MEKATRONİKTE PNÖMATİK VE HİDROLİK SİSTEMLER

1. MEKATRONİKTE PNÖMATİK VE HİDROLİK SİSTEMLER MEC5008

2. Genel Tanım Basınçlandırılmış akışkanın, mekanik özelliklerini, davranışlarını, kuvvet iletiminde kullanılmasını, akışkanın hareket ve kontrolünü inceleyen bilime hidrolik ya da pnömatik denir. Hidrolikte enerji iletimini yağ ve su gibi daha yoğun akışkanlar gerçekleştirirken pnömatikte kullanılan akışkan cinsi havadır. Pnömatik Endüstriyel anlamda ilk ciddi pnömatik uygulamalar, 19. yüzyılın ortalarından itibaren basınçlı havanın el aletlerinde kullanılmasıyla başlamış ve pnömatik günümüze kadar pek çok farklı çalışma alanında kendine yer edinmiştir. Özellikle elektropnömatik sistemlerin yaygınlaşması sayesinde pnömatik, seri üretim uygulamalarında ve otomasyonlu üretimlerde ihtiyaç duyulan hatta tercih edilen sistemler arasına girmiştir

3. Neden Pnömatik? • Pnömatik sistemlerin elektrikli ve hidrolik sistemlere göre çeşitli avantajlarının olması bu sistemlere olan talebi arttırmıştır. Pnömatikte temel enerji üretimi ve iletimi hava ile sağlanır. Hava; her yerde kolayca bulunabilen, iletimi basit, basınçlandırıldığında rahatça depo edilebilen bir akışkandır. Aynı zamanda sıcaklık değişikliklerine karşı hassas bir davranış göstermez bu da yüksek sıcaklıklarda bu sistemlerin kullanılmasını kolaylaştırır. • Güç kaynağı olarak havanın kullanılması emniyetlidir. Parlama, patlama ya da yanma gibi riskler söz konusu değildir. Pnömatik sistemlerde başka bir güvenlik unsuru da aşırı yük varlığında sistemin kendini durdurmasıdır. Aşırı yük unsuru ortadan kalktığında çalışma devam eder. • Montaj ve bakımları kolaydır. • Basınçlı hava gerektiğinde kullanılmak üzere depolanabilir. • Çevre bilinci endüstriyel tesislerde gün geçtikçe gelişmektedir. Bu durum göz önüne alındığında hava; atık bırakmaması ve hatlarda sızıntı ya da kaçak olsa bile çevreyi kirletmemesi açısından temiz bir güç kaynağı olarak ele alınmalıdır.

4. Pnömatik Sistemlerin Dezavantajları • Basınçlı havanın devre elemanlarına zarar vermemesi için öncelikle işlenmesi gerekmektedir. • Çalışma basıncına bağlı olarak maksimum 4-5 tonluk kuvvetler elde edilebilir. • Sistemde işi biten hava dışarı atılırken gürültü yapar. • Hava sıkıştırılabilir özellikte olduğundan düzgün bir hız elde etmek zordur. • Yüksek çalışma basınçları elde edilemez. • Pnömatik Sistemin Diğer Sistemlerle Karşılaştırılması

5. Kullanım Alanları Pnömatiğin uygulama alanlarını seçerken, pnömatik sistemlerin avantajları göz önünde bulundurulur. Hızlı fakat küçük kuvvetlerin uygulanması istenen yerlerde kullanılabilen pnömatik sistemler, temizlik ve emniyet istenen tasarımlarda da kullanılır. Pnömatik sistemler genel olarak aşağıdaki alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

6. Pnömatik Sistem Pnömatik El

7. Pnömatiğin Temel Prensipleri

8. Basınç ve Vakum Kavramı Pnömatik sistemde basınç, kompresörler tarafından, vakum ise vakum enjektörleri ya da vakum pompaları tarafından üretilmektedir. Her iki elemanın çalışma prensipleri birbirine göre terstir. Kompresörler bir ortama hava basıp basınç oluştururken, vakum üreteçleri ise ortamdaki havayı emerek basıncı yok etmeye çalışır. Yok, edilmeye çalışılan bu basınca “atmosfer basıncı” adı verilir. Atmosferik Basınç Kuru haldeki atmosfer havası oksijen, nitrojen (azot) ağırlıklı olmak üzere çeşitli gazların karışımından oluşur. Atmosfer Havasını Oluşturan Gazlar

