لعبت الخصائص الهوائية منذ فترة طويلة دورًا مهمًا كتقنية في أداء العمل الميكانيكي. يتم استخدامه أيضًا في تطوير حلول الأتمتة. تشبه الأنظمة الهوائية الأنظمة الهيدروليكية ولكن في هذه الأنظمة ، يتم استخدام الهواء المضغوط بدلاً من السائل الهيدروليكي.
تعريف الأنظمة الهوائية
النظام الهوائي هو نظام يستخدم الهواء المضغوط لنقل الطاقة والتحكم فيها. تستخدم الأنظمة الهوائية على نطاق واسع في مختلف الصناعات. تعتمد معظم أنظمة الهواء المضغوط على الإمداد المستمر للهواء المضغوط لجعلها تعمل. يتم توفير ذلك بواسطة ضاغط هواء.
يمتص الضاغط الهواء من الغلاف الجوي ويخزنه في خزان ضغط عالي يسمى جهاز الاستقبال. يتم بعد ذلك توفير هذا الهواء المضغوط للنظام من خلال سلسلة من الأنابيب والصمامات.
كلمة ‘Pneuma’ تعني الهواء. علم الهواء المضغوط هو كل شيء عن استخدام الهواء المضغوط للقيام بالعمل. الهواء المضغوط هو الهواء القادم من الغلاف الجوي والذي يتم تقليل حجمه عن طريق الضغط وبالتالي زيادة ضغطه. يتم استخدامه كوسيط عمل عادة بضغط من 6 كجم / مم 2 إلى 8 كجم / مم 2. لاستخدام الأنظمة الهوائية ، يمكن تطوير قوة قصوى تصل إلى 50 كيلو نيوتن. يمكن أن يكون تشغيل أدوات التحكم يدويًا أو هوائيًا أو كهربائيًا. يستخدم الهواء المضغوط بشكل أساسي للقيام بالعمل من خلال العمل على مكبس أو ريشة. تستخدم هذه الطاقة في العديد من مجالات صناعة الصلب.
مزايا الأنظمة الهوائية
تستخدم الأنظمة الهوائية على نطاق واسع في صناعات مختلفة لقيادة الآلات الأوتوماتيكية. تتمتع الأنظمة الهوائية بالكثير من المزايا.
- فعالية عالية
يوجد إمداد غير محدود من الهواء في الغلاف الجوي لإنتاج هواء مضغوط. كما توجد إمكانية التخزين السهل بكميات كبيرة. لا يقتصر استخدام الهواء المضغوط على المسافة ، حيث يمكن نقله بسهولة عبر الأنابيب. بعد الاستخدام يمكن إطلاق الهواء المضغوط مباشرة في الغلاف الجوي دون الحاجة إلى المعالجة. - متانة وموثوقية عالية
مكونات النظام الهوائي متينة للغاية ولا يمكن إتلافها بسهولة. بالمقارنة مع المكونات الكهربائية ، فإن المكونات الهوائية أكثر متانة وموثوقية. - تصميم بسيط
تصميمات مكونات النظام الهوائي بسيطة نسبيًا. وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للاستخدام في أنظمة التحكم الآلي البسيطة. هناك اختيار للحركة مثل الحركة الخطية أو الحركة الدورانية الزاوية بسرعات تشغيلية بسيطة ومتغيرة باستمرار. - قدرة عالية على التكيف مع البيئة القاسية
بالمقارنة مع عناصر الأنظمة الأخرى ، فإن الهواء المضغوط أقل تأثراً بدرجات الحرارة المرتفعة ، والغبار ، والبيئة المسببة للتآكل ، وما إلى ذلك ، وبالتالي فهي أكثر ملاءمة للبيئة القاسية. - جوانب السلامة
تعتبر الأنظمة الهوائية أكثر أمانًا من أنظمة المحركات الكهربائية لأنها يمكن أن تعمل في بيئة قابلة للاشتعال دون التسبب في نشوب حريق أو انفجار. بصرف النظر عن ذلك ، فإن التحميل الزائد في النظام الهوائي يؤدي فقط إلى الانزلاق أو التوقف عن التشغيل. على عكس مكونات النظام الكهربائي ، لا تحترق مكونات النظام الهوائي أو تزداد سخونة عند التحميل الزائد. - اختيار سهل للسرعة والضغط من السهل ضبط سرعات الحركة المستقيمة والمتذبذبة للأنظمة الهوائية وتخضع لقيود قليلة. يمكن ضبط ضغط وحجم الهواء المضغوط بسهولة بواسطة منظم ضغط.
