Grondbeginselen van Pneumatica: Kernconcepten en Systeemtoepassingen

Basisprincipes van Pneumatica en Pneumatische Systemen

Pneumatica speelt al lang een cruciale rol als technologie bij het uitvoeren van mechanisch werk en bij de ontwikkeling van automatiseringsoplossingen. Pneumatische systemen lijken op hydraulische systemen, maar gebruiken in plaats van hydraulische vloeistof gecomprimeerde lucht.

Een pneumatisch systeem gebruikt gecomprimeerde lucht om energie over te dragen en te regelen. Deze systemen worden uitgebreid toegepast in diverse industrieën. De meeste pneumatische systemen zijn afhankelijk van een constante aanvoer van gecomprimeerde lucht, geleverd door een luchtcompressor. De compressor zuigt atmosferische lucht in en slaat deze op in een hoge-druktank, de ontvanger. Vervolgens wordt de gecomprimeerde lucht via een netwerk van buizen en kleppen naar het systeem getransporteerd.

Het woord 'Pneuma' betekent lucht. Pneumatica gaat over het gebruik van gecomprimeerde lucht om werk te verrichten. Gecomprimeerde lucht is atmosferische lucht die in volume is verminderd door compressie, wat de druk verhoogt. Deze dient normaal als werkmedium bij een druk van 6 tot 8 kg/cm². Met pneumatische systemen kan een maximale kracht van 50 kN worden ontwikkeld. De bediening van besturingen kan handmatig, pneumatisch of elektrisch zijn. Gecomprimeerde lucht voert voornamelijk werk uit door te werken op een zuiger of schoep. Deze energie vindt toepassing in veel sectoren van de staalindustrie.

Voordelen van Pneumatische Systemen

Pneumatische systemen worden breed ingezet voor het aandrijven van automatische machines en bieden talloze voordelen:

• Hoge effectiviteit – Er is een onbeperkte voorraad lucht in de atmosfeer. Gecomprimeerde lucht kan gemakkelijk in grote volumes worden opgeslagen en over lange afstanden via buizen getransporteerd. Na gebruik kan de lucht direct in de atmosfeer worden afgeblazen zonder verwerking.
• Hoge duurzaamheid en betrouwbaarheid – Pneumatische componenten zijn uiterst duurzaam en moeilijk te beschadigen. Vergeleken met electromotoren zijn ze duurzamer en betrouwbaarder.
• Eenvoudig ontwerp – De componenten hebben een relatief simpele constructie, ideaal voor eenvoudige automatische regelsystemen. Er is keuze uit lineaire of rotatieve beweging met steploos instelbare snelheden.
• Hoge aanpasbaarheid aan harde omstandigheden – Gecomprimeerde lucht wordt minder beïnvloed door hoge temperaturen, stof en corrosieve omgevingen dan andere systemen.
• Veiligheid – Pneumatische systemen zijn veiliger dan electromotoren omdat ze in brandbare omgevingen kunnen werken zonder brand- of explosierisico. Overbelasting leidt slechts tot afglijden of stilstand, zonder oververhitting of brand.
• Eenvoudige selectie van snelheid en druk – Snelheden van rectiligne en oscillerende bewegingen zijn gemakkelijk in te stellen. Druk en volume worden eenvoudig geregeerd met een drukregeerder.
• Milieuvriendelijk – Pneumatische systemen produceren geen verontreinigingen. Met juiste uitlaatluchtbehandeling voldoen ze aan schoonruimtestandaarden, bijvoorbeeld in productielijnen voor geïntegreerde schakelingen.
• Economisch – Componenten zijn goedkoop, wat lage systeemkosten geeft. Door de hoge duurzaamheid zijn onderhoudskosten aanzienlijk lager dan bij andere systemen.

Beperkingen van Pneumatische Systemen

Ondanks de voordelen hebben pneumatische systemen ook beperkingen:

• Relatief lage nauwkeurigheid – De werking hangt af van het volume gecomprimeerde lucht, dat verandert bij compressie of verhitting, wat de nauwkeurigheid vermindert.
• Beperkte belasting – Cylinders zijn niet erg groot, dus zware lasten kunnen niet worden aangedreven.
• Voorbewerking vereist – Gecomprimeerde lucht moet gedroogd en gefilterd worden om watervloeistof en stof te verwijderen, anders slijten bewegende delen snel.
• Ongelijke bewegingssnelheid – Omdat lucht gemakkelijk comprimeerbaar is, zijn de zuigersnelheden redelijk oneffen.
• Geluidsproductie – Geluid ontstaat bij het aflaten van gecomprimeerde lucht uit componenten.

Componenten van Pneumatische Systemen

Pneumatische cylinders, draai-actuatoren en luchtmotoren leveren kracht en beweging voor het vasten, verplaatsen, vormgeven en verwerken van materialen. Voor de bediening en regeling zijn onderdelen nodig zoals luchtbehandelingseenheden voor de voorbereiding van gecomprimeerde lucht en kleppen voor druk-, stroom- en richtingscontrole van de actuatoren. Een basis-pneumatisch systeem bestaat uit twee hoofddelen:

• Productie-, transport- en distributiesysteem voor gecomprimeerde lucht
• Verbruikssysteem voor gecomprimeerde lucht

De hoofdcomponenten van het productiesysteem zijn: luchtcompressor, elektromotor en motorcontrolcentrum, drukschakelaar, terugslagklep, opvangvat, manometer, automatische afvoerklep, luchtvervochtigingsapparaat, filters, luchtverveler, leidingen en diverse kleppen. Het verbruikssysteem omvat: inlaatfilter, compressor, afnameklep, automatische afvoerklep, luchtbehandelingseenheid, richtingsklep, actuatoren en snelheidsregelaars. Figuur 1 toont de basiscomponenten.

