امروزه، آکومولاتور پنوماتیک نقش مهمی را در تولید دستگاههای مختلف و علم مکاتروتیک ایفا میکند. به کمک آکومولاتور پنوماتیک است که شیرها، انرژی حاصل از گازهای فشرده را کنترل میکنند. دستگاهی که این انرژی را به حرکت تبدیل میکند موسوم به «محرک آکومولاتور پنوماتیک» (Pneumatic Actuator) است. محرکهای آکومولاتور پنوماتیکی به طور معمول قدرت خود را از کمپرسورهای الکتریکی تامین میکنند و میتوانند حرکاتی خطی یا دورانی را بوجود آورند.
آکومولاتور پنوماتیک چیست؟
آکومولاتور پنوماتیک به فناوری هوای فشرده میگویند اما در برخی موارد باید آنرا نوعی سیستم کنترل خودکار به شمار آورد. گاز فشرده که به طور معمول، هوای خشک یا غیرخشک است که بمنظور راهاندازی یک عملگر، انجام کار و متوقف کردن آن مورد استفاده قرار میگیرد. آکومولاتور پنوماتیک در گذشته به سادگی سیستم تنفسی انسان یعنی فشردن هوا در ششها بود. این هوای فشرده میتوانست در ادامه آتشی را شعلهور کند یا یک تیر را رها سازد. کلمه آکومولاتور پنوماتیک ریشهای یونانی به معنای «دمیدن» دارد.
سیستم آکومولاتور پنوماتیک چیست؟
سیستم آکومولاتور پنوماتیک به سیستمی میگویند که از هوای فشرده برای انجام کار استفاده میکند. این سیستم، هوا را جذب و به مدار منتقل میکند تا انرژی مورد نیاز تامین شود. به این ترتیب، سیستمهای آکومولاتور پنوماتیکی کاربرد گستردهای در صنایع دارند.
سیستم آکومولاتور پنوماتیکی را میتوانید در صنایع و حتی زندگی روزمره مشاهده کنید. به طور مثال، دریلهای دندانپزشکی از نیروی آکومولاتور پنوماتیکی برای جرمگیری دندانها بهره میگیرند. برخی از سازها در موسیقی نیز جهت عملکرد مناسب خود از هوا کمک میگیرند.
با توجه به اینکه آشنایی با نحوه شبیهسازی سیستمهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی از جمله مباحث مهم در طراحی سیستمهای مکانیکی به شمار میآید، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش نرم افزار FluidSIM جهت شبیه سازی مدارهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی (نیوماتیک) کرده که لینک آن در ادامه آمده است.
یک سیستم آکومولاتور پنوماتیک از چه اجزای مهمی تشکیل شده است؟
برای بهرهگیری از سیستم آکومولاتور پنوماتیکی به اجزای مختلفی نیاز است و اولین چیزی که به آن نیاز داریم، کمپرسور هوا است و همچنین، به سیلندر هوا نیز نیاز پیدا میکنیم. این سیلندرها با حرکت خود، نیروی لازم برای حرکت یک موتور را تامین میکنند. سومین جزء مهم در سیستمهای آکومولاتور پنوماتیکی، «محرک» (Actuator) است. محرک سبب باز و بسته شدن شیرها – یا سوپاپها – در سیستم میشود. موتور، جزء چهارم از اجزای یک سیستم آکومولاتور پنوماتیکی است و به هنگام حرکت سیلندر، مورد استفاده قرار میگیرد.
اجزای سیستم آکومولاتور پنوماتیک
در بخش قبل، به طور مختصر در رابطه با اجزای مهم سیستم آکومولاتور پنوماتیکی صحبت کردیم. در ادامه متن، توضیحات دقیقتری در رابطه با اجزای سیستم آکومولاتور پنوماتیک ارائه خواهیم کرد.
سیلندرها
سیستم آکومولاتور پنوماتیک از طریق تبدیل نیرو به انرژی پتانسیل کار میکند و در ادامه، این انرژی پتانسیل با عمل محرک یا سیلندر به انرژی جنبشی تبدیل میشود. به طور معمول، تبدیل انرژی از طریق پیستون و شاتون قابل انجام است. پیستون، حرکتی خطی به شکل بالا و پایین یا چپ و راست خواهد داشت.
