Grundlagen1_e ab

Mechatronika
Moduł 3: Technika płynowa
Podręczniki
(Koncepcja)
Matthias Römer
Uniwersytet Techniczny w Chemnitz,
Instytut Obrabiarek i Procesów
Produkcyjnych
Projekt UE Nr 2005-146319 „MINOS“, Realizacja od 2005 do 2007
Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji
Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji
przemysłowej.
Ten projekt został zrealizowany przy
wsparciu finansowym Komisji Europejskiej.
Projekt lub publikacja odzwierciedlają
jedynie stanowisko ich autora i Komisja
Europejska nie ponosi odpowiedzialności za
umieszczoną w nich
zawartość
www.minos-mechatronic.eu
Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS**
project.
- Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
- np – neugebauer und partner OhG, Germany
- Henschke Consulting, Germany
- Corvinus University of Budapest, Hungary
- Wroclaw University of Technology, Poland
- IMH, Machine Tool Institute, Spain
- Brno University of Technology, Czech Republic
- CICmargune, Spain
- University of Naples Federico II, Italy
- Unis a.s. company, Czech Republic
- Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
- Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
- Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
- Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
- Euroregionala IHK, Poland
- Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
- Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
- Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
- Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
- Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
- Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
- Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Zawartość Szkolenia
Minos:
moduły 1 – 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy
Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/
Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka
Minos **:
moduły 9 – 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy
Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach:
Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki
W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z
Chemnitz University of Technology
Dr.-Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
phone: + 49(0)371 531-23500
fax: + 49(0)371 531-23509
e-mail: [email protected]
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch or www.minos-mechatronic.eu
Technika p³ynowa - Podrêcznik
Minos
Spis treœci:
1
Pneumatyka .................................................................................................................... 7
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
Wprowadzenie ................................................................................................................
Historia sprê¿onego powietrza ........................................................................................
Zalety i wady pneumatyki ................................................................................................
Obszary zastosowania pneumatyki .................................................................................
1.2
Wytwarzanie sprê¿onego powietrza ............................................................................. 10
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
Uzdatnianie sprê¿onego powietrza ...............................................................................
Suszenie sprê¿onego powietrza ...................................................................................
Suszarki ch³odnicze ......................................................................................................
Suszarka adsorpcyjna ...................................................................................................
Dodatkowe mo¿liwoœci suszenia sprê¿onego powietrza ...............................................
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5
Zestawy uzdatniania...................................................................................................... 16
Filtry i odwadniacze ............................................................................................................
16
Regulatory ciœnienia ...................................................................................................... 17
Smarownica sprê¿onego powietrza .............................................................................. 18
Pozosta³e elementy ....................................................................................................... 20
Symbole elementów tworz¹cych zespo³y uzdatniania .................................................. 21
1.5
1.5.1
1.5.2
1.5.3
Napêdy pneumatyczne .................................................................................................
Si³ownik jednostronnego dzia³ania ................................................................................
Si³ownik dwustronnego dzia³ania ..................................................................................
Si³owniki o specjalnej budowie ......................................................................................
23
23
25
28
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.3
1.6.4
1.6.5
1.6.6
1.6.7
Zawory rozdzielaj¹ce (rozdzielacze) ........................................................................
Symboliczne przedstawianie rozdzielaczy ....................................................................
Sposoby prze³aczania rozdzielaczy ..............................................................................
Oznakowanie przy³¹czy ................................................................................................
Konstrukcyjne odmiany zaworów rozdzielaj¹cych ........................................................
Rodzaje zaworów rozdzielaj¹cych ................................................................................
Wysterowanie wstêpne rozdzielaczy ............................................................................
Systemy instalowania rozdzielaczy ................................................................................
34
34
36
39
40
42
49
51
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.3
1.7.4
Zawory odcinaj¹ce ........................................................................................................
Zawory zwrotne ..............................................................................................................
Zawory szybkiego odpowietrzania ................................................................................
Zawory trójdrogowe .......................................................................................................
Zawory o dwóch ciœnieniach na wejœciach ....................................................................
54
54
54
55
56
1.8
1.8.1
Zawory steruj¹ce przep³ywem ....................................................................................... 58
Zawory zwrotne z d³awikiem ......................................................................................... 59
7
7
8
9
12
13
14
15
15
3
Minos
Technika p³ynowa - Podrêcznik
1.9
Zawory ciœnieniowe ....................................................................................................... 60
1.10
Inne zawory ................................................................................................................... 61
1.11
Oznaczanie symboli na schematach ............................................................................. 63
1.12
Technika pró¿niowa ....................................................................................................... 65
2
Hydraulika ..................................................................................................................... 67
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
Wprowadzenie ..............................................................................................................
