Menü
Témakörök
Bolyki Ferenc
Bolyki Ferenc
ipari mérnökség vezető
AVENTICS Hungary

IFFK 2016 – Ipari pneumatika és pneumatikus járművek

Ipari gépek
0

A X. Innováció és Fenntartható felszíni közlekedés Konferencia 2016-os rendezvényén előadásunk témája a pneumobilok és az ipari pneumatika fejlődése volt. Az AVENTICS-nél közel 50 éve foglalkozunk Magyarországon pneumatikus rendszerek fejlesztésével és gyártásával. Elsősorban az ipari automatizálás a termékek fő felhasználási területe, de már több évtizede beépült az ilyen elemek alkalmazása a közlekedési eszközökbe is (pl. buszok, tehergépjárművek, hajózás). 2008-ban a Pneumobil versenyek elindításával egy új perspektíva nyílt meg a pneumatikai megoldások alkalmazhatósága előtt. Ebben a bejegyzésben mindazon megoldások összefoglalását jelenítjük meg, amelyeket a versenyző hallgatók valósítottak meg, hogy két köbméter sűrítettlevegőből kihozzák a maximumot. Ezt kiegészítve bemutatunk egy alternatívát is, amely talán a fenntarthatóság útját is megmutatja.

A pneumatika első alkalmazásai a közlekedéshez köthetőek, hiszen George Westinghouse már az XIX. század közepén vasúti kocsik fékezésénél alkalmazta a sűrítettlevegő munkavégző képességét. Tehát a közlekedés tekinthető minden pneumatikus alkalmazás táptalajának. Legfőképpen a közúti közlekedés esetében gyorsan háttérbe szorult a gőz alkalmazása és néhány kiegészítő funkció már sűrítettlevegővel működött. A XX. század 50-es éveitől a mechanikus automatizálást gyorsan háttérbe szorította a pneumatikus logika és az ipar számos területén munkahengerek hajtották végre a szelepek utasításait. Ezek az alkalmazások mára alkalmazkodtak a rohamosan fejlődő elektronikával való együttműködésre, így a mai alkalmazások főleg végrehajtó elemek. A járműipar hű maradt a sűrítettlevegőhöz, a nehézgépjárművek számos fő és támogató funkciója működik továbbra is ezzel az energiával. Ezek az elemek ugyan funkciójukat tekintve nagyon hasonlítanak az ipari környezetben működőekhez, de kialakításukat nézve már alkalmazkodtak a járművek formavilágához. A motorizált közúti közlekedés hajnalán több „hajtóanyaggal” kísérleteztek, de ezekből csak a benzin (és gázolaj), amely kiállta a próbát, most viszont elsősorban környezetkárosító hatásuk miatt alternatívákat keres a világ.

Első megközelítésre talán képtelen ötletnek tűnik tisztán sűrítettlevegős meghajtással járművet építeni. Nekünk sem ez volt a célunk az első Pneumobil verseny meghirdetésekor, sokkal inkább egy innovatív feladaton keresztül bevezetni a hallgatókat a pneumatika rejtelmeibe. Mára a verseny nemzetközivé nőtte ki magát és fémjele lett az ipar és a felsőoktatás egy kapcsolati formájának. A feladat egy olyan “pneumatikus jármű” – PNEUMOBIL – tervezése és elkészítése, amely a sűrített levegő energiáját alkalmazva, pneumatikus vezérlő és végrehajtó elemek felhasználásával viszi át a nyomatékot a hajtott kerekekre.

1._ábra_-_Pneumobil

(1. ábra – Pneumobil)

A versenyszámokat tekintve értékelésre kerül az elkészített jármű innovációs tartalma és műszaki megoldásai, valamint három fizikai versenyszámban mérik össze tudásukat. A hosszú távú futamban két köbméter “üzemanyaggal”, a lehető legnagyobb távolságot kell megtenni. Az ügyességi futamban egy feltöltött palackkal a leggyorsabban teljesíteni a technikásan kialakított pályaszakaszt. A gyorsulási futamban a megadott pályaszakaszt a legrövidebb idő alatt megtenni. A mindezen feladatok teljesítésére képes járművet a hallgatók standard ipari automatizálásban használatos pneumatikai elemekkel valósítják meg. Egy ilyen jármű tervezése és építése széleskörű ismereteket igényel a hallgatóktól, hiszen a “motoron” kívül a vázszerkezet, a futómű, a fékek is szerves részei a feladatnak, de számunkra mégis az a részegység a legfontosabb, amely a nyomási energiát mechanikai munkává alakítja, így a továbbiakban a jármű egyéb részeit most figyelmen kívül hagyjuk.

