Mechatronika Modul 3: Folyadékok

Átírás

1 Mechatronika Modul 3: Folyadékok Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország EU-Projekt: MINOS, Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

2 A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország Projektvezetés Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet:

3 Minos Tartalom 1 Pneumatika Bevezetés A sűrített levegő története A pneumatika előnyei és hátrányai A pneumatika alkalmazási területei A sűrített levegő előállítása Sűrített levegő előkészítése A sűrített levegő szárítása Hűtőszárítás Adszorpciós szárítás A levegő szárításának további módszerei Előkészítő egységek Szűrő és vízleeresztő Nyomásszabályozó szelep Olajködkenő Egyéb alkatrészek Az előkészítő-egység alkotóelemeinek jelölése Pneumatikus végrehajtók Egyszeres működtetésű munkahengerek Kettősműködtetésű munkahengerek Különleges kettősműködtetésű munkahengerek Útszelepek Az útszelepek jelképi ábrázolása Útszelepek működtetése Csatlakozások jelölése Útszelepek szerkezeti kialakítása Útszelepek fajtái Útszelepek elővezérlése Szelephordozó rendszerek Zárószelepek Visszacsapó-szelepek Gyorslégtelenítő szelepek Váltószelepek Kétnyomású szelep Fojtószelepek Fojtó-visszacsapószelep Nyomásirányítók További szelepek Jelölések a kapcsolási rajzon Vákuumtechnika Hidraulika Bevezetés A hidraulika előnyei és hátrányai

4 Minos A hidraulika alkalmazási területei A hidraulikus berendezések felépítése Az energiaellátó rész Hidraulikus tartály Nyomáshatároló szelep Szűrő Munkafolyadék Viszkozitás A munkafolyadékok további tulajdonságai Szennyeződés, levegő és víz a munkafolyadékban Környezetvédelem Szivattyúk Fogaskerékszivattyú Csavarszivattyú Csúszólapátos szivattyú Soros dugattyús szivattyú Radiáldugattyús szivattyú Axiáldugattyús szivattyú Munkahengerek és motorok Egyszeres működtetésű munkahengerek Kettősműködtetésű munkahengerek Munkahengerek felerősítési módjai Hidromotorok Csövek és tömlők Útszelepek Az útszelepek jelölése A kapcsolási állások túlfedése Útszelepek működtetése Zárószelepek Nyomásirányító szelepek Nyomáshatároló szelepek Nyomáscsökkentő szelepek Áramlásirányító szelepek Fojtószelepek Áramlásállandósító szelepek Áramosztók Akkumulátorok Az akkumulátor feladatai Dugattyús akkumulátor Tömlős és membrános akkumulátor Gáztöltésű akkumulátorok feltöltése

5 Minos 1 Pneumatika 1.1 Bevezetés A Pneuma kifejezés a régi görögöktől ered, ezt a kifejezést használták a lélegzetvételre, a szélre, és a filozófiában a lélekre. A Pneuma szóból származik a Pneumatik fogalom, mint légmozgások, légfolyamatok tana. A pneumatikában a sűrített levegő energiáját használjuk fel. A levegő 78%-ban nitrogénből, 21%-ban pedig oxigénből áll. A maradék 1% többféle gázt és nemesgázt, valamint vízgőzt is tartalmaz. A Föld felszínén a légnyomás körülbelül 1 bar, mely az időjárási viszonyoktól függően egy keveset változhat. A normálatmoszféra szabványos értéke 101,325 kpa, 15 C hőmérsékleten. Ipari alkalmazások esetén a sűrített levegő nyomása 3 és 10 bar között változik. A leggyakrabban 6 bar-os nyomást használunk, de használatos akár 10 bar feletti túlnyomás is. Különböző pneumatikus vezérlések esetén 0,2-0,5 bar nyomással dolgozunk, melyeket egyre inkább kiszorítanak a ma már igen elterjedt elektronikus vezérlőrendszerek A sűrített levegő története A sűrített levegő viszkozitása alacsony, így csővezetékekben nagy távolságokra is elvezethető. A sűrített levegő összenyomhatósága (kompresszibilitása) szintén fontos tulajdonság, mely egyszerű módon teszi lehetővé az energia tárolását. A sűrített levegő kimutathatóan a legrégibb energiaforma, melyet az ember ismert és saját teljesítményének fokozására felhasznált. A levegőnek, mint közegnek a tudatos felhasználása és a vele való többé-kevésbé tudatos munkavégzés már évezredek óta megfigyelhető. Az első, akiről biztos tudomásunk van, a görög Ktesibios volt, aki a sűrített levegőt, mint munkavégző közeget alkalmazta. Kétezer évvel ezelőtt ő készített egy sűrített levegővel működő katapultot. A levegő melegítése segítségével ajtók mozgatása is lehetséges volt. A levegő hőmérsékletének emelésére használt fújtatók gyakorlatilag már az első kompresszoroknak tekinthetők. 5

