هوای فشرده یکی از انواع انرژیهایی است که بشر مدتها قبل با آن آشنا بوده و به منظور عملیات جسمانی خود از آن استفاده می نموده است .
اولین شخص که بتوان از او بعنوان کاربر هوای فشرده نام برد کتزی بیوس یونانی است که حدود 2000 سال قبل اولین کانن هوای فشرده را درست نمود .
اصطلاح “ پنیوما” از کلمه یونانی قدیم مشتق شده و بعنوان “ تنفس ” باد و در فلسفه بعنوان روح آمده است و کلمه “ پنیومانیک ” به علمی که در مورد حرکات و وقایع هوا اطلاق می گردد .
اولین استفاده از“ هوای فشرده ترمز ” در راه آهن و قطارها مورد استفاده قرار گرفت و پس از آن با پیشرفت صنعت جهت اتوماسیون یکی از شاخه های مهم پیشرفت گردیده است .
آنچه می تواند معرف هوای فشرده باشد :
ارزانی ، به سهولت در دسترس ، احتیاج به انباره جهت ذخیره سازی ندارد ، پاک و تمیز است ، اثرات شیمیائی خیلی کم ، در محیطهای بسیار گرم و سرد تغییری در آن احساس نمی شود ، قابل انفجار نیست ، ساختمان قطعات پنیوماتیک بسیار سهل و آسان است ، مورد اطمینان است ، دارای سرعت عملکرد نسبتاً بالایی است ، قابل تنظیم از جهت مقدار سرعت و نیرو ، هزینه آن در حدودهای معینی F= 30 Kn .
P = 700 psi) کورس کاری بالا) بسیار اقتصادی است مخارج تعمیر و نگهداری کم اجزاء پنیوماتیک ، تراکم ( امکان ایجاد سرعت یکنواخت و ثابت در سیلندر مشکل است ) .
ارزانی ، به سهولت در دسترس ، احتیاج به انباره جهت ذخیره سازی ندارد ، پاک و تمیز است ، اثرات شیمیائی خیلی کم ، در محیطهای بسیار گرم و سرد تغییری در آن احساس نمی شود ، قابل انفجار نیست ، ساختمان قطعات پنیوماتیک بسیار سهل و آسان است ، مورد اطمینان است ، دارای سرعت عملکرد نسبتاً بالایی است ، قابل تنظیم از جهت مقدار سرعت و نیرو ، هزینه آن در حدودهای معینی F= 30 Kn .
P = 700 psi) کورس کاری بالا) بسیار اقتصادی است مخارج تعمیر و نگهداری کم اجزاء پنیوماتیک ، تراکم ( امکان ایجاد سرعت یکنواخت و ثابت در سیلندر مشکل است ) .
هوا قابلیت تراکم پذیری دارد لذا از قانون بویت ماریوت (Boyle- mariott) تبعیت می کند : مقدار ثابت = اما رابطه کلی به فرم زیر است R ثابت جهانی گازها که برابر است با از جدول ترمودینامیک :V استخراج ( تابع فشار و دما) دما برحسب کلوینT شکل ترمز بادی با اجزاء آن اجزای مورد نیاز جهت تولید هوای فشرده : برای تولید هوای فشرده احتیاج به کمپرسور ( تراکم کننده ) داریم که با توجه به مقدار مورد نیاز و لزوم هوا را متراکم نموده و در مخزن ذخیره نموده و توسط لوله هایی به سیستم ترمز منتقل گردد .
سیستمهای مضاعف از قبیل سیستم های رطوبت گیر ، فیلترهای تصفیه هوا ، مکانیزم اعلام دهنده و هشدار دهنده ، فشار سنج ها ، گیج های تنظیم فشار و کنترل ، سوپاپهای کنترل فشار و خروج دهنده به سیستم بر اساس دلخواه اپراتور ، سیلندر و پیستون مبدل انرژی فشار باد به انرژی مکانیکی … حال به بررسی مختصر این اجزاء می پردازیم : 1ـ کمپرسور باد : نوع ساختمان کمپرسور کمپرسور سیالی کمپرسور دورانی کمپرسور پیستونی محوری شعاعی روتس پیچی چند سلولی دورانی دیافراگمی پیستونی ملاک انتخاب کمپرسور : کمپرسورها را اغلب بر اساس مقدار حقیقی تولید هوای فشرده طبق استاندارد Din 1945 یا Din 1962 برحسب (m3/h) و یا بر اساس فشار کاری ( پارامترهای سرعت ، فشار ، نیرو ، جریان عملیات زمانی ) انتخاب می کنند .