9. Gösterge Basıncı Başlangıç olarak atmosfer basıncını referans alır ve atmosfer basıncının üstündeki basınç değerlerini gösterir. Basınç göstergeleri (manometre) atmosfer basıncında “0” değerini gösterir. Mutlak Basınç (PM) Başlangıç olarak atmosfer basıncının “0” olduğu noktayı (maksimum vakum) referans alır ve üzerindeki basınç değerlerini gösterir. Mutlak basınç, göstergede gördüğümüz basıncın üzerine atmosfer basıncı eklenerek hesaplanır (PM= PG + 1 atm). Yaklaşık olarak hesaplamak istersek; gösterge basıncının üzerine 1 ilave edilir. Vakum Herhangi bir ortam da hava basıncının atmosferik basınçtan düşük olmasına vakum denir. Otomotiv endüstrisinde, düşük hava basıncından yaralanılarak çalıştırılan sistemler vardır. Kaportaları taşıma ve boya fırınları içine taşıma işlemlerinde vakumlu tutuculardan yararlanılır.

10. Boyle-MariotteYasası Sıcaklığın değişmeme koşulu ile sabit bir gaz kütlesinin, hacmi değiştirilirse, basıncı da değişir. Kapalı bir kap içinde ve sabit sıcaklıkta bulunan belli miktardaki gazın mutlak basıncı, gazın hacmi ile ters orantılı olarak değişir. P1V1= P2V2=k(sabit)

11. Problem : 6 bar basıncındaki hava 1 m3 lük bir kompresörde sıkışmış halde bulunuyor. Aynı havanın 2 m3 lük bir alana yayıldığı düşünüldüğünde basınç ne olur? Verilenler P2 = 6 Bar V2= 1 m 3 V1= 2 m 3 P1 = ? Çözüm P1V1 = P2V2 6 x 1 = P1 x 2 P1 = 3 Bar bulunur

12. Gay-LussacYasası Gay-Lussac yasasına göre, bir ideal gazın toplam hacminin, hacimlerinin çarpımına oranı küçük tam sayılar halinde gösterilebilir. Belirli bir miktardaki ideal gazın basıncının, kelvin birimiyle belirtilmiş sıcaklığına doğru orantılıdır. Charles Yasası Sabit basınçta, herhangi bir miktardaki ideal gazın hacminin azalıp çoğalması, aynı oranda sıcaklığının da azalıp çoğalmasını etkiler.

13. Avogadro Kanunu Bu yasa, eşit hacimdeki gazların; eşit sıcaklık ve eşit basınçta aynı sayıda parçacık ya da molekül sayısına sahip olduğunu öne sürer. Buna göre, belirli bir hacimdeki gazın bulundurduğu molekül sayısı, gazın kütle ya da boyutundan bağımsızdır. Avogadro yasası, toplam gaz yasasını oluşturan Boyle yasası, Charles yasası ve Gay-Lussac yasasıyla birlikte ideal gaz yasasını oluşturur.

14. Problem : 1 m3 hacmindeki hava, 300°K sıcaklıktan 360°K sıcaklığa kadar ısıtılmıştır. Basınç sabit olduğuna göre; son sıcaklıktaki hacmi bulunuz? Verilenler V1 = 1 m3 T1 = 300oK T2 = 360oK V2 =? Çözüm = 1,2 m3

15. Sabit Hacim Altında Genleşme Sabit hacim altındaki gazın basıncı değiştirilecek olursa gazın sıcaklığı basıncı ile orantılı olarak değişir. Sıcaklık artırılırsa aynı oran geçerlidir. Şekillerdeki sıkıştırılmıştır. Sıkıştırma sonucu basıncı artmış, buna orantılı olarak sıcaklık artmıştır. Sabit hacimdeki gaz Sıkıştırılmış gaz • Diğer bir şekilde açıklanacak olursa gazın cinsi ve hacmi ne olursa olsun, gazın sıcaklığı artırılacak olursa basıncı, sıcaklığın artışı oranına eşit oranda artar.

16. Problem : Bir aracın lastiğinin içindeki basınç 11 atmosfer basıncında ölçülüyor. Bu sırada 10 oC lık sıcaklığa sahiptir. 200 km’lik yol alındıktan sonra lastiğin sıcaklığı 30oC olarak ölçülüyor. Lastiğin basıncı nedir? T1= 10 oC= 273+10 oC = 383 oK T2= 30 oC= 273+30 oC = 403 oK P2 = 11.72 bar = 11.57 atm Problem : 1 m3 hacminde ve 2 Bar basıncındaki hava, 300°K sıcaklıktan 360°K sıcaklığa kadar ısıtılmıştır. Isıtılma işlemine rağmen basıncı 1 Bar’a düşürmek istediğimize göre son hacim kaç m3 olmalıdır? Verilenler P1 : 2 Bar T1 : 300°K V1 : 1 m 3 P2 : 1 Bar T2 : 360°K V2 : ? >> >> V2 = 2,4 m3

