Podręcznik

1. Pojęcie sygnału pneumatycznego i jego nośnika

 Dwie powyższe definicje wprowadzają już Czytelnika w zagadnienie wykorzystania pneumatyki w sterowaniu aktorami pneumatycznymi, które do realizacji swoich funkcji wymagają nośnika sygnału pneumatycznego jako:
•    głównego źródła energii w przypadku, gdy wyzwalanie aktora następuje za pośrednictwem innego nośnika sygnału, np. prądu elektrycznego a do uzyskania siły użytecznej aktora niezbędne jest sprężone powietrze czy innych gaz techniczny;
•    głównego i pomocniczego źródła energii w przypadku, gdy do uzyskania siły użytecznej aktora niezbędne jest sprężone powietrze czy innych gaz techniczny, a wyzwalanie aktora następuje za pośrednictwem nośnika sygnału pneumatycznego.

 Następujące poniższe cechy pneumatyki spowodowały jej bardzo szerokie wykorzystanie:
•    możliwość użycia sprężonego powietrza w dowolnym miejscu ze względu na dostępność powietrza oraz mobilność urządzeń pozwalających na jego sprężanie;
•    łatwość transportu sprężonego powietrza w obrębie hali produkcyjnej czy na pokładzie podwozi zrobotyzowanych pojazdów mobilnych;
•    łatwość magazynowania sprężonego powietrza w zbiornikach ciśnieniowych o dużej pojemności w stacjach przygotowania powietrza lub w mniejszych zbiornikach ciśnieniowych podwozi zrobotyzowanych;
•    duża odporność sprężonego powietrza na wahania temperatury otoczenia;
•    możliwość użycia sprężonego powietrza do uruchamiania aktorów zainstalowanych w miejscach lub pojazdach mobilnych, które muszą poruszać się w środowisku zagrożonym wybuchem lub pożarem jak również w procesach produkcji, które muszą spełniać wysokie wymagania odnośnie czystości produkcji;
•    aktory pneumatyczne charakteryzują się dużą odpornością na przeciążenie łącznie z przeciążeniem doprowadzającym do zatrzymania działania aktora oraz charakteryzują się dużymi momentami rozruchowymi;
•    aktory pneumatyczne posiadają małą masę przypadającą na jednostkę mocy oraz są odporne na uszkodzenia i łatwe w naprawie.
Następujące poniższe wady pneumatyki należy uwzględniać przy zamiarze jej wykorzystania:
•    ściśliwość sprężonego powietrza oraz niskie jego ciśnienie (np. w porównaniu do hydrauliki);
•    duży hałas emitowany przez urządzenia sprężające wymaga odseparowania ich w specjalnych do tego celu wydzielanych pomieszczeniach;
•    straty spowodowane ewentualnymi nieszczelnościami instalacji pneumatycznych zwiększają koszt wytworzenia sprężonego powietrza;
•    występuje zazwyczaj konieczność olejenia sprężonego powietrza, co wpływa na zanieczyszczenie atmosfery na skutek wypływu medium z aktora. 
Dla formalności należy podać, że pomimo, iż możliwe jest sprężenie powietrza lub innego gazu technicznego do wysokiej lub bardzo wysokiej wartości, to już jej użyteczna wartość w aktoryce powinna cechować się ustalonymi zasadami. Po pierwsze, z punktu widzenia dokładności działania aktorów pneumatycznych celowe jest stosowanie czynnika roboczego o możliwie małej wartości ciśnienia osiągając przy tym zmniejszanie strat eksploatacyjnych na skutek ewentualnych nieszczelności przewodów ciśnieniowych oraz na skutek stosowania mniej wydajnych, czyli mniej kosztownych układów przygotowania sprężonego medium. Po drugie, z punktu widzenia maksymalizacji użytecznego sygnału, w szczególności, gdy żąda się od aktora dużych sił lub momentów obrotowych, doprowadzone do aktora ciśnienie sprężonego medium powinno być z kolei możliwie wysokie, aby zmniejszyć przede wszystkim gabaryty aktora, które byłyby większe, gdyby tenże był zasilany małą wartością ciśnienia medium. 
Jak widać z powyższego wybór wartości ciśnienia, przy jakim powinien pracować aktor pneumatyczny lub na jakie ciśnienie powinien być zaprojektowany jest pewnym kompromisem między wymogami uzyskania dokładności działania aktora a uzyskaniem odpowiedniej siły użytecznej, która zostanie wytworzona w tym aktorze. Ten kompromis musi wypracować przede wszystkim projektant lub producent konkretnego aktora pneumatycznego. Do użytkownika zaś systemu, w którym zostanie wykorzystany konkretny aktor pneumatyczny należy zapewnienie zgodnie z parametrami technicznymi aktora odpowiedniej wartości ciśnienia medium do prawidłowego jego działania.         
Rozważmy na początek na przykładzie aktora pneumatycznego dwa przypadki doboru przez użytkownika wartości ciśnienia medium roboczego: pierwszy przypadek, w którym użytkownik prawidłowo dobrał ciśnienie sprężonego powietrza oraz drugi przypadek, w którym użytkownik dobrał wartość ciśnienia  nieprawidłowo. Te dwa przypadki ilustruje rysunek 3. 

Rysunek 3: Siłownik membranowy w aspekcie doboru sprężonego medium: a) prawidłowo, b)nieprawidłowo

Rysunek 3a) ilustruje dobór prawidłowy zakresu ciśnień medium roboczego dla pracy siłownika membranowego. Sprężone powietrze pod ciśnieniem P1 wypełnia przestrzeń ciśnieniową nad membraną, co powoduje jej ugięcie w kierunku działania medium, czyli ku dołowi oraz pionowy ruch trzpienia roboczego, zakończonego „korkiem”, który zamyka zgodnie z przeznaczeniem gniazdo. Opisane czynności, tzn. zamykanie oraz otwieranie gniazda mogą się wielokrotnie powtarzać na skutek zastosowania sprężyny. Zanik ciśnienia P1 po wcześniejszym zamknięciu gniazda powoduje natychmiastowe odciągnięcie korka. 
W zależności od sposobu wykorzystania siłownika membranowego z rysunku 3a) może on zamykać/otwierać gniazdo dwustanowo, tzn. gniazdo zamknięte przy istnieniu ciśnienia P1 oraz gniazdo otwarte przy zaniku ciśnienia P1, lub może ten siłownika zamykać/otwierać gniazdo analogowo w zależności od zakresu ciśnienia medium nad membraną, przy czym można przyjąć, że wartość ciśnienia określona poziomem P1 jest wartością maksymalną. Przy takim sterowaniu analogowym osiągnie się już stopień otwarcia gniazda za pomocą trzpienia roboczego.
Rysunek 3b) ilustruje dobór nieprawidłowy zakresu ciśnień medium roboczego dla pracy siłownika membranowego. Sprężone powietrze pod ciśnieniem, tak jak na rysunku 3a) również wypełnia przestrzeń ciśnieniową nad membraną, jednak pod ciśnieniem P2, które jest znacznie większe niż ciśnienie P1. Powoduje to owszem ugięcie membrany oraz pionowy ruch trzpienia roboczego, ale ruch o zakresie nie przewidzianym do tego wykorzystania siłownika. Końcówka trzpienia zakończonego „korkiem” zamyka gniazdo, jednak ulega trwałemu wykrzywieniu. Przy takiej awarii siłownik membranowy powinien zostać wymieniony na nowy, gdyż nie nadaje się już do ponownego wykorzystania zgodnie z pierwotnym przeznaczeniem. 
 

2. Pojęcie linii przesyłowej niskiego ciśnienia

Jakiekolwiek rozmieszczenie „terytorialne” aktorów pneumatycznych, czy to w podwoziu robotów mobilnych czy na różnych halach produkcyjnych powoduje, że należy do nich dostarczyć sygnał pneumatyczny dla ich uruchomienia lub (za)działania. Zatem nośnik tego sygnału (np. sprężone powietrze) musi za każdym razem pokonywać drogę w tzw. linii przesyłowej niskiego ciśnienia. (Autor dla rozróżnienia linii przesyłowych stosowanych w pneumatyce, w której jak wiadomo panują ciśnienia medium niższe niż w hydraulice, określił te pierwsze liniami przesyłowymi niskiego ciśnienia. W dalszej części modułu 1-go linia przesyłowa dla hydrauliki wystąpi pod nazwą linii przesyłowej wysokiego ciśnienia). 
Linia przesyłowa niskiego ciśnienia poprowadzona jest do każdego aktora pneumatycznego zazwyczaj od rodzaju rozdzielacza pneumatycznego wielodrogowego (który może być rodzajem trójnika, czwórnika, itp.), zaś ten z kolei może być zamontowany w magistrali pneumatycznej, wyprowadzonej z bloku przygotowania powietrza. Można przyjąć, że linia przesyłowa niskiego ciśnienia na potrzeby pneumatyki powinna zapewnić bezproblemowy transport nośnika sygnału pneumatycznego pod ciśnieniem do kilkunastu barów. Rysunek 4 ilustruje przykład linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla zasilania urządzeń pneumatycznych.

