پنوماتیک (طراحی و اجرا )

سیستم پنوماتیک چیست؟

پنوماتیک شاخه‌ای از علم مهندسی است که با پیروی از اصل پاسکال و با استفاده از گاز یا هوای فشرده، انرژی مکانیکی لازم برای بالا بردن و حرکت دادن اجسام را تولید می‌کند. اصلی‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده هر سیستم پنوماتیک (Pneumatic System)، کمپرسور گاز، خطوط انتقال، انواع شلنگ و سیلندر هستند. کمپرسور، دارای انرژی الکتریکی است و در مرکز سیستم قرار می‌گیرد. این قطعه، سیلندرها، موتورهای هوا و سایر تجهیزات پنوماتیک را تغذیه می‌کند. روش کار سیستم پنوماتیک، بسیار ساده است. این سیستم از طریق شلنگ، هوای تامین‌شده توسط کمپرسور گاز را دریافت می‌کند. جریان هوا، پس از تنظیم توسط شیرهای برقی دستی یا اتوماتیک، به سمت سیلندر حرکت می‌کند و سیلندر پنوماتیک، انرژی تولید شده توسط گاز فشرده را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

شباهت‌ها و تفاوت‌های سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک

فرض کنید قرار است سیستمی با توان خروجی بالا و قابلیت جابه‌جایی بار طراحی کنید؛ اما به دلیل هزینه‌های بالا، نمی‌توانید از سیستم الکتریکی بهره ببرید. حال، تنها دو انتخاب دارید: سیستم هیدرولیک و سیستم پنوماتیک. کدام‌یک را انتخاب می‌کنید؟ این دو سیستم در بسیاری موارد، شبیه به هم هستند. از مهم‌ترین نقاط تشابه آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• طراحی ساده
• بازده خروجی بالا
• انعطاف‌پذیری بالا و قابل استفاده بودن در شرایط مختلف 
• قابلیت افزایش نیرو
• ایمنی بالا
• مقرون به صرفه بودن

اما برای انتخاب یکی از این دو سیستم، لازم است بررسی کنید که سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک چه تفاوتی با یک‌دیگر دارند؟ در شکل ۴ برخی تجهیزات سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک و تفاوت میان آن‌ها را می‌بینید.

البته باید توجه داشت که بیشتر خازن‌های سه‌فاز با سربندی داخلی و به شکل یک محفظه استوانه‌ای یا کتابی تولید و به بازار عرضه می‌شوند. بنابراین، غالباً نیازی به سربندی خازن‌های تکفاز برای ساخت خازن‌ سه‌فاز نیست.

نقاط تمایز دو سیستم هیدرولیک و پنوماتیک

نوع سیال

اصلی‌ترین تفاوت سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، در نوع سیالی است که بر اساس آن، انتقال نیرو را انجام می‌دهند. همان‌طور که پیش از این اشاره کردیم، در سیستم‌های هیدرولیک از سیالات مایع (به طور معمول، روغن هیدرولیک) و در سیستم پنوماتیک، از گاز بی‌اثر (نیتروژن) یا هوای فشرده استفاده می‌شود. سایر تفاوت‌های این دو سیستم نیز به‌گونه‌ای به همین موضوع مربوط می‌شوند.

قدرت و فشار کاری

همان‌طور که می‌دانید مایع نسبت به گاز، چگالی جرمی بالاتر و تراکم‌پذیری کمتری دارد. به همین دلیل، با تحت فشار قراردادن آن، فشار و نیروی بیشتری تولید می‌شود. سیستم‌های هیدرولیک نیز به دلیل استفاده از سیالات، فشار بالاتر و قدرت بیشتری تولید می‌کنند و برای استفاده در تجهیزاتی مانند جرثقیل مناسب هستند. البته این سیستم‌ها به طور معمول انتقال قدرت را با سرعتی بسیار آهسته‌تر از سیستم‌های پنوماتیک انجام می‌دهند. در طرف مقابل، سیستم‌های پنوماتیک به دلیل تراکم‌پذیری بالای گاز، فشار بالایی تولید نمی‌کنند و برای جابه‌جایی یا بلند کردن بارهای سنگین مناسب نیستند. این سیستم‌ها در بهترین حالت ۱۸۰ psi فشار تولید می‌کنند؛ در حالی که فشار تولیدی در سیستم‌های هیدرولیکی، تا ۱۰ هزار psi هم می‌رسد. افت فشار و نوسان نیرو نیز در سیستم پنوماتیک بیشتر دیده می‌شود.

بهداشت و عدم آلودگی

به نظر شما از بین سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، کدام‌یک آلودگی کمتری تولید می‌کند؟ درست حدس زدید؛ پنوماتیک‌ها! در هر کدام از دو سیستم‌، همواره امکان نشتی وجود دارد. اگر سیستم پنوماتیک دچار نشتی شود، تنها چیزی که از آن خارج می‌شود، هوا است که هیچ ضرری برای محیط ندارد. در حالی که در سیستم‌هایی که از سیالات بهره‌ می‌برند، اگر آب یا روغن به بیرون از سیستم نشت کند، نه تنها محیط را آلوده می‌کند؛ بلکه باعث ایجاد خوردگی‌ در تجهیزات می‌شود و به آن‌ها آسیب می‌زند. به همین دلیل در آزمایشگاه‌های داروسازی و صنایع غذا و نوشیدنی، به دلیل رعایت بهداشت، از سیستم‌های پنوماتیک استفاده می‌شود و نصب سیستم هیدرولیک ممنوع است. 

