مقاله در مورد کاربردهای پنوماتیک و هیدرولیک در صنعت

بخشی از مقاله

كاربردهاي پنوماتيك و هيدروليك در صنعت

هدفها
خواننده در پايان اين فصل با موضوعات زير اشنا مي شود
1- كاربردهاي پنوماتيك و هيدروليك در صنعت
2- امكان تركيب پنوماتيك و هيدروليك با ساير فن اوريها در يك سيستم معين
3- نحوه استفاده از دستگاههاي توان سيالي براي راه اندازي كنترل و اندازه گيري در مجموعه اي از تجهيزات ماشين الات و كارخانه

4- نحوه استفاده از دستگاههاي توان سيالي در فرايندهايي كه وجود ترتيباتي براي ايمني و توقف اضطراري در ان الزامي است

1-1 كاربردهاي صنعتي
از دستگاههاي پنوماتيكي و هيدروليكي سالها در فرايندهاي صنعتي استفاده شده است و به همين جهت اين دستگاهها جاي ثابتي را در صنعت مدرن به دست اورده اند . پيشرفت مداوم فن اوري در زمينه استفاده از نيروي سيالات باعث توسعه و افزايش قابل ملاحظه آن در بسياري از حوزه هايي شده است كه تا كنون از نظر جذب فن پنوماتيك و هيدروليك ناشناخته بوده اند .

بعضي از حوزه هاي مهم كاربرد اين فن اوري عبارت اند از ك
• صنايع توليدي به خصوص صنايع خودروسازي صنايع ماشين ابزار و صنايع توليد وسايل كار و لوازم خانگي
• صنايع فراوري مانند صنايع شيميايي پتروشيمي غذايي نساجي كاغذ سازي و غيره
• صنايع حمل و نقل از جمله حمل و نقل دريايي و سازه هاي صنعتي متحرك
• صنايع تاسيساتي به ويژه صنعت گاز
• صنايع دفاعي

جديدترين حوزه هاي استفاده از اين فن اوري در زمينه استخراج نفت و گاز از بستر دريا صنايع فضايي و هوانوردي و بهره برداري از نيروي هسته اي است .

1-2 فن آوريهاي تركيبي
دستگاههاي پنوماتيكي و هيدرويكي اغلب در تركيب با ساير فن اوريها زا قبيل مكانيكي الكتريكي و الكترونيكي مجموعه اي كاملتر را تشكيل مي دهند . نمونه اي از اين تركيب را مي توان در ساخت روبات مشاهده كرد .

علاوه بر اين در صنايعي كه ايمني دستگاهها اهميت ويژه اي دارد براي در اختيار داشتن امكانات گوناگون بهره برداري و كنترل و اندازه گيري فرايند معيني از مجموعه اي از فن اوريهايي استفاده مي كنند كه اساس فيزيكي متفاوتي دارند . اهميت استفاده از اين روش در اين است كه خرابي يكي از سيستمها كل مجموعه را مختل نمي كند و بقيه دستگاهها به كار خود ادامه مي دهند .

1-3 استفاده از دستگاههاي توان سيالي
دستگاههاي توان سيالي در موارد زير به كار گرفته مي شوند
1- انجام كار با استفاده از دستگاهها و ماشين آلاتي كه داراي حركت خطي ، نوساني و چرخشي هستند . بعضي از شيوه هاي اماده سازي قطعات در صنعت عبارت اند از:
• گرفتن و نگه داشتن قطعه كار
• جابه جايي
• تنظيم موضع يابي و جا گذاري قطعه
• رديف كردن قطعات

الف ) كاربردهاي عمومي موارد زير را در بر مي گيرد ك
• بسته بندي
• باردهي و تغذيه دستگاهها
• كنترل عبور و ريزش مواد
• انتقال موادچرخاندن قطعات
• دسته بندي
• انباشتن قطعات
• منگنه كاري ، و برجسته كاري

شكل

ب – بعضي از موارد عمومي ماشينكاري و اجزاي كار عبارت اند از :
• سوراخكاري
• تراشكاري
• فرز كاري
• اره كشي و برشكاري
• پرداخت و صيقلكاري
• گرم كوبي و قالب زني

2- كنترل دستگاه ها و فراينده ها
از مجموعه هاي پنوماتيكي و هيدروليكي مي توان براي اگاهي از چگوگي عملكرد فرايند در هر لحظه و انتقال اين اطلاعات به سيستم كنترل براي فرمان دهي مناسب استفاده كرد . مثلا يك سوئيچ حدي مي تواند نوبت حركت يك سيستم كار انداز را احساس كند .