* شکل 14 محدوده انتخابی نوع کمپرسور را نشان می دهد .
تنظیم کمپرسور : برای اینکه بتوان نوسانات مقدار تولید را که در حالت مصرف نوساناتی دارد بطور ثابت در آورد از روشهای تنظیم زیر می توان بهره جست .
تنظیم بدون بار ،(2) تنظیم از طریق کاهش سرعت ، (3) تنظیم از طریق قطع و وصل ـ در روش تنظیم بدون بار از شیر تابع فشار استفاده می کنند .
ـ تنظیم از طریق بستن عموماً به دهانه مکیدن کمپرسور بسته می شود و کمپرسور عملاً از طریقه مقدار مکش هوا کنترل می گردد .
شکل 14 دیاگرام نمودار تولیدی کمپرسورها ـ تنظیم گیره ای یا بازوئی برای کمپرسورهای بزرگ که توسط یک دستگاه گیره شکل شیر مکنده باز نگه داشته می گردد و بدین ترتیب کمپرسور دیگر نمی تواند هوا را متراکم کند .
ـ تنظیم از طریق کاهش سرعت : در کمپرسورها با محفظه احتراق داخلی دور موتور را بصورت دستی یا اتومات تنظیم نمود .
ـ تنظیم از طریق دهانه مکنده بیشتر برای کمپرسورهای پیستونی و توربینی کاربرد دارد.
ـ تنظیم از طریق قطع وصل در محدوده فشار تعیین شده کمپرسور را خاموش و یا راه اندازی می کند و در یک رنج معین فشار تولید را در حالت بار کامل یا بدون بار نگه می دارد .
خنک کردن کمپرسور : بعلت تراکم حرارت در سیلندر افزایش می یابد T=f(p) با رابطه لذا هر چه فشار بیشتر شود دما طبق رابطه فوق افزایش می یسابد لذا باید اجزاء کمپرسور خنک گردند .
ـ در کمپرسورهای با قدرت کمتر از 30kw از پره های جهت تبادل حرارتی بصورت تشعشعی و بالاتر از این توان باید از برج سیال خنک کاری استفاده کنیم .
بزرگی مخزن هوای فشرده کمپرسور : بسته به پارامترهای مقدار تولید کمپرسور ، مقدار مصرف ، شبکه لوله کشی ، نوع تنظیم کننده کمپرسور و حد مجاز اختلاف فشار دارد و براحتی می توان با استفاده از دیاگرام 24 برای همه انواع کمپرسور محاسبه نمود .
شکل 24- طریقه محاسبه حجم مخزن کمپرسور با تنظیم دقیق قطع و وصل پخش هوای فشرده به سیلندر پیستون ترمز : لوله های رابط مخزن و سیلندر پیستون بر اساس روابط مخصوصی باید محاسبه گردند که افت فشار بار تجاوز نکند ، چون اگر افت فشار بیشتر از این مقدار باشد اقتصادی نبوده و هزینه های ثانویه آن بیشتر از حد انتظار خواهد بود .
ـ نوموگرام شماره 25 مقدار قطر داخلی لوله های شبکه را بر اساس پارامترهای طول لوله ، مقدار مصرف (m3/h) ، فشار مورد نیاز (bar) و افت فشار (bar) براحتی میدهد که با سعی و خطا براحتی میتوان افت فشار شبکه را با تغییر دادن قطر داخلی لوله شبکه هوای فشرده به حداقل رسانید ، توضیحات چگونگی عملکرد در زیر نوموگرام 25 داده شده است .
ـ جنس لوله های شبکه هوای فشرده می تواند از اجناس لوله های زیر باشد : لوله مسی لوله سیاه لوله برنجی لوله گالوانیزه لوله فولادی لوله پلاستیکی امروزه در صنعت ماشین سازی از لوله های پلاستیکی از جنس پلی اتیلن و پلی آمید استفاده می نمایند که توسط مهره ماسوره به سادگی و ارزانی به هم متصل می گردند .
