Siłownik pneumatyczny to rodzaj silnika, w którym energia sprężonego powietrza zamieniana jest na energię mechaniczną. Prowadzenie gazu pod ciśnieniem wyższym lub niższym od ciśnienia atmosferycznego do komory siłownika powoduje ruch jego trzpienia, co wpływa na przemieszczanie się końcówki roboczej.

Szeroki wybór

Popularność i powszechność siłowników pneumatycznych w przemyśle i poza nim sprawiły, że skonstruowano wiele ich rodzajów. Najprostsza klasyfikacja wynika z rodzaju ruchu roboczego – wyróżnia się siłowniki liniowe, krzywoliniowe i kątowe. Można też wziąć pod uwagę rodzaj użytego elementu roboczego i wskazać siłowniki: tłokowe, mieszkowe, membranowe, workowe (dętkowe) czy nurnikowe. Ze względu na występowanie tłoczyska wyróżnia się siłowniki, które je posiadają (tłoczyskowe) oraz siłowniki beztłoczyskowe.

Kolejne czynniki rozróżniające to m.in.: możliwość wywierania siły przez siłownik (jedno- i dwustronnego działania), charakter siły działającej na element wykonawczy (działające łagodnie, z małym uderzeniem, udarowo), liczba ściśle określonych położeń tłoczysk (dwupołożeniowe, wielopołożeniowe, krokowe) czy budowa konstrukcyjna tulei i tłoczyska (jednolite lub wielosegmentowe). Typ konstrukcji i rodzaj zastosowanego elementu sprawiają, że siłowniki pneumatyczne pracują w nieco inny sposób, ale kluczowa zasada działania pozostaje niezmienna: energia czynnika roboczego zamieniana jest na energię mechaniczną.

Najbardziej typowe i rozpowszechnione są siłowniki dwustronnego działania o konstrukcji tłokowej, w których elementem ruchomym jest tłoczysko. Jego ruch w obie strony odbywa się dzięki energii sprężonego powietrza dostarczanej naprzemiennie do komór siłownika. Komora, do której doprowadzany jest czynnik roboczy, nazywana jest tłoczną, a ta, z której medium jest odprowadzane – spływową. Siłownik może być wyposażony w jedno tłoczysko lub dwa. Podstawowym parametrem siłownika jest siła działania, która zależy od jego średnicy nominalnej i ciśnienia zasilania. Siła pchająca i siła ciągnąca siłowników dwustronnego działania różnią się od siebie, co wynika z różnicy powierzchni czynnej nad i pod tłokiem, na którą działa ciśnienie zasilania.

Siłowniki jednostronnego działania wykonują ruch roboczy poprzez podanie ciśnienia do komory roboczej, a ruch powrotny wykonywany jest siłami zewnętrznymi, zazwyczaj zamontowanych sprężyn. Ruch powrotny może być wywoływany także siłą pochodzącą od ciężaru zamontowanego obciążenia.

W siłownikach pneumatycznych beztłoczyskowych do przenoszenia siły wykorzystuje się ruchomy wózek (suwak), który jest magnetycznie albo mechanicznie sprzężony z tłokiem siłownika. Są one lżejsze od tłoczyskowych i zajmują mniej miejsca – oszczędności, jakie pod tymi względami można uzyskać, sięgają nawet 50%. Dzięki temu, że nie dochodzi w nich do wyboczenia tłoczyska, mają znacznie większy skok. Ponadto przenoszą duże momenty zginające i siły poprzeczne.

Poza siłownikami prostoliniowymi stosuje się także wahadłowe, w których ruch liniowy tłoka zostaje zamieniony na ruch obrotowy wałka. Zamiana następuje np. poprzez koło zębate i zębatkę umieszczone wewnątrz siłownika obrotowego. Rozróżnia się siłowniki wahadłowe: łopatkowe, zębatkowe i śrubowe.

Materiały konstrukcyjne

Sprężone powietrze jako medium zasilające ma wiele zalet. Po pierwsze jest łatwo dostępne i odnawialne, można więc je wykorzystać tam, gdzie nie da się użyć elementów zasilanych elektrycznie ze względu na brak doprowadzonej energii. Powietrze jest czyste, bezpieczne i ekologiczne w eksploatacji, dzięki czemu nie stanowi zagrożenia dla obsługi i nie zanieczyszcza otoczenia, nawet w razie rozszczelnienia się instalacji. Wszystko to sprawia, że układy pneumatyczne są powszechnie wykorzystywane w przemyśle. Stosowane w nich siłowniki pracują w różnych środowiskach, gdzie wystawione są na działanie rozmaitych czynników, co determinuje wybór materiału, z którego dany siłownik jest wykonany.

