Primjena pneumatike

Što je pneumatika

Pneumatika je grana tehnike koja stlačeni zrak koristi za prijenos energije i signala. Zrak se u kompresoru dovodi na viši tlak, pohranjuje u spremniku, pročišćava i razvodi cijevnom mrežom do strojeva, gdje ga ventili propuštaju u cilindre, motore i hvataljke. Tamo se energija stlačenog zraka pretvara u mehanički rad: pravocrtno gibanje, zakretanje, stezanje ili podizanje.

Naziv dolazi od grčke riječi pneuma, dah ili vjetar. Zrak se kao nositelj energije koristio stoljećima (mijehovi u kovačnicama, zračne kočnice vlakova, pneumatski čekići u rudnicima), ali je pneumatika postala sustavna tehnička disciplina tek s razvojem automatizacije u drugoj polovici 20. stoljeća. Danas je gotovo nemoguće naći proizvodni pogon bez razvoda stlačenog zraka: on se u tvornicama često spominje kao „četvrti energent", uz električnu energiju, vodu i plin.

U užem smislu pneumatika obuhvaća tri stvari. Prva je energetski dio: proizvodnja, priprema i razvod stlačenog zraka. Druga je izvršni dio: cilindri, pneumatski motori, hvataljke i vakuumske prihvatnice koje obavljaju rad. Treća je upravljački dio: ventili koji određuju kada, kamo, koliko brzo i pod kojim tlakom zrak struji. Kada se upravljački signali obrađuju električnim putem, a zrak ostaje samo u energetskom i izvršnom dijelu, govorimo o elektropneumatici; toj je temi posvećen poseban modul.

U pneumatici je uobičajeno tlak izražavati kao pretlak u barima, dakle kao razliku prema okolnom atmosferskom tlaku. Kad se kaže da mreža radi na 6 bar, misli se na 6 bar iznad atmosferskog tlaka, odnosno na približno 7 bar apsolutnog tlaka. Razlika između apsolutnog tlaka i pretlaka detaljno je obrađena u sljedećoj jedinici.

Prednosti i nedostaci pneumatskog pogona

Pneumatika se ne bira zato što je „najbolja", nego zato što za određenu vrstu zadataka nudi najbolji omjer jednostavnosti, cijene i pouzdanosti. Tipičan pneumatski zadatak je brzo gibanje između dvaju krajnjih položaja uz umjerenu silu: stegni, pomakni, izbaci, podigni, okreni za 90°. Za takve zadatke pneumatski cilindar s razvodnikom jeftiniji je i robusniji od bilo kojeg drugog rješenja.

Iz tablice se vidi obrazac: pneumatika je izvrsna u jednostavnim, brzim i čestim pokretima između graničnika, a slaba u točnom pozicioniranju i u zadacima s velikim silama. Stlačivost zraka je istodobno prednost i nedostatak. Zbog nje je sustav „mekan" i otporan na udare i preopterećenje, ali iz istog razloga klipnjača pod promjenjivim teretom ne drži stalnu brzinu, a zaustavljanje na sredini hoda moguće je samo uz posebne ventile ili servopneumatiku.

Područja primjene

Pneumatski pogoni susreću se u gotovo svim granama industrije. Najčešće su to cilindri koji obavljaju jednostavne pomoćne pokrete oko glavnog procesa, dok glavni proces (obradu, zavarivanje, prešanje velikim silama) obavlja neki drugi pogon.

• Montaža: stezanje dijelova u napravama, utiskivanje ležajeva i čahura manjim silama, zakivanje, uvrtanje vijaka pneumatskim odvijačima.
• Pakiranje i prehrambena industrija: punjenje, zatvaranje i etiketiranje, zatvaranje kutija, rezanje folije; zrak je čist medij i ne onečišćuje proizvod ako je pravilno pripremljen.
• Stezanje i obrada: pneumatske stezne naprave na alatnim strojevima, stezne glave, dodavanje i pridržavanje lima.
• Hvatanje i prenošenje: paralelne i kutne hvataljke, vakuumske prihvatnice za lim, staklo, kartonske kutije i vreće.
• Sortiranje i transport: skretnice na transportnim trakama, izbacivači neispravnih dijelova, zaustavljači paleta, dizala.
• Robotika: alati na prirubnici robota (hvataljke, izmjenjivači alata), vakuumski sustavi za paletizaciju, pneumatski mišići i meke hvataljke u kolaborativnim primjenama.
• Ručni alati: bušilice, brusilice, udarni ključevi i pištolji za lakiranje, koji su pri istoj snazi lakši od električnih i ne griju se.
• Vozila i procesna tehnika: zračne kočnice teretnih vozila i vlakova, pneumatski pogoni zaklopki i ventila u kemijskoj i naftnoj industriji.