6 Minos A XIX. század végén a vonatok fékei már sűrített levegővel működtek. Szintén ebben az időben kezdték használni az első csőpostarendszereket is körül Párizsban kiépítettek egy sűrített levegő hálózatot, mely sok más funkció mellett egy központi óra jelét is közvetítette az akár nagyobb távolságokra is elhelyezkedő alállomások felé. Az ezt követő években azonban sokhelyütt inkább az elektromos meghajtás diadalmaskodott. Az 50-es és 60-as években sok vezérlési feladatot pneumatikus úton oldottak meg. Az ilyen vezérlések kis nyomással, mindössze néhány millibar-ral működnek. A tranzisztorok és mikroprocesszorok kifejlesztése óta azonban a legtöbb vezérlés relékkel vagy programozható memóriájú vezérlőrendszerekkel működik. A kezdeti nehézségek ellenére, melyek az ismeretek és képzés hiányára vezethetők vissza, az alkalmazási területek állandóan bővültek. A pneumatika világméretű ipari felhasználása azonban csak a munkafolyamatok szükségszerű racionalizálásakor és automatizálásakor indult meg rohamos léptekkel. Ma már a sűrített levegő egyetlen korszerű üzemből sem hiányozhat. A pneumatikus berendezéseket a legkülönbözőbb ipari célokra alkalmazzák A pneumatika előnyei és hátrányai A pneumatika számos területen jelen van, és mint minden energiaforma, rendelkezik előnyökkel, de hátrányokkal is. Az alábbiakban a pneumatikát mindenek előtt a hidraulikával és a villamossággal, de részben a mechanikus berendezésekkel is összehasonlítjuk. A pneumatika előnyei: - A levegő, mint közeg, gyakorlatilag korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre. Mivel az elhasznált levegőt egyszerűen ki lehet engedni a szabadba, nem jelent nehézséget annak visszaforgatása, visszavezetésére nincs szükség. - Egy kompresszornak nem kell állandóan üzemelnie ahhoz, hogy a sűrített levegő folyamatosan rendelkezésre álljon. A sűrített levegő tartályban tárolható és onnan elvezethető, illetve tartályokban szállítható. Áramkimaradás esetén a tárolt sűrített levegő segítségével a már megkezdett folyamatok még lezárhatók. - Csővezetékeken keresztül a sűrített levegőt nagy távolságokra is szállíthatjuk, azaz a sűrített levegőt központilag hozhatjuk létre. 6