Siłowniki pneumatyczne działające w szczególnie trudnych warunkach środowiska, gdzie mogą być narażone na kontakt z substancjami żrącymi, wodą słodką i morską, środkami i produktami spożywczymi, czy też pracujące w atmosferze wybuchowej wykonane są ze stali nierdzewnych i kwasoodpornych. Często ze względów ekonomicznych ze stali jakościowych wykonuje się tylko te części, które są najbardziej wystawione na czynniki szkodliwe, czyli tłoczyska, tuleje, śruby ściągające, nakrętki.

W siłownikach przeznaczonych do pracy w ekstremalnych temperaturach otoczenia stosuje się specjalne uszczelnienia, które mogą wytrzymać bardzo niskie lub wysokie temperatury oraz trudne warunki klimatyczne. Najpowszechniej wykorzystywanym materiałem uszczelnienia jest Viton (rodzaj gumy syntetycznej) i teflon. W wyjątkowo trudnych warunkach pracy, w tym w strefach zapylonych lub zagrożonych wybuchem, stosuje się siłowniki ze stalowymi pokrywami i tulejami. Poza tym producenci mogą skonstruować urządzenia do zadań specjalnych lub zrealizować zamówienia nietypowe, np. pod względem gabarytów, rodzaju uszczelnienia czy osprzętu (zawory, amortyzacja itd.).

Zalety i wady

Podstawową zaletą siłowników pneumatycznych jest możliwość ich szerokiego zastosowania. Spotyka się je niemal we wszystkich branżach związanych z przemysłem. Wprawiają w ruch maszyny, przede wszystkim te działające jednostajnie i regularnie, stąd powszechnie wykorzystuje się je w układach automatycznych – najczęściej na liniach produkcyjnych, w prasach i systemach pakowania oraz etykietowania czy systemach typu pick and place.

Siłowniki pneumatyczne znajdują też jednak wiele zastosowań w obszarach pozaprodukcyjnych: w narzędziach budowlanych, platformach przeładunkowych czy systemach otwierających i zamykających, również w samochodach.

Kolejnym walorem siłowników pneumatycznych jest ich stosunkowo prosta budowa i obsługa. Składają się z niewielu elementów, które są trwałe, a ich konserwacja polega głównie na usuwaniu nieszczelności i smarowaniu uszczelek. Poza tym są odporne na działanie trudnych warunków środowiskowych, dobrze znoszą niskie i wysokie temperatury, mogą pracować w strefach zagrożonych wybuchem. Dzięki temu, że sprężone powietrze ma małą lepkość, w siłownikach występują małe opory przepływu, co pozwala uzyskać duże prędkości liniowe, rzędu nawet kilkudziesięciu m/s.

Siłowniki pneumatyczne, obok szeregu zalet, wykazują też kilka wad. Większość z nich wynika jednak z wad samego sprężonego powietrza. Po pierwsze, duża ściśliwość tego medium utrudnia uzyskanie powolnego i płynnego ruchu tłoka. Po drugie, podczas przetłaczania sprężonego powietrza dochodzi do strat energii, a ewentualne nieszczelności w przewodach, którymi transportowane jest powietrze, powiększają koszty eksploatacji. Po trzecie, sprężone powietrze należy odpowiednio przygotować, aby nadawało się do stosowania w napędach pneumatycznych.

Za wadę można również uznać to, że siłowniki pneumatyczne zapewniają przemieszczenia liniowe tylko o ograniczonej długości, co wynika z ich konstrukcji. Kolejną wadą, która może wpływać na komfort pracy personelu, jest hałas powstający w momencie, gdy czynnik roboczy jest odprowadzany do atmosfery. Mimo tych paru wad napędy wykorzystujące siłowniki pneumatyczne są szeroko stosowane w przemyśle, głównie ze względu na ich dostępność, prostotę budowy i eksploatacji oraz bezpieczeństwo – nie zagrażają one bezpieczeństwu ludzi i środowiska.