Rysunek 4: Ilustracja znaczenia linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla sprężonego powietrza

W skład stacji przygotowania sprężonego powietrza, widocznej na rysunku 4 obowiązkowo muszą wchodzić następujące podzespoły:
•    sprężarka powietrza o dużej lub bardzo dużej wydajności rzędu nawet kilku tysięcy litrów na minutę, która w wydaniu przemysłowym, tzn. dla hali produkcyjnej napędzana jest zazwyczaj silnikiem elektrycznym trójfazowym (zaś w pojazdach mobilnych może być zasilana silnikiem napędowym pojazdu);
•    zbiornik ciśnieniowy na sprężone powietrze, którego pojemność rozciąga się od 100 litrów w górę;
•    zespół złożony z filtra powietrza, zaworu redukcyjnego, zaworu bezpieczeństwa oraz oliwiacza powierza;
•    zespołu załącznika/wyłącznika ciśnieniowego, którego zadaniem jest załączanie napędu sprężarki przy niskiej niż założona wartości ciśnienia powietrza w zbiorniku i wyłączanie napędu sprężarki po osiągnięciu założonej wartości ciśnienia powietrza w zbiorniku.
Ze stacji przygotowania powietrza wyprowadzona jest widoczna na rysunku 4 magistrala, która jest de facto linią przesyłową niskiego ciśnienia dla rozprowadzenia tego medium po hali produkcyjnej (lub innego „pokładu). 
W naszym przypadku linia przesyłowa niskiego ciśnienia składa się z odcinka przewodu o większej średnicy (zauważalna na rysunku 4 grubsza linia), którym może być np. rurka stalowa o średnicy fi1/2”. W ten przewód metalowy w dwóch miejscach wmontowane są tzw. trójniki, których dwa wyloty zakończone są przyłączami pneumatycznymi dla podłączenia w sposób elastyczny dwóch narzędzi pneumatycznych: wiertarki ręcznej oraz pistoletu natryskowego. Trzecie urządzenie pneumatyczne – prasa stacjonarna podłączona jest do trzeciego przyłącza pneumatycznego „zamykającego” wzmiankowany przewód o większej średnicy. Reasumując, przewód o większej średnicy oraz trzy przewody o mniejszej średnicy, które zasilają urządzenia pneumatyczne może zaliczyć do linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla rozprowadzenia medium typu sprężone powietrze. 
Należy zaznaczyć, że ponieważ czas przepływu nośnika sygnału pneumatycznego przez linię przesyłową niskiego ciśnienia jest nieporównywalnie większy niż czas zadziałania większości aktorów pneumatycznych po dostarczeniu im tej energii (patrz rysunek 4), linia przesyłowa jest de facto elementem wpływającym na jakość sterowania przy pomocy aktorów pneumatycznych. Gdy jest to szczególnie istotne minimalizację tego wpływu na jakość sterowania można osiągnąć poprzez jak najbardziej jest to możliwe skrócenie linii przesyłowej do niezbędnego minimum oraz powiększenie przekroju linii przesyłowej. Uważny Czytelnik zauważy, że najlepszym rozwiązaniem tego problemu byłoby np. zasilanie w medium robocze aktora pneumatycznego z tzw. akumulatora sprężonego powietrza, umieszczonego tuż przy tym aktorze. Jednak takie rozwiązania nie są praktycznie stosowane ze względu na liczbę elementów pneumatycznych, które by musiały w takiej instalacji uczestniczyć oraz ze względu na brak wygody dla takiej aplikacji. (Trudno sobie wyobrazić, aby nieopodal wiertarki ręcznej lub pistoletu natryskowego z rysunku 4 można by było „wygodnie” umieścić niewielkie nawet zbiorniki ciśnieniowe po to, aby w momencie uruchomienia tych urządzeń sygnał pneumatyczny nie był opóźniony). Niemniej jednak w sterowaniu aktorami niektórymi pneumatycznymi na potrzeby np. badań eksperymentalnych różne konstrukcje sterowań mogą znaleźć zastosowanie, łącznie z tym wyżej wzmiankowanym.
Rozwój technologii wytwarzania tworzyw sztucznych doprowadził do tego, że obecnie w wykonywaniu instalacji praktycznych linii przesyłowych niskiego ciśnienia stosuje się przewody polietylenowe (skrót PE) o różnej średnicy. Przewody w tej technologii wykonania można łatwo kształtować, prowadząc je w miejscach lub prowadząc je w sposób, w który tzw. przewody sztywne byłyby trudne do poprowadzenia. Przewody PE można je łatwo ucinać „na wymiar” celem optymalnego dopasowania długości przewodu będącego przecież linią przesyłową. Rysunek 5 pokazuje realizację „gąszczu” przewodów typu PE w maszynie sterowanej numerycznie, który byłby trudny do realizacji przy wykorzystaniu przewodów metalowych.
Cecha materiału PE pozwala również i na to, aby wykorzystywać takie przewody dla aktorów, które w ramach swojej aplikacji narażone są na ruchy. Elastyczność przewodów PE powoduje, że aktor, który wykonuje ruchy może być bez przeszkód zasilany sprężonym medium bez narażenia na szwank jakości połączenia aktora z linią przesyłową. Rysunek 6 ilustruje przykład wykorzystania przewodu typu PE w takiej aplikacji linii przesyłowej.

Rysunek 5: Realizacja dużej liczby linii sygnałowych niskiego ciśnienia przy pomocy przewodów typu PE

Rysunek 6: Linia sygnałowa PE do napędu obrotowego chwytaka robota

Do widocznego na rysunku 6 manipulatora robota przemysłowego, który wykonuje ruchy obrotowe, doprowadzenie sygnału pneumatycznego za pomocą przewodu typu PE powoduje, że może on bez przeszkód wykonywać swoje zadanie. Dodatkowo sygnałem pneumatycznym można sterować działaniem chwytaka, który wyposażony w odpowiednie szczęki służy do chwytania przedmiotów. Trudno sobie wyobrazić, aby można było zrealizować takie sterowanie tym manipulatorem przy użyciu przewodów pneumatycznych metalowych. 
Już chociażby częściowa analiza rysunku 4 pokazuje, że realizacja linii przesyłowej niskiego ciśnienia dla nawet kilku aktorów wymaga odpowiednich połączeń ciśnieniowych. Nie jest bowiem możliwe podłączenie chociażby jednego aktora do linii przesyłowej niskiego ciśnienia bez użycia odpowiedniego systemu połączeń, przewidzianego dla użytego typu przewodu oraz właściwego typu końcówki pneumatycznej przy aktorze. Należy również zaznaczyć, że jak w wielu dziedzinach gospodarki tak i tutaj obowiązują pewne ustalone normy średnic przewodów typu PE, sposobu montażu przyłączeń, rodzaju gwintów wewnętrznych oraz zewnętrznych, itp.
Wspomniana wcześniej i pokazana na rysunkach łatwość adaptacyjna przewodów typu PE spowodowana jest m.in. tym, iż dla tegoż przewodu przewidziano szeroką gamę przyłączeń pneumatycznych z „obu stron”, począwszy od połączeń pneumatycznych stałych przykręcanych, poprzez odpowiednie redukcje średnic przewodów typu PE, np. ze średnicy fi10mm na fi4mm, a skończywszy na tzw. szybkozłączach pneumatycznych. Dotyczy to zarówno realizacji bezpośrednich połączeń między zespołem przygotowania powietrza a aktorem, jak ich wszelkiego rodzaju „wcięć” w magistralę przesyłową, pokazanych na rysunku 4 poprzez użycie trójników. Rysunek 7 ilustruje kilka wybranych przykładów przyłączy pneumatycznych, stosowanych w realizacji połączeń w ramach linii sygnałowej niskiego ciśnienia. Pokazując również na tym rysunku nawój przewodu typu PE podkreślono to, co zasugerowano wcześniej – monter instalacji pneumatycznej odwija z takiego nawoju określoną długość odcinka przewodu PE i przy pomocy prostego narzędzia tnącego odcina go od nawoju. Takie postępowanie jest szybkie i pozwala na bezproblemową realizację instalacji pneumatycznej.   

Rysunek 7: Elementy pneumatyki umożliwiające realizację linii sygnałowej niskiego ciśnienia

Realizacja linii sygnałowych niskiego ciśnienia przy użyciu przewodów typu PE poza ewidentnymi zaletami, takimi jak m.in. duży wybór średnic roboczych (wewnętrznych), rozciągających się nawet od 2mm, łatwość montażu poprzez szybkie docięcie, szeroki wybór przyłączy, zarówno wykonanych ze stali jak i z tworzywa sztucznego, itp., niesie za sobą pewne wady. Pierwszą z istotnych jest temperatura środowiska, w której zamierza się rozprowadzić przewód PE i która nie powinna przekraczać 70st.C. Drugą jest wytrzymałość przewodu PE na urwanie, która nie może się równać z przewodami metalowymi.
 

3. Dobór określonych parametrów linii przesyłowej niskiego ciśnienia

W zdecydowanej większości realizacji praktycznej linii przesyłowych niskiego ciśnienia występuje duże oddalenie aktorów pneumatycznych od źródeł sygnałów pneumatycznych, które tymi aktorami sterują. Źródłem sygnału pneumatycznego będzie na pewno zespół przygotowania powietrza w konfiguracji linii przesyłowej jak na rysunku 4, na którym można łatwo wyszczególnić linie przesyłowe o których wiadomo, że będą określonej długości liczonej w metrach a nawet setkach metrów (patrz nawój przewodu PE z rysunku 7). Linie przesyłowe niskiego ciśnienia, aczkolwiek znacznie krótsze występują również w obrębie samego zespołu aktora pneumatycznego, którym może być np. rozdzielacz i siłownik pneumatyczny. Do tego pierwszego z jednej strony doprowadza się przewód pneumatyczny linią przesyłową z zespołu przygotowania powietrza, zaś z jego „drugiej strony” wyprowadza pojedynczą linię lub kilka linii przesyłowych dla siłowników pneumatycznych. Opisany przypadek, który najczęściej ma zastosowanie w realizacji procesów produkcyjnych zilustrowano schematycznie na rysunku 8.   

Rysunek 8: Dwie linie przesyłowe w obrębie aktora pneumatycznego

Należy nadmienić, że zarówno linia przesyłowa taka, jak na rysunku 4, jak i linie przesyłowe z rysunku 8 wprowadzają opóźnienie w przekazywaniu nośnika sygnału np. sprężonego powietrza dla aktorów uczestniczących w sterowaniu. Opóźnienie to przy wykorzystaniu tych aktorów w układach UAR powoduje pogorszenie stabilności tych układów, a nawet w konsekwencji ich niestabilność. Jedną z metod zapobieżenia temu zjawisku jest przyśpieszenie przesyłu sygnału pneumatycznego poprzez dobór określonych parametrów linii przesyłowej niskiego ciśnienia. 
Do parametrów linii przesyłowej niskiego ciśnienia, które mają wpływ na wnoszone przez tę linię wzmiankowane wyżej opóźnienie, czyli de facto przyczyniają się do określonego czasu przesyłu sygnału pneumatycznego tp należą: średnica D oraz długość l przewodów linii przesyłowej, natężenie przepływu Q_v, ciśnienie p, objętość końcowa V_k, będąca obciążeniem linii oraz od modułu sprężystości materiału E (rurka metalowa czy przewód typu PE), z którego wykonana jest linia przesyłowa. Rysunki 9 do 12 ilustrują wpływ poszczególnych ww. parametrów linii przesyłowej na czas przesyłania sygnału pneumatycznego t_p. [Źródło: L.Mammel, A.Osiadacz: Pneumatyczne przetworniki automatyki].

Rysunek 9: Zależność t_p=f(D), t_p=f(V_k) przy l=60m, p₀=60kPa, D_p=10kPa

Na rysunku 9 przedstawiono zależność czasu przesyłania t_p od średnicy przewodu linii przesyłowej D oraz obciążenia linii na jej końcu – objętości końcowej linii V_k. Z wykresów widać, że dla l, p, V_k i D_p=const, wartość czasu przesyłu t_p jest funkcją średnicy przewodu D. Dla l, p, D_p i D=const wartość czasu przesyłu t_p jest tym większa, im większa jest objętość końcowa linia V_k. Wartość średnicy optymalnej przewodu D ze względu na minimalny czas przesyłu t_p nie zależy natomiast od objętości obciążenia V_k.

