سیستم پنوماتیک چیست؟

سیستم پنوماتیک چیست؟

پنوماتیک یکی از انواع انرژی هایی است که در حال حاضر از آن استفاده زیادی در صنایع می شود و می توان گفت امروزه کمتر کارخانجات یا مراکز صنعتی را می توان دید که از سیستم پنوماتیک استفاده نکنند و در قرن حاضر یکی از انواع انرژی های اثبات شده ای است که بشر با اتکا به آن، راه صنعت را می پیماید.

پنوما در زبان یونانی یعنی تنفس باد و پنوماتیک علمی است که در مورد حرکات و وقایع هوا صحبت می کند. امروزه پنوماتیک در بین صنعت گران به عنوان انرژی بسیار تمیز و کم خطر و ارزان مشهور است و از آن به علت مزایا و خواصی مانند بازده بالا، قابل کنترل بودن و سادگی تعمیر و نگهداری آسان استفاده وافر می کنند.

سیستم پنوماتیک چیست ؟

با گسترش و پیشرفت هیدرولیک و علم الکترونیک و کاربرد روز افزون آن ها در ضنتعت، سیستم های کنترل به سیستم های مدرن و پیشرفته ای چون سیستم پنوماتیک ارتقا پیدا کردند. از سیستم پنوماتیک یا نیوماتیک در مواردی که نیروهای نسبتاً پایین (حدود یک تن) و سرعت های حرکتی بالا مورد نیاز باشد (مانند سیستم هایی که در قسمت های محرک ربات ها به کار می روند) استفاده می کنند.

در صورتی که کاربردهای سیستم های هیدرولیک بیشتر در مواردی است که قدرت های بالا و سرعت های کنترل شده دقیق مورد نظر باشد (مانند جک های هیدرولیک، ترمز و فرمان هیدرولیک). مزایای سیستم پنوماتیک یا نیوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی و الکتریکی موارد زیر را شامل می شوند:

طراحی ساده
قابلیت افزایش نیرو
سادگی و دقت کنترل
انعطاف پذیری
راندمان بالا
اطمینان

در سیستم پنوماتیک نسبت به سایر سیستم های مکانیکی قطعات محرک کمتری وجود دارد و می توان در هر نقطه به حرکت های خطی یا دورانی با قدرت بالا و کنترل مناسب دست یافت، چون انتقال قدرت توسط جریان سیال پر فشار در خطوط انتقال (لوله ها و شلنگ ها) صورت می گیرد ولی در سیستم های مکانیکی دیگر، برای انتقال قدرت از اجزایی مانند بادامک، چرخ دنده، گاردان، اهرم، کلاچ و… استفاده می کنند.

استفاده از شیلنگ های انعطاف پذیر، سیستم های پنوماتیک و هیدرولیک را به سیستم های انعطاف پذیری تبدیل می کنند که در آنها از محدودیت های مکانی که برای نصب سیستم های دیگر به چشم میخورد خبری نیست.

سیستم های هیدرولیک و نیوماتیک به خاطر اصطحکاک کم و هزینه پایین از راندمان بالایی برخوردار هستند. به علاوه با استفاده از شیرهای اطمینان و سوئیچ های فشاری و حرارتی می توان سیستمی مقاوم در برابر بارهای ناگهانی، حرارت یا فشار بیش از حد ساخت که نشان از اطمینان بالای این سیستم ها دارد. سیستم پنوماتیک در صنایع نفت و پتروشیمی، کاغذ سازی، فولاد، صنایع هوایی و دندان پزشکی کاربرد دارد.

ساختار سیستم پنوماتیک

برای انتقال قدرت به یک سیال تحت فشار (تراکم پذیر یا تراکم ناپذیر) احتیاج داریم که در سیستم های هیدرولیک توسط پمپ های هیدرولیک، نیروی مکانیکی را تبدیل به قدرت سیال تحت فشار نماید. مرحله بعد، انتقال نیرو به نقطه دلخواه است که این وظیفه را لوله ها، شیلنگ ها و بست ها به عهده می گیرند. بعد از کنترل فشار و تعیین جهت جریان توسط شیرها، سیال تحت فشار به سمت عملگرها (سیلندرها یا موتورهای هیدرولیک) هدایت می شوند تا قدرت سیال به نیروی مکانیکی مورد نیاز (به صورت خطی یا دورانی) تبدیل شود.

کار سیستم های نیوماتیک مشابه سیستم های هیدرولیک است، فقط در آن به جای سیال تراکم پذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر هوا استفاده می کنند. در سیستم های نیوماتیک برای دست یافتن به یک سیال پر فشار، هوا را توسط کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آن را در یک مخزن ذخیره می کنند، البته دمای هوا پس از فشرده شدن بالا می رود که می تواند به قطعات سیستم آسیب برساند؛ لذا هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده میعان، در فرآیند خنک سازی باید از یک واحد بهینه سازی برای خشک کردن هوای پر فشار استفاده کرد.

