Hydrauliczne i pneumatyczne sterowanie maszyn

Hydrauliczne i pneumatyczne sterowanie maszyn Pneumatyka - wykład 7 Zanieczyszczenia powietrza Przykładowe rodzaje i wymiary zanieczyszcze Zanieczyszczenia powietrza Skład powietrza: Gaz N 2 O 2 Ar CO 2 H 2 Ne He Kr Xe % objtoci 78,03 20,99 0,93 0,030 0,01 0,018 0,0005 0,001 0,00001 % wagi 75,47 23,20 1,28 0,046 0,001 0,0012 0,0001 0,0001 0,0004 + woda w postaci pary lub te czciowo postaci drobnych kropelek + zanieczyszczenia czstkami stałymi W spronym powietrzu, pompowanym przez sprarki, znajduj si zanieczyszczenia takiego rodzaju: - rone pyły, - rdza, - olej pochodzcy ze sprarki. W obecnoci wody mog przyspiesza korozj rurocigu jak i elementów pneumatycznych. 1

Klasy jakoci powietrza Klasy jakoci powietrza według normy ISO 8573.1 Obowizujca midzynarodowa norma ISO 8573.1 definiuje górne granice zawartoci czstek stałych, wody i oleju w spronym powietrzu. Klasa jakoci Olej Resztkowa zawarto oleju mg/m 3 Maksymalna wielko czstek stałych µm Czstki stałe Maksymalna koncentracja czstek stałych mg/m 3 Woda Max. Zawarto wody 0 C g/m 3 1 0,01 0,1 0,1-70 0,003 2 0,1 1 1-40 0,12 3 1 5 5-20 0,88 4 5 15 8 +3 6,0 5 25 40 10 +7 7,9 6 +10 9,4 Dane zostały odniesione do 1 bara cinienia absolutnego i temperatury +20 0 C Klasy jakoci powietrza Klasy jakoci powietrza 2

Zanieczyszczenia powietrza Ponadto, podczas gwałtownego rozprania si powietrza, temperatura jego moe si na tyle obniy, e nastpi zamarznicie wykroplonej wody, a oblodzenie kanałów przepływowych w zaworach i elementach pneumatycznych moe powodowa ich okresowe zatykanie. Oczyszczone sprone powietrze powinno charakteryzowa si: - brakiem wody w postaci kropel, a w postaci pary jest dopuszczalna, gdy punkt rosy wystpuje przy temperaturze niszej o 5-10 O C od najniszej temperatury pracy układu napdowego, - niewystpowaniem olejów oraz innych cieczy w postaci kropel, - zanieczyszczeniami mechanicznymi poniej 5 µm przy udziale wagowym do 0.7 mg/m 3 w warunkach normalnych fizycznych Przygotowanie spronego powietrza Przygotowanie spronego powietrza realizowane jest w trzystopniowym procesie: 1. Usuniciu z niego zanieczyszcze, 2. Redukcji cinienia do wymaganego poziomu, 3. Wprowadzeniu czynnika smarnego (dla mechanizmów, które tego wymagaj). Do okrelenia stopnia wilgotnoci powietrza stosuje si dwie wielkoci: A. Wilgotno bezwzgldna - okrela ilo pary wodnej zawartej w gramach w 1 m 3 powietrza, przy okrelonym cinieniu i temperaturze - zwykle s to warunki normalne fizycznie. B. Wilgotno wzgldna - okrela stosunek iloci pary wodnej zawartej w 1m 3 powietrza, przy okrelonym cinieniu i temperaturze, do iloci pary wodnej maksymalnie moliwej do pochłonicia w tych warunkach przy zupełnym nasyceniu powietrza. Zalecane jest takie osuszenie powietrza zasilajcego, aby jego wilgotno wzgldna w najniszej temperaturze pracy nie przekroczyła 80% Przygotowanie spronego powietrza - FILTRY Def. Filtry powietrza to urzdzenia pozwalajce na uchwycenie i oddzielenie zanieczyszcze zawartych w powietrzu w postaci pyłów i gazu. Powietrze atmosferyczne zawiera w sobie czstki zanieczyszcze ronych wielkoci z rónych materiałów. Stenie zanieczyszcze w powietrzu w stanie naturalnym zawiera si w przedziale 0.05-3.0 mg/m 3. Zanieczyszczenia te tworz rozdrobnion mieszanin, której wymiary zawieraj si w przedziale 0.001 500 µm. 3

