međustanja kao i karakter kretanja cilindra nisu praćeni. Sa ventilima se realizuje najprostiji način detektovanja, prostorno – diskretni. Kod pozitivnog upravljanja se primenjuje monostabilni, normalno zatvoreni ventil 3/2. Aktivirani ventil propusti sabijeni vazduh, a nakon deaktiviranja iz iste grane ispušta. Kod pozitivnog upravljanja u kompletnom upravljačkom sistemu samo u toj grani ima sabijenog vazduha gde želimo postići promenu, ostale grane su prazne, nisu pod pritiskom. Upravljački signal se formira dovođenjem sabijenog vazduha. Kod negativnog upravljanja se primenjuje monostabilni normalno zatvoreni ventil 2/2. Kompletan upravljački sistem je ispunjen sa sabijenim vazduhom. Gde se želi promena, iz te grane se ispušta sabijeni vazduh pomoću ventila 2/2. Upravljački signal se formira evakuacijom sabijenog vazduha. 3/2 ventil

šema

simbol

A A P R P R

141


Slika 87. Električni senzor, perekidač 2/2

2/2 ventil

šema

simbol

A

A

P

P

Slika 88. Pneumatski senzor,ventil 3/2

142


3.3 ELEMENTARNA PNEUMATSKA JEDINICA -ĆELIJA Elementarna pneumatska ćelija (slika 86-1) se sastoji od jednog energetskog izvršnog organa (pneumatski cilindar ili rotacioni p. motor) i jednog upravljačkog izvršnog organa (razvodni ventil). Proširena elementarna pneumatska jedinica (slika 86-2) već sadrži i povratne sprege sa senzorima. Proširena jedinica sa pogodno povezanim povratnim spregama između senzora i razvodnog ventila, obezbeđuje automatsko upravljanje kretanjem klipa u cilindru. Kretanje je ciklično, klip izlazi i vraća se.

Slika 89. Primer za ručno i automatsko upravljanje cilindra

Fizičko tumačenje automatskog upravljanja: Sabijeni vazduh kao energetski signal ulazi u razvodni ventil 4/2, a izlazi kroz otvore ( A+ ili A− ) zavisno od položaja klipa unutar razvodnog ventila. Položaj klipa unutar razvodnog ventila određuje senzor položaja koji smo označili sa (a) ili ( a ). Senzori položaja su po pravilu pneumatski ventili 3/2 ili 2/2. Ako su aktivirani, pritisnuti sa strane klipa pneumatskog cilindra, propuštaju sabijeni vazduh, što predstavlja upravljački signal ( a, a ). Matematičko tumačenje automatskog upravljanja:

143


U fizičkom sistemu energetski i upravljački element ima dva stabilna stanja, levi ili desni krajnji položaj. Ventilski senzori registruju samo ova dva krajnja položaja, ostala međustanja ne. Upravljački sistem ovakvog tipa je prostorno diskretan, dvopoložajan. Za matematičko opisivanje sistema uvodi se promenljiva (a). Ako je poluga u desnom krajnjem položaju a uzima vrednost 1, ako je u levom krajnjem položaju promenljiva prelazi u negaciju postaće a i uzima vrednost 0. Iz gornjeg sledi da se može primenjivati dvocifreni brojčani sistem tj. binarni, sa svim pravilima Boolove algebre. Važno je napomenuti da je u ovom slučaju broj nula samo oznaka i fizički ne znači nedostatak nečega naprotiv označava postojanje upravljačkog signala (sabijeni vazduh) koji se stvorio pritiskivanjem ventila u položaju a tj. 0.

3.4. PNEUMATSKI SISTEM Više elementarnih pneumatskih jedinica čini pneumatski sistem. Tehnološki postupak određuje broj elementarnih pneumatskih jedinica. Svako kretanje se ostvaruje pomoću pneumatskog motora (pravolinijskog ili rotacionog ).

A

B

N •

Slika 90. Pneumatski sistem

144

•


3.5. UPRAVLJANJE PNEUMATSKIM SISTEMOM Na sl.87 predstavljeni pneumatski sistem je ručno upravljani. Na osnovu tehnološkog postupka radnik memoriše redosled pritiskivanja dugmadi na razvodnim ventilima i na taj način inicira kretanja klipova sa polugom i realizuje predviđena pomeranja. Radnik obavlja više zadataka u toku upravljanja. Radnik memoriše kompletan program na bazi tehnološkog postupka, posmatrajući detektuje (ustanovljuje) položaj poluge (senzor – oko). Na osnovu logike odlučuje kad treba da interveniše. Intervencija znači, pritisne dugmad na razvodnom ventilu. Nadzor vrši posmatranjem rada sistema. Izvršenje upravljačkog zadatka je strahovito naporan rad. Kreativan čovek ne može dugo da izvršava operaciju a da mu ne popusti koncentracija i ne pogreši. Ovom se još dodaje raspoloženje i sposobnosi radnika. Radnik mora da bude oslobođen od monotonog rada i zamenjen veštačkim upravljačkim sistemom.

