Aktuátorok
Fluidmechanikai aktuátorok
Fluidmechanikai aktuátorok A fluidmechanikai aktuátorok hidraulikus vagy pneumatikus energiával működtetett szerkezetek. A mechatronikai berendezésekben a hidraulikus aktuátorok az elterjedtebbek. A pneumatikus aktuátorokat elsősorban két pontra (véghelyzetre), merev ütközőre való állításra, a megfogó és befogó készülékek működtetésére, gyors működésre használják.
A hidraulikus és pneumatikus aktuátorok összehasonlítása A levegő nagymértékben összenyomható, a pneumatikával kifejthető erő és nyomaték kicsi, erőnyomaték- sebesség szabályozhatóságuk jó, de terhelés független sebesség nem biztosítható. Az áramlási sebesség, az aktuátor működési sebessége (0,01-1,4 m/sec) magas a hidraulikushoz (0,2 m/sec) képest. Pneumatikus rendszerekben: az 1 bar-ig terjedő nyomást vezérlési feladatokhoz, a 6-10 bar nyomást aktuátorok működtetésére használják.
Hidraulikus rendszerekben az aktuátorokat: kis (30-60 bar), közepes (160 bar-ig) és nagy (420 bar-ig) nyomással működtetik. A pneumatikus körfolyamok nyitottak, mivel a munkaközeg a környezetből kerül a rendszerbe és onnan a környezetbe kerül vissza. A hidraulikus körfolyamokban a munkaközeg (a folyadék) zárt körforgást végez, tartályból kerül a rendszerbe és onnan mindig a tartályba jut vissza.
A hidraulikus körfolyamok építőegységei Az aktuátorok működtetésére körfolyamok szolgálnak, amelyek fő egységei: Szivattyúk: állandó, vagy változtatható térfogat kiszorítással, illetve egy vagy két szállítási iránnyal
Szivattyúk típusai: fogaskerekes, csavarorsós, csúszólapátos, axiál-és radiáldugattyús.
Motorok forgó, vagy lengő mozgással állandó vagy változtatható térfogat kiszorítással, egy vagy két szállítási iránnyal
Motorok lineáris mozgással (munkahengerek) egyszeres vagy kettős működtetéssel, egy- vagy kétoldali dugattyúrúddal
Akkumulátorok: térfogat kiegyenlítési feladatokra szolgálnak
A felsoroltak mellett a körfolyamok elemei még a következők is: Tartályok, szűrők, hőcserélők, vezetékek, csatlakozók, kiegészítő elemek, és a számunkra talán legfontosabbak az:
Irányító elemek: Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek. Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint pl. a fojtószelep, és mennyiségállandósító szelepek. Nyomásirányítók, mint például a nyomáshatárolók, nyomáscsökkentők
A szelepek jele négyzet, amelyből annyit rajzolnak egymás mellé, ahány x szelepállás (1, 2, 3) van. Ha van a szelepnek nyugalmi alaphelyzete, akkor a csatlakozó vezetékeket ott kell jelölni. Az útszelephez csatlakozó vezetékek (csatornák) y száma 2, 3, 4, 5, 6, 8 (elsősorban mobil hidraulikában) lehet. A szelepeket a csatornák és helyzetek (pozícióik) száma szerint adják meg (y/x) pl. 2/2, 3/2, 4/3, 5/3.
A szelep összekötött csatornáit a négyzetbe rajzolt összekötő vonal (nyíl az áramlás irányába mutat), a lezárt csatlakozásokat a megszakított vonalak végeibe rajzolt keresztvonal jelöli.
Szelepműködtetés (20. c ábra) A szelepek működtetésének szimbólumait a szelep két végén a csatlakozásokra merőlegesen adják meg. A működtetés módjai: kézi, gépi, elektromágnes, rúgó, fluid közeg, elővezérelt.
Áramlásirányító (útváltó, útirányító) szelepek A 20. d, e ábrák különböző útváltó szelepek szimbolikus rajzait mutatják a lehetséges gazdag választékból.
A 20. f ábrák egy egyszerű és egy kettős vezérelt útirányító (visszacsapó) szelep szimbolikus rajzát mutatja. A kettős vezérelt visszacsapó szelep feladata a munkahengert valamely, a véghelyzetek közötti állapotban megtartani, akár terhelés ellenében is.
Térfogatáram irányítók Fojtószelep beállítható fojtással. A folyadékáram a terheléstől és a folyadék viszkozitásától függően változik. Fojtó-visszacsapó szelepnél fojtóhatás csak egy irányban érvényesül. A fojtószelepek beömlő, vagy kiömlő ágban egyaránt elhelyezked-hetnek. Áramállandósító szelep a terheléstől független sebesség biztosítására.
