CAPITOLUL 4 – MOTOARE PNEUMATICE – OSCILANTE

Motoare pneumatice oscilante

Caracterizare

Aceste motoare au drept organ de ieşire un arbore ce are o mişcare de rotaţie, care are loc între două poziţii unghiulare limită, stabilite constructiv sau funcţional, ce definesc cursa unghiulară a motorului.

 

Clasificare

Există două mari familii de motoare pneumatice oscilante ce se diferenţiază prin modul în care se obţine mişcarea de rotaţie alternativă, şi anume:

– motoare cu cilindru şi mecanism de transformare a mişcării de translaţie alternative în mişcare de rotaţie alternativă;

– motoare cu palete.

 

Construcţii

Motoarele din prima familie pot avea drept mecanism de transformare un mecanism de tip cremalieră – pinion, un mecanism şurub – piuliţă sau un mecanism cu camă spaţială;

În figura 39 este prezentat principial un motor din această familie.

FIG 39Figura 39

Valoarea maximă a acestui moment depinde de presiunea de lucru, de diametrul cilindrului şi diametrul tijei şi de raza de divizare a pinionului.

Preluarea forţelor radiale care apar în angrenaj, forţe ce pot deforma tija, se realizează cu ajutorul patinei 3.

Există şi variante de motoare de acest tip care dezvoltă acelaşi moment pe cele două sensuri de mişcare. În figura 40 este prezentată principial o asemenea soluţie.

FIG 40Figura 40

Aici, există două pistoane identice 1 şi 8, ceea ce permite instalarea presiunii de lucru pe suprafeţe egale, şi deci dezvoltarea unor momente egale, în condiţiile în care cele două sensuri de mişcare sunt alimentate la aceeaşi presiune. Pentru a dubla valoarea momentului dezvoltat de motor se poate opta pentru o variantă de motor oscilant cu cremalieră dublă (figura 41).

41Figura 41

 În figura 42 este prezentat principial un motor oscilant cu o paletă, iar în figura 43 unul cu două palete.

42Figura 42

43Figura 43

 Din punct de vedere constructiv aceste motoare sunt simple, dar etanşarea camerelor active este dificil de realizat. Paleta este prevăzută pe exterior cu o garnitură din cauciuc sau o manşetă din elastomer. O problemă dificil de rezolvat o reprezintă şi etanşarea frontală a camerelor active.

În cazul motoarelor cu o paletă, unghiul maxim de rotaţie al arborelui motor 3 se poate modifica intervenind asupra geometriei piesei 4, solidară cu corpul 1. Uzual, acest unghi are valoarea de 90o, 180o sau 270o. Ansamblul mobil format din paleta 2 şi arborele 3 se roteşte în sensul vitezei w1 atunci când este alimentată cu presiune camera C1 şi în sensul vitezei w2 când este alimentată camera C2.

În cazul celei de-a doua variante, presiunea de lucru se instalează simultan în două camere, C1 şi C3 pentru mişcarea în sensul vitezei w1, respectiv C4 şi C2 (printr-un orificiu radial nefigurat) pentru mişcarea în sensul vitezei w2. La aceste motoare unghiul maxim de lucru este:

43-1

 

 

Simbolizare

În figura 44 este prezentat modul de simbolizare al acestor motoare, după cum urmează:

– figura 44a – motor oscilant cu simplă acţiune;

– figura 44b – motor oscilant cu dublă acţiune.

41Figura 44

 Parametrii tehnico-funcţionali

Parametrii tehnico-funcţionali sunt identici cu cei de la motoarele pneumatice liniare, făcând însă analogia:

44-1

Acesti parametri sunt tipizati si pe baza lor se poate alege din cataloagele firmelor producatoare motorul dorit.

 

Prof. Dr. Ing. Mihai Avram




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




CAPITOLUL 4 – MOTOARE PNEUMATICE – INTRODUCERE

Introducere

Rol funcţional

Motoarele pneumatice au rolul de a transforma energia aerului comprimat în energie mecanică pe care o transmit prin organele de ieşire (arbori, tije) mecanismelor acţionate (figura 26).

