Podstawowymi zaletami pneumatycznych wzmacniaczy ciśnienia są: brak konieczności zastosowania dodatkowego źródła energii, prostota instalacji (możliwość wykorzystania istniejącej instalacji sprężonego powietrza bez wprowadzania istotnych zmian w jej konfiguracji), generowanie małej ilości ciepła oraz bezpieczeństwo (brak urządzeń elektrycznych gwarantujący brak iskrzenia oraz umożliwiający zastosowanie w strefach zagrożonych wybuchem), mały koszt wdrożenia (w odniesieniu do kosztów zbiorników lub kompresorów napędzanych silnikami elektrycznymi), możliwość zabudowy inline, prostota i niskie koszty utrzymania, a także kompaktowa budowa.
W przypadku napędów pneumatycznych nastawiona wartość ciśnienia powinna zostać podda- na szczególnej kontroli z dwóch powodów:
→ wahania ciśnienia mogą skutkować niestabilnością pracy urządzeń wykonawczych,
→ zbyt niska wartość ciśnienia może doprowadzić do niespełnienia wymagań stawianych napędom pneumatycznym (niedobór wartości siły lub momentu).
Potrzeba zastosowania pneumatycznych wzmacniaczy ciśnienia wynika bezpośrednio z wymienionych przyczyn, w tym konieczności:
→ zwiększenia wartości siły (ruch liniowy) lub momentu (ruch obrotowy) elementów napędowych,
→ zachowania poziomu ciśnienia elementów napędowych przy jednoczesnej redukcji ciśnienia sieci i magistral pneumatycznych (rosnące wymagania oszczędności zużycia sprężonego powietrza),
→ eliminacji niekorzystnego efektu spadków ciśnień (gdy sprężone powietrze pełni rolę czynnika wspomagającego przebieg procesu technologicznego),
→ zasilania aplikacji mobilnych pneumatyki, w których stosuje się kompresory o małych wymiarach gabarytowych oraz ograniczonych wartościach ciśnienia wyjściowego.
W artykule przedstawione zostaną: budowa, podstawowe cechy oraz zastosowanie wzmacniaczy służących do zwiększania wartości ciśnienia w układach pneumatycznych. Szczególna uwaga poświęcona będzie urządzeniom napędzanym energią sprężonego powietrza. Przywołane zostaną także wskazane przez producentów wytyczne, których należy przestrzegać w celu maksymalizacji cyklu życia wzmacniacza.
Rozwiązania konstrukcyjne wzmacniaczy ciśnienia
Rozwiązania konstrukcyjne opisywanych wzmacniaczy oparte są najczęściej na konstrukcji tłokowej, w której można wyróżnić podgrupy konstrukcyjne w postaci wzmacniaczy [1-12]:
→ bez zbiornika lub ze zintegrowanym zbiornikiem,
→ z ręczną lub pneumatyczną nastawą ciśnienia,
→ jednostronnego działania (jednostopniowe), dwustronnego działania (jednostopniowe), dwustopniowe, wielostopniowe – w przypadku wielu dostawców istnieje możliwość dowolnej konfiguracji wzmacniaczy, które osiągają różne wartości ciśnień wyjściowych.
W rozwiązaniach przemysłowych można wyszczególnić kilka rozwiązań konfiguracji linii zasilających ze wzmacniaczami ciśnienia sprężonego powietrza:
→ konieczność zasilenia wysokim ciśnieniem wybranych maszyn – wzmacniacz może zostać zainstalowany bezpośrednio do magistrali zasilającej obiekt – takie rozwiązanie umożliwia zasilenie całego układu pneumatycznego sprężonym powietrzem o niskiej wartości ciśnienia przy jednoczesnym zwiększeniu ciśnienia za wzmacniaczem;
→ niedobór siły oraz brak możliwości wymiany siłownika (ze względu na istniejące ograniczenia gabarytów zabudowy) – wzmacniacz powinien zostać umieszczony przed zaworem sterującym (zwiększenie wartości ciśnienia i sił na stronie podtłoczyskowej i nadtłoczyskowej);
→ konieczność uzyskania wysokiego ciśnienia po jednej stronie siłownika – w celu minimalizacji zużycia sprężonego powietrza zalecany jest montaż wzmacniacza
za zaworem sterującym (tylko na linii zasilającej wymagającej wzmocnienia ciśnienia).
