درسنامه آموزشی نگهداری و تعمیر سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک کلاس یازدهم مکاترونیک

یکی از سیالات مورد استفاده در صنعت، هوای فشرده می‌باشد. از هوای فشرده جهت کنترل و انتقال نیرو به سیستم‌ها استفاده می‌شود که علم پنوماتیک گفته می‌شود. کلمه پنوما از زبان یونان قدیم مشتق شده است و به عنوان تنفس باد و در فلسفه به عنوان روح است.

در علم پنوماتیک استفاده از هوای فشرده در تجهیزات صنعتی بحث می‌شود. در واقع پنوماتیک دانش تولید، کنترل و به کارگیری نیروی هوای فشرده است.

واحد یادگیری 3: شایستگی نصب و راه‌اندازی سیستم‌های پنوماتیک

آیا تا به حال پی برده‌اید؟

- از هوای فشرده در صنعت چه استفاده‌هایی می‌شود؟
- مزایا و معایب سیستم‌های پنوماتیک در صنعت چیست؟
- جهت استفاده از هوای فشرده در صنعت از چه اجزایی باید استفاده کرد؟

هدف از این شایستگی عبارتند از:

1- شناخت قوانین حاکم بر گازها
2- توانایی انتخاب اجزای مورد نیاز یک سیستم پنوماتیک جهت انجام یک فعالیت صنعتی مشخص
3- آشنایی با اجزای سیستم‌های پنوماتیک و اصول عملکرد آن‌ها
4- توانایی خواندن مدارات پنوماتیک و ترسیم و شبیه‌سازی مدارات توسط نرم‌افزار فلویدسیم
5- توانایی نصب و راه‌اندازی سیستم‌های پنوماتیک

استاندارد عملکرد

پس از پایان این واحد هنرجویان با سیستم‌های پنوماتیک آشنا خواهند شد و قادر خواهند بود تمام اجزای یک سیستم پنوماتیک را شناسایی کنند. همچنین با نحوۀ عملکرد اجزای مختلف سیستم‌های پنوماتیک آشنا خواهند شد و در نهایت سیستم‌های پنوماتیک مختلفی را نصب و راه‌اندازی کنند.

پنوماتیک و کاربردهای آن

هوای فشرده جزء انرژی‌های قابل استفاده توسط بشر بوده و به کمک آن اجسام را جابه‌جا می‌کرده است اما با این وجود سال 1950 میلادی را می‌توان شروع کاربرد پنوماتیک در صنایع و کارخانجات دانست از این جهت علم پنوماتیک در صنایع به عنوان علمی نو شناخته می‌شود. دانش پنوماتیک، دانشی است که در آن از نیروی تولیدی هوای فشرده استفاده می‌شود. این دانش امروزه در صنایع مختلفی از جمله اتوماسیون صنعتی، صنایع هوا فضا، صنایع غذایی، صنایع دارویی و ربات‌ها استفاده می‌شود.

سیستم‌های پنوماتیکی دارای محاسن و معایبی می‌باشند که جهت استفاده صحیح از این سیستم‌ها باید مورد توجه قرار گیرند. از محاسن سیستم‌های پنوماتیکی می‌توان به در دسترس بودن سیال پنوماتیکی (هوا)، انبار کردن، تاثیر کم دما بر روی آن‌ها، تمیزی، سرعت بالای انتقال، سادگی ساختمان و اطمینان در مقابل انفجار اشاره کرد. در مقابل محاسن ذکر شده، معایب این سیستم‌ها شامل هزینه بالای استفاده در فشار کاری بالاتر از 700 کیلوپاسکال، آماده‌سازی سیال، تراکم‌پذیری هوا و سر و صدای زیاد این سیستم‌ها می‌باشد.

فیزیک حاکم بر هوای فشرده

هوایی که برای سیستم‌های پنوماتیکی استفاده می‌شود هوای اطراف ما یعنی اتمسفر است. اتمسفر از گازهای مختلفی تشکیل شده‌است که در شکل روبه‌رو اجزای آن بیان شده است.

