Siłowniki pod nadzorem

Dlaczego siłowniki pneumatyczne ulegają uszkodzeniu i jak temu zapobiegać? 

Uszkodzenia powłoki zewnętrznej mogą powstać na skutek zanieczyszczenia ciał stałych, wody i smarów.

Pneumatyka jest stosowana głównie w aplikacjach związanych z montażem niewielkich elementów, a także z transportem i przeładunkiem materiałów na małe odległości. Nowe możliwości – takie jak sterowanie zamknięte, podzespoły pneumatyki precyzyjnej, a także elementy elektroniczne pracujące z wysoką prędkością – umożliwiają konkurowanie tych systemów z dostępnymi na rynku elektronicznymi lub hydraulicznymi systemami układu zamkniętego. Siłowniki pneumatyczne i podzespoły zdobywają coraz większe uznanie i akceptację w zastosowaniach przemysłowych dzięki wysokiej odporności na nieprzyjazne środowisko, w którym pracują przy zapewnieniu najwyższej wydajności i zachowaniu konkurencyjnego poziomu kosztów.

Większa część siłowników stosowanych w przemyśle ciężkim jest zgodna ze standardami NFPA (National Fluid Power Association). Standardy te ustalają normy rozmiarów, jakie mogą być stosowane, dzięki czemu siłowniki różnych producentów można stosować zamiennie. Jednak zalecane jest zachowanie ostrożności przy ich wymianie, ponieważ pomimo zgodności z normą NFPA część producentów opatentowała funkcje, które są dostępne tylko w ich produktach.

Należy również zwrócić uwagę na to, że siłowniki pneumatyczne ewoluowały we właściwie niekończący się układ możliwych konfiguracji, rozmiarów, specjalnych wzorów i projektów. Ta różnorodność umożliwia stosowanie wielu innowacyjnych układów konfiguracyjnych, jednak czasami może to prowadzić do wzrostu liczby potencjalnych źródeł defektów.  

Szukanie defektów we właściwych miejscach

Każdy system siłowników pneumatycznych jest przeznaczony do konkretnej aplikacji. Inżynier zakładowy może zapewnić optymalną wydajność urządzenia poprzez kontrolę miejsc, w których może wystąpić problem, a także obserwowanie odpowiednich protokołów dotyczących wykrywania i usuwania usterek. Konstrukcja mechaniczna siłownika pneumatycznego może wygląda na prostą, lecz poszukiwanie i usuwanie usterek może być bardzo skomplikowaną czynnością ze względu na ogromną liczbę poszczególnych specyfikacji.

Rozwój nowych technologii i ciągłe doskonalenie wyrafinowanego sprzętu zobowiązuje inżynierów zakładowych do większej koncentracji na wyszukiwaniu defektów i problemów, które wpływają na powstawanie przestojów, uszkodzeń lub awarii wyposażenia.

Dzięki rygorystycznemu programowi konserwacji prewencyjnej, programowi wykrywania i usuwania usterek, a także odpowiedniej wiedzy na temat miejsc powstawania problemów, siłowniki pneumatyczne mogą być użytkowane na optymalnym poziomie wydajności, zachowując maksymalną funkcjonalność.

Defekty siłowników pneumatycznych najczęściej powodowane są wystąpieniem jednej z niżej wymienionych przyczyn: wyboczenie, zanieczyszczenie, brak odpowiedniego smarowania, brak synchronizacji tempa pracy powodującej przekroczenie granicznych wartości dla podzespołów.

Wyboczenie

Funkcją zaworu jest przesuwanie, dlatego też jego efektywność nie może być oceniana w pozycji stacjonarnej, ale w czasie maksymalnego wysunięcia. W celu zapewnienia maksymalnej wydajności operacyjnej należy unikać wyboczenia tłoczyska, ponieważ siłowniki zaprojektowane są głównie do pracy posuwowej w układzie przeciwsobnym.

