Kako izračunati hitrost pnevmatskega pretoka za optimalno delovanje sistema?

Pnevmatski sistemi odpovedo, če inženirji napačno izračunajo pretoke. Videl sem, da so proizvodne linije zaradi premajhnih sistemov oskrbe z zrakom zaprte več dni. Pravilni izračuni pretoka preprečujejo drage zastoje in zagotavljajo zanesljivo delovanje.

Pri izračunu pnevmatskega pretoka je treba določiti količino stisnjenega zraka, ki je potrebna za časovno enoto in se običajno meri v SCFM (standardnih kubičnih stopinjah na minuto) ali litrih na minuto. Pri natančnih izračunih je treba upoštevati prostornino valja, frekvenco ciklov in zahteve glede tlaka v sistemu.

Pred dvema mesecema sem Jamesu, inženirju iz proizvodnega obrata v Teksasu, pomagal rešiti kritično težavo s hitrostjo pretoka. Njegova spletna stran pnevmatski cilindri brez ročajev¹ so delovale počasi, kar je povzročilo ozka grla v proizvodnji. Glavni vzrok ni bila okvara valjev, temveč neustrezni izračuni pretoka zraka.

Kazalo vsebine

• Kaj je pnevmatski pretok in zakaj je pomemben?
• Kako izračunati osnovne zahteve glede pretoka jeklenke?
• Kateri dejavniki vplivajo na izračune stopnje pretoka cilindra brez palice?
• Kako dimenzionirati sisteme za dovod zraka za več valjev?
• Katere so najpogostejše napake pri izračunu pretoka?
• Kako upoštevati izgube v sistemu pri izračunu pretoka?

Kaj je pnevmatski pretok in zakaj je pomemben?

Hitrost pretoka predstavlja prostornino stisnjenega zraka, ki se giblje skozi sistem v časovni enoti. Ta meritev določa, ali lahko pnevmatski sistem zagotavlja zahtevano zmogljivost.

Pnevmatski pretok meri porabo stisnjenega zraka v standardnih kubičnih čevljih na minuto (SCFM) ali litrih na minuto. Pravilni izračuni pretoka zagotavljajo, da jeklenke delujejo pri načrtovanih hitrostih, hkrati pa ohranjajo ustrezen tlak za zahteve po sili.

Razumevanje enot pretoka

V različnih regijah se za pnevmatske meritve pretoka uporabljajo različne enote:

Zakaj so izračuni pretoka pomembni

Premajhen pretok povzroča več težav pri delovanju:

Zmanjšanje hitrosti

Če je pretok zraka nezadosten, se valji premikajo počasneje, kot je predvideno. To neposredno vpliva na čas proizvodnega cikla in splošna učinkovitost opreme².

Padec tlaka

Nizki pretoki ne morejo vzdrževati tlaka v sistemu v obdobjih velikega povpraševanja. Padci tlaka zmanjšajo moč delovanja in povzročijo nekonsistentno delovanje.

Neučinkovitost sistema

Preveliki pretočni sistemi zaradi prevelikih kompresijskih in distribucijskih izgub izgubljajo energijo. Pravilni izračuni optimizirajo porabo energije.

Razmerje med pretokom in tlakom

V pnevmatskih sistemih delujeta pretok in tlak skupaj. Večji pretoki lahko vzdržujejo tlak med hitrimi premiki valjev, ustrezen tlak pa zagotavlja ustrezen prenos sile.

Razmerje temelji na osnovnih načelih dinamike tekočin. Ko se poveča potreba po pretoku, se tlak običajno zmanjša, razen če oskrbovalni sistem to ustrezno kompenzira.

Učinek v resničnem svetu

Pred kratkim sem sodelovala z Marijo, vodjo proizvodnje pri španskem proizvajalcu avtomobilskih delov. Njena montažna linija je za pozicioniranje delov uporabljala več zračnih cilindrov brez ročic. Sistem je med testiranjem v enem ciklu deloval dobro, vendar je med polno proizvodnjo odpovedal.

Težava je bila v izračunu pretoka. Inženirji so dimenzionirali oskrbo z zrakom za potrebe posameznih valjev, niso pa upoštevali zahtev po hkratnem delovanju. Ko je več jeklenk delovalo skupaj, je skupna potreba po pretoku presegla zmogljivost oskrbe.

Kako izračunati osnovne zahteve glede pretoka jeklenke?