FIG 26Figura 26

 

Clasificare

După modul de transformare a energiei pneumatice în energie mecanică motoarele pneumatice pot fi volumice sau pneumodinamice.

Motoarele volumice sunt cele folosite cu precădere în sistemele de acţionare pneumatice. În cazul lor procesul de transformare are loc prin modificarea permanentă a volumelor camerelor active, delimitate de părţile mobile şi părţile fixe ce delimitează aceste camere.

În cazul motoarelor pneumodinamice, denumite şi turbine pneumatice energia pneumostatică a mediului de lucru este transformată mai întâi în energie cinetică, apoi aceasta la rândul ei transformată în energie mecanică.

Din punct de vedere constructiv un motor pneumatic are două subansambluri principale, unul fix (în care, de regulă, sunt practicate orificiile motorului) şi unul mobil.

Mişcarea subansamblului mobil poate fi:

– de translaţie alternativă; din această familie fac parte cilindrii pneumatici şi camerele pneumatice;

– de rotaţie alternativă pe un unghi limitat; în acest caz motorul se numeşte motor oscilant;

– de rotaţie continuă; în acest caz motorul se numeşte motor rotativ.

După modul în care se realizează mişcarea subansamblului mobil motoarele pneumatice pot fi:

– cu mişcare continuă;

– cu mişcare pas cu pas.

Există şi construcţii la care mişcarea subansamblului mobil este controlată prin intermediul unui circuit hidraulic auxiliar. Motoarele de acest tip se numesc pneumo – hidraulice.

Prof. Dr. Ing. Mihai Avram




CAPITOLUL 3 – GRUPUL DE PREGATIRE AL AERULUI – ALIMENTARE PROGRESIVA

Dispozitivul de alimentare progresivă se montează în partea finală a unui grup de pregătire a aerului și are rolul pe de o parte de a proteja sistemul alimentat de grup și pe de alta personalul ce deservește acest sistem.

În timpul funcționării există situații în care la un moment dat este posibil să se întrerupă accidental alimentarea cu presiune. Într-o asemenea situație organele mobile ale motoarelor se pot opri în poziții necontrolate. Punerea sub presiune a sistemului poate cauza mișcări rapide și imprevizibile ale organelor mobile ale motoarelor. Acest lucru poate fi evitat dacă sistemul este alimentat mai întâi cu un debit mic care să determine creşterea lentă a presiunilor în camerele active ale motoarelor; în aceste condiții organele active ale acestora se vor deplasa din poziţiile intermediare în poziţiile de referinţă cu viteze mici. Din acest moment alimentarea sistemului se poate face cu un debit la valoarea nominală.

fig 25Fig. 25

Dispozitivele de alimentare progresivă au fost special concepute pentru a rezolva această problemă. În figura 25 este prezentată schema funcțională a unui asemenea dispozitiv. În această schemă pot fi identificate două componente montate în paralel: un distribuitor D2/2, cu poziţie preferenţială, comandat pneumatic, şi o rezistenţă fixă R.

În situaţia în care sistemul deservit, aflat în aval de dispozitiv, este oprit (pus în legătură cu atmosfera), distribuitorul va materializa poziţia preferențială (0), poziţie în care secţiunea de curgere prin distribuitor este blocată.

Pentru a conecta sistemul, se deschide robinetul grupului de pregătire a aerului (fig.19), situaţie în care la intrarea în dispozitiv există presiune; într-o primă etapă aerul trece către sistemul deservit de grup prin rezistenţa fixă R a dispozitivului; în aceste condiții alimentarea sistemului şi deci creşterea presiunii în sistem se va face progresiv, până la valoarea nominală. În acest moment distribuitorul comută în poziţia (1) și sistemul este alimentat printr-o secţiune egală cu secţiunea nominală de curgere.