در سیلندرهای آکومولاتور پنوماتیک به طور معمول، هوای فشرده، پیستون را تنها در یک جهت حرکت میدهد. در پایان حرکت پیستون، در اثر خروج هوا، خلاء ایجاد میشود که این خلاء به کمک یک فنر، سبب بازگشت پیستون به محل اولیه خود خواهد شد.
شیرها
برای کنترل جریان هوا در سیستم آکومولاتور پنوماتیکی از «شیرها» (Valve) بهره میگیرند که هریک، عملکرد مختلفی دارند. برای شروع به کار سیستم از شیرهای «شروع آرام» (Soft-Start) یا شیرهای «خاموش و روشن» (On-Off Valve) استفاده میشود. برای کنترل دبی جریان نیز از شیرهای کنترل جریان بهره میگیرند. برخی دیگر از شیرهای مورد استفاده در سیستمهای آکومولاتور پنوماتیک در زیر آورده شدهاند.
- «شیر خروجی» (Exhaust Valve): جهت تخلیه گازهای سیستم
- «Shut-off Valve»: برای بستن شیر خروجی
- «شیر ایمنی» (Safety Valve): برای متوقف کردن ناگهانی سیستم
- «شیر هوا» (Air Valve): کنترل هوای ورودی و خروجی به سیستم
- «شیر سلونوئیدی» (Solenoid Valve): شیرهایی که در سیستمهای پیچیدهتر مورد استفاده قرار میگیرند و عملکرد آنها به کمک جریان الکتریکی امکانپذیر است و در گفتار عامیانه به آنها «شیر برقی» نیز گفته میشوند.
اتصالات
اجزای مختلف یک سیستم آکومولاتور پنوماتیک به کمک «اتصالات» (Fittings) به یکدیگر متصل میشوند. تمامی اجزای سیستم آکومولاتور پنوماتیکی تحت فشار هوا هستند و بنابراین، این اتصالات باید از آببندها و اورینگهای مناسبی استفاده کرده باشند. اتصالات موجود در این سیستمها از مواد با جنسها – فلزی و پلیمری – و شکلهای مختلفی تشکیل شدهاند.
لوله ها و شلنگ ها
در سیستمهای آکومولاتور پنوماتیک، «شلنگها» (Tubing) و «لولهها» (Hoses) به شکل متفاوتی مورد استفاده قرار میگیرند. از لولهها به طور معمول در سیستمهای فشار قوی و از شلنگها در سیستمهایی با فشار پایین بهره میگیرند. این لولهها نیز به طور معمول از جنسهای مختلفی ساخته شدهاند که انواع انعطافپذیر و پلیمری آن موارد مصرف بیشتری دارند.
بخش خلاء
زمانی که فشار به شکل قابل ملاحظهای از فشار اتمسفریک کمتر شود، خلاء ایجاد خواهد شد. برای بوجود آوردن چنین شرایطی باید تمامی هوای محبوس خارج شود و به همین منظور از تولیدکننندههای خلا یا پمپهای خلاء استفاده میشود. این پمپهای خلا، هوای فشرده را از طریق یک دیفیوزر خارج میکنند و سبب ایجاد خلا میشوند.
تهیه و آماده سازی هوا
به هنگام فشرده سازی هوا، گرما ایجاد میشود و زمانی که این هوا سرد شود، میعان بوجود خواهد آمد که تامین هوای فشرده را دچار مشکل میکند. علاوه بر این، در اجزای تشکیلدهنده هوا ناخالصیهایی همچون گرد و غبار و ذرات معلق وجود دارد. اگر هوای فشرده حاوی این آلایندهها وارد بخشهای سیستم آکومولاتور پنوماتیک مانند شیرها، سیلندرها و لولهها شود، به طور قطع در عملکرد دستگاه اختلال ایجاد میکند و در نهایت، سبب از کار افتادن دستگاه خواهد شد.
به منظور حفظ عملکرد مناسب سیستم، باید هوای فشرده، فیلتر شود. به سادگی میتوان از یک فیلتر هوا برای این کار استفاده کرد اما باید فشار ورودی به سیستم را به کمک رگولاتور فشار باید رصد کرد. علاوه بر این، هوای خشک ورودی نیز نیاز به روانکاری دارد تا سبب آسیب به تجهیزات پاییندستی نشود.
