Acționările pneumatice reprezintă o categorie importantă a elementelor de execuție utilizate în cadrul sistemelor automate. În contextul… [603566]

4
1. Introducere

Acționările pneumatice reprezintă o categorie importantă a elementelor de execuție utilizate
în cadrul sistemelor automate. În contextul cercetărilor, acționările pneumatice sunt reprezentate
de cilindri pneumatici acționați conform unei lo gici sau a unui algoritm de reglare. În marea
majoritate, acționările pneumatice sunt asociate sistemelor de automatizare discontinue, de tip
contact sau releu. Industriile deservite de aceste elemente de execuție sunt cele chimice,
metalurgice, alimentare precum și construcția de mașini.
Proiectarea și exploatarea sistemelor automate din această categorie implică atât component
de producție industrial a acestor dispozitive cât și component a educa țional ă care s ă pregăteasc ă
resursa uman ă care va proiecta și utiliza aceste sisteme automate.

Componenta de produc ție industrial ă este reprezentat ă de firme precum FESTO . Aceast ă
firmă produce o gam ă variat ă de dispo zitive: cilindrii pneumatici, distribuitoare, senzori de pozi ție
etc. Pentru inginerii care deserv esc aceast ă industrie sunt disponibile și publica țiile periodice
Automatiz ări, Hydraulics & Pneumatics' Product Source .

Dispozitivele de conducere utilizate în cadrul automatiz ărilor pneumatice pot fi comandate
pneumatic sau electronic. În cazul comenzilo r pneumatice (distribuitoare comandate pneumatic),
structura fizic ă a sistemului automat este rigid ă, orice modificare ulterioar ă a func țiilor îndeplinite
de automat implic ând modificarea fizic ă masiv ă a structurii sistemului automat. Dac ă comenzile
sunt de natur ă electronic ă (distribuitoare comandate electronic), orice modific ări ulterioare a
funcțiilor îndeplinite de automat vor fi realizate prin modificarea programului implementat în
automatul programabil. Av ând în vedere flexibilitatea celei de -a doua structur ă de conducere,
eforturile educa ționale au fost canalizate cu prec ădere pentru ac ționările pneumatice comandate
electronic.

Sistemul educa țional a reac ționat pozitiv la tendin țele prezentate anterior, fiind identificate
următoarele elemente:
a) Încep ând cu anul 2018, planurile de învățământ ale specializ ării Automatic ă și Informatic ă
Aplicat ă trebuie s ă conțină obligatoriu disciplina Automatiz ări pneumatice . Aceast ă masur ă

5
administrativ ă va avea ca rezultat o preg ătire uniform ă a studen ților din toat e universit ățile
tehnice, în domeniul ac ționărilor pneumatice.
b) Programe de cercetare aplicativ ă în domeniul ac ționărilor pneumatice, finalizate prin tema
Sistem informatic de instruire interactivă în domeniul sistemelor de ac ționare hidraulice și
pneumatic e-Crearea bazei de cuno ștințe aplicati ve specifice domeniului SAHP . Lucrarea se
distinge prin baza de cunoștințe specifice domeniului SAHP, aceasta reprezent ând un element
didactic fundamental în acționările pneumatice.
c) Cursuri didactice elaborate pe plan național și interna țional . Aceste lucr ări sunt generate de
către cadre didactice și exper ți care lucreaz ă în domeniul mecanic sau mecatronic. Din aceast ă
cauză, aceste cursuri au un pronun țat caracter mecanic dar au și elemente relevante privind
componen tele sistemului automat cu ac ționare pneumatic ă.
d) Cursuri de preg ătire profesional ă, de scurt ă durat ă, organizate îndeosebi de produc ătorii sau
distribuitorii de echipamente pneumatice . Aceste cursuri acoper ă un domeniu mare de op țiuni
print re care se enum eră pneumatica si electropneumatica.
e) Echipamente educa ționale produse în Rom ânia, din categoria ac ționărilor pneumatice. În
aceast ă categorie intr ă și echipa mentele produse de firma ASTI .