Primjer koji se provlači kroz cijelo područje je naprava SL-3 za savijanje lima. Ima tri dvoradna cilindra: cilindar A (Ø32/12 mm, hod 50 mm) steže lim, cilindar B (Ø50/20 mm, hod 100 mm) savija ga, a cilindar C (Ø25/10 mm, hod 80 mm) izbacuje gotov dio. Redoslijed je A+ B+ B− A− C+ C−, a jedan ciklus traje 12 s. Naprava je tipična pneumatska primjena: tri kratka pokreta između krajnjih položaja, umjerene sile (cilindar B pri 6 bar izvlači se stvarnom silom od oko 1060 N) i velik broj ciklusa u smjeni.

Pneumatika, hidraulika ili električni pogon

Kod projektiranja stroja uvijek se postavlja pitanje kojim pogonom izvesti gibanje. Tri osnovne mogućnosti su pneumatski, hidraulički i električni pogon (elektromotor s vretenom, remenom ili zupčastom letvom, odnosno linearni motor). Tablica daje okvirne vrijednosti; stvarne granice ovise o izvedbi i stalno se pomiču razvojem tehnike.

Iz usporedbe proizlaze praktična pravila izbora. Za dva krajnja položaja, umjerenu silu i veliku brzinu bira se pneumatika. Za velike sile u malom prostoru (preše, bageri, dizalice, brizgalice plastike) bira se hidraulika. Za točno pozicioniranje u više točaka i za programabilne profile gibanja bira se električni servopogon. U suvremenim strojevima pogoni se kombiniraju: robot s električnim osima nosi pneumatsku hvataljku, a hidraulička preša ima pneumatski izbacivač otpreska.

Treba razlikovati činjenicu od navike. Činjenica je da električni pogon energiju koristi višestruko učinkovitije od pneumatskog. Činjenica je i da je jednostavan pneumatski pokret jeftiniji za nabavu i otporniji u teškim uvjetima. Odluka ovisi o broju ciklusa: kod rijetkih pokreta prevladava nabavna cijena i pneumatika pobjeđuje, a kod neprekidnog rada s velikom potrošnjom zraka trošak energije kroz nekoliko godina može premašiti razliku u nabavnoj cijeni.

Ustroj pneumatskog sustava

Svaki pneumatski sustav, od male naprave do cijele tvornice, sastoji se od istih pet funkcionalnih cjelina kroz koje energija prolazi redom, kako prikazuje slika 1.1.

1. Proizvodnja stlačenog zraka. Kompresor, pogonjen elektromotorom, usisava okolni zrak i tlači ga. Spremnik izravnava kolebanja potrošnje i pohranjuje energiju. U napravi SL-3 zrak dobavlja vijčani kompresor snage 5,5 kW s isporukom 0,8 m³/min i spremnikom od 270 l, koji se uključuje pri 6,5 bar i isključuje pri 8 bar.
2. Priprema stlačenog zraka. Zrak iz kompresora je vruć, vlažan i sadrži čestice i ulje. Naknadni hladnjak, odvajač kondenzata, sušilo i filtri dovode ga na kakvoću koju traže potrošači.
3. Razvod. Cijevna mreža (glavni vod, razvodni vodovi, priključni vodovi) dovodi zrak do strojeva uz što manji pad tlaka i bez propuštanja.
4. Upravljanje. Na samom stroju pripremna grupa pročišćava zrak i regulira tlak (za SL-3 na 6 bar), a razvodnici, protočni, zaporni i tlačni ventili upravljaju smjerom, brzinom i silom gibanja.
5. Izvršni elementi. Cilindri, pneumatski motori, hvataljke i vakuumske prihvatnice pretvaraju energiju zraka u mehanički rad.

Ta podjela ujedno određuje i ustroj ovog područja: prvi modul obrađuje proizvodnju, pripremu i razvod, drugi modul izvršne i upravljačke elemente, a treći i četvrti modul načine na koje se elementi povezuju u upravljanje.

Tok signala: ulaz, obrada, izlaz

Osim toka energije, u svakom upravljanom sustavu postoji i tok signala. Signal je informacija o stanju: je li tipkalo pritisnuto, je li klipnjača u krajnjem položaju, je li tlak dosegnuo zadanu vrijednost. Signali se prikupljaju, obrađuju prema logici upravljanja i na kraju pretvaraju u naredbu izvršnom elementu. Taj slijed opisuje se kao ulaz → obrada → izlaz, isto kao kod računala ili programirljivog logičkog upravljača.

