Sprężone powietrze jako źródło energii mechanicznej

Przemysłowe sterowanie ruchem jest coraz silniej kształtowane przez środowiska, w których energia elektryczna nie zawsze jest najbezpieczniejszym rozwiązaniem. Silniki pneumatyczne, znane również jako silniki powietrzne, przekształcają sprężone powietrze w ciągłą siłę obrotową, zastępując napędy elektryczne w określonych scenariuszach wysokiego ryzyka.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych maszyn elektrycznych systemy te opierają się wyłącznie na zasilaniu sprężonym powietrzem. Ta zmiana eliminuje ryzyko zapłonu elektrycznego, a jednocześnie zapewnia stabilną moc mechaniczną podczas wymagających operacji.

Sprężone powietrze zazwyczaj pracuje w zakresie 4–6 barów, co wystarcza do uruchomienia wewnętrznych układów wirnika i wygenerowania użytecznego momentu obrotowego dla narzędzi przemysłowych oraz siłowników.

Dlaczego przemysł ponownie zwraca uwagę na ruch pneumatyczny

Operatorzy często nie doceniają, jak istotne pozostają systemy pneumatyczne we współczesnej automatyzacji. W środowiskach zagrożonych wybuchem lub silnie zapylonych napędzanie ruchem za pomocą powietrza eliminuje kluczowe tryby awarii związane z powstawaniem łuku elektrycznego i przegrzewaniem.

Sprawia to, że silniki pneumatyczne są niezawodnym wyborem w branżach procesowych, w których margines bezpieczeństwa ma większe znaczenie niż efektywność energetyczna.

Budowa i działanie silnika pneumatycznego

Silniki pneumatyczne działają dzięki kontrolowanemu rozprężaniu sprężonego powietrza w zamkniętych komorach. Ta konwersja energii wytwarza ruch obrotowy bez cewek elektrycznych i pól magnetycznych.

Prostota konstrukcji ogranicza naprężenia cieplne i umożliwia ciągłą pracę pod obciążeniem, które zwykle powodowałoby zatrzymanie silników elektrycznych.

Silniki łopatkowe i ciągłe generowanie momentu obrotowego

Silniki pneumatyczne łopatkowe dominują w zastosowaniach przemysłowych dzięki swojej zrównoważonej konstrukcji. Mimośrodowy wirnik i przesuwne łopatki dzielą komorę na wiele kieszeni powietrznych, wytwarzając sekwencyjne różnice ciśnień.

Te strefy ciśnienia wymuszają ciągły obrót wirnika, zapewniając stabilny moment obrotowy przy zmiennych warunkach obciążenia.

Rysunek 1. Budowa obrotowego silnika łopatkowego z podziałem wewnętrznej komory powietrznej i dynamiką przemieszczenia wirnika.

Układy tłokowe do zastosowań wymagających wysokiego momentu obrotowego

Konstrukcje tłokowe wykorzystują wiele cylindrów rozmieszczonych wokół centralnego wału. Sprężone powietrze naprzemiennie oddziałuje na tłoki, generując wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości.

Konstrukcja ta jest szeroko stosowana w narzędziach do ciężkich prac oraz przemysłowych systemach dokręcania, w których kontrolowana siła ma większe znaczenie niż prędkość.

Praca z wysoką prędkością oparta na turbinie

Turbinowe silniki pneumatyczne przedkładają prędkość obrotową nad moment obrotowy. Powietrze przepływa przez zakrzywione łopatki, wprawiając w ruch wirnik podobny do kompaktowego układu turbinowego.

Systemy te są powszechnie wybierane do lekkich zastosowań wymagających wysokiej prędkości i minimalnych oporów mechanicznych.

Rysunek 2. Zespoły silników pneumatycznych przedstawiające różne konfiguracje przemysłowe i układy mechaniczne.

