Napędy są to mechanizmy służące do przekazywania energii ruchu z silnika napędowego do napędzanej maszyny. Współczesne napędy, w znakomitej większości elektryczne, są złożone z silnika elektrycznego i mechanizmu pozwalającego na zmianę prędkości obrotowej, względnie na zamianę ruchu obrotowego na ruch postępowy (liniowy). Napędy z tej drugiej grupy przyjęto nazywać napędami liniowymi.
Rozwój napędów liniowych datuje się od przełomu XIX i XX w. Znalazły one powszechne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki.
Cechy, działanie, zastosowanie
W zależności od potrzeb w napędach liniowych energia ruchu obrotowego silnika zamieniana jest bezpośrednio na ruch postępowy. W tym wypadku wykorzystuje się cechy charakterystyczne konstrukcji silników asynchronicznych. W wyniku rozwinięcia wirnika i stojana silnika elektrycznego do postaci liniowej powstał napęd liniowy mający zastosowanie w systemach dużych mocy, np. w nowoczesnych napędach jednoszynowych szybkich kolei, charakteryzujący się wysoką sprawnością i stosunkowo łatwą możliwością regulowania prędkości pociągu.
Ruch liniowy maszyny napędzanej może być również uzyskiwany w sposób pośredni – za pośrednictwem energii sprężonego powietrza (napędy pneumatyczne) lub cieczy hydraulicznej (napędy hydrauliczne), za pomocą sprężarek lub pomp hydraulicznych. Liniowe napędy pneumatyczne znalazły zastosowanie w szczególności w przemyśle chemicznym, gdzie pracują w atmosferze wybuchowej. Liniowe napędy hydrauliczne wykorzystuje się w szczególności w konstrukcji koparek, spycharek ładowarek, mających powszechne zastosowanie w budownictwie i w górnictwie.
Napędy liniowe charakteryzują się dużą dynamiką, łatwo nimi sterować, a także tworzyć zespoły o dużej mocy, złożone z kilku połączonych ze sobą silników. Idealnie sprawdzają się w transporcie przemysłowym. Umożliwiają wykonanie wielu operacji: przesuwania, podnoszenia, przerzucania, zaciskania, naciągania, napędzania pras i dozowania materiałów sypkich i płynnych. Poruszają elementami konstrukcyjnymi różnych urządzeń: młotów, pras, młynów, pił tarczowych, przenośników rolkowych lub taśmowych, suwnic, wind, drzwi i bram przesuwnych, różnych urządzeń laboratoryjnych i wielu innych. Napędzają nowoczesne pociągi o dużych prędkościach, unoszone elektromagnetycznie lub elektrodynamicznie. Niedawno naukowcy z Politechniki Warszawskiej opracowali projekt ich wykorzystania w futurystycznych pojazdach PRT (Personal Rapid Transport) – indywidualnej komunikacji miejskiej.
Rodzaje napędów liniowych
Napędy elektryczne
Wśród napędów liniowych najszersze zastosowanie mają elektryczne indukcyjne. Część pierwotna silnika, zasilana z sieci elektrycznej, to induktor, a wtórna to bieżnik. Induktor stanowi ferromagnetyczny rdzeń stalowy, w którego żłobkach znajduje się uzwojenie wytwarzające strumień elektromagnetyczny. Bieżnik natomiast to płaska szyna (na ogół dłuższa niż induktor).
W uzwojeniu induktora dzięki jego liniowej strukturze powstaje pole magnetyczne wędrujące. Indukuje ono prądy w bieżniku. W efekcie oddziaływania tych prądów na pole magnetyczne wędrujące powstaje siła pociągowa wywołująca ruch liniowy części ruchomej silnika, czyli induktora albo bieżnika.
Zalety napędów elektrycznych: prosta konstrukcja, samohamowność (warunkiem jest właściwy dobór siłownika), duża masa, jaką może unieść niewielki stosunkowo siłownik, możliwość jego pozycjonowania.
Napędy liniowe elektryczne są stosowane w elementach przesuwnych robotów przemysłowych i trackerów paneli fotowoltaicznych, a także w kolejnictwie. Rekord prędkości kolei unoszonej na poduszce magnetycznej pobił superszybki japoński Maglev, który 6 kwietnia 2015 r. na torze testowym osiągnął prędkość 603 km/h.
Trudno sobie wyobrazić współczesne procesy produkcyjne bez tego rodzaju napędów. Są w nie wyposażone maszyny, które napełniają i kapslują butelki, ładują i rozdzielają produkty; ważą, układają, dozują i formują elementy. Korzysta z nich nowoczesne rolnictwo. Pracują w układach automatyki umożliwiających precyzyjne przesunięcia i pozycjonowanie w komputerach, drukarkach i w telemechanice. W maszynach rolniczych służą do automatyzacji wszelkich liniowych przesunięć, a w sieczkarniach kontrolują otwieranie i zamykanie ruchomych elementów1.