3- اندازه گيري پارامترهاي دستگاه يا فرايند
از هيدروليك و پنوماتيك مي توان براي اندازه گيري فرايند يا پارامترهاي دستگاه استفاده كرد و بر اساس اطلاعات دريافتي دستگاه را به كار انداخت و سپس طرز كار را به متصدي ماشين نان داد .

فرايندهاي ياد شده تحت شماره هاي 1 ، 2 ، 3 مي توانند به طور جداگانه و يا در تركيب با يكديگر استفاده شوند .

1-4 سيستمهاي ايمني پنوماتيك و هيدروليك
علاوه بر راه اندازيه ، كنترل و اندازه گيري پارامترهاي دستگاها و خوط فراوري از هيدروليك و پنوماتيك در سيستمهاي ايمني بسيار مطمئن و پيشرفته نيز مي توان استفاده كرد . اين مطلب در فصل 14 تشريح شده است .

سرعت بالا و دت عملكرد كه در طراحي سيستمهاي خوب و پيشرفته پنوماتيكي و هيدورليكي تحقق يافته است همراهب ا مقاومت طبيعي در برابر انفجار و عملكرد مطمئن در مقابل اضافه بار اين فن اوري را به هبترين انتخاب در صنايع دريايي – حفاري در بستر دريا و صنايع پتروشيمي تبديل كرده است .

شكل

شكل 1-2 يك دستگاه هيدروليكي توق اضطراري براي سه چاه نفت زير دريايي را در بهره برداري پتروشيمي نشان مي دهد .
نمونه اي ديگر از سيستمهاي ايمني مورد ياست كه در ترمز خودكار عقب استفاده شده است و مي تواند بههر خودرويي كه ترمز بادي يا ترمز بادي / هيدرويكي دارد اضافه شود . بدون مبالغه چنين مجموعه اي مي تواند خودرو را در هنگام نزديك شدن به مانع در فاصله چند سانتيمتري متوقف كند . شكل 1-3 نمونه اي از قرار گيري تجهيزات ترمز عقب را نشان مي دهد .

شكل

اصول اساسي سيستمهاي توان سيالي

هدفها
خواننده در ياپان اين فصل با موضوعات زير اشنا مي شود
1- مشخصات و ويژگيهاي فيزيكي هوا
2- سيستم توان سيالي از عملكرد گاز متراكم يا مايع تراكم ناپذير در مدار بسته براي انجام كار بهره مي گيرد
3- شناخت سيستم واحديهاي اندازه گيري در پنوماتيك و هيدروليك
4- قانونهاي فيزيكي خاكم بر گازها به ويژه قانون نيوتون و قانون بويل

2-1 خواص فيزيكي هوا
تمام سطح زمين از لايه هاي هواپ وشيده شده است . هوا مخلوطي از گازهاي مختلف است اما به طور عمده از گازهاي زير تشكيل شده است :
• نيتروژن ( تقريبا 78 % حجم هوا )
• اكسيژن ( تقريبا 21 % حجم هوا)

مقدار كمي بخار اب و گاز كربنيك همراه با گازهاي خنثي مثل ارگون ، كريپتون، گزنون، نئون و هيلوم نيز در هوا وجود دارند .
از هواي فشرده و انباشته شده مي توان به عنوان وسيله اي براي اندازه گيري ف كنترل و بهره برداري در تجهيزات و ماشين الات استفاده كرد . اين فن اوري به نام پنوماتيك شناخته شده است.