METODY FILTRACJI Filtrowanie mechaniczne - polega na przepuszczaniu powietrza przez pewnego rodzaju sito, które zatrzymuje grubsze zanieczyszczenia i w pewnym zakresie kondensuje olej. Filtrowanie to umoliwia usuniecie czsteczek stałych o rednicy wikszej ni 0.5 mm. Jest to najprostsza i najtasza metoda filtracji, ale w przypadku wystpienia zanieczyszcze stałych o rednicach mniejszych od 0.5 mm oraz oleju to jest metod nieskuteczn. METODY FILTRACJI Filtrowanie adsorpcyjne polega na kondensacji drobnych czsteczek w wiksze i ich wydalaniu. Filtracja ta jest stosowana dla czstek zanieczyszcze o rednicy z przedziału 0.01-0.05 mm i oleju. Filtr taki składa si z wielu cienkich włókien. Przestrze miedzy włóknami jest wzgldnie dua, lecz ich rednica jest bardzo mała. Czsteczki stałe nie przenikaj przez warstw włókien, za kropelki oleju osadzaj si na włóknach i łcz si w wiksze krople i spływaj do zbiornika METODY FILTRACJI Filtrowanie przez absorpcj - polega na pochłanianiu zanieczyszcze przez czynnik filtrujcy. Jest to najbardziej skuteczna metoda, ale co za tym idzie jest najdrosza. Pozwala na prawie 100% oczyszczenie powietrza pod warunkiem dobrania odpowiedniego chemicznego czynnika filtrujcego. 4

Przygotowanie spronego powietrza - FILTRY Podział filtrów Symbole graficzne filtrów: 1 - filtr zwykły, 2 - filtr z rcznym spustem kondensatu, 3 - filtr z automatycznym spustem kondensatu FILTRY normalne (zgrubne) serii PF Stosowane s jako filtry wstpnego oczyszczania, czyli pozbycia si wikszych zanieczyszcze, kropli wody, rdzy i innych zanieczyszcze stałych o wielkoci do 1µm. W filtrach tych stosowane s najczciej wkłady w postaci cienkich włókien. Zastosowanie : zabezpiecza si nimi narzdzia pneumatyczne sterowanie maszyn FILTRY normalne (zgrubne) serii PF Przekrój przez typow wkładk filtracyjn (adsorpcyjn): 1 - warstwa włókien rurkowych, 2 - warstwa filtrujca, 3 - warstwa łczca czstki, 4 - warstwa włókien, 5 - warstwa odsczajca, 6 - warstwa pianki Filtr serii PF działajcy na zasadzie adsorpcji: 1 - spust zanieczyszcze, 2 - miejsce na wkładki filtracyjne 5

