Pneumatski motori

Uloga pneumatskog motora

Cilindar daje pravocrtno gibanje ograničenog hoda. Kad je potrebno neprekidno kružno gibanje, upotrebljava se pneumatski motor. U njemu stlačeni zrak djeluje na lamele, klipove, zupce ili lopatice, stvara moment na vratilu i nakon ekspanzije izlazi u okolinu. Za razliku od okretnog cilindra, koji zakreće vratilo za ograničen kut, motor se može vrtjeti neograničeno dugo u jednom ili u oba smjera.

Pneumatski motori najpoznatiji su iz ručnih alata: bušilica, brusilica, odvijača i udarnih odvijača u autoservisima i montaži. U industriji pogone mješalice, vitla, dizalice, pumpe za pretakanje, transportne uređaje i pomoćne pogone strojeva. Posebno su važni u prostorima u kojima električni motor zahtijeva skupu zaštitu: u eksplozijski ugroženim zonama, u vlažnim i prašnim pogonima i ondje gdje se uređaj pere vodom.

Motor se na shemi priključuje kao i svako drugo pneumatsko trošilo: preko pripremne grupe, razvodnika i, po potrebi, prigušnog ventila i regulatora tlaka. Ispušni zrak odvodi se kroz prigušivač buke ili se vodom odvodi dalje od radnog mjesta.

Lamelasti (krilni) motor

Lamelasti motor najčešća je izvedba pneumatskog motora. U cilindričnom kućištu (statoru) nalazi se rotor koji je smješten ekscentrično, tako da gotovo dodiruje stijenku s jedne strane. Rotor ima uzdužne utore u kojima klize ravne lamele (krilca), najčešće od tri do deset. Centrifugalna sila, a pri polasku i opruge ili zrak doveden ispod lamela, pritišću lamele uz stijenku kućišta. Lamele tako dijele prostor između rotora i statora na zatvorene komore.

Zrak ulazi u komoru na strani gdje je njezin volumen malen. Zbog ekscentričnosti se komora okretanjem rotora povećava, pa tlak na većoj površini lamele stvara moment. Kad komora prijeđe najveći volumen, otvara se prema izlazu i zrak se ispušta. Smjer vrtnje određuje priključak kroz koji zrak ulazi: motor s dva priključka okreće se na jednu stranu kad zrak ulazi kroz jedan, a na drugu kad ulazi kroz drugi priključak.

Lamelasti motori su malih dimenzija i mase, jednostavni i jeftini. Brzina praznog hoda im je velika, od nekoliko tisuća do više od 20 000 min⁻¹, pa se za veći moment i manju brzinu najčešće izrađuju zajedno s planetarnim reduktorom. Nedostaci su trošenje lamela, osjetljivost na nečist i nepodmazan zrak te nešto slabiji polazni moment, jer položaj lamela pri polasku nije uvijek povoljan.

Simbol pneumatskog motora je krug s trokutom na mjestu priključka. Za motor trokut ima vrh okrenut prema sredini kruga, jer energija ulazi u element; kod kompresora je vrh okrenut prema van. Trokut je prazan jer je medij zrak (u hidraulici je pun). Motor s dva smjera vrtnje ima dva trokuta, a zakrivljena strelica uz vratilo pokazuje smjer.

Klipni, zupčasti i turbinski motori

Klipni motori imaju četiri do šest cilindara. U radijalnoj izvedbi cilindri su raspoređeni zvjezdasto oko koljenastog vratila, a u aksijalnoj usporedno s osi vratila, pa klipovi djeluju na kosu ploču ili zakošeni disk. Razvodni uređaj vezan uz vratilo dovodi zrak redom u cilindre. Klipni motori rade pri manjim brzinama, najčešće do nekoliko tisuća okretaja u minuti, imaju velik i ujednačen polazni moment, miran rad i dobru regulaciju pri malim brzinama. Koriste se za vitla, dizalice, velike mješalice i pogone koji polaze pod punim opterećenjem.

Zupčasti motori imaju dva zupčanika u zahvatu u tijesnom kućištu. Zrak djeluje na zupce koji se razmiču i okreće zupčanike. Građeni su za velike snage i robustan rad, npr. za vitla i pogone u rudnicima, ali troše mnogo zraka i ne mogu se precizno regulirati pri malim brzinama.

Turbinski motori pretvaraju kinetičku energiju mlaza zraka na lopaticama turbinskog kola. Daju vrlo velike brzine, i više od 100 000 min⁻¹, uz malen moment. Primjeri su brusilice za fino brušenje i poliranje te stomatološke bušilice. Kod njih se zrak gotovo ne zauljuje, a rotor ne dodiruje kućište.

Karakteristike: moment, brzina, snaga, potrošnja

Pri stalnom tlaku na ulazu ponašanje motora opisuje karakteristika na slici 2.7. Kad motor miruje i opterećenje ga drži, daje najveći moment, polazni moment M₀. Kako se opterećenje smanjuje, motor ubrzava, a moment približno linearno pada do nule pri brzini praznog hoda n₀, kad motor ne daje nikakav koristan rad.