Na rysunku przedstawiono przykładową konfigurację zabudowy wzmacniacza ciśnienia [12]. Zasada działania tego układu może zostać określona w następujących krokach [12]:
→ wstępnie przygotowane sprężone powietrze (wartość ciśnienia, klasa czystości, zawodnienia oraz naolejenia) jest doprowadzone do przyłącza 1,
→ rozdzielacz 2 stosowany jest przy wstępnym napełnieniu komory wysokociśnieniowej KWC (zawór zwrotny 4 służy do zabezpieczenia przed niekontrolowanym nawrotem wysokiego ciśnienia),
→ powietrze zostaje doprowadzone (przez zawór rozdzielający 2) do komory niskociśnieniowej KNC – w tym cyklu odbywa się sprężenie powietrza znajdującego się w komorze wysokociśnieniowej KWC,
→ powietrze zostaje przesłane do zbiornika (7) lub urządzenia wykonawczego (8, 9) – wartość ciśnienia jest kontrolowana za pomocą manometru 6 (w niektórych przypadkach wzmacniacze mają wbudowane wyjścia manometryczne, pozwalające na kontrolę ciśnienia wejściowego i wyjściowego urządzenia),
→ po opróżnieniu komory KWC urządzenie powtarza cykl pracy.
Zastosowanie wielu tłoków komory niskiego ciśnienia (lub jednego o dużej powierzchni) wywierających siłę na wspólny tłok komory wysokiego ciśnienia powoduje wytworzenie sprężonego powietrza o znacznie większej wartości ciśnienia wyjściowego (komora KWC). Układ wzmacniacza jest multiplikatorem powietrza, który za każdym suwem tłoka powoduje powstanie zwielokrotnionej wartości ciśnienia powietrza. Ruch tłoka musi występować nieprzerwanie, aby wytworzyć wymaganą objętość powietrza (im wyższa wartość ciśnienia wyjściowego, tym większa liczba suwów tłoka). Wartość siły wyjściowej jest funkcją powierzchni cylindra wejściowego pomnożoną przez całkowity efektywny obszar tłoka (pomnożony przez liczbę stopni wzmacniających). W najczęściej spotykanych rozwiązaniach wartość ciśnienia wyjściowego jest dwu-, trzy- lub czterokrotnie większa od wartości ciśnienia wejściowego.
Zakres dopuszczalnych temperatur działania zależy od zastosowanych uszczelnień. Standardowe uszczelnienia pneumatyczne powinny zachować cechy eksploatacyjne w zakresie temperatur od –4°C do 65°C. Niższe wartości powodują wycieki powietrza lub gazu, natomiast wyższe skracają żywotność uszczelki [1–12].
W przypadku zastosowania wzmacniaczy należy pamiętać o wzroście wartości ciśnienia oraz rosnących wymaganiach odporności zastosowanych urządzeń. Do celów konfiguracji kompletnego sytemu producenci oferują wiele urządzeń wspomagających lub rozszerzających funkcjonalność wzmacniaczy ciśnienia (m.in. przełączniki pilotów wzmacniaczy, zawory pilotów pneumatycznych, regulowane zawory nadmiarowe, dedykowane rozdzielacze pneumatyczne i zawory spustowe, akumulatory hydrauliczne, butle i zbiorniki, zawory wysokociśnieniowe, armaturę i przewody wysokociśnieniowe, komory wyrównawcze, adaptery portów przyłączeniowych, regulatory ciśnienia, zawory progowe ciśnienia, zawory bezpieczeństwa, filtry, zawory zwrotne, wzmacniacze z wbudowaną funkcją kontroli poprawności wykonania cyklu).