آماده کردن هوای فشرده : 1ـ آلودگی : هوای آلوده به گرد و خاک و کثافات و رطوبت بوده لذا با گزاردن فیلترهای مخصوص و آب گیره ها می توان مواد آلوده در هوا را از هوای فشرده جدا نمود .
نکته مهمی که در آماده کردن هوا از طریق کمپرسور وارد لوله های هوا گشته و بعداً وارد سیلندر پیستون شده و موجب خرابیهای کاسه نمد ، زنگ زدگی و دیگر موارد ضرر رسانده به عملکرد مکانیزم می گردد .
در مورد رطوبت هوا داریم : رطوبت مطلق : مقدار بخار آب موجود در یک متر مکعب هوا .
کمیت اشباع : مقدار قبول بخار آب در یک متر مکعب هوا با توجه به درجه حرارت هوا .
100%× = رطوبت نسبی وقتیکه رطوبت نسبی به حداکثر 100% رسید نقطه شبنم ایجاد می شود .
با توجه به دیاگرام شکل 39 کمیت اشباع هوا در ارتباط با درجه حرارت بدست می‌آید: مثلاً مقدار آب در 313k برابر 50gr می باشد .
رطوبت گیری هوای فشرده : در صفحات قبل بیان کردیم که با افزایش فشار دما افزایش یافته و به طبع آن رطوبت ایجاد می گردد که مقدار آب تولیدی بر حسب gr را می توان طبق نمودار منحنی 39 براحتی بدست آورد .
شکل 25 - از این نوموگرام می توان بامعلوم بودن قطر داخلی لوله افت فشار را بدست آورد که اقتصادی است بار باشد .
حال باید روشهای جهت جذب رطوبت از هوای فشرده بیان کنیم .
روشهای متداول : 1ـ خشک کردن بطریقه آبزورپسیون 2ـ خشک کردن بطریقه ادزورپسیون 3ـ خشک کردن بطریقه پایین آوردن درجه حرارت -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100 شکل 39 ـ روش اول یک طریقه شیمیایی است که معمولاً هوا با ماده خشک کننده که در یک محفظه قرار دارد تماس گرفته و در اثر عمل شیمیایی رطوبت خود را از دست میدهد و مخلوطی که از این رابطه بدست می آید باید هر چند وقت یکبار بطریقه دستی یا اتوماتیک از آبزرپو (abserpo) خارج نمود و سالیانه 2 الی 4 بار آنرا با ماده خشک کن پر نمود .
ـ روش دوم توسط یک رشته عملیات فیزیکی انجام می گیرد ، ( ادزورپسیون : قرار گیری مواد بر روی سطوحی از اجسام سخت ) .
ماده خشک کن تقریباً 100% از مواد سلسیم دی اکسید بوده و بطور دانه ای و بصورت چند ضلعی و یا مرواریدی شکل می باشد و معمولاً تحت نام Gel مصرف می گردد .
وظیفه این گلها (Gel) ادزورپ کردن آب و همچنین بخار آب از هوای فشرده بوده و این طریق با عبور هوای فشرده مرطوب از بستر گل ها انجام می گیرد .
جذب رطوبت این روش محدود است بسرعت گل بصورت بارانی در می آید و می توان از یک انرژی الکتریکی جهت فشرده نگه داشتن گل استفاده نمود .
ـ روش سوم بر اساس قانون ایجاد نقطه شبنم کار می کند یعنی با پایین آوردن درجه حرارت هوا می توان بخار موجود در آن را تبدیل به آب نمود هوا ابتداء وارد یک محفظه تبدیل حرارتی هوا ـ گردیده و در این قسمت هوای سرد و خشک با هوای گرم تماس حاصل نموده و در اثر سرد شدن وارد ناحیه سرما زا گردید274k سرد می گردد و در نتیجه هوا ، آب و روغن موجود خود را از دست می دهد .
با عبور هوا مواد آلوده و دیگر خود را نیز از دست خواهد داد .
