Otomasyon ve elektronik: PNÖMATİK VE HİDROLİK

1. GİRİŞ

Basınçlandırılmış akışkanın, mekanik özelliklerini, davranışlarını, kuvvet iletiminde kullanılmasını, akışkanın hareket ve kontrolünü inceleyen bilime hidrolik ya da
pnömatik denir. Hidrolikte enerji iletimini yağ ve su gibi daha yoğun akışkanlar
gerçekleştirirken pnömatikte kullanılan akışkan cinsi havadır.

2. PNÖMATİK

Sıkıştırılmış havanın kuvvet oluşturmada kullanılması milattan öncelere rastlar. İlkel insan hava körüğü gibi araçlar kullanarak pnömatiğin gündelik hayatta kullanılmasına aracı olmuştur. Ancak endüstriyel anlamda ilk ciddi pnömatik uygulamalar, 19. yüzyılın ortalarından itibaren basınçlı havanın el aletlerinde kullanılmasıyla başlamış ve pnömatik günümüze kadar pek çok farklı çalışma alanında kendine yer edinmiştir. Özellikle elektropnömatik sistemlerin yaygınlaşması sayesinde pnömatik, seri üretim uygulamalarında ve otomasyonlu üretimlerde ihtiyaç duyulan hatta tercih edilen sistemler arasına girmiştir.

Neden Pnömatik?

Pnömatik sistemlerin elektrikli ve hidrolik sistemlere göre çeşitli avantajlarının olması bu sistemlere olan talebi arttırmıştır. Pnömatikte temel enerji üretimi ve iletimi hava ile sağlanır. Hava; her yerde kolayca bulunabilen, iletimi basit, basınçlandırıldığında rahatça depo edilebilen bir akışkandır. Aynı zamanda sıcaklık değişikliklerine karşı hassas bir davranış göstermez bu da yüksek sıcaklıklarda bu sistemlerin kullanılmasını kolaylaştırır. Güç kaynağı olarak havanın kullanılması emniyetlidir. Parlama, patlama ya da yanma gibi riskler söz konusu değildir. Pnömatik sistemlerde başka bir güvenlik unsuru da aşırı yük varlığında sistemin kendini durdurmasıdır. Aşırı yük unsuru ortadan kalktığında çalışma devam eder.
Çevre bilinci endüstriyel tesislerde gün geçtikçe gelişmektedir. Bu durum göz önüne
alındığında hava; atık bırakmaması ve hatlarda sızıntı ya da kaçak olsa bile çevreyi
kirletmemesi açısından temiz bir güç kaynağı olarak ele alınmalıdır.

Pnömatik sistemlerin kurulumları kolaydır. Pnömatik elemanlar hidrolik elemanlara göre hafif, oldukça ucuz, bakımları ise hidrolik sistemlere göre az maliyetli ve

zahmetsizdir. Pnömatik sistemlerin tercih edilmesinin bir başka sebebi de basınçlı hava sistemlerinin yüksek hızlara ulaşmasıdır. Ayrıca pnömatik sistemlerle doğrusal, dairesel ve açısal hareketler mekanik sistemlere göre kolayca elde edilebilmektedir.

Pnömatiğin Dezavantajları

Hava; sıkıştırılabilirliği yüksek bir akışkan olduğundan pnömatik bir sistem ekonomik bir şekilde kuvvet oluşturmada hidrolik bir sistem kadar performans gösteremez. Aynı sebepten dolayı konumlamada hassasiyet azalır, sabit ve düzgün bir hız elde edilmesi zorlaşır.

Havanın sıkıştırılması kompresörler aracılığı ile yapılır. Kompresörden çıkan havanın,

kullanılmadan önce temizlenmesi ve neminin alınması için kurutulması ve filtrelenmesi

gerekir, hatta kullanım yerine göre havanın yağlanmasına ve şartlandırılmasına da

ihtiyaç duyulabilir. Bu da beraberinde enerji sarfiyatını yani maliyet artışını getirir.

Pnömatik sistemler uygun donanımla (örneğin: susturucu) kullanılmazsa oldukça

gürültülü çalışırlar. Gürültü probleminin işçi sağlığını olumsuz olarak etkilediği çalışma

ortamlarında özellikle uygun teçhizat kullanılmadığında pnömatik sistem dezavantajlı

hale gelir.

2.3. Pnömatik Hangi Alanlarda Kullanılır?

Pnömatik sistemler günümüzde her sanayi dalında kendine yer bulmuştur. Aşağıda öne çıkan birkaç sanayi dalı ve uygulama yer almaktadır. Haddeleme, bükme ve çekme gibi şekil verme işlemlerinde Otomasyon sistemleri ve elektronik sanayinde



Robot teknolojilerinde
 Malzeme taşımacılığında
 Takım tezgâhları ve el aletlerinde
 Boya, sprey ve vernik işlemlerinde
 Tekstil sanayinde
 Gıda, kimya, ilaç ve maden sanayinde

Basınçlı Hava Teorisi

Pnömatik sistemlerle ilgili mühendislik hesapları havanın davranışlarını açıklayan

birkaç gaz kanununa dayanır.