6
2. Echipamente pneumatice

Acționările și come nzile pneumatice sunt utilizate datorită unor caracteristici specifice,
care le deosebesc de alte tipuri de acționări. Principalele elemente care definesc acționările
pneumatice sunt: sursa de presiune, structura echipamentelor pneumatice de automatizare,
cilindrii pneumatici și distribuitoarele.

2.1. Structura echipamentelor pneumatice de automatizare

Fig. 2.1. Structura pneumatică a unui sistem de automatizare

În figura 2.1 este prezentat, spre exemplificare, un sistem de acționare pneumatic. Sistemul
este unul simplu, având în componența sa următoarele echipamente:
• cilindrul pneumatic, care transformă energia pneumatică de intrare în lucru mecanic util;
• elementul de reglare (distribuitorul acționat de solenoid) ce dirijează aerul comprimat aflat
sub presiu ne;
• generatorul de energie, care generează energia pneumatică necesară sistemului ;

7
• unitatea de comandă ; în cazul de față fiind PLC -ul, dar pot fi utilizate și elemente logice
pneumatice;
Cea mai largă utilizare o au dispozitivele electronice, dar și unităț ile programabile.
• elementele de interfață au rolul de a transforma semnalele de putere joasă furnizate de
unitatea centrală , în semnale de putere înaltă, de regulă de altă natură. În cazul sistemului
utilizat ca exemplu, această transformare este făcută d e distribuitorul cu solenoid, ce
realizează conversia semnalelor electrice primite de la unitatea de comandă în semnale
pneumatice;
• senzorii și limitatoarele de cursă ce indică poziția pistonului;
• elementele de intrare ce pot fi atât electrice cât și pneum atice, în funcție de tipul unității de
comandă.

2.2. Cilindri pneumatici cu piston
Cilindri pneumatici sunt elemente de execuție din componența automatizărilor
pneumatice. Aceștia transformă energia pneumatică în energie mecanică, furnizând o mișcare
mecanism ului acționat. Cilindri pneumatici realizează lucrul mecanic printr -o mișcare de
translație, având și denumirea de motoare liniare. Există două tipuri de cilindri pneumatici:
• cilindri cu piston ;
• cilindrii cu membrană.

Cilindri pneumatici cu piston . Cilind ri pneumatici cu piston au numeroase aplicații ,
fiind construiți într-o gamă extrem de diversificată. În tabelul 2.1 sunt prezentate trei tipuri
constructive de cilindri pneumatici, fiind pus accentul și pe posibilitatea frânării pistonului
la cap de cursă . Detalii le tehnice asociate cilindrilor pneumatici sunt prezentate în tabelul 2.2.
În cele ce urmează vor fi prezentate cei mai reprezentativi cilindri pneumatici utilizați
în aplicații industriale de complexitate redusă și medi i.

8

Tabelul 2.2. Caracteristici funcționale ale cilindrilor cu piston [1]
Caracteristica UM Valoare
Diametrul mm 6 – 320
Cursa m <4
Viteza m/s <1,5
Forța N <50000

Cilindrul cu simplu efect . Acest tip de cilindru are un piston cu o singură față
activă, respectiv aerul creează forța de acționare pe o singură față a pistonului. În absența aerului,
revenirea pistonului la poziția inițială este realizată cu ajutorul unui arc. Figura 2.3 prezintă
detalii constructive pentru un cilindru cu simplu efect și revenire cu arc.
Funcționare. La alimentarea racordului A cu aer comprimat la presiunea P, asupra
pistonului de suprafata S va actiona o forță F= P x S, forță care va determina deplasarea tijei
spre dreapta. Viteza si acceleratia ansamblului tijă-piston depinde de presiune, debit și forța
rezistentă care se opune mișcării tijei. Atunci când racordul A este conectat la atmosferă, Tabelul 2.1. Tipuri constructive pentru cilindri [1]
Tipul constructiv
Cilindri cu simplu efect Cu revenire cu arc
Cu revenire sub acțiunea unei forțe rezistente
Cilindri cu dublu efect Cu tijă unilaterală
Cu tijă bilaterală
Cilindri în tandem Cu amplificare de forță
Cursă în două trepte
Frânare la cap de cursă
Cilindri cu frânare la cap de cursă Reglabiă
Nereglabilă
Cilindri fără frânare la cap de cursă

