پنوماتیک Pneumatics
زمانی را به خاطر می آورید که بادکنکی را منفجر کردید، لحظه ای آن را نگه داشتید، سپس اجازه دادید دیوانه وار اتاق را بزرگ کند؟ چیزی که در آن زمان به نظر یک شوخی قدیمی و بزرگ و مسخره به نظر می رسید، واقعاً یک درس اساسی در پنوماتیک بود – استفاده عملی از هوای تحت فشار. از ماشین‌های کارخانه‌ای و مته‌های جاده‌ای گرفته تا روبات‌های رنگ‌پاش و ابزارهای برقی، همه انواع چیزهای روزمره به پنوماتیک متکی هستند. به نظر می رسد یک تناقض بزرگ است: چگونه چیزی به اندازه هوا بی فایده و خالی می تواند چنین کارهای فوق العاده مفیدی انجام دهد؟ چگونه می توانید یک هلیکوپتر را بلند کنید، سوراخی را سوراخ کنید، یا قطاری را با یک کیسه بزرگ کهنه از هیچ چیز نیرو دهید؟ همه چیز به علم ساده فشار و نحوه ذخیره انرژی گازها در هنگام له کردن آنها بستگی دارد. بیایید نگاه دقیق تری بیندازیم!
پنوماتیک چیست
پنوماتیک علم و فناوری هوای تحت فشار است که با استفاده از هوای فشرده، لوله‌شده (یا گازی مشابه مانند نیتروژن) برای انتقال نیرو و انرژی استفاده می‌کند.
بنابراین یک مته پنوماتیک (یا چکش چکش) می‌تواند روسازی را با یک اسکنه فلزی که توسط هوای فشرده از شیلنگ به سمت بالا و پایین پمپ می‌شود، از هم جدا کند، در حالی که یک دستگاه رنگ‌آمیزی روباتی از هوای فشرده برای پاشیدن یکنواخت روی چیزی شبیه بدنه خودرو استفاده می‌کند. همانطور که به زودی خواهیم دید، پنوماتیک شبیه به هیدرولیک است، که در آن از آب (یا مایع دیگر) برای انتقال نیرو و انرژی در چیزی مانند بولدوزر یا جرثقیل استفاده می کنیم. هر دو نمونه هایی از قدرت سیال هستند، اما جایی که هیدرولیک از مایع استفاده می کند، پنوماتیک از گاز استفاده می کند.
به آن بادکنکی که منفجر کردید و رها کردید فکر کنید. از ریه های خود برای دمیدن هوا در داخل آن استفاده کردید. هر نفسی که به داخل فشار می‌دادید، بادکنک را کمی بیشتر می‌کرد و با مقداری نیروی در برابر فشار هوا و کشش (کشسانی) لاستیک که از بیرون به داخل فشار می‌داد، به بیرون فشار می‌داد. بنابراین، در اصطلاح فیزیک، شما از نیرویی (نفس خود) در مسافتی (مقداری که بادکنک را باد کردید) استفاده کردید: کاری را که دانشمندان به آن کار روی بالون می‌گویند انجام دادید. شما هوا را فشرده کردید و تحت فشار آن را به بالون وارد کردید. اکنون فشرده سازی یک گاز انرژی را در آن ذخیره می کند. برای انجام کاری که گاز را فشرده می‌کند، انرژی لازم است، و انرژی که استفاده می‌کنید هدر نمی‌رود – در گاز فشرده به عنوان انرژی بالقوه ذخیره می‌شود که می‌توانید بعداً از آن استفاده کنید. به عبارت دیگر، باد کردن یک بالون کمی شبیه پر کردن یک مخزن کوچک انرژی (یا مخزن) است که از لاستیک ساخته شده است. هنگامی که بالون را رها می کنید، گاز محبوس شده آزاد می شود: منبسط می شود، بنابراین انرژی پتانسیل ذخیره شده آن به سرعت به انرژی جنبشی تبدیل می شود و یک جت هوا ایجاد می کند که بالون را در اطراف اتاق حرکت می دهد – یک نوع موتور جت بسیار ساده.
ماشین های پنوماتیک چگونه کار می کنند؟
ماشین های پنوماتیکی برای ساخت، ذخیره، کنترل، جابجایی و استفاده از هوای فشرده به پنج جزء اساسی نیاز دارند:
کمپرسور – هوا تولید می کند.