Boyle – Mariotte Yasası: Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi, basıncı

ile ters orantılıdır. Buradan elde edilecek sonuç ise sabit sıcaklıktaki bir gaz kütlesinin

basıncı (P) ile hacmi (V) nin çarpımı sabittir.

Gay – Lussac Yasası: Sabit basınçta, herhangi bir miktardaki ideal gazın

sıcaklığı arttıkça hacmi artar; sıcaklığı azaldıkça hacmi azalır.

Basınçlı Hava Nasıl Oluşur?

Ortamdan emilen havayı sıkıştırarak basınçlandıran cihazlara kompresör denir.

Kullanım amacına göre kompresörler çeşitlilik gösterir.

Bunlar;



Pistonlu kompresör: Bu tip kompresörlerin kullanımları oldukça yaygındır.

Kompresörün krank kollarının hareketi ile emme hareketinde havayı alır basma

hareketinde ise emdiği havayı sıkıştırır. Yüksek basınçlara çıkılabilir. Ancak yüksek

basınçlarda kademe sayısı artar.

 Vidalı kompresör: Havanın basınçlandırılması birbirlerinin tersi yönünde dönen iki helis dişli rotorun arasında havanın sıkıştırılması ile sağlanır. Genelde 7-13 bar arası

çalışırlar.



Diyaframlı kompresör: Tıpkı pistonlu kompresörlerdeki gibi kompresörün krank

kolu ile ileri-geri hareketi gerçekleşir. Kola bağlı bir diyafram da ileri-geri hareketini

emme ve basmaya dönüştürerek basınçlı havayı üretir. Yağsız çalıştıkları için

genelde gıda, kimya, ilaç ve tekstil sektöründe kullanılırlar.



Kayar kanatlı (paletli) kompresör: Bir rotora yerleştirilen kanatlar (paletler)

dönüş hareketinde merkezkaç kuvvetiyle cidarlara doğru savrulurlar. Kanatlar

arasındaki havanın hacmi eksantriklik nedeniyle azalır böylelikle hava sıkıştırılır.

Genelde sessiz çalışan kompresörlerdir.



Roots tipi kompresör: Pompa gövdesinde birbiriyle ters dönen iki rotor mevcuttur.

Her rotor basma ağzına açıldığında basma hattından geriye doğru bir direnç oluşur.

Havanın basınçlandırılması bu şekilde gerçekleşir. Düşük basınçlarda çalışan bu

kompresörler vakum pompası olarak kullanılırlar.



Türbin kompresör: Yüksek devirde dönen bir rotor üzerine kanatlar açılmıştır. Bu

kanatlar havayı emer ve havayı aralarında sıkıştırarak basınçlandırır.

Pnömatik sistemlerde basınçlı hava hazırlanırken kompresörle beraber birkaç ekipman daha kullanılır. Bu ekipmanlar sayesinde sistemin ihtiyacı olan uygun hava sisteme gönderilmiş olur.

Emme hattı filtresi: Kompresörün emiş yaptığı kısımda havanın daha temiz alınması için emme hattı filtresi kullanılır.

Kompresör: Havayı sıkıştırarak basınçlandırır.

Hava tankı: Hava tankı, basınçlandırılırmış havayı depo eder. Böylelikle sisteme sabit debili ve sürekli hava temini sağlanmış olur. Ayrıca havanın içinde bulunan ve yoğuşan nem de hava tankının altında bulunan kondensat tahliye ventilleri aracılığı ile atılır.Bunun dışında tankın basınca karşı güvenliğini sağlayan emniyet valfi, manometre, kontrol deliği, boşaltma (drenaj) deliği gibi aparatlar da bulunmalıdır.

Kurutucu: İçinde nem bulunan hava, hem sistemdeki devre elemanlarını (silindir, yön denetim valfi vb.) aşındırır ve ömürlerini azaltarak bakım onarım masraflarını arttırır hem de sistemi koruyan yağlayıcıların kimyasal yapısını bozar. Bunun için dağıtımı yapılmadan önce hava, kurutuculardan geçirilir. Kurutucular üç şekilde kurutmayı gerçekleştirir. Fiziksel kurutma, kimyasal kurutma ve soğutarak kurutma.



Fiziksel kurutmada (adsorbtion yöntemi), küçük tanelerden oluşan bir kurutma

maddesinin üstünden geçirilen hava, nemini bu tutucu taneciklere bırakır. Bir

süre sonra tuttuğu nemle doygunlaşan kurutucu madde sıcak hava ile rejenere

edilerek tekrar kullanılır hale getirilir. Ancak hava akışı kurutucu maddeyi

aşındırdığından bu tür kurutucuların çıkışına küçük parçaları tutan filtre

konulmalıdır.



