DOBÓR SSAWEK KROK PO KROKU – OKREŚLENIE SIŁY CHWYTU SSAWKI

Poprzedni artykuł:

To siła z jaką ssawka przywiera do przedmiotu i dzięki niej możemy go unieru­chomić (np. podczas obróbki) lub przenieść - czyli przeciwdziałać sile ciążenia oraz siłom bezwładności, wynikającym z przyspieszeń w ruchu liniowym oraz sił odśrodkowych w ruchach nieliniowych. Wzór na siłę ssania (siłę chwytu ssawki):   
 

F - siła chwytu ssawki [N]
Δp - różnica ciśnienia w ssawce (podciśnienia) względem ciśnienia atm. [Pa]
A - pole powierzchni ssawki (jej części chwytnej [m²]
 

W prosty sposób można obliczyć, jaką masę (ile kg) możemy podnieść konkretną ssawką - znając wartość pola powierzchni ssawki w cm² (np. 48 cm²) i podciśnienia w ssawce, w barach (np. -0,7bar). Przyjmując, że 1kg masy wymaga siły ~10N (9,81N), to maksymalną masę, jaką podniesiemy daną ssawką, szybko oszacujemy ze wzoru:
 

Pole powierzchni części chwytnej ssawki [A] to nie powierzchnia styku ssawki z przed­miotem, ale jej aktywna część - powierzchnia pod ssawką, która nie przylega do gumy ssawki. Przykładowo ssawka mieszkowa z rysunku obok ma średnicę wargi uszczelnia­jącej 27 mm, czyli pokrywa ok. 5,7 cm² przedmiotu, ale po zassaniu aktywna powierzchnia chwytna zostanie zredukowana do wewnętrznego otworu o śr. 14 mm, czyli do powierzchni ok. 1,5 cm².

Dodatkowo ssawka ma na dnie specjalne powierzchnie wsporcze stabilizujące chwyt i zwiększające dokład­ność pozycjonowania.
Te elementy ograniczają powierzchnię chwytną, czyli siłę chwytu ssawki. Jeszcze trudniej jest wyznaczyć pole A ssawki, gdy wewnętrzne powierzchnie wsporcze ssawki są „nietuzinkowe” (patrz na zdjęcie obok - powierzchnie wsporcze pomarańczowej ssawki są w kształcie litery Y). Ssawka może również mieć wewnętrzne, dodatkowe, krawędzie uszczelniające, które również zmniejszają obliczeniową wartości po­wierz­chni chwyt­nej ssawki.

Reasumując. Precyzyjne obli­czenie wartości pola A dla większości ssawek jest trudne (czasem prawie niemożliwe). Możemy natomiast z powodzeniem w miarę dokładnie oszaco­wać tę wartość. W każdym przypadku doboru ssawki do konkretnej aplikacji stosujemy współczynnik bezpieczeństwa, który uwzględnia m.in. tego rodzaju błędy w obliczeniach. Dlatego tak ważne jest, aby szacowanie nie było obarczone błędem większym niż 10 – 15%.
 

Realna i możliwa do uzyskania wartość podciśnienia w ssawce, w kon­kretnej aplikacji, zależy od:

Wybór konkretnego generatora podciśnienia (pompy suchej, olejowej, bocznokanałowej czy eżektora) jest uzależniony od wielu czynników (i nie będziemy ich teraz analizować). Skoncentrujemy się na potrzebie analizy siły chwytu ssawki - na najczęściej rozpatrywanych dwóch wariantach: chwytanie przedmiotów szczelnych oraz przedmiotów przepuszczających powietrze wskrośnie i/lub powierzchniowo. W przypadku produktów szczelnych (głównie ze wzglę­dów ekonomicznych) zakłada się, że w ssawce będzie panowało podciśnienie co najmniej -0,6 bar, a wyzna­czenie siły chwytu ssawki jest proste. Trudności zaczynają się pojawiać, gdy chwytany przedmiot nie może zapewnić szczelności układu próżniowego. W takim przypadku należy przeprowadzić próby, by wyznaczyć właściwą i ekonomicznie uzasadnioną wartość podciśnienia. Szczególnie, gdy bierzemy pod uwagę zużycie energii do wytworzenia zadanej wartości podciśnienia. Każdy generator próżni ma indywidualną charakterystykę wydajności ssania i jedne preferowane są do chwytania przedmiotów szczelnych, gdzie można uzyskać dużą wartość podciśnienia, a inne stosu­je się do chwytania przy relatywnie niskim podciśnieniu, ale za to przy dużych nieszczelnościach. Tak czy inaczej, do oszacowania siły chwytu należy wyznaczyć lub (z doświadczenia) założyć konkretną wartość podciśnienia – możliwą do uzyskania.

Pozostał jeszcze aspekt wahania ciśnienia atmosferycznego, które ma wpływ na konkretną wartość podciśnienia w ssawce. Wartość odchylenia rzeczywistego ciśnienia od normalnego (1013 mbar) w małym stopniu zależy od wahań wywołanych niskim lub wysokim ciśnieniem atmosferycznym. Są to wahania na poziomie 40 – 50 mbar, czyli maksymalnie 5% siły chwytu dla układów pracujących przy dużym podciśnieniu. Nie jest to wartość pomijalna, ale ze względu na to, że układy projektowane są z generatorami, które wytwarzają podciśnienie na wyższym poziomie, niż wartość przyjęta do obliczeń, to jest pewien zapas i tego czynnika zwykle nie trzeba uwzględniać. W wyjątkowych sytuacjach, jak praca urządzenia na dużych wysokościach nad poziomem morza, należy wziąć je pod uwagę. Dla przykładu, gdy na poziomie morza panuje ciśnienie normalne, to już na wysokości 600 m n.p.m. ciśnienie atmosferyczne wynosi 938 mbar, a na wysokości 2000 m n.p.m. to tylko 763 mbar.

Biorąc pod uwagę powyższe wskazówki, można wyliczyć siłę chwytu danej ssawki z przyzwoitą dokładnością. Jednak, jeśli jest tylko taka możliwość - najwygodniej i najprościej jest zdać się na wartość siły chwytu ssawki podanej przez producenta, na podstawie przeprowadzonych przez niego fizycznych testów. Duża część producentów zamieszcza w swoich katalogach wartości siły chwytu dla konkretnych ssawek, lecz są one podawane w różny sposób. Najczęściej siła chwytu podawana jest bez współczynnika bezpie­czeństwa, przy założeniu, że w ssawce uzyska się podciśnienie -0,6 bar. Nie jest to jednak reguła. Są również producenci, którzy np. podają siłę chwytu ssawki dla podciśnienia -0,65 bar ze współ­czynnikiem bezpieczeństwa równym 2. W takim przypadku można szybko przeliczyć tę wartość siły na siłę chwytu ssawki przy -0,6 bar (bez współczynnika bezpieczeństwa, który został już uwzględniony).

Dla wybranych rodzin ssawek producenci podają także siłę zrywania. Jest to siła, która powoduje oderwanie się ssawki od produktu i jest znacząco wyższa od siły chwytu danej ssawki, tylko dla wybranych konstrukcji ssawek. Są to często ssawki mieszkowe lub płaskie z dodatkowymi krawędziami uszczelniającymi. Nie należy tej wartości brać pod uwagę, gdyż po przekroczeniu siły chwytu dla danej ssawki, produkt jest już niestabilnie utrzymywany przez ssawkę - jeszcze nie odpadł, ale już nie można gwarantować poprawnego pozycjonowania i orientacji chwytanego przedmiotu względem manipulatora lub stołu mocującego.
 

Należy uwzględnić orientację ssawki chwytającej produkt względem kierunku grawitacji, czyli w skrajnych przypadkach, czy chwyt jest w poziomie czy w pionie. Dla chwytu w poziomie, wyżej przedstawione  obliczenia są wystarczająco precyzyjne. W przypadku chwytania w pionie, na ssawkę działa poprzeczna siła ciężkości, proporcjonalna do masy chwytanego produktu i przyspieszenia ziemskie­go g. Siła chwytu ssawki musi więc uwzględniać współczynnik tarcia pomiędzy materiałem przed­miotu i tworzywem ssawki:

Dość trudno jest wyznaczyć dokładną wartość współczynnika tarcia pomiędzy materiałem ssawki, a po­wierzchnią chwytanego przedmiotu. Po stronie ssawki są materiały wykazujące duże współczynniki tarcia, lecz nie takie same - nie tylko różnorodność materiałów ma wpływ, a również różna ich twardość i struktura powierzchni przylegania. Ostatnia cecha ma znaczenie przy chwytaniu przedmiotów z zanieczyszczonymi powierzchniami – wilgotne, naolejone bądź nasmarowane powierzchnie mają zdecydowanie niższy współczynnik tarcia. Przykładem są ssawki, w których dzięki specjalnej strukturze powierzchni przylegania można uzyskać istotne zwiększenie współczynnika tarcia nawet dla naolejonych blach. Dedykowane ssawki do blach naolejonych osiągają współczynnik tarcia 0,6 do 0,7 co jest wartością niewiele mniejszą od współczynnika tarcia dla blach suchych.

Pełne oszacowanie współczynnika tarcia dla układu: ssawka a chwytany przedmiot - musi  uwzględniać materiał tego ostatniego. Jest to duża umiejętność, ponieważ chwytamy przedmioty wykonane z setek rodzajów materiałów, a już w zakresie konkretnego materiału mamy różne jego: twardości, gładkości powierzchni i różne jej zanieczyszczenia. Kluczowe jest tutaj doświadczenie (tak, mamy je! J ), wyczucie (umiejętność szacowania) a często też konieczność (i możliwość!) wykonania testów. Z doświadczenia zalecamy, by z ostrożnością szacować współczynnik tarcia dla twardych i gład­kich materiałów (szkło, folie, tworzywa sztuczne – nie tylko teflon).
 

Należy uwzględnić siły wynikające z przyspieszenia w ruchu liniowym i kątowym. W naj­bardziej niekorzystnych przypadkach będą one sumować się z siłą ciężkości i powinny być uwzględnio­ne w obliczeniach.

Dla ruchu liniowego wartość tej siły obliczamy ze wzoru:         

F_p = m ∙ a       

dla ruchu obrotowego siłę odśrodkową obliczamy ze wzoru:   

F_p = m ∙ ω² ∙ r

W zastosowaniach przemysłowych rzadko spotyka się, aby sumowały się siły z przyspieszo­nego ruchu liniowego oraz siły odśrodkowe, do dalszych obliczeń należy uwzględnić większą z nich. Dlatego w tym momencie wzór na siłę chwytną ssawki, dla chwytu w układzie pionowym:

 

F = (∆p ∙ A ∙ µ) - F_p

Ze względu na brak możliwości dokładnego wyznaczenia wartości zmiennych w powyższym równaniu, należy do wzoru dodać współczynnik bezpieczeństwa h, który dla transportu w układzie poziomym wynosi min. 1,5 a w układzie pionowym min. 2. Wówczas, dla naj­mniej korzystnego wariantu pracy chwytaka, gwarantowana siła chwytu ssawki będzie równa:

 

F = [ (∆p ∙ A ∙ µ) - F_p ] / ƞ

ƞ - współczynnik bezpieczeństwa

W praktyce, gdy nie możemy w miarę dokładnie wyznaczyć siły chwytu ssawki, a ruchy manipulatora mają małą dynamikę, korzystamy z większych współczynników bezpieczeństwa (np. dla układu pozio­mego 2÷2,5 a dla układu pionowego 3÷4) i wówczas w obliczeniach pomijamy wpływ siły F_p, a siłę chwytną ssawki odczytujemy z katalogu producenta. W takim przypadku maksymalną masę przemieszczanego ładunku za pomocą n ssawek będzie można oszacować ze wzoru:
 

dla układu poziomego:       
 

m ≅ [ n ∙ F_n ] / [ ƞ ∙ 10 ]

Jeżeli nie będziemy mogli zapewnić odpowiedniej (katalogowej) wartości podciśnienia w ssawce, to jej katalogową siłę chwytu należy obliczyć z proporcji. Dla przykładu, jeżeli producent podaje siłę chwytu konkretnej ssawki na 23,5 N przy -0,65 bar, a w projektowanym układzie można osiągnąć jedynie -0,35 bar podciśnienia - to siłę chwytu obliczymy zgodnie z równaniem:

 

F_n = ( -0,35 bar / -0,65 bar ) ∙ 23,5 N ≈ 12,6 N 

 
I dla przypomnienia na koniec - jeżeli producent podaje siły zrywania (dużo wyższe, dla niektórych konstrukcji ssawek) to mogą być użyte współczynniki bezpieczeństwa o mniejszych wartościach.

dr inż. Andrzej Kocełuch | Manager Działu Techniki Próżniowej 
tel.  601 782 760  |  a.koceluch@arapneumatik.pl