7 Minos - A sűrített levegő tiszta, és érzéketlen a hőmérsékleti ingadozásokkal szemben. Hibás vagy elöregedett tömítések nem jelentenek környezeti veszélyt. A sűrített levegő robbanásveszélyes környezetben is alkalmazható, szabadban vagy nedves környezetben is veszély nélkül használhatjuk. - A munkavégző elemek felépítése egyszerű és ennek megfelelően olcsó. Gyakran könnyebbek is, mint a hasonló feladatra kialakított szerszámok. - A sűrített levegő áramlási sebessége viszonylag magas, így jelentős munkasebességek elérését teszi lehetővé. A sűrített levegővel működő készülékek a meghibásodás veszélye nélkül túlterhelhetők. Több méter per másodperces sebességek is könnyen elérhetők. - Lineáris és kanyarodó mozgás is könnyen realizálható. Szállítási feladatok is egyszerűen kivitelezhetők, például szívókorongok vagy befogópofák segítségével. Az előnyökkel a következő hátrányok állnak szemben: - A sűrített levegő relatív drága energiahordozó. A sűrítéskor sok hő keletkezik, melyet általában nem tudunk felhasználni. - A sűrített levegő előkészítése körülményes, hiszen a port és a nedvességet el kell távolítanunk. - Bizonyos alkatrészek, mint például a lapátos motorok esetén a sűrített levegőt az alkatrészek kenése érdekében olajozni is kell. Ezt az olajat a kiáramló levegő is tartalmazza. Manapság azonban a legtöbb pneumatikus alkatrészt már olajmentesen működik. - Mivel a sűrített levegő összenyomható, azonos mozdulatok alig kivitelezhetők, és a pozicionálás sem lehetséges. Az egyszerű megállás azonban probléma nélkül megoldható. - A kipufogó levegő zajos. Napjainkra a kifejlesztett hangtompító anyagok ezt a problémát nagyrészt már kiküszöbölték. - A fellépő erők és momentumok a hidraulikához képest kicsik A pneumatika alkalmazási területei A pneumatika alkalmazása igen sokrétű. Az iparban egyre több területet automatizálnak, ahol gyakran van szükség lineáris és kanyarodó mozgások kivitelezésére. Így alkatrészeket szállíthatunk, befoghatunk vagy feszíthetünk. A pneumatika mindenek előtt újra és újra visszatérő, ismétlődő mozgások kivitelezésére alkalmas. 7

8 Minos A pneumatika segítségével megoldható a granulátumok csővezetékekben való szállítása is. A festékszórás esetében a festéket sűrített levegővel visszük fel. De a pneumatika a kisiparban is használatos. Csavarhúzók, fúrók vagy csiszológépek mind működhetnek pneumatikus alapon is. 1.2 A sűrített levegő előállítása A munkadarabok vagy más tárgyak kezelése gyakran szívókorongok vagy pneumatikus befogók segítségével lehetséges. A sűrített levegőt kompresszor (sűrítő) segítségével állítjuk elő, melynek sok változata lehetséges. Alapvetően két csoportot, az áramlásdinamikai elven működő és a térfogat-kiszorítású kompresszorokat különböztetjük meg. Az áramlásdinamikai elven működő kompresszorok elsősorban nagy áramló térfogatok esetén használatosak. A levegőt ezek a gépek először magas sebességre gyorsítják, majd ezt a sebességet a nyomás növelésére fordítják. A nyomásnövekedés ebben az esetben nem különösen nagy, ezért a nyomás növelése több fokozatban zajlik. Az ú.n. turbókompresszorok a levegőt gyakran radiális irányba, kifelé gyorsítják. Egy másik kompresszortípus az ú.n. axiális kompresszor. Ilyeneket találunk a repülőgép-turbinákban is. Kis mennyiségű sűrített levegőt térfogat-kiszorítású kompresszorok segítségével érdemes létrehozni. Ekkor a kompresszor a levegőt egy adott térfogatba szívja be, melyet ezután összenyom. Ilyen elven működnek a dugattyús, és a csavarkompresszorok, de létezik számos más típus is. A dugattyús kompresszor egy dugattyúból áll, melyet egy forgó hajtókar mozgat ide-oda a hengerben. Az előrefutó mozgás során egy szelepen keresztül levegőt szívunk a hengerbe, majd az ezt követő visszafutó mozgás alatt a henger tere a dugattyú mozgásának következtében lecsökken, a levegő nyomása pedig nő. Ha a hengerben levő nyomás meghaladja a kilépő oldali nyomást, kinyílik egy szelep, a dugattyú pedig kitolja a sűrített levegőt. A dugattyús kompresszor egy lépésben kb. 10 bar nyomásig képes sűríteni, több fokozatú sűrítés esetén azonban már több száz bar elérhető. Ezen folyamat során, mivel a levegő sűrítéskor erősen felmelegszik, azt az egyes sűrítési lépések között hűteni kell. A 8