Nyomásirányítók: nyomáshatárolók, nyomáscsökkentők Nyomáshatárolók a rendszernyomást határolják le kiinduláskor zártak (21. b) Nyomáscsökkentők feladata a technológiai nyomás biztosítása, kiindulási helyzetükben nyitottak (21. c ábra).
Kapcsolási rajz a körfolyam felépítését mutatja (22. ábra), valamint egy aktuátor három lehetséges állapotát.
Pneumatikus rendszerek A kompresszor a pneumatikus rendszer központi alkotó eleme. Szilárd gépelemekből van megtervezve és kivitelezve, azzal a céllal, hogy a hajtómű mechanikai munkáját kompresszió, sűrítés segítségével a közeggel közölje. A térfogatkiszorítás elvét a következőképpen lehetne megfogalmazni. Egy mozgó felület, amely szétválasztja a teret alacsony és magas nyomásúra, a kompresszor munkatérfogatából kiszorítja a munkaközeget a magas nyomású térbe, mechanikai munka felhasználásával.
A térfogat kiszorítás elvén működő kompresszorok alkalmasak magas nyomások és kisebb tömegáramok elérésére.
A turbó-kompresszió elve A turbó kompresszió lényege, hogy a munkaközeg, levegő egy forgótérfogaton keresztül halad át és felgyorsul. A forgó szerkezet mechanaikai munkája átszármazik a munkaközegre, és kinetikus energia formájában jelenik meg. A kinetikus energia lassítással, a térfogat növelésével alakul át mechanikai munkapotenciállá. Ez az elv műszakilag, egy lapátokkal ellátott forgórész azaz járókerék, és egy lassító, úgynevezett diffúzor által valósul meg. A lapátok közötti tér a kompresszor munkatérfogata, a diffúzor (gyűjtő) pedig egy csiga alakú változó átmérőjű cső.
A tartály külalakja A tartály ideális alakja a gömb, a gömbnek minden más testtől eltérően, nagyobb űrtartalma van, a palástjához viszonyítva. 33. ábra: Gömb és henger- alakú tartály
Tápegység előkészítő csoport Szűrés: A levegő megszűrten kerül a kompresszorba. Ennek ellenére mégis kívánatos minden fogyasztó elé újabb szűrőt helyezni az ismételt szűrés végett. A kompresszortól a fogyasztóig fennáll a lehetősége szerkezeti elemek részecskéinek vagy rozsda leválásának. Ezek a részecskék az illesztésekben előidézhetnek berágást, de szorulást is. A kondenzvíz leválasztása: Ha a sűrített levegőt nem száríjuk külön hűtővel, fennáll annak a veszélye, hogy kondenzátum jelenik meg a fogyasztó előtti csövekben, és bejut az energetikai végrehajtó szervekbe. A víz jelenléte a végrehajtó szervek belsejében nemkívánatos.
A nyomás szabályozása A pneumatikus rendszerbe több energetikai végrehajtó szerv van beépítve, mindegyiknél mások a technológiai elvárások az erő és a sebesség szempontjából. Mivel az erő nagyságát csak a nyomáson keresztül tudjuk változtatni, szabályozni, minden energiai végrehajtó szerv elé nyomásszabályzót kell beépíteni. Olajozás Az energetikai végrehajtó szervekben nem létezik külön olajozó rendszer. A sűrített levegőnek kell magával szállítania az olajat köd formájában. A kenés e módja előnyös. A gyártók körében a törekvés az, hogy a végrehajtó szervek ne igényeljenek külön olajozást, ezért a csúszófelületeket teflonnal vonják be. (Az olaj jelenléte a levegőben egészségkárosító).
38. ábra: A tápegység kinézete
39. ábra: A tápegység részei: szűrő, vízelválasztó, nyomásszabályzó, olajozó
Pneumatikus energetikai végrehajtó szervek Aktuátorok Pneumatikus motorok
Rotációs pneumatikus motorok A rotációs pneumatikus motorok csak alacsonyabb teljesítmény és nagy fordulatszám elérésére alkalmasak. Nagyobb teljesítmény is elérhető, de alacsony energetikai hatásfokuk miatt nem kifizetődő az alkalmazásuk. Leginkább kéziszerszámok meghajtására alkalmazzák. A rotációs pneumatikus motorok jelentősége a gyakorlatban sokkal kisebb, mint az egyenesvonalú mozgású pneumatikus motoroké.
