空気圧および空気圧システムの基礎

空気圧および空気圧システムの基礎

空気圧は、機械的作業の実行における技術として長い間重要な役割を果たしてきました。また、自動化ソリューションの開発にも使用されています。空気圧システムは油圧システムに似ていますが、これらのシステムでは、油圧作動油の代わりに圧縮空気が使用されます。

空気圧システムは、圧縮空気を使用してエネルギーを伝達および制御するシステムです。空気圧システムは、さまざまな業界で広く使用されています。ほとんどの空気圧システムは、それらを機能させるために圧縮空気の一定の供給に依存しています。これは、エアコンプレッサーによって提供されます。コンプレッサーは大気から空気を吸い込み、レシーバーと呼ばれる高圧タンクに貯蔵します。この圧縮空気は、一連のパイプとバルブを介してシステムに供給されます。

「プネウマ」という言葉は空気を意味します。空気圧とは、圧縮空気を使用して作業を行うことです。圧縮空気とは、圧縮によって体積が減少し、圧力が上昇する大気からの空気のことです。通常、6kg /sqmmから8kg/sqmmの圧力で作動媒体として使用されます。空気圧システムを使用する場合、最大50kNの力を発生させることができます。コントロールの作動は、手動、空気圧、または電気で行うことができます。圧縮空気は、主にピストンやベーンに作用して仕事をするために使用されます。このエネルギーは、鉄鋼業界の多くの分野で使用されています。

空気圧システムの利点

空気圧システムは、自動機械の駆動のためにさまざまな業界で広く使用されています。空気圧システムには多くの利点があります。

• 高い効果–圧縮空気を生成するために、大気中に無制限の空気が供給されます。また、大量に簡単に保管できる可能性もあります。圧縮空気はパイプを介して簡単に輸送できるため、距離による制限はありません。使用後、圧縮空気は処理せずに直接大気中に放出できます。
• 高い耐久性と信頼性–空気圧システムのコンポーネントは非常に耐久性があり、簡単に損傷することはありません。電動コンポーネントと比較して、空気圧コンポーネントはより耐久性と信頼性があります。
• シンプルな設計–空気圧システムコンポーネントのデザインは比較的シンプルです。したがって、これらは単純な自動制御システムでの使用に適しています。直線運動や角度回転運動など、シンプルで連続的に可変の動作速度での運動を選択できます。
• 過酷な環境への高い適応性–他のシステムの要素と比較して、圧縮空気は高温、ほこり、腐食性環境などの影響を受けにくいため、過酷な環境に適しています。
• 安全面–空気圧システムは、火災や爆発を引き起こすことなく可燃性環境で動作できるため、電気自動車システムよりも安全です。それとは別に、空気圧システムの過負荷は、スライドまたは操作の停止につながるだけです。起電システムのコンポーネントとは異なり、空気圧システムのコンポーネントは、過負荷時に燃焼したり、過熱したりすることはありません。
• 速度と圧力の簡単な選択–空気圧システムの直線運動と振動運動の速度は調整が簡単で、いくつかの制限があります。圧縮空気の圧力と量は、圧力調整器で簡単に調整できます。
• 環境にやさしい–空気圧システムの操作は汚染物質を生成しません。空気圧システムは環境的にクリーンであり、適切な排気処理を行うことで、クリーンルームの基準に合わせることができます。したがって、空気圧システムは、高レベルの清浄度が要求される環境で機能します。一例として、集積回路の生産ラインがあります。
• 経済的–空気圧システムのコンポーネントは高価ではないため、空気圧システムのコストは非常に低くなります。さらに、空気圧システムは非常に耐久性があるため、メンテナンスのコストは他のシステムよりも大幅に低くなります。

空気圧システムの制限

空気圧システムには多くの利点がありますが、いくつかの制限もあります。これらの制限を以下に示します。

• 比較的精度が低い–空気圧システムは圧縮空気によって提供される力によって駆動されるため、その動作は圧縮空気の量に左右されます。圧縮または加熱すると空気の量が変化する可能性があるため、システムへの空気の供給が正確でなく、システム全体の精度が低下する可能性があります。
• 低負荷–空気圧システムで使用されるシリンダーはそれほど大きくないため、空気圧システムは重すぎる負荷を駆動できません。
• 使用前に必要な処理–水蒸気やほこりがないことを確認するために、使用前に圧縮空気を処理する必要があります。そうしないと、空気圧コンポーネントの可動部品が摩擦によりすぐに摩耗する可能性があります。
• 不均一な移動速度–空気は簡単に圧縮されるため、ピストンの移動速度は比較的不均一です。
• ノイズ–ノイズは通常、圧縮空気が空気圧コンポーネントから放出されるときに発生します。