Het inlaatfilter (luchtfilter) verwijdert verontreinigingen uit de lucht. De luchtcompressor zet mechanische energie van een elektromotor of verbrandingsmotor om in potentiele energie van gecomprimeerde lucht. Er zijn verschillende compressortypen: zuiger- (reciproquerende), roterende, centrifugale en axiale compressoren. Reciproquerende compressoren zijn enkel- of dubbeltrapzuiper of membraancompressoren. Rotatiecompressoren zijn schuifluik- of schroefcompressoren.

De elektromotor zet elektrische energie om in mechanische energie om de compressor aan te drijven. De gecomprimeerde lucht uit de compressor wordt opgeslagen in de ontvanger (luchtreservoir). Deze dempt de pulserende stroom van de compressor, laat de lucht afkoelen en vocht condenseren. De ontvanger moet groot genoeg zijn om alle geleverde lucht op te vangen. De druk in de ontvanger ligt hoger dan de systeemdruk om drukverlies in leidingen te compenseren. Het grote oppervlak helpt warmte af te voeren.

Voor goede werking moet gecomprimeerde lucht schoon en droog zijn. Atmosferische lucht bevat stof, rook en vocht, wat slijtage en corrosie veroorzaakt. Tijdens compressie stijgt de temperatuur, dus een koeler is nodig. Watervloeistof wordt gescheiden door een scheider of luchtvervochtigingsapparaat.

Luchtbehandeling gebeurt in drie stadia's:

1. Primair (inlaat): Grof filter voorkomt dat grote deeltjes de compressor binnengaan.
2. Secundair (na compressor): De hete, vochtige lucht wordt gekoeld en gedroogd. Droging kan via adsorptie, absorptie, koeling of semipermeable membranen. Een inline-filter verwijdert resterende deeltjes.
3. Tertiair (bij verbruik): Verdere verfijning van de luchtkwaliteit.

Smering van bewegende delen van cylinders en kleppen is essentieel. Luchtvervelers voegen een fijne olie-mist toe aan de gecomprimeerde lucht voor smering. De juiste oliegrade heeft een kinematische viscositeit van 20-50 centistokes.

Regelklepppen regelen druk, stroom en richting. De hoofdfunctie is het handhaven van een constante afstroomdruk, ongeacht instroomdrukwisselingen. Vanwege hoge flowsnelheden ontstaat drukval tussen ontvanger en toepassing, daarom is de ontvangerdruk hoger. Op de toepassing wordt de druk geregeerd. Er zijn drie regeltechnieken:

• Niet-terugsturende regelaars: De last laat continu lucht af naar de atmosfeer. De regelaar beperkt de stroom. Bij dode-eind lasten stijgt de druk naar de manifoldsdruk.
• Terugsturende regelaars: De regelaar blaast lucht af om druk te verlagen, geschikt voor dode-eind lasten.
• Regelcircuit met druktransducer, controller en afblaasklep: Bij grote lasten met hoge luchtbehoefte. De transducer detecteert overdruk, de controller opent de klep om lucht af te blazen. Ook gebruikt wanneer de regelaar moeilijk dichtbij het regelpunt kan worden gemonteerd.

Luchtcylinders en -motoren zijn actuatoren die gecomprimeerde lucht omzetten in mechanische kracht en beweging. Actuatoren zijn uitvoerelementen. Pneumatische systemen worden veel gebruikt voor grijp- en verplaatsoperaties. Actuatoren zijn te classificeren in: (i) lineaire actuatoren (lineaire beweging), (ii) rotatieve actuatoren (rotatiebeweging), (iii) actuatoren voor stroomregelkleppen (regeling van gassen, stoom, vloeistoffen). De constructie van hydraulische en pneumatische lineaire actuatoren is vergelijkbaar, maar de werkdrukken verschillen: hydraulisch ~100 kg/cm², pneumatisch ~10 kg/cm².

Distributie van Gecomprimeerde Lucht

Goede distributie is cruciaal voor prestaties. Belangrijke eisen:

• Leidinglayout (open of gesloten lus) met voldoende afvoerkleppen in diagonale hoeken
• Leidingontwerp: diameter voor gegeven flow, drukval, aantal/type fittingen, absolute druk
• Hellingsgraad hoofddoorvoerkanaal vanaf compressor: normaal 1:20
• Afnamevertakkingen bovenaan horizontale headers, onder 45° of U-vormig
• Accumulator met afvoerkraan onderaan verticale headers
• Luchtbehandelingseenheid haaks op verticale headers aangesloten

Alle hoofdcomponenten worden voorgesteld door eenvoudige pneumatische symbolen die enkel de functie tonen, niet de structuur. Symbolen gecombineerd vormen pneumatische diagrammen die de relaties tussen componenten en het systeemontwerp weergeven. Figuur 2 toont een typisch diagram.

Bij analyse of ontwerp van een pneumatisch circuit moeten vier overwegingen centraal staan:

• Veiligheid van de werking
• Prestatie van gewenste functies
• Efficiëntie van de werking
• Kosten

Toepassingen van Pneumatische Systemen

Belangrijke toepassingen: pneumatische persen, boormachines, bediening van systeemkleppen voor lucht, water of chemicalien, ontladen van hoppers en bunkers, werktuigmachines, pneumatische rammers, tillen en verplaatsen van objecten, spuitwerken, spannen in opvang- en spangereedschappen, spannen voor braseren of lassen, vormoperaties, nieten, bediening van procesapparatuur, enz.