Пнеуматика

Пнеуматика (према грч. πνευματικός /пнеуматикос/, "зрачно") знанствена је и техничка дисциплина која проучава кориштење стлачених плинова за обављање рада.

За разлику од хидраулике која користи нестлачиве капљевине као што су вода и уље, пнеуматика користи зрак који нема сталан обујам. У већини индустријских примјена пнеуматике радни тлак износи од 500 до 700 кПа, док су у хидраулици уобичајени тлакови од 7 до 35 МПа, а изнимно и преко 70 МПа.

• Радни медиј је лаган, па не оптерећује доводне цијеви;
• Нема потребе за повратном цијеви јер се искориштени зрак може испуштати у околину;
• Зрак је еластичан, па не постоји опасност од хидрауличних удара који би могли оштетити цијеви или опрему;
• Стлачени зрак има потенцијалну енергију која се може користити и када компресор није у погону;
• Стлачени зрак је готово неосјетљив на промјене температуре и екстремне увјете;
• Неосјетљив је на радијацију, магнетска и електрична поља;
• Сигурност јер није експлозиван нити запаљив;
• Приликом испуштања не загађује околиш;
• Неосјетљивост елемената на вибрације.

• Може се користити много виши тлак јер због нестлачивости медија не постоји опасност од експлозије при оштећењу спремника или цијеви. Захваљујући томе може се пренијети и много већа снага.
• Сталност обујма медија омогућује прецизну контролу помака радног механизма.

Својства пнеуматских сустава су:

• Тлак зрака за напајање 1-15 бар (уобичајено 7 бар);
• Погонске температуре зрака од -10 до 60 ºЦ (максимално до 200 ºЦ);
• Оптимална брзина струјања зрака 40 м/с;
• Гибање елемената: правоцртно и ротацијско;
• Брзина цилиндара 1-2 м/с (максимално око 10 м/с);
• Максимална остварива сила око 40 кН;
• Максимална снага око 30 кW;
• У пнеуматским суставима се код температура стлаченог зрака мањим од -10 ºЦ појављују проблеми са залеђивањем, док се код температура већих од 60 ºЦ појављује проблем бртвљења.

Дијелови пнеуматског сустава могу се према њиховој функцији у суставу подијелити на: ^[1]

• добивање и развод зрака,
• припрема зрака,
• извршни пнеуматски уређаји,
• управљачки дијелови,
• управљачко-сигнални дијелови,
• помоћни дијелови.

Дијелови за производњу и развод зрака имају задатак потрошачима осигурати потребне количине стлаченог зрака одговарајућих параметара (компресор, спремник, цјевоводне мреже за развод). Група за припрему зрака садржи филтар зрака, регулацијски вентил и евентуално мазалицу. Главни вод поставља се с падом од 1 - 2% у смјеру струјања зрака, како би се осигурало отјецање кондензиране воде. Главни вод треба осигурати уједначени тлак без обзира на потрошњу зрака.

Компресор стлаченог зрака служи за претворбу механичке енергије у енергију стлаченог зрака, док се у пнеуматским моторима обавља претворба енергије у супротном смјеру. Компресори зрака и пнеуматски мотори се битно не разликују, а конструкцијски се разликују само у детаљима. Ако се нпр. пуњење и пражњење цилиндра клипног мотора или компресора врши преко усисних и испушних вентила, мотор мора имати механизам за присилно отварање/затварање вентила (кољенчасто или брегасто вратило), док је код компресора могуће саморадно покретање вентила (помоћу самог тлака зрака у цилиндру). Често исти строј може радити као компресор или мотор, зависно од уградње, односно повезивања у сустав.

У пнеуматским управљачким и извршним елементима не смије се допустити кондензација влаге из зрака. Зато се сувишна влага мора издвојити, а то се врши на излазу компресора зрака. Поступци сушења су: кемијски или апсорпцијски, физикални или адсорпцијски, те топлински или поступак потхлађивања.

У кемијском поступку, зрак се проводи кроз слој хигроскопне твари (нпр. магнезијев перклорат, литијев клорид, калцијев клорид). Влага се задржава у том слоју, циједи се, сакупља и одваја на дну слоја. Кемикалија се помало троши, па се мора надокнађивати.

