Siłowniki pneumatyczne, zawory pneumatyczne, wyspy zaworowe – przegląd rozwiązań i trendów

W niniejszym artykule krótko omawiam najważniejsze komponenty pneumatyczne, jakimi są siłowniki pneumatyczne, zawory pneumatyczne oraz wyspy zaworowe. Wymienione urządzenia są kluczowymi elementami konstrukcyjnymi maszyn a także podstawą wielu systemów automatyki. Stąd konieczność usystematyzowania informacji, żeby można było jak najlepiej wykorzystać możliwości, jakie te komponenty oferują.

Tego dowiesz się z artykułu

Zapraszam do lektury!

Jak prawidłowo dobrać siłownik pneumatyczny do konkretnej aplikacji?

Praktyka pokazuje, że wybór siłownika do konkretnego zastosowania powinien uwzględniać następujące kroki:

• Dobór odpowiedniej średnicy tłoka w celu uzyskania odpowiedniej siły działania przy założonym ciśnieniu sprężonego powietrza zasilającego siłownik pneumatyczny. Należy brać pod uwagę, że standardowe siłowniki pneumatyczne działają z większą siłą na wysuwie niż na wsuwie tłoczyska.
• Dobór odpowiedniego skoku (wysuwu tłoczyska dla siłowników tłoczyskowych lub przesuwu wózka w przypadku siłowników beztłoczyskowych).
• Ustalenie czy siłownik pneumatyczny będzie pracował w układzie sterowania automatycznego, co związane jest z obecnością magnesu w tłoku. W przypadku siłowników z magnesem należy uwzględnić odpowiedni do aplikacji typ czujnika położenia tłoka.
• Określenie warunków pracy siłownika (zakładanej ilości cykli), sposobu obciążenia, warunków otoczenia itp. dla określenia np. konieczności stosowania amortyzacji pneumatycznej, amortyzatorów zewnętrznych, materiału uszczelnień, dodatkowego zgarniacza na tłoczysku.
• Określenie typu siłownika (kompaktowy, znormalizowany, okrągły), mając na uwadze ilość miejsca na zabudowę, sposób zamocowania siłownika (stały lub w sposób wahliwy). 
• Dobór elementów do zamocowania siłownika (elementy mocowane do siłownika i elementy mocowane na tłoczyska).

Jak widać powyżej, o wyborze siłownika do konkretnej aplikacji decyduje wiele czynników. Opisany sposób doboru ma charakter techniczny, jednak w realiach zakupowych należy uwzględniać oczywiście stosunek ceny siłownika od konkretnego dostawcy do jego jakości (trwałości).

W aplikacjach przemysłowych siłowniki pneumatyczne stosuje się głównie do napędu elementów maszyn i urządzeń. Oprócz tego stanowią one elementy wykonawcze w zaawansowanych systemach sterowania. Dzięki bardzo obecnie szerokiej gamie rozwiązań siłowników pneumatycznych, wykonań materiałowych, dopuszczalnych temperatur pracy itp. obszar ich zastosowania jest praktycznie nieograniczony.

Wyspy zaworowe: zalety zastosowania

Wyspy zaworowe stosowane są w systemach pneumatycznych od wielu lat. Ewoluowały one od prostych płyt zaworowych z zamontowanymi zaworami, poprzez wyspy zaworowe z przyłączami Multipin (Multipol), w kierunku zaawansowanych wysp zaworowych korzystających z techniki komunikacji np. Profibus i pozwalających na sterowanie najnowocześniejszymi maszynami i urządzeniami.

O sukcesie rynkowym wysp zaworowych zadecydowały ich niewątpliwe zalety:

• uniwersalność zastosowań,
• możliwość sterowania siłownikami o dowolnej średnicy,
• możliwość montażu w miejscach o ograniczonych wymiarach,
• znaczne zmniejszenie ilości elementów pomocniczych typu złączki, tłumiki hałasu,
• zmniejszenie ilości okablowania,
• możliwość integracji poprzez nowoczesne protokoły transmisji z innymi systemami wykorzystywanymi w automatyce przemysłowej (ICS), w tym w najnowszych rozwiązaniach Przemysłu 4.0,
• umożliwienie pełnej diagnostyki układu wraz z generowaniem komunikatów o niewłaściwej pracy danego elementu,
• ograniczenie i optymalizacja zużycia sprężonego powietrza i prądu niezbędnego do sterowania.