Rysunek 10: Zależność t_p=f(D), t_p=f(Q_v) przy l=60m, V_k=0, p₀=60kPa, D_p=10kPa

Rysunek 10 ilustruje zależność czasu przesyłania t_p od średnicy przewodu D dla różnych wartość natężeń przepływu sygnału pneumatycznego.
Przy założeniu stałej długości linii przesyłowej l wartość czasu przesyłu t_p maleje wraz ze wzrostem mocy sygnału pneumatycznego oraz wraz ze wzrostem średnicy przewodu linii przesyłowej D. Jeżeli natomiast długość linii przesyłowej l ma być zmienna, to dla każdej długości l można osiągnąć minimalną wartość czasu przesyłu t_p odpowiednio zmieniając średnicę przewodu linii przesyłowej D. Zilustrowano to na rysunku 11.

Rysunek 11: Zależność t_p=f(D) przy V_k=0, p₀=60kPa, D_p=10kPa.

W projektowaniu linii przesyłowej niskiego ciśnienia zachowanie warunku sztywności i nieodkształcalności tej linii (tzn. warunku, aby moduł sprężystości materiału przewodu linii przesyłowej E był dużo większy niż maksymalna wartość przesyłanego sygnału p_max), przyczynia się również w sposób zasadniczy do zmniejszenia czasu przesyłu sygnału t_p. Rysunek 12 pokazuje zależność modułu sprężystości E przewodu linii przesyłowej od wartości ciśnienia przesyłanego sygnału pneumatycznego p dla przewodów wykonanych z różnych materiałów oraz o różnych średnicach D i różnych grubościach ścianek d. 

Rysunek 12: Zależność E=f(p) dla różnych materiałów, ich średnic D[mm] i grubości ścianek $\delta$: 1 – D=2, $\delta$=0,6; 2 – D=4, $\delta$=1; 3 – D=6, $\delta$=1; 4 – D=8, $\delta$=1, 5 – D=4, $\delta$=2, 6 – D=6, $\delta$=2, 7 – D=8, $\delta$=2  

Należy zaznaczyć, że im mniejsza wartość E materiału przewodu linii przesyłowej, tym większy wpływ na wartość czasu t_p ma sposób ułożenia tego przewodu. Oczywiście nie zawsze można dobrać parametry linii przesyłowej niskiego ciśnienia tak, aby zapewniały minimalne wartości czasu przesyłu tp sygnału pneumatycznego. Nie zawsze też skrócenia tego czasu metodą doboru parametrów będzie odpowiadać narzuconym potrzebom np. procesu produkcyjnego czy sterowania aktorami w podwoziu zrobotyzowanym pojazdu mobilnego. 
Jako uzupełnienie do zawartych powyżej treści stanowiących o metodzie i potrzebach zmniejszania czasu przesyłu sygnału pneumatycznego tp można podać, że w realizacji sterownia aktorami pneumatycznymi zachodzi często potrzeba zwiększania tego czasu tp. Taka sytuacja często ma miejsce przy opróżnianiu przestrzeni roboczych elementów pneumatycznych (wchodzących w skład zespołu aktora pneumatycznego), które to przestrzenie we wcześniejszym cyklu pracy tego elementu były napełnione (co oczywiście oznaczało przesłanie sygnału pneumatycznego z minimalnym czasem przesyłu tp), a w następnym cyklu powinny być opróżnione i to z opóźnieniem, gdyż takie jest założenie sterowania aktorem pneumatycznym. Intuicyjnie powiemy, że teraz czas przesyłu sygnału tp staje się tak naprawdę czasem wypływu medium t_w, który jest dalej ściśle powiązany z tym pierwszym parametrem, bowiem medium przepływa tym samym przewodem. Użycie elementu opóźniającego dla realizacji określonego czasu wypływu t_w ilustruje rysunek 13.

Rysunek 13: Użycie zaworu dławiąco-zwrotnego dla realizacji określonego czasu wypływu tw

Widoczny na rysunku 13 w linii przesyłowej nr 2 zawór dławiąco-zwrotny zbudowany jest z dwóch członów. Pierwszy służy do dławienia powietrza wypływającego z lewej komory siłownika pneumatycznego w kierunku przyłącza nr 4 elektrozaworu 5/2 (podczas odpowietrzania), zaś drugi jest zaworem zwrotnym dla tego kierunku, czyli umożliwia bezproblemowy przepływ sygnału pneumatycznego od przyłącza nr 4 do lewej komory siłownika. Zatem działanie aktora pneumatycznego z rysunku 13 polega na tym, że ruch tłoczyska w kierunku: PRAWO odbywa się „bez zakłóceń”, zaś ruch w kierunku: LEWO jest „lekko” opóźniony poprzez wykorzystanie zaworu dławiąco-zwrotnego. Widoczna na rysunku „strzałka” pokazuje, że możliwe jest kształtowanie czasu t_w.  

4. Budowa instalacji pneumatycznej niskiego ciśnienia

Instalacja niskiego ciśnienia, dzięki której jak się domyślamy możliwe jest uruchamianie aktorów pneumatycznych składa się z zespołu przygotowania medium roboczego, w skład którego wchodzi układ wytwarzania tego medium, czyli w praktyce odpowiedniego typu sprężarka z zespołem zaworów redukcyjnych i filtrów oraz składa się z omówionej wcześniej linii przesyłowej niskiego ciśnienia, w której użyto odpowiednio dobranych przewodów dla budowy tej linii. Należy zaznaczyć, że w niektórych szczegółach instalacja niskiego ciśnienia na hali produkcyjnej nieznacznie różni się od tej na pokładzie pojazdu mobilnego. Występujące różnice zostaną w tekście zaznaczone. 

4.1. Układ wytwarzania medium roboczego

W układzie wytwarzania medium roboczego, którym jest najczęściej sprężone powietrze, sprężarka np. tłokowa najpierw zasysa ten gaz z otaczającej ją atmosfery do cylindra nad tłokiem celem przeprowadzenia procesu sprężenia tego gazu w tym cylindrze. Ponieważ pracująca sprężarka po krótkim czasie od momentu jej uruchomienia nagrzewa się lub samo to urządzenie pracuje w wysokiej temperaturze (np. komora silnika spalinowego pojazdu mobilnego), to sprężane powietrze również częściowo przejmuje to nagrzanie. Aby to zniwelować stosuje niekiedy na wylocie z cylindra sprężarki się tzw. chłodnicę powietrza. Ponieważ zasysane powietrze celem sprężenia posiada również i pewną wilgotność, kolejnym procesem jest odseparowanie z niego tzw. kondensatu wodnego. Proces ten przeprowadzany jest w tzw. oddzielaczu. Po takim „zabiegu” powietrze doprowadzane jest do zbiornika ciśnieniowego celem zmagazynowania, stając się tym samym medium roboczym pod odpowiednim ciśnieniem, tj. sprężonym powietrzem najczęściej do wartości ciśnienia nie przekraczającej 12 barów, które może być potem dostarczane do aktorów pneumatycznych. Funkcjonalną różnicą między sprężarką stosowaną w układach wytwarzania medium roboczego dla procesów produkcyjnych a taką dla instalacji w pojeździe mobilnym jest smarowanie sprężarki. W tej pierwszej jest rozbryzgowe, zaś druga podłączona jest do układu smarowania pojazdu. Rysunek 14 ilustruje sprężarkę tłokową dla wytwarzania medium roboczego na hali produkcyjnej. [Źródło: www.schwarzbau.pl].
   

Rysunek 14: Sprężarka tłokowa Schwarzbau

Widoczna na rysunku 14 sprężarka z przeznaczeniem do sprężania medium na hali produkcyjnej posiada jeden cylinder, czyli jest jednotłokowa. Widoczne cztery „łapy” jej korpusu umożliwiają posadowienie jej oraz zamontowanie na odpowiedniej konstrukcji stelażu. Widoczne koło pasowe umożliwia realizację napędu tłoka za pomocą np. silnika elektrycznego. Parametry tej sprężarki zawarto w Tabeli 1.

Z kolei rysunek 15 dla porównania przedstawia sprężarkę ze smarowaniem centralnym oraz rozbryzgowym, obie firmy POLMO Łódź. Pierwsza przeznaczona jest do sprężania powietrza w pojazdach mobilnych, zaś druga przeznaczona jest dla hal produkcyjnych. Widoczne na rysunku wały napędzane są od wału korbowego.

Należy zaznaczyć, że osiągnięcie optymalnych parametrów dotyczących sprężania powietrza i jego ilości nie kończy się tylko na odpowiednim doborze sprężarki kierując się np. jej wydajnością czy prawidłowym montażem. Ważnym zagadnieniem, jeżeli nie najważniejszym jest właściwy dobór napędu dla wału proponowanej sprężarki. O ile przy zamiarze wykorzystania sprężarki w pojeździe mobilnym, którego silnik spalinowy generuje dużą moc rzędu (obecnie) nawet kilkuset koni mechanicznych, możemy raczej rozważać tylko potrzebę większej wydajności sprężarki i np. zaproponować w miejsce sprężarki jednotłokowej sprężarkę dwutłokową (żaden projektant chyba nie będzie chyba rozważał wpływu obciążenia wału silnika spalinowego większą sprężarką), to przy doborze napędu dla sprężarki, będącej w zestawie dla hali produkcyjnej, nie jest to już taka prosta sprawa. Jednak producenci sprężarek oferują ich charakterystyki, które mogą pomóc w doborze silnika napędu dla wału sprężarki oraz odpowiedzieć na pytanie, jakie inne parametry techniczne są do uzyskania przy zastosowaniu wybranej sprężarki. Rysunek 16 ilustruje charakterystyki dla sprężarki firmy POLMO Łódź, która została pokazana na rysunku 15b).  