3.6. PROJEKTOVANJE PNEUMATSKOG UPRAVLJAČKOG SISTEMA Pre projektovanja se treba opredeliti za koncept upravljanja. Kao što smo videli iz prethodnih primena, u slučaju cikličnog kretanja energetskih izvršnih organa (cilindri) najjednostavnije se ostvaruje prostorno diskretno upravljanje sa potpunom povratnom spregom. Ovako koncipiran upravljački sistem menja stanje samo u krajnjim položajima klipne poluge. Ti položaji su diskretni i u prostoru i u vremenu. U međupoložajima upravljački sistem uopšte ne može da deluje na fizički sistem, što znači da ne može da utiče na brzinu, samo na smer kretanja, levo ili desno.

3.6.1. CIKLOGRAM Ciklogram je dijagram za grafičku prezentaciju tehnološkog postupka. Na jednoj osi su taktovi, dok su na drugoj upravljački signali. Signali su kreirani sa strane aktiviranih senzora, u položaju a (1) ili a (0). Pomoću ciklograma se prikazuje trenutak i smer kretanja klipnih poluga, nezavisno od vremena. 145


Primer 1: Ciklogram najprostijeg slučaja kada se jedna klipna poluga (A) ciklično kreće a (1) A

a (0) 1

2

3

4

5

Slika 91. Ciklogram sa primenom jednog cilindra

Primedbe: Sa krugovima su označeni inicirajući signali. Signali se stvaraju aktiviranjem senzora-ventila sa strane klipne poluge. Ventili su postavljeni u krajnje položaje klipne poluge. Inicirajući signal označava kraj prethodnog kretanja (ciklus) i početak sledećeg po tehnološkom postupku. Inicirajući signal je neophodan za start sledećeg kretanja. Primer 2: Složeniji slučaj je kad imamo dva cilindra A i B, znači dva elementa, dva stanja, ukupno četiri mogućnosti, npr. jedan od četiri. +

a

A

+

a

n=2

22=4

b

N=2

22=4

B

b

1

2

3

4

Slika 92. Ciklogram sa primenom dva cilindra

146

5=1


3.6.2. TABLICA ISTINE Tablica istine služi za tabelarno prikazivanje redosleda operacija po taktovima, a unutar takta raznih parametara kao što su to inicijalni signal i matematičke formulacije upravljačkog signala. Tablica istine se stvara na bazi ciklograma tj. tehnološkog postupka.

Takt 1

Upravljački signal Inicirajući alfa numerički signal numerički a a 0

kretanje A+

2

a

1

a

A−

3

a

0

a

A+

4

a

1

a

A−

5

a

0

a

A+

Tablica 1. Tablice istine na osnovu ciklograma sl. 88.

Upravljački signal Takt

alfa numerički numerički

Inicirajući Kretanje signal

1

ab

01

b

A+

2

ab

11

a

B−

3

ab

10

b

A−

4

a b

00

a

B+

5

ab

01

b

A+

Tablica 2. Tablice istine na osnovu ciklograma sl. 89.

147


3.6.3. BROJ MOGUĆIH KOMBINACIJA Ako imamo n broj izvršnih organa (cilindar, motor) svaki ima dva stabilna stanja, levi i desni krajnji položaj, onda može da se ostvari 2*n samostalonih kretanja klipnih poluga, tj. taktova. Primer: sa dva cilindra možemo ostvariti 2*n=4 nezavisnih taktova. A i B klipna poluga levo i desno 2*2=4

Unutar taktova može da se realizuje 2n različitijh stanja klipnih poluga, 2n različitih tehnoloških postupaka. Primer: sa dva cilindra mogu se ostvariti 2n = 22 = 4 različite kombinacije kretanja.