Zalety i wady hydrauliki .................................................................................................
Dziedziny zastosowania hydrauliki ................................................................................
Budowa uk³adu hydraulicznego ....................................................................................
67
68
68
69
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Agregaty hydrauliczne ...................................................................................................
Zbiorniki oleju hydraulicznego .......................................................................................
Zawór przelewowy .........................................................................................................
Filtry ..............................................................................................................................
70
71
72
72
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
Ciecze hydrauliczne ......................................................................................................
LepkoϾ .........................................................................................................................
Inne w³aœciwoœci cieczy hydraulicznych ........................................................................
Substancje obce, woda i powietrze w cieczy hydraulicznej ..........................................
Ochrona œrodowiska .....................................................................................................
73
73
75
77
78
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
Pompy hydrauliczne ......................................................................................................
Pompy zêbate ...............................................................................................................
Pompy œrubowe ............................................................................................................
Pompy ³opatkowe ..........................................................................................................
Pompy t³oczkowe szeregowe ........................................................................................
Pompy wielot³oczkowe promieniowe .............................................................................
Pompy wielot³oczkowe osiowe ......................................................................................
80
81
84
85
86
87
88
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
Si³owniki i silniki hydrauliczne ........................................................................................
Si³owniki jednostronnego dzia³ania ...............................................................................
Si³owniki dwustronnego dzia³ania ..................................................................................
Mocowanie cylindrów ....................................................................................................
Silniki hydrauliczne ........................................................................................................
91
92
94
96
98
2.6
Przewody rurowe i wê¿egiêtkie ................................................................................... 100
2.7
2.7.1
2.7.2
2.7.3
Rozdzielacze ...............................................................................................................
Oznaczanie rozdzielaczy ............................................................................................
Pokrycia pozycji sterowania ........................................................................................
Prze³¹czanie zaworów steruj¹cych .............................................................................
4
102
103
104
106
Technika p³ynowa - Podrêcznik
Minos
2.8
Zawory odcinaj¹ce ...................................................................................................... 108
2.9
Zawory ciœnieniowe ..................................................................................................... 111
2.9.1
2.9.2
Zawory ograniczaj¹ce ciœnienie .................................................................................. 111
Zawory zmniejszaj¹ce ciœnienie (zawory redukcyjne) ............................................ 115
2.10
2.10.1
2.10.2
2.10.3
Zawory regulacji przep³ywu .........................................................................................
Zawory d³awi¹ce .........................................................................................................
Zawory stabilizacji przep³ywu .......................................................................................
Zawory dziel¹ce przep³yw ...........................................................................................
117
118
119
120
2.11
2.11.1
2.11.2
2.11.3
2.11.4
Akumulatory hydrauliczne ...........................................................................................
Zadania akumulatorów hydraulicznych .......................................................................
Akumulatory t³okowe ...................................................................................................
Akumlatory przeponowe i membranowe .....................................................................
Nape³nienia akumulatorów hydraulicznych z poduszk¹ gazow¹ .................................
122
122
123
124
125
5
Minos
6
Technika p³ynowa - Podrêcznik
Technika p³ynowa - Podrêcznik
1
Pneumatyka
1.1
Wprowadzenie
Minos
Pojêcie pneumatyka wywodzi siê z greckiego s³owa pneuma znacz¹cego
oddech lub tchnienie. Jako noœnik energii wykorzystuje siê w pneumatyce
zagêszczone powietrze. Powietrze takie okreœla siê pojêciem sprê¿one
powietrze. Pojêcie prasowane powietrze jest archaiczne i nie powinno
siê je stosowaæ.
Powietrze sk³ada siê w 78 % z azotu i 21 % z tlenu. Pozosta³y procent to
inne gazy, w tym gazy szlachetne. Dodatkowo powietrze zawiera równie¿
parê wodn¹.
Na powierzchni ziemi ciœnienie powietrza wynosi oko³o 1 bar. W zale¿noœci
od warunków pogodowych wartoœæ ta podlega niewielkim wahaniom.
Norma DIN 5450 okreœla za normalne, ciœnienie atmosferyczne 101,325
kPa w temperaturze 15 °C.
W przemyœle stosuje siê sprê¿one powietrze o ciœnieniu od 3 do 10 bar.
Czêsto stosuje siê ciœnienie 6 bar, s¹ jednak stosowane równie¿ ciœnienia
powy¿ej 10 bar. W pneumatycznych uk³adach sterowania stosuje siê
ciœnienia rzêdu 0,2 do 0,5 bar. Niskociœnieniowe uk³ady sterowania s¹
coraz czêœciej wypierane przez stosowane obecnie powszechnie
sterowania elektroniczne.