2-2 اصول سيستمهاي هيدروليكي
در سيستمهاي هيدروليكي سيال مايع ، معمولا روغن ، جايگزين هواي فشرده مي شود و از ان به حالت تحت فشار براي اندازه گيري ، كنترل و راه اندازي خطوط توليد و ماشين آلات استفاده مي شود . دستگاههاي هيدروليكي در مقايسه با دستگاههاي پنومكاتيكي در فشار بالاتري كار و در نتيجه نيروي بزرگتري توليد مي كنند .
در طي سالهاي اخير استانداردهاي مربوط به كار كرد تجهيزات هيدروليكي ارتقا يافته است ، در حالي كه در گذشته فشار 70 بار براي استفاده در سيستمهاي صنعتي هيدروليكي معمول بوده است هم اكنون استفاده از فشارهاي بين 150 و 250 بار امري عادي است . در بعضي موارد از فشار بالاتر از 350 بار نيز استفاده مي شود ، مانند پرسهاي برگ صنعتي ، تاسيسات دريايي ، پتروشيمي و غيره.

2-3 سيستم توان سيالي
رفتار و عملكرد گازهاي فشرده و مايعات تراكم ناپذير در شرايط بسته يكسان است . گازها و مايعات ، كه به عنوان سيال شناخته مي شوند ف قادر به انتقال انرژي در فاصله هاي دور هستند . اين نع مجموعه ها معمولا به نام سيستم توان سيالي شناخته مي شوند .

2-4 واحدها در سيستم واحدهاي متريك St system
براي كمك به فهم قوانين طبيعي حاكم بر رفتار سيالات و نيروي ناشي از حركت انان ، ابعاد فيزيكي به كار گرفته شده و مجموعه توسعه يافته اي از واحدهاي اندازه گيري در پنوماتيك و هيدروليك مورد استفاده قرار مي گيرند . مجموعه واحدهايي كه امروزه معمولا به كار مي رود سيستم بين المللي واحدها يا SI ناميده مي شود . اين واحدها بر اساس واحدهاي متريك بنيان گذاري شده اند و عموما شامل واحدها و اصطلاحات زير مي شوند :

كميتهاي اصلي

كميتهاي فرعي

فشار
فشار نيرويي است كه عمودي بر واحد سطح وارد مي شود . يك پاسكال ؟؟؟؟؟؟؟ معرف فشار ثابت بر يك متر مربع به وسيله يك نيوتون نيرو ؟؟؟؟؟؟؟ است كه عمودي بر سطح وارد مي شود شكل 2-1 ؟؟؟؟؟؟؟ يا ؟؟؟؟؟؟؟ صد كيلو پاسكال برابر است با يك بار ؟؟؟؟؟؟؟ كه حدودا معادل با فشار اتمسفر است . پاسكال واحد بسيار كوچكي از فشار است و به همين جهت بيشتر از بار استفاده مي وشد . يك بار نمايانگر فشار هواي جو است .

2-5 قانون نيوتون
هوا توده اي از گازهاست همان طور كه در هيدروليك روغن ذراتي از مايع است . هر دو جرم با قانون نيوتون به نيرو مرتبط مي شوند :
شتاب * جرم = نيرو
؟؟؟؟؟؟؟

شكل

كه در اينجا شتاب جاذبه زمين ؟؟؟؟؟؟؟ جايگزين ؟؟؟؟؟؟؟ مي شد.

؟؟؟؟؟؟؟

2-6 قانون بويل
هوا نيز مانند ساير گازها شكل معيني ندارد . شكل هوا با كمترين مقاومت در برابر ان تغيير مي يابد . به همين دليل است كه هوا شكل ظرف يا محيط اطرافش را به خود مي گيرد . هوا مي تواند فشرده شود و در صورت فشردگي تمايل به انبساط دارد . رابطه كاربردي بين فشار و حجم بسته يك گاز به قانون بويل معروف است .