قوانین فیزیک در سیستم پنوماتیک
فشار مطلق و نسبی

چون تمام کره زمین تحت فشار اتمسفر قرار گرفته است بنابراین فشار اتمسفر را به عنوان پایه قرار داده و هر انحرافی از آن به عنوان فشار نسبی مطرح می شود. مقدار فشار اتمسفر برای ارتفاع صفر از سطح دریا تقریبا برابر یک بار است. در اصل فشارسنج ها فشار نسبی را نمایش می دهند.
قانون بویل-ماریوت

بر طبق این قانون در دمای ثابت برای جرم مشخصی از گاز، حاصل ضرب فشار در حجم همواره برابر با یک مقدار ثابت خواهد بود.
دبی حجمی و دبی جرمی

دبی همان شدت جریان سیال است. برای اندازه گیری دبی از جریان سنج یا فلومتر استفاده می شود.

تعریف دبی حجمی (Q): حجم معینی از یک سیال که از یک مقطع در واحد زمان عبور کند.
تعریف دبی جرمی (°M): جرم معینی از یک سیال که از یک مقطع در واحد زمان عبور کند.

فلومترهای حجم سنجی که کل حجم سیال را اندازه گیری می کنند، دارای یک ترانسدیوسر و یک ثبات یا اندیکاتور برای نشان دادن کل حجم سیال هستند. در این تراندیوسرها از سرعت حرکت یک عامل حس کننده (Sensing Element) استفاده می شود که سرعت این عامل حس کننده متناسب با دبی حجمی سیال خواهد بود.

اصل پاسکال

اگر هوا در یک مخزن ذخیره شده باشد، در حالت استاتیک فشار هوا در تمامی نقاط آن یکسان خواهد بود. اگر حجم مخزن را کاهش دهید فشار هوای ذخیره در آن افزایش می یابد. اساس کار کمپرسورها برای تولید هوای فشرده نیز بدین صورت است که ابتدا هوا را از بیرون مکش کرده و سپس در یک سیلندر ذخیره می کنند، آنگاه با کاهش حجم این سیلندر توسط پیستون آن، فشار هوای ذخیره شده در آن افزایش می یابد.

اصل ونتوری

طبق اصل ونتوری زمانیکه هوا در لوله ای مانند شکل در جریان باشد، به علت وجود تنگنا، در سمت راست لوله افت فشار ایجاد می شود. در صورت ایجاد یک سوراخ در قسمت تنگنا، سمت راست لوله می خواهد افت فشارش را با مکش هوا از بیرون جبران نماید.

بنابراین در صورت اتصال یک ساکشن کاپ در این محل، با وجود مکش ایجاد شده می توان قطعات را جابه جا نمود. با قطع هوای ورودی عمل مکش نیز قطع می شود.

نکاتی در مورد اصل ونتوری

١- دبی حجمی در هر سه ناحیه همواره برابر است:

Q1=Q2=Q3

۲- سرعت سیال در ناحیه وسط عکس سمت چپ از سایر نواحی بیشتر است:

V2>V1 , V2>V3

٣- فشار هوا در داخل تنگنا و پس از تنگنا کاهش می یابد یعنی:

P1> P2 , P1 > P3

سه راهی ها، زانویی ها، شیلنگ های طولانی و….. مانند تنگنا عمل نموده و در سیستم افت فشار ایجاد می کنند. باید دقت کنید همیشه افت فشار حداقل باشد. یکی از مهمترین عواملی که باعث جلوگیری از افت فشار در شبکه می شود، انتخاب قطر صحیح برای لوله ها است.

۴- محاسبه مقدار افت فشار

ΔP=P1-P3

۵- در صورت کاهش سطح مقطع تنگنا، دبی حجمی در هر سه ناحیه کاهش می یابد.
هوای فشرده چه مزایا و معایبی دارد ؟
مزایای هوای فشرده

١- هوا همیشه و همه جا به اندازه کافی وجود دارد و هر مقدار که بخواهید می توانید هوای فشرده تولید نمایید.

٢- هوای فشرده را می توانید توسط خطوط لوله به نقاط دلخواه منتقل نمایید.

٣- هوای فشرده دارای قابلیت ذخیره سازی است؛ یعنی می توان آن را در یک کپسول یا مخزن مناسب ذخیره نمود و به راحتی به مکان مورد نظر خود حمل کرد.

۴- نوسانات حرارتی محیط در سیستم هایی که با هوای فشرده کار می کنند تأثیری ندارد؛ بنابراین می توانید در نواحی ای که دمای هوا به حداکثر سرما یا گرما می رسند از این سیستم ها استفاده نمایید (مانند مناطق کوهستانی برف گیر همانند سهند و سبلان که جمعیت روستایی بالایی هم دارند و دمای هوا گاه به ۳۰ درجه سانتیگراد زیر صفر هم می رسد).