W przypadku wystąpienia wyboczenia mocowanie obrotowe przesuwa się po łuku. Mogą się wtedy pojawić problemy wynikające z niewspółosiowości, obciążenia mimośrodowego, odchylenia tłoka, nieodpowiedniego dokręcenia prętów mocujących lub zbyt długiego suwu tłoka.

Wyboczenie nie pozwala na pracę tłoczyska w linii prostej podczas ruchu posuwistego siłownika. Może to powodować nadmierne i zbyt częste uszkodzenia uszczelek, zużycie panewki lub zatarcie się tłoczyska. W przypadku wystąpienia poważnego uszkodzenia może dojść do wygięcia lub do całkowitego złamania tłoczyska.

Podczas instalacji należy zwrócić szczególną uwagę na właściwe wypośrodkowanie obciążenia działającego na oś siłownika. Właściwe ułożenie tłoczyska siłownika z dopasowanymi podzespołami maszyn powinno być skontrolowane zarówno w pozycji stacjonarnej, jak i podczas maksymalnego wysunięcia tłoka w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu pracy urządzenia. Niewłaściwe ułożenie będzie skutkowało nadmiernym „dławieniem” pręta lub szybszym zużyciem średnicy otworu siłownika, co może wpływać na skrócenie czasu pracy takiego siłownika. Należy również zwrócić uwagę na możliwość powstania wyboczenia spowodowanego zużyciem się sworzni mocowania lub śrub montażowych, co przyczynia się do powstawania luzów (pomimo tego, że podczas montażu siłownika pręt był już wbudowany).

Regułą postępowania opartą na doświadczeniu jest wybór takiej metody montażu, która będzie absorbować siły występujące na linii osiowej siłownika. W przypadku gdy tłoczysko jest obciążone głównie w trybie sprężania, zaleca się stosowanie zaślepek końcowych mocujących. Z drugiej strony, gdy tłoczysko jest obciążone głównie przy rozprężaniu, zaleca się stosowanie głowic końcowych mocujących. W obu przypadkach wszystkie mocowania siłownika powinny być kontrolowane regularnie.

Siłowniki stosowane w środowisku szybkoschnących chemikaliów,

farb lub odprysków spawalniczych powinny mieć zainstalowane osłony na uszczelki. 

Zużycie pręta lub jego odchylenie jest sposobem na pomiar ruchu dynamicznego podczas wsuwu i wysuwu tłoka. Jedną z metod pozwalających na określenie stopnia odchylenia pręta jest zamontowanie czujnika, uruchomienie siłownika na pełny cykl i odczyt danych z czujnika. Wartość odchylenia pręta zależy głównie od ułożenia siłownika. Dostępnych jest kilka opcji instalacyjnych, które mogą zoptymalizować wydajność siłownika. Do tych opcji zaliczamy między innymi redukcję naprężenia łożyska pręta poprzez dodanie rurki ograniczającej (stop tube) czy zastosowanie złączki nakrętnej, która ma zabezpieczać pręt przed odchyleniami.

Substancje zanieczyszczające

Siłowniki mogą być zanieczyszczone od wewnątrz przez doprowadzane powietrze lub od zewnątrz z otaczającego środowiska operacyjnego. Do podstawowych typów zanieczyszczeń zaliczamy ciała stałe, wodę i olej. Przykładem potencjalnie negatywnego wpływu substancji zanieczyszczających są ciała stałe, takie jak cząstki stałe, rdza, a także szczątki i odłamki masy uszczelniającej gwinty, które skracają żywotność uszczelek, zatyczek, otworów, przyczyniając się również do uszkodzeń powłoki zewnętrznej.

Ciała stałe: mechaniczne zanieczyszczenie może całkowicie zniszczyć system oparty na siłownikach pneumatycznych. W momencie gdy jakikolwiek typ cząstki przeniknie do głowicy uszczelki, a następnie osadzi się w niej lub w łożysku, może zamienić je w papier ścierny. Potencjalne uszkodzenie spowodowane zanieczyszczeniem ciałami stałymi można znacznie zredukować poprzez utrzymywanie zaślepek na otworach przelotowych w nienaruszonym stanie do momentu podłączenia instalacji. Drugą opcją jest gruntowne oczyszczenie przewodów rurowych przed podłączeniem ich do siłowników, w celu usunięcia wiórów, odłamków i innych zanieczyszczeń pozostawionych po operacjach gwintowania i rozszerzania rur.