کاهنده صدا
به هنگام خروج گاز از سیستم آکومولاتور پنوماتیک، صدای زیادی تولید میشود که برای کاهش آن از «کاهنده صدا» (Silencer) بهره میگیرند. این صدا بسته به نیرو و فشار جریان ممکن است به صورت انفجاری باشد.
سیستم آکومولاتور پنوماتیک چطور کار میکند؟
سیستم آکومولاتور پنوماتیک با استفاده از اجزای اصلی آن یعنی کمپرسور، مخزن هوا، شیرها، مدار، مخزن هوا و محرک کار میکند.
همانطور که در طول این متن به آن اشاره شد، دستگاههای آکومولاتور پنوماتیکی تمامی قدرت خود را از هوای فشرده تامین میکنند. بنابراین، به سادگی میتوان دریافت که این سیستم برای شروع به کار حداقل به دو جزء اصلی احتیاج دارد: یک جزء برای اینکه هوا را فشرده کند و جزء دیگر برای اینکه از هوای فشرده برای بلندکردن، حرکت دادن یا نگهداشتن یک جسم استفاده کند.
جزء اول، کمپرسور هوا و جزء دوم، محرک است. علاوه بر این، به یک سیستم لولهکشی نیاز داریم که هوا را از کمپرسور به محرک منتقل کند و مدار آکومولاتور پنوماتیک این کار را انجام میدهد. همچنین، دستگاهی که بتواند ورود و خروج هوا را کنترل کند نیز از جمله موارد مورد نیاز برای کارکرد صحیح این سیستم است و به همین دلیل، از شیرها و سوپاپها در این رابطه استفاده میشود.
مورد دیگری که باید در رابطه با کارکرد سیستم آکومولاتور پنوماتیک در نظر بگیریم مخزن هوا است. با توجه به اینکه هوا، تراکمپذیری بسیار بالایی دارد، بدون وجود مخزن هوا و تنها با استفاده از لولهها و اتصال کمپرسور به محرک، کارکرد سیستم، بسیار آهسته خواهد بود. در نتیجه، به مخزنی نیاز داریم تا این هوای فشرده در آن ذخیره و در مواقع لزوم به سیستم وارد شود.
از آکومولاتور پنوماتیک در چه مواردی استفاده می شود؟
با اتصال اجزای سیستم آکومولاتور پنوماتیک به یکدیگر، ابزارهای کاربردی مختلفی ساخته خواهند شد. هرآنچه توسط سیستمهای الکتریکی و هیدرولیکی انجام میشود را میتوان به کمک سیستمهای آکومولاتور پنوماتیک نیز عملی کرد البته در خصوص اینکه کدامیک از این دو سیستم بهتر عمل میکنند در ادامه بحث خواهد شد.
ماشینآلات صنعتی نسبت به سایر دستگاهها از آکومولاتور پنوماتیک بهره بیشتری میبرند. همچنین در علم رباتیک برای جابجایی بازوهای رباتها نیز میتوان از سیستمهای آکومولاتور پنوماتیکی به همراه سیستمهای الکتریکی و مکانیکی کمک گرفت. در صنایع لبنی برای تهیه شیر دامها از دستگاهای آکومولاتور پنوماتیک استفاده میکنند.
در گذشته (قرن نوزدهم میلادی)، سیستمهای آکومولاتور پنوماتیک در بانکها، بیمارستانها و رستورانها جهت انتقال کالاها از طریق لولههای هوا مورد استفاده قرار میگرفتند.
برای متوقف کردن خودروهای سنگین یا قطارها از ترمزهای بادی بهره میگیرند. همچنین، همانطور که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد در برخی سازها مانند «ارگهای بزرگ کلیسایی» (Pipe Organ) از آکومولاتور پنوماتیک کمک گرفته میشد.
معرفی فیلم آموزش نرم افزار FluidSIM جهت شبیه سازی مدارهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی (نیوماتیک)
از آنجایی که مدلسازی مدارهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی در بسیاری از صنایع تولیدی و همچنین در رشتههای دانشگاهی مورد استفاده قرار میگیرد، «فرادرس» دورهای ۲ ساعته را در قالب ۲ درس تدوین کرده که برای افرادی مناسب است که میخواهند با نحوه شبیهسازی نرمافزاری سیستمهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی آشنا شوند.
