Protočni ventili

Uloga protočnih ventila i načelo prigušivanja

Sila pneumatskog cilindra ovisi o tlaku i površini klipa, a brzina klipnjače o protoku: klip se giba onoliko brzo koliko brzo zrak može ući u jednu komoru i izaći iz druge. Kad bi otpora strujanju bilo zanemarivo malo, cilindar bi se ubrzavao dok ga ne zaustavi kraj hoda, što je za većinu zadataka prebrzo i preglasno. Protočni ventili ugrađuju u vod namjerno suženje, stvaraju pad tlaka i time ograničavaju protok. Obično su to podesive prigušnice: igla sa stožastim vrhom koja se navojem uvlači u provrt i smanjuje slobodan presjek.

Za razumijevanje su važne tri činjenice. Prvo, protok kroz suženje raste s razlikom tlakova ispred i iza njega, ali samo do određene granice. Kad apsolutni tlak iza suženja padne ispod otprilike polovice apsolutnog tlaka ispred njega, zrak u najužem presjeku postiže brzinu zvuka i protok se više ne povećava daljnjim snižavanjem tlaka iza — to je kritično (zagušeno) strujanje. Tada normni protok ovisi gotovo samo o presjeku i o apsolutnom tlaku ispred suženja. Drugo, stvarni obujam zraka koji prođe ovisi o tlaku: isti broj normnih litara zauzima u komori pod 3 bar pretlaka oko četiri puta manji obujam nego u atmosferi. Treće, zrak je stlačiv, pa se promjena opterećenja ne prenosi na klip kruto, nego preko „zračne opruge“ u objema komorama.

U pneumatici se ne razlikuje oštro prigušnica (dugačak uzak kanal) od zaslona ili blende (kratak otvor u tankoj stijenci), jer viskoznost zraka malo utječe na protok. U hidraulici je ta razlika važna i obrađuje se u jedinici 6.5. Ovdje je bitno da je suženje podesivo i da se nakon namještanja može osigurati protumaticom.

Prigušni i jednosmjerni prigušni ventil

Prigušni ventil prigušuje protok u oba smjera jednako. Simbol je vod s dva luka koji ga sužavaju; podesivost se označuje kosom strelicom preko simbola. Samostalno se koristi rjeđe — npr. za namještanje stalnog malog protoka kroz mlaznicu za ispuhivanje, u vremenskom članu ili za namještanje brzine pneumatskog motora u oba smjera vrtnje.

Jednosmjerni prigušni ventil (prigušno-nepovratni ventil) spaja prigušnicu i nepovratni ventil paralelno u jednom kućištu. U jednom smjeru nepovratni ventil je zatvoren i sav zrak mora proći kroz prigušnicu; u drugom se nepovratni ventil otvara i zrak struji gotovo bez otpora. Na simbolu su oba elementa uokvirena iscrtkanom crtom, što znači da čine jednu sastavnu jedinicu. Na kućištu je strelica ili simbol koji pokazuje smjer prigušenog protoka — pri ugradnji ga treba pročitati, jer obrnuto ugrađen ventil prigušuje dovod umjesto odvoda.

Jednosmjerni prigušni ventili izrađuju se kao ugradni ventili za cijevni vod, kao ventili za ploču, kao međuploče ispod razvodnika i — najčešće — kao kutni ventili s navojnim priključkom koji se uvrću izravno u priključak cilindra, a na drugom kraju imaju spojku za cijev. Ugradnja na samom cilindru je povoljna: između prigušnice i klipa ostaje najmanji mogući obujam zraka, pa je gibanje mirnije i manje ovisi o duljini cijevi.

Prigušenje dovoda i prigušenje odvoda

Brzinu klipnjače može se ograničiti na dva načina. Kod prigušenja dovoda nepovratni ventil propušta zrak koji izlazi iz cilindra, a prigušnica ograničava zrak koji ulazi. Kod prigušenja odvoda vrijedi obrnuto: zrak ulazi slobodno, a izlazi kroz prigušnicu. Oba rješenja smanjuju brzinu, ali se gibanje bitno razlikuje.