MŰSZAKI MEGOLDÁSOK

A Pneumobil verseny szabályzata és a biztosított elemválaszték szerint csak ipari automatizálásban alkalmazott elemekből építhető fel a jármű motorja. Ebből adódóan a munkahengerek alternáló mozgásából folyamatos forgó mozgás előállítása a feladat súlypontja. Amennyiben összehasonlítást teszünk a pneumatikus erőforrás és a robbanómotorok között, szinte elég csak a dugattyúk sebességét vizsgálni és azonnal látható, hogy a sűrített levegő esetében egy viszonylag lassú (0,5 – 1 m/sec) relatív egyenletes mozgást tapasztalhatunk, míg a másik esetben a robbanások által egy dinamikus gyors mozgásra kényszerített dugattyút. Tehát egy pneumobil motorjának fordulatszáma meg sem közelíti a hagyományos autókét. A forgatónyomaték tekintetében éppen ellenkező a helyzet. A maximálisan engedélyezett hengerátmérővel (D=100 mm) és rendszernyomással (pmax=10 bar) kalkulálva, a forgatónyomaték létrehozásához rendelkezésre álló erő: 7,8 kN. Ehhez egy 100 mm-es erőkart rendelve 780 Nm-es forgatónyomatékot kapunk és természetesen, van olyan motorkialakítás, amikor ez az érték konstans a teljes körülfordulás alatt. A továbbiakban bemutatom mindazon megoldásokat, amelyeket a hallgatók optimális kialakításként megvalósítottak:

  • Motor típusok

A szabályok szerint maximálisan 4 db munkahenger építhető be az erőforrásba. Az egyik talán legkézenfekvőbb megoldás a forgattyús kialakítás, mégis a verseny eddigi története alatt ezek a motorok voltak kisebb arányban a mezőnyben. A forgattyús hajtás szinuszos nyomatéka miatt két vagy több hengeres kivitelek használata a legelterjedtebb. A forgattyús hajtás szinte minden hengerelrendezésben előfordult a mezőnyben soros (2. ábra), „V”, csillag- és boxer motoros járművek is részt vettek már.

2._ábra_-_Forgattyús_kialakítású_motor

(2. ábra – Forgattyús kialakítású motor)

A konstans nyomaték előállítása egyre több érintő mentén legördülő kényszerkapcsolattal kialakított erőforrást hozott. Ezek a kényszerek elsősorban lánc vagy fogasléc alkalmazásával valósultak meg. Bizonyos kialakításoknál viszont le kellett mondani a folyamatos forgó mozgásról. Az alternáló mozgásból adódó forgásirány váltások egyenirányítására, szabadonfutók vagy egyéb kilincsműves szerkezetek szolgálnak. Jelenleg a fogasléces (3. ábra) kialakítású motorokkal érték el a legjobb eredményeket a verseny történetében, de ezek között is előfordult néhány különleges megvalósítás.

 

3._ábra_-_Fogasléces_erőforrás

(3. ábra – Fogasléces erőforrás)

 

A megoldás lényege, hogy a sorba hátul elhelyezett henger van rögzítve a vázszerkezethez, majd az utána következőt mozgatja, amely pedig a fogaslécet. Amennyiben 250 mm-es löketeket alkalmazunk 500 mm-es összlökettel kalkulálhatunk. Milyen előnyökkel jár ez a megoldás azzal szemben, mint ha egy 500 mm-es hengert alkalmaznánk? A térfogat megegyezik, tehát a fogyasztásuk azonos. A dugattyúfelület duplázott, tehát az erő is nagyobb. A második henger mozgatása miatt a fogasléc sebessége is jelentősen magasabb lehet.