Rysunek 16: Charakterystyki mechaniczne dla sprężarki firmy POLMO Łódź z rysunku 15b)

Analizując charakterystyki z rysunku 16, a konkretnie charakterystykę poboru mocy przez sprężarkę natychmiast otrzymujemy, że bezpośrednie podłączenie do wału sprężarki silnika jednofazowego o mocy 1,5kW przyniosłoby marny efekt. Przy typowej prędkości obrotowej dla tego typu silników, przypomnijmy wynoszącej 1400obr/min, według tej charakterystyki na wyjściu z tej sprężarki nie istniałoby jakiekolwiek ciśnienie sprężania powietrza. Dopiero przy takim bezpośrednim podłączeniu dobór mocy silnika na poziomie 2.0kW spowodowałby pojawienie się na wyjściu sprężarki ciśnienia około 1000kPa. Jednak z kolei obroty silnika (wału sprężarki) na poziomie 1400obr/min dałyby w efekcie mierną wydajność sprężarki na poziomie 100dm³/min. To z kolei przełożyłoby się na długi czas napełniania zbiornika powietrza w kierunku wielu minut. Długa praca sprężarki przyczyniłaby się do długotrwałej emisji hałasu w miejscu, w którym zestaw sprężarkowy byłby zainstalowany. 
Widać z powyższego, że przy doborze napędu dla koncepcyjnej sprężarki należy kierować się wieloma kompromisami, które wpływają potem na parametry techniczne urządzenia i jej eksploatację. Najczęściej do napędu wałów sprężarek wykorzystuje się silniki trójfazowe o mocy kilku kilowatów ze sprzęgnięciem pośrednim przy pomocy paska klinowego oraz odpowiednią przekładnią celem zwiększenia obrotów wału sprężarki w stosunku do obrotów wału silnika. Daje to możliwość wykorzystania sprężarki w zakresie jej charakterystyk pracy.        
Często praktykowanym rozwiązaniem do schładzania sprężanego medium wychodzącym ze sprężarki jest realizacja chłodnicy powietrza w postaci stalowej rurki o odpowiedniej średnicy, np. ¼”, której część chłodzącą stanowi spirala. Jeden koniec takiej chłodnicy doprowadzony jest wtedy do wylotu ze sprężarki, zaś drugi koniec wkręcony jest do zbiornika powietrza. Chłodnicę powietrza dla sprężarki pracującej na hali produkcyjnej zilustrowano na rysunku 17. 

Rysunek 17: Chłodnica sprężanego powietrza w postaci spirali

Należy nadmienić, że ze względu na inny sposób zabudowy sprężarki np. w pojazdach mobilnych z silnikiem spalinowym pomija się stosowania chłodnic powietrza w postaci spirali jak na rysunku 17. Chłodnicą jest najczęściej odcinek prostej rury wychodzącej ze sprężarki i rozprowadzonej w pobliżu silnika spalinowego. 

5. Przesyłanie sygnałów cyfrowych linią sygnałową niskiego ciśnienia

Dotychczasowe rozważania dotyczące przesyłania sygnałów pneumatycznych linią sygnałową niskiego ciśnienia dotyczyły w zasadzie przypadku, który z punktu widzenia teorii sygnałów można zakwalifikować jako przesyłanie sygnałów analogowych. Można użyć takiego porównania, bowiem zadaniem źródła sygnału pneumatycznego (np. zespołu przygotowania sprężonego powietrza) było tylko ciągłe dostarczenie do aktora pneumatycznego nośnika sygnału - sprężonego powietrza lub innego gazu technicznego tylko o określonej wartości chwilowej ciśnienia (amplituda) w sposób nieustanny (brak okresu), nie zaś w sposób przerywany z określoną częstotliwością i/lub zmienną amplitudą i szerokością tych impulsów. Nawet przyjęcie, że aktor pneumatyczny może wykonywać pracę przerywaną w dotychczasowym znaczeniu nie oznacza, że sygnał pneumatyczny nie miał wartości stałej, czyli tak naprawdę analogowej. Na przykład praca siłownika pneumatycznego LEWO-PRAWO, co wymusza podawanie sygnału pneumatycznego najpierw do prawej komory siłownika i później do lewej, czyli w sposób przerywany nie oznacza, że siłownik ten będący zespołem aktora pneumatycznego sterowany jest jako aktor sygnałem cyfrowym. Po prostu, wartość uzyskanej siły (pchającej lub ciągnącej), potrzebnej do ruchu tłoczyska zależy m.in. od wartości chwilowej ciśnienia sprężonego powietrza, które zostanie dostarczone do komór siłownika, nie zaś od liczby i „jakości” impulsów zero-jedynkowych wartości jego ciśnienia, które wygeneruje zawór rozdzielający. Zaobserwowane włączanie i wyłączanie zaworu rozdzielającego w określonym czasie, które niezaznajomionemu obserwatorowi może zasugerować pracę cyfrową tegoż zaworu, jest po prostu odpowiednio dobrym czasem dla prawidłowego ruchu tłoczyska. Ilustrację wykorzystania różnych wartości chwilowych ciśnienia powietrza do sterowania aktorem pneumatycznym ilustruje rysunek 23.

Podanie na wejście p_x sygnału pneumatycznego o wartości p spowoduje maksymalne ugięcie membrany, co poskutkuje zamknięciem gniazda i w efekcie brak przepływu czynnika Q, co widać na rysunku i co pokazuje zamieszczona charakterystyka. Wartości ciśnienia medium odpowiadające poziomom p₂ i p₁ (Czytelnik się domyśli, dlaczego w tej kolejności) spowoduje realizację odpowiedniego przepływu czynnika o wartościach Q_x. 
Pomimo nasuwającej się natychmiast sugestii, że mając do dyspozycji taki aktor pneumatyczny, jak na rysunku 23 można zrealizować nim sterowanie zero-jedynkowe przepływem czynnika Q, to nie o takie wykorzystanie sygnałów pneumatycznych zero-jedynkowych chodzi. W dalszej części tekstu będzie to bardziej przejrzyście wyjaśnione na innym przykładzie. 
Zaznaczmy od razu, że w tym momencie zaczynamy rozważać przesyłanie sygnałów cyfrowych, czyli zero-jedynkowych linią przesyłową niskiego ciśnienia celem sterowania pracą aktora pneumatycznego, i jako pojedynczego urządzenia i jako zespołu (patrz rysunek 8 i 13).  Informacja w takim sygnale ma spowodować, aby urządzenie to wykonywało swoją pracę zgodnie z przeznaczeniem.  
Przy przesyłaniu sygnałów cyfrowych linią przesyłową niskiego ciśnienia parametrem informacji jest najczęściej szerokość impulsu A_i dla sygnałów pneumatycznych nieokresowych oraz częstotliwość sygnału pneumatycznego f_i dla sygnałów okresowych. Sygnał zero-jedynkowy okresowy i nieokresowy zilustrowano na rysunku 24.

Na rysunku 24a) widać, że stan „wysoki” sygnału okresowego p_x zmienia się z określonym stałym okresem T, zaś okres sygnału nieokresowego p_x z rysunku 24b) jest trudny do wyznaczenia.
W przeciwieństwie do wartości chwilowej ciśnienia przesyłanego sygnału pneumatycznego analogowego wspomniane parametry sygnału cyfrowego nie ulegają zmianom spowodowanym m.in. przez objętość przewodu linii przesyłowej oraz bezwładność sprężonego powietrza. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie sygnałów cyfrowych na duże odległości bez strat informacji, która przenoszona jest tym nośnikiem. Czytelnik na pewno może wyobrazić sobie sytuację pracy siłownika pneumatycznego pod obciążeniem, który został połączony liniami przesyłowymi nr 2 i nr 3 ze źródłem sprężonego medium (patrz rysunek 8) uruchamianym czasowo zbyt długimi przewodami typu PE. Przy próbie uruchomienia tego aktora cała „para pójdzie w gwizdek” i siłownik pneumatyczny po prostu nie zadziała, gdyż ten analogowy sygnał pneumatyczny (wartość ciśnienia powietrza), zanim wypełni komorę roboczą siłownika, to wcześniej wypełni zbyt długą linię sygnałową, co przecież musi zająć określony czas, który dla pracy tłoczyska jest czasem straconym. Utrata tego czasu spowoduje, że tłoczysko nie wykona swojego ruchu i nawet przy prawidłowym sterowaniu zaworem rozdzielającym praca całego aktora będzie niewłaściwa. Przy aktorze przewidzianym dla sterowania sygnałami zero-jedynkowymi długość linii sygnałowych nr 2 i nr 3 nie wniosłaby opóźnienia w działaniu siłownika pneumatycznego.
Wyjaśniając zagadnienie uruchamiania sygnałami pneumatycznymi zero-jedynkowymi aktorów pneumatycznych posłużmy się rysunkiem 25, który ilustruje zmienny przepływu czynnika Q przez gniazdo osadcze w aktorze pneumatycznym znanym z rysunku 23. 
Sygnał pneumatyczny zero-jedynkowy oraz okresowy (patrz rysunek 24a)), doprowadzony jest do wejścia przetwornika p/A, który de facto ten kod cyfrowy zamienia na sygnał analogowy, np. prądu stałego z zakresu 4÷20mA. Ten sygnał analogowy, jak widać z rysunku 25, wprowadzony został na wejście aktora elektrycznego, złożonego z układu serwomechanizmu oraz zaworu zamykającego/otwierającego w odpowiednim żądanym stopniu przepływ sygnału pneumatycznego o wartości określonej ciśnieniem p_x. Zatem pneumatyczny sygnał wyjściowy py, sterujący ruchem membrany aktora pneumatycznego określa zależność: py=f(p_x).

