Pneumatics Part I

7/3/2009

Pneumatics Part‐I  Compressed air systems By Amaren P. Das M.Tech (SYSCON) IIT‐B 

• General methods of material handling – Clamping , shifting, Positioning , Orienting

• General application – Packing , Filling, Metering, Stacking , stamping etc.

• Machining and working  – Drilling , Milling, Forming, Sawing D illi Milli F i S i

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

2

1

7/3/2009

• Availability – Everywhere, unlimited quantity

• Transport – Easily be transported over pipelines over long distance

• Explosion proof – No risk of explosion or Fire

• Cleanliness – Un lubricated exhaust air are clean

• Speed – Fast working medium …. Enables high working speed

– Temperature – Insensitive to temperature fluctuations 

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

3

• Preparation – Dust and condensate should not be present Dust and condensate should not be present

• Compression – It is not always possible to achieve uniform and  constant piston speed with compressed air

• Force Requirement – Pressure up to 8 bar  only  p y – Maximum force limited to, 40,000 to 50,000N 

• Noise Level – Exhaust air produce noise NFC TS 2009 Pneumatics APDas

4

2

7/3/2009

• Pneumatic control circuit  – Signal flow – Symbols of hydraulic circuit Symbols of hydraulic circuit

• Actuators • Valves – – – –

Direction control valve Flow control valves Pressure control valves Combination valve Combination valve

• Air preparation (FRL units) • Pumps • Piping & distribution NFC TS 2009 Pneumatics APDas

5

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

6

3

7/3/2009

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

7

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

8

4

7/3/2009

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

9

• How single acting cylinder works

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

10

5

7/3/2009

• How  Double acting cylinder Works

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

11

• A single acting cylinder of 25  mm diameter is to clamp a mm diameter is to clamp a  component when a push  button is pressed. As long as  the push button is pressed the  cylinder is to remain in the  clamped position . When the  push button is released the  clamp  is retracted l i t t d

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

12

6

7/3/2009

• A piston of a double acting  cylinder is to advance when cylinder is to advance when  the 3/2 way roller leaver valve  1s2 is actuated and the push  button of 3/2 way valve 1S1 is  actuated. If either of the two is  released, then the cylinder  returns to initial position. • How to do it with out using  and valve ?

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

13

• A double acting cylinder is to advance if one of the two push buttons  are pushed. If either of the push button is released the cylinder should  p p y retract. The cylinder should also retract if it has completed its stroke.

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

14

7

7/3/2009

• What does the following circuit do ?

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

15

• The piston of a double acting  cylinder is to advance when a 3/2  y way valve is manually pressed.  The cylinder is to remain  advanced until a second push  button is actuated, to move it to  initial condition. The signal from  the second PB can take effect  only when the signal from the 1st PB has been removed. The  cylinder is to remain in the initial  li d i t i i th i iti l position until a new start signal is  given. Speed of cylinder is to be  adjusted in both direction

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

16

8

7/3/2009

• A plastic component is embossed  using a die driven by a double  g y acting cylinder. The die is to  advance and emboss the plastic  when a push button is operated.  The return of the die is effected  when a preset pressure is  reached. The embossing pressure  is to be adjustable. • What changes are required if full  extension is also to be sensed ?

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

17

• A double acting cylinder is used press together glued components. Upon operation of a push button, the clamping cylinder extends. • Once fully advanced position is reached, the cylinder is to remain for a time of T=6 sec and then immediately retract to the initial position. Cylinder retraction is to be adjustable. Anew cycle is only possible after the cylinder is fully retracted. NFC TS 2009 Pneumatics APDas

18

9

7/3/2009

• An actuator is an output device for conversion of  supply energy into useful mechanical work supply energy into useful mechanical work • Pneumatic actuators fall under two groups – Linear motion • Single acting cylinder • Double acting cylinder

– Rotary motion Rotary motion • Air motors • Rotary cylinders

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

19

• Single acting cylinder – – – – –

Si l Single port t Spring return Natural length of spring ‐>limited stroke length Compressed length of spring ‐>extra space Limited stroke 80mm

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

20

10

7/3/2009

• Two ports • Cylinder can do work on both strokes • Forces not equal 

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

21

• When moving large mass, sudden stoppage at th endd cause impact the i t on the th cylinder li d cap, andd damages it .

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

22

11

7/3/2009

• Tandem double acting cylinder – Force on the piston is almost doubled Force on the piston is almost doubled

• Through piston rod Cylinder – Guide of cylinder is better, as both side  support is there – Same force in both directions

• Multi‐position cylinder – C Consists of two or more double acting  i t ft d bl ti cylinder, which are interconnected.