Sprê¿one powietrze ma niewielk¹ lepkoœæ i mo¿e dziêki temu byæ
transportowane w instalacjach rurowych na znaczne odleg³oœci. Œciœliwoœæ
powietrza jest wa¿n¹ jego w³aœciwoœci¹. Dziêki temu mo¿liwe jest
magazynowanie energii w prosty sposób.
1.1.1
Historia sprê¿onego powietrza
Sprê¿one powietrze jest bardzo star¹ form¹ energii. Ju¿ przed 2000 laty
próbowano z pomoc¹ sprê¿onego powietrza miotaæ pociski. Równie¿
otwieranie drzwi przez ogrzewanie powietrza by³o stosowane. Miechy
kowalskie u¿ywane do podnoszenia temperatury ognia mo¿na uznaæ za
pierwsze kompresory.
Ju¿ pod koniec 19 stulecia hamulce poci¹gów kolei ¿elaznych by³y
uruchamiane sprê¿onym powietrzem. W tym samym czasie powsta³y
równie¿ pierwsze instalacje poczty rurowej.
W 1890 roku zbudowano w Pary¿u sieæ sprê¿onego powietrza. Poprzez
t¹ sieæ przekazywano równie¿ sygna³y z centralnego zegara do filii na
du¿e odleg³oœci. W latach póŸniejszych w wielu jednak dziedzinach
zastosowañ, preferencje zyska³y napêdy elektryczne.
7
Minos
Technika p³ynowa - Podrêcznik
W latach 50-tych i 60-tych wiele funkcji w obszarze sterowañ by³o
realizowanych pneumatycznie. Uk³ady takie pracuj¹ z ma³ymi ciœnieniami
rzêdu kilku milibarów. W wyniku rozwoju tranzystorów i mikroprocesorów
wiêkszoœæ stosowanych dziœ uk³adów sterowania wyposa¿a siê jednak
w styczniki i programowalne systemy.
W wyniku postêpuj¹cej automatyzacji procesów nadal jednak stosuje siê
wiele pneumatycznych uk³adów sterowania.
1.1.2
Zalety i wady pneumatyki
Pneumatyka znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach przemys³owych.
Jak ka¿da z form energii, ma ona swoje zalety i wady. Porównywaæ
nale¿a³oby pneumatykê przede wszystkim z hydraulik¹, z elektrycznymi
- ale tak¿e mechanicznymi urz¹dzeniami.
Do zalet pneumatyki zalicza siê:
- Powietrze jako medium jest do dyspozycji praktycznie bez ograniczeñ.
Z uwagi na to, ¿e powietrze powrotne mo¿e byæ odprowadzane do
otoczenia, nie potrzeba ¿adnych przewodów powrotnych.
- Sprê¿one powietrze mo¿na bardzo dobrze magazynowaæ w
zbiornikach. Dziêki temu nie jest konieczne by sprê¿arka stale
pracowa³a. W przypadku przerwy w dop³ywie energii mo¿na dziêki
zmagazynowanemu powietrzu zakoñczyæ w sposób niezawodny
rozpoczêty cykl pracy. Sprê¿one powietrze mo¿na równie¿
transportowaæ w butlach gazowych.
- Przewodami rurowymi mo¿na transportowaæ sprê¿one powietrze na
du¿e odleg³oœci. Dziêki temu mo¿na wytwarzaæ sprê¿one powietrze w
sposób zcentralizowany.
- Sprê¿one powietrze jest czyste i niewra¿liwe na wahania temperatury.
Nieszczelnoœci nie stanowi¹ ¿adnego zagro¿enia dla otoczenia.
Sprê¿one powietrze mo¿na stosowaæ w przypadkach zagro¿enia
wybuchem. Mo¿na je stosowaæ bez jakichkolwiek zagro¿eñ na wolnym
powietrzu lub w wilgotnym otoczeniu.
- Elementy uk³adów pneumatycznych s¹ proste w budowie, niedrogie i
wytrzyma³e. S¹ one te¿ l¿ejsze od porównywalnych narzêdzi.
- Prêdkoœci pneumatycznych napêdów mo¿na bezstopniowo regulowaæ.
Napêdy te mo¿na obci¹¿aæ a¿ do ich zatrzymania, bez negatywnych
konsekwencji przeci¹¿ania. Prêdkoœci rzêdu kilku metrów na sekundê
mo¿na uzyskaæ bezproblemowo.
