Lekcija 9Pneumatski aktuatori

Doc.dr.sc. Jasmin VelagićElektrotehnički fakultet SarajevoKolegij: Aktuatori

Koriste komprimirani zrak kao radni medij.Pretvara energiju komprimiranog zraka u kretanje. Kretanje može biti linijsko ili rotacijsko, ovisno o primijenjenom aktuatoru.Komprimirani zrak je široko rasprostranjen i za okolinu nije štetan.Lagana instalacija cjevovoda i održavanje.Ne može doći do eksplozije i uništenja konstrukcije.Glavni nedostatak pneumatskih sistema je stlačivost zraka, koja dovodi do niske gustoće energije i slabih upravljačkih svojstava (obično on/off upravljanje).Pneumatski sistemi su prikladni za male i srednje terete (opterećenja) (30N-20KN) na temperaturama -40 to 200 C°.

9.1. Osnove pneumatskih aktuatora2/48

Dijelovi pneumatskog aktuatora

1 ležište brtve klipa2 magnet3 rukav klipa4 oklop cilindra5 vodilica klipa6 brtva kliznog dijela klipa7 omotač prednjeg dijela8 prednji port9 rid prekidač10 klipnjača (osovina klipa)11 habajući prsten12 brtva klipa13 omotač zadnjeg dijela14 ležište navoja brtve klipa

3/48

Podjela pneumatskih aktuatora

Pneumatski

aktuatori

Pneumatski

motori

Regulacijski ventili

i zasuni

4/48

Jednosmjerno djelovanje aktuatora

Stanje mirovanja.Nema djelovanja pritiska.Klip je uvučen.

Pritisak zraka djeluje.Klip se izvlači iz cilindra.Opruga se zbija.

Pritisak zraka popušta.Klip se uvlači zbog djelovanja sile opruge i vraća se u stanje mirovanja.

5/48

Jednosmjerno djelovanje aktuatora

Stanje mirovanja. Nema pritiska.Klip je izvučen.

Pritisak zraka djeluje.Klip se uvlači u cilindar.Opruga se zbija.

Pritisak zraka popušta. Klip se izvlači zbog sile opruge i vraća se u stanje mirovanja.

6/48

Dvosmjerno djelovanje aktuatora

A B

Klip je u stanju mirovanja kada niti na jedan port ne djeluje pritisak zraka.

Kada na ulaz (port) A djeluje pritisak zraka klip se izvlači van i B ispušta zrak van.

Kada na ulaz B djeluje pritisak zraka klip se uvlači u cilindar i A ispušta zrak van. Na ovaj način se klip vraća u originalno stanje.

7/48

Statičke karakteristike pneumatskih aktuatora (izvršnih članova) ovise o statičkim karakteristikama samog objekta upravljanja (procesa).Ako je statička karakteristika objekta linearna, onda da bi sistem dobro radio, mora i statička karakteristika pneumatskog aktuatora biti linearna.

9.1.1 Statičke karakteristike pneumatskih aktuatora

Statička karakteristika procesa Statička karakteristika aktuatora

8/48

Za nelinearnu statičku karakteristiku procesa, statička karakteristika aktuatora također mora biti nelinearna.Pneumatski aktuatori mogu imati pokretni član –ventil, koji se pokreće pneumatskim motorima.Što se tiče dinamičkih karakteristika pneumatskih aktuatora one se razlikuju s obzirom na to da li se radi o analognim ili diskretnim izvršnim članovima.Na slijedeća dva slajda su prikazane dinamičke karakteristike diskretnih i analognih pneumatskih izvršnih članova (aktuatora).

Statičke karakteristike pneumatskih aktuatora9/48

9.1.2. Dinamičke karakteristike pneumatskih aktuatoraDiskretni izvršni članovi

t

u

u1u0

t

up

up1

up0

Tp

T1

I ponašanje

úpm

t

u

u1u0

t

up

up1up0

Tp

T1, T2

P ponašanje

10/48

Dinamičke karakteristike pneumatskih aktuatoraAnalogni članovi

t

u

1

t

up

Ki

Tp

T1

I ponašanje

úpm

t

u

u1u0

t

up

up1

up0 T1, T2

P ponašanje

Tp – postavno vrijeme za ukupni pomak Tp ≥ 2 supm – ograničena brzina,T1 , T2 – vremenske konstante.

