Systemy pneumatyczne są z natury uważane za mało wydajne, więc utarło się już, że nie robi się prawie nic, aby je ulepszyć. Okazuje się jednak, że mogą być zoptymalizowane nie tylko w celu poprawy efektywności energetycznej, ale również zwiększenia produktywności i wydłużenia okresu eksploatacji maszyny.
Chociaż w systemach pneumatycznych jest wiele elementów i czynników przyczyniających się do ich nieefektywności, to dzięki zastosowaniu kilku strategii można zmniejszyć zużycie energii w trakcie ich eksploatacji nawet o 35%. Możliwe obszary i metody poprawy efektywności to:
- wyszukanie i naprawa nieszczelności,
- zoptymalizowanie rozmiarów podzespołów,
- zastosowanie odpowiedniego ciśnienia,
- wyregulowanie suwu powrotnego,
- obsługa manualna i automatyczna.
Wyszukiwanie i naprawa nieszczelności
Chociaż nieszczelności w systemach pneumatycznych występują często, nie znaczy to, że nie można im zaradzić i ograniczyć ich występowania. Spośród wielu punktów pomiędzy sprężarką i obciążeniem, w których występują przecieki, dwa główne obszary do poprawy to zawory i uszczelnienia. Pierwszym obszarem weryfikacji powinny być uszkodzone uszczelnienia. Ważne jest również dokładne zrozumienie charakteru nieszczelności, aby dobrać najlepszy zawór do określonego zastosowania.
Niektóre konstrukcje zaworów, np. zawory suwakowe z metalowymi uszczelnieniami, cechują się nieodłącznym wyciekiem wewnętrznym, który jest stały, gdy do zaworu jest dostarczane powietrze. Zwykłe zainstalowanie zaworów z miękkimi uszczelnieniami może znacznie zredukować wyciek.
Należy jednak pamiętać, że zużycie powietrza przez zawory z suwakiem i metalową tuleją nie zmienia się podczas pracy. Z drugiej strony miękkie uszczelnienie powoduje wielokrotnie większy wyciek niż zawór suwakowo-tulejowy przy otwartym przepływie przestawianego zaworu. W związku z tym całkowity wyciek powietrza można zoptymalizować, dobierając odpowiedni typ zaworu do określonego zastosowania.
Niekorzystne warunki środowiskowe, takie jak temperatura, wilgotność i niewłaściwe smarowanie (lub jego brak), przyczyniają się do przecieku na uszczelnieniu. Systemy pneumatyczne w obszarach, w których może występować dużo zanieczyszczeń, mogą funkcjonować znacznie lepiej dzięki zainwestowaniu w wytrzymałe, elastyczne uszczelnienia.
Zoptymalizowanie rozmiarów podzespołów
Ważne jest, aby przy organizacji i instalacji systemów pneumatycznych zarezerwować trochę czasu na prawidłowe dobranie rozmiarów ich podzespołów, ponieważ wielkość każdego podzespołu wpływa na inne części systemu. Mniejsze zawory regulacyjne są co prawda tańsze, ale zastosowanie ich będzie się wiązać w przyszłości z wyższymi kosztami. Mniejsze zawory regulacyjne będą wymagać od sprężarki powietrza cięższej pracy – większego obciążenia, aby zapewnić prawidłowe ciśnienie do siłowników, a to doprowadzi w dłuższym okresie do większego zużycia energii.
Kolejny częsty problem wynika z dobrania większych siłowników, niż jest to konieczne. Nieco większy rozmiar jest niezbędny do kompensacji wahań ciśnienia i strat powietrza, ale elementy znacznie przewymiarowane przyczyniają się do jednego z największych poziomów strat energii w systemie pneumatycznym.
Na przykład siłownik 3-calowy wymaga ponad dwa razy większej objętości powietrza niż siłownik 2-calowy. Ta dodatkowa objętość może być jednak niepotrzebna. Aby uniknąć rażącego przewymiarowania, należy pamiętać, że większość obciążeń i prędkości wymaga tylko 25% dodatkowej objętości do zapewnienia prawidłowego działania. Dobierając zatem odpowiednie przewymiarowanie, można zwiększyć wydajność siłownika nawet o 15%. Biorąc pod uwagę liczbę siłowników wykonujących tysiące cykli roboczych w całym okresie eksploatacji, oszczędności wynikające z prawidłowego doboru ich wielkości stają się znaczące.
Pomoc w wielu obliczeniach i zagadnieniach związanych z prawidłowym doborem wielkości podzespołów – np. czy ładunek jest opuszczany, czy podnoszony – zapewniają odpowiednie pakiety oprogramowania, kalkulatory internetowe, a nawet aplikacje do smartfonów, które mogą ułatwić dobór podzespołów.
Zastosowanie odpowiedniego ciśnienia
W każdym systemie pneumatycznym niewielka część ciśnienia powietrza jest tracona z powodu wahań zużycia, oporów przepływu przez rurociągi i zawory oraz innych czynników. Jednak wielu stratom można zapobiec dzięki zapewnieniu, że odległość pomiędzy sprężarką powietrza lub punktem dopływu powietrza a siłownikiem nie będzie większa niż to konieczne.