У физикалном поступку зрак се проводи кроз уситњени силицијев диоксид (силикагел) или алуминијев оксид. Ова материја се засићује водом, зато се апсорбери уграђују у пару. Док је један од њих у функцији, други се регенерира топлим зраком.

Топлински поступак уједно смањује превисоку температуру зрака на излазу из компресора (хлађење). Ако се жели осигурати да се приликом експанзије (смањење температуре) у пнеуматским уређајима неће кондензирати вода, потребно је извршити потхлађивање зрака из компресора на температуру +1,5 ºЦ (нижа температура довела би до залеђивања воде). Због уштеде енергије, након издвајања кондензиране воде, потхлађени зрак користи се у измјењивачу топлине (предхладњаку) за предхлађење зрака из компресора. Тиме се потхлађени зрак загријава на неку прихватљиву температуру.

Сврха тлачне посуде или спремника је: смиривање тлачних удара клипног компресора (уједначавање тлака), квалитетнија усклађивање рада компресора и потрошње, преузимање вршне потрошње, те издвајање воде и компресорског уља из стлаченог зрака. На примјер у прехрамбеној индустрији захтијева се чисти зрак (сухорадни компресор зрака, као што је мембрански или крилни с тефлонским ламелама).

Свака тлачна посуда мора имати: прикључак за довод стлаченог зрака, прикључак за одвод стлаченог зрака, прикључак за регулатор компресора, вентил за ограничавање тлака (сигурносни вентил) који се отвара при тлаку 10% већем од радног тлака, манометар, славину за испуштање кондензата или аутоматски одвајач кондензата, отвор за људе (за чишћење), запорни вентил према мрежи и тлачни прекидач.

Оптимална брзина зрака у водовима је од 10 до 40 м/с; брзине веће од ових узрокују превелике губитке. Промјер цјевовода одабире се тако да губици тлака не прелазе допуштену вриједност (обично се узима 5% од радног тлака или 0,1 бар). Како би се избјегао продор кондензата према потрошачима, водови се постављају косо с падом од 1-2%, излази према потрошачима изводе се на горњој страни цијеви, на крајевима водова, увијек се на најнижем мјесту ставља посуда за одвајање кондензата, водове треба топлински изолирати при проласку кроз јаче загријане просторе. Водови морају бити постављени приступачно, ради одржавања. Главни водови израђују се од металних цијеви (челик, бакар), а у све већој мјери и од пластичних материјала. Разводни водови на стројевима се у правилу израђују из пластике.

Одвајач кондензата поставља се на најнижим мјестима у цјевоводној мрежи и испред узлазних дионица. Накупљени кондензат потребно је редовито испуштати прије него се чашица за кондензат напуни преко означене границе. Често се користе аутоматски одвајачи кондензата. У филтрима који се уграђују испред извршних пнеуматских елемената издваја се уз осталу нечистоћу и кондензат. Уређај за аутоматско одвајање кондензата често се уграђује и на дно чашице филтра.

Дијелови за припрему зрака обављају припрему (кондиционирање) зрака, што укључује чишћење, подмазивање и регулацију тлака (филтар, мазалица, регулатор тлака). Прије уласка у пнеуматске уређаје, стлачени зрак је потребно припремити, тј. извршити: прочишћавање зрака, зауљивање зрака и регулацију тлака зрака. Јединица за припрему зрака састоји се од филтра, регулатора тлака и мазалице (зауљивач, уљило). Филтар и регулатор тлака често се испоручују као јединствени пнеуматски дио.

Прије уласка у пнеуматске уређаје потребно је елиминирати нечистоће (воду као капљевину и пару, компресорско уље, прашину, продукте корозије). Компресорско уље изложено је релативно високим температурама у компресору (оксидација) и није погодно за подмазивање пнеуматских уређаја.

Регулатор тлака осигурава стабилан жељени (подешени) радни тлак. С једне стране, он неутрализира осцилације тлака због промјенљиве потрошње зрака (поремећај на излазној страни регулатора). С друге стране, у њему се тлак из главног вода (обично 8 -10 бар) смањи на потребну вриједност радног тлака (обично 5 - 6 бар).