با توجه به شکل زیر این نکته قابل توجه است از آنجا که اتمسفر از گازها تشکیل شده‌است در نتیجه از قانون حاکم بر گازها تبعیت می‌کند. همان‌طور که می‌دانید کلیه گازها دارای شکل و فرم مخصوصی نبوده و در مقابل هر مانعی شکل خود را تغییر می‌دهد که علت آن خاصیت تراکمی گازها می‌باشد.

معادله عمومی گازها

کلیه گازها به سه متغییر فشار، حجم و دما وابسته هستند. معادله عمومی گازها ارتباط این سه پارامتر به یکدیگر را نشان می‌دهد. کلیه گازها براساس این قانون رفتار می‌کنند.

مقدار ثابت: $\frac{{{P_1}.{V_1}}}{{{T_1}}} = \frac{{{P_2}.{V_2}}}{{{T_2}}}$

قانون بویل ماریوت

این قانون بیان می‌کند که همواره حاصل ضرب فشار در حجم یک مقدار گاز در صورتیکه دما ثابت باشد، ثابت است.

مقدار ثابت: ${P_1}.V = {P_2}.{V_2}$

قانون چارلز- گیلوساک

اگر حجم ثابت باشد و دما تغییر کند، فشار نیز به همان نسبت تغییر می‌کند. به این قانون، قانون گیلوساک گفته می‌شود.

همان‌طور که مشاهده می‌شود، دو ظرف زیر دارای حجم ثابت یک لیتر می‌باشد ولی یکی دمای 150 درجه کلوین و دیگری دمای 300 درجه کلوین است. در نتیجه فشار در ظرف اول، 1 اتمسفر و در ظرف دوم، 2 اتمسفر می‌باشد.

اجزا سیستم‌های پنوماتیکی

همان‌طور که گفته شد هدف استفاده از سیستم‌های پنوماتیکی، تولید نیرو است. تا در نهایت با کنترل نیروی ایجادشده، از آن در انجام کار موردنظر استفاده شود. جهت این منظور سیستم‌های پنوماتیکی از اجزایی که در زیر به آن اشاره شده‌است تشکیل شده‌اند.

1- تولید هوای فشرده: در این واحد هوای اتمسفر در یک کمپرسور فشرده می‌شود.
2- آماده سازی هوا: در این واحد هوای فشرده شده به منظور استفاده در واحد کنترل و یا مصرف کننده آماده می‌شود.
3- کنترل هوا: در این واحد هوای فشرده شده جهت انجام عملکرد مورد نظر سیستم کنترل می‌شود.
4- مصرف کننده هوا: در این واحد نیروی پنوماتیکی به نیروی مکانیکی تبدیل می‌شود.

واحد تولید هوای فشرده

در این واحد هوای اتمسفر در یک کمپرسور فشرده می‌شود و سپس در مخزن موجود در این واحد ذخیره می‌شود. علاوه بر کمپرسور و مخزن، در این واحد الکتروموتور یا موتور احتراقی جهت تامین انرژی کمپرسور موجود می‌باشد که توسط یک چرخ تسمه محور آن‌ها به یکدیگر متصل شده‌است در این واحد همچنین فشارسنج جهت مشخص‌کردن فشار تولیدی توسط کمپرسور موجود است؛ همچنین در این واحد، سوئیچی جهت تنظیم فشار داخل مخزن قرار داده شده است تا در فشارهای بالا به‌صورت خودکار هوای داخل مخزن را تخلیه کند.

انواع کمپرسورها

کمپرسور جهت تولید هوای فشرده در سیستم‌های پنوماتیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اصول کار کمپرسورها به‌طور کلی به دو صورت می‌باشد:

1- گردان: در این کمپرسورها هوا از یک طرف مکیده و از طرف دیگر به علت شتاب ایجاد شده فشرده می‌شوند. کمپرسورهای پره‌ای از این دسته کمپرسورها می‌باشد.
2- رفت و برگشتی: در این کمپرسورها هوا وارد محفظه‌ای می‌شود و محفظه کوچکتر می‌گردد تا موجب تراکم هوا گردد. کمپرسورهای پیستونی و پیستونی دورانی شامل این نوع از کمپرسورها می‌شوند.

کمپرسورهای پیستونی

کمپرسورهای پیستونی به دو صورت دیافراگمی و پیستونی می‌باشند. کمپرسور پیستونی به دلیل اینکه می‌تواند هوای فشرده ضعیف، متوسط و قوی تولید کند بسیار پرکاربرد می‌باشد (تصویر 7).

