SISTEME DE ACTIONARE PNEUMATICE – MOTOARE PNEUMATICE LINIARE SPECIALE

Sursa: Actionari Hidraulice si Pneumatice – Editura Universitara Bucuresti – Autor: Mihai Avram

Pentru a satisface o gamă cât mai largă de aplicaţii, în afara construcţiilor deja prezentate (construcţii clasice) au fost concepute şi realizate o serie de motoare cu o construcţie specială, numite în cele ce urmează motoare speciale. Un asemenea motor răspunde unor cerinţe specifice şi are ca scop simplificarea structurii sistemului de acţionare din care face parte. Cele mai importante construcţii de acest tip sunt:

a. motoare cu mai multe pistoane solidarizate;
b. motoare fără tijă;
c. motoare antirotaţie;
d. motoare cu cursă scurtă;
e. motoare cu cămaşă deformabilă;
f. motoare cu mai multe poziţii.

Motoare cu mai multe pistoane solidarizate
Aceste construcţii se folosesc în acele aplicaţii unde există restricţii privind gabaritul radial. Într-o asemenea situaţie este posibil ca, în condiţiile în care presiunea de alimentare este limitată (8 … 10 bar), să nu se poată obţine forţa utilă dorită cu un motor de construcţie clasică al cărui diametru să fie mai mic decât dimensiunea radială maximă impusă. Rezolvarea constă în Fig.4.46 utilizarea unui motor cu mai multe pistoane.

Fig. 4.46

În figură 4.46 este prezentat principial un asemenea cilindru, cu două pistoane. Prin alimentarea simultană a camerelor C1 şi C3 şi golirea simultană a camerelor C2 şi C4 se obţine avansul tijei şi se dezvoltă forţa:

Motoare fără tijă

Aceste construcţii sunt folosite în acele aplicaţii unde problema gabaritului axial are o importanţă deosebită.
Trebuie remarcat faptul că unui cilindru în construcţie clasică îi este necesar un spaţiu de montaj şi lucru s=l0 + 2·c, unde l0 (fig.4.47) reprezintă o mărime constructivă ce ţine seama de dimensiunile celor două capace şi de lungimile necesare montării cilindrului în structura mecanică şi cuplării acestuia cu sarcina antrenată.
Dimensiunea axială s poate fi micşorată prin eliminarea tijei şi deplasarea sarcinii antrenate în paralel cu axa cilindrului.
Soluţiile posibile sunt în principal:
– motoare cu cablu sau bandă;
– motoare cu legătură rigidă;
– motoare cu cuplaj magnetic.

Fig.4.47

Motoare cu cablu sau bandă

La aceste construcţii mişcarea rectilinie alternativă a pistonului p (fig.4.48) este transmisă saniei s prin intermediul cablului c care este înfăşurat peste roţile de cablu r1 şi r2, în acest fel sania s şi odată cu ea şi sarcina antrenată, fixată pe sanie, se vor deplasa în paralel cu pistonul şi în sens invers faţă de acesta. Cablul folosit este de secţiune circulară, pentru a facilita etanşările celor două camere active ale motorului şi este confecţionat din plastic sau metal plastifiat. În figura 4.49 este prezentată o secţiune printr-un motor de acest tip.

Există şi construcţii la care cablul este înlocuit cu o lamelă elastică de secţiune dreptunghiulară, variantă avantajoasă din punct de vedere al rigidităţii ansamblului mobil.

Motor cu legătură rigidă

Cu un motor de acest tip este posibilă obţinerea unei curse de până la 5… 10 m. O soluţie constructivă a unui motor de acest tip este prezentat în figura 4.50. La această construcţie pistonul 1, de formă specială, este legat rigid de căruciorul 2 prin intermediul piesei 3. Deplasarea ansamblului mobil este posibilă datorită unui canal prelucrat în cămaşa 4, în lungul generatoarei acesteia. Etanşarea de-a lungul canalului este asigurată de lamela metalică 5. Când pistonul se mişcă, profilul flexibil al lamelei se adaptează în mod automat la poziţia pistonului şi a căruciorului, asigurând astfel etanşarea celor două .camere active. În figura 4.50 b este prezentată o vedere de ansamblu a unui astfel de cilindru. Se observă la partea superioară căruciorul 2, care permite cuplarea cu sarcina antrenată.

