Pytanie: Jak rozwiązać problem „szumu wydechowego” w maszynach o wysokiej liczbie cykli, unikając przy tym problemów z ciśnieniem zwrotnym?

Odpowiedź: Aby zdiagnozować i wyeliminować wysokopoziomowy szum wydechowy pneumatyczny w maszynach o wysokiej liczbie cykli , inżynierowie muszą zastąpić standardowe, za małe lub zapchane tłumiki specjalnymi tłumikami o wysokim przepływie, które odpowiadają lub przewyższają przepustowość (ocenę Cv) wyjścia wylotowego zaworu kierunkowego. Standardowe tłumiki z spiekanego brązu redukują hałas, zmuszając powietrze do przepływu przez mikroskopijne pory, ale są one bardzo podatne na zapychanie się olejem z kompresora oraz zanieczyszczeniami cząstkowymi, co powoduje nadmierny ciśnienie zwrotne. To ciśnienie zwrotne utrudnia ruch tłoka cylindra, co prowadzi do powolnej reakcji siłownika, dłuższych czasów cyklu oraz niestabilnej pracy maszyny. Aby rozwiązać ten problem, należy wybrać tłumiki o wysokim przepływie wykonane z porowatego tworzywa sztucznego (polietylenu) lub wielokomorowe tłumiki typu ekspansyjnego. Te konstrukcje stopniowo rozszerzają i spowalniają strumień wylotowego powietrza, redukując poziom hałasu do wartości bezpiecznych (poniżej 80 dB), przy jednoczesnym zapewnieniu otwartej i nieograniczonej ścieżki przepływu, która zapobiega powstawaniu ciśnienia zwrotnego i zachowuje wysoką wydajność cyklową urządzeń automatyki.

Wprowadzenie: Ukryte zagrożenie hałasem wylotowym układów pneumatycznych

W nowoczesnych, szybkobieżących fabrykach zautomatyzowanych układy pneumatyczne stanowią siłę napędową produkcji, obsługując miliony cykli wysokoprędkościowych operacji pakowania, tłoczenia i sortowania. Jednak istotnym ubocznym skutkiem działania systemów sprężonego powietrza jest nadmierne zanieczyszczenie hałasem. Gdy zawór sterujący kierunkiem przepływu powietrza zmienia położenie, uwalnia on sprężone powietrze bezpośrednio do atmosfery. Powietrze to, często wypływające z prędkością naddźwiękową, generuje głośny, wysokoczęstotliwościowy dźwięk „puknięcia” lub „szumu”.

Narażenie na długotrwały hałas przemysłowy nie tylko narusza przepisy dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa (np. 85-dB limit zawodowy określony przez OSHA), ale także powoduje zmęczenie operatorów, obniża wydajność pracowników oraz może prowadzić do trwałego uszkodzenia słuchu. Dlatego też tłumiki (lub głośniki) są standardowym wymogiem stosowanym we wszystkich przemysłowych wylotach pneumatycznych. Wybór jednak nieodpowiedniego tłumika może spowodować powstanie drugiego, kosztownego problemu inżynieryjnego: ciśnienia zwrotnego w układzie pneumatycznym.

Mechanika pneumatycznego ciśnienia zwrotnego

Aby zrozumieć, dlaczego ciśnienie zwrotne jest szkodliwe dla maszyn o dużej liczbie cykli, warto przyjrzeć się dynamice ciśnienia wewnątrz dwustronnego cylindra pneumatycznego. Aby cylinder mógł szybko wysunąć się, sprężone powietrze musi wpływać do komory przy denku (cap-end), podczas gdy powietrze z komory przy trzpieniu (rod-end) musi być odprowadzane jak najszybciej. Ścieżka odprowadzania powietrza przebiega przez przewody pneumatyczne, następnie przez zawór rozdzielający i wreszcie przez otwór odpowietrzający.

Jeśli tłumik zamontowany na otworze odpowietrzającym zaworu jest ograniczający lub zatkany, stanowi fizyczne „wąskie gardło”. Powietrze nie może uciekać wystarczająco szybko, co powoduje wzrost ciśnienia w komorze odpowietrzanej. Zjawisko to nazywane jest ciśnieniem zwrotnym. Ciśnienie zwrotne działa jak siła hamująca tłok cylindra. Ma ono kilka negatywnych skutków:

• Wolniejsze prędkości działania siłowników: zmniejsza się różnica ciśnień po obu stronach tłoka, co prowadzi do spadku przyspieszenia i prędkości końcowej cylindra.
• Wolna reakcja zaworu: Wyskie ciśnienie zwrotne może zakłócać działanie wewnętrznych kanałów sterujących niektórych zaworów rozdzielających, powodując powolne przesuwanie się tłoczysk lub ich zacinanie w położeniu pośrednim.
• Zwiększone nagrzewanie i zużycie: Tarcie fizyczne uszczelek rośnie wraz z długotrwałym, wysokociśnieniowym tarciem o ścianę cylindra, co skraca czas eksploatacji siłownika.
• Niestabilne sekwencjonowanie maszyny: W maszynach o dużej liczbie cykli opóźnienie w retrakcji cylindra o zaledwie 50 milisekund może zaburzyć całą synchronizację pracy maszyny, prowadząc do zapychania się linii produkcyjnej i generowania odpadów.