空気圧システムのコンポーネント

空気圧シリンダー、ロータリーアクチュエーター、およびエアモーターは、材料の保持、移動、成形、および処理のために、ほとんどの空気圧システムに力と動きを提供します。これらのアクチュエータを操作および制御するには、圧縮空気を準備するためのエアサービスユニットや、アクチュエータの圧力、流れ、および移動方向を制御するためのバルブなど、他の空気圧コンポーネントが必要です。基本的な空気圧システムは、次の2つの主要なセクションで構成されています。

• 圧縮空気の生産、輸送、および流通システム
• 圧縮空気消費システム

圧縮空気の生産、輸送、および流通システムの主要コンポーネントは、空気圧縮機、電気モーターおよびモーター制御センター、圧力スイッチ、逆止弁、貯蔵タンク、圧力計、自動排水、空気乾燥機、フィルター、空気潤滑装置、パイプラインで構成されています。 、およびさまざまなタイプのバルブ。空気消費システムの主なコンポーネントは、吸気フィルター、コンプレッサー、エアテイクオフバルブ、オートドレン、エアサービスユニット、方向制御バルブ、アクチュエーター、およびスピードコントローラーで構成されています。空気圧システムの基本的なコンポーネントを図1に示します。

図1空気圧システムの主要コンポーネント

エアフィルターとも呼ばれる吸気フィルターは、空気から汚染物質をろ過するために使用されます。

エアコンプレッサーは、電気モーターまたは燃焼モーターの機械的エネルギーを圧縮空気の位置エネルギーに変換します。圧縮空気システムで使用されるコンプレッサーにはいくつかの種類があります。圧縮空気の生成に使用されるコンプレッサーは、必要な最大供給圧力と必要な空気の流量に基づいて選択されます。圧縮空気システムのコンプレッサーのタイプは、（i）ピストンまたは往復コンプレッサー、（ii）ロータリーコンプレッサー、（ iii）遠心圧縮機、および（iv）軸流圧縮機。往復圧縮機は、（i）単段または二段ピストン圧縮機、および（ii）ダイヤフラム圧縮機です。ロータリーコンプレッサーは、（i）スライディングベーンコンプレッサーと（ii）スクリューコンプレッサーです。

電気モーターは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。エアコンプレッサーを駆動するために使用されます。

コンプレッサーからの圧縮空気は、エアレシーバーに貯蔵されます。エアレシーバーの目的は、コンプレッサーからの脈動流をスムーズにすることです。また、空気が冷えて、存在する水分を凝縮するのにも役立ちます。エアレシーバーは、コンプレッサーから供給されるすべての空気を保持するのに十分な大きさである必要があります。パイプ内の圧力損失を補うために、レシーバー内の圧力はシステムの動作圧力よりも高く保持されます。また、レシーバーの大きな表面積は、圧縮空気からの熱を放散するのに役立ちます。

空気圧システムを十分に作動させるには、圧縮空気を洗浄して乾燥させる必要があります。大気はほこりや煙で汚染されており、湿気があります。これらの粒子はシステムコンポーネントの摩耗を引き起こす可能性があり、湿気の存在は腐食を引き起こす可能性があります。したがって、これらの不純物を取り除くために空気を処理することが不可欠です。さらに圧縮運転中は気温が上昇します。したがって、圧縮空気の温度を下げるためにクーラーが使用されます。空気中の水蒸気または水分は、セパレーターまたはエアドライヤーを使用して空気から分離されます。

空気処理は3つの段階に分けることができます。第一段階では、大きなサイズの粒子が吸気フィルターによって空気圧縮機に入るのを防ぎます。コンプレッサーを出る空気は湿気があり、高温になっている可能性があります。コンプレッサーからの圧縮空気は、第2段階で処理されます。この段階では、クーラーを使用して圧縮空気の温度を下げ、ドライヤーを使用して空気を乾燥させます。

空気乾燥システムは、吸着タイプ、吸収タイプ、冷凍タイプ、または半透膜を使用するタイプにすることができます。また、存在する汚染粒子を除去するためにインラインフィルターが提供されています。この処理は一次空気処理と呼ばれます。二次空気処理プロセスである第3段階では、さらにフィルタリングが実行されます。

シリンダーとバルブの可動部分の潤滑は、空気圧システムでは非常に重要です。この目的のために、圧縮空気ルブリケーターが空気圧機器の前に使用されます。ルブリケーターは、圧縮空気にオイルの細かい霧を導入します。これは、圧縮空気が適用されるシステムの可動コンポーネントの潤滑に役立ちます。正しいグレードの潤滑油は、通常、動粘度が約20〜50センチストークスです。