فیلترهای هوای ترمز بادی : هوای مکشی از طرف کمپرسور قبل از ورود به کمپرسور ابتدا باید عاری از هر گونه خاک و گرد و کثافات گردد این عمل توسط فیلتر فلزی انجام می گیرد نحوه عملکرد آن بدین صورت است که هوای مکش شده بدرون کاسه فیلتر در یک محفظه کاسه ای شکل ( هیپوئید ) حرکت دورانی یافته و گردو غبار و کثافات در اثر نیروی گریز از مرکز به دیواره کاسه پرتاب میشوند و توسط روغن پیرامون فیلتر جذب می گردند .
در اتوبوسها عموماً در هنگام تعویض روغن و یا مابین دو سه بار تعویض روغن فیلتر هوا را باز کرده و روغن درون آن را ( همان روغن موتور است ) تخلیه نموده و با گازوئیل صافی فیلتر را خوب تمیز کرده و درون کاسه آن قرار می دهند و دوباره روغن تمیز و کار نکرده درون کاسه ریخته می شود توجه گردد که این فیلتر از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است و هر گونه اهمال در تمیز نگه داشتن آن باعث کاهش عمر کمپرسور و هزینه های بعدی را ایجاب خواهد نمود .
شیر تنظیم فشار : طرحهای مختلفی برای تنظیم فشار باد ترمز در اتومبیلها بکار رفته رایجترین آنها ( اتوبوس بنز ) که کاربرد فراوان دارد مکانیزم ساده سوپاپ ساچمه فنر می باشد بدین صورت که با پیچاندن پیچی که پشت فنر ساچمه قرار گرفته فنر را جمع و یا شل نموده و بدین طریق فشار باد را میتوان کنترل کرد که در حالتی که فشار از مقدار مورد نظر بیشتر گردید فنر دیگر نمی تواند مقاومت کند لذا ساچمه از محل خود خارج گشته و باد خالی می گردد با کاهش نمی تواند مقاومت ند لذا ساچمه از محل خود خارج گشته و باد خالی می گردد با کاهش فشار نیروی فنر بر نیروی فشار غلبه نموده ودوباره ساچمه سوپاپ را می بندد .
طرحهای دیگر که دراتوبوس VOLVO ساخت سوئد بکار رفته استفاده از دیافراگم است که همان کار ساچمه فنر را انجام می دهد و البته با تنظیم دقیقتر و عمر کاری بیشتر .
مقدار عبور جریان برای واحدهای مراقبت : به علت مقاومت داخلی که تمام واحدهای مراقبت دارند ، فشار در دهانه خروجی افت پیدا کرده و این افت بستگی به مقدار عبور جریان و نیز فشار تغذیه دارد .
در دیاگرام شکل 52 منحنی های ترسیم شده که مربوط به فشارهای ورودی می باشد می توان افت فشار را از محور افقی بدست آورد .
سیلندر پنیوماتیکی : انرژی هوای فشرده توسط سیلندر پنیوماتیکی تبدیل به حرکت خطی ( رفت و برگشتی ) و یا دورانی تبدیل می شود .
سیلندر یک کاره : کاربرد این نوع سیلندر معمولاً برای عمل ترمز در کامیونها و ترنها می باشد .
برتری: مؤثر بودن عمل ترمز در موقع قطع انرژی .
سیلندر یک کاره فقط از یک جهت تحت تأثیر هوای فشرده قرار گرفته و می تواند فقط در یک جهت تولید کار نماید و بدین جهت فقط برای یک جهت حرکت احتیاج به هوا دارد ، حرکت جهت مقابل در اثر نیروی است که در سیلندر نصب گردیده است و یا توسط یک نیروی خارجی صورت می گیرد .
نیروی فنر نصب شده در سیلندر آن چنان محاسبه گردیده است که بتواند پیستون را با سرعت کافی به موضع شروع باز گرداند ، طول کورس سیلندرهای یک کاره به علت داشتن فنر محدود بوده و تا 100mm بیشتر نمی باشد .
ـ درزگیری بدنه داخل سیلندر و پیستون توسط جنس قابل انعطاف چون ( پربوتان ) انجام می گیرد ، این جنس درزگیر بر روی بستری از فلز و یا پلاستیک قرار گرفته است در موقع حرکت لبه های درزگیر بر روی سطح داخل سیلندر کشیده می شود .
