Napędy liniowe 
– rodzaje i zastosowanie

Napędy są to mechanizmy służące do przekazywania energii ruchu z silnika napędowego do napędzanej maszyny. Współczesne napędy, w znakomitej większości elektryczne, są złożone z silnika elektrycznego i mechanizmu pozwalającego na zmianę prędkości obrotowej, względnie na zamianę ruchu obrotowego na ruch postępowy (liniowy). Napędy z tej drugiej grupy przyjęto nazywać napędami liniowymi.

Rozwój napędów liniowych datuje się od przełomu XIX i XX w. Znalazły one powszechne zastosowanie w wielu dziedzinach techniki.

Cechy, działanie, zastosowanie

W zależności od potrzeb w napędach liniowych energia ruchu obrotowego silnika zamieniana jest bezpośrednio na ruch postępowy. W tym wypadku wykorzystuje się cechy charakterystyczne konstrukcji silników asynchronicznych. W wyniku rozwinięcia wirnika i stojana silnika elektrycznego do postaci liniowej powstał napęd liniowy mający zastosowanie w systemach dużych mocy, np. w nowoczesnych napędach jednoszynowych szybkich kolei, charakteryzujący się wysoką sprawnością i stosunkowo łatwą możliwością regulowania prędkości pociągu.

Ruch liniowy maszyny napędzanej może być również uzyskiwany w sposób pośredni – za pośrednictwem energii sprężonego powietrza (napędy pneumatyczne) lub cieczy hydraulicznej (napędy hydrauliczne), za pomocą sprężarek lub pomp hydraulicznych. Liniowe napędy pneumatyczne znalazły zastosowanie w szczególności w przemyśle chemicznym, gdzie pracują w atmosferze wybuchowej. Liniowe napędy hydrauliczne wykorzystuje się w szczególności w konstrukcji koparek, spycharek ładowarek, mających powszechne zastosowanie w budownictwie i w górnictwie.

Napędy liniowe charakteryzują się dużą dynamiką, łatwo nimi sterować, a także tworzyć zespoły o dużej mocy, złożone z kilku połączonych ze sobą silników. Idealnie sprawdzają się w transporcie przemysłowym. Umożliwiają wykonanie wielu operacji: przesuwania, podnoszenia, przerzucania, zaciskania, naciągania, napędzania pras i dozowania materiałów sypkich i płynnych. Poruszają elementami konstrukcyjnymi różnych urządzeń: młotów, pras, młynów, pił tarczowych, przenośników rolkowych lub taśmowych, suwnic, wind, drzwi i bram przesuwnych, różnych urządzeń laboratoryjnych i wielu innych. Napędzają nowoczesne pociągi o dużych prędkościach, unoszone elektromagnetycznie lub elektrodynamicznie. Niedawno naukowcy z Politechniki Warszawskiej opracowali projekt ich wykorzystania w futurystycznych pojazdach PRT (Personal Rapid Transport) – indywidualnej komunikacji miejskiej.

Rodzaje napędów liniowych

Napędy elektryczne

Wśród napędów liniowych najszersze zastosowanie mają elektryczne indukcyjne. Część pierwotna silnika, zasilana z sieci elektrycznej, to induktor, a wtórna to bieżnik. Induktor stanowi ferromagnetyczny rdzeń stalowy, w którego żłobkach znajduje się uzwojenie wytwarzające strumień elektromagnetyczny. Bieżnik natomiast to płaska szyna (na ogół dłuższa niż induktor).

W uzwojeniu induktora dzięki jego liniowej strukturze powstaje pole magnetyczne wędrujące. Indukuje ono prądy w bieżniku. W efekcie oddziaływania tych prądów na pole magnetyczne wędrujące powstaje siła pociągowa wywołująca ruch liniowy części ruchomej silnika, czyli induktora albo bieżnika.

Zalety napędów elektrycznych: prosta konstrukcja, samohamowność (warunkiem jest właściwy dobór siłownika), duża masa, jaką może unieść niewielki stosunkowo siłownik, możliwość jego pozycjonowania.

Napędy liniowe elektryczne są stosowane w elementach przesuwnych robotów przemysłowych i trackerów paneli fotowoltaicznych, a także w kolejnictwie. Rekord prędkości kolei unoszonej na poduszce magnetycznej pobił superszybki japoński Maglev, który 6 kwietnia 2015 r. na torze testowym osiągnął prędkość 603 km/h.

Trudno sobie wyobrazić współczesne procesy produkcyjne bez tego rodzaju napędów. Są w nie wyposażone maszyny, które napełniają i kapslują butelki, ładują i rozdzielają produkty; ważą, układają, dozują i formują elementy. Korzysta z nich nowoczesne rolnictwo. Pracują w układach automatyki umożliwiających precyzyjne przesunięcia i pozycjonowanie w komputerach, drukarkach i w telemechanice. W maszynach rolniczych służą do automatyzacji wszelkich liniowych przesunięć, a w sieczkarniach kontrolują otwieranie i zamykanie ruchomych elementów¹.

Napędy pneumatyczne

Ten rodzaj napędu działa w następujący sposób: dzięki dostarczonej do niego energii elektrycznej wytwarzane jest sprężone powietrze, które za pomocą siłownika pneumatycznego zostaje przekształcone na ruch liniowy. Podobnie jak w przypadku tłoków parowozów, energia, która została wytworzona, umożliwia wykonywanie częstych, powtarzających się ruchów prostoliniowych po krótkim i niezmiennym torze.

Ze względu na budowę dzielą się na:

➡️ dwustronnego działania, gdzie oba suwy robocze są wywoływane przez sprężone powietrze,

➡️ jednostronnego działania, gdzie jeden z suwów roboczych odbywa się dzięki działaniu sprężyny powrotnej umieszczonej w napędzie.

W pneumatyce (ale nie tylko tam) alternatywą są serwonapędy.

Napędy liniowe pneumatyczne są stosowane w pneumatycznych układach napędowych i sterujących jako elementy wykonawcze przetwarzające energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną. Napędzają urządzenia transportowe: podajniki, podnośniki, obrotnice. W samochodach napędzają otwieranie drzwi, w autach ciężarowych – podnoszenie i opuszczanie platformy wyładunkowej. Wykorzystywane są w urządzeniach ratowniczych: przecinakach i rozwierakach, przydają się więc w ratownictwie i wszędzie tam, gdzie nie można zastosować napędów elektrycznych, np. w warunkach zagrożenia wybuchem. W stacjach wysokiego napięcia napędzają wyłączniki wysokiego napięcia.

Zaletą napędów pneumatycznych jest zasilanie powietrzem, bo jest to medium łatwo dostępne i łatwo się przemieszcza. Ponadto są bezpieczne w eksploatacji. Choć sam napęd liniowy pneumatyczny jest tańszy niż elektryczny, jego eksploatacja generuje wysokie straty energii:

➡️ 80% całego poboru energii zużywa się w trakcie wytwarzania sprężonego powietrza w sprężarkach (które są na ogół zasilane prądem elektrycznym), jeszcze zanim powietrze zostanie przetoczone do siłownika i wykona w nim pracę,

➡️ podczas przetaczania powietrza do siłownika.

Pneumatyczne elementy wykonawcze w liniach produkcyjnych są wypierane przez w pełni sterowane siłowniki elektryczne.

Napędy hydrauliczne

O ile udział napędów elektrycznych w produkcji od lat 70. XX w. znacznie wzrósł, a pneumatycznych drastycznie zmalał, użycie napędów hydraulicznych pozostaje na tym samym poziomie. Wciąż stanowią one podstawowy napęd dla robotów o dużych udźwigach, tam gdzie odbywa się szybkie przenoszenie.

W napędach liniowych hydraulicznych energia potrzebna do uruchomienia elementu roboczego jest dostarczana w postaci energii cieczy o podwyższonym ciśnieniu. W układach napędów hydraulicznych są stosowane trzy rodzaje siłowników: dwustronnego działania, różnicowe i jednostronnego działania. Umożliwiają one rozwijanie dużych wartości sił i duże przemieszczenia.

Napędy hydrauliczne poruszają maszyny budowlane (np. elementy ramienia koparki), rolnicze i drogowe. Są elementami wykonawczymi we wtryskarkach, obrabiarkach, tokarkach, frezarkach, szlifierkach², robotach, układach hydraulicznych samolotów, podnośnikach, prasach. Uruchamiają bramy harmonijkowe. W górnictwie stosuje się je do przemieszczania organów urabiających, przesuwania przenośników czy przepychania wozów w prawie wszystkich urządzeniach do mechanizacji robót pomocniczych.

Zalety napędów hydraulicznych: szybki rozruch, bardzo duża prędkość działania, mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, a łatwość zabezpieczenia przed przeciążeniami. Ich wadą jest duży hałas emitowany przez pompę i niebezpieczeństwo wycieków oleju, a to właśnie podczas wycieków z przewodów i na zaworach mają miejsce duże straty energii. Ponadto w napędzie hydraulicznym energia z hamowania nie jest regenerowana, ale robi się upust rozprężonego powietrza. Dla kontrastu, w napędzie elektrycznym energia ta jest akumulowana w obwodzie szyny prądu stałego i wykorzystywana do rozpędzania elementu wykonawczego, a nadmiar energii jest zwracany do sieci elektroenergetycznej.

Kryteria doboru napędu

Przedsiębiorstwa produkujące armaturę przemysłową, o ile to możliwe, pomagają klientom dobierać do konkretnego urządzenia najlepszy rodzaj napędu, dostarczają urządzenie zamawiającemu i szkolą pracowników. Kryteria doboru napędu to:

➡️ dostępne źródła energii i koszt jej wykorzystania do zasilania napędu,

➡️ typ armatury (rodzaj ruchu roboczego, funkcja w instalacji),

➡️ parametry medium w instalacji (ciśnienie, temperatura),

➡️ wymagania wynikające z technologii (prędkość ruchu roboczego),

➡️ opory do pokonania podczas ruchu roboczego (wymagana siła lub moment obrotowy),

➡️ wymagania ze strony układu automatyki (sterowanie miejscowe, zdalne, współpraca z innymi elementami systemu),

➡️ inne elementy, wynikające np. z wymagań inwestora czy użytkownika.

Ostateczny dobór i podłączenie napędu powinni wykonać doświadczeni specjaliści, by uniknąć wadliwego działania układu i zniszczenia kosztownej maszyny.

Precyzja działania

Urządzenia wykonawcze z napędami liniowymi można zazwyczaj kwalifikować do dwóch lub trzech klas (poziomów) dokładności:

➡️ komercyjnej (najniższa),

➡️ standardowej,

➡️ precyzyjnej (najwyższa).

Dokładność napędów należących do poszczególnych klas ocenia się, analizując i porównując dane techniczne, jakie podają producenci, a dotyczące: dokładności i powtarzalności pozycjonowania, równoległości biegu napędu oraz dopuszczalnych luzów i momentu startowego. O dokładności i poprawności funkcjonowania napędów liniowych decydują przede wszystkim poprawnie wykonane szyny prowadnic i przekładnie, wpływające bezpośrednio na płynność ruchu ruchomego bloku oraz śruby ślimakowej wraz z nakrętką kulkową. Jest to szczególnie ważne w przypadku małych napędów, gdzie skutkiem nawet niewielkich luzów czy odchyłek ustawienia kulek w mechanizmie przekładni może być znaczna niedokładność pracy napędu, szybkości reakcji i pozycjonowania.

Jeżeli w rowkach (torach) wiodących kulek występują nawet najmniejsze luzy, to mogą one poruszać się w różnych kierunkach i wtedy pogarsza się dokładność pozycjonowania. Dlatego tak ważne jest stosowanie układów przeniesienia napędu z rowkami kulkowymi zapewniającymi nie dwa, ale cztery punkty styku kulki z powierzchnią rowka. Chodzi o rowki w kształcie łukowym (tzw. łuk gotycki). Tam ryzyko wystąpienia luzów praktycznie nie istnieje. Te układy są zalecane do stosowania tam, gdzie oczekuje się najwyższej precyzji działania napędów liniowych³.

Podsumowanie

Napęd liniowy elektryczny jest rozwiązaniem ekonomicznym i ekologicznym. Jest bardziej wydajny niż napędy pneumatyczne i hydrauliczne, a także prostszy w montażu, bo nie wymaga zastosowania np. specjalistycznych przewodów i zaworów doprowadzających płyn. Opłaca się go używać przede wszystkim tam, gdzie konieczna jest duża dynamika i precyzja ruchów. W przypadku napędów małej mocy, szczególnie w atmosferze wybuchowej, rozwiązaniem bardzo opłacalnym jest wykorzystanie napędów pneumatycznych.

Napędy elektryczne są bardziej przyjazne dla środowiska niż pneumatyka i hydraulika – ograniczają pobór energii oraz poziom emisji dwutlenku węgla nawet o 90% w stosunku do napędów pneumatycznych i hydraulicznych. Sprawnie pracują z wysoką częstotliwością i są trwałe: ich trwałość to średnio kilka miliardów skoków, do momentu wystąpienia awarii.

Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą  branżową.

1. K. Kunka, „Siłowniki elektryczne w maszynach rolniczych”, AutomatykaOnline.pl, 18.01.2016 [dostęp: 2.10.2017], http://automatykaonline.pl/Artykuly/Technika-napedowa/Silowniki-elektryczne-w-maszynach-rolniczych.

2. E. Zbierajewska, „Napędy”, UtrzymanieRuchu.pl, 14.11.2010 [dostęp: 2.10.2017], https://www.utrzymanieruchu.pl/menu-gorne/artykul/
   article/napedy/.

3. Na podst.: N. Yamaguchi, pod red. dr. inż. A. Ożadowicza, „Wybór napędu liniowego małej mocy”, UtrzymanieRuchu.pl, 22.10.2009 [dostęp: 2.10.2017], https://www.utrzymanieruchu.pl/index.php?id=47&no_cache=1&tx_ttnews[tt_news]=3841&cHash=d84e6f0aee&type=98.