یک مخزن (یا گیرنده) – هوا را ذخیره می کند.
یک یا چند دریچه – هوا را کنترل می کند.
مدار – هوا را بین اجزای دیگر حرکت می دهد.
یک محرک یا موتور – از هوا برای انجام کاری استفاده می کند.
دستگاه های پنوماتیک تمام توان خود را از انرژی موجود در هوای فشرده ای که استفاده می کنند به دست می آورند، بنابراین احتمالاً می توانید بلافاصله متوجه شوید که حداقل به دو جزء کلیدی نیاز دارند: چیزی برای فشرده سازی هوا (کمپرسور) و چیزی که از هوای فشرده برای بلند کردن استفاده می کند. حرکت یا نگه داشتن یک شی (محرک). همچنین برای رساندن هوا از کمپرسور به محرک به لوله یا شبکه ای از لوله ها (مدار) نیاز داریم. چیزی برای روشن یا خاموش کردن هوا (یک سوپاپ) و شاید معکوس کردن جهت آن نیز مفید خواهد بود (بنابراین ما می توانیم وسایل را پایین بیاوریم و همچنین آنها را بلند کنیم).
یک چیز دیگر در یک سیستم پنوماتیکی نیاز داریم. از آنجایی که هوا یک گاز بسیار قابل تراکم است، یک سیستم پایه که یک کمپرسور را از طریق یک مدار و یک سوپاپ به یک محرک متصل می کند، بسیار کند عمل می کند. هنگامی که آن را روشن می‌کنید، مدتی طول می‌کشد تا کمپرسور هوا را از مدار عبور دهد و فشار کافی برای حرکت محرک ایجاد کند (همانطور که زمان زیادی طول می‌کشد تا لاستیک دوچرخه یا بادکنک در حین انتظار شروع به باد کردن کند. برای فشار برای ساخت). بنابراین یک دستگاه پنوماتیک همچنین دارای یک مخزن (در واقع یک بالون) است که در آن مقدار زیادی هوای فشرده تحت فشار ذخیره می‌شود و به محض باز شدن دریچه عملیاتی، آماده ارسال نیروی تقریباً فوری است.
انیمیشن: چگونه پنوماتیک کار می کند (در تئوری). در اینجا می توانید پنج جزء کلیدی یک دستگاه پنوماتیک را مشاهده کنید: 1) کمپرسور (قرمز). 2) مخزن (آبی)؛ 3) شیر (نارنجی)؛ 4) مدار لوله ها (خاکستری)؛ 5) محرک (سبز). خط زرد جریان هوای فشرده را نشان می دهد. در این حالت، محرک یک سیلندر پنوماتیک ساده و یک پیستون است که با بالا رفتن سوپاپ بالا می رود و اجازه می دهد هوا به پایین سیلندر وارد شود. وقتی سوپاپ پایین می‌رود، پایین می‌رود، بنابراین هوا به بالای سیلندر جریان می‌یابد. برای سادگی، برخی از جزئیات، از جمله سوپاپ های اگزوز (خروجی) سیلندر و موتوری که کمپرسور را تامین می کند، از دست داده ام.
چگونه پنوماتیک کار می کند (در عمل). در اینجا یک خلبان در حال بلند کردن یک هلیکوپتر واژگون شده با کمک یک کیسه هوای غول پیکر (خاکستری روشن) است. تنظیمات در اینجا بسیار شبیه به آن در انیمیشن است، اگرچه شما می توانید تنها سه جزء کلیدی پنوماتیک (مدار لوله ها، دریچه های کنترل کننده آنها و کیسه محرکی که هلیکوپتر را بلند می کند) مشاهده کنید. شما نمی توانید کمپرسور یا مخزن را ببینید.
کمپرسورها
کمپرسور ماشینی است که هوای معمولی را به هوای فشرده تبدیل می‌کند و آن را تا حدود 7 تا 10 برابر فشار اتمسفر (در واحدهای علمی، 7 تا 10 اتمسفر، 700-1000 کیلو پاسکال یا 100 تا 150 psi) فشرده می‌کند. برای اینکه تصوری تقریبی به شما بدهم، این فشار حدود 25 تا 30 درصد بیشتر از فشار یک بطری شامپاین یا 2 تا 3 برابر فشار لاستیک ماشین است. این فشار کمی است، اما هیچ چیز خیلی خارق العاده ای نیست، و به ما می گوید که برای انجام هر کاری واقعا مفید به هوای فشرده بسیار زیادی نیاز داریم.
