Siła drzemiąca w powietrzu

Sprężone powietrze znajduje wiele zastosowań w nowoczesnych urządzeniach pneumatycznych. Jest wykorzystywane jako napęd oraz czynnik sterujący mechanizmami zarówno w prostych maszynach, jak i w skomplikowanych robotach. Podstawowymi elementami pneumatycznymi w automatyce są siłowniki pneumatyczne.
Osiągnięcia pneumatyki od lat usprawniają procesy automatyzacji. Mimo częściowego zastępowania urządzeń napędzanych sprężonym powietrzem napędami elektrycznymi zainteresowanie rozwiązaniami pneumatycznymi nie maleje. Urządzenia takie znajdują zastosowanie praktycznie we wszystkich gałęziach przemysłu, w tym również w unikatowych mechanizmach aparatury pomiarowej, naukowej i medycznej, a także w wielu innych sferach działalności człowieka, łącznie z kulturą i sztuką. Do najbardziej typowych dla pneumatyki przykładów zastosowań należą jednak: układy hamulcowe maszyn wyciągowych w górnictwie, prasy wulkanizacyjne, obrabiarki do stolarki okiennej, układy zawieszenia pojazdów, wagonów, maszyn roboczych, a także maszyny pakujące, do profilowania i łączenia przewodów samochodowych oraz mechanizmy stosowane do otwierania i zamykania drzwi w autobusach, tramwajach, wagonach itp.
Gdzie można spotkać siłowniki pneumatyczne?
Najczęściej wykorzystywanymi w automatyce podzespołami elementów wykonawczych, manipulatorów, dźwigni, ramion ruchomych czy linii produkcyjnych są siłowniki pneumatyczne. Najczęściej stosuje się je we wszelkiego rodzaju maszynach i urządzeniach automatyki przemysłowej, gdzie umożliwiają przemieszczanie, pozycjonowanie, obracanie i szeroko rozumiane poruszanie elementów. Jako podzespoły sprawdzają się zarówno w mobilnych maszynach budowlanych, jak i rolniczych. Zakres ich zastosowań jest jednak znacznie szerszy – mogą być wykorzystywane w różnorodnych dziedzinach przemysłu (np. przemyśle spożywczym, pakującym, przetwarzającym, sortującym i innych). Siłowniki pneumatyczne pełnią zwykle funkcję podajników bądź urządzeń dociskowych, elementów do otwierania zasuw, zaworów, klap, bram, drzwi etc. Dodatkowo mogą być projektowane i budowane według specjalistycznych wytycznych dla praktycznie każdego odbiorcy przemysłowego.
Plusy i minusy
Szerokie zastosowanie siłowników pneumatycznych wynika z szybkości ich działaniaoraz stosunkowo niewielkich gabarytów. Urządzenia te są w stanie wytworzyć siłę mniejszą niż siłowniki hydrauliczne, których używa się np. do podnoszenia ciężarów, ale za to określa się je jako dość dynamiczne. Ich główną zaletą jest prostota. Prostota budowy przekłada się na pewność działania oraz trwałość, natomiast prostota działania, obsługi i konserwacji na wielość zastosowań oraz niskie koszty zakupu i użytkowania. Wśród innych pozytywów warto wymienić tutaj elastyczność działania, niską masę oraz możliwość wprowadzenia daleko posuniętej automatyzacji i kompatybilność z innymi urządzeniami. Siłowniki te charakteryzują się niewrażliwością na przeciążenia (elementy wykonawcze mogą być obciążane aż do zatrzymania) oraz możliwością ciągłej kontroli obciążeń poszczególnych zespołów maszyny. Dodatkowo warto wspomnieć, że urządzenia te łatwo można łączyć z innymi elementami urządzeń o znormalizowanych elementach i zespołach. W ten sposób tworzy się typowe układy powtarzające się w różnych maszynach technologicznych, dzięki czemu zakłady produkujące elementy pneumatyczne mogą osiągać wysoką specjalizację, a zakłady korzystające z urządzeń mogą łatwiej wymienić zużyte części lub całe zespoły.
Siłowniki pneumatyczne pomimo tych bezsprzecznych zalet, które wpływają na ich szerokie zastosowanie, mają również swoje wady. Najważniejszą z nich jest rozszczelnianie. Elementami podatnymi na nieszczelność są zwykle przewody, szybkozłączki i złączki gwintowe. Nieszczelne elementy najczęściej wymienia się na nowe bądź uszczelnia na przykład za pomocą uszczelniaczy.