17. Sıkıştırılmış Havanın Debisi Belirli bir kesitten akan akışkanın debisi, kesitin büyüklüğü ve akış hızına bağlı olarak değişir (Q=A.v). Kesit alanında değişme olmadığı müddetçe bir boru içinden akan havanın hızı aynıdır. Kesit alanı büyüdükçe akış hızı azalır, kesit alanı küçüldükçe akış hızı artar. Diğer bir ifadeyle hava küçük kesitlerde daha hızlı akar. Problem : Küçük çaplı kesiti 10 cm2 olan bir boru içinden geçen havanın hızı 4,2m/s’dir. Boru kesiti 25 cm2 ’ye büyütüldüğünde hava hızı ne olur? Verilenler A1 = 10 cm2 v1= 4,2 m/s = 420 cm/s A2 = 25 cm2 v2 = ? Çözüm A1. v1= A2. v2>> 10.420 = 25. v2 v2= 4200/25 =168 cm/s v2= 1,68 m/s

21. PNÖMATİK SİSTEMLER ve PNÖMATİK SİSTEMLERİN KISIMLARI

22. Pnömatik Sistemler • Basınçlı havayı elde edip kuııanıcılara kadar ulaştıran sistemlere pnömatik sistem adı verilir.

23. Pnömatik Sistemlerin Kısımları • Bir pnömatik sistem çok sayıda elemanın birleşiminden oluşur. Her pnömatik sistemde aynı elemanlar kullanılmaz. Kullanım şartlarına bağlı olarak farklı özellikte elemanlar tercih edilir. Bu nedenle sistemi kısımlara ayırmak en doğru davranış biçimidir. Aşağıda bir pnömatik sistemi oluşturan kısımları görebilirsiniz. Basitten karmaşığa kadar pnömatik sistemlerin tümü bu kısımlardan oluşur. • Basınçlı havanın üretilmesi ve hazırlanması • Basınçlı havanın taşınması • Basınçlı havanın şartlandırılması • Basınçlı havanın kullanılması

24. Havanın dağıtılması şekilde çok az yer kaplamaktadır; oysa pnömatik sistemin kısımları içinde en fazla yeri kaplar. Küçük işletmelerde kullanılan dağıtım hattı çok uzun değildir. Orta ve büyük işletmelerde kullanılan datıtım hatları yüzlerce metre uzunlukta olabilir. Çoğu kimse dağıtım hattını önemsemez; ancak sistemin en önemli kısımlarından biridir.

25. Basınçlı Havanın Üretilmesi ve Hazırlanması Atmosfer havasında bir miktar nem ve su buharı bulunur. Atmosferde bulunan nem ve su buharının oranı, iklim ve çevre şartlarına göre değişir. Özellikle, sıcaklık arttıkça nem miktarıda artar. Kompresör tarafından emilip sisteme gönderilen hava nemlidir. örnek olarak; 7 m3hava sabit sıcaklıkta ve 6 bar basınçta 1 m3 ’e indirilirse 6 birim su buhari fazla gelir ve yogunlasir. 1 m3basinçli hava, 1 m3atmosfer havasından fazla su tutamaz. Nem miktari sicaklik ve basinca baglidir. Sıkıştırma süresince hava soğutulursa, havanın su tutma kapasitesi azalır ve su yoğunlaşır. Kalan nem de bütün iş elemanlarına ulaşır. Bu sebepten dolayı da bu elemanların basınç taraflarına su tutucular yerleştirilmelidir. Bunlar çevrim tipi filtreler olabilir. Bu tip filtrelerde; hava, engellere çarparak döndürülür ve soğutulur. Santrifüj etkisi ve soğuma da yoğunlasmayi sağlar.

