CAPITOLUL 4 – MOTOARE PNEUMATICE – LINIARE

Motoare pneumatice liniare

Caracterizare

În structura sistemelor pneumatice pot fi întâlnite motoare pneumatice liniare de construcţie clasică, sau motoare de construcţie specială.

În cazul motoarelor pneumatice liniare clasice (figurile 27a, b, c) cele două subansambluri sunt constituite în principal din:

– subansamblul I – pistonul 3 şi tija 4;

– subansamblul II – cămaşa 1 şi capacele 2 şi 5.

FIG 27 FIG 27-1Figura 27

Clasificare

  • După modul în care sunt delimitate cele două camere active aceste motoare pot fi:

– cilindri (figura 27a, b şi c): la aceste motoare camerele C1 şi C2 sunt separate prin intermediul unui piston 3; etanşarea lor se realizează cu ajutorul unor garnituri nemetalice;

– camere cu membrană (figura 27d): la aceste motoare pistonul este înlocuit de o membrană nemetalică 8, care realizează şi etanşarea celor două camere.

  • În funcţie de subansamblul ce se deplasează, motoarele pneumatice liniare se pot clasifica în:

– motoare cu subansamblul I mobil (figura 27a şi b), denumite şi motoare cu tijă mobilă;

– motoare cu subansamblul II mobil, denumite şi motoare cu carcasă mobilă (figura 27c).

Este de dorit ca orificiile de alimentare să se prelucreze în subansamblul fix al motorului.

  • După modul în care se realizează mişcarea subansamblului mobil:

– motoare cu dublă acţiune (figura 27b şi c); în acest caz deplasarea în ambele sensuri se obţine sub efectul presiunii aerului;

– motoare cu simplă acţiune; în acest caz deplasarea într-un sens se realizează sub efectul aerului sub presiune, iar în celălalt sens:

– sub acţiunea unui arc (figura 27a şi d);

– sub efectul greutăţii proprii a ansamblului mobil; în această situaţie motorul trebuie să lucreze în poziţie verticală;

– sub acţiunea mecanismului antrenat;

  • În cazul motoarelor cu dublă acţiune se pot întâlni două situaţii:

– când cele două suprafeţe active S1 şi S2 sunt egale (figura 27c); este cazul motoarelor cu tijă bilaterală; aceste motoare au o comportare similară pe cele două sensuri de mişcare atunci când cele două camere active sunt alimentate în aceleaşi condiţii (acelaşi debit şi aceeaşi presiune); în această situaţie vitezele v1 şi v2 şi forţele dezvoltate Fa şi Fr sunt egale;

– când cele două suprafeţe active S1 şi S2 sunt diferite (figura 27b); este cazul motoarelor cu tijă unilaterală; aceste motoare au o comportare diferită pe cele două sensuri de mişcare; în acest caz v1 < v2 şi Fa > Fr atunci când alimentarea celor două camere se face în aceleaşi condiţii.

 

Condiţii funcţionale

O funcţionare corectă a motoarelor pneumatice liniare presupune o etanşare perfectă a celor două camere active C1 şi C2. Acest lucru se poate realiza numai prin folosirea unor elemente de etanşare nemetalice:

– inele „O”;

– manşete de diferite profile.

În construcţia unui motor pneumatic liniar (figura 27b): sunt întâlnite două tipuri etanşări:

– statice: între cămaşa 1 şi capacele 2 şi 5, elementele 8 şi respectiv 9;

– dinamice: între pistonul 3 şi cămaşa 1 elementul 7, precum şi între tija 4 şi capacul 5, elementul 11.

 

Limitări funcţionale

Pe baza celor prezentate deja se pot identifica o serie de probleme specifice motoarelor pneumatice liniare de construcţie clasică, şi anume:

– în momentul opririi ansamblului mobil apar şocuri mecanice importante care solicită dinamic elementele constructive ale motorului;

– transmiterea mişcării de la pistonul 1 (figura 28) la sarcina antrenată 2 se face prin intermediul unei tije 3, ceea ce conduce la un gabarit axial mare şi la existenţa unei legături fizice cu exteriorul; dimensiunea axială maximă a motorului se obţine atunci când camera activă C1 este alimentată şi este l0+2c, unde l0 reprezintă o mărime constructivă ce diferă de la o soluţie la alta, iar c cursa de lucru a motorului;

FIG 28 Figura 28

 – necesitatea etanşării tijei pentru a împiedica comunicarea camerei active C2 cu exteriorul; această etanşare introduce forţe de frecare însemnate şi uzură în timp;

– motorul are o comportare diferenţială pe cele două sensuri de mişcare; în aceleaşi condiţii de alimentare (aceeaşi presiune şi acelaşi debit) forţele şi vitezele dezvoltate pe cele două sensuri de mişcare sunt diferite;

– ansamblul mobil (piston – tijă – sarcină) se poate roti în jurul axei longitudinale sub acţiunea sarcinii antrenate; acest lucru se întâmplă atunci când momentul Mr este superior momentului de frecare;

– masa ansamblului mobil este mare, deoarece la masa sarcinii şi a pistonului se mai adaugă şi masa tijei; cu cât cursa este mai mare, cu atât valoarea masei tijei este mai importantă; totodată rigiditatea ansamblului piston – tijă – sarcină este mică;

Frânarea la cap de cursă

Cursa maximă de lucru a unui motor pneumatic liniar este delimitată fie de capacele motorului, fie cu ajutorul unor opritoare mecanice a căror poziţie poate fi stabilită de utilizator.