41. ábra: Fogaskerekű motor: motorház 1. fogaskerék 2. fogaskerék 3. a meghajtó motor tengelye 4. levegő bevezetése 5. levegő bevezetése
1. motorház 2. forgórész 3. lapát 4. levegő bevezetése 5. a felhasznált levegő elvezetése 41. ábra: Lapátkerekes (lamellás), pneumatikus motor
Lineáris pneumatikus motorok - munkahengerek A hengerek egyenesvonalú mozgást végző pneumatikus motorok, végrehajtó szervek. A gyakorlatban gyakran használják őket, mert ap-ró hiányosságaiktól eltekintve, igen jó tulajdonságokkal rendelkeznek. Szerkezetük nagyon egyszerű elemekből tevődik össze: egy cső két fedéllel, mozgófal (vagyis rekesz) egy dugattyú dugattyúszárral hosszabbítva, valamint néhány tömítés.
Tulajdonságai: Előnyök: A dugattyú és a dugattyúszár egyenesvonalú mozgást végez, A hengerek élettartama hosszú és alig igényel karbantartást, A dugattyú erőkifejtése a dugattyúszáron át tetszőleges ideig tartható fenn tehát szorításra alkalmas A szorítóerő nyagysága könnyen szabályozható a sűrített levegő nyomásának változtatásával, A dugattyú menetsebessége is szabályozható a sűrített levegő tömegáram mennyiségének változtatásával, Kis méretük és alakalmas formájuk folytán könnyen beszerelhetők, még nagy intenzitású erőhatás esetében is.
Hátrányok: A rotációs, de az egyenesvonalú pneumatikus motorok is közös hátránnyal rendelkeznek. Alacsony hatásfokkal alakítják át a munka potenciált mechanikai munkává. Alacsony az energetikai hatásfokuk. A henger alkalmazási módjai A henger és a dugattyú feladata, hogy a dugattyúszárra erősített tömeget periódikusan mozgassa vagy szilárdan egyhelyben rögzítse, szorítsa. Mindkét alkalmazásnál a dugattyú végzi a munka- és hátramenetet is. A munka- és hátramenet jellege kicsit eltér, attól függően, hogy mozgató, vagy szorító járatról van-e szó.
A hengerek működésének leírása Elemezve az erőket, kitűnik hogy létezik: Egy aktív erő: a sűrített levegő által ébredt nyomóerő F p1 amely a dugattyú homlokfelületére hat. Az összes többi erő ellenhatású: az illesztéseken fellépő súrlódási erő, a dugattyú gyűrűs homlokfelületére ható nyomóerő F p2, a mozgó tömegek összes tehetetlenségi erői és a külső ellenállás ereje F otp.
43. ábra: A munkajárat erőterve
Centralizált vezérlési struktúra A rendszer szerkezete a következő alkotóelemekből tevődik össze: Központi kompresszor tartályal, csővezeték hálózat, hengerenkénti szabályzószelepek a nyomás és a tömegáramlás szabályozására. Szabályzáskor a fojtószelep a nyomást csak csökkenteni tudja, egyedül a kompresszor tudja növelni.
47. ábra: Centralizált struktúra A decentralizált rendszerben minden pneumatikus henger saját vezérelt meghajtású kompresszorral van ellátva
A munkahenger fajtái Monostabil munkahenger A monostabil hengereknél a hátramenetet valamilyen rugalmas test, leginkább acélrugó segíti. A rugó munkamenetben tárolja, akkumulálja a dugattyú és a dugattyúrúd hátramenetéhez szükséges energiát. 48. ábra: Monostabil henger
Bistabil mukahenger A bistabil rendszereknél a hátramenetet sűrített levegővel biztosítjuk. Ha összehasonlítjuk a monostabil és a bistabil hengereket, megállapíthatjuk, hogy csak a hátramenetben különböznek. 49. ábra: A bistabil henger vázlata
A felsoroltakon kívül léteznek még különböző változatai a pneumatikus munkahengereknek: kettős működésű kétrudas munkahenger, tandem munkahenger, többállású munkahenger stb. Forgató munkahenger A dugattyúrúd fogazott és a két dugattyú között helyezkedik el. A fogazott rúd egy fogaskerékkel van kapcsolatban. A fogazot rúd egyenes vonalú mozgása a fogaskerék által körforgássá alakul. Az elfordulás szöge általában kisebb 180º-nál
57. ábra: A forgató henger metszete