3.6.4. GENEZA UPRAVLJAČKIH FUNKCIJA Kod pneumatskog diskretnog analognog upravljanja u jednom taktu upravljačka funkcija se formira množenjem signala, uzimajući aktivirane senzore (ventile) položaja. Senzori su aktivirani sa strane klipnih poluga. Klipne poluge su u desnom ili u levom krajnjem položaju. Ako jedan ili više od njih još nije u krajnjem položaju, senzori nisu aktivirani i ne stvara se upravljački signal. Upravljački signal izaziva promenu stanja u sistemu, prebacivanjem razvodnog ventila u drugi stabilan položaj. Prebacivanjem počinje sledeći takt. Energetski signal (sabijeni vazduh) struji u drugi izvršni organ:

148


Primer 3:

KOMBINACIONA LOGIKA a

+ A

kombinaciona logika

a +

b

B

b

1

2

3

4

5=1

Slika 93. Ciklogram kombinacione logike

Takt

Upravlj. funkcija

cilindar

Smer

1

yA+= b a

A

+

2

yB−= b a

B

−

3

yA−= a b

A

−

4

yB+= a b

B

+

Tablica 3. Tablica istine na osnovu ciklograma sl. 93.

Konstatacije: • • • • • •

upravljačke funkcije su formirane na bazi maksimalnog broja povratnih sprega, dva cilindra, dva signala položaja. minimizacija nije izvršena, funkcije se razlikuju u taktovima b a ≠ ba ≠ b a ≠ b a . nema podudarnih kombinacija ni u jednom taktu. nije potrebna memorija, kombinacionoj upravljačkoj logici nije potrebna memorija, jer ne treba razlikovati upravljačke funkcije.

149


Primer 4:

SEKVENCIJALNA LOGIKA Uzećemo ponovo dva pneumatska cilindra, ali tehnološki postupak zahteva drugačiji redosled kretanja od prethodnog.

+ a A sekvencijalna logika

a +

b

B

b 1

2

3

4

5=1

Slika 94. Ciklogram sekvencijalna logika

Tablica istine: Takt

upravlj. funkcija

cilindar

smer

1

yA+=b a

A

+

2

yA−=ba

A

−

3

yB−=b a

B

−

4

yB+= b a

B

+

Tablica 4. Tablice upravljačkih funkcija na osnovu ciklograma sl. 94.

Konstatacije: • • •

•

150

Minimizacija nije izvršena. Samo jedna promenljiva se menja u taktovima. Samo jedan izvršni organ se startuje. Takt 1 i 3 ima isti ulaz a treba da imaju različite izlaze. Upravljačka funkcija takt 1. b a i takt 3. b a imaju isto početno stanje klipnih poluga. Posledica je da se u istom taktu formiraju upravljački signali yA+ i yB− tj. kretanje klipne poluge A u


pozitivnom, dok B u negativnom smeru. Međutim tehnološki postupak zahteva da se u prvom taktu ostvari A+ a u trećem B−. Problem je rešiv uvođenjem memorije u upravljačku logiku radi razlikovanja upravljačke funkcije 1. i 3. takta. Matematički, uvođenje memorije znači uvođenje nove promenljive. Fizička memorija se ponaša kao jedan razvodni ventil 4/2. Upravljački signal ga prebacuje iz jednog u drugi stabilni položaj radi usmeravanja upravljačkog signala ili prema A+ ili prema B−. Memorija je praktično jedna skretnica signala.

• • • •

•

Primer 5: PRIMENA VENTIL MEMORIJE

Šematski prikaz

simbol

z z

z

Z

Z

Z y

z

Z Slika 95. Ventil memorija

+ a A a

+ b B

b −

Z

z z 1

2

2/

3

4

4/

5=1

Slika 96. Ciklogram dva cilindra i jedne ventil-memorije

151


Takt

upravljačka funkcija

numerički

Cilindar

smer

1

yA+= abz

011

A

+

2

yZ−=abz

111

Z

−

2/

yA−= abz

110

A

−

3

yB−= bz

010

B

−

4

yZ+= ab z

000

Z

+

4/

yB+= abz

001

B

+

Tablica 5. Tablica upravljačkih funkcija na osnovu ciklograma sl. 93.

2. takt: − položaj memorije (upisivanje) 4. takt: + položaj memorije (brisanje) Konstatacije: • Problematični taktovi 1 i 3 sa uvođenjem memorije se razlikuju u signalu z i z . 1. zba 3. zba • Uvođenjem memorije, sekvencijalna upravljačka loga je svedena na kombinacionu. Primer 6: MINIMIZACIJA primenom VK mape:

ab

z z

ab

ab

ab

Z+

B−

A−

−

B+

A+

Z−

−

Tablica 6. Tablice minimizacije, VK mape na osnovu ciklograma sl. 93.

152


takt

upravlj. Funkcija

1

yA+= bz

2

yZ−=a

2/

yA−= z

3

yB−= az

4

yZ+= a b

4/

yB+= z

Tablica 7. Minimizirane upravljačke funkcije na osnovu tablice 6.