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

23

Three different principles are used for the construction of  y rodless cylinders. 1. Band or cable cylinder 2. Sealing band cylinder with slotted cylinder barrel 3. Cylinder with magnetically coupled slide

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

24

12

7/3/2009

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

25

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

26

13

7/3/2009

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Cylinder barrel, seamless drawn tube End cap Bearing Cap Piston rod Seal ring, for leak tightness  Bearing bush, to guide the cylinder Scraper ring , to keep dust away  NFC TS 2009 Pneumatics APDas

27

• Force on the piston Fth =A*P A*P Fth= force on piston A= cross section area of piston P = pressure on the piston face Note: Effective piston force is less than the theoretical force  due to presence of friction. Under normal operating  condition (4 to 8 bar) friction force can be assumed as  10% of theoretical piston force NFC TS 2009 Pneumatics APDas

28

14

7/3/2009

• Area of Piston A=(3.14 * D2 / 4)

– – A’=(D2 ‐ d2 )*3.14/4

• Single acting – Feff= (A*P) ‐ ( FR + FF )

• Double acting – Forward Forward stroke stroke • Feff = A*P – FR – Reverse Stroke • Feff = A’*P – FR

A= Area of piston cap side A’ = Area of piston rod side P = working pressure FR= Friction force FF=Return spring force D= Diameter of Piston d= Dia of rod

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

29

• Length covered by the  piston from one end to  it f dt other • Stroke length should not  be greater the 2mt and  10mt for rodless cylinder Use buckling diagram for • Use buckling diagram for  long stroke

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

30

15

7/3/2009

•

• •

•

NBR (Nitrile Butadiene Rubber) Max  service Temp  95C. Colour :Black. Ideally  suited for manufacturing all sealing components used in pneumatic and  hydraulic industry hydraulic industry HNBR (Hydrogenated Nitrile rubber) Max service Temp. 150C. Colour: Black.   Similar to NBR but provides broader thermal and chemical resistance EPDM Rubber (EPM,EPR), Max Service Temp 150C. Color: Black. Incompatible  to mineral oil, but is resistant to many fluids that are incompatible with other  elastomers, including steam and break fluid. Viton. Max Service temp 200C, color: Brown. Outstanding chemical compatibility, low  compression set and broad temperature range, coupled with its ability to resist extrusion, tearing  and wear, makes this a significant compound d k thi i ifi t d

•

Silicone Rubber.  Max Temp 200C. FDA approved for use in the food industry.  Silicones have poor wear, tear and tensile properties.

•

Polyurethane . Max Temp 110C , 70C in water. Most popular,  low compression  set and superior resistance to abrasion and tearing. NFC TS 2009 Pneumatics APDas

31

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

32

16

7/3/2009

• Converts pneumatic energy into  mechanical rotational energy • Types – Piston motors • Clock wise and CCW, max  5000rpm, 1.5 to 20 kW

– Sliding vane motors • Light weight, 3000 to 8500 rpm,  0.1 to 17 kW, used in hand held  tools 

– Gear motors • Up to 44KW

– Turbine motors • Low power, very high speed  500,000 rpm, Ex. Dentist’s drill NFC TS 2009 Pneumatics APDas

• • • • •

33

Direction control valve Non‐Return Valve Pressure control valve Flow control valve Combination valve

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

34

17

7/3/2009

• Direction control valve – The direction control valve controls the  Th di i l l l h passage of air signals by generating,  canceling or redirecting signals • Input/signaling element : As signaling  element the DCV is operated for example , by  roller lever to detect the road position  • Processing element:  P i l t DCV redirects or cancels  DCV di l signals depending on the signal input • Control element: DCV must deliver the  required quantity of air to match the power  component requirement NFC TS 2009 Pneumatics APDas

35

– The valve is described by • Number of ports : 2‐way, 3‐way, 4‐way , etc • Number of position : 2 position, 3 position, etc • Method of actuation of valve: mechanically actuate,  manually actuated, electrically actuated, • Method of return actuation: Spring return , air Return ,  etc

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

36

18

7/3/2009

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

37

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

38

19

7/3/2009

• Working line ISO -5599-3 5599 3

€ Pilot

Lettering System

Port connection

1

P

Pressure port

2, 4

A, B

Working line

3, 5

R, S

Exhaust port

lines Applied signal stops flow from port 1 to port 2

10

z

12

P

Applied signal connects Port 1 and 2

14

A, B

Connects port 1 & 4

R, S

Auxiliary pilot air

81, 91

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

39

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

40

20

7/3/2009

• Different types of actuation – – – – –

Manual  Manual Mechanical Pneumatic Electrical Combined

€

Mechanical

• Manual

NFC TS 2009 Pneumatics APDas

41

21