Wyspy zaworowe: żywotność w aplikacjach

Obecnie dostępne na rynku wyspy zaworowe pozwalają na wieloletnie bezproblemowe użytkowanie po spełnieniu odpowiednich warunków, z których najważniejszym jest zapewnienie właściwego przygotowania sprężonego powietrza, czyli:

• odpowiednia filtracja gwarantująca usunięcie zanieczyszczeń,
• usunięcie wilgoci i oleju,
• praca na odpowiednim ciśnieniu zasilania.

Oczywiście trwałość w konkretnej aplikacji zależy od wielu czynników zewnętrznych (temperatura otoczenia, warunki środowiska itp.), w związku z tym na etapie projektowania należy uwzględnić m.in. termin i zakres przeglądu wyspy zaworowej, interwały wymiany uszczelnień lub całych elektrozaworów. To one właśnie są newralgicznymi częściami wyspy zaworowej i powinny podlegać szczególnej uwadze serwisowej. Elementy elektroniki są mniej wrażliwe na uszkodzenia, jeżeli zachowane są właściwe parametry użytkowe.

Elementy pneumatyki: kierunki i trendy rozwojowe

Obserwując rozwój elementów pneumatyki na przestrzeni ostatnich lat można wysnuć wniosek, że do niedawna nie zaobserwowano znacznego rozwoju w zakresie siłowników pneumatycznych i zaworów rozdzielających pneumatycznych (rozdzielaczy). Liderzy w branży skupili się na doskonaleniu swoich rozwiązań i optymalizacji ze względu na stosowane materiały (zwiększenie udziału tworzyw sztucznych w porównaniu np. do aluminium) oraz osiągane np. parametry przepływowe.

Sytuacja uległa zmianie od czasu kryzysu energetycznego i złożonej sytuacji międzynarodowej po wybuchu wojny w Ukrainie. Wzrastające gwałtownie koszty materiałów oraz energii elektrycznej i paliw spowodowały kroki w kierunku zmian w siłownikach pneumatycznych i zaworach pneumatycznych. Jako przykład można podać prace prowadzone przez firmę SMC nad wprowadzeniem rodzin elementów pneumatyki pracujących przy ciśnieniu standardowym 4 bar (dotychczas przyjęło się uznawanie za ciśnienie standardowe 6 – 6,3 bar). Mniejsze ciśnienie to niższy koszt wytworzenia sprężonego powietrza oraz mniejsze moce cewek potrzebne do sterowania.

W zakresie siłowników pneumatycznych obserwujemy:

• stałe zmniejszanie masy komponentów (lżejsze profile na tuleje i rury, lżejsze pokrywy siłowników w tym wykonane z tworzywa, tworzywowe tłoki)
• coraz bardziej popularna samonastawna amortyzacja pneumatyczna

Perspektywy rozwoju zaworów pneumatycznych

Rozwój zaworów pneumatycznych zmierza w kierunku zwiększenia efektywności energetycznej i energooszczędności:

• maksymalnego zmniejszenia zużycia prądu przez elektrozawory poprzez zmniejszanie mocy cewek (elektromagnesów),
• wprowadzenie serii produktów energooszczędnych (zawory energooszczędne do siłowników, zawory redukcyjne energooszczędne),
• zmniejszenia wymiarów gabarytowych przy zachowaniu maksymalnych wartości natężenia przepływu).

Kierunki rozwoju funkcjonalnego zaworów pneumatycznych:

• rozwijanie techniki zaworów proporcjonalnych ciśnieniowych i przepływowych,
• rozwój zaworów i wysp zaworowych w oparciu o najnowsze trendy zdefiniowane jako Przemysł 4.0,
• dostosowanie zaworów i sposobu sterowania nimi do potrzeb sieci przemysłowych,
• zwiększenie produktywności przedsiębiorstw poprzez skrócenie cykli pracy zaworów,
• większa integracja zaworów i wysp zaworowych z systemami inteligentnymi i IO-Link,
• rozwój sterowania zaworów w zakresie technologii bezprzewodowej.