Napędy pneumatyczne
Ten rodzaj napędu działa w następujący sposób: dzięki dostarczonej do niego energii elektrycznej wytwarzane jest sprężone powietrze, które za pomocą siłownika pneumatycznego zostaje przekształcone na ruch liniowy. Podobnie jak w przypadku tłoków parowozów, energia, która została wytworzona, umożliwia wykonywanie częstych, powtarzających się ruchów prostoliniowych po krótkim i niezmiennym torze.
Ze względu na budowę dzielą się na:
➡️ dwustronnego działania, gdzie oba suwy robocze są wywoływane przez sprężone powietrze,
➡️ jednostronnego działania, gdzie jeden z suwów roboczych odbywa się dzięki działaniu sprężyny powrotnej umieszczonej w napędzie.
W pneumatyce (ale nie tylko tam) alternatywą są serwonapędy.
Napędy liniowe pneumatyczne są stosowane w pneumatycznych układach napędowych i sterujących jako elementy wykonawcze przetwarzające energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną. Napędzają urządzenia transportowe: podajniki, podnośniki, obrotnice. W samochodach napędzają otwieranie drzwi, w autach ciężarowych – podnoszenie i opuszczanie platformy wyładunkowej. Wykorzystywane są w urządzeniach ratowniczych: przecinakach i rozwierakach, przydają się więc w ratownictwie i wszędzie tam, gdzie nie można zastosować napędów elektrycznych, np. w warunkach zagrożenia wybuchem. W stacjach wysokiego napięcia napędzają wyłączniki wysokiego napięcia.
Zaletą napędów pneumatycznych jest zasilanie powietrzem, bo jest to medium łatwo dostępne i łatwo się przemieszcza. Ponadto są bezpieczne w eksploatacji. Choć sam napęd liniowy pneumatyczny jest tańszy niż elektryczny, jego eksploatacja generuje wysokie straty energii:
➡️ 80% całego poboru energii zużywa się w trakcie wytwarzania sprężonego powietrza w sprężarkach (które są na ogół zasilane prądem elektrycznym), jeszcze zanim powietrze zostanie przetoczone do siłownika i wykona w nim pracę,
➡️ podczas przetaczania powietrza do siłownika.
Pneumatyczne elementy wykonawcze w liniach produkcyjnych są wypierane przez w pełni sterowane siłowniki elektryczne.
Napędy hydrauliczne
O ile udział napędów elektrycznych w produkcji od lat 70. XX w. znacznie wzrósł, a pneumatycznych drastycznie zmalał, użycie napędów hydraulicznych pozostaje na tym samym poziomie. Wciąż stanowią one podstawowy napęd dla robotów o dużych udźwigach, tam gdzie odbywa się szybkie przenoszenie.
W napędach liniowych hydraulicznych energia potrzebna do uruchomienia elementu roboczego jest dostarczana w postaci energii cieczy o podwyższonym ciśnieniu. W układach napędów hydraulicznych są stosowane trzy rodzaje siłowników: dwustronnego działania, różnicowe i jednostronnego działania. Umożliwiają one rozwijanie dużych wartości sił i duże przemieszczenia.
Napędy hydrauliczne poruszają maszyny budowlane (np. elementy ramienia koparki), rolnicze i drogowe. Są elementami wykonawczymi we wtryskarkach, obrabiarkach, tokarkach, frezarkach, szlifierkach2, robotach, układach hydraulicznych samolotów, podnośnikach, prasach. Uruchamiają bramy harmonijkowe. W górnictwie stosuje się je do przemieszczania organów urabiających, przesuwania przenośników czy przepychania wozów w prawie wszystkich urządzeniach do mechanizacji robót pomocniczych.
Zalety napędów hydraulicznych: szybki rozruch, bardzo duża prędkość działania, mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, a łatwość zabezpieczenia przed przeciążeniami. Ich wadą jest duży hałas emitowany przez pompę i niebezpieczeństwo wycieków oleju, a to właśnie podczas wycieków z przewodów i na zaworach mają miejsce duże straty energii. Ponadto w napędzie hydraulicznym energia z hamowania nie jest regenerowana, ale robi się upust rozprężonego powietrza. Dla kontrastu, w napędzie elektrycznym energia ta jest akumulowana w obwodzie szyny prądu stałego i wykorzystywana do rozpędzania elementu wykonawczego, a nadmiar energii jest zwracany do sieci elektroenergetycznej.