FILTRY dokładne HF Filtry dokładne - mikrofiltry - stosuje si w przemyle, w którym wymagane jest dokładne oczyszczenie powietrza. Znajduj równie zastosowanie w układach pneumatycznych, w których uyto precyzyjne pneumatyczne przyrzdy pomiarowe. Zapewniaj one zawarto czstek stałych <= 0,01 µm i resztkow zawarto olejów <= 0,01 mg/m 3 przy 20 o C. Stosuje si je przewanie za filtrem serii PF FILTRY dokładne serii HF Tego typu filtry posiadaj specjalne wkładki filtrujce. Najczciej w mikrofiltrach wykorzystuje si wkładki chemiczne pozwalajce na zatrzymanie zanieczyszcze typu czstki oleju ze sprarki, czynne szkodliwe gazy oraz ewentualnie wykroplon par wodn. Wkładka chemiczna pochłaniajca zanieczyszczenia w miar zuywania zabarwia si na kolor czerwony od dołu w gór. Po całkowitej zamianie koloru wkładka nadaje si do wymiany. Filtr serii HF: 1 - wkład filtrujcy, 2 - kondensat, 3 - rczny spust kondensatu FILTRY dokładne serii CF Posiadaj wglow wkładk filtrujc. Stosowane s najczciej do usuwania czsteczek oleju, lub mog by stosowane w takich samych przypadkach co filtry serii HF Filtr serii CF : 1 - korpus, 2 - przezroczysty zbiornik, 3 kierownica (generuje ruch wirowy powietrza) 4 - wkład filtrujcy, 5 - przegroda, 6 - zawór spustowy, 7 - kondensat 6

smarowanie W układach pneumatycznych wystpuj elementy tworzce cierne pary kinematyczne np. tłok tuleja, wirniki limakowe, łopatki korpus itp.. Aby zapewni im poprawne działanie musz by smarowane olejem. W tym celu stosuje si w układach pneumatycznych smarownice. Zadaniem smarownic jest zaopatrywanie elementów pneumatycznych w wystarczajc ilorodka smarnego, który powoduje zmniejszenie zuycia czci trcych i zapewnia ochron urzdze przed korozj. Symbol graficzny smarownicy smarowanie Smarownica pneumatyczna działa na zasadzie zwki Venturiego. Zasysanie oleju i wprowadzanie go do strumienia powietrza jest dokonywane przy pomocy podcinienia pomidzy cinieniem panujcym przed zwk, a cinieniem w najwszym miejscu zwki. Smarownica rozpoczyna swoj prac przy wystarczajco duym przepływie powietrza. Dla małego przepływu powietrza przez zwk w dyszy równie spada podcinienie, co powoduje zaprzestanie zasysania oleju ze zbiornika. Zasada działania zwki Venturiego: 1 - zwka, 2 - sprone powietrze ze smarem, 3 - zbiornik smaru, p - spadek cinienia pomidzy cinieniem przed zwka, a cinieniem w najwszym miejscu zwki smarowanie Wady stosowania smarownic: - zanieczyszczenie powietrza w hali produkcyjnej szkodliwymi dla zdrowia zawiesinami oleju, - zanieczyszczenia przedmiotów obrabianych oraz urzdze technologicznych i uchwytów olejem - co jest niedopuszczalne w takich gałziach przemysłu jak elektroniczny, spoywczy, farmaceutyczny, drzewny, - zatykanie si tłumików hałasu znajdujce si w kanałach odpowietrzajcych zaworów rozdzielajcych, co powoduje znaczne zwolnienie pracy siłowników Metody zapobiegania wydostawania si oleju z układu pneumatycznego: 1. kierowanie zaolejonego powietrza wydzielanego przez mechanizmy i elementy pneumatyczne do odpowiednio zaprojektowanych przewodów doprowadzajcych je na zewntrz pomieszczenia, gdzie pracuje układ pneumatyczny 2. przyjcie innej formy smarowania par kinematycznych tak, aby zmniejszy ilo wydostajcego si oleju do atmosfery, 3. zastosowanie mechanizmów i elementów pneumatyki nie wymagajcych smarowania. 7