کمپرسور نقطه شروع هر مدار پنوماتیکی است: این بیتی است که با فشار دادن هوا به فضای بسیار کوچکتر انرژی را به سیستم وارد می کند. اکنون مهم است که توجه داشته باشید که هوا مانند سوختی نیست که در یک موتور بنزینی بارگیری می کنید: برای شروع، انرژی مفید زیادی ندارد. فشرده کردن انرژی در هوای معمولی کاری است که کمپرسور انجام می دهد، اگرچه در واقع این انرژی را از هیچ نمی سازد. به طور معمول، این موتور توسط یک موتور بنزینی یا دیزلی کار می کند، بنابراین به سادگی انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می کند – سوختن گاز یا گازوئیل از مخزن خود، در یک موتور، و بنابراین انرژی ذخیره شده در آن سوخت را به انرژی ذخیره شده در هوای تحت فشار تبدیل می کند. من یک مقاله جداگانه در مورد کمپرسورها و پمپ ها دارم و می توانید در مورد آنها بیشتر بخوانید.
عملگرها و موتورها
“Actuator” کمی اصطلاحات مهندسی است که فقط به معنای “حرکت کننده” است. این پایان کسب و کار یک ابزار پنوماتیک است. کمی که تغییر می کند و کار مفیدی برای ما انجام می دهد. این ممکن است یک مته پنوماتیکی باشد که توسط یک پیستون بالا و پایین می‌خورد، یک سطح شیبدار کارخانه که اشیا را بلند می‌کند و پایین می‌آورد، یک بازوی مکانیکی که چیزها را به اطراف می‌چرخاند، یا چیزی شبیه به آن. عملگرها معمولاً در یک خط مستقیم به جلو و عقب حرکت می‌کنند (کلمه فنی آن متقابل است) و مانند انیمیشن بالا، اغلب توسط پیستون‌هایی نیرو می‌گیرند که در سیلندرها با جریان هوای فشرده به داخل و خارج از آنها به جلو و عقب می‌لغزند. . آنها انرژی پتانسیل ذخیره شده در هوای فشرده را به انرژی جنبشی و حرکت تبدیل می کنند.
اگر ابزاری بخواهیم که به جای حرکت به جلو و عقب (مقابله) به دور (چرخ) بچرخد، چه؟ سپس می توانیم از یک موتور هوا استفاده کنیم که در آن گاز متحرک باعث چرخش شفت می شود. این به روشی شبیه به یک توربین عمل می کند، که ماشینی است که توسط نوعی آسیاب بادی داخلی کار می کند. همانطور که گاز از طریق یک موتور هوا جریان می یابد، به پره ها فشار می آورد و باعث می شود یک محور به اطراف بچرخد، مته یا چیزی شبیه به آن را بچرخاند. ابزارهای پنوماتیک مانند آسیاب، پولیش و مته های دندانپزشکی به این روش کار می کنند.
کمپرسورها
کمپرسور ماشینی است که هوای معمولی را به هوای فشرده تبدیل می‌کند و آن را تا حدود 7 تا 10 برابر فشار اتمسفر (در واحدهای علمی، 7 تا 10 اتمسفر، 700-1000 کیلو پاسکال یا 100 تا 150 psi) فشرده می‌کند. برای اینکه تصوری تقریبی به شما بدهم، این فشار حدود 25 تا 30 درصد بیشتر از فشار یک بطری شامپاین یا 2 تا 3 برابر فشار لاستیک ماشین است. این فشار کمی است، اما هیچ چیز خیلی خارق العاده ای نیست، و به ما می گوید که برای انجام هر کاری واقعا مفید به هوای فشرده بسیار زیادی نیاز داریم.
ماشین‌های پنوماتیکی مانند این آسیاب از موتورهای هوا برای تولید نیروی چرخشی پرسرعت و قدرتمند استفاده می‌کنند. از کجا بفهمیم برقی نیست؟ هدیه، مانند همیشه، شلنگ هوای خاکستری ضخیم است که به دستگاه (پایین سمت چپ) منتهی می شود. عکس توسط لارنس دیویس توسط نیروی دریایی ایالات متحده.