Gdzie silniki pneumatyczne zastępują napędy elektryczne

Silniki pneumatyczne odgrywają kluczową rolę w środowiskach, w których kontrola zapłonu i bezpieczeństwo cieplne mają decydujące znaczenie dla konstrukcji systemu. Ich zastosowanie nie jest uniwersalne, lecz koncentruje się na określonych sektorach przemysłu.

Niebezpieczne środowiska procesowe

W zakładach chemicznych, kopalniach i silnie zapylonych strefach produkcyjnych systemy pneumatyczne zmniejszają ryzyko wybuchu spowodowanego wyładowaniem elektrycznym.

Brak prądu elektrycznego eliminuje jedno z najczęstszych źródeł zapłonu w atmosferach lotnych.

Integracja z systemami sterowania ruchem

Silniki pneumatyczne często łączy się z mechanicznymi regulatorami przepływu i ciśnienia, aby uzyskać regulację prędkości i momentu obrotowego. Dzięki temu stanowią funkcjonalną alternatywę w ramach szerszych ekosystemów sterowania ruchem, zwłaszcza tam, gdzie w hybrydowych architekturach automatyki stosuje się napędy i systemy sterowania ruchem.

W wielu zakładach siłowniki pneumatyczne i elektryczne układy serwo współistnieją, a każdy z nich obsługuje inne granice ryzyka i wydajności.

Porównanie z architekturami napędów elektrycznych

Silniki elektryczne dominują w automatyzacji precyzyjnej, lecz w środowiskach lotnych wprowadzają zagrożenia cieplne i elektryczne. Systemy pneumatyczne eliminują te ograniczenia kosztem efektywności.

W infrastrukturze pomocniczej, takiej jak komponenty zasilania i elektryczne, inżynierowie nadal projektują systemy hybrydowe, w których pneumatyka obsługuje zadania związane z ruchem bezpiecznym w razie awarii lub wykonywanym w niebezpiecznych warunkach.

Rysunek 3. Zastosowanie silnika pneumatycznego w środowiskach, w których praca urządzeń elektrycznych jest ograniczona ze względów bezpieczeństwa.

Dlaczego pneumatyka nadal ma znaczenie we współczesnym przemyśle

Pomimo postępów w dziedzinie napędów serwo i inteligentnych siłowników elektrycznych silniki pneumatyczne nadal pozostają istotne. Ich odporność na przeciążenia i prostota mechaniczna sprawiają, że są atrakcyjne w operacjach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

W przeciwieństwie do silników elektrycznych systemy pneumatyczne tolerują zatrzymanie bez uszkodzenia uzwojeń i niekontrolowanego wzrostu temperatury. Cecha ta ogranicza złożoność konserwacji w trudnych środowiskach.

Kompromisy inżynieryjne, które nadal przemawiają za systemami pneumatycznymi

Efektywność energetyczna pozostaje ograniczeniem. Jednak niezawodność w strefach zagrożonych często przeważa nad kwestiami wydajności w procesach decyzyjnych przemysłu.

W miarę jak automatyzacja obejmuje coraz bardziej ekstremalne środowiska, systemy pneumatyczne pozostają stabilną technologią rezerwową, a nie rozwiązaniem z minionej epoki.

Perspektywa inżynieryjna dotycząca ruchu pneumatycznego

Silniki pneumatyczne są pragmatycznym kompromisem inżynieryjnym, a nie przestarzałym rozwiązaniem. Ich rolą nie jest bezpośrednia rywalizacja z napędami elektrycznymi, lecz praca tam, gdzie energia elektryczna stwarza niedopuszczalne ryzyko.

We współczesnych projektach przemysłowych pełnią funkcję warstwy sterowania ruchem, w której priorytetem jest bezpieczeństwo, uzupełniając elektroniczne systemy sterowania zamiast je zastępować.

*Daniel Mercer, reporter systemów przemysłowych, 14 lat doświadczenia w projektach integracji terenowej ABB i Emerson, specjalizujący się w analizie systemów sterowania ruchem i automatyki procesowej*