Vakuum-pumpe i vakuum-generatori

Što je vakuum u tehnici

U svakodnevnom govoru vakuum znači „prazninu". U pneumatici i u tehnici rukovanja riječ vakuum označava svako stanje u kojemu je tlak plina u nekom prostoru niži od tlaka okolne atmosfere. Potpuni vakuum, prostor bez ijedne molekule, u praksi se ne postiže i nije potreban. Za prihvat lima, kartona, stakla ili plastičnih dijelova dovoljno je da tlak ispod prihvatnice padne na polovicu ili trećinu atmosferskoga: razlika tlakova tada stvara silu kojom okolni zrak pritišće izradak na prihvatnicu.

Tlak se u vakuumskoj tehnici iskazuje na tri načina i važno je uvijek znati koji je od njih upotrijebljen. Apsolutni tlak mjeri se od potpunog vakuuma (0 bar aps.). Pretlak je razlika između apsolutnog tlaka i atmosferskog tlaka, a u pneumatici se podrazumijeva kad se kaže „6 bar". Podtlak je pretlak s negativnim predznakom: tlak od 0,413 bar aps. pri atmosferskom tlaku 1,013 bar znači podtlak od −0,6 bar. Treći način je postotak vakuuma: podtlak podijeljen s atmosferskim tlakom, pa −0,6 bar odgovara približno 59 % vakuuma.

p_pod = p_aps − p_atm   ·   vakuum [%] = |p_pod| / p_atm · 100

Prema razini tlaka razlikuju se područja vakuuma: grubi vakuum od atmosferskog tlaka do približno 1 mbar aps., fini vakuum od 1 do 10⁻³ mbar, visoki vakuum od 10⁻³ do 10⁻⁷ mbar i ultravisoki vakuum ispod toga. Rukovanje izradcima, stezanje na alatnim strojevima i podizanje tereta rade gotovo isključivo u području grubog vakuuma, najčešće između −0,5 i −0,8 bar. Viša razina vakuuma za prihvat ne donosi mnogo: razlika između −0,8 bar i savršenog vakuuma iznosi još samo 0,2 bar, a trošak postizanja naglo raste.

Vakuum-pumpe

Vakuum-pumpa je stroj koji zrak iz zatvorenog prostora usisava i istiskuje u okolinu. Po načelu rada ona je kompresor koji na usisu radi ispod atmosferskog tlaka, a na tlačnoj strani oko atmosferskog. Pogoni je elektromotor, pa ne troši stlačeni zrak. Zato je pogodna kad je potreban velik usisni protok, dug rad ili više prihvatnica na zajedničkom vodu.

Klipna vakuum-pumpa radi kao klipni kompresor: pri hodu klipa prema dolje povećava se volumen cilindra, tlak pada ispod tlaka u usisnom vodu, otvara se usisni ventil i zrak ulazi. Pri povratnom hodu zrak se tlači do atmosferskog tlaka i izlazi kroz ispušni ventil. Suhe izvedbe s membranom umjesto klipa (membranske pumpe) služe za manje protoke u laboratoriju i za čiste medije. Klipne pumpe postižu dobar grubi vakuum, ali imaju pulzirajući protok i veći zvuk.

Lamelasta (krilna) vakuum-pumpa ima rotor smješten ekscentrično u kućištu. U utorima rotora klize lamele koje centrifugalna sila pritišće na stijenku kućišta. Između dviju lamela nastaju komore čiji se volumen na usisnoj strani povećava, a na ispušnoj smanjuje. Pumpe podmazivane uljem postižu vrlo niske apsolutne tlakove jer ulje brtvi zazore; suhe izvedbe s grafitnim lamelama postižu skromniji vakuum, ali ne onečišćuju okolinu uljnom maglom. U rukovanju izradcima, pakirnoj tehnici i stezanju na CNC strojevima lamelasta je pumpa najčešći izbor.

Roots-pumpa ima dva rotora u obliku osmice koji se okreću u suprotnim smjerovima i ne dodiruju ni jedan drugoga ni kućište. Sinkronizirani su zupčanicima. Rotori prenose zrak s usisne na tlačnu stranu bez unutarnjeg tlačenja. Takva pumpa ima vrlo velik usisni protok, ali mali omjer tlakova, pa se u vakuumskoj tehnici najčešće spaja u niz s predpumpom (npr. lamelastom), koja preuzima tlačenje do atmosferskog tlaka. U pneumatskom rukovanju sreće se rjeđe, više u procesnoj industriji i pri pneumatskom transportu.