Snaga je umnožak momenta i kutne brzine:

P = M · ω = M · 2π · n / 60     M = 9 550 · P / n   (P u kW, n u min⁻¹, M u N·m)

Ako moment linearno pada s brzinom, snaga je parabola koja je najveća pri približno polovici brzine praznog hoda. Tada je moment približno polovica polaznog. Kataloška nazivna snaga i nazivna brzina motora odnose se upravo na tu točku. Potrošnja zraka raste s brzinom i najveća je u praznom hodu, kad motor ne radi ništa korisno: motor koji se vrti bez tereta rasipa zrak.

Iz karakteristike slijede tri važna svojstva:

• Samoprilagodba opterećenju. Kad opterećenje raste, brzina pada, a moment raste. Motor se može opteretiti do zastoja i ostati u zastoju bez oštećenja i bez pregrijavanja; električni motor u zastoju pregrijava se i mora ga isključiti zaštita.
• Ovisnost o tlaku. Moment i snaga približno rastu s tlakom na ulazu. Pad tlaka u mreži, pregust pročistač ili pretanko crijevo izravno smanjuju snagu alata.
• Brzina ovisi o opterećenju. Bez povratne veze motor ne drži stalnu brzinu kad se opterećenje mijenja. Za točnu brzinu i položaj bolji je električni servopogon.

Promjena smjera i regulacija

Smjer vrtnje mijenja se zamjenom ulaza i izlaza zraka. Za motor koji se vrti samo u jednom smjeru dovoljan je razvodnik 3/2 ili 2/2. Za motor s dva smjera koristi se razvodnik 5/3 (ili 4/3): u jednom krajnjem položaju zrak ulazi kroz jedan priključak motora, u drugom kroz drugi, a srednji položaj zaustavlja motor. Ako srednji položaj ispušta oba priključka, motor se pri zaustavljanju slobodno izvrti; ako ih zatvara, zarobljeni zrak brže koči motor.

Brzina se regulira prigušivanjem protoka. Prigušni ventil na izlazu motora daje mirniju karakteristiku jer motor radi uz protutlak, a prigušivanje na ulazu smanjuje i brzinu i moment. Moment se ograničava regulatorom tlaka ispred motora: kod odvijača i vijčanih alata time se namješta moment pritezanja, a kod mješalica i vitala sprječava preopterećenje prijenosa.

Pri ekspanziji se zrak hladi. Kod velike potrošnje i vlažnog zraka ispust se može zalediti, pa je suh zrak iz dobro održavane pripremne grupe jednako važan kao i tlak. Motori s lamelama od materijala koji trebaju podmazivanje traže zauljeni zrak; bezuljni motori imaju lamele od samopodmazujućih materijala i prikladni su za prehrambenu industriju.

Primjena i usporedba s električnim motorom

Pneumatski i električni motor rješavaju isti zadatak, ali uz vrlo različita svojstva. Izbor ovisi o okolini, o načinu rada i o cijeni energije.

Pneumatski motor gotovo uvijek pobjeđuje kad je okolina teška ili opasna, kad je važna mala masa alata ili kad se motor često zaustavlja pod opterećenjem. Električni motor pobjeđuje kad motor radi dugo i neprekidno, kad je važna točna brzina i kad se gleda cijena energije. Razlog je u lancu pretvorbe: struja se u kompresoru pretvara u stlačeni zrak, veći dio te energije odlazi u toplinu pri kompresiji, dio se gubi propuštanjem i padom tlaka u mreži, a sam motor ne iskorištava svu energiju ekspanzije.

Kako bi se to vidjelo na brojevima, u sljedećem odjeljku isti zadatak računamo za pogon mješalice u pogonu u kojem radi naprava SL-3.

Računski prikaz: moment i trošak rada pneumatskog motora

Uzmimo lamelasti motor koji pri 6 bar u radnoj točki daje snagu 0,4 kW pri 6 000 min⁻¹ i troši 420 Nl/min. Kompresor pogona je onaj iz naprave SL-3: 5,5 kW za isporuku 0,8 m³/min, što je 6,875 kW električne snage za svaki kubni metar u minuti. Uzmimo cijenu električne energije 0,15 €/kWh i 2 000 sati rada godišnje.

Moment u radnoj točki je 9 550 × 0,4 / 6 000 ≈ 0,64 N·m; polazni moment je približno dvostruk, oko 1,3 N·m. S reduktorom omjera 10 i stupnja djelovanja 0,9 na vratilu mješalice bilo bi oko 5,7 N·m pri 600 min⁻¹.

Za 420 Nl/min kompresor troši 420 / 800 × 5,5 ≈ 2,89 kW električne snage. Od toga na vratilu motora ostaje 0,4 kW, pa je ukupni stupanj djelovanja oko 14 %. Sat rada stoji oko 0,43 €, a godina od 2 000 sati oko 866 €. Električni motor iste snage sa stupnjem djelovanja 0,85 potrošio bi oko 141 € godišnje, dakle približno šest puta manje. Uz to, motor bi uzimao 52 % isporuke kompresora, dok cijela naprava SL-3 treba samo 17,6 Nl/min. Za neprekidan rad mješalice u suhom pogonu električni motor je bolji izbor; pneumatski motor ima smisla ako je mješalica u eksplozijski ugroženoj zoni ili radi kratko i povremeno.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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