osuszacze Spranie powietrza powoduje wzrost jego temperatury i wilgotnoci. Powietrze opuszczajce stacj kompresorow posiada temperatur o 10-15 O C wysz. Nastpnie temperatura spada w instalacji pneumatycznej, gdzie nastpuje wykroplenie si pary wodnej. Aby to zjawisko wyeliminowa naley bezporednio za sprark wytrci z powietrza wod. Istniej trzy metody osuszania: A. osuszanie absorpcyjne, B. osuszanie adsorpcyjne, C. osuszanie przez ozibianie. Symbol graficzny osuszacza osuszacze absorpcyjne Jest to metoda czysto chemiczna i polega na przepuszczeniu powietrza przez pojemnik wypełniony rodkiem osuszajcym. rodek osuszajcy zuywa si z czasem i musi by wymieniany w okrelonych odstpach czasu na przykład dwa do czterech razy w roku. UWAGA - w osuszaczu równoczenie odkładaj si pary oleju i czsteczki oleju. Wiksze iloci oleju wpływaj niekorzystnie na działanie osuszacza i aby zapobiec odkładaniu si w absorberze oleju naley na wejciu zastosowa filtry dokładnego oczyszczania ( HF lub CF). Metod absorpcyjn cechuj: - prostota instalacji, - nieznaczne mechaniczne zuycie ze wzgldu na brak ruchomych czci mechanicznych, - brak poboru energii z zewntrz Osuszacz absorpcyjny osuszacze adsorpcyjne Osuszacze adsorpcyjne wykorzystuj typowy proces fizyczny polegajcy na odkładaniu si zanieczyszcze na powierzchni ciał stałych. rodkiem osuszajcym w tej metodzie jest ziarnisty materiał w formie perlistej lub grysu. rodek osuszajcy - dwutlenku krzemu ( pot. nazwa el). Wilgotne powietrze przepuszcza si przez warstwelu, w którym nastpuje powizanie wilgoci ze spronego powietrza z rodkiem osuszajcym. rodek osuszajcy mona w prosty sposób regenerowa, poprzez przepuszczeniu przez niego gorcego powietrza, które przejmie zgromadzon wilgo. Metoda ta wymaga energii cieplnej do regeneracji, która jest otrzymywana na drodze elektrycznej 8

osuszanie przez ozibianie W osuszaczu ozibiajcym spronego powietrza doprowadza si temperatur powietrza do punktu rosy. Temperatura punktu rosy jest temperatur, do której musi by ozibiony gaz, aby doprowadzi do skroplenia pary wodnej w nim zawartej. Po osigniciu punktu rosy nastpuje skroplenie czci pary wodnej. Osuszane powietrze wchodzce do osuszacza przechodzi najpierw przez wymiennik ciepła powietrze - powietrze. Wytrcony kondensat oleju i wody jest odprowadzany z wymiennika ciepła do zbiornika. Nastpnie ochłodzone powietrze przepływa przez agregat chłodniczy i jest tam dalej schładzane do temperatury 1.7 0 C. Doprowadza to do wytrcenia pozostałej pary wodnej i zanieczyszcze. Na kocu mona poda sprone powietrze do filtru dokładnego oczyszczenia osuszanie przez ozibianie W osuszaczu ozibiajcym spronego powietrza doprowadza si temperatur powietrza do punktu rosy. Temperatura punktu rosy jest temperatur, do której musi by ozibiony gaz, aby doprowadzi do skroplenia pary wodnej w nim zawartej. Po osigniciu punktu rosy nastpuje skroplenie czci pary wodnej. Na kocu mona poda sprone powietrze do filtru dokładnego oczyszczenia 1.7 O C Schemat osuszacza ozibiajcego Zespoły przygotowania spronego powietrza Czyste i suche powietrze gwarantuje prawidłowe działanie i przedłua ywotno elementów pneumatycznych w zwizku z tym przy kadym układzie pneumatycznym instaluje si zespół przygotowania powietrza, który ma za zadanie: - oczyci powietrze, - nasyci je mgł olejow, zapewniajc smarowanie elementów układu, - zredukowa cinienie do wymaganego w układzie. W skład zespołu wchodz: - filtr - reduktor, - smarownica. Przy doborze zespołu przygotowania powietrza naley zwróci uwag na: - całkowity wydatek powietrza w [m 3 /godz.], który jest decydujcy dla wielkoci urzdzenia, - przy duym wydatku powietrza wystpuje wikszy spadek cinienia w urzdzeniu, - cinienie robocze nie moe przekracza wartoci podanej dla jednostki uzdatniajcej, - temperatura nie powinna przekracza 50 0 C. 9