Osnovni izračuni pretoka v valjih so temelj za določanje velikosti vseh pnevmatskih sistemov. Ti izračuni določajo porabo zraka za posamezne valje.

Osnovni pretok je enak volumnu jeklenke, pomnoženemu z delovno frekvenco in tlačnim razmerjem. Enačba je naslednja: pretok (SCFM) = prostornina jeklenke (v³) × število ciklov na minuto × tlačno razmerje ÷ 1728.

Formula za osnovno stopnjo pretoka

Osnovna enačba za pretok pnevmatskega valja:

Q = V × f × (P₁/P₀) ÷ 1728

Kje:

• Q = pretok v SCFM
• V = prostornina valja v kubičnih palcih
• f = frekvenca ciklov (cikli na minuto)
• P₁ = delovni tlak (PSIA) - to je absolutni tlak³
• P₀ = atmosferski tlak (14,7 PSIA)
• 1728 = pretvorbeni faktor (kubični inči v kubične čevlje)

Izračuni prostornine jeklenke

Za standardne pnevmatske cilindre:

Prostornina = π × (premer/2)² × dolžina hoda

Pri cilindrih z dvojnim delovanjem izračunajte prostornino za raztezanje in umikanje:

• Podaljšanje glasnosti: Polna površina bata × hod
• Umikanje volumna: (površina bata - površina palice) × hod

Upoštevanje razmerja tlaka

Tlačno razmerje (P₁/P₀) upošteva kompresijo zraka. Pri višjih delovnih tlakih je za zapolnitev istega prostora v valju potrebna večja standardna prostornina zraka.

Praktični primer izračuna

Za valj s premerom 2 palca in hodom 12 palcev pri tlaku 80 PSIG, ki se vrti 30-krat na minuto:

Prostornina valja = π × (1)² × 12 = 37,7 in³
Tlačno razmerje = (80 + 14,7) ÷ 14,7 = 6,44
Stopnja pretoka = 37,7 × 30 × 6,44 ÷ 1728 = 4,2 SCFM

Razmisleki o cilindrih z dvojnim delovanjem

Cilindri z dvojnim delovanjem porabljajo zrak pri obeh hodih. Skupno porabo izračunajte tako, da seštejete zahteve za raztezanje in vlek:

Skupni pretok = pretok za podaljšanje + pretok za umik

Pri valjih s palicami je prostornina za umik manjša od prostornine za raztezanje zaradi premikanja palic.

Kateri dejavniki vplivajo na izračune stopnje pretoka cilindra brez palice?

Cilindri brez palic predstavljajo edinstvene izzive za izračun pretoka v primerjavi s tradicionalnimi pnevmatskimi cilindri. Razumevanje teh razlik zagotavlja natančno določanje velikosti sistema.

Pri izračunih pretoka v valjih brez palice je treba upoštevati razlike v notranji prostornini, razlike v sistemu tesnjenja in učinke mehanizma spajanja. Ti dejavniki lahko povečajo zahteve po pretoku za 10-25% v primerjavi z enakovrednimi tradicionalnimi jeklenkami.

Razlike v notranjem volumnu

Pnevmatski cilindri brez palic imajo različne notranje geometrije, ki vplivajo na izračun pretoka:

Sistemi magnetnega spajanja

Magnetno sklopljeni valji brez palic ohranjajo enakomerno notranjo prostornino. Magnetna sklopka ne vpliva bistveno na izračune porabe zraka.

Mehanski tesnilni sistemi

Mehansko zaprti cilindri brez palice imajo odprtine z režami, ki nekoliko povečajo notranjo prostornino. Ta dodatna prostornina vpliva na izračune pretoka.

Vpliv sistema tesnjenja

Različni tesnilni sistemi vplivajo na zahteve glede pretoka:

Upoštevanje mehanizma spajanja

Povezovalni mehanizem med notranjim batom in zunanjim vozičkom vpliva na dinamiko pretoka:

Učinki magnetne sklopke na pretok

• Dosledno tesnjenje: Ohranja predvidljive vzorce pretoka
• Brez neposredne povezave: Odpravlja zunanje poti uhajanja
• Standardni izračuni: Uporabite tradicionalne formule z minimalnimi prilagoditvami

Mehanska sklopka Učinki toka

• Tesnjenje rež: Potrebni so dodatni mehanizmi za tesnjenje
• Povečan obseg: Površina reže prispeva k skupni prostornini jeklenke
• Potencial uhajanja: Večje zahteve glede pretoka za vzdrževanje tlaka