Primer 7: ISTOVREMENOSTI Istovremeno startovanje dve klipne poluge +

a

A

a +

b

B

b 1

2

3

4=1

Slika 97. Ciklogram za slučaj istovremenosti startovanja više kretanja

153


1

yA+= ba

10

2

yA−=ba yB−=ba

11 11

3

yB+= ba

00

Tablica 8. Tablice upravljačkih funkcija na osnovu ciklograma sl. 97.

Konstatacije: • U taktu 3 imamo dva inicirajuća signala. • Kretanje A− i B− se odvija istovremeno sa različitom brzinom. U suštini sporije klipna poluga stvara inicirajući signal, čim stigne, može da počinje sledeći takt. •Logika je kombinaciona.

3.7. MINIMIZACIJA U prethodnim primerima upravljačke funkcije su formirane na bazi maksimalnog broja signala. Jedan od senzora je aktiviran kod svakog izvršnog organa (cilindra). Ovakvo rešenje sa maksimalnim brojem povratnih sprega je veoma pouzdano u radu, jer je svaki izvršni organ detektovan. Izrada upravljačke logike sa maksimalnim brojem povratne sprege sa klasičnim množačima (ventilima) je dosta složena i komplikovana. Za realizaciju svake upravljačke funkcije je potreban n–1 množač. Postoji mogućnost smanjivanja množača i povratnih sprega primenom raznih metoda minimizacije. Minimizacijom možemo eliminisati nepotrebne signale, a da ne izgubimo pouzdanost i predviđeni cilj upravljanja.

154


3.7.1. METODI MINIMIZACIJE 3.7.1.1. ANALITIČKA METODA MINIMIZACIJE Analitička metoda minimizacije je bazirana na činjenici da je (a + a ) = 1. Fizičko tumačenje, dali se klipna poluga nalazi u levom ( a ). ili u desnom (a) krajnjem položaju potpuno je svejedno. Jedan od senzora je svakako aktiviran i daje signal. Propušta sabijeni vazduh. Druga činjenica je da upravljački signal može da živi u svim sledećim taktovima sve do suprotnosmernog kretanja. Primer 8:

yA+=1, yA−=0 u svim taktovima do yA−=1, tada yA+=0.

Uzimajući u obzir te dve činjenice možemo izvršiti minimizaciju :

1

yA+= ba

može da živi yA+=1

2

yB−=ba

yB−=1

2.3.

yB+=0

4.1.

3

yA−= ba

yA−=1

3.4.

yA+=0

1.2.

4

yB+= ba

yB+=1

4.1.

yB−=0

2.3.

primeru 1

ne sme 1.2.

yA−=0

3.4.

Tablica 9. Tablica istine

yA+= ba + ba = 1 = yB−=ba + ba = 1 = yA−= ba + ba = 1 = yB+= ba + ba = 1 =

b ( a + a) a (b + b ) b (a + a ) a ( b +b)

=b =a = b = a

yA−= 0 yB+= 0 yA+= 0 yB−= 0

mora da bude mora da bude mora da bude mora da bude

Konstatacije: • Nakon minimizacije bar inicirajući signal mora da egzistira. • U ovom primeru dobili smo minimalan broj signala, samo inicirajući signali egzistiraju. • U opštem slučaju pored inicirajućih signala su prisutni i drugi signali koji nisu eliminisani minimizacijom.

155


3.7.1.2. GRAFO – ANALITIČKA METODA MINIMIZACIJE VEČ – KARNO

Več – Karnov postupak je baziran na dve činjenice primenjene u analitičkoj metodi. Možemo reći da je V – K metoda grafička forma analitičke metode. V – K postupak je sledeći: • za svaki takt se pravi V – K mapa, • u mapi su sve kombinacije upravljačkog signala, • u poljima su označeni vrednosti upravljačkog signala sa 1, −, 0. Fizičko tumačenje: 1 mora, - može, 0 nesme da egzistira upravljački signal. •u optimizaciju ulaze polja, kombinacije gde treba ili još može da egzistira upravljački signal. V – K MAPE Suština : grafička prezentacija svih taktova u jednoj mapi Primer 9:

Treba izvršti minimizaciju primera 3 V-K grafo-analitičkim postupkom. Isti primer je analiziran i u analitičkom postupku.

Slika 98. V-K mape

156


a

b b

4

a 3

yB+

yA−

yA+

yB−

1

2

Slika 99. ObjedinjeneV-K mape

Konstatacije: • Metoda daje dobru vizuelnu sliku o svim kombinacijama signala. • Polje sa parnim brojem možemo uzeti u obzir (zaokružiti) jer izabrana polja moraju obuhvatiti afirmaciju i negaciju istog signala npr. (a + a ) = 1. • Nedostatak metode da sa povećanjem broja izvršnih organa na 2*n raste i broj mapa. Primer: sa osam izvršnih organa (n=8) broj mapi je 2*n = 16.