W przypadku gdy siłownik pracuje w nieprzyjaznym otoczeniu (wysoka temperatura, chemikalia, farby lub odpryski spawalnicze), istnieje możliwość zamontowania osłony na uszczelki tłoczyska i pręta. Dodatkową opcją instalacyjną jest możliwość wykorzystania pierścienia zbierającego, który usuwałby większe cząstki stałe z pręta, lub montaż osłonki w celu zapewnienia większej ochrony. Usprawnianie filtracji powietrza jest kolejnym sposobem na zwiększenie wydajności siłownika pneumatycznego.

Woda: Para wodna jest zawsze obecna podczas stosowania sprężonego powietrza. Gromadzi się wewnątrz elementów, powodując powstawanie zatorów w otworach przelotowych, rozcieńczając środki wstępnego smarowania i smary stosowane w instalacjach, uszkadzając tuleję lub powłokę pręta, a także zamarzając w niskich temperaturach. Do opcji instalacyjnych mających na celu redukcję szkodliwych efektów działania pary wodnej zaliczamy stosowanie nierdzewnego stalowego pręta i łączników, jak również specjalnego kołnierza ochronnego lub farb epoksydowych.

Oleje: Kolejnym typem substancji zanieczyszczających siłowniki pneumatyczne jest olej przenoszony z układów smarowania sprężarek pneumatycznych, a także olej syntetyczny, który jest niekompatybilny z elementami układu pneumatycznego. Oleje tego typu mogą powodować pęcznienie uszczelek i zatykanie się otworów. Inżynierowie zakładowi mają możliwość wyboru uszczelek kompatybilnych z olejami stosowanymi w określonych aplikacjach i przez to znacznie redukować szkodliwe efekty działania substancji zanieczyszczających.

Niedostateczne smarowanie

Bardzo poważne uszkodzenia mogą być spowodowane brakiem odpowiedniego smarowania uszczelek siłownika. Wysokie lub szybkie cykle mogą generować niezrównoważone wstrząsy obciążenia pod koniec suwu w momencie uderzenia tłoka w nasadkę końcową lub doprowadzić do wysuszenia uszczelek.

Ciepło generowane przez system może narażać podzespoły na nadmierną temperaturę. Dla każdego z wymienionych powodów można podjąć odpowiednie działania zapobiegawcze.

Rozwiązanie problemów dotyczących smarowania polega na wyborze siłowników bez smarowania, dodawaniu lubrykatora do zespołów przygotowania powietrza lub integracji systemu smarowania wtryskowego. Można również wybrać siłownik z wkładkami powietrznymi, dodać amortyzator wstrząsów lub obniżyć ciśnienie w systemie poprzez regulator (jeżeli konfiguracja systemu pozwala na takie działanie). Ostatnią opcją w tym przypadku jest możliwość dodania regulacji przepływu dla siłownika – jedynie w sytuacji, gdy prędkość przepływu nie ma dużego znaczenia.

Siłownik odpowiednio dobrany, zamontowany i utrzymywany, powinien być szczelny. Zdarza się jednak, że jeden lub kilka kryteriów wydajnościowych nie jest zgodnych ze specyfikacją siłownika, co może spowodować powstanie nieszczelności. Dla przykładu, warunki środowiskowe, takie jak temperatura, zbyt duża lub zbyt mała wilgotność (praca na sucho), w porównaniu ze smarowaniem wpływają na zużycie – a zatem i poziom przecieków – zaworu uszczelnienia ruchowego.

I tu również za pomocą odpowiednich działań można przewidywać i zapobiegać możliwości wystąpienia problemów. Dla przykładu, gdy nieszczelność pojawi się pomiędzy tuleją a końcową nasadką, należy sprawdzić moment dokręcenia pręta mocującego. W przypadku gdy moment obrotowy jest zgodny ze specyfikacją, należy wymienić uszczelki tulei. Kolejnym problemem, który może wystąpić, jest nieszczelność w obszarze panewki pręta. W związku z tym zaleca się wymianę uszczelek pręta.