به غیر از تیپ سیلندر فوق سیلندرهای زیر نیز بصورت محدود در صنعت اتومبیل سازی بکار رفته اند که در اینجا فقط نام آنها را آورده و به تشریح آنها نپرداخته ایم : سیلندر دیافراگمی کاسه نمد ، بوش یاتاقانی درزبند و گرد و خاک گیر : سیلندر دیافراگمی غلتکی (1) پربوتان 20C سیلندر دو کاره (2) ویتون –20C سیلندر با ضربه گیر (3) تفلن_20C سیلندر چند موضعی سیلندر ضربه ای سیلندر کابلی سیلندر دورانی سیلندر پره ای ساختمان سیلندر و پیستون : ـ جنس سیلندر از فولاد بدون درز برای لوله آن در نظر می گیرند و عملیات سختکاری و هونن را بر روی آن انجام می دهند وبدنه سیلندر را اغلب از آلومینیم دای کست در نظر می گیرند .
ـ پیستون باید از فولاد ضد زنگ با عملیات سخت کاری و کروم دهی و سنگ زنی تا صافی ناهمواری حدود 1 با عمل رولینگ صیقلی در آورد .
محاسبه نیروهای سیلندر پیستون : نیروی حاصله از پیستون به فشار هوا ، قطر سیلندر و اصطکاک قطعات درزگیر داخل سیلندر دارد .
نیروی تئوری پیستون از رابطه بدست می آید که در رابطه فوق : Fth : نیروی پیستون ( نیوتن) A : سطح قابل استفاده پیستون (cm2) P : فشارکار (bar) در عمل نیروی قطعی پیستون مورد نظر بوده و برای محاسبه نیروی قطعی بایستی نیروی مقاوم اصطکاک را در نظر بگیریم در حالت معمولی که حوزه فشار بین (4-8bar),400-800kpa است نیروی اصطکاک 3 الی 20 درصد از نیروی محاسبه شده است .
بنابراین برای سیلندر یک کاره داریم : Fn : نیروی قطعی پیستون (N) A : سطح مقطع پیستون که P : فشار کار Fr : نیروی اصطکاک Ff : نیروی فنر D : قطر سیلندر D : قطر میله پیستون نکات عملی : ـ دیاگرام شماره 69 مقدار نیرو عملی را بر حسب قطر سیلندر و فشار هوای خروجی کمپرسور را بیان می کند و با داشتن نیروی پیستون می توان به راحتی قطر سیلندر مورد نیاز و همچنین توان لزونی کمپرسور را محاسبه نمود .
ـ دیاگرام شکل 70 طول کورس مورد نیاز برای ایجاد نیرو را بیان می کند .
ـ دیاگرام شکل 68 دیاگرام مصرف هوا را درهر کورس کاری برای اقطار مختلف سیلندر را بیان کرده .
محاسبه طول کورس پیستون سیلندر پنیوماتیک : طول کورس سیلندر پنیوماتیکی نبایستی بیش از 2000mm باشد ، سیلندر هائیکه دارای قطر پیستون بزرگ و طول کورس بلند باشند ، مصرف هوای بسیار داشته و کاربرد آن مقرون به صرفه نیست دیاگرام شکل 68 نمایانگر مقدار مصرف هوا در هر کورس بر حسب را برای قطر پیستون مختلف داده شده است .
و البته می توانیم با فرمولهای زیر نیز مقدار مصرف هوا را محاسبه کنیم نسبت تراکم × سطح پیستون × کورس = مصرف هوا = نسبت تراکم برای سیلندر یک کاره مصرف هوا V : مقدار هوا ( لیتر\ دقیقه) S : طول کورس(cm) N : تعداد کورس (min) Pel : نسبت تراکم فشار اگر بخواهیم از دیاگرام شکل 68 استفاده کنیم داریم سیستم آحاد تکنیکی پنوماتیک :علامت واحدسیستم آحاد تکنیکیسیستم آحاد SIطول جرم زمان حرارت قدرت یا نیرو سطح حجم شدت جریان حجمی فشارL m t T F A V Pm S kpM kg s N pa