پیچیدگی سیستم‌ها

سیستم‌های هیدرولیک برای داشتن عملکردی مناسب، به علم مهندسی پیچیده‌ای وابسته هستند. این سیستم‌ها با وجود قطعات متحرک کمتر و قابلیت کنترل آسان توسط دکمه‌های فشاری و اهرم‌ها، به مجموعه‌ای از شیرها، شلنگ‌ها و پمپی که توسط منبع انرژی خارجی تامین می‌شود، متصل می‌شوند. به همین دلیل، نگهداری و تعمیرات آن‌ها سخت‌تر است. قطعات هیدرولیکی نیز قیمت بالایی دارند. اما سیستم‌های پنوماتیک ساختار و عملکردی بسیار ساده دارند و با فشار بسیار پایین‌تری کار می‌کنند. در نتیجه، اجزای سازنده این سیستم‌ها قیمت ارزان‌تر و نصب ساده‌تری دارد. امروزه، سیستم‌های پنوماتیک با وزن و ابعاد کوچک‌تر ساخته می‌شوند و در بسیاری از صنایع به کار می‌روند.

نحوه عملکرد سیستم‌ها

نحوه عملکرد سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، بیشتر از آن‌چه که به نظر می‌آید با هم متفاوت است. عملکرد سیستم‌های هیدرولیک به صورت چرخشی و مانند یک مدار بسته است. در این سیستم‌ها، سیال توسط پمپ از مخزن کشیده‌ می‌شود و در سیستم به جریان می‌افتد. در نهایت، سیال دوباره از طریق لوله‌هایی به مخزن بازمی‌گردد. این مسیر همواره تکرار می‌شود. اما در سیستم پنوماتیک، کمپرسورها، هوا یا گاز موجود در محیط را فشرده کرده و به داخل سیستم هدایت می‌کنند. در نهایت، این هوا دوباره در محیط تخلیه می‌شود و به سیستم برنمی‌گردد. به همین دلیل گفته می‌شود که عملکرد این سیستم‌ها به صورت حلقه‌باز است.

مزایا و معایب سیستم پنوماتیک

توجه به مزایا و معایب هر کدام از سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، انتخاب بین این دو سیستم را ساده‌تر می‌کند و باعث می‌شود بهترین سیستم را برای کاربردی که در نظر دارید؛ انتخاب کنید. در ادامه این مقاله، با چند تا از مهم‌ترین مزایا و نقاط ضعف سیستم‌های پنوماتیک آشنا می‌شوید. 

مزایای سیستم پنوماتیک

• این سیستم‌ها نسبت به سیستم هیدرولیک، قیمت مناسب‌تر، انعطاف‌پذیری بیشتر و ایمنی بالاتری دارند.
• سیستم پنوماتیک آلودگی تولید نمی‌کند و به همین دلیل، یک انتخاب مناسب برای صنایع بیوتکنولوژی، دندان‌پزشکی، داروسازی و صنایع غذایی است.
• سرعت انجام کار در این سیستم بالا است.
• طراحی بدون پیچیدگی و ساختار ساده این سیستم باعث می‌شود هزینه نصب، تعمیر و نگهداری آن ارزان باشد.
• سیال مورد استفاده در این سیستم (هوا)، همواره در دسترس است و استفاده از آن هزینه‌ای ندارد.
• این سیستم نسبت به تغییرات دما حساسیت کمتری دارد و ضد آتش‌سوزی و انفجار است.
• جابه‌جایی و حمل هوای فشرده در مخزن‌های تحت فشار و لوله‌ها، ساده‌تر از سیالات دیگر است.
• این سیستم‌ها به مخزن برای نگهداری هوا نیاز ندارند و آن را از محیط جذب می‌کنند.

نقاط ضعف سیستم پنوماتیک 

• سیستم‌های پنوماتیک فشار و قدرت چندان بالایی تولید نمی‌کنند و برای تجهیزاتی که نیازمند نیروی زیاد برای جابه‌جایی یا بلند کردن جسم هستند، مناسب نیستند.
• نوسانات فشار هوا در این سیستم‌ و عملکرد آن دیده می‌شود. این نوسانات باعث می‌شوند بلند کردن اجسام، با حرکتی ناگهانی اتفاق بیوفتد.
• هزینه برق مصرفی در این سیستم‌ها نسبت به سیستم هیدرولیکی بالاتر است؛ زیرا بخش زیادی از انرژی الکتریکی، در زمان فشرده‌سازی هوا به صورت گرما تلف می‌شود.
• سیستم‌های پنوماتیک معمولا سر و صدای زیادی تولید می‌کنند. 

به یاد داشته باشید که نقاط ضعف هیچ کدام از سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک، به معنای عملکرد نامناسب آن‌ها نیست؛ بلکه تعیین‌کننده این موضوع است که در چه شرایط و محیط‌های کاری، کاربرد بهتر یا ضعیف‌تری دارند.