Vpliv temperature na pretok

Cilindri brez palic pogosto delujejo v aplikacijah s temperaturnimi spremembami, ki vplivajo na izračun pretoka:

Učinki nizke temperature

• Povečana viskoznost: Večja odpornost proti pretoku
• Utrditev tesnila: Povečano trenje in možnost uhajanja
• Kondenzacija: Kopičenje vode vpliva na vzorce pretoka

Učinki vroče temperature

• Zmanjšana viskoznost: Manjši pretočni upor
• Toplotna razteznost: Spremembe notranjih količin
• Degradacija tesnila: Možnost povečanega uhajanja

Dejavniki hitrosti in pospeška

Valji brez palic pogosto delujejo pri višjih hitrostih kot običajni valji, kar vpliva na zahteve glede pretoka:

Zahteve za delovanje pri visoki hitrosti:

• Hitro polnjenje: Zahteva večje trenutne pretoke
• Vzdrževanje tlaka: Večji pretok je potreben za vzdrževanje tlaka med hitrimi gibi
• Izgube zaradi pospeševanja: Dodaten zrak, potreben za pospeševanje bremena

Faktorji prilagoditve za izračun

Za izračune pretoka valjev brez palice uporabite te prilagoditvene faktorje:

Prilagojeni pretok = osnovni pretok × faktor prilagoditve

Kako dimenzionirati sisteme za dovod zraka za več valjev?

Pri sistemih z več jeklenkami je treba skrbno analizirati pretok, da se zagotovi ustrezna oskrba z zrakom. Preprosto seštevanje posameznih zahtev pogosto privede do predimenzioniranih ali poddimenzioniranih sistemov.

Za določitev velikosti pretoka več valjev je treba analizirati vzorce hkratnega delovanja, delovne cikle in obdobja največjega povpraševanja. Skupni pretok sistema je zaradi časovnih razlik v delovanju redko enak vsoti potreb posameznih valjev.

Analiza hkratnega delovanja

Pri večini aplikacij vsi valji ne delujejo hkrati. Analiza dejanskih vzorcev delovanja preprečuje preveliko velikost:

Vrste vzorcev delovanja

• Zaporedno delovanje: Cilindri delujejo drug za drugim
• Hkratno delovanje: Več valjev deluje skupaj
• Naključno delovanje: Nepredvidljivi časovni vzorci
• Ciklično delovanje: Ponavljajoči se vzorci z znanim časom

Upoštevanje delovnega cikla

Delovni cikel predstavlja odstotek časa delovanja cilindra v določenem obdobju:

Delovni cikel = čas delovanja ÷ skupni čas cikla × 100%

Analiza največjega povpraševanja

Velikost sistema mora biti prilagojena obdobjem največjega povpraševanja, ko hkrati deluje več jeklenk:

Izračun največjega povpraševanja

Največji pretok = Σ(posamezni pretoki × faktor hkratnega delovanja)

Pri čemer faktor hkratnega delovanja predstavlja verjetnost, da bodo jeklenke delovale skupaj.

Vloga za dejavnik raznolikosti

A Dejavnik raznolikosti⁴ upošteva statistično verjetnost, da vsi valji ne bodo hkrati delovali z največjim povpraševanjem:

Primer določanja velikosti sistema

Za sistem s petimi cilindri brez palice, od katerih vsak potrebuje 3 SCFM:

Posamezno skupaj = 5 × 3 = 15 SCFM
S faktorjem raznolikosti = 15 × 0,80 = 12 SCFM
Z varnostnim faktorjem = 12 × 1,25 = 15 SCFM

Razmisleki o rezervoarju za shranjevanje

Rezervoarji za sprejem zraka pomagajo obvladovati obdobja največjega povpraševanja:

Formula za določanje velikosti rezervoarja

Prostornina rezervoarja (galone) = največja hitrost pretoka (SCFM) × čas (minute) × padec tlaka (PSI) ÷ 28,8

Pri čemer je 28,8 konstanta pretvorbe za standardne pogoje.

Uporaba v resničnem svetu

Sodeloval sem z Davidom, vodjo vzdrževanja v kanadskem obratu za pakiranje, ki se je spopadal z nezadostno oskrbo z zrakom za svoj sistem cilindrov brez palice. Njegovi izračuni so pokazali skupno potrebo po 20 SCFM, vendar sistem med največjo proizvodnjo ni mogel vzdrževati tlaka.