11/48

Sile koje djeluju na motorFu – sila ulaznog tlakaFm – sila maseFk – sila peraFt – sila trenjaFv – sila na tijelo ventilaFg – sila teže (ovdje je 0).S – površina klipaC – kapacitet cilindraR – parametar ventila (otpor)

9.2. Pneumatski motor

puR

C

p S

x

Pneumatski motor s klipom (ventil+cilindar)

12/48

Iz uvjeta ravnoteže silaModel pneumatskog motora

,0=∑ F

.)(

),(

,)(

0

2

2

dttdx

F

xxkFdt

txdmF

t

k

m

ρ=

+=

=

slijedi:

gdje su:

.0=−−−− vtkmu FFFFF

x0 – prednapetost pera

suho trenje zanemareno

13/48

Postavljanjem jednadžbe na slijedeći način:Model pneumatskog motora

.uppdtdp

RC =+

.)()()(02

2

vFSpdt

tdxxxkdt

txdm −=+++ ρ

dobiva se:

Prethodna jednadžba se može napisati u slijedećem obliku:

.vutkm FFFFF −=++

U nastavku slijedi izvod poslijednje jednadžbe.

14/48

Model pneumatskog motora

.)(1

),(11)(

uu

u

ppdtdp

RCppRdt

dpC

ppR

p∆Rdt

dm

dtdm

p∆Rp∆f

dtdm

=+⇒−=

−==⇒=⇒=

.pm

p∆m∆

dpdmC =≅=

iz čega slijedi:

Masa zraka u nekom volumenu proporcionalna je tlaku:

,dtdp

dpdm

dtdp

Cdtdm ==

Nadalje se dobiva:

15/48

Model pneumatskog motoraBlokovska shema pneumatskog motora, dobivena na temelju prethodnih jednadžbi prikazana je na slijedećoj slici.

ρ

sm11

RCs1

S

vF

k

s1

tF

kF

mF xuFp

p

up

Statičko ponašanje: → tačnost ovisi o konstanti pera k i površini S.

Dinamičko ponašanje: P - ponašanjeI - ponašanje (izvedba bez pera)

0== xx &&&

16/48

9.2.1. Konstrukcijska izvedba pneumatskih motoraOvisi o načinu brtvljenja između klipa i motora

membranski motori – najčešći, najveće snage, malo trenje,klipni motori – brtvljenje pomoću prstenova, veće trenje,motori s mijehom – mali pomak (malo u upotrebi).

Mana membranskih motora – mali pomaci.Hodovi ventila 20-50 mm, rijetko 70 mm.Veći pomaci postižu se klipnim motorima ili rotacijskim motorima – snage do 10 kW.Veće snage postižu se hidrauličkim, elektrohidrauličkim ili električkim pogonima.Pneumatski sistemi primjenjuju se i uz električke regulatore → E/P pogoni.Primjenom E/P pretvornika pretvara se električki signal u pneumatski i dalje vodi na pneumatski motor.

17/48

Jednostavni membranski motori18/48

Membranski motor s pozicionerom19/48

Membranski motor s pozicioneromKarakteristike membranskih motora s pozicionerom:

smanjenje utjecaja trenja i tereta na statičku tačnost,prilagođenje na razne izvršne signale, npr. električki izlaz iz procesnog računara,veća snaga ventila.

MijehSapnica + odbojna pločica + pneumat.

pojačalo

MotorM

Poluga +

opruga

Mpv

p xulaz

20/48

Funkcijska blokovska shema

Primjer pneumatskog motoraPneumatski membranski motor u sklopu regulatora tlaka SAMSON tip 41-23.Maksimalna radna temperatura mu je 350°C, a tlak je PN 16 do PN 40.Predviđen je za radni medij: para, voda i ostale tekućine, ulje, zrak i negorive plinove.Primjenjuje se u procesnim postrojenjima, kriogenici, te u sistemima grijanja, ventilacije i klimatizacije.