در کمپرسورهای دیافراگمی صفحه‌ای بین پیستون و فضای مکنده قرار گرفته و روغن موجود بر روی پیستون وارد فضای مکنده نمی‌شود که این امر باعث می‌شود هوای تولیدی توسط این کمپرسور فاقد ناخالصی‌ها از جمله روغن باشد. از این کمپرسورها در کارخانجات تولید موادغذایی، دارویی و شیمیایی استفاده می‌شود.

کمپرسور پیچی (حلزونی)

در این نوع از کمپرسورها دو چرخ‌دنده که دارای دندانه مارپیچی می‌باشند که قسمت‌های محدب و مقعر هر دو در یکدیگر قرار می‌گیرند، هوا را از یک جهت مکیده و متراکم نموده و از جهت دیگر خارج می‌کند.

کمپرسور دورانی چند سلولی (تیغه‌ای)

این کمپرسورها دارای شیارهایی بر روی روتور خود هستند که داخل این شیارها تیغه‌هایی قرار دارند که بر اثر نیروی گریز از مرکز حاصل از گردش شفت این کمپرسورها در شیارها جابه‌جا می‌شوند و باعث فشرده‌شدن هوای بین دیواره کمپرسور می‌شوند. این کمپرسورها به دلیل کوچک‌بودن ابعادشان و همچنین کمی صدای عملکردشان بسیار مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

کمپرسور توربینی

در این نوع از کمپرسورها، حجم ثابت است و کمپرسور سرعت هوا را تغییر می‌دهد. عملکرد این پمپ‌ها به این صورت می‌باشد که هوا از یک جهت وارد کمپرسور می‌‌شود و با چرخش محور که بر روی آن‌ها پره‌هایی قرار گرفته شده‌است سرعت حرکت هوا افزایش می‌یابد از طرفی پره‌های موجود بر روی بدنه کمپرسور ثابت هستند و باعث کاهش سرعت هوا می‌شوند. در این عمل انرژی جنبشی هوا به فشار تبدیل می‌شود و باعث بالارفتن فشار هوا در کمپرسور می‌شود.

مخزن هوای فشرده

از دیگر اجزای واحد تولید هوای فشرده، مخزن هوای فشرده می‌باشد. مخزن هوای فشرده جهت تامین و ذخیره هوا به‌کار می‌رود و نوسان‌های فشار در شبکه سیستم پنوماتیکی را خنثی کرده و فشار را ثابت نگه می‌دارد. از دیگر کاربردهای مخزن هوای فشرده، خنک‌کردن هوا و کاهش رطوبت هوا و ته‌نشین‌نمودن ذرات ناخالص و آرام‌نمودن جریان خروجی از کمپرسور است.

واحد آماده‌سازی هوا

هوای فشرده شده قبل از آن که در واحدهای کنترل و یا در واحدهای مصرف استفاده شود به دلیل وجود ناخالصی‌هایی که در هوا موجود می‌باشد نیاز به تصفیه‌شدن دارد. اجزای واحد آماده‌سازی هوا به‌صورت زیر می‌باشد.

فیلتر

جهت جداسازی ذرات خارجی از هوای فشرده، هوای فشرده را از فیلتر عبور می‌هند و ناخالصی‌های موجود را جدا می‌کنند. نوع فیلتر در مقدار اندازه ذرات خارجی جداشده موثر است. به‌ ترتیبی که اگر اندازه منفذهای موجود بر روی فیلتر 20 میکرون باشد، ذرات خارجی کوچکتر از 20 میکرون از هوای فشرده پاک‌سازی نمی‌شود.

رطوبت‌گیر

هوای اتمسفر دارای بخار آب می‌باشد و بر اساس منطقه جغرافیایی مقدار آن در هوا متفاوت است. اگر از هوای فشرده به‌طور مستقیم در سیستم پنوماتیکی استفاده شود، به دلیل داشتن رطوبت، قسمت‌های مختلف شیرها و عملگرها را خراب می‌کند.