۵- هوای فشرده ایمنی بالایی دارد بدین مفهوم که باعث ایجاد انفجار، آتش سوزی، برق گرفتگی و اتصالی نمی شود.

۶- هوای فشرده چنانچه روغن زده نباشد تمیز و پاک است و می توانید از آن در صنایع غذایی، نساجی، دارویی و… استفاده نمایید (مانند کپسول های هوا که برای تنفس بیماران استفاده می شود یا کپسول های غواصی یا حتی کپسول های تنفسی در محیط های صنعتی خطرناک که گاز H2S دارند).

۷- قطعات پنوماتیکی دارای ساختمانی ساده هستند بنابراین قیمت های نسبتاً مناسبی دارند.

۸- هوای فشرده سرعت بالایی دارد. برای مثال یک سیلندر پنوماتیکی می تواند سرعتی برابر دو متر بر ثانیه داشته باشد.

۹- سرعت و نیرو در عناصر پنوماتیکی قابل کنترل هستند.

معایب هوای فشرده

١- گاهی بدون رعایت جوانب و قوانین مربوط به تولید هوای فشرده، آن ها دارای رطوبت و گرد و غبار می شوند.

اگر این آلودگی ها از هوای فشرده جدا نشوند باعث ایجاد رسوبات در تجهیزات پنوماتیکی شده و باعث خرابی آنها می گردند. برای جداسازی رطوبت و آلودگی از هوا می توان از فیلترهای هوایی استفاده نمود.

٢- هوای فشرده یک انرژی نسبتاً گران است، اما با توجه به ارزان بودن قطعات پنوماتیک و قابلیت بالای آن ها، استفاده از هوای فشرده اقتصادی و مقرون به صرفه خواهد بود.

۳- استفاده از هوای فشرده زمانی مقرون به صرفه است که در فشارهای پایین از آن استفاده شود. چنانچه در فشارهای بالاتر از آن استفاده گردد، دیگر اقتصادی و مقرون به صرفه نخواهد بود.

۴- هوای فشرده در هنگام تخلیه از شیرهای پنوماتیک، ایجاد آلودگی صوتی می نماید. البته با استفاده از صدا خفه کن تا حد زیادی می توان از بروز این مشکل جلوگیری نمود.

۵- هوای فشرده دارای تراکم پذیری بالایی است. این مشکل باعث می شود که عمل کننده های پنوماتیکی نتوانند به یک سرعت یکنواخت برسند.
میزان فشار مناسب هوا در سیستم پنوماتیک

اجزاء پنوماتیکی برای فشار کار حداکثر ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلو پاسکال (۸-۱۰ bar) طراحی شده اند. تجربه نشان می دهد که برای عملکرد بهینه تقریباً فشار ۶۰۰ کیلو پاسکال (۶ bar) مناسب است و همواره در حدود ۱۰ تا ۵ کیلو پاسکال (۰٫۱ – ۰٫۵ bar) افت فشار در سیستم انتظار می رود که علت آن وجود مسیرهای مسدوده زانویی نشتی و افت فشار لوله ها است که این خود بستگی به سایز سیستم لوله کشی و نحوه طرح بندی آن دارد.

یک کمپرسور باید حداقل ۶۵۰ تا ۶۰۰ کیلوپاسکال (۶- ۶٫۵ bar) فشار را تأمین کند تا بتواند به سطح فشار کاری ۶۰۰ کیلو پاسکال (۶ بار) قابل قبول برسد.

تجهیزاتی که باید جهت تولید و آماده سازی هوای فشرده در نظر گرفته شود:

فیلتر ورودی
کمپرسور هوا
مخزن هوا
خشکن هوا
فیلتر هوا با جدا کننده آب
روغن زن در صورت لزوم
رگولاتور فشار
محل های آب بندی

اگر فشرده سازی هوا به صورت مناسب انجام نشود تأثیرات زیر را خواهد داشت:

خوردگی سریع در آب بندها و اجزاء متحرک سیلندرها و شیرها
شیرها بیش از حد روغنی می شوند
گرفتگی صدا خفه کن ها
خوردگی در لوله ها، شیرها، سیلندرها و اجزاء دیگر

اجزای سسیتم پنوماتیک

در ادامه به بررسی اجزای سیستم پنوماتیک می پردازیم:
۱- کمپرسور هوا

کمپرسور، هوا را از بیرون مکش می کند و آن را فشرده می سازد. هوای فشرده باید دارای فشار مناسب، خشک و تمیز باشد. کمپرسور باید در محل هایی که هوا آلوده نیست نصب شود زیرا هوای آلوده از عمر کاری کمپرسور می کاهد.

در شکل های زیر به طور مثال عملکرد دو نمونه کمپرسور هوا، اولی کمپرسور پیستونی و تصویر بعد کمپرسور هوای دورانی را نشان می دهد.