26. Havanın Kurutulması Hava içindeki bu nem, zaman zaman yoğunlaşarak su haline dönüşür. Yoğunlaşan su, pnömatik sistemlerin sık sık arızalanmasına, çalışma ömürlerinin azalmasına, bakım ve onarım masraflarının önemli oranda artmasına yol açar. Bu nedenle havanın içindeki nemin alınarak kurutulması gerekir. Üç farklı kurutma tipi vardır. Su Boşaltma Kabı Fan Kompresör Havanın Soğutularak Kurutulması

27. Kimyasal Kurutma İşlemi

28. Kurutma Nemli Hava Fiziksel Kurutma Yöntemi

29. Havanın Filtrelenmesi Kompresörden elde edilen basınçlı hava kirlidir. Kirliliğin sebebi atmosferden emilen havadaki toz, kir ve nem olabileceği gibi, kompresörden kaynaklanan yağ ve metal parçacıkları olabilir. İşte, hava içindeki bu yabancı maddeleri ayrıştıran elemanlara FİLTREadı verilir. • Filtrenin hassasiyetleri, tuta-bildikleri parça büyüklüğüne göre belirtilir. Örneğin: 10 mikron'luk filtre, 10µ (0,010 mm) ve daha büyük parçacıkları tutabilmektedir. • Endüstriyel uygulamalarda 40µ’dan 5µ’a kadar hassasiyette fıltreler kullanılır. Basınçlı Hava Filtresi

30. Basıncın Ayarlanması Silindir, motor gibi pnömatik alıcıların düzenli ve sabit bir hızla çalışabilmeleri için, basınçlı havanın sabit basınçta verilmesi gerekir. Sistemde meydana gelen basınç salınımlarını önlemek amacıyla kullanılan devre elemanlarına basınç ayarlayıcı (basınç regülatörü) adı verilir. Ayarlayıcıya giren basınç, çıkan basınçtan büyük olmalıdır. Basınç Ayarlayıcı

31. Havanın Yağlanması • Pnömatik sistemde birlikte çalışan devre elemanlarının sürtünme kuvvetlerini azaltmak ve aşınmayı engellemek amacıyla yağlanması gerekir. Yağlama işlemi, alıcılara giden havaya yağ damlatılmasıyla gerçekleştirilir. Basınçlı havayı yağlamak amacıyla kullanılan devre elemanlarına yağlayıcı adı verilir. Yağlayıcının görevi, hava içine ihtiyaç duyulan ölçüde yağ karıştırmaktır. • Yağlayıcılar Ventüri ilkesine göre çalışır. Akış kesiti daralan havanın basıncı azalırken, hızı artar. Kesitler arasındaki bu basınç farkından dolayı , daralan kesitten hava içine yağ karışması sağlanır. Yağ damlacıkları hızı artan hava ile temas ettiğinde, zerreciklere ayrılarak havaya karışır. Hava akımı azaldığında yağlama olmaz. Ventüri İlkesi

32. Yağlayıcı ve Sembolü

33. Şartlandırıcı Havanın transfer hattıdanpnömatik sisteme giriş yerinde kullanılan ve havayı kurulu sistem içerisinde kullanılacak özelliklere getiren elemanlara Şartlandırıcı denir.  Şartlandırıcı tek bir eleman olarak kullanılsa da dört farklı pnömatik elemandanmeydana gelir. Şartlandırıcı Ünitesi

34. Susturucu Pnömatik sistemde işini bitiren hava atmosfere bırakılırken , rahatsız edici bir ses çıkarır. Bu sesi önlemek amacıyla kullanılan devre elemanlarına susturucu adı verilir. Susturucuda hava geçiş hacmi büyütülerek, havanın hızı düşürülür. Sinterlenmiş parçalar yardımıyla gürültü seviyesi önemli oranda azaltılır. Çok Odalı Susturucu

35. Sinterlenmiş Metal Susturucu

36. Atmosfere bırakılan basınçlı havadaki kir ve yağ susturucuyu tıkayarak çalışamaz hale getirir. Çevreyi de kirleterek çalışanlara zarar verebilir. Bunu önlemek için filtrelisusturuculardan yararlanılır. Susturucuya gelen hava ince bir filtreden geçirilerek temizlenir. Filtreli Plastik Susturucu

37. Basınç Şalteri Pnömatik sinyalleri elektrik sinyaline dönüştürmeye yarayan elemanlardır. Bu elemanlara sinyal dönüştürücü adı verilir . Mikro Switch’in Yapısı

38. Basınç Şalteri ve Çalışma Prensibi

39. Hava Kazanı Kompresörden elde edilen basınçlı havanın depolanmasını sağlar. Hatırlanacağı gibi, pnömatik sistemin en büyük avantajlarından biri havanın depo edilebilir olmasıydı. Kazan ebatları, kompresörün debisine ve dağıtım sisteminin büyüklüğüne bağlıdır. Yoğunlaşan suyun alınması için kazanın alt kısmına boşaltma musluğu takılmalıdır. Kullanılma Sebepleri Sistemdeki basınç salınımlarını engelleme Kompresörün sürekli çalışmasını önleme Havanın soğutularak, nemin bir kısmının alınmasını sağlamak Elektrik kesintilerinde veya arıza durumlarında sistemin istenilen konuma gelmesi için gerekli olan basınçlı havanın sağlanması Hava Kazanı ve Sembolü