9 Minos kompresszor kivitelezésétől függően a hűtés levegő vagy víz segítségével történik. 1. ábra: Dugattyús kompresszor Mivel a dugattyús kompresszor hajtókarját olajozni kell, ebből az olajból, ugyan kis mennyiségben, de kerül a sűrített levegőbe is. Bizonyos alkalmazások esetén, pl. az élelmiszeriparban ezt az olajat ki kell szűrni a levegőből. Ilyen esetekben kis sűrített levegő szükséglet esetén membránkompresszorokat használnak. A kompresszoroknak ezt a típusát is a dugattyús légsűrítőkhöz soroljuk. A szívó- és nyomóteret a dugattyútól egy membrán választja el, így a sűrített levegő nem kerül érintkezésbe a dugattyútérrel. A levegő tehát olajmentes lesz. A csavarkompresszor működési elve, hogy két csavarformájú forgórész egymásba nyúló meneteinek kapcsolódó pontjai forgás közben axiális irányban haladnak, és a menetek és a kompresszorház közötti térben lévő levegőt ezáltal továbbítják. A forgórészek konvex, ill. konkáv profilú menettel ellátottak, így a szállítás közben a térfogat csökken, megtörténik a sűrítés. Néhány csavarkompresszor-típus esetén hűtés és szigetelés céljából olajat fecskendeznek be, léteznek azonban olajmentes csavarkompresszorok is, valamint lehetséges víz befecskendezése is. A csavarkompresszorok által létrehozott térfogatáram kevésbé pulzál, mint a dugattyús kompresszorok által generált sűrített levegő. Nagyobb nyomások elérése érdekében pedig lehetőség van kétfokozatú sűrítésre is. 9

10 Minos Általánosságban tehát a csavarkompresszorok több sűrített levegőt hoznak létre, a dugattyús kompresszorok viszont nagyobb nyomást tudnak elérni. Sok alkalmazás esetén azonban mindkét típus szóba jöhet. 1.3 Sűrített levegő előkészítése 2. ábra: Csavarkompresszor A sűrítés után a sűrített levegőt egy köztes tartályban, a légtartályban tároljuk. A tároló nagy felületéből adódóan a benne lévő sűrített levegő hűtőhatásnak van kitéve. Ennek következményeként a levegő nedvességtartalmának egy része a tartályban víz alakjában lecsapódik. Az így keletkező kondenzvizet a tartályból rendszeresen el kell távolítani. A tartály azonban elsősorban a különböző felhasználási igények kiegyenlítésére szolgál, feladata az egyenletes levegőellátás biztosítása, továbbá a hálózatban, a felhasználás változása során létrejövő nyomásingadozások kiegyenlítése. Ha a keletkező sűrített levegő mennyiséget csak a kompresszor ki- / bekapcsolásával szabályozzuk, válasszunk nagyobb méretű tartályt. Így ritkábban kell bekapcsolni a kompresszort. Az újabb berendezésekben a sűrített levegő elosztására szolgáló csővezetékeket a feltétlenül szükségesnél kicsit nagyobbra méretezik, így a teljes sűrített levegő hálózat tárolóként használható, tehát lehetőség van a különböző felhasználók által esetlegesen okozott nyomásingadozás kiküszöbölésére. Azon felhasználók elé, akik sok sűrített levegőt használnak, de ritkábban, köztes tárolót csatolunk, melyből igényüket fedezhetik. 10