Ejektorski vakuum-generator

Ejektor (vakuum-generator, mlaznica Venturijeva tipa) nema pokretnih dijelova. Stlačeni zrak ulazi u pogonsku mlaznicu promjera obično ispod 1 mm i ubrzava se do brzine zvuka. U komori iza mlaznice mlaz ima vrlo nizak statički tlak i povlači sa sobom okolni zrak iz usisnog priključka. Mješavina pogonskog i usisanog zraka ulazi u difuzor, gdje se brzina smanjuje, a tlak raste do atmosferskog, i izlazi kroz prigušivač u okolinu. Usisni priključak povezan je s prihvatnicom: dokle god kroz mlaznicu struji zrak, ispod prihvatnice vlada podtlak.

Jednostupanjski ejektor ima jednu mlaznicu i jedan difuzor. Postiže visok podtlak, oko −0,85 bar i više, i kratko vrijeme evakuacije malih volumena. Prikladan je za nepropusne izratke: lim, staklo, glatku plastiku. Višestupanjski ejektor ima niz od dvije do četiri komore s mlaznicama poredanim jedna iza druge. Prva komora radi kao jednostupanjski ejektor, a u sljedećim komorama izlazni mlaz prethodnog stupnja ponovno povlači zrak iz zajedničkog usisa. Rezultat je znatno veći usisni protok pri umjerenom podtlaku, uz jednaku potrošnju pogonskog zraka. Višestupanjski ejektor bolji je za porozne i propusne izratke (karton, drvo, tkanina) i za veće volumene koje treba brzo evakuirati.

Svaki ejektor ima optimalni pogonski tlak, obično 4 do 6 bar, koji navodi proizvođač. Pri nižem tlaku podtlak je slabiji, a pri višem se podtlak više ne povećava, dok potrošnja zraka raste. Česta je greška napajanje ejektora punim mrežnim tlakom „za svaki slučaj". Ispravno je ispred ejektora imati vlastiti regulator namješten na optimalni tlak iz lista podataka.

Potrošnja zraka i ušteda

Ejektor je malen i jeftin, ali troši stlačeni zrak cijelo vrijeme dok drži izradak. Potrošnja se procjenjuje iz promjera mlaznice kao istjecanje kroz otvor u nadkritičnom području. Za mlaznicu promjera 0,9 mm pri pogonskom tlaku 5 bar i koeficijentu istjecanja 0,9 dobiva se približno 40 Nl/min. Usporedbe radi: cijela naprava SL-3 s tri cilindra potroši oko 17,6 Nl/min pri pet ciklusa u minuti. Jedan jedini ejektor koji bi neprekidno radio uz tu napravu trošio bi više od dvostruko zraka nego svi njezini cilindri zajedno.

Zato suvremeni kompaktni ejektori imaju funkciju uštede zraka: ugrađeni vakuum-senzor i nepovratni ventil na usisnoj strani. Kad podtlak dosegne gornju namještenu vrijednost, npr. −0,7 bar, elektromagnetski ventil prekida dovod pogonskog zraka, a nepovratni ventil zadržava podtlak u prihvatnici. Zbog neizbježnih malih propuštanja podtlak polako opada; kad padne na donju vrijednost, npr. −0,55 bar, ejektor se ponovno uključuje na djelić sekunde. Na nepropusnim izradcima ušteda iznosi velik dio potrošnje; stvarni postotak ovisi o nepropusnosti i mora se provjeriti mjerenjem.

Druga važna funkcija je impuls otpuštanja. Nakon isključenja pogonskog zraka u prihvatnici ostaje podtlak i lagani izradak može ostati „zalijepljen". Kratkim pretlačnim impulsom kroz usisni priključak podtlak se odmah razgrađuje i izradak se pouzdano otpušta na točno mjesto. Kod vakuum-pumpe istu ulogu ima razvodnik koji prihvatnicu prespaja s usisnog voda na atmosferu ili na stlačeni zrak.

Preporuka iz prakse: kad robot ili hvataljka rade s nekoliko prihvatnica i kratkim ciklusima, ejektor izravno na prihvatnici daje najkraće vrijeme odziva i najmanje vodova. Kad velik broj prihvatnica radi neprekidno, primjerice na stolu za stezanje ploča ili na liniji za pakiranje, vakuum-pumpa je energetski povoljnija.

Vakuumske prihvatnice

Prihvatnica je elastični element koji brtvi prema površini izratka i zatvara prostor u kojemu se stvara podtlak. Oblik i materijal biraju se prema izratku, a promjer prema potrebnoj sili. Ravna prihvatnica ima mali volumen, brzo se evakuira i dobro prenosi bočne sile; prikladna je za ravne i glatke površine poput lima i stakla. Ravne prihvatnice s rebrima ili potpornim čepićima na dnu sprječavaju da se tanki lim uvuče i deformira. Prihvatnica s mijehom (1,5 ili 2,5 nabora) prilagođava se neravnim i zakrivljenim površinama, izjednačava razliku visina i pri usisavanju malo podiže izradak, što pomaže pri odvajanju listova s hrpe. Veći volumen mijeha znači dulju evakuaciju i slabije vođenje pri bočnim silama. Ovalne prihvatnice služe za uske i duguljaste izratke.

