VJEŽBA V1 · MODUL 2 · PNEUMATSKE KOMPONENTE
Vježba V1 · 1 sat
Proračun pneumatskog sustava
Računska vježba u kojoj se za zadanu silu odabire promjer cilindra iz niza standardnih promjera, provjerava rezerva sile i najmanji dopušteni tlak te procjenjuje potrošnja zraka. Na kraju se prema potrebnom protoku odabire veličina razvodnika.
- izračunati potrebnu površinu klipa i odabrati promjer cilindra iz niza standardnih promjera
- provjeriti silu izvlačenja i uvlačenja odabranog cilindra uz stupanj djelovanja
- odrediti najmanji radni tlak pri kojem cilindar još daje zadanu silu
- izračunati potrošnju stlačenog zraka po ciklusu i u minuti
- odabrati veličinu razvodnika prema potrebnom protoku pri zadanoj brzini klipa
O vježbi
Prije vježbe proći gradivo: 2.2 Dvoradni i specijalni cilindri, 1.8 Razvodna mreža i strujanje zraka.
Pitanja i zadaci na ovoj stranici su bez odgovora. Rješenje s postupkom otvara se gumbom Prikaži rješenje ispod svakog pitanja, a upute za nastavnika nalaze se na dnu stranice.
Zadatak
Na montažnoj liniji malih elektromotora gradi se stanica za utiskivanje čahura. Kućište motora ulaže se ručno u napravu, a cilindar 1A1 utiskuje brončanu kliznu čahuru u provrt kućišta. Nakon povrata klipnjače cilindar 2A1 izbacuje gotov sklop na odlagalište. Prema probnom utiskivanju na hidrauličkoj preši, za utiskivanje čahure s propisanim preklopom treba 1500 N, a za izbacivanje sklopa 120 N.
Stanica se priključuje na pogonsku mrežu u kojoj pripremna grupa drži 6 bar pretlaka. Za cilindar 1A1 uzmite stupanj djelovanja η = 0,88, a za manji cilindar 2A1 η = 0,85 (kod malih promjera trenje brtvi ima relativno veći udio). Hod cilindra 1A1 je 60 mm, hod cilindra 2A1 40 mm. Stanica radi 10 ciklusa u minuti, a u svakom ciklusu svaki cilindar jednom izvlači i uvlači. Klipnjača 1A1 treba se izvlačiti brzinom oko 0,2 m/s.
Na raspolaganju su cilindri iz niza standardnih promjera 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80 i 100 mm. Uz promjer klipa 20 mm ide klipnjača 8 mm, uz 63 mm klipnjača 20 mm, a uz 80 mm klipnjača 25 mm. Za razvodnike 5/2 uzmimo da su u ponudi tri veličine s nazivnim protokom (pri 6 bar i padu tlaka 1 bar) od 180, 400 i 800 Nl/min. Vaš je zadatak izračunati i obrazložiti izbor obaju cilindara i razvodnika za 1A1, te procijeniti potrošnju zraka cijele stanice.
Za preračun potrošnje zraka na normalno stanje koristite omjer apsolutnih tlakova (6 + 1,013) / 1,013 = 6,923. Tlak u svim zadacima je pretlak ako nije drugačije rečeno.
Oprema i pribor
- džepno računalo ili proračunska tablica na računalu;
- tablica niza standardnih promjera cilindara i pripadnih promjera klipnjača (iz kataloga proizvođača po izboru);
- list s podacima o razvodnicima: nazivni protok, veličina priključka, najmanji upravljački tlak;
- simulacijski program za pneumatiku po izboru — za provjeru sheme i sile na kraju vježbe (nije obavezan);
- radni list za upis rezultata i skica sheme sa slike V1.1.
Sigurnost pri radu
Pažnja
Ovo je računska vježba, ali njezini rezultati kasnije određuju stvarnu napravu. Cilindar koji daje 1,6 kN može zgnječiti prst. Uz izbor promjera zato uvijek razmislite i o zaštiti: dvoručno uključivanje ili zaštitni poklopac, ograničenje brzine i mogućnost ispuštanja tlaka iz sustava. Sila se računa s najnižim tlakom koji se u mreži stvarno može pojaviti, a ne s tlakom kompresora pri isklopu.
Shema
Slika V1.1 prikazuje načelnu shemu stanice. Izvor stlačenog zraka 0Z napaja pripremnu grupu 0Z1, a iz nje se napajaju ručni razvodnici 5/2 s oprugom 1V1 i 2V1. U mirovanju je priključak 1 spojen s priključkom 2, pa su obje klipnjače uvučene; pritiskom na tipkalo razvodnik spaja 1 s 4 i klipnjača izlazi.
Postupak
- Iz zadane sile i stupnja djelovanja izračunajte potrebnu površinu klipa 1A1: A = F / (p · η). Tlak uvrstite u N/mm² (6 bar = 0,6 N/mm²).
