Silnik hydrauliczny czy pneumatyczny – co wybrać?

Siłownik hydrauliczny czy pneumatyczny – co wybrać?

Siłownik hydrauliczny czy pneumatyczny – co wybrać?

W rozmowach z klientami na temat pras do klejonki często poruszanym zagadnieniem są różnice między prasą hydrauliczną, a pneumatyczną. Dlatego w tym wątku przybliżymy Wam tę problematykę ze wskazaniem zalet i wad każdego rozwiązania. 

Zacznijmy zatem od początku, a więc na czym polega działanie tych układów? 

Zasada działania systemów hydraulicznych i pneumatycznych oparta jest na prawie Pascala, które brzmi: „Jeżeli na płyn (ciecz lub gaz) w zbiorniku zamkniętym wywierane jest ciśnienie zewnętrzne, to ciśnienie wewnątrz zbiornika jest wszędzie jednakowe i równe ciśnieniu zewnętrznemu”. Cząstki płynu lub gazu mogą poruszać się zatem w kierunku o dowolnym wektorze, ale wywieranie nacisku z jednej strony zmienia ruch cząstek we wszystkich kierunkach w takim samym stopniu.

Z punktu widzenia fizyki działanie siłowników polega na zamianie energii zgromadzonej w nośniku na energię mechaniczną i ruch prostoliniowy. W jaki sposób? Wykorzystując właśnie przywołane prawo Pascala, czyli poprzez wywieranie ciśnienia zewnętrznego na ciecz lub gaz znajdującą się w zbiorniku zamkniętym. Pod wpływem ciśnienia zewnętrznego zmienia się ciśnienie wewnętrzne, co z kolei powoduje, że cząsteczki cieczy lub gazu poruszają się w różnych kierunkach, a tym samym przenoszą uzyskaną energię.

Zarówno w budowie, jak sposobie działania można odnaleźć wiele podobieństw, natomiast główną różnicą jest rodzaj czynnika roboczego wywołujący ruch – tłoczona ciecz lub sprężone powietrze.  W napędzie hydraulicznym medium roboczym jest ciecz hydrauliczna, natomiast w napędzie pneumatycznym wykorzystywany jest sprężony gaz, najczęściej powietrze. 

Zarówno siłowniki zasilane cieczą hydrauliczną jak i sprężonym powietrzem podlegają płynnej regulacji prędkości liniowej i siły. Siłowniki pneumatyczne regulowane są poprzez natężenie przepływu sprężonego gazu, natomiast siłowniki hydrauliczne zmieniając ciśnienie medium roboczego- cieczy hydraulicznej, najczęściej oleju. 

Oba rozwiązania wymagają wykonania specjalnego układu składającego się z sieci przewodów, zaworów, cylindrów, regulatorów doprowadzających ciecz hydrauliczną lub sprężony gaz. To właśnie sprężarka lub pompa hydrauliczna odpowiedzialna jest za wytworzenie wymaganego ciśnienia w układzie.  

W dalszej części przedstawione zostaną zalety i wady każdego rozwiązania, ale najpierw kilka słów na temat jednostek, w jakich wyrażane jest ciśnienie. 

Jednostki

Ciśnienie podawane jest w różnych jednostkach:

  • W układzie jednostek SI, jednostką siły jest 1 niuton [N]. Ciśnienie wyrażane jest w paskalach (Pa), gdzie 1Pa= 1N/m2

Ciśnienie o wartości 1 Pa oznacza, że na powierzchnię 1m2 naciska siła 1N. 

Oprócz tego stosuje się pochodne wyrażane w: kilopaskalach [kPa] megapaskalach [MPa].

Większość oferowanych manometrów jest wyskalowana w megapaskalach [MPa] lub w kilopaskalach [kPa].

  • Barach (bar), z których każdy jest równy 100 000 Pa, czyli 100 kPa i 0,1 MPa
  • Atmosferach [at] – choć nie jest jednostką obowiązującą to wciąż wykorzystywana jest z przyzwyczajenia. Przyjmuje się, że 1 at = 100 000 Pa

Przyjmuje się, że 1 bar to 100000 Pa ≈1 at

 

Siłowniki hydrauliczne

Układ hydrauliczny to zespół wzajemnie połączonych ze sobą elementów, których zadaniem jest przekazanie energii za pomocą cieczy pod ciśnieniem. Początkiem układu jest pompa zazwyczaj napędzana od silnika elektrycznego. Końcem układu jest zaś siłownik (silnik hydrauliczny), który wykonuje pracę unosząc ładunek.