Šlo je za analizo hkratnega delovanja. Med zamenjavo izdelkov je šest cilindrov delovalo sočasno za nastavitev položaja. To je povzročilo 30-sekundno največjo potrebo po 35 SCFM, kar je močno preseglo izračunano povprečje.

Težavo smo rešili tako, da smo dodali 120-galonski sprejemni rezervoar in nadgradili kompresor za obvladovanje največjih potreb. Sistem zdaj zanesljivo deluje v vseh fazah proizvodnje.

Katere so najpogostejše napake pri izračunu pretoka?

Napake pri izračunu pretoka povzročijo več napak pnevmatskega sistema kot katera koli druga napaka pri načrtovanju. Razumevanje teh pogostih napak preprečuje drage spremembe zasnove in zamude pri proizvodnji.

Pogoste napake pri pretoku vključujejo neupoštevanje tlačnih izgub, napačno izračunavanje pogostosti ciklov, spregledovanje sočasnih operacij in uporabo nepravilnih pretvorbenih faktorjev. Posledica teh napak so običajno poddimenzionirani sistemi za oskrbo z zrakom in slabo delovanje.

Nadzor nad izgubo tlaka

Številni inženirji izračunavajo pretoke na podlagi tlaka na dovodu, ne da bi upoštevali izgube v distribuciji:

Pogosti viri izgube tlaka

• Trenje cevi: 2-5 PSI na 100 čevljev distribucije
• Omejitve ventilov: 3-8 PSI prek regulacijskih ventilov
• Filter/regulator: padec tlaka 5-10 PSI
• Priključki: 1-2 PSI na priključek

Nepravilne predpostavke o frekvenci cikla

Teoretični časi ciklov se le redko ujemajo z dejanskimi proizvodnimi zahtevami:

Neskladja med zasnovo in resničnostjo

• Hitrost oblikovanja: Največja teoretična zmogljivost
• Dejanska hitrost: Omejeno z zahtevami procesa
• Obdobja konic: Višje frekvence med sprotno proizvodnjo
• Vzdrževalni cikli: Zmanjšanje pogostosti med servisiranjem opreme

Napake hkratnega delovanja

Domneva o zaporednem delovanju, čeprav valji v resnici delujejo sočasno:

Na to napako sem naletel pri Lisi, procesni inženirki nemškega dobavitelja avtomobilov. Njeni izračuni pretoka so predvidevali zaporedno delovanje osmih cilindrov brez palice na montažni postaji. V resnici so zahteve glede kakovosti zahtevale hkratno delovanje za dosledno pozicioniranje delov.

Zaradi premajhnega dovoda zraka je med hkratnim delovanjem prišlo do padca tlaka, kar je povzročilo nedosledno pozicioniranje in napake v kakovosti. Ponovno smo izračunali zahteve glede pretoka za hkratno delovanje in nadgradili sistem za oskrbo z zrakom.

Napake pretvorbenega faktorja

uporaba nepravilnih pretvorbenih faktorjev med različnimi enotami pretoka:

Nadzor popravkov temperature

Neupoštevanje vpliva temperature na gostoto in pretok zraka:

Standardni pogoji

• Temperatura: 20°C (68°F)
• Tlak: 14,7 PSIA (1 atmosfera)
• Vlaga: 0% relativna vlažnost

Formula za korekcijo temperature

Popravljeni pretok = standardni pretok × (standardna temperatura ÷ dejanska temperatura)

Če so temperature v absolutnih enotah (Rankine ali Kelvin).

Neustreznost varnostnega dejavnika

Nezadostni varnostni dejavniki vodijo do mejnega delovanja sistema:

Dopust za uhajanje Opustitve

Neupoštevanje uhajanja iz sistema pri izračunih pretoka:

Tipične stopnje uhajanja

• Novi sistemi: 5-10% skupnega pretoka
• Uveljavljeni sistemi: 10-20% celotnega pretoka
• Starejši sistemi: 20-30% celotnega pretoka
• Slabo vzdrževanje: 30%+ celotnega pretoka

Kako upoštevati izgube v sistemu pri izračunu pretoka?

Izgube v sistemu bistveno vplivajo na potrebe po pnevmatskem pretoku. Natančni izračuni morajo vključevati vse vire izgub, da se zagotovi ustrezno delovanje sistema.