21/48

9.3. Regulacijski ventili i zasuni

Ventili su uređaji koji se mehanički pokreću i predstavljaju izvršni član regulacijskog sistema.Regulacijski ventili i zasuni, općenito, izazivaju u cijevima pad tlaka na principu prigušnice i time uzrokuju promjenu protočne količine (ovisno o pomaku ili zakretu ventila). Ima kučište u kome se nalaze pokretni dijelovi.

22/48

9.3.1. Fizikalni opis rada ventila23/48

Zakon kontinuiteta:Fizikalni opis rada ventila

p∆pv

pv

konstpv

++=+

=+

2

22

1

21

2

22

.2

ρρ

ρ

gdje je: Q – protok,S – površina presjeka,v – srednja brzina protjecanja.

Bernoullijev poučak:

,2211 vv SvSvSvQ ===

24/48

Hod ventilaodređen kretanjem pokretnih dijelova ventila,nazivni hod predstavlja pomak od jednog krajnjeg položaja pokretnih dijelova, koji vrše promjenu protoka fluida,relativni hod predstavlja odnos između hoda za određeni otvor i nazivnog hoda.

Koeficijent protoka AvKoeficijent protoka za zadani tok:

9.3.2. Karakteristične veličine regulacijskog ventila

,2p∆

QAp∆Ap∆SQ vvvρ

ρρα =⇒==

gdje je: α – konstanta, Av – koeficijent protoka za ventil.Q – protok [m3/s],∆p – pad tlaka u ventilu [Pa],ρ – gustoća tekućine [kg/m3],

25/48

Drugi oblik koeficijenta protoka kvprotok pri temperaturama od 5 i 40 C° koji protječe kroz ventil uz ∆p=105 Pa.

Karakteristične veličine regulacijskog ventila

,0

0

ρρ p∆p∆

kQ v=

.105⋅

=p∆

QAvρ

gdje je: kv – koeficijent protoka.

Iz gornjeg izraza slijedi izraz za Av:

Za ρ0=103 kgm-3 i ∆p0=105 Pa dobiva se::

.2810

36006

0

0 ⋅== v

vvAp∆

Akρ

26/48

Odrediti vrijednost koeficijenta protoka za ventil, koji se ugrađuje za regulaciju protoka vode, ako je protok 0.09 m3/h , a pritisci prije i poslije ventila 40 kp/cm2 i 10 kp/cm2.

Primjer 1

Rješenje:Prvo je potrebno izvršiti pretvorbu jedinice pritiska iz kp/cm2 u Pa, na temelju sijedeće relacije:

što daje:

Razlika pritisaka je jednaka

.N 81.9kp 1 =

. Pa 10m10

N10kp/cm 1 524-

2 ==

. MPa 31421 =−=−= ppp∆

27/48

Primjer 1Također je potrebno i protok izraziti u jedinicama m3/s

Vrijednost gustoće tekućine iznosi:

Na temelju prethodnih izraza dobiva se slijedeći iznos:

./sm 1025s /3600m 09.0/hm 09.0 3633 −⋅===Q

.kg/m 1000 3=ρ

2276

6 mm 4564.0m 10564.4103

10001025 =⋅=⋅

⋅== −−

p∆QAv

ρ

28/48

Karakteristika protoka određena odnosom relativnog koeficijenta protoka i hoda Φ = f(h).Postoji linearna, istopostotna i polinomska karakteristika.Linearna karakteristika Φ = Φ0 + nh.

9.3.3. Karakteristika protoka regulacijskog ventila

Φ – relativni koeficijent protoka,n – nagib linearne karakteristike protoka,h – relativni hod.

Uz h=1 i Φ =1 → n =1 - Φ0.Φ0 – relativni koeficijent protoka za h=0.

