مفاهیم اولیه و قوانین پنوماتیک

مقدمه

واژه هایی همچون پنوماتیک، نیرو، فشار و فشارِ گیج به گوشمان خورده است. در این مقاله سعی شده است این تعریف ساده و دقیقی از این مفاهیم ارائه شود. از شما دعوت می کنیم تا انتهای مطلب ما را همراهی کنید.

پنوماتیک چیست؟

پنوماتیک استفاده از هوای فشرده در کاربردهای صنعتی و به منظور انجام کنترل یا کار مکانیکی است. ما می توانیم در مورد پنوماتیک یا سیستم های پنوماتیک صحبت کنیم.

مبانی فیزیکی و واحدهای اندازه گیری (سیستم متریک)

واحد سیستم SI بر مبنای چند واحد پایه قرار دارد و واحدهای اندازه گیری دیگر از آنها استخراج می شوند. در اینجا به جزئیات آن نمی پردازیم.

واحدهای اندازه گیری که به پنوماتیک مربوط است.

• متر – m (طول / فاصله)
• کیلوگرم – kg (وزن / جرم)
• ثانیه – S (زمان)
• کلوین – K (دما)

 واحدهای استخراج شده از واحدهای پایه:

• نیوتن – N (نیرو)
• پاسکال – Pa (فشار)

نیرو

نیرو کمیتی جهت داراست که می‌تواند سرعت اجسام را تغییر دهد و سبب حرکت آن شود. به عبارتی نیروی عامل حرکت به شمار می‌رود. اگر هیچ نیرویی بر جسم وارد نشود، یا اگر نیروهای وارد بر جسم اثر همدیگر را خنثی کنند، هیچ تغییری در سرعت مشاهده نمی‌شود و جسم در حال تعادل باقی می‌ماند.

 نماد: F
واحد: نیوتن
نماد واحد: N
بر اساس واحدهای پایه SI = برابر است با (Kg*m/s²)

فشار

فشار یک کمیت نرده‌ای است که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می‌شود. یکای فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها پاسکال است. یک پاسکال برابر یک نیوتون بر مترمربع (N/m²) است. فشار گِیج، فشاری است که معمولاً در فشارسنج‌ها نشان داده می‌شود و مقدار آن نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود.

برای اندازه گیری فشار ضرایب زیر متداول هستند.

1 kPa (کیلوپاسکال) = 1,000 پاسکال

1 MPa (مگاپاسکال) = 1,000,000 پاسکال

     1bar = 100,000 Pa = 0.1 MPa = 0.1 N/mm²

 1mbar = 0.001 bar

 1nbar = 0.000000001 bar

در برخی کشورها نظیر ایالات متحده آمریکا و بریتانیای کبیر واحد psi (پوند بر اینچ مربع( نیز همچنان مورد استفاده است.

 1psi = 0.07 bar (rounded)

فشار اتمسفر استاندارد فشار هوا بر روی سطح دریا است که معادل 1 atm (اتمسفر) است.

 1atm = 101,325 Pa = 1013.25 mbar (Millibar) or hPa (Hektopascal)

این واحد معمولا در مترولوژی استفاده می شود، رابطه زیر که رند شده است در عمده کاربردها دقت لازم را دارد.

1atm = 1 bar

فشار اضافی یا فشار گیج مقدار فشار بالاتر از فشار اتمسفر است. که تحت عنوان فشار نسبی نیز شناخته می شود.

در حالتی که فشار مطلق اندازه گیری شود، فشار اتمسفری نیز شامل شده است. مقیاس از 0 شروع می شود که Pa=0خلاء کامل است.

فشار مطلق = فشار اتمسفر استاندارد + فشار گیج (فشار نسبی)
برای درک بیشتر موضوع به شکل زیر توجه بفرمایید.

اصطلاحات

P_(a): فشار مطلق

P_(t): فشار اضافی / فشار گیچ

P_{(t) –}: فشار خلاء

مثالها:

1- شش باز فشار اضافی = 6bar_(t)

2- هفت بار فشار مطلق = 7bar_(a)

3- 0.7 بار فشار مطلق =  0.7bar_(a)   یا  منفی0.3bar_(t)

عبارات “فشار اضافی” و خلاء به مقادیر بزرگتر یا کوچکتر از فشار اتمسفر ارجاع می شوند.

در پنوماتیک ما از واحد بار هم در فشار اضافی و هم در فشار خلاء استفاده می کنیم. ما به طور معمول از فشار اضافی = فشار نسبی در این مقاله استفاده می کنیم. مگر اینکه غیر از آن ذکر شده باشد.

 یک مثال محاسباتی:

ما می خواهیم نیروی یک سیلندر را با قطر معین در یک فشار مشخص را مطابق با قانون پاسکال محاسبه کنیم.

P=F/A

که در رابطه فوق P: فشار (بر حسب پاسکال) ، F: نیرو (بر حسب نیوتن) و A: سطح مقطع (بر حسب متر مربع)

یک سیلندر با قطر 40 میلیمتر چه مقدار نیرو در فشار 6 بار می تواند اعمال کند؟

به منظور اینکه ما از واحد اندازه گیری صحیح استفاده کنیم. ما از واحد Mpaبرای فشار استفاده خواهیم کرد. این منطبق با N/mm² است. برای قطر نیز از mm استفاده می کنیم.

قطر پیستون سیلندر d = 40 mm

سطح پیستون با استفاده از رابطه سطح دایره مطابق رابطه زیر محاسبه می شود.

این نیرو بصورت تئوری است. در عمل ما تلفاتی ناشی از اصطکاک را هم بایستی در نظر بگیریم (تقریبا 5%) از اینرو: یک سیلندر با یک پیستون که قطر آن 40 میلیمتر است در فشار 6 بار تقریبا نیرویی برابر با 716 نیوتن تولید می کند. اگر بخواهیم جور دیگری بیان کنیم توانایی بلند کردن تقریبا 73 کیلوگرم بار را دارد.

سوال: چه مقدار نیرو همان سیلندر در جهت عکس (کورس برگشت) ایجاد می کند؟ (در برگشت شفت در مسیر هوا قرار دارد)

شکل سیلندر زیر را در نظر بگیرید. قطر پیستون را D1 و قطر شفت را D2 در نظر می گیریم.

بدلیل وجود شفت متصل به پیستون، در حالت رفت سطح مفید که تحت تاثیر هوای فشرده است در حالت رفت بزرگتر از سطح آن در حالت برگشت است و از اینرو نیروی اعمالی به به نسبت سطح شفت کاهش می یابد.

 

پس از کسر 5% از نیرو برای اصطکاک نیروی برگش پیستون محاسبه می شود. نیروی برگشت در همان سیلندر تقریبا برابر می شود با:

601 نیوتن، در مقایسه با نیروی کشش 716 نیوتن در حالت رفت پیستون

خلاصه ای کوتاه و مفید

پنوماتیک استفاده از هوای فشرده در کاربردهای صنعیت به منظور انجام کنترل یا کار مکانیکی است. نیرو کمیتی جهت دار است که می‌تواند سرعت اجسام را تغییر دهد و سبب حرکت آن شود. فشار یک کمیت نرده‌ای است که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می‌شود.