قانون بويل چنين مي گويد:
در دماي ثابت ، حجم جرم معيني از گاز با عكس فشار مطلق گاز متناسب است. به عبارت ديگر حاصل ضرب فشار مطلق و حجم براي جرم معيني از گاز مقداري ثابت است شكل 2-2
عموما فرض مي شود كه مايعات مورد استفاده در دستگاههاي هيدروليكي تراكم ناپذير و نسبت به تغيير دما غير حساس هستند بر خلاف دستگاههاي پنوماتيكي كه در انها هوا تراكم پذر و نسبت به تغييرات دما بسيار حساس است . به همين جهت ماشين الات و تجهيزات اضافي در تاسيسات توليد هواي فشرده نصب مي شوند تا كنترل تغييرات دما را كه ناشي از تراكم پذيرش هوا است امكان پذير كنند.
شكل

اين تجهيزات اضافي مي تواند دستگاههاي خنك كن و گرمكن باشند . اين مطلب در بخش 5 مورد بحث قرار مي گيرد .

پرسشها
كدام گازها اجزاي عمده تشكيل دهنده هوا هستند ؟ درصد حجمي آنها چقدر است
واحدهاي SI را كه در اندازه گيري كميتهاي زير به كار مي روند معين كنيد
الف – نيرو ب – مساحت ج – حجم
د – اهنگ جريان ه – فشار
3- فشار ناشي از وارد امدن نيرويي به مقدار 100000 نيوتون بر سطحي به مساحت يك متر مربع را بر حسب بار پيدا كنيد .
4- اگر فشار مطلق 2 متر مكعب هوا از 4/2 بار به 75/2 بار افزايش داده شود حجم هوا به شرط اينكه دما ثابت باشد چقدر خواهد شد ؟

مشخصات و ويژگيهاي سيستمهاي پنوماتيك و هيدروليك

هدفها
خواننده در پايان اين فصل با موضوعات زير اشنا مي شود
1- تفاوت بين فشار جو و فشار نسبي
2- مزيتها و مشخصات ويژه دستگاههاي هواي فشرده و هيدروليك
3- كاستيها و محدوديتهاي دستگاههاي پنوماتيك و هيدروليك
4- شرايط اساسي خطوط هوارساني

3-1 روابط فشار هوا – فشار جو و فشار نسبي
چون همه چيز روي زمين تحت فشار مطلق جو ؟؟؟؟؟؟؟ قرار دارد اين فشار را نمي توان احساس كرد . بنابراين فشار موجود جو به عنوان مبناي اندازه گيري انتخاب و هر انحراف از اين فشار به نحو زير بيان مي شود

فشار نسبي= ؟؟؟؟؟؟؟ يا
خلا = ؟؟؟؟؟؟؟
روابط فشار هوا رد شكل 3-1 نشان داده شده است . فشار جو مقدار ثابتي نيست و بسته به وضع هوا و محل جغرافيايي تغيير مي كند .

شكل

محدوده اي كه شامل فشار از صفر مطلق تا فشار متغير جو است خلائ مي نامند و فشار بالاتر از فشار ج فشار نسبي خوانده مي شود . فشار مطلق ؟؟؟؟؟؟؟ حاصل جمع فشار جو ؟؟؟؟؟؟؟ و فشار نسبي ؟؟؟؟؟؟؟ است . در عمل فشار سنجهاي مورد استفاده فقط فشار نسبي ؟؟؟؟؟؟؟ را نشان م يدهند .
فشار مطلب ؟؟؟؟؟؟؟ تقريبا يك بار ؟؟؟؟؟؟؟ از فشار نسبي ؟؟؟؟؟؟؟ بيشتر است.

3-2 مزيتها و مشخصات ويژه دستگاههاي پنوماتيك و هيدروليك
در بخش اول ديديد كه از پنوماتيك و هيدروليك مدت زيادي است كه در صنعت در زمينه هاي بهره برداري كنترل و اندازه گيري استفاده مي شود مانند
• استفاده از حسگرها برا يتعيين وضعيت عملي فرايندها
• پردازش اطلاعات و داده ها
• عملكرد فيزيكي كار اندازها
• انجام كار