درس اول این آموزش به مقدمه و مثالهای کاربردی در این حوزه میپردازد که از مباحث مهم آن میتوان به تحریک مستقیم سیلندرهای یکطرفه و دوطرفه اشاره کرد. در درس دوم نیز به مثالهای کاربردی در الکتروآکومولاتور پنوماتیک از جمله حرکت رفت و برگشت تکی، دائم و رفت و برگشتی پرداخته میشود.
- برای دیدن فیلم آموزش نرم افزار FluidSIM جهت شبیه سازی مدارهای هیدرولیکی و آکومولاتور پنوماتیکی (نیوماتیک) + اینجا کلیک کنید.
آکومولاتور پنوماتیک و هیدرولیک کدامیک بهتر هستند؟
هر دو سیستم آکومولاتور پنوماتیکی و هیدرولیکی بمنظور انتقال نیرو خاصه نیروهای رفت و برگشتی مورد استفاده قرار میگیرند و بدون نیاز به استفاده از تسمه یا دنده، با فاصلهای زیاد از کمپرسور خود، کارکرد مناسبی دارند. همچنین، هر دو سیستم با وجود وزن کم، قدرت بسیار زیادی را فراهم میکنند. برای مقایسه این دو سیستم باید عواملی همچون توان تولیدی، دقت، کنترل، سادگی استفاده، ایمنی و شرایط عملیاتی را مد نظر قرار داد.
توان تولیدی
در شرایطی که توان تولیدی متوسط و سرعت بالا نیاز داشته باشیم و در عین حال، دقت نیز اهمیت چندانی نداشته باشد، سیستمهای آکومولاتور پنوماتیک به هیدرولیک ترجیح داده میشوند. همچنین در شرایطی که دمای هوا متغیر باشد، در عملکرد سیستم آکومولاتور پنوماتیک اختلال ایجاد خواهد شد.
دقت
ماشینآلات آکومولاتور پنوماتیکی به طور کلی – البته نه همیشه – نسبت به سیستمهای هیدرولیکی دقت و سرعت پاسخدهی پایینتری دارند که علت این امر را به طور عمده باید در تراکمپذیری و خواص این گاز به عنوان گاز واقعی (غیرایدهآل) یا گاز ایدهآل جستجو کرد. همچنین، دستگاههای آکومولاتور پنوماتیک، دستگاههایی گرانقیمت با کارآمدی پایین هستند چراکه انرژی الکتریکی زیادی برای شروع به کار کمپرسور مصرف میشود.
کنترل
در مقایسه با موتورهای الکتریکی که دارای چرخدندههای سنگین به همراه اینرسی بالا هستند، ابزارهای آکومولاتور پنوماتیکی برای شروع و پایان کار به قدرت زیادی نیاز ندارند. از اینرو، بسته به نوع استفاده، هریک از سیستمهای آکومولاتور پنوماتیکی یا هیدرولیکی مزیتهای خود را دارند.
سادگی استفاده
ابزارهای آکومولاتور پنوماتیکی به طور کلی از نیرو و فشار کمتری بهره میگیرند. در نتیجه، ابعاد کوچکتر و وزن سبکتری خواهند داشت. ابزارهای آکومولاتور پنوماتیکی را همچنین میتوان از پلاستیکهای سبک تهیه کرد درحالیکه ابزارهای هیدرولیکی باید از قطعات فلزی ساخته شوند تا توانایی تحمل نیروها و فشارهای بیشتر را داشته باشند.
ایمنی
در هریک از این سیستمها احتمال نشت گازها و سیالات وجود دارد. برای آببندی مناسب سیستمهای هیدرولیکی باید از کاسهنمدها و اورینگهای مناسب بهره برد. علاوه بر این، با توجه به این که سیالات هیدرولیکی، اشتعالپذیر هستند، ایمنی کمتری نسبت به سیستمهای آکومولاتور پنوماتیکی دارند.
شرایط عملیاتی
با توجه به اینکه ماشینهای هیدرولیکی برای کارکرد خود از روغن استفاده میکنند، نیازی به روانکاری مجزا ندارند و کارکرد آنها با صدای کمتری همراه است.