Zespoły przygotowania spronego powietrza Symbol graficzny zespołu elementów przygotowujcych sprone powietrze, moe składa si np. z: - filtru z oddzielaczem, - zaworu redukcyjnego, - manometru, - smarownicy. Zespół przygotowania spronego powietrza składajcy si z: - filtru, - zaworu redukcyjnego, - smarownicy. Zespoły przygotowania spronego powietrza Obsługa i konserwacja zespołów przygotowania powietrza: 1. Filtr - poziom skroplin musi by regularnie kontrolowany, aby nadmiar kondensatu nie został cofnity do instalacji. Wkłady filtracyjne musz by oczyszczane z zanieczyszcze. 2. Zawór redukcyjny cinienia - nie wymaga konserwacji przy współpracy z filtrem. 3. Smarownica - poziom oleju musi by regularnie kontrolowany. Do smarowania naley uywa tylko oleje mineralne. Zestaw FRS: 1 - zawór załczajcy sterowalny rcznie, 2 - filtr i zawór redukujcy, 3 - moduł rozgałziajcy z funkcj zaworu zwrotnego, 4 - smarownica, 5 - zawór załczajcy sterowany elektrycznie, 6 - moduł rozgałziajcy, 7 - wyłcznik cinienia, 8 - trzpienie gwintowe Instalacje spronego powietrza Ze wzgldu na wydzielanie si skroplin, przy poziomych przewodach głównych, odgałzienia odprowadzajce powietrze do stanowisk roboczych powinny znajdowa si na górnej czci przewodu głównego. Zapobiega to przedostawaniu si skroplin z przewodu głównego do odbiorników. Do zbierania i odprowadzania skroplin uywa si specjalnych przewodów odwadniajcych połczonych do przewodu głównego w najniszych partiach odbiornik spust kondensatu 10

Instalacje spronego powietrza Przykład instalacji prostej Przykład instalacji z układem zamknitym Przykład sieci przewodów pneumatycznych Zbiorniki spronego powietrza Zbiornik spronego powietrza słuy do stabilizacji cinienia powietrza zasilajcego (zmniejszenia pulsacji cinienia w sieci). Wyrównuje wahania cinienia w sieci przy zwikszonym zapotrzebowaniu. Dodatkowo dua powierzchnia pozwala na chłodzenie powietrza i oddzielenie czci wilgoci w nim zawartej. Symbol graficzny zbiornika pneumatycznego Symbol graficzny zbiornika pneumatycznego pomocniczego Zbiorniki spronego powietrza Wielko zbiornika spronego powietrza zaley od: - wydajnoci sprarki, - zuycia powietrza, - pojemnoci sieci przewodów, - sposobu regulacji sprarki, - dopuszczalnych spadków cinienia w sieci. Budowa zbiornika pneumatycznego: 1 - manometr, 2 - termometr, 3 - zawór bezpieczestwa, 4 - zawór odcinajcy, 5 - otwór do czyszczenia, 6 - zawór spustu kondensatu wody 11

Filtry powietrza Zadaniem filtrów powietrza jest zatrzymywanie czstek stałych, takich jak pyły mineralne, sadza i szcztki organiczne, - skuteczno filtrowania zanieczyszcze na poziomie 99,9% dla czstek o rozmiarach zaledwie kilku mikrometrów. - silniki spalinowe zuywaj w procesie spalania ogromne iloci powietrza (przecitnie ok. 10m³ powietrza na 1 litr paliwa) - teoretyczna masa powietrza niezbdna do spalenia 1kg paliwa dla benzyny silnikowej wynosi ona 14,7 kg. 1 m³ powietrza ma mas około 1,3 kg Ile way powietrze? Jeden mol dowolnego gazu w warunkach normalnych (Cinienie: p = 0,101325 MPa = 1 013,25 hpa = 1 atm Temperatura: T = 273,15 K = 0 C) zajmuje objto 22,4 dm 3. Jeden mol powietrza way 29 g (21% tlenu (32 g/mol) + 78% azotu (28 g/mol) + 1% dwutlenek wgla (44 g/mol). Filtry oleju Układy olejowe silników spalinowych s układami zamknitymi, w których olej jest substancj smarujc oraz chłodzc ruchome elementy. Ponadto wypłukuje i transportuje jako zawiesiny wszelkie zanieczyszczenia przedostajce si z komory spalania oraz tworzce si w procesie zuycia ciernego współpracujcych czci silnika. filtry te nie potrafi powstrzyma degradacji oleju, bdcej nieodwracalnym procesem chemicznym, 12