Charakterystyka siłowników
Istotnym elementem siłowników są tuleje cylindrowe. Tuleje poddawane są procesowi honowania, pozwalającemu na uzyskanie dużej gładkości ich powierzchni roboczych, która z kolei umożliwia wydłużenie żywotności uszczelnień tłoka. Powierzchnie ślizgowe tulei natomiast poddaje się chromowaniu na twardo, co daje znacznie lepszą odporność na korozję. Pokrywy siłowników pneumatycznych najczęściej produkuje się z odlewów aluminiowych. Na rynku spotyka się również elementy wykonane ze stali nierdzewnej i chromowanej, a także, choć znacznie rzadziej, wykonane ze stali z domieszką brązu, z mosiądzu, a nawet z tworzyw sztucznych, np. technopolimeru. Tłoczyska często wytwarzane są ze stali chromowych, które dodatkowo przechodzą ulepszanie cieplne. Ich prowadnice wykonuje się głównie z brązu lub spiekanych proszków zapewniających dobre właściwości smarne. Jeśli zaś chodzi o uszczelnienia tłoków, to powszechnie spotyka się pierścienie U- albo O-kształtne, a także inne, o specjalnie dobieranych kształtach. Uszczelniacze wykonane są najczęściej z kauczuku nitrylowo-butadienowego (NBR), poliuretanu (PU), vitonu i teflonu. Swoje właściwości muszą, w zależności od zastosowania, zachować w temperaturze mieszczącej się w przedziale od -40°C do +200°C. Ostatnim elementem siłowników są zabezpieczenia chroniące przed zanieczyszczeniami, czyli pierścienie zgarniające i wkłady filtrujące.
Na rynku dostępne są siłowniki w praktycznie każdym rozmiarze. Średnice tłoków miniaturowych mogą wynosić nawet 1 mm, natomiast tłoków dużych zwykle nie przekraczają 320 mm. Wymiary tłoczysk natomiast mieszczą się w granicach od 1 mm do około 63 mm. Możliwe jest jednak zlecenie siłowników robionych na zamówienie, pod konkretny wymiar. W sytuacjach, gdzie przestrzeń zabudowy jest bardzo ograniczona, stosuje się siłowniki beztłoczyskowe. Długość skoku dostępnych siłowników może sięgać nawet do 8 m, a ich maksymalna prędkość ruchu może dochodzić nawet do kilku metrów na sekundę. Zwykle siły wytwarzane przez te urządzenia wynoszą od kilkuset niutonów do kilku kiloniutonów. Oczywiście dostępne są rozwiązania o siłach znacznie większych. Stosuje się je jednak rzadko i najczęściej zastępuje wówczas siłownik pneumatyczny hydraulicznym.
Typy siłowników
Najczęściej użytkowanymi siłownikami pneumatycznymi są urządzenia jednostronnego i dwustronnego działania. W tych pierwszych ruch tłoczyska w jedną stronę jest bezpośrednio uzależniony od oddziaływania ciśnienia sprężonego powietrza, a w drugą przeważnie zależy od sprężyny. Siłowniki dwustronnego działania wykorzystują oddziaływanie sprężonego powietrza przy pracy w obie strony. Są to siłowniki najpowszechniej dostępne na naszym rynku. Ich ciekawą odmianą są urządzenia z przyłączami pneumatycznymi z dwóch stron obudowy, które pozwalają zwiększyć efektywność pracy maszyny poprzez równoczesne podawanie wysokiego ciśnienia i odsysanie powietrza.
Innymi popularnymi siłownikami są wersje z mechanizmem zabezpieczającym przed obrotem tłoka oraz wersje niewymagające smarowania. W tych ostatnich do działania wykorzystuje się sprężone powietrze, niepoddawane procesowi nasycania mgłą olejową. Ich obsługa i konserwacja są bardzo uproszczone. Rola siłowników niewymagających smarowania w przemyśle wciąż rośnie – stanowią one obecnie większość sprzedawanych na rynku produktów tego typu.
Warto również zwrócić uwagę na powszechnie stosowane siłowniki z tłokami magnetycznymi, które pozwalają na użycie odpowiednich bezkontaktowych czujników ruchu. Na obudowie siłowników montuje się sensory, które wykrywają ruchy tłoka dzięki zmieniającemu się polu magnetycznemu. Najczęściej spotykane typy siłowników pneumatycznych zawarto w ramce.
Wśród siłowników specjalnych warto wymienić wyroby z certyfikatem ATEX oraz produkty charakteryzujące się wysoką klasą czystości. Siłowniki z certyfikatem ATEX są przeznaczone dla środowisk zagrożonych wybuchem, dlatego też użytkuje się je najczęściej w górnictwie, jako elementy maszyn kopalnianych. Natomiast siłowniki o wysokiej klasie czystości są stosowane w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i wszystkich tych, gdzie ważne jest, aby zabrudzenia nie przeniknęły do procesu produkcyjnego oraz by same elementy można było czyścić ciśnieniowo. Urządzenia takie są szczelnie obudowane i mogą być myte wodą pod wysokim ciśnieniem, nawet w temperaturze 100°C. Nietypowymi siłownikami są również te o innych niż standardowe wymiarach.
Wymagane uszczelnienia
Jak już wspomniano, najpowszechniejszym problemem występującym przy pracy siłowników pneumatycznych jest ich tendencja do rozszczelniania. Zwykle stosuje się uszczelniacze z poliuretanu (PU), kauczuku nitrylowo-butadienowego (NBR), vitonu i teflonu.