Fig. 4.50

Motoare cu cuplaj magnetic

La aceste construcţii transmiterea mişcării de la pistonul 1 (fig.4.51) la măsuţa mobilă 2, la care se cuplează sarcina ce trebuie antrenată, se face prin intermediul unui cuplaj magnetic. Pentru aceasta, pistonul 1 şi măsuţa 2 sunt prevăzute cu un număr de magneţi permanenţi. Pentru a facilita cuplarea magnetică este necesar ca ţeava 3 să fie confecţionată dintr-un material permeabil la câmpul magnetic, ca de exemplu: oţel inoxidabil, aliaje de aluminiu, alamă etc. Pe această cale se obţine o cuplare perfectă, deci o deplasare simultană a pistonului şi măsuţei.

Fig.4.51

Motoare antirotaţie.

Aceste motoare sunt folosite atunci când sarcina antrenată nu trebuie să se rotească în jurul axei longitudinale. Pentru asigurarea acestei condiţii sunt posibile mai multe soluţii, alegerea variantei optime făcându-se corelat cu valoarea forţelor externe care tind să rotească sarcina antrenată.

Dacă aceste forţe nu sunt mari, atunci se poate apela la o tijă cu secţiune necirculară, de exemplu aplatisată (fig.4.52 a) sau hexagonală (fig.4.52 b). O asemenea soluţie presupune prelucrarea în capacul posterior (capacul prin care trece tija) a unui orificiu cu aceeaşi secţiune ca şi cea a tijei. Problema cea mai delicată este aceea a etanşării camerei posterioare, din cauza dificultăţilor de adaptare a garniturilor, care sunt la origine de formă circulară. O altă posibilitate de împiedicare a rotirii sarcinii antrenate constă în utilizarea unor cilindri cu două tije în paralel (fig.4.53), care în această situaţie au atât rolul de a transmite mişcarea de la piston la sarcina antrenată, cât şi pe acela de a împiedica rotirea sarcinii.
Uneori pentru împiedicarea rotirii sarcinii pistoanele pot avea secţiunea necirculară, de exemplu eliptică sau dreptunghiulară (fig.4.54). Aceste soluţii au în plus şi avantajul unui montaj mai compact şi deci posibilitatea obţinerii unui gabarit mai redus (fig.4.54 b) comparativ cu situaţiile în care se folosesc construcţii clasice, cu piston circular.

Fig. 4.54

Motoare cu cursă scurtă

În situaţiile în care sarcina antrenată de cilindru trebuie deplasată pe o distanţă mică (mai mică de 100 mm) şi există restricţii de gabarit, se pot folosi cilindri cu o construcţie specială. O asemenea construcţie este prezentată în figura 4.55. Comparativ cu construcţia clasică se observă următoarele diferenţe:
– cămaşa exterioară este înlocuită cu piesa 1 în care este prelucrat alezajul cilindrului; în acest fel capacul posterior lipseşte, iar orificiul de alimentare este prelucrat în piesa 1;
– capacul anterior 2 este montat în interiorul piesei 1, şi fixat cu un inel elastic 3.

Toate acestea au ca scop, aşa cum de altfel s-a precizat, reducerea dimensiunii axiale a cilindrului.

Fig. 4.55

Motoare cu cămaşă deformabilă

În această categorie sunt incluse acele motoare liniare la care deplasarea sarcinii se obţine prin deformarea unui element elastic (fig.4.56). Elementul deformabil 3 se realizează din cauciuc sau metal. Considerând piesa 2 fixă, sub efectul aerului comprimat elementul elastic 3 se deformează; piesa de capăt 1, mobilă, se va apropia de piesa fixă 2, dezvoltând astfel o forţă de tragere.