Pri prigušenju dovoda komora koja se prazni gotovo je bez tlaka, a komora koja se puni dobiva zrak polagano. Tlak u njoj raste dok sila ne nadvlada statičko trenje brtvi i opterećenje. U trenutku kada klip krene, trenje prijeđe u manje, dinamičko, klip poskoči, obujam komore se naglo poveća, tlak padne i klip stane. Tako nastaje trzajuće gibanje (engl. stick-slip), tim izraženije što je brzina manja. Kad se opterećenje promijeni smjer (vuče klipnjaču), prigušen dovod ništa ne koči, pa klip „pobjegne“.

Pri prigušenju odvoda obje su komore pod tlakom. Klip je stisnut između dva zračna jastuka: u komori koja se puni djeluje gotovo puni tlak mreže, a u komori koja se prazni održava se protutlak koji ovisi o opterećenju. Taj protutlak djeluje kao opruga i prigušivač istodobno, pa je gibanje mirnije, trzanje manje, a vučni teret ne može ubrzati klip jer bi se protutlak odmah povećao. Zato je kod dvoradnog cilindra pravilo prigušivati odvod, i to u oba smjera: po jedan jednosmjerni prigušni ventil na svaki priključak cilindra, oba okrenuta tako da slobodno propuštaju prema cilindru.

Jednoradni cilindar ima samo jednu radnu komoru, pa se radni hod može prigušiti samo na dovodu. Povratni hod (opruga istiskuje zrak) prigušuje se na odvodu istog voda, tj. drugim jednosmjernim prigušnim ventilom okrenutim suprotno, ili kombiniranim ventilom s dvije prigušnice. Mali jednoradni cilindri s kratkim hodom i malim obujmom komore trpe prigušenje dovoda bez većih problema; kod većih je gibanje sporo i neravnomjerno.

Prigušni ispušni ventil

Kod razvodnika 5/2 i 5/3 zrak iz jedne komore cilindra izlazi kroz odzračni priključak 3, a iz druge kroz priključak 5. Ako se u te priključke umjesto običnih prigušivača buke uvrnu prigušni ispušni ventili — prigušivači s podesivom prigušnicom — ostvaruje se prigušenje odvoda za oba smjera gibanja bez ijednog ventila u vodovima prema cilindru. Svaki od dvaju ventila namješta brzinu jednog smjera. Rješenje je jeftino, pregledno i ne traži nepovratne ventile, jer kroz odzračni priključak zrak struji samo u jednom smjeru.

Ograničenja su dvojaka. Prvo, između prigušnice i klipa sada je cijeli vod od razvodnika do cilindra; što je vod dulji, veći je obujam zraka koji se stlačuje i rasterećuje, pa je gibanje mekše i manje ponovljivo nego s ventilima na cilindru. Drugo, ako više cilindara dijeli zajedničku ploču razvodnika sa zajedničkim odzrakom, prigušni ispušni ventil na zajedničkom odzraku djeluje na sve njih odjednom. Prigušni ispušni ventil ne smije se koristiti kod razvodnika kojemu je odzrak zajednički za oba izlaza ili koji po izvedbi ne podnosi protutlak na odzračnim priključcima (vidi upute proizvođača).

Ovisnost brzine o opterećenju

Pri jednolikom gibanju uz prigušen odvod na klip djeluju tlak p₁ u komori koja se puni, protutlak p₂ u komori koja se prazni i vanjsko opterećenje F (trenje zanemarimo). Iz ravnoteže sila slijedi:

p₁ · A₁ = p₂ · A₂ + F   ⇒   p₂ = (p₁ · A₁ − F) / A₂

Za cilindar B naprave SL-3 pri izvlačenju je A₁ = 1 963,5 mm², A₂ = 1 649,3 mm² i p₁ ≈ 6 bar. Bez opterećenja protutlak u prstenastoj komori iznosi oko 7,1 bar — više od tlaka mreže, jer je prstenasta površina manja od klipne. Uz opterećenje od 600 N protutlak pada na oko 3,5 bar, uz 900 N na oko 1,7 bar, a uz 1 100 N na samo 0,5 bar. Kad opterećenje dosegne silu cilindra (teorijski 1 178 N), protutlak nestaje i klip staje.

Dok je protutlak dovoljno visok da je strujanje kroz prigušnicu kritično (apsolutni protutlak barem otprilike dvostruko veći od atmosferskog), normni protok kroz prigušnicu raste razmjerno apsolutnom protutlaku, a stvarni obujam zraka koji izlazi iz komore ostaje gotovo isti. Brzina je u tom području razmjerno malo ovisna o opterećenju — to je druga velika prednost prigušenja odvoda. Kad opterećenje toliko naraste da protutlak padne ispod približno 1 bar pretlaka, strujanje prestaje biti kritično, protok opada, a brzina počinje jako ovisiti o teretu. U tom se području uz to jače očituje trenje, pa gibanje postaje neravnomjerno.