0.1 0.5 1

0.1

0.5

1Φ

h

29/48

Istopostotna karakteristika Φ = Φ0enh.Karakteristika protoka regulacijskog ventila

Uz h=1 i Φ =1 → n =ln(1/Φ0)Kod malog toka male promjene, kod većeg toka veće promjene.

0.1 0.5 1

0.02

0.5

1Φ

h

0.05

0.1

30/48

Polinomska karakteristika Φ = Φ0+C0h+0.2h2-0.29h3+0.1h4+0.38h5Karakteristika protoka regulacijskog ventila

Uz h=1 i Φ =1 → C0 =0.61 - Φ0.

0.1 0.5 1

0.1

0.5

1Φ

h

31/48

Prethodne, standardne karakteristike su izvedene za ∆p = konst.Pogonske karakteristike : ∆p ≠ konst.

9.3.4. Pogonske karakteristike regulacijskih ventila32/48

Pogonski uvjeti:Zatvoreni ventil → Q = 0, h = 0 → ∆p = pu - pi.Otvoreni ventil → Q = Q100, h= h100 → ∆p100.U radnoj tački → Q, h, ∆p < ∆p0.∆p ≠ 0.

Pogonske karakteristike

Pogonske karakteristike regulacijskih ventila

,

111

1

111

122

0

100100

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+

=

ΦΨ

Φp∆p∆Q

Q

gdje je:Φ – relativni koeficijent protoka ventila,Ψ – parametar koji ovisi o konstrukciji ventila.

33/48

Pogonske karakteristike regulacijskih ventila

Može se uočiti da se s polinomskom karakteristikom ventila postižu pogonske karakteristike koje su simetrične u odnosu na idealnu pogonsku karakteristiku (označenu crtkano).

Linearna, istopostotna i polinomska

34/48

Prema obliku kučišta: ravna, kutna, loptasta, ostala.Prema broju krakova: dvokraki, trokraki.

9.3.5. Klasifikacija ventila

za miješanje za razdiobu

Trokraki

A

B

AB ABA

B

ABA

35/48

Prema broju sjedišta (površina unutarnjeg dijela kućišta, koja je u dodiru s unutarnjim pokretnim dijelovima kada je ventil zatvoren) → jednosjedni, dvosjedni.

Klasifikacija ventila

Dvosjedni Jednosjedni

Prema broju otvora prolaza → s jedan ili dva otvora (presjek prolaza između sjedišta i pokretnog dijela ventila gdje se stvara prigušenje).Prema načinu spajanja → spajanje kučišta s cjevovodom može biti pomoću prirubnica, navojnih priključaka ili priključaka, koji se navaruju na cjevovod.

36/48

Prema obliku pladnja → standardni, V-pladanj, parabolični.Klasifikacija ventila

Prema pogonu za pokretanje → pneumatski, hidraulički, električki, kombinirani.Prema smjeru djelovanja → ventil se otvara ili zatvara povećanjem ulaznog signala.Prema djelovanju u slučaju prekidanja napajanja → ventil se otvara, zatvara, zadržava u zadnjem položaju.Prema karakteristici protoka → linearna, istopostotna, polinomska.

Standardni V-pladanj Parabolični

37/48

Male promjene oko radne tačke: ∆x = 0 → ∆p0 = 0.

9.3.6. Lineariziran model regulacijskih ventila38/48

Iz pogonske karakteristike:

Lineariziran model regulacijskih ventila

∆x.K∆q v=

).( iupx ppKxKq −+=

Ako se pi mijenja, tada vrijedi:

.ipx pKxKq −=

Uz pu=konst.:

Kvx q

Kppi

Kxx

q

39/48

Primjer lineariziranog modela izvršnog člana “pneumatski motor+ventil”

Lineariziran model “motor + ventil”40/48

Pretpostavke pri izvođenju prijenosne funkcije:masa membrane zanemariva,trenje zanemarivo,Fv = 0 (ventil otvara).