Poliuretan (PU) jest jednym z najbardziej popularnych materiałów stosowanych podczas uszczelniania. Wykorzystując go, przedłuża się żywotność urządzenia oraz obniża tarcie podczas ruchu. Uszczelniacze takie mogą być stosowane w siłownikach pracujących w ujemnych temperaturach. Dodatkowo poliuretan jest odporny na takie substancje, jak: propan, butan czy benzyna. Może on także współpracować ze smarami mineralnymi. Materiał ten wchodzi niestety w reakcję z parą wodną, a nawet samą wodą w temperaturach powyżej 50°C i ulega degradacji.
W takich sytuacjach poliuretan zastępuje się kauczukiem butadienowo-akrylonitrylowym, który jest niewrażliwy nawet na wysokie stężenie pary wodnej. NBR niestety charakteryzuje się niższą żywotnością i jest wrażliwy na działanie światła słonecznego. Jego wytrzymałość temperaturowa jest podobna do wytrzymałości poliuretanu.
W przypadku instalacji pracujących w wysokich temperaturach,gdzie tłoki siłowników poruszają się z dużą prędkością, wykorzystuje się uszczelnienia z materiałów takich jak viton. Materiał ten jest odporny na wiele węglowodorów, smary silikonowe, roślinne, zwierzęce i mineralne oraz na czynniki atmosferyczne. Dodatkowo charakteryzuje się dosyć dużą żywotnością. Jedyną jego wadą jest wrażliwość na parę wodną.
Ostatni, popularny materiał uszczelniający to teflon, który jest wyjątkowo odporny na skrajne wartości temperatur – może pracować nawet przy -30°C i +230°C. Teflon jest jednym z najtrwalszych chemicznie tworzyw sztucznych.
Żywotność
Możliwą długość użytkowania siłowników pneumatycznych podaje się zwyczajowo w sumarycznej długości wykonanych ruchów lub w liczbie cykli (w milionach). I tak w pierwszym przypadku żywotność siłowników wynosi od kilku do kilkunastu tysięcy kilometrów, a w drugim od kilkunastu do kilkudziesięciu milionów cykli. Warto zwrócić uwagę, że na żywotność siłowników tłoczyskowych wpływają materiały, z jakich wykonano ich uszczelniacze: uszczelniane poliuretanem są średnio dwa razy trwalsze niż uszczelniane kauczukiem i trzy razy trwalsze niż urządzenia beztłoczyskowe. Na długość użytkowania wpływa nie tylko czas pracy i warunki środowiskowe, ale też częstotliwość ruchów, prędkość pracy, a także występujące obciążenia.
Poprawne użytkowanie
Czynnikiem istotnie wpływającym na wydłużenie użytkowania siłowników pneumatycznych jest ich właściwe smarowanie. Poprawne dostarczanie smaru lub oleju do wrażliwych na tarcie elementów siłowników przyczynia się także do obniżenia awaryjności urządzenia. Dla uzyskania poprawnej pracy systemu konieczny jest nadzór nad jakością i stopniem zużycia olejów. Niezauważone w porę pogorszenie lub degradacja mieszanki może prowadzić bowiem do obniżenia osiągów urządzenia lub wręcz do trwałego uszkodzenia urządzeń i zatarcia mechanizmów. Nadzór i czynności związane z utrzymaniem instalacji pneumatycznych nie zawsze muszą być prowadzone przez pracowników fabryki. Czasem czynności te zleca się firmom zewnętrznym.
Kategorie doboru
Klienci wybierając siłowniki najczęściej kierują się ich ceną, ale ważne są dla nich również parametry i funkcjonalność oferowane przez dany siłownik oraz precyzja jego ruchów. Przy tym ostatnim kryterium warto zwrócić uwagę na fakt, że normy dopuszczają odchyły od wartości nominalnych na poziomie od 1 mm do 3 mm, w zależności od maksymalnej wartości skoku siłownika. Nabywcy siłowników zwracają także uwagę na termin dostawy i dostępność urządzenia na rynku. Równie ważne są także żywotność, jakość wykonania i wygląd elementów. W przypadku, gdy czynnikiem decydującym o zakupie jest poziom hałasu generowany przez pracujący siłownik, klienci poszukują specjalnych urządzeń wyposażonych w dodatkowe, elastyczne pierścienie amortyzujące bądź decydują się na zewnętrzne amortyzatory hydrauliczne lub pneumatyczne.
Kierunki rozwoju
Obserwując rozwój aparatury pneumatycznej, można zauważyć, że struktura części centralnej systemów pneumatycznej aparatury automatyki nie ulega zasadniczej zmianie, ale nowe wymagania funkcjonalne powodują zmiany technologii wytwarzania oraz pojawianie się szeregu dodatkowych zespołów. Obecne kierunki rozwoju aparatury pneumatycznej dotyczą miniaturyzacji, zastosowania nowych zasad budowy i technologii zapewniających konkurencyjną cenę w stosunku do urządzeń elektronicznych. Wśród dostawców siłowników na rynku wymienia się firmy Festo, Prema, SMC i Bosch Rexroth.
CE