Sistemske izgube pri izračunu pnevmatskega pretoka vključujejo trenje v cevi, omejitve ventilov, izgube v armaturah in dodatke za puščanje. Te izgube običajno povečajo skupne zahteve po pretoku za 25-50% nad teoretično porabo jeklenke.

Izgube zaradi trenja v ceveh

V sistemih za distribucijo stisnjenega zraka nastajajo izgube zaradi trenja, ki vplivajo na izračune pretoka:

Faktorji izgube trenja

• Premer cevi: Manjše cevi povzročajo večje izgube
• Dolžina cevi: Daljše proge povečajo skupno trenje
• Hitrost pretoka: Večje hitrosti eksponentno povečujejo izgube
• Material cevi: Gladke cevi zmanjšujejo trenje

Določanje velikosti cevi glede na zahteve glede pretoka

Ustrezno dimenzioniranje cevi zmanjšuje izgube zaradi trenja:

Izgube ventilov in sestavnih delov

Regulacijski ventili in sestavni deli sistema povzročajo velike padce tlaka:

Tipične izgube komponent

• Kroglični ventili: 2-5 PSI (popolnoma odprto)
• Elektromagnetni ventili: 5-15 PSI
• Regulacijski ventili za pretok: 10-25 PSI
• Hitri priključki: 1-3 PSI
• Zračni filtri: 2-8 PSI

Cv Koeficient pretoka

Za pretočno zmogljivost ventila se uporablja koeficient Cv:

Stopnja pretoka (SCFM) = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂))

Kje:

• Cv = koeficient pretoka ventila
• ΔP = padec tlaka na ventilu
• P₁ = tlak v zgornjem toku (PSIA)
• P₂ = tlak v spodnjem toku (PSIA)

Izračuni uhajanja sistema

Uhajanje predstavlja pomemben delež celotne porabe zraka:

Metode ocenjevanja uhajanja

• Preizkušanje razpadanja tlaka⁵: Izmerite padec tlaka skozi čas
• Ultrazvočno zaznavanje: Poiščite posamezne vire uhajanja
• Spremljanje pretoka: Primerjajte dejansko in teoretično porabo
• Testiranje mehurčkov: Vizualno zaznavanje točk puščanja

Faktorji za dopustno uhajanje

V izračune pretoka vključite tudi dodatke za puščanje:

Izračun skupne izgube sistema

Združite vse vire izgub za natančno določanje velikosti pretoka:

Skupni zahtevani pretok = pretok jeklenke × faktor izgub v cevi × faktor izgub v komponenti × faktor uhajanja × varnostni faktor

Praktična ocena izgub

Pred kratkim sem Robertu, inženirju vzdrževanja iz italijanskega proizvajalca tekstila, pomagal rešiti kronične težave z oskrbo z zrakom. Njegovi sistemi cilindrov brez palice so delovali nedosledno kljub zadostni zmogljivosti kompresorja.

Izvedli smo celovito oceno izgube in ugotovili:

• Trenje cevi: Potrebno je povečanje pretoka 15%
• Izgube ventilov: 20% potreben dodaten pretok
• uhajanje iz sistema: 25% povečanje porabe
• Skupni učinek: 60% večji pretok od teoretičnih izračunov

Po odpravi večjih puščanj in nadgradnji distribucijskih cevovodov je sistem zanesljivo deloval z obstoječo zmogljivostjo kompresorja.

Strategije za zmanjševanje izgub

Zmanjšajte izgube v sistemu s pravilno zasnovo:

Optimizacija distribucijskega sistema

• Sistemi zanke: Zmanjšanje padca tlaka po več poteh
• Ustrezna velikost: Uporabite ustrezne premere cevi
• Zmanjšanje števila priključkov: Zmanjšajte število priključnih točk
• Kakovostne komponente: Uporabite ventile in priključke z majhnimi izgubami

Programi vzdrževanja

• Redno odkrivanje puščanja: Mesečni ultrazvočni pregledi
• Preventivna zamenjava: Zamenjajte obrabljena tesnila in priključke.
• Spremljanje tlaka: Spremljanje trendov delovanja sistema
• Nadgradnje komponent: Zamenjajte komponente z visokimi izgubami

Zaključek

Za natančne izračune pnevmatskega pretoka je treba poznati zahteve za valje, izgube v sistemu in obratovalne vzorce. Pravilni izračuni zagotavljajo zanesljivo delovanje cilindrov brez palice, hkrati pa optimizirajo porabo energije in stroške sistema.

Pogosta vprašanja o izračunih hitrosti pretoka pnevmatike