- صديقة للبيئة
لا ينتج عن تشغيل الأنظمة الهوائية ملوثات. أنظمة الهواء المضغوط نظيفة بيئيًا ويمكن تركيبها بمعالجة مناسبة للهواء العادم لتنظيف معايير الغرفة. لذلك ، يمكن للأنظمة الهوائية العمل في البيئات التي تتطلب مستوى عالٍ من النظافة. أحد الأمثلة على ذلك هو خطوط إنتاج الدوائر المتكاملة. - اقتصادي
نظرًا لأن مكونات النظام الهوائي ليست باهظة الثمن ، فإن تكاليف الأنظمة الهوائية منخفضة جدًا. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن الأنظمة الهوائية متينة للغاية ، فإن تكلفة الصيانة أقل بكثير من تكلفة الأنظمة الأخرى.
حدود الأنظمة الهوائية
على الرغم من أن الأنظمة الهوائية تمتلك الكثير من المزايا ، إلا أنها تخضع أيضًا لعدة قيود ترد هذه القيود أدناه.
دقة منخفضة نسبيًا
نظرًا لأن الأنظمة الهوائية تعمل بالقوة التي يوفرها الهواء المضغوط ، فإن تشغيلها يخضع لحجم الهواء المضغوط. نظرًا لأن حجم الهواء قد يتغير عند ضغطه أو تسخينه ، فقد لا يكون إمداد الهواء للنظام دقيقًا ، مما يتسبب في انخفاض الدقة الكلية للنظام.
تحميل منخفض
نظرًا لأن الأسطوانات المستخدمة في الأنظمة الهوائية ليست كبيرة جدًا ، لا يمكن للنظام الهوائي دفع الأحمال الثقيلة جدًا.
المعالجة المطلوبة قبل الاستخدام
يجب معالجة الهواء المضغوط قبل الاستخدام لضمان عدم وجود بخار الماء أو الغبار. خلاف ذلك ، قد تبلى الأجزاء المتحركة من المكونات الهوائية بسرعة بسبب الاحتكاك.
سرعة الحركة غير المتكافئة
نظرًا لأنه يمكن ضغط الهواء بسهولة ، فإن سرعات حركة المكابس غير متساوية نسبيًا.
الضجيج
ينتج الضجيج عادة عندما ينطلق الهواء المضغوط من المكونات الهوائية.
مكونات الأنظمة الهوائية
توفر الأسطوانات الهوائية والمشغلات الدوارة والمحركات الهوائية القوة والحركة لمعظم الأنظمة الهوائية ، لعقد المواد ونقلها وتشكيلها ومعالجتها. لتشغيل هذه المشغلات والتحكم فيها ، هناك حاجة إلى مكونات تعمل بالهواء المضغوط مثل وحدات خدمة الهواء لإعداد الهواء المضغوط والصمامات للتحكم في ضغط وتدفق واتجاه حركة المشغلات.
يتكون النظام الهوائي الأساسي من القسمين الرئيسيين التاليين.
- نظام إنتاج ونقل وتوزيع الهواء المضغوط : تتكون المكونات الرئيسية لنظام إنتاج ونقل وتوزيع الهواء المضغوط من ضاغط الهواء ، ومركز التحكم في المحرك والمحرك الكهربائي ، ومفتاح الضغط ، وصمام الفحص ، وخزان التخزين ومقياس الضغط ، والتصريف التلقائي ، ومجفف الهواء ، والفلاتر ، ومزلق الهواء ، وخطوط الأنابيب وأنواع مختلفة من الصمامات.
- نظام استهلاك الهواء المضغوط : تتكون المكونات الرئيسية لنظام استهلاك الهواء من مرشح السحب ، والضاغط وصمام سحب الهواء ، والتصريف التلقائي ، ووحدة خدمة الهواء ، والصمام الاتجاهي ، والمحركات ، وأجهزة التحكم في السرعة.
تظهر المكونات الأساسية للنظام الهوائي في الشكل 1.
يستخدم مرشح السحب المعروف أيضًا باسم مرشح الهواء لتصفية الملوثات من الهواء.
يقوم ضاغط الهواء بتحويل الطاقة الميكانيكية لمحرك كهربائي أو محرك احتراق إلى طاقة كامنة للهواء المضغوط. هناك عدة أنواع من الضواغط التي تستخدم في أنظمة الهواء المضغوط. يتم اختيار الضواغط المستخدمة لتوليد الهواء المضغوط على أساس ضغط التسليم الأقصى المطلوب ومعدل التدفق المطلوب للهواء.
أنواع الضواغط في أنظمة الهواء المضغوط هي:
(1) ضواغط مكبسية أو ترددية،(2) ضواغط دوارة( 3) ،ضواغط الطرد المركزي(4) ،ضواغط التدفق المحوري الضواغط الترددية هي (1) ضاغط مكبس أحادي المرحلة أو مزدوج المرحلة ، و (2) ضاغط غشائي. الضواغط الدوارة هي (1) ضاغط دوارة منزلق ، و (2) ضاغط لولبي.
