Silnik pneumatyczny – kalkulator momentu, mocy, obrotów i zużycia powietrza

Moment, obroty i moc mechaniczna

Dla 5 Nm i 1000 obr/min moc mechaniczna wynosi około 0,524 kW. Jeśli przyjęty zostanie 20% zapas, do doboru warto przyjąć około 0,628 kW.

Ta sama moc może wynikać z dużego momentu i niskich obrotów albo z małego momentu i wysokich obrotów. Z tego powodu sama wartość kW nie określa jeszcze właściwego silnika ani przekładni.

Punkt maksymalnej mocy i free speed

Atlas Copco podaje, że charakterystyczna krzywa mocy łopatkowego silnika pneumatycznego osiąga maksimum w okolicy 50% prędkości biegu jałowego. DEPRAG również wskazuje okolice 40–50% idle speed jako korzystny obszar pracy dla typowych silników łopatkowych.

Kalkulator pokazuje stosunek wymaganych obrotów do free speed. Wynik bliski 50% nie gwarantuje poprawnego doboru, ale jest dobrym sygnałem, że punkt pracy znajduje się w pobliżu obszaru maksymalnej mocy.

Moment rozruchowy

Silnik musi nie tylko pracować po rozpędzeniu, ale również ruszyć obciążenie. Atlas Copco zaznacza, że moment rozruchowy silnika łopatkowego zależy od położenia łopatek, dlatego w tabelach podawany jest minimalny gwarantowany moment startowy.

Jeżeli aplikacja wymaga 5 Nm już w chwili startu, a katalog podaje minimum 7 Nm, prosty zapas wynosi 40%. Jeżeli obciążenie ma duże tarcie statyczne lub moment bezwładności, potrzebna może być dodatkowa analiza rozruchu.

Zużycie powietrza

Atlas Copco podkreśla, że zużycie powietrza zmienia się wraz z prędkością i jest najwyższe w pobliżu biegu jałowego. Silnik pobiera pewną ilość powietrza nawet przy zatrzymanym wale z podanym ciśnieniem z powodu przecieków wewnętrznych.

Najdokładniejszym wejściem do kalkulatora jest więc wartość z wykresu lub pomiar w konkretnym punkcie pracy. Jeżeli danych nie ma, można użyć trybu orientacyjnego. DEPRAG podaje dla silników łopatkowych typowe jednostkowe zużycie około 1,4 m³/min/kW dla mniejszych jednostek i około 1,0 m³/min/kW dla większych.

Wpływ ciśnienia i dławienia

Parametry katalogowe silnika są ważne tylko dla określonych warunków zasilania. Atlas Copco dla swojej rodziny silników publikuje dane bazowe przy 6,3 bar(g) i osobne współczynniki korekcyjne dla innych ciśnień.

Zmiana ciśnienia wpływa głównie na moment, natomiast dławienie przepływu silniej wpływa na prędkość. Dlatego przy zmianie ciśnienia lub regulacji obrotów trzeba skorzystać z krzywych lub współczynników konkretnego producenta, zamiast liniowo skalować wszystkie parametry jednym mnożnikiem.

Przekładnia i punkt pracy

Silniki pneumatyczne często mają wysoką prędkość wirnika. Przekładnia pozwala zmniejszyć obroty i zwiększyć moment na wale wyjściowym. W idealnym przybliżeniu moc pozostaje podobna, natomiast moment rośnie proporcjonalnie do przełożenia, a prędkość maleje.

Przy doborze rzeczywistej przekładni należy uwzględnić jej sprawność, dopuszczalny moment, obciążenia promieniowe i osiowe oraz wymagany czas pracy.

Przykład – 5 Nm przy 1000 obr/min

Wymagana moc punktu pracy wynosi około 0,524 kW. Z 20% zapasem jest to około 0,628 kW. Wybrany silnik o maksymalnej mocy 0,75 kW ma około 19% zapasu względem wymagania z rezerwą.

Jeżeli free speed wynosi 2000 obr/min, punkt pracy jest dokładnie przy 50% prędkości jałowej. Przy katalogowym zużyciu 700 NL/min i dostępnych 1000 NL/min instalacja ma około 43% zapasu przepływu.

Przy 4 godzinach pracy dziennie zużycie wynosi około 168 Nm³ dziennie i około 3696 Nm³ w miesiącu przy 22 dniach pracy.

Dla ucznia technikum i studenta

Silnik pneumatyczny dobrze pokazuje związek między ruchem obrotowym a mocą. Moment jest odpowiednikiem siły w ruchu liniowym, a prędkość kątowa odpowiednikiem prędkości liniowej.

Przy tej samej mocy podwojenie prędkości obrotowej oznacza, że wymagany moment może spaść o połowę. Przekładnia wykorzystuje właśnie tę zależność, zamieniając wysokie obroty na większy moment.

W pneumatyce trzeba dodatkowo pamiętać o przepływie medium: wysoka moc mechaniczna wymaga odpowiedniej ilości sprężonego powietrza i odpowiednio wydajnych przewodów, zaworów oraz FRL.

Przykładowe zadania z rozwiązaniami

Źródła techniczne

Atlas Copco – Pocket Guide to Air Motors: punkt pracy, krzywe momentu, mocy i zużycia oraz maksimum mocy w okolicy 50% free speed: Pocket Guide to Air Motors.

DEPRAG – charakterystyki silników pneumatycznych i orientacyjne jednostkowe zużycie powietrza typowych silników łopatkowych: Air Motors – Customized drive solutions.