- Liniowe i wahad³owe ruchy s¹ proste w realizacji. Z pomoc¹
przyssawek i chwytaków ³atwo mo¿na rozwi¹zywaæ zadania
transportowe.
8
Technika p³ynowa - Podrêcznik
Minos
Zaletom mo¿na przeciwstawiæ nastêpuj¹ce wady:
- Sprê¿one powietrze jest stosukowo drogim noœnikiem energii. W
procesie sprê¿ania powstaje du¿o ciep³a, które najczêœciej nie mo¿na
wykorzystaæ.
- Przystosowanie sprê¿onego powietrza do zastosowania jest drogie.
Py³y i wodê trzeba bezwzglêdnie z niego usun¹æ.
- W niekiedy, jak np. w zastosowaniu do silników ³opatkowych nale¿y
dodawaæ, olej do sprê¿onego powietrza dla zapewnienia smarowania.
Olej taki jest zatem równie¿ obecny w wydalanym powietrzu. Wiêkszoœæ
stosowanych obecnie elementów uk³adów pneumatycznych nie
wymaga jednak smarowania.
- Z uwagi na œciœliwoœæ powietrza uzyskiwanie jednostajnej prêdkoœci
ruchu jest raczej niemo¿liwe. Równie¿ pozycjonowanie z pomoc¹
pneumatycznych napêdów jest niemo¿liwe. Zatrzymanie ruchu jest
jednak bezproblemowe.
- Wydalaniu sprê¿onego powietrza towarzyszy g³oœny efekt akustyczny.
Mo¿na temu przeciwdzia³aæ stosuj¹c t³umiki.
- Si³y i momenty s¹ niewielkie np. w porównaniu do napêdów
hydrau­licznych.
1.1.3
Obszary zastosowania pneumatyki
Zastosowanie sprê¿onego powietrza jest wielostronne. W przemyœle
automatyzacja wkracza na coraz to nowe obszary. Wymaga ona czêsto
realizowania liniowych i wahad³owych ruchów.
Mo¿na w ten sposób transportowaæ, mocowaæ lub zaciskaæ przedmioty.
Stosuj¹c napêdy pneumatyczne mo¿na przede wszystkim ³atwo
realizowaæ powtarzaj¹ce siê ruchy.
Równie¿ transport granulatu wê¿ami lub w przewodach rurowych jest
mo¿liwy. Przy malowaniu natryskowym farba przenoszona jest na
malowan¹ powierzchniê sprê¿onym powietrzem.
Równie¿ w rzemioœle pneumatyka znajduje zastosowanie. Wkrêtarki,
wiertarki, szlifierki k¹towe mo¿na napêdzaæ pneumatycznie.
Przemieszczanie obrabianych czêœci lub innych przedmiotów odbywa
siê czêsto przy u¿yciu przyssawek lub z pomoc¹ pneumatycznie
napêdzanych chwytaków.
9
Minos
1.2
Technika p³ynowa - Podrêcznik
Wytwarzanie sprê¿onego powietrza
Sprê¿one powietrze uzyskuje siê najczêœciej z pomoc¹ sprê¿arek. S¹
one dostêpne w wielu ró¿norodnych odmianach. Odró¿nia siê przy tym
zasadniczo sprê¿arki przep³ywowe od sprê¿arek wyporowych.
Sprê¿arki przep³ywowe stosuje siê przede wszystkim przy du¿ym
zapotrzebowaniu. W sprê¿arkach takich najpierw nadaje siê powietrzu
du¿¹ prêdkoœæ, a nastêpnie t¹ du¿¹ prêdkoœæ powietrza przetwarza siê
na zwiêkszenie jego ciœnienia.
Zwiêkszenie ciœnienia nie jest w takim przypadku zbyt wysokie. Z tego
wzglêdu zwiêkszenie ciœnienia odbywa siê wielostopniowo. W tzw.
turbosprê¿arkach przyœpieszane odbywa siê promieniowo w kierunku na
zewn¹trz. Innego typu s¹ sprê¿arki przep³ywowe, osiowe. Stosowane s¹
one np. w turbinach samolotowych.
Sprê¿one powietrze potrzebne w ma³ych iloœciach uzyskuje siê
sprê¿arkami wyporowymi. W tym przypadku powietrze zasysane jest do
przestrzeni, której objêtoœæ zostaje nastêpnie zmniejszana. Wa¿nymi
przedstawicielami tego typu sprê¿arek s¹ sprê¿arki t³okowe i sprê¿arki
œrubowe. Istnieje jednak wiele innych typów tego rodzaju sprê¿arek.
Rys. 1:
10
Sprê¿arka t³okowa