9

resortul 4 determin ă revenirea pistonului în poziția inițială.

Fig. 2.3. Cilindru cu simplu efect: 1 – cămașa (corpul) cilindrului; 2 – capacele cilindrului; 3 –
tija; 4 – resortul de revenire; 5 – pistonul; 6 – etanșarea pistonului față de cămașă; 7 – etanșarea
tijei cilindrului; 8 – bucșa de ghidare a tijei.

În figura 2.4. este prezentată simbolizarea cilindrului cu simplu efect.

Fig. 2.4. Simbolizarea cilindrului cu simplu efect.

Cilindrul cu dublu efect are două fețe active ale pistonului, două orificii de alimentare
cu aer și nu mai are resortul de revenire. Revenirea pistonului în poziția inițială se face
conectând racordul A la atmosfera și racordul B la alimentare. Constructiv, cilindrul poate avea tijă
unilaterală, trasmițând mișcarea pe o singură parte a cilindrului, sau cu tijă bilaterală, mișcarea
fiind transmisă mecanic pe ambele părți ale cilindrului, figura 2.5.

Fig. 2.5. Cilindru cu dublu efect și tijă unilaterală.

10

În figura 2.6 este prezenta tă simbolizarea cilindrului cu dublu efect.

Fig. 2.6. Simbolizarea cilindrului cu dublu efect .
Cilindrul cu frânare reglabilă . Pentru evitarea șocurilor ce pot duce la avarierea
cilindrilor sau a mecanismelor puse în mișcare, frânarea cursei pistonului este realizată prin
utilizarea unui drosel, dispozitiv care întârzie evacuarea aerului din fiecare cameră a cilindrului.
În figura 2.7. este prezentat un cilindru cu dublu efect cu frânare reglabilă la ambele capete de
cursă.

Fig. 2.7. Cilindrul cu frânare reglabilă: 1 – manșon; 2 – etanșare; 3 – drosel.

Funcționare . Pentru cursa de avans a pistonului, în momentul în care manșonul 1
ajunge în dreptul etanșării 2, evacuarea camerei din dreapta nu se mai poate face prin spațiul
dintre tijă și capac. Aeru l este obligat sa curgă prin orificiul a cărui sectiune este reglată de
droselul 3. Această secțiune fiind mult micșorată, debitul de aer evacuat este mic. Rezultatul
este apariția unei contrapresiuni în zona capătului de cursă, fenomen ce se opune deplasă rii
pistonului spre dreapta, deci îl franează.
În funcție de reglajul efectuat asupra droselului se obține un efect de frânare mai redus
sau mai puternic. Reglând în mod diferit cele două drosele, se obțin efecte de frânare
diferite pe capetele de cursă. În figura 2.8. este prezentată simbolizarea cilindrului cu frânare
reglabilă.

11

Fig. 2.8. Simbolizarea cilindrului cu frânare reglabilă.

2.3. Distribuitoare

Distribuitoarele sunt elemente pneumatice cu rolul de a dirija energia pneumatica pe
anumite cicuite, în concordanță cu comenzile pe care le primește. Distribuitoarele sunt elemente
de automatizare esențiale, practic neexistând circuit pneumatic sau hidraulic fără să conțină
minim un distribuitor.
Orice distribuitor se compune din două parți principale: partea de distribuție și partea
de comandă. Partea de distribuție realizeaza conexiunile între racordurile distribuitorului
conform schemei de automatizare. Partea de comandă are rolul de a determina comutarea
etajului de distribuție conform comenzilor date. Etajul de distribuție are în compunere o parte
fixă, corpul distribuitorului, și o parte mobilă, numită organ de distribuție. După forma
constructivă, organul de distribuție se poate clasifica în:
a) Distribuitoare cu sertar rectiliniu;
b) Distribuitoare cu sertar rotativ.