40. Pnömatik Dağıtım Sistemi Hava kazanından çıkan basınçlı havayı kullanıcılara ulaştıran boru, bağlantı elemanı, valf, dirsek vb. Elemanların hepsine pnömatik dağıtım sistemi adı verilir. Basınçlı Hava Boru Tesisatı

41. Dağıtım sisteminde yoğunlaşan suyun kullanım yerine gitmemesi için aşağıdaki önlemler alınmalıdır : • Ana dağıtım hattı yerden yüksekte, tavana yakın olmalıdır. • Dağıtım hattına hava akış yönünde 1-2% eğim verilmelidir. • Kullanım için yapılan bağlantılar mutlaka hattın üstünden yapılmalıdır. • Hattın belirli yerlerine su biriktirme depoları ve su boşaltma muslukları konulmalıdır. • Kullanıcıdan önce hava bir şartlandırıcıdan geçirilmelidir.

42. PNÖMATİK MOTORLAR

43. Basınç enerjisini mekanik enerjiye (dönme hareketi) dönüştüren devre elemanıdır. Çalışma prensipleri kompresörün tam tersidir. Kompresör elektrik enerjisini önce mekanik enerjiye, mekanik enerjiyi de basınç enerjisine dönüştürür. Motor ise bu basınç enerjisiyle mekanik enerji üretir. • Pnömatik Motorların Üstünlükleri • Devir sayıları çok yüksektir (350.000d/dk) • Hız ayarı sınırsızdır. • Dönüş yönü hareket devam ederken değiştirilebilir. • Bakımları kolaydır. • Her türlü ortamda rahatlıkla kullanılabilir. (kirli,tozlu,nemli,yanıcı vb) • Fazla yükleme olduğunda yavaşlar ya da durur. • Boyutları küçük ve hafiftir. • Devre elemanları ucuzdur. • Değişik konumlarda çalışabilir.

44. Pnömatik Motorların Çeşitleri 1)Pistonlu Motorlar Belirli sayıdaki pistona basınçlı havanın kazandırdığı doğrusal hareketi, dairesel harekete dönüştürülmesi prensibine göre çalışır. Radyal ve eksenel olmak üzere ikiye ayrılır. Radyal Pistonlu Motorlar Pistonlar hareket miline dik yerleştirilmiştir. Yüksek döndürme momenti istenen yerlerde kullanılır. Devir sayıları çok yüksek değildir. Silindir sayısı arttıkça daha düzenli çalışır. Devir sayıları 1000-1500 dev/dak’dır.

45. Radyal Pistonlu Motorlar

46. b) Eksenel Pistonlu Motorlar Pistonlar hareket miline yerleştirilmiştir. Dönme hareketi pistonlar tarafından eğik bir plaka vasıtasıyla oluşturulur. Piston sayısı 5 ya da daha fazladır (tek sayıda). Yükteki devir sayıları 2500-3000 dev/dak’dır. Güç aralığı 1,5-20 kw’tır. 2) Paletli Motorlar En çok kullanılan pnomatik motor çeşididir. Bu eksantriklikten dolayı bir tarafta hacim genişlemesi, diğer tarafta ise hacim daralması olur. İçeri giren basınçlı hava, rotoru hacim genişlemesiyönünde döndürerek dışarı atılır. Devir sayıları boşta 50.000 dev/dak’ya kadar çıkabilir. Yükte ise bu değer yarı yarıya azalır. Güçleri 0,1-17 kw arasındadır.

47. Paletli Hava Motoru

48. 3) Dişli Motorlar Birbirine hareket veren iki dişliden oluşmuştur. Düz, helisel, V-dişli (çavuş dişli) çark kullanılır. 45 kw gibi yüksek güçte motordur. Genelde, yüksek döndürme momentinin gerektiği yerlerde kullanılır. Dişli Hava Motoru

49. 4) Türbin Tip Hava Motoru Fazla güç istenmeyen yüksek devirli çalışmalarda kullanılırlar. Pnomatik sistemlerde pek kullanılmazlar. Dönme hızları 350.000 dev/dak’ya kadar çıkabilir. Havadaki kinetik enerjiden (yüksek akış hızı) yararlanılarak güç elde edilir. Türbin Tipi Pnömatik Motor

50. PNÖMATİK DEVRE ELEMANLARI