- Iz površine izračunajte promjer, D = √(4A/π), i odaberite prvi veći promjer iz niza. Za odabrani promjer izračunajte stvarnu silu izvlačenja i uvlačenja te postotnu rezervu sile.
- Izračunajte najmanji tlak pri kojem odabrani cilindar još daje 1500 N. Usporedite ga s tlakom u mreži i zapišite zaključak.
- Ponovite korake 1 i 2 za izbacivač 2A1.
- Izračunajte potrošnju zraka po ciklusu za svaki cilindar: V = (A + Apr) · s · 6,923, gdje je Apr prstenasta površina. Zbrojite i preračunajte na minutu; dodajte 20 % za vodove, mrtve prostore i propuštanja.
- Iz brzine izvlačenja izračunajte trenutačni protok zraka za 1A1 u Nl/min i odaberite razvodnik iz ponude uz rezervu od najmanje 25 %.
- Rezultate upišite u tablicu radnog lista. Ako je dostupan simulacijski program, složite shemu sa slike V1.1 i provjerite silu na klipnjači pri 6 bar i pri 5 bar.
Pitanja i zadaci
1. Izračunajte potrebnu površinu klipa cilindra 1A1 i odaberite promjer iz niza standardnih promjera.
Prikaži rješenje
A = F / (p · η) = 1500 N / (0,6 N/mm² · 0,88) = 2841 mm².
D = √(4 · 2841 / π) = 60,1 mm. Prvi veći promjer u nizu je 63 mm. Promjer 50 mm ne dolazi u obzir jer bi dao samo 1037 N.
2. Kolika je stvarna sila izvlačenja i uvlačenja cilindra Ø63/20 pri 6 bar i η = 0,88? Kolika je rezerva sile pri utiskivanju?
Prikaži rješenje
A = π · 63² / 4 = 3117 mm²; Fizv = 0,6 · 3117 · 0,88 = 1646 N.
Apr = 3117 − π · 20² / 4 = 3117 − 314 = 2803 mm²; Fuvl = 0,6 · 2803 · 0,88 = 1480 N.
Rezerva: 1646 / 1500 = 1,097, dakle oko 10 %. To je dovoljno za rasipanje preklopa čahura, ali ne i za veći pad tlaka u mreži (vidi zadatak 3).
3. Koji je najmanji tlak pri kojem cilindar Ø63 još daje 1500 N? Što iz toga zaključujete o namještanju regulatora i o mreži?
Prikaži rješenje
pmin = F / (A · η) = 1500 / (3117 · 0,88) = 0,547 N/mm² = 5,47 bar.
Tlak na ulazu u stanicu ne smije pasti ispod približno 5,5 bar ni u trenutku kada više potrošača u pogonu radi istodobno. Regulator se namješta na 6 bar i ne smije se spuštati; ako mjerenja pokažu padove ispod 5,5 bar, rješenje je lokalni spremnik uz stanicu ili veći cilindar (Ø80), a ne podizanje tlaka iznad dopuštenog.
4. Odaberite promjer izbacivača 2A1 za silu 120 N uz η = 0,85. Zašto promjer 16 mm nije dovoljan iako je blizu izračunatoj vrijednosti?
Prikaži rješenje
A = 120 / (0,6 · 0,85) = 235 mm²; D = √(4 · 235 / π) = 17,3 mm.
Ø16 ima površinu 201 mm² i daje samo 0,6 · 201 · 0,85 = 103 N, što je manje od 120 N. Uvijek se bira prvi veći promjer, dakle Ø20 (314 mm², 160 N). Zaokruživanje na bliži promjer je česta i skupa pogreška.
5. Izračunajte potrošnju zraka stanice po ciklusu i u minuti (10 ciklusa/min), bez gubitaka i s dodatkom od 20 %. Koliki je to udio isporuke kompresora od 800 Nl/min?
Prikaži rješenje
1A1: (3117 + 2803) mm² · 60 mm = 355 220 mm³ = 0,355 l; · 6,923 = 2,46 Nl.
2A1: A = 314 mm², Apr = 314 − 50 = 264 mm²; (314 + 264) · 40 = 23 120 mm³; · 6,923 = 0,16 Nl.
Ukupno 2,62 Nl po ciklusu, odnosno 26,2 Nl/min; s dodatkom 20 % 31,4 Nl/min. To je oko 4 % isporuke kompresora od 800 Nl/min — stanica sama po sebi ne opterećuje kompresor, ali se njezina potrošnja zbraja s ostalim potrošačima.
6. Koliki trenutačni protok zraka treba cilindru 1A1 pri izvlačenju brzinom 0,2 m/s? Koji razvodnik iz ponude odabirete?
Prikaži rješenje
Q = A · v = 3117 mm² · 200 mm/s = 623 450 mm³/s = 0,623 l/s = 37,4 l/min pri radnom tlaku; preračunato na normalno stanje: 37,4 · 6,923 = 259 Nl/min.