Distribuitoarele cu sertar rectiliniu sunt construite cu sertare cilindrice sau
plane.
Distribuitoarele cu sertar rotativ pot fi construite cu sertare plane, conice sau cu supape.

Simbolizare . O simbolizare foarte concisă a unui distribuitor presupune indicarea
numărului de căi, a numărului de poziții, a racordurilor și a modului de comandă. Prin cale se
înțelege numărul de orificii input -output pentru circuitele de aer. Poziția reprezintă starea
organului mobil al distribuitorului . În figura 2.9 este prezentat modul de simbolizare a
distribuitoarelor [1]. Prima cifră din notare arată numărul de căi, iar a doua numărul de poziții
pe care poate comuta distribuitorul. Cele două indicații sunt despărțite printr -o bară înclinată.

12

Fig. 2.9. Simbolizarea distribuitorului.

De exemplu, un distribuitor 3/2 va conține 3 căi de transport a aerului și două poziții
de lucru. Simbolul distribuitorului este un dreptunghi împărțit într-un număr de căsuțe egal cu
numărul de poziții pe care poate comuta, în fiecare căsuță fiind reprezentată schema de
conectare a acestuia. În figura 2.10 este prezentată simbolizarea unui distribuitor 3/2. Fiecare din
cele două căsuțe (poziții active ale distribuitorului) are un număr de trei orificii (căi).
Caracteriz area distribuitorului necesită notarea căilor sau racordurile acestuia. Notarea se face
pe căsuța corespunzătoare poziției pe care distribuitorul o ocupă atunci când nu este acționat.
Există două tipuri de notare: numerică și literală, tabelul 2.3.

Fig. 2.10. Simbolul distribuitorului 3/2.

Funcția racordului Notația
literară Notația
numerică
Orificiu de conectare la presiune P 1
Orificiu de conectare la consumatori A,B,C 2,4,6
Orificiu de drenaj sau ventilare R,S,T 3,5,7
Orificiu de comandă (pilot are) X,Y,Z 12,14

13
Orificiu de comandă de resetare L(*) 10
Orificiu de comandă auxiliare – 81,91
Orificiu de ventilare a piloților – 82,84

Tabelul 2.3. Notarea racordurilor distribuitorului.

Observație . Notațiile prezentate în tabelul 2.3 se aplică tuturor echipamentelor pneumatice.
Simbolul distribuitorului prezentat în figura 2.11 trebuie completat cu notații numerice sau
literale.

Fig. 2.11. Simbolizarea convenționlă a distribuitorului 3/2.

Conform figurii 2.11, distribuitorul este cu 3 căi și 2 poziții. Pe prima cale, notată cu 1,
este realizată alimentarea cu aer (suplimentar simbolul P). Calea a doua a distribuitorului, notată
cu 3, este destinată drenajului (suplimentar simbolul R). Cea de-a treia cale, amplasată pe cea
de-a doua față a distribuitorului și notată cu 2, este destinată conectării distribuitorului la
consumator (suplimentar notată cu A).
Simbolizarea distribuitoarelor implică un context mai larg în ceea ce privește modul
de utilizare al acestora. În figura 2.12 este prezentat un distribuitor 3/2, normal închis,
comandat pneumatic indirect (cu pilot), iar revenirea pe poziție (resetarea) se face direct cu semnal
pneumatic, (fără pilot).

Fig. 2.12. Simbolizarea distribuitorului 3/2 comandat pneumatic .