مدارها
اگرچه برخی از ماشین های پنوماتیک ممکن است یک کمپرسور، محرک، شیر و مخزن داشته باشند، اما بیشتر آنها پیچیده تر از این هستند. انواع مختلفی از محرک‌ها و شیرها وجود دارد و یک کارخانه ممکن است انواع ماشین‌هایی را داشته باشد که از یک مدار پیچیده توسط یک کمپرسور بزرگ هدایت می‌شوند. شما می توانید مدارهای الکترونیکی پیچیده را از آرایش های مختلف از اجزای اصلی یکسان بسازید و می توانید مدارهای پنوماتیکی پیچیده را دقیقاً به همان روش بسازید. ده ها نماد پنوماتیک کوچک وجود دارد که به شما کمک می کند مدارها را به وضوح در نقشه های مهندسی ترسیم کنید، همانطور که نمادهایی برای قطعات الکترونیکی و هیدرولیک وجود دارد.
با برداشتن یک قدم جلوتر، می توان مدارهای منطقی بسیار پیشرفته ای را کاملاً از اجزای سیال ساخت. یک رشته کامل مهندسی به نام سیالیک (منطق سیالات) به این موضوع اختصاص دارد. همانطور که اجزای الکترونیکی مانند مقاومت ها، خازن ها و ترانزیستورها می توانند دستگاه های پیچیده را با ایجاد جریان الکتریسیته به روش های مختلف در مدارهای گرد کنترل کنند، اجزای سیال نیز می توانند با تغییر جریان هوا در اطراف اجزای مشابه، کارهایی معادل انجام دهند. برای مثال، معادل‌های سیال گیت‌های منطقی AND/OR، مدارهای تایمر، واحدهای چفت‌کننده، سوئیچ‌ها و تقویت‌کننده‌ها وجود دارد.
برای چه کاری می توانیم از پنوماتیک استفاده کنیم؟
این اجزای اصلی را به روش های مختلف کنار هم قرار دهید و می توانید ماشین های مختلفی را برای انجام کارهای مختلف بسازید. کارهایی که ممکن است با یک موتور الکتریکی یا یک ماشین هیدرولیک انجام دهید را می توان به همان خوبی (یا بهتر) با یک ماشین پنوماتیک انجام داد (ما در یک لحظه به این خواهیم رسید که چرا ممکن است از یکی از این فناوری ها به جای دیگری استفاده کنید).
ابزارهایی که با هوا کار می کنند احتمالاً آشناترین نمونه روزمره فناوری پنوماتیک هستند (هر وقت کلمه “پنوماتیک” را می شنوم، کلمه بعدی که به سرم می پرد همیشه “دریل” است.) با استفاده از یک محرک سیلندر پیستون یا هوا. -موتور برقی، تقریباً هر نوع ابزار ساختمانی را می توان با هوای فشرده، از پیچ گوشتی و چکش گرفته تا آچار، صیقل دهنده و شمع گیر، تغذیه کرد.
در دنیای صنعت، ماشین‌های کارخانه‌ای کاربرد بسیار گسترده‌تر و شاید جالب‌تری از پنوماتیک هستند. وقتی به روبات‌ها فکر می‌کنیم، معمولاً به مدارهای الکترونیکی فکر می‌کنیم که بازوها را با استفاده از چیزهایی مانند موتورهای پله‌ای حرکت می‌دهند (موتورهای الکتریکی که مقادیر دقیقی را در هر زمان می‌چرخانند)، اما به همان اندازه احتمال دارد که از هیدرولیک و پنوماتیک استفاده کنند. خوب، یا در عوض ربات‌های کنترل‌شده با رایانه ممکن است برای مثال، رنگ‌پاش‌های پنوماتیک یا ابزارهای برش هیدرولیک را در دست داشته باشند. دستگاه های پنوماتیک کارخانه ای به طور گسترده ای برای برداشتن و قرار دادن اشیاء با استفاده از مکش برای نگه داشتن اشیا یا فشار دادن آنها به آرامی و سپس رها کردن آنها مدتی بعد استفاده می شود. دستگاههای رباتیک شیردوشی گاو که به‌طور خودکار فنجان‌های مکنده را به پستان‌های حیوان متصل می‌کنند و رها می‌کنند، تنوعی هوشمندانه در این موضوع پنوماتیکی هستند و مزیت مهم پنوماتیک را نشان می‌دهند: می‌تواند به آرامی نیرو اعمال کند.