رگولاتور (شیر تنظیم فشار)

در سیستم‌های پنوماتیکی، کمپرسورها هوای فشرده را با فشار مشخصی تامین می‌کنند. اما برای کنترل و عملگرها گاهی نیاز به فشار کم‌تری داریم. جهت تنظیم فشار هوای فشرده تولیدشده در کمپرسورها، از رگولاتور استفاده می‌کنند. در واقع هوای فشرده خروجی از کمپرسورها در رگولاتورها به میزان موردنظر تنظیم می‌شوند.

روغن‌پاش

حرکت بین اجزای عملگرها و شیرها می‌بایست دارای کم‌ترین اصطکاک باشد. جهت تحقق این امر هوای فشرده‌شده قبل از ورود به شیرها و عملگرها حاوی مقداری روغن می‌شوند. این کار به کمک وسیله‌ای که در واحد آماده‌سازی هوا قرار می‌دهند انجام می‌شود.

عملگرهای پنوماتیکی

جهت تبدیل انرژی هوای فشرده به نیروی مکانیکی از عملگرها استفاده می‌شود. عملگرها دو حرکت دورانی و خطی را می‌توانند ایجادکنند و بر همین اساس به موتورهای پنوماتیکی (عملگرهای دورانی) و سیلندرهای پنوماتیکی (عملگرهای خطی) تقسیم‌بندی می‌شوند.

اساس کار و ساختمان موتورهای پنوماتیکی و سیلندرهای پنوماتیکی مشابه هیدروموتورها و سیلندرهای هیدرولیکی است که در بخش هیدرولیک به معرفی آن‌ها پرداخته‌شده است.

شیرهای کنترلی پنوماتیکی

در سیستم‌های پنوماتیکی جهت کنترل سیال و عملگرهای پنوماتیکی از شیرها استفاده می‌شود. شیرها از اجزایی تشکیل شده‌اند تا بتوان جهت، مقدار، اجازه و یا جلوگیری هوای فشرده را در سیستم‌های پنوماتیکی کنترل کنند. تمام شیرهای پنوماتیکی معمولا از روزنه ثابت، سوپاپ سوزنی، قرقره (اسپول)، پیستون و دیافراگم تشکیل شده‌اند.

بر اساس نوع کارکرد شیرها به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که در زیر به آن‌ها اشاره شده است.

شیرهای کنترل جهت

شیرهای کنترل جهت در سیستم‌های پنوماتیکی جهت هدایت هوای فشرده در عملگرها استفاده می‌شود. در واقع شروع و توقف عملگرها به این شیرها وابسته است. شیرهای کنترل جهت را می‌توان به چهار دسته تقسیم‌بندی کرد:

شیرهای قطع و وصل

این شیرها که گاها شیرهای دوراهه هم خوانده می‌شوند به‌منظور عبور یا سد جریان هوای فشرده در سیستم‌های پنوماتیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این شیرها دارای یک مجرای داخلی است و دو روزنه موجود بر روی سطح بدنه، دهانه‌های شیر را به هم وصل می‌کند. جهت قطع و وصل‌کردن جریان هوا، معمولا از دروازه، ساچمه، قرقره و یا سوپاپ سوزنی در مجرای داخلی استفاده می‌شود.

شیرهای یک‌طرفه

هدف اصلی شیرهای یکطرفه، عبور جریان هوا فقط در یک طرف می‌باشد و عبور جریان هوا در خلاف آن جهت امکان‌پذیر نخواهد بود. شیرهای یک‌طرفه در سیستم‌های پنوماتیکی در موقعیت‌های مختلف قرار می‌گیرد. ساختمان این شیرها بسیار ساده می‌باشد. ساختمان این شیرها شامل یک بدنه که داخل آن مجرایی که به یک ورودی و یک خروجی است می‌باشد و درون مجرا یک ساچمه و یک فنر قرار دارد. زمانی که هوای فشرده در جهت درست وارد شیر یک‌طرفه شود، فشار هوا ساچمه را جابه‌جا می‌کند و مسیر مجرای داخلی باز می‌شود.