Iz toga slijede praktične granice. Jednolike brzine ispod približno 10–20 mm/s s pneumatskim cilindrom teško se postižu i uz dobro prigušenje odvoda (orijentacijska vrijednost; ovisi o brtvama, podmazivanju i teretu). Za sporo i jednoliko gibanje uz promjenljiv teret koristi se hidraulička kočnica (hidropneumatska jedinica za reguliranje brzine), cilindar s ugrađenim uljnim prigušenjem ili elektromehanički pogon. Za različite brzine u jednom hodu (brzi prilaz, sporo savijanje) koristi se razvodnik koji prebacuje odvod s obilaznog voda na prigušnicu.

Protočne ventile ne treba miješati s prigušenjem u krajnjem položaju koje je ugrađeno u sam cilindar. Ono koči klip samo na posljednjih desetak ili dvadesetak milimetara hoda, kad čep na klipu zatvori glavni izlaz i zrak mora izlaziti kroz mali podesivi kanal. Prigušni ventili određuju brzinu tijekom hoda, prigušenje u krajnjem položaju štiti cilindar i napravu od udara na kraju.

Ugradnja i namještanje na napravi SL-3

Na cilindar B (savijanje) uvrću se dva kutna jednosmjerna prigušna ventila, oba s nepovratnim ventilom okrenutim tako da propušta prema cilindru. Za cilindre A i C postupa se jednako. Namještanje ide ovim redom:

1. Prije uključivanja zraka obje prigušnice zatvorite do kraja, a zatim ih otvorite za oko jedan okret. Tako prvi hod neće biti ni prebrz ni potpuno blokiran.
2. Uključite napajanje i pokrenite pojedinačni hod u ručnom načinu rada. Prigušnicom na prstenastoj strani namještate brzinu izvlačenja, a prigušnicom na klipnoj strani brzinu uvlačenja — svaka prigušnica djeluje na smjer u kojem njezina komora ispušta zrak.
3. Namještajte u malim koracima, četvrtinu okreta, uz mjerenje vremena hoda. Kod SL-3 cilja se vrijeme savijanja od oko 1 s na hodu od 100 mm.
4. Kad je brzina postignuta, osigurajte vijke protumaticama i zabilježite broj okreta od zatvorenog položaja u dokumentaciji stroja.
5. Na kraju provjerite udar u krajnjem položaju i po potrebi namjestite prigušenje u krajnjem položaju na samom cilindru.

Brzina se namješta pri radnom tlaku i sa stvarnim teretom. Ako se kasnije promijeni tlak mreže, promijenit će se i sila i protok kroz prigušnicu, pa i brzina; zato je nakon promjene tlaka potrebno ponoviti mjerenje vremena hoda.

Računski prikaz: brzina klipnjače i vrijeme hoda

Prikaz polazi od cilindra B (Ø50/20 mm). Odaberite smjer gibanja, upišite normni protok koji prigušnica propušta i tlak u komori koja se prazni. Stvarni protok zraka pri tom tlaku je Q = Qₙ · pₐ / (p + pₐ), brzina v = Q / A, gdje je A površina komore koja se prazni (prstenasta pri izvlačenju, klipna pri uvlačenju), a vrijeme hoda t = s / v. Ubrzanje i usporenje na krajevima hoda se zanemaruju.

Za zadane vrijednosti (izvlačenje, 40 Nl/min, protutlak 3 bar) stvarni protok iz prstenaste komore iznosi oko 10,1 l/min, brzina oko 102 mm/s, a hod od 100 mm traje oko 0,98 s — upravo ciljano vrijeme savijanja. Protutlak od 3 bar odgovara, prema ravnoteži sila, opterećenju od oko 680 N. Isti normni protok pri uvlačenju daje manju brzinu (oko 86 mm/s), jer se prazni veća, klipna komora. Za hod od točno 1 s pri izvlačenju prigušnica bi trebala propuštati oko 39 Nl/min.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V4 Upravljanje brzinom klipnjače cilindra · 2 sata