4._ábra_-_Sorba_kötött_hengerek

(4. ábra – Sorba kötött hengerek)

Az előző két leggyakoribb kialakítás mellet több, talán kicsit szokatlan megoldással is találkoztunk. Az egyik leglátványosabb az axiál-dugattyús motor elvét követte, eddig kétszer fordult elő ilyen a verseny történetében. Az axiális kialakítástól a motor főtengelyének magasabb fordulatszámát várták a hallgatók, ami terheletlen állapotban jól látható volt a teszteken, viszont a gyakorlatban a vezérlés hibája miatt nem volt módjuk bizonyítani.

5._ábra_-_Axiál-dugattyús_motor

(5. ábra – Axiál-dugattyús motor)

A forgattyús elrendezés nyomaték szempontjából legkedvezőbb 90 fokát kihasználó megoldásokból is megvalósítottak néhány példát a versenyzők. A legtöbb esetben az erőkar hosszának változtatásával teremtettek kedvező teljesítményt.

 

6._ábra_-_Himba_elvén_működő_hajtás

(6. ábra – Himba elvén működő hajtás)

Általánosan elmondható, hogy nincs bevált recept arra, mely motorkialakítás, hengerelrendezés a legjobb, hiszen a jármű menetteljesítményét a vezérlés és a hajtáslánc is jelentősen befolyásolja.

  • Pneumobil vezérlés

Ezeknek a pneumotoroknak a vezérlése általánosan három módon történhet:

– Pneumatikus vezérlés

– Elektromos vezérlés

– Elektronikus vezérlés

Bármely vezérlést is alkalmazzák, az egyes versenyszámok egymással ellentétes feltételeket kívánnak meg. Míg egy hosszú távú futamot takarékossággal lehet megnyerni, egy gyorsulásit nagyon nagy dinamikával. A spórolás alapja szinte minden vezérlés esetében ugyanaz, az expandálás. Vagyis a hengertér részleges feltöltése, a löket bizonyos százalékának elérésénél megszakítani a levegő utánpótlását és hagyni, hogy kitáguljon, majd a dugattyút végigtolja a maradék löketben. Ezt a módszert mindhárom esetben lehet alkalmazni, viszont az első két esetben csak fix, előre definiált dugattyú pozíciókban működtethető, elektronika alkalmazásával rugalmasan változtathatóak lesznek a kapcsolási pozíciók. Ezzel a módszerrel átlagosan 50%-al növelhető meg egy jármű hatótávolsága. A dinamikusabb versenyszámokban nem szempont a fogyasztás, sőt, itt nagyon hamar légszomj gyötörheti a motorokat. Az energia rendelkezésre áll a palackban, de nyomáscsökkentő egység áteresztőképessége határozza meg, hogy milyen csomagokban lehet hozzáférni. A motorok között már az első alkalommal is volt olyan, amely többet tudott felhasználni, mint 600 l/min. A probléma kiküszöbölésére megjelentek a kisebb-nagyobb puffertartályok a pneumatikus kapcsolásban. Ezeket előre feltöltve (a palackból) gyorsabban hozzáférhetővé vált egy energia löket. Amelyet szintén az elektronikus vezérléssel tudnak a leghatékonyabban felhasználni. Mivel az erőforrások forgatónyomatéka magas, de fordulatszáma alacsony, a nyomatékváltók használata is általánossá vált. Elektronikus vezérlés esetében mindig kézi működtetésről beszélünk, elektronikusnál automataváltó is megvalósult. A kapcsolás legnagyobb kihívása terheletlen állapotba hozni a váltót, a motor megállítása nélkül. Amennyiben leszellőztetjük az aktív kamrát a váltás ideje alatt, elpazaroljuk az energiát, amennyiben nem, úgy nehézkes lesz a váltás a fennálló terhelés miatt. Egy megoldás volt az automataváltónál, hogy a váltás előtt a feltöltő szelep előre meghatározott frekvenciával történő ki-be kapcsolásával, fent lehetett tartani a dugattyú mozgását, viszont a váltóműre ható terhelés annyira lecsökkent, hogy könnyedén megtörtént a fokozatváltás.