شیرهای کنترل جهت 3/2

شیرهای 3/2 به‌منظور کنترل جهت حرکت سیلندرهای یک‌کاره مورد استفاده قرار می‌گیرد. شیرهای کنترل جهت 3/2 از یک بدنه با مجرایی داخلی، دهانه هوای فشرده، دهانه عملگر، دهانه خروجی و یک قرقره کشویی تشکیل شده‌اند. دلیل نام‌گذاری این شیرها به دلیل این که دارای سه دهانه و با تغییر وضعیت اسپول دو وضعیت می‌باشد است. در کل نام‌گذاری شیرهای پنوماتیکی نیز همانند شیرهای هیدرولیکی به این صورت است که ابتدا تعداد دهانه‌ها، سپس تعداد وضعیت شیر و در انتها نحوه‌ی تحریک شیر بیان می‌شود.

شیرهای کنترل جهت 5/2

شیرهای کنترل جهت 5/2 برای کنترل سیلندرهای دوکاره و هیدروموتورها به‌کار گرفته می‌شوند. این شیرها دارای دهانه هوای فشرده، دهانه ورودی سیلندر، دهانه خروجی سیلندر و دهانه خروجی که هوای فشرده را در هوای آزاد رها می‌کند می‌باشند. همچنین این شیرها به وسیله‌ی یک قرقره وضعیت مجرای داخلی شیر را در بین دو حالت تغییر می‌دهد.

علاوه بر شیرهای با دو وضعیت در سیستم‌های پنوماتیکی از شیرهای سه وضعیته نیز استفاده می‌شود که معمولاً در این شیرها وضعیت سوم را موضع میانی نامیده می‌شود. موضع میانی معمولا جهت توقف حرکت عملگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در زیر نماد شیر 5/3 با موضع میانی بسته نمایش داده شده است.

انواع موضع میانی

شیرهای سه وضعیته جهت انجام عملیات‌های مختلف دارای موضع میانی با حالت‌های ورودی مختلف می‌باشند. سه نوع آن اغلب در سیستم‌های پنوماتیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

شیرهای کنترل جریان

از این شیرها به‌منظور کنترل و تنظیم جریان هوای ورودی و خروجی عملگرها استفاده می‌شود که این امر موجب کنترل سرعت عملگرها می‌شود. در این نوع از شیر جریان در مجرایی عبور می‌کند و به‌وسیله‌ی پیچ تنظیم حجم مجرا تنظیم می‌شود. در مدارهای پنوماتیکی معمولا شیرهای کنترل جریان با شیرهای یک‌طرفه ترکیب می‌کنند تا در یک جهت بتوانند جریان عبوری از شیر را کنترل نمایند که باعث تنظیم سرعت عملگرها در سیستم پنوماتیکی می‌شود. در زیر تصویر یک نمونه از شیرهای کنترل جریان نمایش داده شده است.

شیرهای کنترل فشار

فشار هوایی که به سیلندر و موتور پنوماتیکی می‌رسد، بر روی مقدار نیروی پیستون سیلندر و گشتاور موتور پنوماتیکی تاثیرگذار است. مقدار فشار هوای ماکزیمم در مدار پنوماتیکی توسط یک رگولاتور که در قسمت انتهایی مدار می‌باشد، کنترل می‌شود.

شیرهای منطقی

از این نوع شیرها به منظور حس‌کردن جریان هوای فشرده در سیستم، استفاده می‌شود. در واقع در این شیرها، از هوای فشرده به عنوان سیگنال استفاده می‌کنیم. دو نمونه از این شیرها، شیرهای And (دوفشاره) و شیر OR می‌باشد.

1- شیر AND (دو فشاره): در این شیر باید دو هوای سیگنال در یک زمان تأمین شود تا هوای خروجی قابل استفاده مجدد باشد.
2- شیر OR: در این شیر با حس کردن هوای سیگنال در یکی از دو طرف شیر هوای خروجی تأمین می‌شود.

شیرهای تاخیر انداز یا تایمر

این شیرها از یک شیر کنترل جریان، یک مخزن و یک شیر کنترل جهت تشکیل شده‌اند. عملکرد این شیرها به این‌گونه است که هوای فشرده باید ابتدا فضای خالی مخزن را پرکند و پس از آن سیگنال به شیر کنترل جهت که بعد از آن قرار دارد ارسال می‌شود. در واقع با این کار یک‌وقفه در به کار اندازی شیر مورد نظر ایجاد می‌شود. مقدار تاخیر با استفاده از شیر کنترل جریان قابل تنظیم است.