Uz rezervu 25 %: 259 · 1,25 = 324 Nl/min. Razvodnik od 180 Nl/min je premalen (klip bi bio znatno sporiji), a razvodnik od 400 Nl/min zadovoljava. Razvodnik od 800 Nl/min bio bi preskup i većih priključaka bez stvarne koristi. Napomena: ovo je gruba preporuka; točniji izbor uzima u obzir i otpor vodova te prigušnih ventila.
7. Brzinu izvlačenja 1A1 treba ograničiti na 0,2 m/s. Dopunite shemu sa slike V1.1 prigušno-nepovratnim ventilom 1V2 tako da se prigušuje odlazni zrak.
Prikaži rješenje
Ventil 1V2 ugrađuje se u vod između priključka 2 razvodnika i prstenaste komore cilindra (strana klipnjače). Nepovratni ventil propušta zrak prema cilindru, a odlazni zrak iz prstenaste komore pri izvlačenju prolazi kroz prigušnicu. Klip se tako giba između dva zračna jastuka i hod je miran i pri promjenjivom otporu utiskivanja.
8. Kolega predlaže da se za 1A1 „za svaki slučaj" ugradi Ø80. Procijenite posljedice za potrošnju zraka i opremu.
Prikaži rješenje
Ø80/25: potrošnja po ciklusu (5027 + 4536) · 60 · 6,923 / 10⁶ = 3,97 Nl, što je oko 1,6 puta više nego za Ø63. Za istu brzinu trebao bi razvodnik od 800 Nl/min i veći vodovi, a sila od 2654 N gotovo je dvostruko veća od potrebne, pa i opasnija. Činjenica je da Ø80 radi i pri 3,4 bar; procjena je da je to opravdano samo ako mjerenja pokažu stalne padove tlaka u mreži — inače je bolji izbor Ø63 uz lokalni spremnik.
Za nastavnika
Otvori upute za nastavnika
Priprema
Vježba traje 1 sat (45 min) i nadovezuje se na jedinice o dvoradnim cilindrima i o razvodnoj mreži. Pripremite radni list s tablicom za rezultate (promjer, površine, sile, potrošnja, protok, odabrani razvodnik) i ispis niza standardnih promjera s klipnjačama. Ako polaznici rade u simulacijskom programu, unaprijed složite shemu sa slike V1.1 kako bi provjera trajala nekoliko minuta, a ne pola sata.
Tijek sata
- Uvod i ponavljanje formula F = p · A · η i V = A · s · (p + pa) / pa — 5 min.
- Samostalni proračun zadataka 1–4 (sile i promjeri) — 15 min.
- Zadaci 5 i 6 (potrošnja i protok, izbor razvodnika) — 12 min.
- Zadatak 7 (dopuna sheme) i provjera u simulaciji — 8 min.
- Rasprava o zadatku 8 i zaključak — 5 min.
Očekivani rezultati
1A1: A = 2841 mm², D = 60,1 mm → Ø63/20; Fizv = 1646 N, Fuvl = 1480 N, pmin = 5,47 bar. 2A1: D = 17,3 mm → Ø20/8, 160 N. Potrošnja 2,62 Nl/ciklus, 26,2 Nl/min, s gubicima 31,4 Nl/min. Protok pri izvlačenju 259 Nl/min → razvodnik 400 Nl/min. Prigušno-nepovratni ventil na strani klipnjače, slobodan protok prema cilindru.
Česte pogreške
- Tlak se uvrštava u barima umjesto u N/mm² pa je sila deset puta prevelika ili premala.
- Promjer se zaokružuje na bliži umjesto na prvi veći (Ø16 umjesto Ø20).
- Kod potrošnje zaboravlja se prstenasta komora ili se ne preračunava na normalno stanje.
- Potrošnja po ciklusu miješa se s trenutačnim protokom pri izboru razvodnika — razvodnik se bira prema vršnom protoku, a ne prema prosjeku u minuti.
- Prigušno-nepovratni ventil crta se s nepovratnim ventilom okrenutim tako da prigušuje dovod umjesto odvoda.
Vrednovanje
| Kriterij | Bodovi |
|---|---|
| Ispravna površina, promjer i izbor iz niza za 1A1 i 2A1 | 4 |
| Sile izvlačenja i uvlačenja, rezerva sile i najmanji tlak | 4 |
| Potrošnja zraka po ciklusu i u minuti, s gubicima | 4 |
| Protok i obrazložen izbor razvodnika | 3 |
| Ispravno dopunjena shema (smjer nepovratnog ventila, oznaka 1V2) | 3 |
| Jedinice, zaokruživanje i pregledan zapis postupka | 2 |
| Ukupno | 20 |