مزاياي اصلي و مشخصات ويژه پنوماتيك و هيدروليك از اين قرار است

• قابليت دسترسي هوا عملا در همه جا به مقدار زياد در دسترس است
• انتقال هوا و سيالات هيدروليك به سادگي و حتي در فاصله هاي زياد از طريق خطوط لوله قابل انتقال هستند
• نگهداري كمپرسور هوا يا پمپ هيدروليك لازم نيست كه مداوم مورد بهره برداري قرار گيرند . هواي فشرده و همچنين سيال هيدروليكي را مي توان در مخزن نگهداري كرده و در موقع لزوم مورد استفاده قرار داد
• دما سيالات هيدروليكي نسبت به نوسانات دما نسبتا غير حساس هستند . اين ويژگي سبب مي شود كه حتي در شرايط غير عادي نيز بتوان با اطمينان از انها استفاده كرد
• اطمينان در مقابل انفجار خطر انفجار و اتش سوزي ناشي از به كارگيري هواي فشرده و سيالات هيدروليكي فوق العاده كم است و در نتيجه نيازي به استفاده از وسايل ايمني گرانقيمت نيست
• تميزي هواي خروجي بدون روغن و تميز است . هواي بدون روغن در صورت نشست كردن از لوله ها يا قطعات دستگاهها باعث الودگي نمي شود . اين نكته به ويژه در صنايع غذايي چوب و نساجي بسيار مهم است
• قطعات دستگاهها قطعات مورد استفاده در دستگاههاي پنوماتيك و هيدروليك ساختمان ساده اي دارند و بنابراين نسبتا ارزان هستند
• سرعت هواي فشرده و سيالات هيدروليكي از جمله محيطهاي تندكار هستند . اين وژگي سبب امكان دستيابي به سرعت بالا در كار مي شود
• قابليت تنظيم سرعت و نيرو با كمك هواي فشرده و سيالات هيدروليكي در محدوده وسيعي قابل تغيير هستند
• مقاوم بودن در مقابل اضافه بار ابزار ماشين الات و قطعات هيدروليكي و پنوماتيكي قابليت تحمل بار تا نقطه توقف را دارند و به همين جهت در مقابل خطرات ناشي از اضافه بار ايمن هستند.

3-3 نقاط ضعف و محدوديتهاي دستگاههاي پنوماتيك و هيدروليك
بديهي است كه هيچ چيز كامل و بي عيبي وجود ندارد و در بهره برداري از دستگاههاي پنوماتيك و هيدروليك هم محدوديتهاي معيني وجود دارد . بعضي از اين محدوديتها به شرح زير هستند
• اماده سازي و نگهداري هواي فشرده و سيالات هيدروليكي احتياج به مراقبت خاص در مقابل نفوذ اب و ناخالصيهاي ديگر دارند
• تراگم پذيري استفاده از هواي فشرده هميشه به سرعت يكنواخت و ثابت پيستون منجر نمي شود
• نيروي لازم تهيه هواي فشرده فقط براي تامين حد معيني از نيروي لازم با صرفه و اقتصادي است . در شرايط عادي كار يعني فشار 6-7 بار ؟؟؟؟؟؟؟ 700-600 بسته به سرعت و مسافت طي شده حد نيروي حاصل ميان 20000-30000 نيوتون خواهد بود
• سطح صدا هواي خروجي دستگاههاي پنوماتيك پرصداست . اين مشكل هم اكنون تا حدود زيادي در نتيجه پيشرفت صدا خفه كن ها و مواد جاذب صدا بر طرف شده است
• هزينه ها هواي فشرده و مايعات هيدروليكي نسبت به ساير وسايل انتقال نيرو گرانتر هستند . بخشي از هزينه هاي زياد مربوط به قيمت انرژي با قطعات ارزان و بازدهي بالا جبران مي شود.

3-4 شرايط اصلي براي خطوط هوارساني
براي بهره برداري مناسب و موثر در تمام دستگاههاي پنوماتيك ضروري است كه خطوط هوارساني شرايط زير را داشته باشند.

• تميز باشند
• خشك باشند
• الوده به روغن نباشند

اگر هوا در اثر ناخالصيها زيادي رطوبت و روغن الوده شده باشد اثر زيان اوري بر عملكرد قطعات و اجزاي دستگاههاي پنوماتيك خواهد گذاشت . مثلا مي تواند باعث گرفتگي يا گير كردن شيرها و يا دستگاههاي راه انداز بشود