Pneumatska shema crta se upravo po tim razinama, odozdo prema gore, kako prikazuje slika 1.2:

• Opskrba energijom (dno sheme): izvor stlačenog zraka i pripremna grupa.
• Signalni elementi (ulaz): tipkala, prekidači, granični ventili s valjčićem, senzori tlaka i blizine. Oni daju informaciju o stanju stroja ili o naredbi rukovatelja.
• Obradni elementi (obrada): ventil I (ventil dvostrukog tlaka), ventil ILI (naizmjenični ventil), vremenski članovi, redoslijedni ventili. Oni signale povezuju prema logici upravljanja. Na slici 1.2 cilindar se izvlači samo kada su pritisnuta oba tipkala S1 i S2, što je jednostavan oblik dvoručnog upravljanja.
• Upravljački element (pojačanje): glavni razvodnik koji slabim upravljačkim signalom propušta velik protok zraka do cilindra.
• Izvršni element (izlaz, vrh sheme): cilindar ili motor.

Razlikovanje razina važno je iz dva razloga. Prvi je čitljivost: tko zna gdje u shemi traži ulaze, a gdje izlaze, brže razumije i tuđe sheme. Drugi je projektiranje: signalni i obradni elementi rade s malim protocima i mogu biti mali i jeftini, dok upravljački element mora propustiti sav zrak koji cilindar troši, pa se bira prema promjeru cilindra i traženoj brzini. U elektropneumatici se signalna i obradna razina zamjenjuju električnim elementima (tipkala, releji, logički upravljač), a pojačanje preuzima elektromagnetski ventil.

Koliko stoji stlačeni zrak

Trošak energije najčešće je zanemaren nedostatak pneumatike, jer se zrak na stroju „ne plaća" izravno. Električnu energiju troši kompresor, a račun stiže na razini cijelog pogona. Zato je korisno znati izračunati koliko zraka troši pojedini stroj i koliko to stoji godišnje.

Polazna veličina je specifična energija proizvodnje stlačenog zraka: koliko kilovatsati električne energije kompresor potroši za jedan kubni metar slobodnog (usisanog) zraka. Za kompresor naprave SL-3 može se procijeniti iz nazivnih podataka:

e = P / Q = 5,5 kW / (0,8 m³/min · 60 min/h) ≈ 0,115 kWh/m³

Uz cijenu električne energije od, uzmimo, 0,15 €/kWh jedan kubni metar slobodnog zraka pri 8 bar stoji oko 1,7 centa. Potrošnja naprave SL-3 izračunata je iz obujma cilindara (to je tema drugog modula) i iznosi oko 3,52 Nl po ciklusu, odnosno 17,6 Nl/min pri 5 ciklusa u minuti. Tome treba dodati gubitke propuštanjem na spojnicama, brtvama i crijevima, koji u prosječnoj mreži iznose 10 do 30 % potrošnje.

Q = q · z · (1 + g)    V_god = Q · 60 · h    E = V_god · e    C = E · c

Ovdje je q potrošnja po ciklusu, z broj ciklusa u minuti, g udio gubitaka, h broj radnih sati godišnje, e specifična energija i c cijena električne energije. Promijenite ulazne vrijednosti i pratite kako se mijenja trošak.

Za zadane vrijednosti (3,52 Nl po ciklusu, 5 ciklusa u minuti, 20 % gubitaka, 3600 radnih sati u dvije smjene) naprava SL-3 troši oko 21,1 Nl/min, što je tek 2,6 % isporuke kompresora. Godišnje to je oko 4560 m³ slobodnog zraka, 525 kWh električne energije i približno 79 € troška. Za jednu napravu to je malo, i to je razlog zašto se pneumatika na malim strojevima isplati.

Slika se mijenja kad se pogleda cijela mreža. Otvor promjera samo 1 mm pri 6 bar propušta, ovisno o obliku ruba, približno 40 do 65 l/min slobodnog zraka, dakle dva do gotovo četiri puta više od cijele naprave SL-3. Uz 50 l/min i 3600 sati to je 10 800 m³ i oko 186 € godišnje, bačenih kroz jednu rupicu koja se jedva čuje u buci pogona. Zbog toga je traženje i uklanjanje propuštanja najisplativija mjera štednje u pneumatici.

Korisno je usporediti i koliko od te energije postane koristan rad. Ako bi sva tri cilindra naprave SL-3 cijelim hodom djelovala punom stvarnom silom, dali bi oko 274 J po ciklusu, odnosno oko 82 kWh godišnje. To je gornja granica od približno 16 % utrošene električne energije; u stvarnosti je iskorištenje još manje, jer puna sila djeluje samo na dijelu hoda. Električni pogon s istim zadatkom iskoristio bi energiju višestruko bolje, ali bi bio skuplji za nabavu.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.