يحول المحرك الكهربائي الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. يتم استخدامه لقيادة ضاغط الهواء.
يتم تخزين الهواء المضغوط القادم من الضاغط في مستقبل الهواء. الغرض من مستقبل الهواء هو تسهيل التدفق النابض من الضاغط.كما أنه يساعد الهواء على تبريد وتكثيف الرطوبة الموجودة.
يجب أن يكون جهاز استقبال الهواء (الخزان) كبيرًا بما يكفي لاستيعاب كل الهواء الذي ينقله الضاغط. يتم الاحتفاظ بالضغط في جهاز الاستقبال أعلى من ضغط تشغيل النظام لتعويض فقد الضغط في الأنابيب. كما أن مساحة السطح الكبيرة لجهاز الاستقبال تساعد في تبديد الحرارة من الهواء المضغوط.
للتشغيل المرضي للنظام الهوائي ، يجب تنظيف الهواء المضغوط وتجفيفه إذ يتلوث الهواء الجوي بالغبار والدخان وهو رطب. يمكن أن تتسبب هذه الجسيمات في تآكل مكونات النظام وقد يؤدي وجود الرطوبة إلى التآكل.ومن ثم لا بد من معالجة الهواء للتخلص من هذه الشوائب.
علاوة على ذلك أثناء عملية الضغط ، تزداد درجة حرارة الهواء. لذلك يتم استخدام المبرد لتقليل درجة حرارة الهواء المضغوط. يتم فصل بخار الماء أو الرطوبة الموجودة في الهواء عن الهواء باستخدام فاصل أو مجفف هواء.
يمكن تقسيم معالجة الهواء إلى ثلاث مراحل.
في المرحلة الأولى :
يتم منع الجزيئات كبيرة الحجم من دخول ضاغط الهواء بواسطة مرشح سحب. قد يكون الهواء الخارج من الضاغط رطبًا وقد يكون بدرجة حرارة عالية.
في المرحلة الثانية :
تتم معالجة الهواء المضغوط من الضاغط في هذه المرحلة يتم خفض درجة حرارة الهواء المضغوط باستخدام مبرد ويتم تجفيف الهواء باستخدام مجفف.
يمكن أن يكون نظام تجفيف الهواء من نوع الامتصاص ، نوع الامتصاص ، نوع التبريد ، أو النوع الذي يستخدم أغشية شبه منفذة. يتم أيضًا توفير مرشح مضمن لإزالة أي جزيئات ملوثة موجودة.
هذا العلاج يسمى معالجة الهواء الأولية.
في المرحلة الثالثة :وهي عملية معالجة الهواء الثانوية ، يتم إجراء مزيد من الترشيح.
يعتبر تزييت الأجزاء المتحركة للأسطوانة والصمامات ضروريًا جدًا في النظام الهوائي. لهذا الغرض ، يتم استخدام مواد تشحيم الهواء المضغوط قبل المعدات الهوائية.
تُدخل أداة التشحيم ضبابًا خفيفًا من الزيت في الهواء المضغوط. هذا يساعد في تزييت المكونات المتحركة للنظام الذي يتم تطبيق الهواء المضغوط عليه. عادة ما تكون الدرجة الصحيحة لزيت التشحيم مع لزوجة حركية حوالي 20- 50 سنتي ستوك.
تُستخدم صمامات التحكم للتنظيم والتحكم والمراقبة للتحكم في تدفق الاتجاه والضغط وما إلى ذلك. وتتمثل الوظيفة الرئيسية لصمام التحكم في الحفاظ على ضغط تيار مستمر في خط الهواء ، بغض النظر عن اختلاف ضغط المنبع.
بسبب السرعة العالية لتدفق الهواء المضغوط ، هناك انخفاض ضغط يعتمد على التدفق بين المستقبل والحمل (التطبيق). ومن ثم فإن الضغط في جهاز الاستقبال يظل دائمًا أعلى من ضغط النظام. في موقع التطبيق ، يتم تنظيم الضغط لإبقائه ثابتًا. هناك ثلاث طرق للتحكم في الضغوط المحلية موضحة أدناه.
في الطريقة الأولى ، يقوم الحمل بتنفيس الهواء إلى الغلاف الجوي بشكل مستمر. يقيد منظم الضغط تدفق الهواء إلى الحمل ، وبالتالي يتحكم في ضغط الهواء. في هذا النوع من تنظيم الضغط ، يلزم بعض الحد الأدنى من التدفق لتشغيل المنظم. إذا كان الحمل من النوع المسدود الذي لا يسحب الهواء ، فإن الضغط في المستقبل يرتفع إلى الضغط المتشعب. يُطلق على هذا النوع من المنظمين ‘منظمات غير مخففة’ ، حيث يجب أن يمر الهواء عبر الحمل.