Podstawowe zastosowania
Wzmacniacze ciśnienia znalazły zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych. Wśród wiodących można znaleźć:
→ testowanie szczelności układów przemysłowych (m.in. skraplaczy, urządzeń dedykowanych do badania szczelności układów), kontrola poprawności działania i konfiguracji układów hydraulicznych w warunkach laboratoryjnych, badanie hamulców kolejowych;
→ multiplikacja wartości ciśnienia układów roboczych (siłowników pneumatycznych; instalacji służących do suszenia; generatorów azotu; pilotów zaworowych; pras pneumatycznych; uchwytów i zacisków pneumatycznych; podajników farb, syropów, lepkich cieczy; dysz do piaskowania; sprężyn pneumatycznych; stołów podnośnikowych; pneumatycznych wzmacniaczy gazu; pneumatycznych pomp tłokowych oraz membranowych);
→ sterowanie parametrami ciśnienia aplikacji, w których sprężone powietrze pełni rolę czynnika technologicznego (m.in. podawanie gazu osłonowego w procesach cięcia oraz spawania plazmowego, formowanie rozdmuchowe, wysokociśnieniowe napełnianie opon).
Wzmacniacze ciśnienia mogą być stosowane z wieloma gazami przemysłowymi (np. azot, hel, tlen, tlenek azotu, dwutlenek węgla, neon, argon, heksafluorek siarki, tlenek węgla, wodór, metan, etylen, deuter), jednak wymaga to sprawdzenia oraz dopuszczenia do konkretnego gazu [8, 9].
Uwagi końcowe
Pneumatyczne wzmacniacze ciśnienia stanowią alternatywę dla drogich sprężarek oraz wysokociśnieniowych zbiorników powietrza.
Dobór wzmacniacza ciśnienia wymaga sprecyzowania kilku istotnych parametrów użytkowych: klasy filtracji powietrza; wartości ciśnienia zasilania oraz rozładowania; objętościowego natężenia przepływu, przewidywanego zużycia powietrza (w trybach pracy ciągłej i dorywczej) [4 ,8, 9, 11].
Średni czas życia wzmacniacza to ok. 20 mln cykli (zależnie od warunków pracy). Przy decyzji o montażu i w trakcie późniejszej eksploatacji producenci zalecają zwrócenie szczególnej uwagi na zachowanie wymagań odnośnie stopnia czystości powietrza. Nie jest zalecane używanie taśmy uszczelniającej na połączeniach pneumatycznych (małe przepusty mogą zostać zablokowane przez odczepioną taśmę uszczelniającą). Do uszczelniania i smarowania gwintowanych połączeń pneumatycznych należy stosować pastę uszczelniającą do gwintów. Jeśli urządzenia zawierają elementy z EPDM, to powietrze zasilające (oprócz wysokiej czystości) powinno zostać odolejone (EPDM ulega degradacji w obecności smarów ropopochodnych) [13].
Aby uniknąć pulsacji ciśnienia wyjściowego, zaleca się użycie zbiornika sprężonego powietrza. Przy projektowaniu aplikacji ze wzmacniaczem sprężonego powietrza należy pamiętać o właściwym doborze elementów układu (przewody, złącza, zawory, elementy wykonawcze itp.) dopasowanych do zwiększonego ciśnienia panującego w układzie, począwszy od przyłącza wyjściowego wzmacniacza.
Dr inż. Mariusz Hetmańczyk, EMT-Systems Centrum Szkoleń Inżynierskich. Jest pracownikiem naukowo-dydaktycznym Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej. Jego zainteresowania naukowe są skupione wokół zagadnień automatyki i robotyki, sterowania, mechatroniki, diagnostyki przemysłowej, predykcji stanów bazujących na metodach grafowych oraz technologii MEMS.
Literatura
1. Strona internetowa: www.festo.com.
2. Strona internetowa: www.pneumat.com.pl.
3. Strona internetowa: www.camozzi.com.
4. Strona internetowa: www.smc.pl.
5. Strona internetowa: www.bibusmenos.pl.
6. Strona internetowa: www.fluidforce.it.
7. Strona internetowa: www.emerson.com.
8. Strona internetowa: www.hirotaka.co.jp.
9. Strona internetowa: www.haskel.com.
10. Strona internetowa: www.fabco-air.com.
11. Strona internetowa: www.pneumax.com.
12. Strona internetowa: www.uson.com.
13. Strona internetowa: www.midwestpressuresystems.com.