Filtry paliwa Filtry paliwa zatrzymuj zanieczyszczenia znajdujce si w benzynie, oleju napdowym a nawet s stosowane w instalacjach LPG, Paliwa te zawieraj zanieczyszczenia pochodzce z procesu produkcji oraz dystrybucji. Pyły, rdza z wewntrznychcian zbiorników, woda oraz yjce w niej mikroorganizmy mog doprowadzi do szybkiego zuycia wtryskiwaczy, pomp, czy zaworów regulatorów cinienia znajdujcych si w nowoczesnych silnikach. W nowoczesnych silnikach wymagane jest zatrzymywanie zanieczyszcze o rozmiarach rzdu 3 5m ze skutecznoci ponad 90%. W przeciwiestwie do filtrowania oleju, w filtrowaniu paliwa nie ma zaworów typu bypass udraniajcych przepływ paliwa gdy filtry s ju zapchane, Filtry przeciwpyłkowe Zakresy wielkoci czstek zanieczyszcze obecnych w powietrzu atmosferycznym Zdolnodo zatrzymywania zanieczyszcze przez układ oddechowy człowieka Osuszacze powietrza Osuszacze powietrza stosowane s w instalacjach pneumatycznych, poniewa wilgo znajdujca si w zasysanym powietrzu w wyniku zmian cinienia i temperatury skrapla si na wewntrznych ciankach instalacji intensyfikujc proces korozji metalowych przewodów, zaworów i elementów siłowników. Niebezpiecznym zjawiskiem jest take zamarzanie wody podczas zimowych mrozów, co moe doprowadzi nawet do unieruchomienia wanych mechanizmów. Podczas przepływu zasysanego powietrza przez osuszacz nastpuje absorpcja, czyli chemiczne zwizanie zawartej w nim wilgoci przez specjalny granulat o właciwociach silnie higroskopijnych. Coraz czciej stosuje si w osuszaczach specjaln przegrod filtracyjn połczenie włókniny filtracyjnej, skutecznie zatrzymujcej zanieczyszczenia stałe ju o rozmiarach rzdu 0,5 µm, ze specjalnymi włóknami polimerowymi zatrzymujcymi i wicymi chemicznie wilgo zawart w powietrzu. 13

Filtry cieczy chłodzcych Filtry cieczy chłodzcej stosowane s w duych silnikach wysokoprnych samochodów ciarowych i maszyn uytkowych. Funkcjonuj w układzie chłodzenia silnika jako filtry bocznikowe, przez które przepływa tylko niewielka cz płynu chłodzcego silnik. Głównym zadaniem tych filtrów jest filtrowanie płynu chłodzcego i skuteczne zatrzymywanie zanieczyszcze stałych. ( pyły, produkty korozji oraz szlamy tworzce si w wyniku degradacji substancji zabezpieczajcych układ chłodzenia przed wydzielaniem si kamienia, korozj oraz przyspieszon erozj z powodu kawitacji). W wikszoci filtrów cieczy znajduj si specjalne kostki zawierajce substancje czynne-inhibitory korozji, które powoli uwalniane do cieczy chłodzcej uzupełniaj poziom degradujcych si podczas eksploatacji dodatków utrzymujc na stałym, wysokim poziomie przewodno ciepln cieczy, oraz jej własnoci antykorozyjne i antykawitacyjne. 14