في النوع الثاني ، الحمل عبارة عن حمل مسدود. ومع ذلك ، يقوم المنظم بإخراج الهواء إلى الغلاف الجوي لتقليل الضغط. يسمى هذا النوع من المنظمين باسم ‘منظم التخفيف’.
النوع الثالث من المنظم لديه حمولة كبيرة جدا. ومن ثم فإن متطلبات حجم الهواء عالية جدًا ولا يمكن تلبيتها باستخدام منظم بسيط. في مثل هذه الحالات ، يتم استخدام حلقة تحكم تتكون من محول ضغط وجهاز تحكم وصمام تنفيس.
بسبب الحمل الكبير ، قد يرتفع ضغط النظام فوق قيمته الحرجة. تم الكشف عنه بواسطة محول الطاقة. ثم تتم معالجة الإشارة بواسطة جهاز التحكم الذي يوجه الصمام المراد فتحه لتنفيس الهواء. تُستخدم هذه التقنية أيضًا عندما يكون من الصعب تركيب صمام تنظيم الضغط بالقرب من النقطة التي يلزم فيها تنظيم الضغط.
اسطوانات الهواء والمحركات هي المحركات التي تستخدم للحصول على الحركات المطلوبة للعناصر الميكانيكية للنظام الهوائي. المشغلات هي أجهزة إخراج تقوم بتحويل الطاقة من الهواء المضغوط إلى النوع المطلوب من الحركة أو الحركة. بشكل عام ، تُستخدم الأنظمة الهوائية في عمليات الإمساك و / أو النقل في مختلف الصناعات. يتم تنفيذ هذه العمليات باستخدام المحركات. يمكن تصنيف المحركات إلى ثلاثة أنواع وهي (1) المشغلات الخطية التي تحول الطاقة الهوائية إلى حركة خطية ، (2) المشغلات الدوارة التي تحول الطاقة الهوائية إلى حركة دوارة ، و (3) المحركات لتشغيل صمامات التحكم في التدفق- تُستخدم في التحكم في تدفق وضغط السوائل مثل الغازات أو البخار أو السوائل. يتشابه بناء المحركات الخطية الهيدروليكية والهوائية. ومع ذلك فهي تختلف في نطاقات ضغط التشغيل الخاصة بهم. يبلغ الضغط النموذجي للأسطوانات الهيدروليكية حوالي 100 كجم / مم 2 وضغط الأسطوانات الهوائية حوالي 10 كجم / مم 2.
توزيع الهواء المضغوط
التوزيع الصحيح للهواء المضغوط مهم جدًا لتحقيق الأداء الجيد. فيما يلي بعض المتطلبات المهمة التي يجب ضمانها.
يتم وضع الأنابيب (حلقة مفتوحة أو مغلقة) مع عدد مناسب من صمامات التصريف في الزوايا المعاكسة قطريًا
يحتوي تصميم الأنابيب على معلمات مهمة مثل قطر الأنبوب لتدفق معين ، وانخفاض الضغط ، وعدد ونوع التركيب والضغط المطلق
انحدار الرأس الأفقي الرئيسي من الضاغط والذي عادة ما يكون 1:20
خلع الفروع من أعلى الرؤوس الأفقية مع U أو 45 درجة
توفير مجمع مع محبس تصريف في الجزء السفلي من جميع الموصلات الرأسية
وحدة خدمة الهواء متصلة بزوايا قائمة بالرؤوس الرأسية
يمكن تمثيل جميع المكونات الهوائية الرئيسية برموز هوائية بسيطة. يُظهر كل رمز وظيفة المكون الذي يمثله فقط ، ولكن ليس هيكله. يمكن دمج الرموز الهوائية لتشكيل مخططات تعمل بالهواء المضغوط. يصف المخطط الهوائي العلاقات بين كل مكون هوائي ، أي تصميم النظام. يظهر رسم تخطيطي نموذجي لنظام هوائي في الشكل 2.
عند تحليل أو تصميم دائرة تعمل بالهواء المضغوط ، يجب مراعاة الاعتبارات الأربعة المهمة التالية
سلامة التشغيل
أداء الوظائف المطلوبة
كفاءة العملية
التكاليف
تطبيقات الأنظمة الهوائية
هناك العديد من التطبيقات لأنظمة الهواء المضغوط. بعضها عبارة عن مكابس تعمل بالهواء المضغوط ، ومثاقب تعمل بالهواء المضغوط ، وتشغيل صمامات النظام للهواء أو الماء أو المواد الكيميائية ، وتفريغ القواديس والصناديق ، وأدوات الآلات ، وأجهزة الدك الهوائية ، ورفع وتحريك الأشياء ، والطلاء بالرش ، والتثبيت في الراقصات والتركيبات ، وعقد اللحام بالنحاس أو اللحام ، عمليات التشكيل ، التثبيت ، تشغيل معدات المعالجة ، إلخ.