Fig. 4.56

Motoare cu mai multe poziţii.

S-a arătat deja că unul dintre dezavantajele motoarelor pneumatice liniare constă în faptul că poziţionarea precisă a sarcinii antrenate se poate face numai în două poziţii de pe cursa de lucru. Aceste poziţii pot fi capete de cursă, sau poziţii intermediare de pe cursă, stabilite cu ajutorul unor limitatori mecanici. În lipsa acestora din urmă, oprirea în orice altă poziţie de pe cursa de lucru este greu de controlat, din cauza compresibilităţii aerului comprimat. Se pot însă concepe şi realiza variante de motoare care să permită oprirea precisă într-un număr limitat de poziţii. în cele ce urmează sunt prezentate câteva variante posibile.
În figura 4.57 este prezentat un cilindru care permite oprirea în patru puncte de pe cursa de lucru. în structura acestui cilindru există trei ansambluri mobile independente 1, 2 şi 3 care se pot deplasa cu cursele s1 , s1 + s2 şi respectiv s1 + s2+ s3, diferite ca valoare.
Cele patru poziţii se obţin după cum urmează:
– poziţia “O” (poziţia reprezentată în fig.4.57): atunci când cele trei orificii nu sunt alimentate cu aer comprimat; această poziţie se obţine fie sub efectul sarcinii antrenate, fie cu ajutorul unor arcuri (nefigurate);

Fig. 4.57

– poziţia “A”: atunci când este alimentat numai primul orificiu; în acest caz sarcina se deplasează cu s1,
– poziţia “B”: atunci când sunt alimentate primul şi cel de-al doilea orificiu; în acest caz sarcina se deplasează cu s1+s2;

– poziţia “C”: atunci când sunt alimentate toate cele trei orificii; în acest caz sarcina se deplasează cu s1+s2+s3.
O altă variantă de motor cu mai multe poziţii (în fapt un motor liniar incremental) este reprezentată în figura 4.58. Se observă că în această structură există un număr de cilindri, care se diferenţiază prin cursa pe care o pot realiza; primul cilindru are cursa xb, al doilea 2xb, al treilea 22 xb. Acest motor, cunoscut şi sub denumirea de motor liniar binar, poate opri într-un număr de poziţii egal cu 2″, unde n reprezintă numărul de cilindri binari, iar legătura între două poziţii succesive este: xi = xi-1 +xb,.

Fig. 4.58

Pentru a obţine poziţia dorită x, trebuie ca alimentarea celor n cilindri binari să se facă după o logică binară, aşa cum este arătat în tabelul 4.8. Valoarea logică „1″ corespunde situaţiei în care camera activă a cilindrului este alimentată, iar valoarea logică „0″ corespunde situaţiei în care camera activă a cilindrului este pusă în legătură cu atmosfera.
Pentru exemplul considerat în figura 4.58, unde n = 3 se obţin 23-1 poziţii la care se adaugă poziţia de referinţă, deci 8 poziţii distincte.

În figura 4.59 este prezentat un motor liniar cu mai multe poziţii obţinut prin utilizarea unui număr de cilindri binari dozatori.
În exemplul din figură există patru cilindri dozatori, care au caracteristic următoarele:
– cursele pistoanelor sunt xb, 2·xb, 22·xbşi respectiv 23 • xb , valorile curselor pot fi modificate prin alegerea corespunzătoare a lungimilor distanţierelor D1, D2, D3 şi D4; în acest fel se poate stabili valoarea dorită pentru incrementul xb.
– camerele de volume V1, V2, V3, și V4 sunt conectate printr-un circuit cu camera de volum Va cilindrului principal şi sunt umplute cu ulei. Este uşor de înţeles că dacă, comanda celor patru electromagneţi se face după o logică binară, ca în exemplul anterior, sarcina antrenată va putea fi poziţionată în 16 poziţii distincte.
Un ultim exemplu de motor liniar incremental este cel cu mecanisme cu camă. Motorul are în structura sa un număr de tacheţi care sunt apăsaţi pe camă prin intermediul unor microcilindri. În exemplul din figură 4.60 există trei tacheţi t1, t2 şi t3 care sunt chiar tijele celor trei microcilindri MC1, MC2 şi MC3. Cama C este formată dintr-o succesiune de porţiuni de urcare – coborâre identice şi este ghidată
tacheţi este indexat – în exemplul din figură, tachetul t1 . Aceasta înseamnă că în acest moment este comandat distribuitorul D1 aferent microcilindrului MC1 .