Prof. Dr. Ing. Mihai Avram




CAPITOLUL 3 – GRUPUL DE PREGATIRE AL AERULUI – REGULATOARE DE PRESIUNE

În figura 22 este reprezentat principial un asemenea echipament. El realizează următoarele două funcţii:

reglează presiunea de la ieşirea echipamentului pe la valoarea dorită; din acest motiv este cunoscut sub denumirea de regulator de presiune;

– menține presiunea reglată constantă, în anumite limite, atunci când în timpul funcționării variază presiunea de intrare şi/sau se modifică consumul de debit din aval de echipament; din acest motiv este cunoscut și sub denumirea de stabilizator de presiune.

fig 22Fig. 22

Presiunea de ieșire este reglată prin intermediul membranei m; pe suprafaţa de jos a membranei acționează forța de presiune Fp, în timp ce pe cealaltă suprafață acționează forța Fa dezvoltată de arcul a. Forța de pretensionare a acestui element elastic este reglabilă prin intermediul șurubului s.

Atunci când forța de pretensionare este zero, membrana m se află în poziţia de referinţă, iar supapa plană Sp este în contact cu scaunul său S; în aceste condiții presiunea de ieșire pe este zero.

Presiunea pe este reglată acționând asupra șurubului s care tensionează arcul de reglare a. Pentru o anumită forță de pretensionare ansamblul mobil al echipamentului, format din supapa plană Sp, tija t, membrana m și centrul rigid al acesteia d, se va deplasa în jos față de poziția de referință. În acest fel între supapa plană Sp și scaunul său S se va forma o secțiune de curgere prin care aerul de la orificiul de intrare (1) trece către consumatorul (2). Acest lucru va determina creșterea presiunii pe până la valoarea:

,

unde:

karc – reprezintă rigiditatea arcului a, iar f0 săgeata de pretensionare acestuia

Sm – suprafața membranei pe care se instalează presiunea pe

Dp – pierderea de presiune pe supapă.

Când consumatorul ajunge la presiunea dorită, etapa de reglare manuală se încheie; cele două forțe ce acționează asupra membranei, forța dezvoltată de arc Farc și forța de presiune Fp sunt în echilibru.

În timpul funcționării, presiunea de intrare în echipament pi nu este constantă, iar debitul de aer prin echipament se poate modifica în funcție de consumul sistemului deservit. Chiar și în aceste condiții echipamentul menține, în anumite limite, presiunea pe în jurul valorii reglate.

Dacă în timpul funcționării presiunea de intrare pi variază – scade/crește, într-o primă etapă presiunea de ieșire pe va tinde să scadă/crească. În aceste condiții membrana își modifică poziția de echilibru deplasându-se în jos/sus; odată cu membrana se va deplasa și supapa plană Sp, ceea ce va determina o scădere/creștere a pierderii de presiune pe secțiunea Sc. În acest fel efectul perturbației este anulat și presiunea de ieșire rămâne constantă, la valoarea reglată.

Dacă după un anumit timp consumul de debit din aval de echipament scade/creşte, într-o primă etapă există tendinţa creşterii/scăderii presiunii de ieşire. Acest lucru determină deplasarea membranei, şi odată cu ea şi a supapei în sus/jos, și în consecință micșorarea/creșterea secțiunii de curgere prin echipament, şi deci adaptarea debitului de ieşire la valoarea celui cerut de sistemul deservit de echipament.

În cazul în care consumul de debit devine zero, secțiunea de curgere prin echipament devine nulă. Dacă într-o asemenea situație trebuie reglată presiunea la o nouă valoare inferioară valorii reglate anterior, sau apare tendința de creștere a presiunii reglate, membrana m se deplasează în sus, și cum deplasarea supapei Sp nu mai este posibilă (este împiedicată mecanic), tija t pierde contactul cu membrana, realizându-se în acest fel (prin orificiul o) punerea în legătură cu atmosfera a circuitului din aval de echipament și deci eliminarea surplusului de aer și menținerea constantă, la valoarea reglată, a presiunii de ieșire. Practic, între capătul tijei, prelucrat sferic și centrul rigid în care există un scaun conic se formează o supapă, denumită supapă de descărcare la atmosferă.

Prof. Dr. Ing. Mihai Avram