În momentul opririi apar solicitări dinamice deosebite generate în urma impactului dintre ansamblul mobil şi partea fixă. În practică sunt întâlnite mai multe soluţii pentru a rezolva această problemă, şi anume:

– oprirea pe inele sau arcuri din cauciuc;

– frânarea pe pernă de aer;

– folosirea unor cilindri hidraulici de amortizare;

– utilizarea unor amortizoare industriale de şoc;

În funcţie de soluţia adoptată forţa de frânare are o anumită variaţie pe cursa de frânare, aşa cum se observă în figura 29.[3]

FIG 29Figura 29

Primele două soluţii sunt posibile în cazul în care oprirea se realizează în urma impactului cu cele două capace.

Atunci când viteza de deplasare şi sarcina nu sunt foarte mari se poate apela la prima soluţie, la care pentru amortizarea impactului se apelează la inelele nematalice 3, montate pe pistonul 4, sau în capace aşa cum este arătat în figura 30.

FIG 30Figura 30

În acest caz forţa de frânare are o variaţie liniară (figura 29, caracteristica 1), cu o pantă abruptă şi cu o tendinţă de a înmagazina mai multă energie decât absoarbe, aceasta conducând la efecte de recul şi la generarea unor şocuri considerabile.

În figura 31 este prezentat principiul frânării pe pernă de aer; practic, în apropierea capului de cursă se întrerupe evacuarea pe traseul obişnuit de secţiune nominală Sn şi aerul din volumul V este evacuat prin secţiunea de frânare Sf reglată la valoarea dorită cu ajutorul droselul Drf,1 sau Drf,2. Frânarea se poate realiza la un singur capăt sau la ambele capete şi poate fi fixă sau reglabilă.

FIG 31Figura 31

În figura 32 este prezentat modul de simbolizare al motoarele pneumatice liniare în cele trei cazuri amintite.

FIG 32Figura 32

Supapele de sens unic Ssu,1 şi Ssu,2 montate în paralel cu droselele Drf,1 şi Drf,2 au rolul de a nu diminua forţa dezvoltată de presiune în faza de pornire. În figura 33 este prezentată o secţiune printr-un motor pneumatic liniar cu frânare la ambele capete de cursă.

FIG 33Figura 33

 În cazul frânării pe pernă de aer caracteristica (figura 29, caracteristica 2) asigură o forţă maximă de frânare la sfârşitul cursei de frânare, ceea ce înseamnă că o mare parte din energia cinetică este absorbită în acest punct. În consecinţă, la sfârşitul cursei de frânare apar solicitări însemnate care depind de masa şi viteza sarcinii antrenate.

În cazul în care cursa de lucru cl trebuie modificată (figura 34) se poate apela la opritoarele mecanice OM1 şi OM2 care pot fi reglate în prealabil în punctele în care se doreşte oprirea.

FIG 34Figura 34

 Când energia care trebuie amortizată este prea mare, se recurge la amortizoare externe de tip hidraulic (figura 34 – AE1 şi AE2). Aceasta este cea mai simplă metodă de frânare. În acest caz forţa de frânare (figura 31, caracteristica 3) are un maxim în imediata vecinătate a demarării procesului de frânare, după care aceasta se reduce semnificativ. Cea mai mare parte a energiei este absorbită în faza iniţială. Acest lucru conduce la generarea unor forţe de frânare mai mari decât ar fi necesar.

În figura 35 este prezentată schema funcţională a unui amortizor industrial de şoc. În acest caz forţa de frânare (figura 29, caracteristica 4) este aproximativ constantă. Energia cinetică a ansamblului mobil este înmagazinată cu o rată constantă, fără şocuri şi fără recul. Din acest motiv elementele constructive ale motorului sunt mai puţin solicitate din punct de vedere dinamic.

35Figura 35

Prinderea motorului

Motorul poate fi montat în structura mecanică pe care o deserveşte în mai multe moduri. În figura 36 sunt evidenţiate diferitele variante de montaj posibile, după cum urmează:

FIG 36 FIG 36-1Figura 36

  1. Determinarea cursei maxime cmax

Motoarele pneumatice liniare pot avea curse de lucru mari, de până la 10 m, valoarea maximă fiind limitată numai de posibilităţile tehnologice de realizare şi de rezistenţa la flambaj. Pentru construcţiile standardizate sunt definite serii de curse standard, dar realizarea unor motoare cu alte valori pentru cursa de lucru nu ridică probleme deosebite.

Cursa maximă de lucru cmax se determină din condiţia de rezistenţă la flambaj a motorului. Pentru aceasta se echivalează motorul cu o tijă cilindrică de diametru dt şi lungime lf (figura 38).

FIG 38Figura 38

Prof. Dr. Ing. Mihai Avram

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *