Siłownik pneumatyczny, który „nie ma siły”, nie musi być uszkodzony. W praktyce przyczyna problemu bardzo często znajduje się przed siłownikiem albo w sposobie przeniesienia jego siły na mechanizm.
Ciśnienie wskazywane przez manometr przy reduktorze nie zawsze odpowiada ciśnieniu, które rzeczywiście występuje w komorze siłownika podczas ruchu. Ograniczenia przepływu, niewłaściwie dobrane przewody, nieszczelności, źle dobrany zawór czy obciążenie boczne tłoczyska mogą powodować, że siłownik nie osiąga wymaganej siły mimo pozornie prawidłowych parametrów instalacji.
W tym artykule omawiamy 7 najczęstszych przyczyn spadku siły siłownika pneumatycznego oraz pokazujemy, jak podejść do ich diagnostyki.
Od czego zależy siła siłownika pneumatycznego?
Podstawową zależność opisującą teoretyczną siłę generowaną przez siłownik można zapisać jako:
F = p × A
gdzie:
- F – teoretyczna siła siłownika [N],
- p – ciśnienie działające na tłok [Pa],
- A – czynna powierzchnia tłoka [m²].
W rzeczywistym układzie sytuacja jest jednak bardziej złożona. Należy uwzględnić również przeciwciśnienie po stronie odpowietrzanej oraz straty mechaniczne.
W praktyce użyteczną siłę można więc uprościć do zależności:
Fużyteczna ≈ p₁A₁ – p₂A₂ – Ftarcia
Dlatego samo stwierdzenie, że „w instalacji jest 6 bar”, nie oznacza jeszcze, że siłownik rzeczywiście dysponuje siłą wynikającą z ciśnienia 6 bar.
Dobrym przykładem jest siłownik IMI Norgren RT/57250/M/50 o średnicy tłoka 50 mm. Producent podaje dla niego teoretyczną siłę 1178 N przy ciśnieniu 6 bar.
Dlaczego siłownik pneumatyczny nie ma siły?
Podczas diagnostyki warto traktować instalację pneumatyczną jako ciąg kolejnych elementów, z których każdy może powodować stratę ciśnienia lub ograniczenie przepływu:
sieć sprężonego powietrza → FRL → zawór → przewody → siłownik → mechanizm
Najważniejsze jest wykonywanie pomiarów podczas rzeczywistego ruchu siłownika, najlepiej w momencie największego obciążenia. Pomiar wykonany przy zatrzymanej maszynie może nie ujawnić problemu.
1. Spadki ciśnienia podczas pracy siłownika
Jednym z najczęstszych błędów diagnostycznych jest sprawdzenie ciśnienia przy reduktorze w stanie spoczynku i uznanie, że instalacja działa prawidłowo.
Problem zaczyna być widoczny dopiero podczas ruchu. Wtedy gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na przepływ powietrza i ujawniają się opory:
- filtra,
- reduktora,
- zaworu,
- przewodów,
- złączek,
- tłumików wydechu.
Przykład
Załóżmy następujące wartości:
| Punkt pomiarowy | Ciśnienie w spoczynku | Ciśnienie podczas ruchu |
|---|---|---|
| Wyjście FRL | 6,0 bar | 6,0 bar |
| Wejście zaworu | 6,0 bar | 5,6 bar |
| Komora siłownika | 6,0 bar | 4,8 bar |
W tym przykładzie pomiędzy zespołem przygotowania powietrza a siłownikiem podczas pracy tracimy aż 1,2 bar.
Dla tłoka o średnicy 50 mm powierzchnia wynosi około:
A = 0,0019635 m²
Przy 6 bar otrzymujemy:
F ≈ 1178 N
Natomiast przy rzeczywistych 4,8 bar:
F ≈ 942 N
Spadek ciśnienia o 20% oznacza więc w przybliżeniu również 20% mniejszą teoretyczną siłę siłownika.
Co należy sprawdzić?
- ciśnienie przed i za zespołem FRL,
- stan wkładu filtracyjnego,
- wydajność reduktora,
- ciśnienie na wejściu zaworu,
- ciśnienie bezpośrednio przy siłowniku,
- spadek ciśnienia podczas najbardziej wymagającej fazy cyklu.
W systemach pneumatycznych wykorzystujących rozwiązania IMI Norgren można stosować m.in. zespoły przygotowania powietrza z rodziny Excelon Plus. Kluczowy pozostaje jednak nie sam rozmiar przyłącza, lecz prawidłowy dobór elementu do wymaganego przepływu.
2. Zbyt mała średnica przewodów pneumatycznych
Kolejną częstą przyczyną problemów jest zbyt mała średnica wewnętrzna przewodów.
Siłownik może mieć odpowiednie ciśnienie w stanie spoczynku, ale podczas szybkiego ruchu powietrze nie dociera do jego komory wystarczająco szybko.
Znaczenie mają m.in.:
- średnica wewnętrzna przewodu,
- długość przewodu,
- liczba kolan,
- redukcje średnicy,
- szybkozłącza,
- zagięcia przewodów.
Dlaczego kilka milimetrów robi dużą różnicę?
Pole przekroju przewodu o średnicy wewnętrznej 4 mm wynosi około:
12,57 mm²
Dla przewodu o średnicy 6 mm:
28,27 mm²
Oznacza to, że przewód 6 mm ma około 2,25 razy większe pole przekroju.
Nie oznacza to automatycznie 2,25 razy większego przepływu, ponieważ przepływ sprężonego gazu zależy również od długości przewodu, ciśnienia, temperatury i oporów miejscowych. Pokazuje jednak, jak duże znaczenie może mieć właściwy dobór średnicy.
Jak diagnozować problem?
- sprawdź średnicę wewnętrzną przewodu,
- zmierz jego długość,
- sprawdź liczbę redukcji i złączek,
- porównaj ciśnienie dynamiczne przed przewodem i bezpośrednio przy cylindrze,
- jeżeli to możliwe, wykonaj próbę z krótszym przewodem o większym przekroju.
W wielu aplikacjach korzystne jest również umieszczenie zaworu możliwie blisko siłownika. Skrócenie odległości pomiędzy zaworem a napędem zmniejsza objętość powietrza, którą trzeba każdorazowo napełniać i opróżniać.
3. Nieszczelności w instalacji pneumatycznej
Nieszczelność jest w praktyce dodatkowym odbiornikiem sprężonego powietrza.
Co ważne, niewielki wyciek może być niemal niewidoczny podczas postoju maszyny. Problem ujawnia się dopiero wtedy, gdy kilka odbiorników zaczyna jednocześnie pobierać powietrze.
Najczęstsze miejsca występowania nieszczelności to:
- złączki pneumatyczne,
- uszkodzone przewody,
- uszczelnienia,
- zawory,
- zespoły FRL,
- uszczelnienie tłoka siłownika.
Jak znaleźć nieszczelność?
W prostych przypadkach można wykorzystać metodę pianową. W większych instalacjach znacznie skuteczniejsze są:
- detektory ultradźwiękowe,
- kamery akustyczne,
- pomiary przepływu.
Urząd Dozoru Technicznego wskazuje lokalizację wycieków instalacji sprężonego powietrza jako jedno z głównych zastosowań kamer akustycznych.
Jeżeli podejrzenie dotyczy samego siłownika, należy również sprawdzić możliwość występowania wewnętrznego przecieku pomiędzy komorami cylindra.
4. Niewłaściwie dobrany zawór pneumatyczny
Zawór może prawidłowo przełączać się elektrycznie i mimo tego ograniczać możliwości siłownika.
Kluczowym parametrem nie jest wyłącznie rodzaj zaworu, ale przede wszystkim jego zdolność do zapewnienia odpowiedniego przepływu przy akceptowalnym spadku ciśnienia.
W przypadku zbyt małego zaworu może wystąpić charakterystyczna sytuacja:
- po zatrzymaniu siłownika ciśnienie osiąga oczekiwaną wartość,
- podczas ruchu gwałtownie spada,
- siłownik zwalnia lub nie osiąga wymaganej siły.
Co należy sprawdzić?
- funkcję zaworu – np. 3/2, 5/2 lub 5/3,
- nominalny przepływ,
- współczynnik Kv,
- średnicę portów,
- zakres ciśnienia roboczego,
- spadek ciśnienia na zaworze,
- drożność strony wydechowej.
Nie wolno również zapominać o tłumiku. Mocno zabrudzony tłumik wydechowy może powodować wzrost przeciwciśnienia po stronie odpowietrzanej, co bezpośrednio zmniejsza siłę użyteczną siłownika.
Dla porównania – przykładowy zawór IMI Norgren VM10 może oferować przepływ około 430 l/min, natomiast warianty z rodziny VM15 osiągają około 900-1000 l/min.
Nie oznacza to jednak, że większy zawór jest zawsze lepszy. Jego wielkość powinna wynikać z wymaganego przepływu, prędkości ruchu siłownika i charakterystyki całego układu.
5. Tarcie, niewspółosiowość i obciążenie boczne tłoczyska
Nie każdy problem z siłą siłownika jest problemem pneumatycznym.
Siłownik liniowy powinien przede wszystkim wykonywać ruch osiowy. Jeżeli konstrukcja maszyny powoduje działanie znacznych sił poprzecznych na tłoczysko, rośnie tarcie i przyspiesza zużycie elementów prowadzących oraz uszczelnień.
Typowe problemy mechaniczne obejmują:
- niewspółosiowe mocowanie siłownika,
- obciążenie boczne tłoczyska,
- brak zewnętrznego prowadzenia,
- skrzywienie elementów konstrukcyjnych,
- zużyte prowadnice,
- uszkodzoną powierzchnię tłoczyska.
Przykład
Jeżeli siłownik generuje teoretycznie 1178 N, ale 180 N jest potrzebne wyłącznie do pokonania tarcia i oporów mechanicznych, na właściwe obciążenie pozostaje:
1178 N – 180 N = 998 N
W rzeczywistej instalacji opory powinny zostać zmierzone, a nie przyjęte z góry.
Jak przeprowadzić diagnostykę?
- odłączyć mechanizm od siłownika zgodnie z zasadami bezpieczeństwa,
- sprawdzić ruch samego siłownika,
- porównać go z ruchem całego mechanizmu,
- skontrolować osiowość mocowań,
- sprawdzić stan tłoczyska i prowadnic,
- w razie potrzeby zastosować zewnętrzne prowadzenie.
W aplikacjach narażonych na obciążenia boczne odpowiednim rozwiązaniem mogą być prowadnice lub zespoły prowadzące współpracujące z siłownikiem.
6. Błędnie dobrana średnica tłoka
Czasami układ pneumatyczny jest sprawny, lecz sam siłownik został po prostu źle dobrany.
Najczęstszym błędem jest wykonywanie obliczeń na podstawie nominalnego ciśnienia instalacji, np. 6 bar, zamiast na podstawie minimalnego rzeczywistego ciśnienia dostępnego przy siłowniku podczas najbardziej wymagającego fragmentu cyklu.
Przykład doboru średnicy
Załóżmy, że mechanizm wymaga siły:
F = 1000 N
a rzeczywiste ciśnienie przy siłowniku wynosi:
p = 5 bar
Minimalna teoretyczna średnica tłoka wynosi około:
Dmin ≈ 50,46 mm
Siłownik o średnicy dokładnie 50 mm przy 5 bar wygeneruje teoretycznie około:
982 N
Oznacza to, że już w warunkach idealnych jest za mały, ponieważ nie uwzględniliśmy jeszcze tarcia, przeciwciśnienia ani rezerwy projektowej.
W takim przypadku należy przeanalizować zastosowanie kolejnego rozmiaru – przykładowo siłownika o średnicy 63 mm – oczywiście po uwzględnieniu wszystkich warunków pracy maszyny.
W ofercie IMI Norgren dostępne są m.in. siłowniki zgodne z ISO 15552 w wielu standardowych średnicach, co ułatwia właściwe dopasowanie napędu do wymaganej siły.
7. Zła jakość sprężonego powietrza
Ostatnia przyczyna często rozwija się powoli. Zanieczyszczone lub niewłaściwie przygotowane sprężone powietrze może przez długi czas pogarszać stan elementów instalacji, aż do wystąpienia zauważalnego problemu.
Najważniejsze zanieczyszczenia to:
- woda i kondensat,
- cząstki stałe,
- olej,
- produkty korozji instalacji.
Mogą one powodować:
- przyspieszone zużycie uszczelnień,
- wzrost tarcia,
- zacinanie się zaworów,
- korozję,
- nieregularny ruch siłownika,
- zwiększenie spadków ciśnienia.
Norma ISO 8573-1 klasyfikuje jakość sprężonego powietrza pod względem zawartości cząstek, wody i oleju.
Co warto sprawdzić?
- stan filtra,
- obecność kondensatu,
- działanie automatycznego spustu,
- spadek ciśnienia na filtrze,
- punkt rosy w wymagających instalacjach,
- wymaganą klasę czystości powietrza.
Nie oznacza to jednak, że należy zawsze stosować możliwie najdokładniejszą filtrację. Każdy element filtracyjny powoduje określony opór przepływu, dlatego stopień filtracji musi być dobrany zarówno do wymagań procesu, jak i przepływu instalacji.
Jak krok po kroku znaleźć przyczynę spadku siły?
Zamiast od razu wymieniać siłownik na większy, warto przeprowadzić diagnostykę według określonej kolejności.
- Zmierz dynamiczne ciśnienie zasilania.
- Zmierz ciśnienie bezpośrednio przy siłowniku podczas ruchu.
- Porównaj wartości i ustal miejsce największego spadku ciśnienia.
- Sprawdź średnicę i długość przewodów.
- Zweryfikuj przepływ i parametry zaworu.
- Sprawdź instalację pod kątem nieszczelności.
- Skontroluj stronę wydechową i tłumiki.
- Sprawdź mechanikę, osiowość i obciążenia boczne.
- Porównaj wymaganą siłę z rzeczywistą średnicą siłownika.
- Zweryfikuj jakość sprężonego powietrza.
Praktyczna checklista dla działu utrzymania ruchu
| Punkt kontroli | Co sprawdzić? | Możliwe działanie |
|---|---|---|
| Ciśnienie | wartość podczas pracy maszyny | kontrola źródła i reduktora |
| FRL | spadek ciśnienia podczas przepływu | serwis filtra lub dobór większego zespołu |
| Przewody | średnica, długość, redukcje | zwiększenie średnicy lub skrócenie linii |
| Zawór | przepływ, Kv, porty i wydech | dobór właściwego zaworu |
| Nieszczelności | złączki, przewody, zawory | uszczelnienie lub wymiana elementu |
| Siłownik | przeciek wewnętrzny i stan tłoczyska | serwis lub wymiana |
| Mechanika | osiowość i obciążenia boczne | poprawa prowadzenia |
| Średnica tłoka | siła wymagana i rzeczywiście dostępna | dobór odpowiedniego siłownika |
| Jakość powietrza | woda, olej, cząstki | poprawa przygotowania powietrza |
Nie zawsze większy siłownik jest rozwiązaniem
Jednym z najbardziej kosztownych błędów jest próba rozwiązania problemu poprzez natychmiastową wymianę siłownika na większy.
Jeżeli cylinder został prawidłowo dobrany do ciśnienia 6 bar, ale podczas pracy otrzymuje tylko 4,8 bar, zastosowanie większego siłownika może jedynie zamaskować problem występujący wcześniej w instalacji.
Jeżeli jednak obliczenia pokazują, że przy rzeczywistym ciśnieniu nawet teoretyczna siła obecnego siłownika jest niższa od wymaganej, problemu nie rozwiąże lepszy zawór ani przewód. Wtedy konieczna może być zmiana średnicy cylindra.
Diagnostyka pneumatyki IMI Norgren z GRC
Skuteczna diagnostyka siłownika pneumatycznego powinna odpowiedzieć przede wszystkim na cztery pytania:
- Jakie ciśnienie rzeczywiście dociera do siłownika podczas pracy?
- Czy instalacja zapewnia wymagany przepływ?
- Ile siły traci układ na oporach mechanicznych?
- Czy średnica siłownika jest właściwa dla rzeczywistego obciążenia?
Dopiero po uzyskaniu tych informacji warto decydować o wymianie zespołu przygotowania powietrza, przewodów, zaworu, prowadzenia czy samego siłownika.
GRC wspiera przedsiębiorstwa w zakresie doboru, diagnostyki i serwisu rozwiązań pneumatycznych IMI Norgren. Jeżeli problem dotyczy doboru siłownika, zaworu, zespołu przygotowania powietrza lub działania istniejącej instalacji, zapraszamy do kontaktu z naszym zespołem technicznym.
GRC Sp. z o.o.
Serwis: +48 730 032 730
E-mail: serwis@grc.pl
Kontakt handlowy: +48 509 226 802
E-mail: biuro@grc.pl
Najczęściej zadawane pytania
Dlaczego siłownik pneumatyczny ma za mało siły mimo prawidłowego ciśnienia?
Ciśnienie odczytywane przy reduktorze może różnić się od ciśnienia występującego przy siłowniku podczas ruchu. Przyczyną mogą być ograniczenia przepływu w przewodach, zaworach, filtrach lub złączkach.
Jak zwiększyć siłę siłownika pneumatycznego?
Siłę można zwiększyć poprzez zwiększenie rzeczywistego ciśnienia roboczego w dopuszczalnym zakresie lub zastosowanie siłownika o większej średnicy tłoka. Najpierw należy jednak wykluczyć spadki ciśnienia, nieszczelności i nadmierne tarcie.
Jak obliczyć siłę siłownika pneumatycznego?
Teoretyczną siłę można obliczyć ze wzoru F = p × A, gdzie p oznacza ciśnienie działające na tłok, a A jego powierzchnię czynną. W praktyce należy uwzględnić również straty wynikające z tarcia i przeciwciśnienia.
Czy zbyt mały przewód może zmniejszyć siłę siłownika?
Tak. Zbyt mała średnica przewodu ogranicza przepływ powietrza i może powodować znaczny spadek ciśnienia przy siłowniku podczas ruchu.
Czy nieszczelność instalacji wpływa na siłę siłownika?
Tak. Nieszczelności zwiększają zapotrzebowanie instalacji na sprężone powietrze i mogą prowadzić do spadków ciśnienia, szczególnie podczas jednoczesnej pracy wielu odbiorników.
Jak sprawdzić, czy zawór jest za mały do siłownika?
Należy porównać wymagany przepływ z parametrami zaworu oraz zmierzyć spadek ciśnienia na zaworze podczas ruchu siłownika. Duża różnica ciśnień może wskazywać na ograniczenie przepływu.
Jak jakość sprężonego powietrza wpływa na siłownik?
Woda, olej oraz cząstki stałe mogą powodować zużycie uszczelnień, wzrost tarcia, korozję i nieprawidłowe działanie zaworów oraz siłowników.