コントロールバルブは、方向の流れや圧力などを調整、制御、監視するために使用されます。コントロールバルブの主な機能は、上流の圧力の変動に関係なく、エアラインの下流の圧力を一定に保つことです。圧縮空気の流れは高速であるため、レシーバーと負荷（アプリケーション）の間には流れに依存した圧力降下があります。したがって、レシーバー内の圧力は常にシステム圧力よりも高く保たれます。アプリケーションサイトでは、圧力を一定に保つように調整されます。局所的な圧力を制御する方法は3つあります。以下に示します。

• 最初の方法では、負荷が空気を継続的に大気に放出します。圧力調整器は、負荷への空気の流れを制限し、空気圧を制御します。このタイプの圧力調整では、レギュレーターを操作するために最小限の流量が必要です。負荷が空気を吸い込まない行き止まりタイプの場合、レシーバー内の圧力はマニホルド圧力まで上昇します。これらのタイプのレギュレーターは、空気が負荷を通過する必要があるため、「非緩和レギュレーター」と呼ばれます。
• 2番目のタイプでは、負荷は行き止まりの負荷です。ただし、レギュレーターは空気を大気に放出して圧力を下げます。このタイプのレギュレーターは「リリーフレギュレーター」と呼ばれます。
• 3番目のタイプのレギュレーターは、非常に大きな負荷がかかります。したがって、その風量の要件は非常に高く、単純なレギュレーターを使用して満たすことはできません。このような場合、圧力トランスデューサ、コントローラ、およびベントバルブで構成される制御ループが使用されます。負荷が大きいため、システム圧力が臨界値を超える可能性があります。トランスデューサーによって検出されます。次に、信号は、空気を排出するためにバルブを開くように指示するコントローラーによって処理されます。この手法は、圧力調整が必要なポイントの近くに圧力調整バルブを取り付けることが難しい場合にも使用されます。

エアシリンダーとモーターは、空気圧システムの機械要素の必要な動きを得るために使用されるアクチュエーターです。アクチュエータは、圧縮空気からのエネルギーを必要なタイプのアクションまたはモーションに変換する出力デバイスです。一般に、空気圧システムは、さまざまな業界でグリップおよび/または移動操作に使用されます。これらの操作は、アクチュエータを使用して実行されます。アクチュエータは、（i）空気エネルギーを線形運動に変換する線形アクチュエータ、（ii）空気エネルギーを回転運動に変換する回転アクチュエータ、および（iii）流量制御バルブを操作するアクチュエータの3つのタイプに分類できます。気体、蒸気、液体などの流体の流れと圧力を制御します。油圧式と空気圧式のリニアアクチュエータの構造は似ています。ただし、動作圧力範囲が異なります。油圧シリンダーの一般的な圧力は約100kg/ sq mmで、空気圧シリンダーの圧力は約10 kg /sqmmです。

圧縮空気の分配

良好な性能を達成するには、圧縮空気を適切に分配することが非常に重要です。確認する必要のある重要な要件は次のとおりです。

• 対角線上にある反対側のコーナーに適切な数の排水バルブを備えた配管レイアウト（開ループまたは閉ループ）
• 配管設計には、特定の流量に対する配管の直径、圧力損失、継手の数と種類、絶対圧力などの重要なパラメータがあります
• コンプレッサーからのメイン水平ヘッダーの勾配（通常は1:20）
• 水平ヘッダーの上部から枝を外すのはUまたは45度です
• すべての垂直ヘッダーの下部に排水コックを備えたアキュムレータの提供
• 垂直ヘッダーに直角に接続されたエアサービスユニット

すべての主要な空気圧コンポーネントは、単純な空気圧記号で表すことができます。各記号は、それが表すコンポーネントの機能のみを示し、その構造は示していません。空気圧記号を組み合わせて、空気圧図を作成できます。空気圧図は、各空気圧コンポーネント間の関係、つまりシステムの設計を示しています。空気圧システムの典型的な図を図2に示します。

図2空気圧システムの一般的な図

空気圧回路を分析または設計するときは、次の4つの重要な考慮事項を考慮する必要があります

• 操作の安全性
• 目的の機能のパフォーマンス
• 操作の効率
• コスト

空気圧システムの適用

空気圧システムにはいくつかの用途があります。それらのいくつかは、空気圧プレス、空気圧ドリル、空気、水または化学物質のシステムバルブの操作、ホッパーとビンの荷降ろし、工作機械、空気圧ランマー、物体の持ち上げと移動、スプレー塗装、ジグと固定具の保持、ろう付けまたは溶接、成形操作、リベット締め、プロセス機器の操作など。