Napęd zasilany sprężonym powietrzem bywa niedoceniany, choć w wielu aplikacjach wygrywa z elektrycznym prostotą i odpornością na przeciążenia. Decyduje o tym sama zasada pracy.
Zasada działania i typowe konstrukcje
Silnik pneumatyczny obrotowy zamienia energię sprężonego powietrza na ruch obrotowy wału. Powietrze doprowadzone do komory roboczej rozpręża się i naciska na element wykonawczy, którym w zależności od konstrukcji jest łopatka, tłok albo koło zębate. Najczęściej spotyka się wersje łopatkowe, w których wirnik osadzony mimośrodowo w cylindrze tworzy komory o zmiennej objętości. Konstrukcje tłokowe dają wyższy moment przy niskich prędkościach i lepiej znoszą rozruch pod pełnym obciążeniem. Jednostki turbinowe pracują przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych i spotyka się je głównie w narzędziach szlifierskich.
Charakterystyka pracy różni się zasadniczo od silnika elektrycznego. Moment osiąga wartość największą w chwili zatrzymania wału i maleje wraz ze wzrostem prędkości, natomiast moc przyjmuje maksimum mniej więcej w połowie prędkości biegu jałowego. Punkt pracy przesuwa się płynnie razem ze zmianą obciążenia, więc napęd sam dopasowuje prędkość do oporu na wale, bez udziału układu regulacji. Rozprężające się powietrze odbiera przy tym ciepło, dlatego obudowa pozostaje chłodna również przy pracy ciągłej.
Zasilanie stanowi zwykle zakładowa instalacja sprężonego powietrza pracująca w typowym zakresie kilku barów. Zmiana ciśnienia zasilania przekłada się bezpośrednio na moment, a zmiana przepływu na prędkość, co daje dwa niezależne parametry regulacyjne bez ingerencji w konstrukcję napędu.
Przeciążalność i odporność na warunki eksploatacji
Największą przewagą tej grupy napędów jest zachowanie przy przeciążeniu. Zatrzymanie wału pod obciążeniem nie powoduje uszkodzenia: silnik stoi, pobiera powietrze i wytwarza moment, a po ustąpieniu przeszkody rusza samoczynnie. Nie występuje zjawisko przepalenia uzwojenia ani zadziałania zabezpieczenia nadprądowego, więc aplikacje z ryzykiem zakleszczenia materiału obywają się bez rozbudowanej ochrony.
W praktyce przemysłowej wykorzystuje się kilka cech tej konstrukcji:
-
pracę ciągłą bez limitu czasowego wynikającego z nagrzewania,
-
dużą moc w stosunku do masy i gabarytu, co ułatwia zabudowę w ciasnych miejscach,
-
odporność na wilgoć, mycie ciśnieniowe i zapylenie,
-
brak potrzeby stosowania osprzętu elektrycznego w strefie roboczej,
-
tolerancję na wysoką temperaturę otoczenia,
-
płynny rozruch bez udarów prądowych w instalacji zakładowej.
Bilans nie jest jednostronny. Sprawność energetyczna wypada niżej niż w napędzie elektrycznym, ponieważ trzeba doliczyć straty sprężarki i instalacji. Do tego dochodzi hałas wydechu oraz wymagania wobec jakości powietrza. Filtr, separator wody i regulator ciśnienia stanowią minimum, a w wersjach smarowanych potrzebny jest jeszcze naolejacz z kontrolowanym dozowaniem.
Praca w strefach zagrożonych wybuchem
Brak instalacji elektrycznej w samym napędzie sprawia, że rozwiązanie to jest chętnie wybierane w atmosferach wybuchowych: w przemyśle chemicznym i farbiarskim, w lakierniach, młynach, magazynach pyłów, zakładach przetwórstwa drewna oraz w górnictwie. Napęd pneumatyczny nie wnosi typowego zapłonu od iskry elektrycznej i nie wymaga prowadzenia zasilania do strefy.
Nie oznacza to jednak automatycznego bezpieczeństwa. Ocena dotyczy całego urządzenia, a nie samego rodzaju zasilania. Znaczenie mają temperatura powierzchni przy pracy pod dużym obciążeniem, ryzyko iskrzenia mechanicznego przy tarciu elementów, ładunki elektrostatyczne gromadzące się na przewodach oraz materiały użyte w obudowie. Napęd przeznaczony do strefy powinien mieć odpowiednie oznaczenie i dokumentację, a instalacja wymaga poprawnego uziemienia oraz zachowania warunków opisanych przez producenta. Konstruktor odpowiada również za dobór osprzętu współpracującego, ponieważ pojedynczy element bez wymaganego wykonania wyklucza cały zespół.
Sterowanie prędkością, momentem i hałasem
Regulacja prędkości odbywa się najczęściej przez dławienie przepływu. Dławienie po stronie wydechu daje stabilniejszą pracę i mniejsze skłonności do szarpania niż ograniczanie na wlocie, zwłaszcza przy zmiennym obciążeniu. Zmiana momentu wymaga natomiast korekty ciśnienia zasilania, do czego służy regulator z manometrem umieszczony bezpośrednio przy napędzie. Kierunek obrotów zmienia się zaworem rozdzielającym, a w wersjach dwukierunkowych nie wymaga to żadnej przebudowy mechanicznej.
Tam, gdzie potrzebny jest duży moment przy niewielkiej prędkości, stosuje się przekładnie planetarne lub ślimakowe zintegrowane z napędem. Rozwiązanie takie zmniejsza też zużycie powietrza, ponieważ pozwala pracować w korzystniejszym punkcie charakterystyki. Osobnym zagadnieniem pozostaje hałas: tłumik wydechu obniża poziom dźwięku i porządkuje wydmuch, a w aplikacjach spożywczych i czystych bywa łączony z odprowadzeniem powietrza poza obszar produktu.
Elementy do budowy takich układów oferują dystrybutorzy automatyki. EA (Efektywna Automatyzacja) z Krakowa dostarcza komponenty automatyki przemysłowej, w tym pneumatykę, technikę podciśnienia, chwytaki i manipulatory, sprężyny gazowe oraz absorbery. W ofercie znajdują się silniki pneumatyczne obrotowe wraz z osprzętem przygotowania powietrza, a wsparcie techniczne obejmuje dopasowanie napędu do wymaganego momentu i warunków pracy.
Przed wyborem konkretnego wykonania zbiera się zwykle komplet danych: wymagany moment, zakres prędkości, cykl pracy, warunki otoczenia, sposób mocowania oraz dostępną wydajność sprężarki. Ten ostatni punkt bywa pomijany, a niedoszacowanie źródła powietrza obniża parametry napędu i zaburza pracę pozostałych odbiorów w hali.
Artykuł sponsorowany