• Mape je moguće sažimati u jednu mapu, ali u tom slučaju gubi se preglednost i teža je primena..

3.8. LOGIČKA ŠEMA UPRAVLJAČKOG SISTEMA Logička šema je grafička prezentacija povezanosti logičkih elemenata (množači), senzora (ventili) i upravljačkih izvršnih organa (razvodnih ventila). U logičkoj šemi komponente (množači, senzori razvodni ventili) su predstavljeni samo simbolima.

157


Primer 10:. Logička šema primera 3. Kombinaciona bez minimizacije

Slika 100. Logička šema upravljanja bez minimizacije

Primer 11: Logička šema primera 3. Kombinaciona sa minimizacijom

Slika 101. Logička šema upravljanja sa minimizacijom

158


Primer 12: Logička šema primera 4. Sekvencijalna bez minimizacije sa memorijom

Slika 102. Logička šema upravljanja sa memorijom bez minimizacije

159


Primer 13: Logička šema primera 4. Sekvencijalna sa minimizacijom, sa memorijom

Slika 103. Šema upravljanja primenom memorija sa minimizacijom

160


3.9. TEHNOLOŠKA ŠEMA Tehnološka šema je proširena logička šema sa komponentama za energetiku – izvršni organi i sa senzorima – davačima. Primer 14: Tehnološka šema primera 3. Kombinaciona bez minimizacije

Slika 104. Tehnološka šema primera 3

161


Primer 15: Tehnološka šema primera 3. Sekvencijalna bez minimizacije, sa memorijom

Slika 105. Tehnološka šema primera 4 bez minimizacije, sa memorijom

162


3..10. KASKADNE METODE UPRAVLJANJA Za projektovanje sistema kombinacionog i sekvencijalnog diskretnog upravljačkog sistema pogotovo sa minimalnim brojem elemenata logike (množači), potrebno je dobro poznavati teoriju. Primenom jednog od kaskadnih metoda upravljanja, sistema upravljačke logike, svodi se na jednostavnu rutinu i bez ikakvog teoretskog znanja iz logike se može rešiti upravljanje.

3.10.1. METODA KORAK PO KORAK (step by step) Cena lakoće metode je da za svaki korak potrebna je jedna memorija i jedan množač.

Slika 106. Logička šema

y – upravljačka funkcija za n-ti razvodni ventil a – signal n-tog krajnjeg prekidača, tj. inicirajući signal

Slika 107. Tehnološka šema

163

5. Simboli pneumatskih komponenata

5. SIMBOLI PNEUMATSKIH KOMPONENATA

Kompresor Pneumatski motor sa jednim smerom obrtaja Pneumatski motor sa dva smera obrtaja Pneumatski motor sa ograničenim zaokretanjem Jednosmerni cilindar, vraćanje spoljnom silom Jednosmerni cilindar, vraćanje ugrađenom oprugom Dvosmerni cilindar Cilindar sa prolaznom (obostranom) klipnjačom Cilindar sa podešljivim prigušenjem Razvodnik 2/2

165

5. Simboli pneumatski komponenta Razvodnik 3/2 Razvodnik 3/3 Razvodnik 4/2 Razvodnik 4/3 Naizmenično nepovratni ventil Nepovratni ventil Nepovratni ventil sa podešljivim prigušivanjem Prigušni ventil Podešljivi prigušni ventil Ventil sigurnosti Ventil regulisanja protoka bez odvodnog otvora Ventil regulisanja protoka sa odvodnim otvorom Izvor pritiska Pneumatski akumulator Pripremna grupa Zauljivač

166

5. Simboli pneumatskih komponenata Filter Izdvajač kondenzata sa ručnim pražnjenjem Izdvajač kondenzata sa automatskim pražnjenjem Filer sa izdvajačem kondenzata

Sušač

Hladnjak Opšti pneumatski ventil Pneumatski ventil sa dugmetom Pneumatski ventil sa polugom Pneumatski ventil sa pedalom Pneumatski ventil sa tasterom Pneumatski ventil sa točkićem Točkić sa praznim povratnim hodom Pneumatski ventil sa oprugom

167

5. Simboli pneumatski komponenta Pneumatski ventil-razvodnik sa elektromagnetom Razvodnik sa elektromagnetom i pomoćnim razvodnikom Pneumatsko aktiviranje, vazduh pritiskuje Pneumatsko aktiviranje, vazduh rasterećuje

168

Pneumatika

Recommend Documents