Najmocniejszą stroną układów hydraulicznych jest ich duża siła, która dochodzić może nawet do 300 bar, a więc znacznie więcej niż układów pneumatycznych. Dlatego też napędy hydrauliczne są niezwykle wszechstronne i z powodzeniem wykorzystywane są w budownictwie (np. dźwigi, ładowarki, koparki, żurawie), rolnictwie czy przemyśle (np. prasy do klejonki, belownice, wyciskarki itp.).

Istotnym elementem pracy układów hydraulicznych jest temperatura, która wpływa na lepkość medium roboczego (cieczy hydraulicznej). W praktyce oznacza to, że należy utrzymywać w miarę stałą temperaturę cieczy hydraulicznej, aby układ zachował swoje parametry. O ile nie jest to problemem w użytkowaniu systemów hydraulicznych w pomieszczeniach zamkniętych tj. hala, to sytuacja komplikuje się w użytkowaniu siłowników hydraulicznych na zewnątrz, w zmiennych warunkach pogodowych. 

W literaturze podkreśla się, że układy hydrauliczne są samo smarowne, czyli ciecz hydrauliczna, najczęściej olej, smaruje wszystkie elementy układu, co jest pewną przewagą w odniesieniu do układów pneumatycznych. 

Podsumowanie dotyczące zalet i wad układu hydraulicznego znajdują się na końcu artykułu.

Wykonywane przez nas prasy są w pełni hydrauliczne, oznacza to, że zarówno docisk górny (pionowy), jak i boczny (poziomy) ściskają surowiec hydraulicznie. Aby dowiedzieć się więcej nt. pras do klejonki, kliknij tutaj

Siłowniki pneumatyczne

Zgodnie z definicją, napęd pneumatyczny wykorzystuje energię sprężonego gazu do realizacji przesuwów mechanizmów w maszynach lub urządzeniach technologicznych. Napęd pneumatyczny odbywa się za pomocą siłowników o ruchu prostoliniowym lub silników o ruchu wirującym. Źródłem energii w układach pneumatycznych jest sprężone powietrze wytwarzane w sprężarkach lub w przypadku większego zapotrzebowania – przez stacje sprężarek.

W wyniku sprężania powietrze się nagrzewa, a po wychłodzeniu wykrapla się woda w postaci kondensatu. W celu zmniejszenia jej ilości instaluje się chłodnice i osuszacze. Główną wadą jest więc konieczność starannego, wstępnego przygotowania. 

Wybierając układ należy zwrócić uwagę na generowany hałas, tak, aby nie przekraczał on dopuszczalnych poziomów. W zakładach produkcyjnych, tartakach czy stolarniach poziom natężenia hałasu podlega kontroli.

Obrazowy schemat układu pneumatycznego przedstawia rysunek nr 1. 

układ pneumatyczny

Źródło: Instytut obrabiarek i technologii budowy maszyn politechniki łódzkiej (https://ioitbm.p.lodz.pl/labs/p/P-1-instrukcja.pdf

Zalety i wady układu hydraulicznego i pneumatycznego

Podsumowanie dotychczasowych rozważań stanowi tabela porównawcza przedstawiająca zalety i wady dla każdego z układów.

napęd hydrauliczny

napęd pneumatyczny
Żródło: Opracowanie własne

Hydraulika czy pneumatyka?

Zarówno jeden jak i drugi układ wykorzystuje mechanikę płynów (zgodnie z literaturą przez płyny rozumie się tutaj zarówno ciecze, jak i gazy).

Siłowniki, jak i silniki pneumatyczne nie są dedykowane do prac, w których potrzebna jest duża siła, ponieważ ogranicza je określone ciśnienie robocze. W prasach do klejonki, które zbudowane są z wykorzystaniem napędów pneumatycznych, zazwyczaj wykorzystuje się ciśnienie robocze ok. 0,8 MPa. Dlatego też przy podjęciu decyzji w pierwszej kolejności należy postawić sobie pytanie, do czego będzie przeznaczona prasa. Jeśli klejone elementy będą niewielkie warto wówczas rozważyć napęd pneumatyczny. Układ hydrauliczny może pracować przy większym obciążeniu i ciśnieniu, co ma istotne znaczenie przy klejeniu większych elementów konstrukcyjnych.