Charakterystyki pokazane na rysunku 25 (identyczne z tymi z rysunku 23) pokazują trzy przypadki sterowania aktorem pneumatycznym: brak przepływu czynnika Q oraz dwa przepływy Q₁ i Q2, przy czym Q₁<<Q2, co wynika ze stopnia ugięcia membrany tego aktora. Należy zaznaczyć, że sygnał zero-jedynkowy o określonej amplitudzie oraz okresie, wprowadzany do widocznego na rysunku 25 przetwornika p/A, musi zostać wytworzony wcześniej w specjalnym układzie innego przetwornika, tj. przetwornika wartości sygnału ciśnienia p_z na sygnał zero-jedynkowy (kod cyfrowy) p_0-1. 
Jest rzeczą zrozumiałą, że przy pomocy sterowania zero-jedynkowego dowolnym aktorem pneumatycznym, które jest przewidziany do takiego typu sterowania można uzyskać nie tylko trzy stany położenia aktora, jak na rysunku 25. Tak naprawdę o liczbie stanów aktora decyduje rozdzielczość przetwornika tego sygnału cyfrowego na inny, który posłuży do uruchamiania aktora. Przykładowo, dysponując przetwornikiem 8-bitowym, liczba możliwych stanów aktora wyniesie 256 (bo 2⁸ = 256).  
Po tych wyjaśnieniach odnośnie sposobu wykorzystania sygnału zero-jedynkowego (kodu cyfrowego) do sterowania (tak naprawdę pośredniego) aktorem pneumatycznym, pozostaje wyjaśnienie Czytelnikowi, dlaczego ten sygnał zero-jedynkowy może być odporny na zakłócenia, którymi może być np. zbyt duża długość przewodu linii przesyłowej lub nawet utrata jej szczelności.
Widoczne na rysunku 24 „schodki” sygnału zero-jedynkowego to linia na poziomie osi czasu, oznaczająca zero logiczne („0”) i linia powyżej, oznaczająca jedynkę logiczną („1”). W praktyce oznacza to przyporządkowanie tym dwóm stanom sygnału zero-jedynkowego konkretnych wartości ciśnienia, odnoszących się do ciśnienia zasilania p_z dla przetwornika p_z/p_0-1. Przyjmuje się, że poziom „1” sygnału zero-jedynkowego to na pewno wartość p_z ciśnienia zasilania, zaś poziom „0” sygnału zero-jedynkowego to wartość zerowa ciśnienia zasilania p_z.
Należy zaznaczyć, że aby można było mówić o odporności sygnału zero-jedynkowego na zakłócenia, o których była wcześniej mowa, należy wprowadzić pewną strefę tolerancji w wartościach ciśnienia medium, zarówno dla „1” logicznej jak i dla „0” logicznego. Praktyka pokazała, że ta strefa tolerancji mieści się w granicach 20÷30% wartości ciśnienia p_z. Przykładowo, jeżeli wartość ciśnienia pz określono na 10barów, to wartość minimalnego ciśnienia, jakie powinno obowiązywać dla „1” logicznej wynosi 7÷8bar, zaś wartość maksymalnego ciśnienia, jakie powinno obowiązywać dla „0” logicznego 2÷3bar. Ten przykład pokazuje, że użyteczny sygnał odpowiadający „1” logicznej występuje jeszcze przy 7barach z 10-ciu barów ciśnienia zasilania. Ten przypadek mógł wystąpić przy zbyt długiej linii przesyłowej czy nieszczelnościach linii, które zmniejszyły początkową wartość sygnału z 10barów do 7barów. Z drugiej strony wystąpienie stanu „0” logicznego już znacznie wcześniej, bo przy 3barach powoduje zwiększenie szybkości generowania sygnałów zero-jedynkowych, co jest również korzystne. 
Podsumowując omówione wyżej zagadnienia dotyczące wykorzystania pneumatyki Autor ma nadzieję, że dostarczył Czytelnikowi niezbędnych informacji do zrozumienia dalszej części tekstu.

6. Pojęcie sygnału hydraulicznego i jego nośnika

Należy zaznaczyć, że hydraulika powiązana jest z tzw. mechaniką płynów, która stanowi dla tej pierwszej teoretyczną podbudowę. Ponieważ pewne założenia czy zasady hydrauliki mogą się też częściowo odnosić do gazów, to w niektórych publikacjach technicznych aktory pneumatyczne łącznie z aktorami hydraulicznymi zaliczane są do grupy aktorów płynowych. 
Czytelnik już wie, że zarówno do jednych jak i do drugich aktorów medium robocze musi być dostarczone linią przesyłową. Aby to ostatnie stało się rozróżnialne, Autor dla tych pierwszych wprowadził pojęcie linii przesyłowej niskiego ciśnienia, co już wcześniej omówiono, zaś dla tej drugiej wprowadza w tym miejscu pojęcie linii przesyłowej wysokiego ciśnienia. Wyniknęło to po prostu z faktu, iż hydraulika „operuje” na ciśnieniach medium kilkadziesiąt a nawet kilkaset razy większych niż pneumatyka. 
Ponieważ, jak wspomniano wyżej sygnał hydrauliczny charakteryzuje się bardzo wysokim ciśnieniem medium, które go przesyła do aktorów hydraulicznych, to podstawowym ich zadaniem jest wytworzenie znacznych sił ora momentów, które wykorzystywane są w ciężkich pojazdach mobilnych oraz maszynach, takich jak prasy, zginarki, zgniatarki, itp. na halach produkcyjnych. Aktory hydrauliczne są również ważnymi podzespołami obrabiarek sterowanych numerycznie, w których wykorzystuje się aktory do mocowania narzędzi, detali oraz do realizacji ruchu suportów, „koników”, itp.
Poniżej wyszczególniono zalety hydrauliki, które pozwoliły na jej powszechne wykorzystanie:
•    szybka, precyzyjna i najczęściej bezstopniowa zmiana prędkości obrotowej wirników aktorów hydraulicznych takich jak silniki hydrauliczne;
•    szybka, precyzyjna i najczęściej bezstopniowa zmiana posuwu tłoczysk aktorów hydraulicznych takich jak siłowniki hydrauliczne;
•    małogabarytowe (w stosunku do pneumatyki) aktory hydrauliczne, które mogą wytwarzać znaczne siły oraz momenty;
•    proste zabezpieczenie instalacji hydraulicznej przed przeciążeniem poprzez zawory ograniczające ciśnienie;
Poniżej zaś wyszczególniono wady hydrauliki, które należy uwzględnić przy jej wykorzystaniu:
•    lepkość oleju hydraulicznego, który ma zastosowanie w instalacji hydraulicznej zależy od temperatury;
•    praca niektórych aktorów hydraulicznych posiada tendencję do drgań oraz hałasu, zwłaszcza aktorów dużych rozmiarów i wagi;
•    przecieki oleju hydraulicznego powoduje straty medium w instalacji oraz mogą powodować zanieczyszczenie środowiska naturalnego.
Rysunek 26 ilustruje wykorzystanie hydrauliki do sterowania funkcjami ruchowymi tzw. łychy ładowarki, której zespół, jak widać z rysunku umożliwia wykorzystanie transportera palet (wózka widłowego) do innych zadań, niż przewidziane. Nałożenie na „widły” tego transportera aktora hydraulicznego pokazuje jego zakres wykorzystania. Rozważanie, że możliwe by było zastąpienie w tej aplikacji siłownika hydraulicznego siłownikiem pneumatycznym skazane jest z góry na porażkę. Siły, które są niezbędne do poruszania łychą koparki muszą być tak znaczne, że aby uzyskać siły o podobnej wartości w siłowniku pneumatycznym, wielkość jego musiałaby być ogromna, co by wykluczyło jego wykorzystanie w tej aplikacji. Widać zatem, na poniższym przykładzie sterowania łychą ładowarki, gdzie mają zastosowanie aktory hydrauliczne. 

7. Pojęcie linii przesyłowej wysokiego ciśnienia

W widocznych liniach przesyłowych wysokiego ciśnienia, takich jak te widoczne na rysunku 26 odbywa się przenoszenie sił i momentów przez ciecz stojącą lub płynącą w tych liniach.

[Ciecz –  stan skupienia materii pośredni między ciałem stałym a gazem, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, ale łatwo zmienia kształt. Wskutek tego ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, ale w przeciwieństwie do gazu nie rozszerza się, aby wypełnić je całe]. [Źródło: Wikipedia].

Rozważmy na początek rozprzestrzenianie się ciśnienia w nieruchomej cieczy, co zilustrowano na rysunku 27.

 

Rysunek 27: Ilustracja rozprzestrzeniania się ciśnienia w nieruchomej cieczy

Widoczna siła F1, działająca na ruchomy tłok o powierzchni S1 spowoduje, że w cieczy znajdującej się w tym układzie hydraulicznym, złożonym jak widać z dwóch cylindrów połączonych linią przesyłową pojawi się ciśnienie oddziałujące na wszystkie powierzchnie zilustrowanego na rysunku układu hydraulicznego. Wtedy ciśnienie statyczne p możemy opisać prostą zależnością:

$p=\dfrac{F1}{S1}$

(2)

 Ciśnienie statyczne p może utrzymywać w równowadze znacznie większą siłę F2 (ciężar), gdy odpowiednio dobrano powierzchnię S2. Wtedy osiągniemy następujące poniższe zależności dla tej równowagi:

$p=\dfrac{F1}{S1}=\dfrac{F2}{S2}\ \textrm{lub}\ \dfrac{F1}{F2}=\dfrac{S1}{S2}$

(3)

Z powyższych zależności wyraźnie wynika, że przy równym ciśnieniu statycznym p uzyskane siły F1 i F2 będą proporcjonalne do ich powierzchni czynnych odpowiednio S1 i S2. Praktyczny aspekt powyższych rozważań zilustrujemy na przykładzie wykorzystania znanego chyba wszystkim (na pewno kierowcom) aktora hydraulicznego, czyli podnośnika samochodowego. Uproszczony schemat takiego podnośnika samochodowego pokazuje rysunek 28.

Rysunek 28: Uproszczony schemat aktora hydraulicznego – podnośnika samochodowego

Układ podnośnika samochodowego działa następująco: jednorazowe pobudzenie nożne pedału sterującego siłą stopy F1 powoduje pionowy ruch mniejszego tłoka naciskowego o powierzchni S1 z siłą F1’ na skutek działania mechanizmu dźwigni sterującej, zamocowanej przegubowo. Ten mniejszy tłok naciskowy, przemieszczający się w mniejszym cylindrze na głębokość wynikającą z proporcji odległości x1 i x2, przepompowuje jednocześnie niewielką ilość cieczy pod tłok podnoszący o powierzchni S2 większego cylindra poprzez zawór zwrotny B.

Ponieważ nawet przy maksymalnym jednorazowym skoku dźwigni sterującej w dół ruch w górę tłoka podnoszącego siłą F2 jest niewystarczający do uniesienia podwozia na odpowiednią wysokość, czynności uruchamiania i zwalniania pedału sterującego należy wielokrotnie powtórzyć. Aby miało to sens to po pierwsze, zawór zwrotny B musi spełnić swoją rolę, czyli uniemożliwić przepływ cieczy w odwrotnym kierunku oraz po drugie, zawór zwrotny A powinien zablokować wypływ cieczy z mniejszego cylindra do zbiornika A podczas naciskania pedału sterującego i umożliwić dopływ cieczy do tego cylindra podczas samoczynnego powrotu pedału sterującego do pozycji wyjściowej na skautek działania sprężyny powrotnej.

Czytelnik na pewno się domyśla, że pozostawienie w spoczynku pedału sterującego oznacza, że osiągnięto założoną wysokość uniesienia podwozia pojazdu oraz że dzięki wykorzystaniu zaworu zwrotnego B podniesiony pojazd może pozostać na tej wysokości „bez końca”. Zwolnienie tłoka podnoszącego celem opuszczenia pojazdu możliwe jest tylko w jeden sposób, tj. poprzez otworzenie zaworu upustowego, co umożliwi wypływ cieczy do zbiornika B. Układ podnośnika samochodowego wróci wtedy do pozycji początkowej. Ale jest jedno „ale”, którego nie rozwiązuje pokazany na rysunku 28 układ podnośnika. Mianowicie, nawet jednorazowe uniesienie podwozia pojazdu takim podnośnikiem spowoduje przepompowanie cieczy z mniejszego cylindra do większego a potem do zbiornika B. Oznacza to, że należy po tej czynności uzupełniać poziom cieczy w mniejszym cylindrze, czego nie widać na rysunku 28. Oczywiście w praktycznej realizacji podnośnika samochodowego występuje odpowiednie połączenie tych dwóch zbiorników A i B na ciecz roboczą.