دستگاه ها و ماشین های پنوماتیک نیز به طور گسترده ای در حمل و نقل و به طرق مختلف استفاده می شوند. از قرن نوزدهم، فن‌آوری لوله‌های حمل‌ونقل پنوماتیک به طور گسترده توسط بانک‌ها، بیمارستان‌ها و حتی رستوران‌های همبرگر برای جابجایی سریع و ایمن اشیاء در شبکه‌های لوله‌های هوا از یک قسمت از ساختمان به قسمت دیگر استفاده شده است. پاسخ قرن بیست و یکم به توماس ادیسون، پیشگام خودروهای الکتریکی و مخترع برجسته ایلان ماسک، برای ایده‌ای که او Hyperloop نامیده است، یک راه‌آهن پرسرعت که در داخل یک لوله غول‌پیکر و بسته حرکت می‌کند، تبلیغات زیادی به دست آورده است. اگرچه شبیه به یک سیستم لوله پنوماتیک معمولی است، اما کاملاً متفاوت است: اتومبیل های سواری از طریق لوله های کم فشار که توسط موتورهای خطی به جای هوای فشرده حرکت می کنند، زیپ می شوند.
در حمل و نقل با لوله پنوماتیک، هوای فشرده باعث حرکت چیزها می‌شود، اما در سیستم‌های دیگر، می‌تواند به سرعت همه چیز را متوقف کند: برای مثال، ترمزهای هوا را در وسایل نقلیه بزرگ مانند کامیون‌ها و موتورهای راه‌آهن و کیسه‌های هوای خودرو در حال انفجار نیرو می‌دهد. طبق تعریف دقیق من واقعاً پنوماتیک نیستند).
پنوماتیک ممکن است خنده دار و کسل کننده به نظر برسد، اما کاربردهای سرگرم کننده ای نیز دارد. پیانوهای نوازنده و اندام های پیپ چطور؟ ماشین‌های ورزشی که در آن مقاومت از پیستون‌های پنوماتیکی حاصل می‌شود. و حتی قلعه های فنری؟ هیچ چیز کسل کننده ای در مورد هیچ یک از این چیزها نیست!
پنوماتیک یا هیدرولیک؟
همانطور که قبلاً دیدیم، پنوماتیک و هیدرولیک از سیالات برای انتقال نیرو و انرژی از طریق ماشین های ساده (و نه چندان ساده) استفاده می کنند. هر دو به خوبی برای حرکت ماشین‌ها به جلو و عقب (حرکت متقابل) مناسب هستند و می‌توانند در فواصل قابل توجهی از کمپرسور یا پمپ خود بدون نیاز به چیزهایی مانند تسمه نقاله یا چرخ دنده کار کنند. هر دو می توانند با ماشین های نسبتا سبک وزن به قدرت قابل توجهی دست یابند (این یکی از دلایلی است که دندانپزشکان گاهی از مته های دندان پنوماتیک استفاده می کنند که بسیار قدرتمند اما بسیار سبک هستند).
اگر هر دو نوع نیروی سیال کارهای مشابهی را انجام می دهند، چرا از یک دستگاه پنوماتیک به جای هیدرولیک استفاده می کنید یا از هر یک از اینها به جای چیزی الکتریکی استفاده می کنید؟ انواع و اقسام ملاحظات مختلف برای سنجش وجود دارد.
قدرت
برای کاربردهایی با قدرت متوسط، سرعت بالا، که دقت در آنها مهم نیست و عملکرد نرم یا بالشتک (جذب نیرو) مهم است، سیستم‌های پنوماتیک اغلب به سیستم‌های هیدرولیک ترجیح داده می‌شوند. هیدرولیک برای کاربردهای توان بالا، دقت بالا، انتقال نیروی بالا و هر کاربرد که در آن تغییرات دما یا فشار هوا ممکن است برای سیستم پنوماتیک مشکل ایجاد کند، برنده است. اما ماشین های هیدرولیک تمایل به حرکت آهسته دارند.