Çok sık olarak kullanılmayan bir yöntem olsa da kimyasal kurutma (absorbtion

yöntemi) prensip olarak fiziksel kurutmaya benzer. Nem tutucu madde havanın

nemi ile bileşime girerek sıvı hale gelir. Oluşan sıvı tankın alt kısmında birikir ve

düzenli olarak ortamdan uzaklaştırılmalıdır. Ancak atık madde oluşacağı ve bu

maddeyi elden çıkarmanın da ayrı bir maliyet getireceği göz önüne alınmalıdır.

Ayrıca kimyasal maddenin miktarı zamanla azalacağından takviye edilmesi

şarttır.



Soğutarak kurutmada ise çiğlenme noktasının altına kadar soğutulan havanın

içinde bulunan nem yoğuşur ve su tutan bir kapta biriktirilir. Biriken suyun arada

sırada boşaltılması gereklidir. Hava kurutma yöntemlerinden en çok tercih

edileni soğutarak kurutmadır.

Hava Şartlandırıcılar: Dağıtılan basınçlı havanın kullanılacak devre elemanına

girmeden önce istenilen özellikleri kazanması amacıyla kullanılır. Bir hava şartlandırıcı temel olarak üç parçadan oluşur. Havayı temizleyen bir filtre, havanın basıncını devre elemanına göre ayarlayan bir basınç regülatörü ve yağlama işlemini yapacak bir yağlayıcı.

Hava dağıtımının tasarımı yapılırken öncelikle kompresörün tipi ve amaca uygunluğu belirlenmelidir. Dikkat edilmesi gereken iki değişken kompresörün debi ve basınç değerleridir. Sonrasında tüm pnömatik elamanlar düşünülerek yeterli kapasitede hava tankı seçilmelidir. Hava tankında gereken teçhizatın bulunmasına dikkat edilmelidir.

Havanın kurutulması için satın alınacak kurutucu seçilirken yine kapasite, maliyetler ve işletmenin şartları göz önüne alınmalıdır. Havanın, devre elemanlarına gönderilmeden önce filtrelenmesi, yağlanması (sürtünmeleri azaltmak, çok hızlı çalışan sistemler ya da büyük çaplı silindirler kullanılması gibi durumlarda) ve de basıncının ayarlanması gerektiğinden devre elemanlarının önüne bir hava hazırlayıcı eklenmelidir. Bunların dışında önemli bir konu ise hava gönderdiğimiz sistemin tasarımı yapılırken kullanacağımız boru ve bağlantı elemanlarının en verimli kullanılabilecek şekilde seçilmesidir. Dağıtım şebekesinin yanlış tasarlanması, çok ince ya da uzun borular, hortumlara göre küçük seçilmiş bağlantı elemanları, bağlantı parçalarının fazla olması basınç kayıplarını beraberinde getirir. Hattın sonunda basınç yeterli gelmiyorsa bu unsurlar gözden geçirilmeli ayrıca hatlarda kaçak olup olmadığı mutlaka kontrol edilmelidir.

Pnömatikte Kullanılan Devre Elemanları

Pnömatikte hava sayesinde güç iletimi gerçekleştirilirken gücü kullanan, kontrol eden, sınırlayan devre elemanları pnömatik sistemleri oluşturur. Bunlar:

 Filtreler
 Valfler
 Silindirler

Filtreler:

Havanın içinde bulunan kirlilikleri tutmaya yarayan elemanlardır. Bu kirlilikler toz, katı parçalar, su ya da yağ olabilir. Genellikle sistemin en başında şartlandırıcı

kombinasyonunun şekline göre hava regülatörü ve yağlayıcılarla birlikte kullanılırlar. Zamanla kirleneceklerinden değişimleri ya da temizlikleri yapılmalı ayrıca altta biriken (kondens) su boşaltılmalıdır.

Silindirler

Doğrusal itme ve çekme hareketini basınçlı havanın etkisiyle gerçekleştiren elemana silindir denir. Konstrüksiyonuna göre temelde ikiye ayrılır:



Tek etkili silindir: Silindire giren hava pistonu iterek hareket ettirir, hareket

bittiğinde de; silindir dikey konumda ise yerçekiminin etkisiyle, yatay konumda ise

yayın etkisiyle geri döner.

 Çift etkili silindir: Hava silindirin çift tarafından da giriş ve çıkış yapar. İlk

hareket de dönüş hareketi de havanın pistonu ittirmesiyle gerçekleşir.

Bazı özel uygulamalar için çift milli, tandem ve döner silindirler de kullanılmaktadır.

Çift milli silindirlerde genelin aksine çift piston kolu bulunmaktadır. Tandem

silindirlerde ise aynı gövdede birbirine bağlı çift etkili silindirler mevcuttur. Döner

silindirlerde de dişli bir çark aracılığı ile doğrusal hareket dairesel harekete çevrilir.

Silindirin itme ve çekme hareketi esnasında hareketli piston silindir uçlarına hızla ve darbeli bir şekilde yaklaşabilir. Bunun önlenmesi için silindirlerde yastıklama sistemi uygulanır. Yastıklamada silindir uçlarındaki ayar vidası geliş ve gidişin hızlarını ayarlamayı sağlar; böylelikle silindir darbesiz, gürültüsüz ve titreşimsiz çalışır.

Kurulacak sistem için silindir belirlenirken; silindirin ne iş için kullanılacağı, piston

çapı (basitçe hidrolikte anlatılan Pascal yasasından bulunabilir), strok, silindirin modeli, silindirin bağlantı tipi ve burulma hesapları göz önüne alınmalıdır.

Valfler

Basınçlı havanın boşaltılmasını ya da durdurulması işlemini gerçekleştiren, akışının

yönünü, miktarını ya da basıncını kontrol eden devre elemanlarıdır. Devre şemalarında sembollerle gösterilirler. Semboller valfin kumanda yöntemini, yol ve konum sayısını gösteren biçimlerle oluşturulmuşlardır.

Yön denetim valfleri:

Havanın akışına istenilen doğrultuda yön vererek pnömatik kullanıcıların (silindir) istenilen yönde hareket etmesini sağlayan devre elemanlarıdır. Kumanda yöntemi, yol sayısı ve konum sayısıyla değerlendirilirler. Konum sayılarını karelerin sayısı belirlerken yol sayısını ise karelerin üzerindeki giriş ve çıkışların (dışarıdan yapılan bağlantıların) sayısı belirler. Karelerin içindeki oklar ise hava akışının ne yönde gideceğini yani hava bağlantısının nerden nereye olduğunu belirtir. Valf tarif edilirken önce yol sayısı sonra konum söylenir. Örneğin; 2 konumlu 5 yollu bir valf “5/2” olarak adlandırılır ve “5’e 2” şeklinde okunur.

Pnömatik Valf Konumları

Pnömatik Valf lerin Konum Ve Yolları

Karelerin sağ ve solundaki semboller ise valfin kumanda şeklini gösterir. Ayrıca

valflerde giriş çıkışların ne olduğunu belirlemek için çeşitli rakamlar ve harfler

kullanılır. Bu harf ya da rakamlar ISO 5599’de düzenlenmiştir. Bu rakam ve harflerden

1: Besleme havası hattını,

2 ve 4: Çalışma hatlarını,

3 ve 5: Egzoz hatlarını,

12 ve 14 ise Uyarı (sinyal) hattını gösterir. Rakamların yazıldığı kutucuklar valfin başlangıç pozisyonunu gösterir.

Pnömatik valflerin kumanda yönetimleri

Kumanda farklılığı ile ilgili verilmiş örnek

Resimde gösterilen valflerden ilki 3/2 elle kumandalı ve yay geri dönüşlü bir valftir.

İkincisi ise 5 yollu 2 konumlu bir valftir. Rakamların gösterildiği kutucuk başlangıç

pozisyonunu göstermektedir. Yan kutucuğa geçebilmek için bu valfin elektrikle

uyarılması gerekmektedir, eski haline dönebilmesi için de pnömatik kontrol seçilmiştir.Yön denetim valfleri çalışma tasarımına göre de çeşitlendirilirler. Örneğin; hava yolunu sınırlandıran parça bir bilye ya da disk ise oturmalı tip valf adını alırken; havanın bağlantılarını bir sürgünün hareketi sağlıyorsa bu valflere sürgülü tip valf denir.

Çek valf

Akışın tek yönde geçmesine izin veren devre elemanıdır. Valfin içinde bir yay direnç oluşturmak üzere yerleştirilmiştir. Sol taraftan verilen havanın basıncı yayın direncini yendiğinde yayın ittiği disk ya da kapakçık açılarak havaya yol verir ve geçiş sağlanmış olur. Ancak sağ taraftan hava verildiğinde hem havanın basıncı hem de yayın kuvveti diski ya da kapakçığı kesite doğru ittirerek yolu kapatır. Böylelikle tek yönlü geçiş sağlanır.

Çek valf (Festo eğitim dokümanı)

Ve valfi

Mantık valfi olarak da adlandırılan bu elemanın her iki girişine (X ve Y) de hava akışı sağlandığında valf havaya yol vererek çıkışa yönlendirir. Hava tek hattan girmeye çalıştığında bu valflerin tasarımlarından dolayı diğer hat kapanır ve hava çıkışına izin vermez.