Natomiast nieszczelność wewnątrz siłownika pomiędzy uszczelkami tłoka może spowodować spowolnienie ruchu lub osadzanie siłownika pod obciążeniem. Powodowane jest to nieszczelnością lub zużyciem uszczelek tłoka lub pierścieni. Wymiana jest jedynym rozwiązaniem.

Przekroczenie limitów wytrzymałości

Przekroczenie limitów dotyczących ciśnienia, obciążenia lub energii również może przyczynić się do powstania awarii podzespołów. Jeżeli siłownik pracuje przeciążony, uszczelki podatne są na większe naprężenia i tarcie. Końcówki pręta zginają się lub łamią, a siłownik może ulec rozerwaniu. Dla systemów posiadających regulator prędkości lub urządzenia pochłaniające energię, mogą wystąpić skoki ciśnienia, które są dwu- lub trzykrotnie wyższe od normalnego.

Wymienione problemy mechaniczne można rozwiązać na kilka sposobów. Po pierwsze operator powinien upewnić się, czy akcesoria pręta są odpowiednio przymocowane za pomocą rozpórek i podkładek regulacyjnych lub przy wykorzystaniu gwintowania. Do alternatywnych sposobów zaliczamy zwiększenie rozmiaru gwintu pręta lub zastosowanie wzmocnionej końcówki pręta.

Wykrywanie usterek i ich usuwanie

Dopóki inżynierowie zakładowi, operatorzy i dział utrzymania ruchu wiedzą, na co należy zwrócić uwagę z punktu widzenia projektu urządzenia, jego działania, konserwacji i procedur rozwiązywania problemów, wpływa to na efektywność, niezawodność i opłacalność.

Poniżej znajduje się kilka podstawowych pytań i odpowiedzi, które dotyczą optymalizowania wydajności siłownika pneumatycznego.

• Czy stosuje się złącza, które zwiększają zanieczyszczenie? Zardzewiałe złącza podłączone do siłownika mogą wprowadzić zanieczyszczenie w postaci cząstek.
• Czy filtry wymagają wymiany? Wymiana filtra powinna być standardową procedurą związaną z konserwacją urządzenia. Nowy filtr efektywniej usuwa cząstki.
• Czy stosuje się właściwe urządzenia w celu poprawnej instalacji siłownika? Stosowanie niewłaściwych narzędzi może spowodować uszkodzenia.
• Dlaczego należy z odpowiednią siłą dokręcać elementy złączne? Zapewnia to właściwy montaż prętów mocujących.
• Czy produkt jest objęty gwarancją? Pracownicy utrzymania ruchu powinni sprawdzić, czy uszkodzenie siłownika podlega gwarancji.

Potencjalnym problemem może być również rodzaj materiału wykorzystywanego do budowy siłownika. Dla przykładu, siłownik wykonany ze stali nierdzewnej różni się znacznie od siłownika stalowego. Energia kinetyczna może mieć znaczący wpływ na poziom wydajności porównywalnych siłowników. Błędne obliczenia energii kinetycznej mogą doprowadzić do rozerwania obudowy. Gdy ciśnienie sterowania jest zbyt niskie, granice regulacyjne mogą być niewłaściwie ustawione lub dozujący zawór dławiący może być niesprawny. Umiejętność podejmowania odpowiednich decyzji w takich przypadkach (co robić, jak robić i kiedy robić) zgodnie z wytycznymi procedur najlepszych praktyk pozwoli na utrzymanie najwyższej wydajności pracujących urządzeń.

UR

Ernie Lunski, Parker Hannifin Corp.

Ernie Lunski jest menedżerem sprzedaży produktu w Parker Hannifin Corporations Automation Group. Pracuje tam od 13 lat. Ma również 25-letnie doświadczenie na rynku związanym z pneumatyką.

Artykuł pod redakcją Michała Piłata