Technika próżniowa w automatyce: zasada działania, źródła próżni i dobór rozwiązania

Jak działa próżnia w układach automatyki

Pompa podciśnienia to urządzenie, które usuwa część gazu ze szczelnej objętości, obniżając ciśnienie wewnątrz i tworząc siłę ssącą zdolną przyciągać elementy lub odsysać media. Działa odwrotnie niż sprężarka — zamiast podnosić ciśnienie, „wyciąga” cząsteczki powietrza na zewnątrz układu. Klasyczne rozwiązania mechaniczne składają się z komory roboczej i ruchomych elementów (wirników, łopatek, tłoków), które cyklicznie zwiększają objętość gazu i wypychają go poza instalację. W aplikacjach przemysłowych wymagana próżnia robocza to zwykle około −0,6…−0,9 bar względem atmosfery, co zapewnia pewny chwyt większości detali. Z kolei zakres osiągalnego ciśnienia zależy od konstrukcji: pompy łopatkowe z łopatkami węglowymi potrafią zbliżać się do ok. 0,1 mbar, podczas gdy proste, suchobieżne konstrukcje membranowe pracują przy wartościach rzędu kilkudziesięciu mbar.

Co istotne, pompa podciśnienia nie zadziała bez zapewnienia dopływu medium oraz szczelnych przewodów łączących źródło próżni z przyssawkami lub komorami. Po uruchomieniu układu powietrze spod przyssawek jest odprowadzane, a po odcięciu zasilania lub otwarciu zaworu różnica ciśnień zanika. Dlatego w praktyce stosuje się zawory i czujniki, które monitorują spadki próżni i sterują pracą źródła: jeśli wartość spadnie poniżej progu, układ załącza urządzenie lub wywołuje alarm. Taki nadzór poprawia bezpieczeństwo procesu i ogranicza zużycie energii, bo urządzenie działa tylko wtedy, gdy jest to potrzebne.

Trzy drogi do uzyskania próżni: pompy mechaniczne, dmuchawy bocznokanałowe, eżektory

W przemyśle dostępnych jest kilka sposobów generowania próżni, a każdy z nich ma swoje mocne strony w określonych warunkach. W wielu zakładach Pompa podciśnienia to tylko jedna z opcji obok dmuchaw bocznokanałowych oraz eżektorów Venturiego.

Pompy mechaniczne. Napędzane silnikiem elektrycznym urządzenia (łopatkowe – olejowe i „suche”, śrubowe, membranowe, tłokowe, a w zastosowaniach specjalnych także turbomolekularne) oferują najwyższe poziomy próżni — aż po ułamki milibara — i mogą pracować ciągle przy wysokim wydatku. Ich eksploatacja wymaga zasilania elektrycznego i regularnej obsługi (wymiany oleju, łopatek, uszczelnień), a także odprowadzania ciepła i kontroli hałasu.

Dmuchawy bocznokanałowe. Przypominają turbiny powietrzne; wytwarzają różnicę ciśnień między wlotem a wylotem i mogą pracować jako ssące lub tłoczące. Dostarczają duży przepływ przy umiarkowanej próżni, typowo do ok. −300…−500 mbar. Sprawdzają się m.in. w transporcie pneumatycznym, na stołach podciśnieniowych CNC, w maszynach drukarskich czy odkurzaczach przemysłowych. Ich atutami są bezolejowa konstrukcja i trwałość, ograniczeniem — głębokość próżni.

Eżektory. Dysze Venturiego zasilane sprężonym powietrzem nie mają części ruchomych, a podciśnienie powstaje w wyniku lokalnego przyspieszenia strugi w zwężce. Przy odpowiednim ciśnieniu zasilania można osiągnąć wartości rzędu −850 mbar. Rozwiązanie jest bardzo kompaktowe i niemal bezobsługowe, lecz wymaga energii w postaci sprężonego powietrza. Dostępne są również miniaturowe wersje montowane tuż przy przyssawkach, co skraca przewody, ogranicza straty i przyspiesza cykl.

Zastosowania: chwytanie, pakowanie, obróbka i procesy laboratoryjne

Technika próżniowa przenika niemal każdą branżę. W robotyce chwytaki z przyssawkami podnoszą tafle szkła, arkusze blachy, płytki, elementy elektroniczne czy kartony; niezawodne źródło próżni decyduje o pewności uchwytu, dlatego często dodaje się czujniki oraz akumulatory podtrzymujące różnicę ciśnień w razie przerwy w zasilaniu. W pakowaniu żywności odsysanie powietrza z opakowań wydłuża świeżość produktów, a przy liofilizacji potrzebna jest bardzo głęboka próżnia. W takich układach centralna pompa podciśnienia potrafi zasilać jednocześnie kilka stanowisk.

Na stołach obrabiarek CNC podciśnienie unieruchamia detale, umożliwiając obróbkę delikatnych kształtów bez imadeł; w termoformierkach rozgrzana folia dopasowuje się do formy dzięki różnicy ciśnień i szybko wraca do sztywności po schłodzeniu. W przemyśle drukarskim ssanie pozwala separować i prowadzić arkusze, a w instalacjach odciągowych wspiera usuwanie pyłów czy oparów. W laboratoriach i zakładach chemicznych próżnia jest wykorzystywana do destylacji, suszenia i badań — często z użyciem konstrukcji odpornych na agresywne media.

Dobór rozwiązania do potrzeb procesu

Skoro istnieje kilka metod generowania próżni, decyzję warto oprzeć na czterech zmiennych: wymaganym poziomie podciśnienia, przepływie, dostępnej infrastrukturze oraz trybie pracy. Jeżeli potrzebujesz dużej głębokości próżni (poniżej ok. 200 mbar abs) lub ciągłego działania przy wysokim wydatku, mechaniczna pompa podciśnienia będzie najbardziej przewidywalnym wyborem — zwłaszcza tam, gdzie nie ma dostępu do sprężonego powietrza.

Gdy kluczowy jest duży przepływ przy umiarkowanym podciśnieniu (do około −0,3…−0,5 bar), bardzo dobrze sprawdzają się dmuchawy bocznokanałowe, które zapewniają czysty, bezolejowy strumień i prostą eksploatację. W rozległych manipulatorach z wieloma punktami ssącymi warto rozważyć decentralizację przy użyciu eżektorów: montowane blisko przyssawek skracają trasy, zwiększają dynamikę i redukują straty. Jednocześnie należy policzyć bilans sprężonego powietrza — wiele eżektorów potrafi znacząco obciążyć kompresor, dlatego w niektórych zakładach bardziej opłaca się scentralizować źródło próżni.

Bezpieczeństwo, sterowanie i energooszczędność

Tam, gdzie ładunki wiszą nad posadzką albo proces nie toleruje przerwy, standardem stają się układy zabezpieczające. Powszechnie stosuje się zbiorniki − akumulatory próżniowe − z zaworami zwrotnymi, które podtrzymują wartość podciśnienia podczas zaniku zasilania lub chwilowych wahań. Inną praktyką jest dublowanie źródła (jedno pracuje, drugie pozostaje w gotowości), co pozwala zachować ciągłość cyklu. Z punktu widzenia efektywności energetycznej warto wykorzystywać czujniki próżni i sterowanie progowe: urządzenia uruchamiają się dopiero wtedy, gdy wartość spadnie poniżej zadanej, a w eżektorach dopływ sprężonego powietrza bywa zamykany zaworem do momentu następnego cyklu.
Dowiedz się więcej na: astraautomatic.pl