Analiza technologii tłumików: materiały i konstrukcje

Zakupujący B2B oraz integratorzy systemów mogą wybrać spośród trzech głównych technologii tłumików, z których każda charakteryzuje się unikalnymi właściwościami eksploatacyjnymi w warunkach dużego natężenia cykli:

• Sinterowane tłumiki z brązu: Są to najbardziej powszechne i najtańsze tłumiki dostępne na rynku. Wykonane są poprzez spiekanie drobnych kulek ze stopu miedzi i cyny, w wyniku czego powstaje sztywny, porowaty element metalowy. Choć są bardzo trwałe i wykazują dużą odporność na uderzenia mechaniczne, ich mikroporowata struktura działa jak filtr mechaniczny. Każda olejowa smarująca substancja, wilgoć lub cząstki stałe obecne w przewodzie powietrza sprężonego szybko zatka te pory. W systemach o wysokiej częstotliwości cykli sinterowane tłumiki z brązu mogą podwoić swoją wartość ciśnienia zwrotnego już po kilku miesiącach ciągłej pracy.
• Głuszniki z porowatego polietylenu (plastiku): Te głuszniki wykorzystują lekki, wysokogęstotliwy korpus z polietylenu. Materiał plastikowy charakteryzuje się większymi i bardziej jednorodnymi porami niż spiekana brązowa. Takie rozwiązanie zapewnia doskonałą absorpcję dźwięku (często redukując poziom hałasu nawet o 35 dB) oraz znacznie lepszą odporność na zatykanie olejem i wilgocią. Jeśli mgiełka oleju przedostaje się do głusznika, łatwo przechodzi przez większe pory plastiku zamiast gromadzić się w nich, co czyni porowaty plastik preferowanym standardem w maszynach do pakowania i montażu o wysokiej liczbie cykli.
• Wielokomorowe tłumiki rozszerzeniowe o wysokiej przepustowości: przeznaczone do systemów ciężkich o bardzo dużych objętościach powietrza; tłumiki rozszerzeniowe są standardem złotym. Te duże tłumiki zawierają wewnętrzne przegrody i komory rozszerzeniowe. Gdy szybko poruszające się powietrze wpływa do pierwszej komory, ulega ono rozszerzeniu i zwalnia. Następnie przechodzi przez wtórne przegrody, gdzie jego prędkość jest dalej obniżana przed opuszczeniem tłumika. Stopniowe zmniejszanie prędkości skutkuje znaczną redukcją hałasu przy praktycznie zerowym oporze przepływu, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla wydechów cylindrów o dużym średnicie i długim skoku.

Jak prawidłowo dobrać wymiar tłumika: zasada kciuka dotycząca doboru wymiarów

Aby zapobiec oporowi przepływu, projektanci maszyn nie powinni nigdy dobierać wymiaru tłumika wyłącznie na podstawie średnicy gwintu portu zaworu. Wiele tanich zaworów ma duże porty, ale bardzo wąskie kanały przepływowe lub odwrotnie. Jedyną wiarygodną metodą doboru wymiarów jest dopasowanie przepustowości tłumika (czynnik Cv lub Kv) do przepustowości ścieżki odprowadzania powietrza zaworu.

• Sprawdź kartę techniczną zaworu: Znajdź wartość współczynnika Cv dla ścieżki wydechowej (zazwyczaj porty 3 i 5 w zaworze 5/2).
• Wybierz tłumik o wyższym współczynniku Cv: Upewnij się, że wybrany tłumik ma nominalną przepustowość Cv co najmniej o 10–15% większą niż współczynnik Cv wydechowy zaworu.
• Uwzględnij cykle pracy: Dla maszyn o wysokim cyklu pracy (działających z częstotliwością przekraczającą 60 cykli na minutę) zwiększ zapas wymiarowy tłumika do 25%, aby zapewnić szybki i ciągły przepływ powietrza bez ograniczeń spowodowanych wzrostem temperatury.

Diagnostyka i konserwacja układów wydechowych

Przy diagnozowaniu maszyny, która stopniowo traciła prędkość przez kilka miesięcy, technicy serwisowi powinni w pierwszej kolejności sprawdzić tłumiki:

• Wykonaj szybki test obejścia: Tymczasowo odłącz tłumik od portu zaworu i uruchom maszynę w cyklu. Jeśli cylinder natychmiast przywróci pierwotną wysoką prędkość, tłumik jest zatkany i wymaga wymiany.
• Czyszczenie spiekanego brązu: W przypadku użycia spiekanego brązu tłumik można wyjąć i zanurzyć w rozpuszczalniku do usuwania oleju, a następnie przeczyścić suchym pistoletem dmuchającym od środka na zewnątrz. Zastąpienie ich jednak porowatym plastikiem jest zwykle bardziej opłacalne.
• Zastosowanie oddzielnego układu wydechowego dla obu kierunków ruchu: W zaworach 5-portowych, 2-pozycyjnych należy stosować osobne tłumiki dla portu 3 i portu 5. Pozwala to niezależnie dostosować prędkość oraz poziom hałasu podczas ruchu wysuwu i wcisu.

Zakup tłumików o wysokiej przepustowości AIRWORK

AIRWORK oferuje kompleksową gamę tłumików o wysokiej przepustowości wykonanych z porowatego tworzywa sztucznego i spiekanego brązu, zaprojektowanych specjalnie do zastosowań w automatyce wymagającej dużej liczby cykli. Nasze tłumiki z tworzywa sztucznego mają dwuwarstwową konstrukcję z polietylenu, która zapewnia odporność na degradację przez olej oraz na uszkodzenia strukturalne spowodowane nagłymi skokami ciśnienia.

Dzięki zastosowaniu precyzyjnych tłumików AIRWORK w systemach sterowania pneumatycznego można spełnić lokalne przepisy dotyczące hałasu środowiskowego, zapewniając przy tym maksymalną wydajność działania maszyn. Aby zapoznać się z pełnym katalogiem akcesoriów pneumatycznych, w tym tłumików o wysokim przepływie, tłumików zaworów przepustnicowych oraz tłumików szybkiego odprowadzania, odwiedź stronę jzpnu.com już dziś.