Lineariziran model “ventil+motor”

.RCsk

Sk

sPsQ

sQkS

ksXSksP

sXksQskXsSP

RCssPsP

v

u

i

iv

vi

u

+=

==

==

+=

1)()(

),(1)()(

),()(),()(

,1

1)()(

11

+RCs kSPu P

kX Qi

41/48

Zaporni ventil(ARI ARMATUREN FABA LongLife)

9.3.7. Primjeri regulacijskih ventila i zasunaSigurnosno ventil(ARI ARMATUREN SAFE)

42/48

Miješajući ventil(GESTRA PA/MPA)

Primjeri regulacijskih ventila i zasunaElektrički upravljani ventil(ARI ARMATUREN STEVI 450)

Ima samozatvarajuće djelovanje. Otvaranje mu je naglo kako bi se lakše izbacile naslage mulja sa dna kotla. Konstrukcija pneumatskih pogona je izvedena tako da u slučaju nepostojanja komprimiranog zraka u postrojenju je moguće koristiti i vodu iz gradske mreže kao radni medij. Radni tlakovi su mu PN 40 do PN 250, a promjeri priključka DN 20 do DN 50.

43/48

Polupovratni ventil tip RK(GESTRA DISCO)Izveden je u međuprirubničkoj izvedbi prema DIN, ISO ili ANSI standardima. Ima mogućnost ugradnje u svim položajima. Široka mu je primjena za razne vrste medija: tekućine, plinovi, para, kiseline, lužine, morska voda. Ugrađuje se u postrojenjima grijanja i klimatizacije, te u hemijskoj, naftnoj, prehrambenoj i farmaceutskoj industriji i brodogradnji. Radni tlakovi su mu PN 6 do PN 160, a dimenzije priključka Dn15 do Dn 200.

Primjeri regulacijskih ventila i zasunaLeptiraste zaklopke(GESTRA UNIVAM)

Centrično uležištene zaklopke s mekim brtvljenjem u međuprirubničkoj izvedbi prema standardima DIN, ISO ili ANSI. Imaju široko područje primjene: vodopskrbni sistemi, priprema i odvodnja otpadnih voda, prehrambena, petrohemijska i farmaceutska industrija. Mogu biti opremljeni različitim vrstama upravljanja: ručnom polugom, reduktorom sa ručnim kolom, te elektromotornim ili pneumatskim pogonom.

44/48

Dvostruki ventili

Primjeri modernih pneumatskih aktuatora

Servo ventil

Koristi se u zatvorenim sistemima upravljanja pozicijom, brzinom, ubrzanjem i silom.

Linearni motor

Ugaona polužnaprihvatnica

Dvostruka klipnacilindarska vakumska pumpa

Kompresorski 250 W motor koji razvija pritisak od 2.8 bara s protokom od 8.7 m3/h.

45/48

Prednosti:relativno jeftini,jednostavna konstrukcija i eksploatacija,velika brzina odziva,ne zagađuju radnu sredinu sa tekućinama,mogu se koristiti u laboratorijskom radu,ne zahtijevaju povratne vodove za ispuštanje zraka.koriste standardni industrijski izvor napajanja,prikladni za modularni dizajn robota,mogu se zaustaviti bez štete.

9.4. Prednosti i nedostaci pneumatskih aktuatora46/48

Nedostaci:teško zadovoljavaju uvjete tačnosti zbog stlačivosti zraka,stlačivosti zraka, također, limitira upravljanje,proizvodi se buka zbog ispusnih gasova,propuštanje zraka može biti zabrinjavajuće, dodatno sušenje i filtriranje se može zahtijevati,poteškoće s upravljanjem brzinom, uzimajući u obzir teret.

Prednosti i nedostaci pneumatskih aktuatora47/48

Proizvodnjarobotske prihvatnice,

pomjeranje dijelova,

operacije montaže.

Medicinski sistemialati za bušenje i rezanje,

usisavanje i spajanje.

Robotikaanimatronika,

prihvatnice,

podvodni roboti.

9.5. Primjena pneumatskih aktuatora48/48