Materijal određuje trajnost, prianjanje i tragove na izratku: NBR je otporan na ulje i dobar za nauljeni lim; silikon podnosi visoke temperature i primjenjuje se u prehrambenoj industriji; poliuretan je otporan na habanje i pogodan za oštre rubove; posebne mješavine ne ostavljaju tragove na vidljivim površinama. Za nauljeni lim s malim trenjem postoje prihvatnice s posebno oblikovanom površinom dna koja istiskuje ulje i povećava trenje.

Sila koju prihvatnica teorijski ostvaruje jednaka je umnošku razlike tlakova i površine:

F = Δp · A = Δp · π · D² / 4

Pri Δp = 0,6 bar = 0,06 N/mm² prihvatnica promjera 50 mm teorijski drži 118 N. Stvarna sila je manja jer se prihvatnica pod podtlakom spljošti i djelotvorni promjer se smanji, a na hrapavim površinama dio zraka propušta. Te nesigurnosti, uz dinamičke sile pri gibanju, pokriva faktor sigurnosti S. Za prihvatnicu u vodoravnom položaju (sila djeluje okomito na nju) uobičajeno je S ≥ 1,5, a za okomiti položaj (izradak drži samo trenje) S ≥ 2. Kad je riječ o prijenosu ljudi ili iznad radnih mjesta, primjenjuju se strože odredbe i dodatne mjere zaštite.

Postupak proračuna prihvatnica

Proračun se provodi za najnepovoljniji trenutak gibanja, a to je redovito ubrzavanje prema gore pri podizanju ili naglo kočenje pri bočnom gibanju. Postupak u pet koraka:

1. Masa izratka. Iz dimenzija i gustoće: čelična ploča 1000 × 750 × 2 mm ima volumen 1,5 dm³ i pri gustoći 7850 kg/m³ masu 11,8 kg. U primjeru se uzima zaokruženo 12 kg.
2. Slučaj opterećenja. Vodoravna prihvatnica i podizanje: F = m·(g + a)·S. Okomita prihvatnica: sila držanja prenosi se trenjem, pa je F = m·(g + a)·S / μ. Koeficijent trenja μ za suhi lim i gumu iznosi oko 0,5, za nauljeni lim može pasti na 0,1 do 0,2.
3. Ubrzanje. Uzima se najveće ubrzanje osi manipulatora ili robota, npr. 5 m/s². Pri naglom zaustavljanju u slučaju nužde ubrzanja mogu biti i veća.
4. Broj prihvatnica. Bira se prema obliku i krutosti izratka. Tanka velika ploča treba više točaka oslonca da se ne savija; četiri prihvatnice raspoređene simetrično uobičajeni su početak. Ukupna sila dijeli se na n prihvatnica.
5. Promjer. Iz F₁ = F/n i Δp dobiva se potrebna površina A = F₁/Δp i promjer D = √(4A/π). Odabire se prvi veći promjer iz niza proizvođača.

Za razinu podtlaka u proračunu ne uzima se najveća vrijednost koju izvor postiže, nego ona koja će se pouzdano održati na izratku, najčešće −0,6 bar. Ako je izradak propustan, podtlak se mjeri na probnom komadu.

Računski prikaz: promjer i broj prihvatnica

Prikaz računa potrebnu silu, silu po prihvatnici i najmanji promjer, zatim odabire promjer iz niza 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 80, 100, 125 i 150 mm i provjerava silu odabrane prihvatnice. Mijenjajte broj prihvatnica, podtlak i položaj te pratite kako se mijenja promjer.

Za zadane vrijednosti (m = 12 kg, a = 5 m/s², S = 2, Δp = 0,6 bar, četiri vodoravne prihvatnice) potrebna je ukupna sila 355 N, po prihvatnici 88,9 N. Najmanji promjer iznosi 43,4 mm, pa se odabire prihvatnica Ø50 mm koja teorijski drži 118 N, dakle s rezervom od oko 33 % iznad potrebnog. Ako se isti izradak prihvaća okomito uz μ = 0,5, ukupna sila se udvostruči na 711 N, a najmanji promjer naraste na 61,4 mm, što traži Ø80 mm; povoljnije je rješenje povećati broj prihvatnica na šest ili osam. Izrezak za napravu SL-3 dimenzija 300 × 200 × 2 mm mase 0,94 kg drže već dvije prihvatnice Ø20 do Ø25 mm; provjerite to prikazom.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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