Kryteria doboru napędu
Przedsiębiorstwa produkujące armaturę przemysłową, o ile to możliwe, pomagają klientom dobierać do konkretnego urządzenia najlepszy rodzaj napędu, dostarczają urządzenie zamawiającemu i szkolą pracowników. Kryteria doboru napędu to:
➡️ dostępne źródła energii i koszt jej wykorzystania do zasilania napędu,
➡️ typ armatury (rodzaj ruchu roboczego, funkcja w instalacji),
➡️ parametry medium w instalacji (ciśnienie, temperatura),
➡️ wymagania wynikające z technologii (prędkość ruchu roboczego),
➡️ opory do pokonania podczas ruchu roboczego (wymagana siła lub moment obrotowy),
➡️ wymagania ze strony układu automatyki (sterowanie miejscowe, zdalne, współpraca z innymi elementami systemu),
➡️ inne elementy, wynikające np. z wymagań inwestora czy użytkownika.
Ostateczny dobór i podłączenie napędu powinni wykonać doświadczeni specjaliści, by uniknąć wadliwego działania układu i zniszczenia kosztownej maszyny.
Precyzja działania
Urządzenia wykonawcze z napędami liniowymi można zazwyczaj kwalifikować do dwóch lub trzech klas (poziomów) dokładności:
➡️ komercyjnej (najniższa),
➡️ standardowej,
➡️ precyzyjnej (najwyższa).
Dokładność napędów należących do poszczególnych klas ocenia się, analizując i porównując dane techniczne, jakie podają producenci, a dotyczące: dokładności i powtarzalności pozycjonowania, równoległości biegu napędu oraz dopuszczalnych luzów i momentu startowego. O dokładności i poprawności funkcjonowania napędów liniowych decydują przede wszystkim poprawnie wykonane szyny prowadnic i przekładnie, wpływające bezpośrednio na płynność ruchu ruchomego bloku oraz śruby ślimakowej wraz z nakrętką kulkową. Jest to szczególnie ważne w przypadku małych napędów, gdzie skutkiem nawet niewielkich luzów czy odchyłek ustawienia kulek w mechanizmie przekładni może być znaczna niedokładność pracy napędu, szybkości reakcji i pozycjonowania.
Jeżeli w rowkach (torach) wiodących kulek występują nawet najmniejsze luzy, to mogą one poruszać się w różnych kierunkach i wtedy pogarsza się dokładność pozycjonowania. Dlatego tak ważne jest stosowanie układów przeniesienia napędu z rowkami kulkowymi zapewniającymi nie dwa, ale cztery punkty styku kulki z powierzchnią rowka. Chodzi o rowki w kształcie łukowym (tzw. łuk gotycki). Tam ryzyko wystąpienia luzów praktycznie nie istnieje. Te układy są zalecane do stosowania tam, gdzie oczekuje się najwyższej precyzji działania napędów liniowych3.
Podsumowanie
Napęd liniowy elektryczny jest rozwiązaniem ekonomicznym i ekologicznym. Jest bardziej wydajny niż napędy pneumatyczne i hydrauliczne, a także prostszy w montażu, bo nie wymaga zastosowania np. specjalistycznych przewodów i zaworów doprowadzających płyn. Opłaca się go używać przede wszystkim tam, gdzie konieczna jest duża dynamika i precyzja ruchów. W przypadku napędów małej mocy, szczególnie w atmosferze wybuchowej, rozwiązaniem bardzo opłacalnym jest wykorzystanie napędów pneumatycznych.
Napędy elektryczne są bardziej przyjazne dla środowiska niż pneumatyka i hydraulika – ograniczają pobór energii oraz poziom emisji dwutlenku węgla nawet o 90% w stosunku do napędów pneumatycznych i hydraulicznych. Sprawnie pracują z wysoką częstotliwością i są trwałe: ich trwałość to średnio kilka miliardów skoków, do momentu wystąpienia awarii.
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
-
K. Kunka, „Siłowniki elektryczne w maszynach rolniczych”, AutomatykaOnline.pl, 18.01.2016 [dostęp: 2.10.2017], http://automatykaonline.pl/Artykuly/Technika-napedowa/Silowniki-elektryczne-w-maszynach-rolniczych.
-
E. Zbierajewska, „Napędy”, UtrzymanieRuchu.pl, 14.11.2010 [dostęp: 2.10.2017], https://www.utrzymanieruchu.pl/menu-gorne/artykul/
article/napedy/. -
Na podst.: N. Yamaguchi, pod red. dr. inż. A. Ożadowicza, „Wybór napędu liniowego małej mocy”, UtrzymanieRuchu.pl, 22.10.2009 [dostęp: 2.10.2017], https://www.utrzymanieruchu.pl/index.php?id=47&no_cache=1&tx_ttnews[tt_news]=3841&cHash=d84e6f0aee&type=98.