Мазалица (зауљивач) треба уље распршити у фину маглу у струји зрака. За убризгавање уља користи се принцип ејектора. За постизање фине магле (ситне капи) потребна је посебна конструкција.

Извршни пнеуматски уређаји (погонски елементи или актуатори) претварају енергију стлаченог зрака у механички рад. Према начину кретања могу се подијелити на:

• пнеуматски уређаји с ограниченим (њихајућим) кретањем:

• транслацијски (пнеуматски цилиндри),
• ротацијски (закретни пнеуматски цилиндри, корачни пнеуматски мотори),

• пнеуматски мотори (ротацијски, с континуираним кретањем).

У пнеуматским суставима, пнеуматски цилиндар је најчешћи извршни елемент. У принципу гибање цилиндра је л��нијско (транслацијско), једино је код закретних цилиндара закретно (ротацијско).

Пнеуматски мотор је ротацијски извршни уређај којима се остварује континуирано кружно гибање вратила. У односу на компресоре, у моторима се врши супротна претворба енергије (претворба енергије тлака зрака у механички рад). Конструкција мотора и компресора је слична, а понекад једнака, тада се исти строј може користити као мотор и компресор. Код неких конструкција мотора је смјер вртње произвољан, а промјена смјера се постиже промјеном прикључка за стлачени зрак. У пнеуматске погонске стројеве убрајају се:

• клипни пнеуматски мотори (аксијални и радијални),
• ламелни пнеуматски мотори,
• зупчасти пнеуматски мотори,
• вијчани пнеуматски мотори,
• зрачне турбине,
• корачни пнеуматски мотори.

У пнеумо-хидрауличким уређаји врши се промјена радног медија, снага се од зрака предаје на хидрауличко уље, које се користи за обављање рада. Кориштење хидрауличког уља омогућује да се постигну мале и једноличне брзине кретања и/или велике силе. Основне групе пнеумо-хидрауличких елемената су: претварач тлачног медија, уљни кочиони цилиндар и појачало тлака.

Управљачки дијелови (вентили) управљају токовима енергије и информација (сигнала). Управљање може бити у потпуности пнеуматско, а најчешће се изводи у комбинацији с другим медијем и елементима (електрично). Управљачко-сигнални дијелови имају задатак добављати информације о стању сустава (сензори, индикатори).

Пнеуматски вентили су управљачки елементи који служе за регулацију и усмјеравање радног медија (стлачени зрак). Могуће функције вентила укључују: пропуштање, заустављање и промјену смјера медија; регулацију протока и тлака. У пнеуматском управљању вентили преносе енергију и/или информацију. Пнеуматски вентили могу бити разводници, запорни вентили, тлачни вентили, проточни вентили, комбинирани вентили, цијевни затварачи.

Пнеуматски разводник усмјерава ток радног медија (стлачени зрак) пропуштањем, затварањем, промјеном смјера тока. Разводници се разликују по сљедећим карактеристикама: тип, величина, начин активирања, дуљина трајања сигнал, конструкција. Тип разводника одређен је бројем прикључака и разводних положаја (поља у симболу). Ознака типа разводника ставља се испред назива, нпр. “3/2 разводник” (чита се три кроз два) означава разводник с 3 прикључка и два разводна положаја. Величина разводника описана је прикључном мјером, односно називним промјером, која се одабире према протоку медија. Активирање може бити непосредно и посредно (непосредни и посредни разводници). Могући начини (непосредног) активирања разводника су: физичко (ручно), механичко, тлачно, електричко или комбинирано.

Запорни вентил не допушта проток у једном смјеру (затварају), а пропуштају у супротном смјеру (као диода). Повећање тлака на излазној страни потпомаже запорну функцију (бртвљење). Запорни вентил се дијеле на: неповратни, увјетно запорни (логички I), наизмјенично запорни (логички ИЛИ) и брзоиспусни.

Неповратни вентили потпуно затварају проток у једном смјеру, а у супротном пропуштају медиј, уз минимално могући пад тлака (мали отпор). Тај пад тлака је критериј квалитете вентила. Затварање се постиже помоћу запорних елемената: плоча (тањур), стожац, кугла. Неповратни вентили често се комбинирају с пригушним вентилима.