Fig. 4.59

Pentru deplasarea în sensul figurat cu un pas se alimentează microcilindrul MC2, deci se aplică un semnal de comandă i2 distribuitorului D2 şi se anulează comanda anterioară i1. Deplasarea în sensul figurat presupune alimentarea microcilindrilor în succesiunea: i1- i2- i3- i1-….. Deplasarea în sens invers presupune alimentarea microcilindrilor în succesiunea: i1- i2- i3- i1-……..Trebuie remarcat faptul că motorul prezentat principial în figura 4.60 are trei faze; există şi construcţii de asemenea motoare cu patru faze. Pasul unghiular xp poate fi uşor modificat în limite largi prin alegerea corespunzătoare a geometriei camei şi tacheţilor. De regulă tachetul în zona de contact cu cama are formă sferică sau conică. O construcţie a unui motor de acest tip [4.2] este prezentată în figura 4.61. Se observă că aici, din considerente tehnologice, cama este înlocuită cu o piesă paralelipipedică în care sunt practicate găuri calibrate echidistante, cu o anumită geometrie în zona de contact cu tacheţii.

Fig. 4.60

Fig.4.61

Camere cu membrană
Camerele cu membrană sunt motoare pneumatice liniare, la care organul activ este o membrană elastică 1 (fig.4.62), care se deplasează similar pistonului unui cilindru fie sub efectul aerului comprimat, fie sub efectul forţei elastice a membranei, ajutată uneori de un arc de compresiune 5. După modul în care se realizează cursa de revenire se disting:
– camere cu simplă acţiune (fig.4.63);
– camere cu dublă acţiune (fig.4.64). Forma membranei 1 poate fi plană (fig.4.65 a), trapezoidală (fig.4.65 b), gofrată (fig.4.65 c) sau cilindrică (fig.4.65 d), iar materialul de bază din care se confecţionează este cauciucul, care uneori, pentru a avea o rezistenţă la tracţiune mai mare, conţine inserţii din ţesături din fire din bumbac impregnate, din fire din material plastic sau din fibre de sticlă.

Membrana 1 (fig.4.62) este fixată de tija 4 prin intermediul discurilor de rigidizare 6 şi 7.
Există şi soluţii constructive cu două membrane (fig.4.66), soluţii care oferă o mai bună ghidare a tijei. în cazul acestui motor, alimentarea se face prin tijă, care se poate roti împreună cu motorul în raport cu sursa de alimentare, care este fixă. Acest lucra este posibil prin utilizarea unui racord rotativ de o construcţie specială.
În figura 4.67 este prezentată o construcţie cu două membrane active, care permite dezvoltarea unor forţe mari la tijă. Pentru aceasta, aerul comprimat pătrunde simultan în camerele A şi B.
În concluzie, camerele cu membrană sunt motoare liniare specifice sistemelor de acţionare pneumatice, care sunt utilizate atunci când cursa de lucru este mică iar forţa ce trebuie dezvoltată la tijă are valori mari. Valoarea cursei maxime depinde de tipul de membrană folosit:
– pentru membrane plane: (0.08….0,12)· D ;
– pentru membrane tronconice: (0.20….0,25) · D;
– pentru membrane cilindrice: (0.80…..1,25)·D, unde D reprezintă diametrul de încastrare al membranei (fig.4.63).