System, w którym zostanie zastosowane najkrótsze z możliwych orurowanie, będzie zużywał mniej energii. Rury pomiędzy zaworami regulacyjnymi a siłownikami powinny mieć zawsze, gdy tylko jest to możliwe, długość mniejszą niż 3 m. Przekroczenie tej odległości może pogorszyć zdolność do prawidłowego ustawiania ładunku bez podniesienia poziomu ciśnienia w przewodach.
Kolejnym sposobem poprawy efektywności energetycznej jest zapewnienie, że siłownik wykorzystuje tylko takie ciśnienie, jakie jest potrzebne do wykonania określonego zadania. Zbyt często system jest zaprojektowany na dostarczanie większego ciśnienia, niż jest to potrzebne siłownikowi, ponieważ nie jest brana pod uwagę efektywność energetyczna, a wyłącznie zdolność systemu do wykonywania określonych zadań.
Kolejnym przykładem sytuacji, gdzie siłowniki wykorzystują większe ciśnienie niż jest to konieczne, może być zakład, w którym operatorzy zwiększają ciśnienie z założeniem, że to poprawi działanie systemu. Niestety, ta praktyka często powoduje jedynie straty energii i pieniędzy.
Zainstalowanie czujników monitorujących ciśnienie i regulatorów ciśnienia, które utrzymują poprawne wartości, może zapewnić utrzymanie ciśnienia w zakresie pomiędzy wartością minimalną i maksymalną. Zwykłe dodanie regulatorów ciśnienia w celu kontrolowania jego wartości sprawia, że zakład może uzyskać oszczędność energii na poziomie 40%.
Wyregulowanie suwu powrotnego
Dostarczanie właściwego ciśnienia do suwu powrotnego siłowników jest często zaniedbywane podczas optymalizacji systemów pneumatycznych. Tymczasem może być bardzo istotnym elementem poprawy efektywności energetycznej. W większości zastosowań ładunek jest zazwyczaj przestawiany w jednym kierunku, ale maszyny wykorzystują takie samo ciśnienie w suwie powrotnym jak w roboczym.
Istnieje kilka sposobów poprawienia efektywności suwu powrotnego. Sprężynowy mechanizm powrotny w siłowniku jednostronnego działania zwykle dobrze się sprawdza z krótszymi suwami. Zawór regulacyjny w sprężynowym mechanizmie powrotnym zapewnia sprężone powietrze do wykonania suwu roboczego, a następnie odprowadza powietrze. Podczas suwu powrotnego sprężyna – lub czasem tylko ciężar mechanizmu – powoduje cofnięcie siłownika do pozycji wyjściowej.
Sprężynowy mechanizm powrotny można spotkać np. w systemie transportu materiału z przenośnikiem podającym pudełko na przenośnik boczny. Siłownik pracuje tylko w jednym kierunku. O ile skok roboczy procesu potrzebuje ciśnienia np. 7 barów, aby przestawić pudełko, suw powrotny wymaga jedynie 0,7 bara. Zainstalowanie sprężynowego mechanizmu powrotnego eliminuje objętość powietrza potrzebną na suw powrotny, dzięki czemu sprężarka wykonuje dwukrotnie mniejszą pracę. Zadanie jest wykonywane prawidłowo i pozwala zaoszczędzić dużo pieniędzy na tysiącach wykonywanych cykli.
Sprężynowy mechanizm powrotny w siłowniku jednostronnego działania umożliwia też zmniejszenie zużycia energii potrzebnej na wciskanie. Takie zastosowanie związane jest z aplikacjami łączenia dwóch elementów, np. wciskaniem łożyska do obudowy lub kołka do otworu. Znaczna siła jest wymagana do wciśnięcia, ale mała do cofnięcia siłownika. Siłę potrzebną do cofnięcia siłownika zapewnia sprężynowy mechanizm powrotny.
Regulacja ciśnienia powietrza zapewnia oszczędność energii, a także zminimalizowanie zużycia podzespołów pneumatycznych i pokrewnych. Dzięki zmniejszeniu ciśnienia suwu powrotnego do potrzebnego poziomu maszyna nie ulega niepotrzebnym wibracjom i wstrząsom.
Obsługa manualna i automatyczna
Powietrze jest często marnowane w cyklu jałowym maszyny, gdy nie ma automatycznego zatrzymania przepływu powietrza. Dawniej taka operacja była często wykonywana ręcznie, jednak coraz częstsze znaczące redukcje zatrudnienia sprawiły, że w zakładach jest mniej pracowników obsługowych, którzy mogliby ręcznie wyłączać dopływ powietrza do poszczególnych maszyn.
Inni pracownicy nie rozumieją, że niektóre elementy systemu, jak np. łożyska pneumatyczne, które wymagają ciśnienia nawet po wyłączeniu maszyny, potrzebują zaledwie niewielkiej części ciśnienia wymaganego podczas pracy. Operacje te mogą być wykonywane przez układ automatycznej redukcji ciśnienia powietrza, który obniża ciśnienie powietrza do niezbędnego poziomu, gdy maszyna nie pracuje. Zazwyczaj koszty tych urządzeń zwracają się w ciągu kilku miesięcy.
Autor: Pat Phillips jest menedżerem produktów pneumatycznych w firmie AutomationDirect.
Fot.: Automation Direct