Тлачни вентил користе се за регулацију тлака радног флуида, као и за низ других функција базираних на разини тлака. Тлачни вентили дијеле се на: регулаторе тлака, сигурносне вентиле и прослиједни тлачне вентиле.

Сигурносни вентили (вентили за ограничавање тлака) осигуравају да не дође до прекорачења тлака у доводном воду. Ако тлак у доводном воду порасте изнад намјештене вриједности, довод се спаја с одзрачним одводом све док тлак не падне испод намјештене вриједности.

Проточни вентил дјелује на проток радног флуида, а посредно и друге величине које зависе од протока, односно брзине флуида. Користе се два типа проточних вентила: пригушни (пригушују у оба смјера) и једносмјерно-пригушни (пригушују у једном смјеру).

Комбинирани вентил реализира се састављањем елемената (вентила) из неколико наведених група вентила. Примјери комбинираних вентила су: временски члан (остварује кашњење сигнала), разводник с минималним тлаком за активирање (прослиједни вентил + 3/2 разводник), давач такта, пнеуматска меморија, елементи тактног ланца.

Цијевни затварачи су вентили и славине чија сврха је потпуно, статичко затварање цјевовода, нпр. приликом искључивања дијела сустава, при захватима одржавања, ремонту итд.

Помоћни дијелови испуњавају различите додатне функције. Помоћни елементи су прикључне и монтажне плоче, пригушивачи буке (из порозних материјала), вакуумски уређаји за прихват, индикатори, бројачи, претварачи сигнала, пнеуматска појачала, пнеуматски безконтактни сензори.

Нормално стање плина је стање при стандардној температури т = 0 ºЦ и апсолутном тлаку п = 1,01325 бар (стандардни атмосферски тлак). При нормалном стању, сухи зрак има сљедећа својства:

• Р = 287,1 Ј/кгК плинска константа,
• к = 1,4 експонент изентропе,
• ц_в = 722 Ј/кгК специфична топлински капацитет зрака (при константно волумену),
• ц_п = 1011 Ј/кгК специфична топлински капацитет зрака (при константном тлаку),
• ρ = 1,293 кг/м³ густоћа,
• μ = 17,5٠10-6 кг/мс динамичка вискозност.

Апсолутни тлак п је нормално напрезање којем су подвргнута плиновита и капљевита тијела (флуиди) услијед механичког дјеловања честица тих тијела (сударање молекула). Овом напрезању подвргнуте су и све чврсте површине уроњене у флуид. ^[2]

Атмосферски тлак или барометарски тлак па је апсолутни тлак околног атмосферског зрака који зависи од геодетске висине и метеоролошких увјета.

Манометарски тлак п_M добије се тако да се од вриједности апсолутног тлака п у неком флуиду рачунски одузме вриједност атмосферског тлака, па вриједи:

п_M = п - п_а

или очитавањем одговарајућег манометра. Манометар је инструмент за мјерење тлака који у суштини мјери разлику тлака између два флуида: у овом случају између мјереног флуида и околног атмосферског зрака).

У случају п > п_а добива се позитивна вриједност манометарског тлака (п_M > 0) који се тада назива претлак. Ако је п < п_а, манометарски тлак поприма негативну вриједност (п_M < 0) и тада се назива подтлак. Апсолутна вриједност подтлака назива се вакуум п_V (п_V = -п_M > 0) и често се изражава у постоцима атмосферског тлака (п_V% = -п_M / п_а •100%).

Треба нарочито нагласити да је у пнеуматици и хидраулици уобичајено користити назив тлак и ознаку п за претлак. Зато је при рачунању с тлаком увијек потребан извјестан опрез. У термодинамичким релацијама појављује се готово искључиво апсолутни тлак. Код одређивања силе тлака на површину мјеродавна је разлика тлака на обје стране те површине. Зато се може користити претлак, а то је и погодније ако на једној страни површине дјелује атмосферски тлак. У Берноуллијевој једнаџби тлак се појављује на обје стране једнаџбе, па једнаџба у истом облику вриједи како за апсолутни тлак, тако и за претлак.