PNEUMATIKUS JÁRMŰVEK

Nem hiszem, hogy a pneumobilok és a bennük alkalmazott részegységek gyorsan beépülnek a mindennapi közlekedési eszközeink közé. Az viszont vitathatatlan, hogy nagyon dinamikusan fejlődtek a járművek és az általuk elért eredmények. Jelenleg két köbméter levegővel közel 13 km-t lehet megtenni 15 km/h átlagsebesség mellett, ez minden tekintetben a duplája az első eredményeknek, így már nem álom 50 km/h felett száguldani sem. Mindezt úgy, hogy a motor és a vezérlés alkatrészei az ipari automatizálás igényei szerint lettek fejlesztve, ezáltal számos hátrányos tulajdonsággal bírnak a járművekben.

A világban számos kezdeményezés létezik levegővel hajtott járművekre, többségük hibrid megoldás és csak néhány belőlük tisztán pneumatikus motor. A próbálkozások közül a legkiforrottabb a francia Guy Negre által fejlesztett erőforrás (7. ábra), melynek teljesítménye 30-40 kW. Ez az erőforrás kellően kisméretű ahhoz, hogy járműbe lehessen építeni és megfelelő hatótávolság is elérhető vele egy elfogadható méretű üzemanyagtank beépítésével.

7._ábra_-_Guy_Negre-féle_erőforrás

(7. ábra – Guy Negre-féle erőforrás)

Az ilyen motorral szerelt jármű hatótávolsága 100-120 km, amihez mintegy 10 köbméter levegőt kell tankolni. Mi lehet az előnye egy elektromos járművel összehasonlítva? A “tankolás” időtartama, hiszen nem vesz több időt igénybe, mint a robbanómotoros járművek esetében.

Az hogy a járműnek önmagában nincs károsanyag kibocsájtása még nem jelenti azt, hogy sehol sem keletkezik ilyen az üzemanyag-előállítási láncban. Ezért nem elég önmagában a járműveket a középpontba helyezni, hanem minden egyéb hozzá köthető folyamatot vizsgálni kell a fenntarthatóság érdekében.

PNEUMATIKUS HAJTÁS FENNTARTHATÓSÁGA

Napjainkban a jövő energia előállítását a megújuló erőforrások kiaknázásában keressük. Ezek új kihívásokat jelentenek számunkra, hiszen hiába a szélerőmű, ha nem fúj a szél. Legtöbbször elektromos áramot állítunk elő ezekből az erőforrásokból, amely szállítása rendkívül jól megoldható, de a nagy mennyiségű tárolásra még nincs megoldás. Amennyiben egy szélerőművel sűrítettlevegőt állítunk elő, kiválóan tudjuk tárolni, de a szállítás óriási veszteségekkel jár.

Az elektromos áram nyomási energiává alakítása lehetővé teszi számunkra az energia tárolását, ám eddig nem ált a rendelkezésünkre olyan eszköz, amely ezt kevés veszteséggel vissza tudta volna forgatni elektromos árammá. A Negre-féle motor kellő teljesítményt tud kifejteni egy generátor meghajtásához, ezáltal a nyomásként tárolt energia akkor és olyan mennyiségben alakítható vissza elektromos árammá, ahogy szükségleteink megkívánják. Kisebb közösségek, de akár minden háztartás is képes lehet megoldani saját energia gazdálkodását, valamint a szükséges üzemanyag is rendelkezésre áll a pneumatikus alapú közlekedéshez.

Összefoglalva a pneumatika még mindig fejlődő szakaszában van, és ahogy a közlekedési eszközök adták az ipari rendszerek alapjait, úgy fordítva is össze lesznek kötve még hosszú ideig. Ipari alkalmazásokra tervezett eszközökből járművet építeni: ez ugyan nem fogja a közlekedést forradalmasítani, de olyan innovációs tartalmat hordoz, ami mindkét területen jelentős sikerekhez vezethet. Az hogy a jövő energiagazdálkodásában milyen szerepe lesz a nyomási energiának még nem látható, de bízunk abban, hogy a sűrítettlevegő olyan jelképe lesz az egyén függetlenségének, mint ma az autó.

 


Címkék: