EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007

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1 Mechatronik Modul 3: Fluidtechnik Schülerhandbuch (Konzept) Matthias Römer Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse EU-Projekt Nr MINOS, Laufzeit von 2005 bis 2007 Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation Mechatronik für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion. Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogramms der Europäischen Union für die berufliche Bildung Leonardo da Vinci.

2 Projektpartner bei der Erarbeitung und Erprobung des Teachwarekonzepts Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Deutschland Projektleitung Corvinus Universität Budapest, Institut für Informationstechnologien, Ungarn Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Schweden Technische Universität Wroclaw, Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Polen Henschke Consulting Dresden, Deutschland Christian Stöhr Unternehmensberatung, Deutschland Neugebauer und Partner OHG Dresden, Deutschland Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Polen Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Ungarn Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Ungarn Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Ungarn Teachwearkonzept: Modul 1: Grundlagen Modul 2: Interkulturelle Kompetenzen, Projektmanagement Modul 3: Fluidtechnik Modul 4: Elektrische Antriebe und Steuerungen Modul 5: Mechatronische Komponenten Modul 6: Mechatronische Systeme und Funktionen Modul 7: Inbetriebnahme, Sicherheit, Teleservice Modul 8: Fernwartung, Diagnose Weitere Informationen: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet: 2

3 Fluidtechnik Minos Inhalt: 1 Pneumatik Einleitung Geschichte der Druckluft Vor- und Nachteile der Pneumatik Einsatzbereiche der Pneumatik Erzeugen von Druckluft Aufbereitung von Druckluft Trocknung der Druckluft Kältetrockner Adsorptionstrockner Weitere Möglichkeiten zur Drucklufttrocknung Wartungseinheiten Filter und Wasserabscheider Druckregler Nebelöler Sonstige Bestandteile Symbole der Bauteile von Wartungseinheiten Pneumatische Antriebe Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Sonderbauformen der Zylinder Wegeventile Symbolische Darstellung der Wegeventile Betätigungen der Wegeventile Bezeichnung der Anschlüsse Konstruktionsprinzipien von Wegeventilen Bauarten von Wegeventilen Vorsteuerung von Wegeventilen Ventilträgersysteme Sperrventile Rückschlagventile Schnellentlüftungsventile Wechselventile Zweidruckventile Stromventile Drosselrückschlagventile

4 Minos Fluidtechnik 1.9 Druckventile Sonstige Ventile Bezeichnung der Symbole im Schaltplan Vakuumtechnik Hydraulik Einleitung Vor- und Nachteile der Hydraulik Einsatzbereiche der Hydraulik Aufbau einer Hydraulikanlage Hydraulikaggregate Hydraulikbehälter Druckbegrenzungsventil Filter Hydraulikflüssigkeiten Viskosität Weitere Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeiten Fremdstoffe, Luft und Wasser in der Hydraulikflüssigkeit Umweltschutz Hydraulikpumpen Zahnradpumpen Schraubenpumpen Flügelzellenpumpen Reihenkolbenpumpen Radialkolbenpumpen Axialkolbenpumpen Zylinder und Motoren Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Befestigung der Zylinder Hydraulikmotore Rohr- und Schlauchleitungen Wegeventile Bezeichnung der Wegeventile Überdeckung der Schaltstellungen Betätigungen von Wegeventilen

5 Fluidtechnik Minos 2.8 Sperrventile Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckminderventile Stromventile Drosselventile Stromregelventile Stromteiler Hydrospeicher Aufgaben der Hydrospeicher Kolbenspeicher Blasen- und Membranspeicher Befüllen von gasbeaufschlagten Hydrospeichern

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7 Fluidtechnik Minos 1 Pneumatik 1.1 Einleitung Der Begriff Pneumatik wird auf das griechische Wort Pneuma zurückgeführt, was soviel wie Atem oder Hauch bedeutet. Als Energieform wird in der Pneumatik verdichtete Luft verwendet. Diese wird als Druckluft bezeichnet. Der Begriff Pressluft ist veraltet und sollte nicht mehr verwendet werden. Luft besteht zu 78 % aus Stickstoff und zu 21 % aus Sauerstoff. Das restliche Prozent setzt sich zusammen aus weiteren Gasen und Edelgasen. Zusätzlich ist in der Luft Wasserdampf enthalten. Auf der Erdoberfläche beträgt der Luftdruck etwa 1 bar. Je nach Wetterbedingungen schwankt dieser Wert etwas. Der Wert der Normalatmoshäre ist in der DIN 5450 auf 101,325 kpa bei 15 C festgelegt. In der Industrie wird Druckluft mit Drücken im Bereich von 3 bis 10 bar eingesetzt. Häufig werden Drücke von 6 bar verwendet, es sind aber durchaus auch Drücke von mehr als 10 bar üblich. Für Steuerfunktionen werden Drücke im Bereich von 0,2 bis 0,5 bar verwendet. Durch die heute üblichen elektronischen Steuerungen werden pneumatische Steuerungen im Niederdruckbereich aber immer mehr verdrängt. Druckluft hat eine geringe Viskosität und kann dadurch in Rohrleitungen über größere Entfernungen transportiert werden. Die Kompressibilität von Druckluft ist eine wichtige Eigenschaft. Das Speichern von Energie ist dadurch auf einfache Weise möglich Geschichte der Druckluft Die Druckluft ist eine sehr alte Energieform. Bereits vor rund 2000 Jahren wurde versucht, mit Druckluft Geschosse fortzuschleudern. Auch das Bewegen von Türen durch das Erwärmen von Luft war möglich. Blasebälge zum Erhöhen der Temperatur eines Feuers kann man als erste Kompressoren betrachten. Ende des 19. Jahrhunderts wurden bereits die Bremsen von Eisenbahnen mit Druckluft betätigt. In dieser Zeit entstanden auch erste Rohrpostanlagen. Um 1890 wurde in Paris ein Druckluftnetz aufgebaut. Dabei wurden auch Signale einer zentralen Uhr über größere Entfernungen an die Nebenstellen übertragen. In den darauf folgenden Jahren setzten sich jedoch in vielen Bereichen elektrische Antriebe durch. 7

8 Minos Fluidtechnik In den 50er und 60er Jahren wurden viele Steuerungsaufgaben auch pneumatisch gelöst. Solche Steuerungen arbeiteten mit kleinen Drükken von wenigen Millibar. Durch die Entwicklung von Transistoren und Mikroprozessoren werden heute jedoch die meisten Steuerungen mit Relais oder speicherprogrammierbaren Steuerungen versehen. Im Zuge der Automatisierung kommen heute viele pneumatische Steuerungen zum Einsatz Vor- und Nachteile der Pneumatik Die Pneumatik wird in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt. Wie jede Energieform hat sie Vor- und Nachteile. Verglichen werden soll die Pneumatik hier vorallem mit der Hydraulik und der Elektrik, aber auch mit mechanischen Geräten. Die Vorteile der Pneumatik sind: Die Luft als Medium steht praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Da die Abluft ins Freie entweichen kann werden keine Rückleitungen benötigt. Druckluft kann sehr gut in Behältern gespeichert werden. Damit ist es nicht erforderlich, dass der Verdichter ständig arbeitet. Beim Ausfall von Energie können mit Hilfe von gespeicherter Druckluft begonnene Arbeitsschritte sicher beendet werden. Druckluft kann auch in Flaschen gefüllt transportiert werden. Über Rohrleitungen lässt sich Druckluft über weite Entfernungen transportieren. Aus diesem Grund kann Druckluft zentral erzeugt werden. Druckluft ist sauber und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Undichtigkeiten stellen keine Gefahr für die Umwelt dar. Durch Druckluft kann in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Die Verwendung im Freien oder in feuchten Umgebungen ist gefahrlos möglich. Pneumatische Bauelemente sind einfach aufgebaut, preiswert und robust. Sie sind häufig leichter als vergleichbare Werkzeuge. Die Geschwindigkeiten pneumatischer Antriebe sind stufenlos regelbar. Dabei können die Antriebe bis zum Stillstand belastet werden und sind deshalb überlastsicher. Geschwindigkeiten von mehreren Metern pro Sekunde sind problemlos möglich. Lineare und schwenkende Bewegungen sind einfach realisierbar. Mit Saugnäpfen oder Greifern können Transportanwendungen leicht gelöst werden. 8

9 Fluidtechnik Minos Den Vorteilen stehen folgende Nachteile gegenüber: Die Druckluft ist ein vergleichsweise teurer Energieträger. Bei der Verdichtung entsteht viel Wärme, die meist nicht genutzt werden kann. Die Aufbereitung der Druckluft ist aufwendig. Staub und Wasser müssen unbedingt aus der Druckluft entfernt werden. Für manche Bauteile, wie beispielsweise Lamellenmotoren, ist die Druckluft mit einem Ölnebel zur Schmierung zu versehen. Dieses Öl ist dann auch noch in der Abluft enthalten. Die meisten pneumatischen Bauelemente müssen heute jedoch nicht mehr geölt werden. Da Druckluft kompressibel ist, sind gleichförmige Bewegungen kaum möglich. Auch das Positionieren ist mit pneumatischen Antrieben nicht möglich. Ein einfaches Stoppen lässt sich jedoch problemlos realisieren. Das Entweichen der Abluft ist mit einer starken Geräuschentwicklung verbunden. Mit Schalldämpfern wird dem entgegengewirkt. Die Kräfte und Momente sind beispielsweise im Vergleich mit der Hydraulik klein Einsatzbereiche der Pneumatik Die Anwendungen der Druckluft sind sehr vielseitig. In der Industrie werden immer mehr Bereiche automatisiert. Dafür sind lineare und schwenkende Bewegungen sehr häufig erforderlich. So können Bauteile transportiert, gespannt oder geklemmt werden. Vorallem immer wieder kehrende Bewegungen können mit der Pneumatik leicht durchgeführt werden. Auch der Transport von Granulat durch Schlauch- oder Rohrleitungen ist möglich. Beim Farbspritzen wird die Farbe mittels Druckluft aufgetragen. Aber auch im Handwerk wird die Pneumatik eingesetzt. Schrauber, Bohrmaschinen oder Winkelschleifer können pneumatisch angetrieben werden. Das Handhaben von Werkstücken oder anderen Gegenständen geschieht oft mit Saugnäpfen oder pneumatisch angetriebenen Greifern. 9

10 Minos Fluidtechnik 1.2 Erzeugen von Druckluft Das Erzeugen von Druckluft geschieht mit Hilfe von Verdichtern. Diese sind in vielen verschiedenen Bauformen verfügbar. Prinzipiell werden dabei Strömungsmaschinen und Verdrängermaschinen unterschieden. Strömungsmaschinen werden vorallem für große Volumenströme eingesetzt. Dabei wird die Luft zunächst auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht und anschließend diese Geschwindigkeit in eine Erhöhung des Druckes umgesetzt. Die Erhöhung des Druckes ist dabei nicht besonders hoch. Deshalb wird die Druckerhöhung nacheinander in mehreren Stufen durchgeführt. In sogenannten Turboverdichtern wird die Luft häufig radial nach außen beschleunigt. Eine andere Bauform sind axiale Verdichter. Diese sieht man bei beispielsweise bei Flugzeugturbinen. Kleinere Druckluftmengen werden mit Verdrängermaschinen erzeugt. Dabei wird die Luft in einen Raum gesaugt und dieser anschließend verkleinert. Wichtige Vertreter dieses Prinzips sind die Hubkolbenverdichter und die Schraubenverdichter. Es existieren aber noch eine Vielzahl an anderen Bauformen. Bild 1: Hubkolbenverdichter 10