Należy zaznaczyć, że zachowanie lub ustalenie odpowiednich proporcji parametrów (odległości) dźwigni podnośnika x1 i x2 w odniesieniu do wartości siły F1 (która może być orientacyjnie przyjęta i stała ze względu na charakter tej siły dając w efekcie siłę$\mathbf{F1}"=\mathbf{\dfrac{x1}{x2}}\cdot \mathbf{F1}$ ) oraz stałych i niezmiennych powierzchni roboczych tłoków S1 i S2 umożliwia obliczenie siły F2, która podniesie konkretny ciężar.

Aby zadośćuczynić Czytelnikowi poniżej na rysunku 29 przedstawiono jedno z rozwiązań podnośnika samochodowego, tzw. żaby, której zasadę działania oparto na zasadzie cieczy nieruchomej, wyjaśnionej na rysunku 28.

Rysunek 29: Podnośnik samochodowy tzw. żaba uruchamiany nożnie lub ręcznie

 

8. Parametry układu hydraulicznego z linią przesyłową wysokiego ciśnienia

Dla zilustrowania zagadnienia tzw. cieczy płynącej w hydraulice posłużmy się lekko „zmodyfikowanym” znanym już układem, zilustrowanym na rysunku 30.

Rysunek 30: Przetłaczanie cieczy przy użyciu pompy zębatej dla uniesienia ciężaru

Podniesienie widocznego na rysunku 30 ciężaru wymaga przemieszczenia cieczy, co jest osiągane przez zastosowanie pompy cieczy. Pompa cieczy przetłacza przez widoczną linię przesyłową wysokiego ciśnienia objętość cieczy $\Delta V$ i przesuwa ciężar ku górze, oczywiście dzięki przesunięciu tamże tłoka podnoszącego. 
Należy zaznaczyć, że przetłoczona objętość cieczy $\Delta V$ jest tak naprawdę (poziomym) słupem cieczy o podstawie z przekrojem S i wysokością $\Delta l$. To ta objętość musiała być przetłoczona przez pompę cieczy w czasie t. To objętościowe natężenie przepływy Q możemy zatem wyrazić poniższą zależnością:

$Q=\dfrac{\Delta V}{\Delta t}=\dfrac{S\cdot ∆l}{∆t}=S\cdot v$

(4)

gdzie:    v - prędkość przepływu cieczy. 
Ponieważ w zamkniętym układzie hydraulicznym natężenie przepływu Q jest wszędzie jednakowe, to ciecz hydrauliczna musi płynąć szybciej w miejscach, gdzie przekrój przewodu S jest mniejszy i wolniej tam, gdzie przekrój ten jest większy. Należy wyraźnie podkreślić, że prędkość przepływu cieczy v jest odwrotnie proporcjonalna do przekroju przepływowego S. Opisuje to poniższa zależność:

$Q=p1\cdot v1=S2\cdot v2$

(5)

Należy zaznaczyć, że oprócz pokonania widocznej na rysunku 30 siły F2, która pochodzi od umieszczonego na tłoku podnoszącym ciężaru, płynąca pod ciśnieniem ciecz musi pokonać opory przepływu w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia oraz podzespołach tego układu, takich jak cylinder. Pompa cieczy oprócz ciśnienia statycznego pstat, wyrażającego się stosunkiem siły F2 do powierzchni S2 musi wytworzyć również nadwyżkę dynamiczną ciśnienia $\Delta p$ dla pokonania oporów przepływu cieczy i wytworzenia energii kinetycznej dla ruchu cieczy. Zatem aby ciecz hydrauliczna mogła płynąć linią przesyłową powinna być spełniona zależność:

$p=p_{stat}+\Delta p$

(6)

Pokazana na rysunku 30 różnica ciśnień $\Delta p$, która jak się domyślamy wystąpi tylko przy przepływie, jest proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu cieczy v. 
Należy zaznaczyć, że nie wykorzystana do wytworzenia energii kinetycznej część ciśnienia $\Delta p$ zostaje zamieniona na ciepło i nagrzewa przy tym samą ciecz hydrauliczną oraz elementy układu hydraulicznego. Im szybciej ciecz płynie przez linię przesyłową lub im mniejsze są przekroje przepływu, tym większe są straty i wydzielane ciepło. Powyższe możemy wyrazić poniższymi zależnościami: 

$\Delta p \sim ~ (Q/S)^2 \sim v^2 \sim W_{strat}$

(7)

Zaznaczmy, że energia jaka jest przekazywana do wytworzenia siły w aktorze hydraulicznym, np. celem podniesienia ciężaru z rysunku 30 jest w tym przypadku iloczynem siły F2 na tym tłoku podnoszącym i jego przemieszczenia s2. Odpowiada to iloczynowi ciśnienia p panującego w siłowniku i wpływającej objętości cieczy V, która jest niezbędna do przemieszczenia tłoka na żądaną wyskokość. Możemy to wyrazić jak poniżej:

$W=F2\cdot s2=p\cdot S2\cdot s2=p\cdot V$

(8)

Przy okazji możemy powiedzieć, że moc układu hydraulicznego określają ciśnienie p oraz objętościowe natężenie przepływu Q, które możemy powiązać następująco:

$P=\dfrac{W}{t}=\dfrac{p\cdot V}{t}=p\cdot Q$

(9)

9. Budowa instalacji hydraulicznej wysokiego ciśnienia

Autor ma nadzieję, że rysunki 27÷30 plus tekst w podpunkcie 1.8. dały Czytelnikowi jasny obraz co do tego, na czym może polegać wykorzystanie hydrauliki siłowej w uruchamianiu elementów, które mają zastosowanie zarówno w realizacji procesów produkcyjnych jak i w sterowaniu elementami podwozi oraz nadwozi pojazdów mobilnych, które przypomnijmy mogą być załogowe jak i bezzałogowe oraz niewielkie lub o dużych gabarytach.
Autor celowo użył pojęcia „hydraulika siłowa” aby zwrócić uwagę Czytelnika na to, iż w literaturze oraz technice funkcjonuje takie pojęcie po to, aby rozróżnić przepływ cieczy typu woda, ścieki, itp. w instalacjach, które nie są przeznaczone do realizacji sił i momentów od przepływu cieczy (oleju) hydraulicznej w instalacjach, które są przeznaczone do realizacji sił i momentów. Przypomnijmy, że autor na użytek swojej publikacji wprowadził też pojęcie linii przesyłowej wysokiego ciśnienia, co odnosi się właśnie do hydrauliki siłowej.
 

9.1. Wytwarzanie przepływu i ciśnienia cieczy hydraulicznej

Jak pokazuje rysunek 30 do wytworzenia natężenia przepływu cieczy hydraulicznej Q mają zastosowanie odpowiednie pompy hydrauliczne. (O ich rodzajach powiemy w module 3-cim niniejszej publikacji). Pompa hydrauliczna zasysa ciecz hydrauliczną ze zbiornika i wtłacza do układu za pośrednictwem linii przesyłowej wysokiego ciśnienia. Tą podstawową koncepcję układu hydraulicznego ilustruje rysunek 31. 

Rysunek 31: Układ hydrauliczny z pompą cieczy i linią przesyłową wysokiego ciśnienia

Przyjmuje się do obliczeń, że pompa cieczy bez względu na jej konstrukcję (czy tłokowa, czy zębata, itp.) tłoczy objętość V przypadającą na pojedynczy suw jej tłoka czy, tak jak to ma miejsce na rysunku 31 przypadającą na jeden pełny obrót kół zębatych pompy. Zatem przy takim sposobie uzyskania przepływu cieczy hydraulicznej objętościowe natężenie przepływu Q wyrazi się zależnością:

$Q=n\cdot V$

(10)

gdzie: n – liczba obrotów zestawu kół zębatych na minutę.
Układ hydrauliczny z rysunku 31 działa następująco: uruchomienie (zalanej) pompy zębatej przy napełnionym zbiorniku cieczy hydraulicznej i takiej, jak na rysunku 31 pozycji pracy rozdzielacza oraz zaworu bezpieczeństwa spowoduje powstanie odpowiedniej wartości ciśnienia cieczy hydraulicznej w instalacji tym większego, im większe będzie ciśnienie przeciwdziałające wynikające z obciążenia w postaci widocznego na rysunku ciężaru do pokonania, umieszczonego na tłoku podnoszącym. Ciecz hydrauliczna zacznie płynąć z kierunku zbiornika cieczy, poprzez pompę cieczy i dalej, poprzez linię przesyłową wysokiego ciśnienie i lewą komorę rozdzielacza, „odsłoniętą” przez jego tłok sterujący. Przyjmując, że tłok podnoszący nie zajął jeszcze górnego skrajnego położenia (tzn. nie został maksymalnie wysunięty) następuje unoszenie ciężaru aż do momentu zatrzymania tłoka podnoszącego w górnym położeniu, w którym to położeniu zostaje unieruchomiony istniejącymi ograniczeniami na ruch tego tłoka do momentu zmiany stanu położenia tłoka sterującego rozdzielacza. 
Należy zaznaczyć, że zatrzymanie tłoka podnoszącego w położeniu maksymalnego wysuwu nie wywołuje zatrzymania pracy pompy cieczy, zatem wysokie jego ciśnienie w dalszym ciągu występuje w tłoczącej części instalacji hydraulicznej. Aby nie dopuścić przez to do uszkodzenia elementów tej instalacji musi wystąpić zadziałanie zaworu bezpieczeństwa, który wcześniej ustawiono na odpowiednią wartość ciśnienia (progowego) cieczy hydraulicznej w części tłoczącej instalacji. Samoczynne zadziałanie zaworu bezpieczeństwa poprzez uniesienie jego „grzybka” wywołuje odsłonięcie przelotu (do tej pory zamkniętego), który łączy linię przesyłową wysokiego ciśnienia ze zbiornikiem cieczy. Pojawia się tzw. mały obwód hydrauliczny, który charakteryzuje się przepływem cieczy w układzie: zbiornik cieczy – pompa cieczy – zawór bezpieczeństwa – zbiornik cieczy.
Jest raczej wiadomym, że uniesienie ciężaru na maksymalną wysokość i trwanie w tym położeniu nie będzie trwało wiecznie i musi wystąpić opuszczenie tego ciężaru. Aby to umożliwić należy, co widać z rysunku 31 wypuścić (wylać) ciecz (objętość) z przestrzeni spod tłoka podnoszącego do zbiornika cieczy. Realizuje to tłok sterujący rozdzielacza. Przesunięcie tłoka w kierunku: PRAWO powoduje zasłonięcie („lewym tłoczkiem”) wlotu cieczy od strony pompy cieczy i połączenie objętości spod tłoka podnoszącego („prawy tłoczek”) ze zbiornikiem cieczy za pośrednictwem przewodu powrotnego. Ciecz wypływa spod tłoka podnoszącego („wspierana” przez ciężar) do zbiornika cieczy i następuje ruch tłoka podnoszącego w kierunku dolnym. (Czytelnik się domyśla, że podczas czynności opuszczania ciężaru pompa cieczy nieustannie pracuje lub może pracować). Gdy to nastąpi czynność podnoszenia ciężaru za pośrednictwem tłoka podnoszącego można powtarzać, gdyż jak widzimy uchodząca ciecz i z zaworu bezpieczeństwa i z przestrzeni spod tłoka wraca „w to samo miejsce”.        
Pompy cieczy (hydrauliczne) napędzane są zazwyczaj napędami o stałych prędkościach obrotowych swoich wałów, co skutkuje tzw. stałym wydatkiem tych pomp, czyli określoną stałą wydajnością Q w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia co oznacza w praktyce niezmienną prędkość tłoka podnoszącego, co niekiedy może być niekorzystne. Jednym z możliwych rozwiązań zmniejszenia prędkości natężenia przepływu cieczy Q jest wykorzystanie tzw. zaworu dławiącego, który umieszcza się w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia prowadzącej do aktora, w naszym przypadku do zespołu rozdzielacza z siłownikiem z rysunku 31. Taki „zmodyfikowany” pod tym kątem układ hydrauliczny zilustrowano na rysunku 32.

Rysunek 32: Układ hydrauliczny z dławieniem przepływu w linii przesyłowej wysokiego ciśnienia

Widoczny na rysunku 32 zawór dławiący powoduje, że natężenie przepływu Q ulega zmniejszeniu do wartości Q1 na skutek zastosowanych rozwiązań technicznych zaworu. (Widoczny na rysunku prosty sposób dławienia przepływu przez ten zawór dławiący poprzez ściskanie przewodu linii przesyłowej jest oczywiście tylko iluzoryczny i w praktyce jest bardziej wyszukany). Natężenie przepływu cieczy przez ten zawór dławiący określa wtedy następująca zależność:

$Q1=k\cdot S\cdot∆p$

(11)

gdzie:    k  –  współczynnik zależny od gniazda oraz trzpienia zaworu dławiącego;
    S  –  określona powierzchnia szczeliny dławiącej w zaworze dławiącym;
    $\Delta p$ – różnica ciśnień p1 – p2.     
Działanie układu hydraulicznego z zaworem dławiącym z rysunku 32 jest następujące: po uruchomieniu pompy cieczy oraz wywołaniu natężenia przepływu cieczy I, dławiące działanie zaworu powoduje wzrost ciśnienia I1, co odbywa się tuż przed zaworem dławiącym. Na skutek tego wystąpi powiększanie się spadku ciśnienia cieczy $\Delta p$ i wzrost prędkości jej przepływu v w miejscu dławienia. Skutki wystąpienia przekroju dławiącego w myśl zasady wcześniej przedstawionej zaczynają być niwelowane przez zwiększającą się prędkość cieczy v co oznacza, że w dalszym ciągu natężenie przepływu Q pozostaje bez zmian. Dopiero wtedy, gdy wartość ciśnienia p1 zrówna się z wartością ciśnienia cieczy pmax otwiera się zawór bezpieczeństwa, odprowadzając część cieczy do zbiornika cieczy. Ten moment otwarcia zaworu bezpieczeństwa oznacza, że natężenie przepływ cieczy nie zwiększa się i teraz wynosi Q1. Mniejsze natężenie przepływu cieczy oznacza oczywiście mniejszą prędkość przemieszczania się tłoka podnoszącego, czyli również i podnoszonego ciężaru. (Czytelnik na pewno zauważył, że warunkiem skutecznego dławienia natężenia przepływu cieczy Q w układzie jak na rysunku 32 jest zastosowanie odpowiednio „nastawionego” na p_max zaworu bezpieczeństwa. Bez tego ostatniego o dławieniu przepływu Q nie może być mowy).   
Zilustrowany na rysunku 32 sposób ograniczenia natężenia przepływu cieczy poprzez wykorzystanie zaworu dławiącego jest stosunkowo prosty technicznie w realizacji i nie ma nic wspólnego z osiągnięciami współczesnej techniki napędu pomp cieczy, zwłaszcza wykorzystania płynnej regulacji prędkości obrotowych ich wałów. Korzyść z tego jest łatwa do zauważenia – płynna regulacja natężenia przepływu cieczy Q zamiast ustalonej na stałe przez zawór dławiący i zawór bezpieczeństwa. Schemat takiego rozwiązania pokazano na rysunku 33. 

Rysunek 33: Schemat układu hydraulicznego z płynną regulacją natężenia przepływu Q za pomocą nowoczesnego napędu

Rysunek 33 pokazuje, że silnik elektryczny napędzający pompę zębatą cieczy jest de facto jednym z elementów nowoczesnego napędu. Drugim elementem jest falownik, który wykorzystując przekształcanie energii elektrycznej sterują silnikiem elektrycznym zamiast konwencjonalnego jego sterowania, czyli bezpośredniego podłączenia silnika do trzech faz sieci zasilającej. Korzyścią takie rozwiązania jest płynna regulacja prędkości obrotowej wirnika silnika elektrycznego, a co za tym idzie wirnika pompy cieczy. To oznacza precyzyjne według odpowiedniego algorytmu sterowanie wartością natężenia przepływu cieczy I, które jak wiemy zależy od wydajności pompy zębatej, a ta z kolei zależy od prędkości obrotowych „swoich” zębów. Rysunek 34 przedstawia rodzinę charakterystyk pomp zębatych, ilustrujących wpływ prędkości obrotowej wirnika na uzyskiwaną przez nich wartość natężenia przepływu Q. [Źródło: Bucher hydraulics].

Rysunek 34: Charakterystyka wydajności rodziny pomp AP05 od obrotów napędu 

Rysunek 34 pokazuje rodzinę charakterystyk pomp zębatych serii AP05. Nadmieńmy tylko, że są to pompy szeroko stosowane w nowoczesnej hydraulice z powodu ich niezaprzeczalnych cech, takich jak niski koszt oraz duża niezawodność. Liczby przy charakterystykach w „ramkach” to tzw. wyporność poszczególnej pompy.

[Wyporność pompy - to objętość przemieszczanej cieczy, gdy wał pompy wykona jeden pełny obrót]. [Źródło: Wikipedia].

9.2. Rodzaje i parametry cieczy hydraulicznej

Zamieszczone w bieżącym rozdziale rysunki koncepcyjne pokazały, że podstawowym zadaniem cieczy hydraulicznej jest przenoszenie energii pompy hydraulicznej do aktorów hydraulicznych, takich jak cylindry, które wykonują odpowiednią pracę. (Oczywiście aktorów hydraulicznych jest znacznie więcej, o czym będzie mowa później).
Należy zaznaczyć, że mnie mniej ważne są pozostałe zadania cieczy hydraulicznej, takie jak poprawienie poślizgu elementów ruchomych aktorów hydraulicznych, ochrona części metalowych tychże przed korozją czy odprowadzenie wydzielającego się ciepła i zanieczyszczeń. 
Celem zapewnienia powyższych wymagań ciecz hydrauliczna musi charakteryzować się następującymi właściwościami:
•    posiadać odpowiednią lepkość i jak najmniejsze jej zmiany w funkcji temperatury; 
•    posiadać wymaganą tzw. pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania instalacji hydraulicznej; 
•    posiadać jak najmniejszy moduł ściśliwości;
•    wykazywać brak skłonności do pienienia;
•    powodować szybkie wydzielanie powietrza z jej obiegu; 
•    posiadać dobre właściwości przeciwzużyciowe; 
•    posiadać dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne; 
•    wykazywać stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Należy zaznaczyć, że w układach hydraulicznych natężenie przepływu cieczy hydraulicznej Q jest odpowiednikiem prędkości w mechanice, natomiast ciśnienie cieczy p jest odpowiednikiem siły. W układzie SI jednostką ciśnienia p jest Pascal (1 Pa = 1 N/m² ). W praktyce przemysłowej często stosowaną jednostką ciśnienia jest 1 bar = 105Pa. Typowe ciśnienie w układach hydraulicznych wynosi od 0,5 bar do 100 bar. Jednostką natężenia przepływu Q jest metr sześcienny na sekundę (w praktyce: dm3/min lub litr/min).
Jako ciecze hydrauliczne są stosowane oleje o klasach lepkości od ISO VG 5 do ISO VG 300, o składzie chemicznym dostosowanym do warunków pracy i materiałów konstrukcyjnych układu. Są to [Źródło: gacol.pl]:
•    rafinowane oleje mineralne; 
•    oleje syntetyczne na bazie PAO; 
•    oleje na bazie estrów poliolowych; 
•    oleje syntetyczne na bazie poliglikolowej; 
•    oleje roślinne, 
•    estry kwasu fosforowego; 
•    emulsje wodno-olejowe i olejowo-wodne; 
•    wodne roztwory glikoli i poliglikoli; 
•    wodne roztwory polimerów.
Dobierając odpowiedni typ cieczy hydraulicznej do projektowanego układu hydraulicznego należy m.in. następujące uwarunkowania: 
•    warunki klimatyczne; 
•    temperaturę pracy ciągłej aktorów hydraulicznych; 
•    warunki pracy instalacji hydraulicznej
•    możliwość przedostawania się wody do układu hydraulicznego
•    zastosowanie metali wrażliwych na korozję w konstrukcji aktorów hydraulicznych jak również linii przesyłowych.
Omówmy poniżej kilka wybranych parametrów cieczy hydraulicznej, które mogą mieć istotny wpływ na jej wybór do projektowanej instalacji hydraulicznej. 

Należy zaznaczyć, że ciecze hydrauliczne nie są w pełni ściśliwe. Przyjmuje się, że ściśliwość niezapowietrzonej cieczy przy wzroście ciśnienia o 100 barów powoduje zmniejszanie jej objętości o około 0,65% w stosunku do jej objętości początkowej. Zagadnienie ściśliwości cieczy hydraulicznej ilustruje rysunek 35.

Rysunek 35: Ilustracja braku zupełnej ściśliwości cieczy hydraulicznej: V_p – objętość początkowa; V_k – objętość końcowa; DV – zmiana obj.

Przeciwstawnym parametrem do pokazanej na rysunku 35 ściśliwości cieczy hydraulicznej, gdzie jej objętość maleje na skutek wywarcia na ciecz powierzchni tłoka po przyłożeniu doń siły F, jest parametr określany jako przyrost jej objętości na skutek zwiększenia jej temperatury. Przyjmuje się, że przy wzroście temperatury cieczy hydraulicznej o 100C jej objętość w stosunku do objętości początkowej wzrasta o około 0,65%. W zamkniętych przewodach linii przesyłowej może to wywołać niepotrzebny wzrost ciśnienia oddziałujący na elementy układu hydraulicznego. Na przykład w zbiorniku ciśnieniowym przy wzroście temperatury o 100C ciśnienie wewnątrz zbiornika wzrośnie o 100 barów. Rysunek 36 ilustruje wpływ temperatury na Właściwości cieczy hydraulicznej.

Rysunek 36: Ilustracja wpływu wzrostu temperatury na objętość cieczy: V_p – objętość początkowa; V_k – objętość końcowa; DV – zmiana obj.

Trzeci parametr cieczy hydraulicznej uznawany jest za jeden z najważniejszych, ponieważ to od lepkości cieczy zależy w znacznym stopniu sprawność całego układu hydraulicznego. Przy gęstej cieczy hydraulicznej, czyli dużej lepkości wzrastają straty przepływu i tarcia, układ hydrauliczny, czyli m.in. aktory reagują wolno oraz pogarsza się sprawność całego układu. Z kolei przy rzadkiej cieczy hydraulicznej, czyli małej lepkości zwiększają się straty spowodowane przeciekami oraz wzrasta zużycie fizyczne elementów hydraulicznych, ponieważ zmniejsza się wartość warstwy smarującej. Wskaźnikiem, świadczącym o lepkości cieczy jest tzw. współczynnik lepkości, który określa zależność między lepkością cieczy a jej temperaturą. Większa wartość tego współczynnika oznacza mniejsze zmiany lepkości cieczy na skutek zmian jej temperatury. Jako uzupełnienie rozważań podajmy dobór klasy lepkościowej cieczy hydraulicznej do warunków klimatycznych pracy maszyny. Ilustruje to rysunek 37.   

Rysunek 37: Dobór klasy lepkościowej cieczy hydraulicznej do warunków klimatycznych pracy maszyny

Na rysunku 37 warunki klimatyczne, w których należy zastosować odpowiednią ciecz hydrauliczną producenci cieczy hydraulicznych określają w postaci klas, które oznaczają: 
A – ekstremalne warunki tropikalne, ciężkie warunki pracy; 
B – ekstremalne warunki tropikalne; 
C – warunki tropikalne; 
D – warunki letnie klimatu umiarkowanego; 
E – warunki zimowe klimatu umiarkowanego; 
F – warunki arktyczne; 
G – ekstremalne warunki arktyczne; 
H – ekstremalne warunki arktyczne, długie przestoje maszyny; 
OPT – optymalny zakres lepkości cieczy hydraulicznej.
 

9.3. Schemat instalacji sterowania hydraulicznego

Zadaniem instalacji sterowania hydraulicznego jest połączenie ze sobą za pośrednictwem linii przesyłowych wysokiego ciśnienia aktorów hydraulicznych i innych elementów, głownie szeregowo (taką linię przesyłową możemy nazwać linią tłoczącą), gdzie najważniejszym elementem instalacji jest pompa cieczy hydraulicznej. 
Należy zaznaczyć, że ponieważ pompa cieczy hydraulicznej pracuje nieustannie, co oznacza odprowadzanie cieczy w odpowiednim momencie do zbiornika cieczy, w instalacji sterowania hydraulicznego możemy jeszcze wyróżnić dodatkowe linie przesyłowe, już niewysokiego ciśnienia, które możemy nazwać liniami powrotnymi.
Zatem biorąc powyższe pod uwagę może wskazać na następujące poniższe główne podzespoły i urządzenia, które są składnikami instalacji sterowania hydraulicznego:
•    pompy hydrauliczne (trybikowe, tłokowe, nurnikowe itp.); 
•    aktory hydrauliczne (silniki liniowe, silniki obrotowe, siłowniki); 
•    zawory rozdzielające; 
•    filtry cieczy hydraulicznej; 
•    przewody hydrauliczne dla linii przesyłowych; 
•    zbiornik cieczy hydraulicznej; 
•    układ odpowietrzający zbiornik cieczy; 
•    zespoły pomiarowe i pomocnicze (manometry, przepływomierze, króćce do pobierania próbek, chłodnice cieczy hydraulicznej, itp.); 
•    ciecz hydrauliczna.  
Należy podkreślić, że układy hydrauliczne mogą napędzać jeden (pojedyncze) albo wiele (wielokrotne) aktorów hydraulicznych takich jak siłowniki hydrauliczne lub silniki hydrauliczne. Schemat wielokrotnego układu hydraulicznego z siłownikiem hydraulicznym i silnikiem hydraulicznym zilustrowano na rysunku 38. [Źródło: gacol.pl].

Rysunek 38: Schemat wielokrotnego układu hydraulicznego z siłownikiem hydraulicznym i silnikiem hydraulicznym

W widocznym na rysunku 38 układzie hydraulicznym (oraz w każdym innym) przekazywanie energii rozpoczyna się od pompy cieczy 1, która przekształca energię elektryczną lub mechaniczną (napędu pompy) na energię cieczy hydraulicznej. Zawory regulujące 5 i 7 (rozdzielacz) oddziaływują na przepływ cieczy i ostatecznie energia hydrauliczna zostaje przekształcona na energię mechaniczną w silniku hydraulicznym 6 i siłowniku hydraulicznym 8. Pozostałe elementy układu hydraulicznego współuczestniczą w sterowaniu tymi aktorami.
Należy zaznaczyć, że schemat instalacji z rysunku 38 daje tylko ogólny obraz układu hydraulicznego, w którym nadrzędnym celem jest przecież zamiana energii cieczy hydraulicznej na pracę mechaniczną, pochodzącą od aktorów hydraulicznych. 
Należy założyć, że możliwości współczesnej techniki w zakresie realizacji sterowania aktorami hydraulicznymi „zaproponują” bardziej zaawansowany technicznie układ hydrauliczny niż ten widoczny na rysunku 38. Schemat może zostać uzupełniony o sterowanie elektryczne zaworami regulującymi czy sterowanie przekształtnikowe silnika napędu pompy zębatej. Mało tego na rysunku 38 nie widać odpowiedniego oczujnikowania, dotyczącego kontroli ruchu aktorów  hydraulicznych. Obecnie odbywa się to pod kontrolą odpowiednich czujników położenia tłoczysk siłowników hydraulicznych lub kontroli ruchu obrotowego wirników silników hydraulicznych. Jako uzupełnienie można podać, że coraz częściej sterowanie układu hydraulicznego „zaszyte” jest w postaci algorytmu w sterowniku cyfrowym typu PLC (ang. Programmable Logic Controllers).   
 

9.4. Obliczenie parametrów eksploatacyjnych aktora hydraulicznego

10. Cechy wspólne i rozbieżne sterowania pneumatycznego i hydraulicznego

O ile wcześniej Czytelnik zapewne upierałby się w przekonaniu, że widzi różnicę w typie medium, które uruchamia aktory pneumatyczne i hydrauliczne, tak autor sądzi, że teraz po analizie materiału z modułu 1-go to przekonanie nie jest już silne. 
Czytelnik zapewne już zauważył, że oba rodzaje wymienionych wyżej aktorów to aktory płynowe, które do wytwarzania sił i ruchów potrzebują gazowych lub ciekłych nośników energii. Moc płynowa Ppł=pV jest tutaj iloczynem ciśnienia medium p i przepływu objętości V, gdzie w pierwszym przypadku mamy ciśnienie oraz objętość sprężonego powietrza, a w drugim ciśnienie oraz objętość cieczy hydraulicznej. To z kolei oznacza, że wymaganiem technologicznym jest istnienie urządzeń, które wytwarzają oraz przechowują medium ciśnieniowe. Już wiemy, że w pierwszym przypadku to oznacza sprężarkę powietrza i zbiornik ciśnieniowy na to sprężone medium, zaś w drugim przypadku oznacza pompę cieczy i zbiornik na ciecz hydrauliczną. 
Należy podkreślić, że instalacja sterowania aktorami pneumatycznymi jest tzw. obiegiem otwartym, tzn. sprężone medium po jego wykorzystaniu odprowadzane jest do otoczenia, zaś instalacja sterowania aktorami hydraulicznymi jest tzw. obiegiem zamkniętym. Tabela 5 pokazuje istotne różnice oraz i podobieństwa, które wskazują na sposób wykorzystywania (sterowania) aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych.

Tabela 5: Podobieństwa i różnice w sposobie wykorzystywania aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych

11. Podsumowanie modułu pierwszego

Autor w module pierwszym zapoznał Czytelnika z sygnałami, które występują przy sterowaniu aktorami płynowymi: sygnałem, gdzie nośnikiem było sprężone powietrze lub innych gaz techniczny oraz sygnałem, gdzie nośnikiem była ciecz hydrauliczna. Wprowadzono pojęcie linii przesyłowych, tj. dla aktorów pneumatycznych wprowadzono linię przesyłową niskiego ciśnienia, zaś dla aktorów hydraulicznych linię przesyłową wysokiego ciśnienia. Wskazano na niezbędne elementy oraz urządzenia potrzebne do budowy obu typów instalacji płynowych. Powyższe uzupełniono podaniem istotnych parametrów, które muszą być spełnione, aby poprawnie zaprojektować układ sterowania pneumatycznego oraz sterowania hydraulicznego. Na przykładach pokazano obliczenia i wzory, które należy użyć przy konstruowaniu obu typów instalacji płynowych. Moduł pierwszy kończy rodzaj tabelarycznego podsumowania, w którym pokazano cechy wspólne oraz rozbieżne wykorzystania obu typów aktorów omawianych w tym module. Aby Czytelnik zrozumiał wszystkie pojęcia i definicje, które pojawiły się w prezentowanym tekście, autor posłużył się dodatkowo wieloma rysunkami. Autor ma nadzieję, że przyswojenie przez Czytelnika materiału z modułu pierwszego „poprowadzi” go skutecznie przez dalszą treść niniejszego opracowania.