Das Wort „Pneuma“ stammt aus dem Griechischen und kennzeichnet das Wehen des Windes, den Hauch oder den Atem. Die Pneumatik befasst sich ausschließlich mit der Druckluft. Sie hat aber ihre Basis in der Lehre von der Mechanik der gasförmigen Körper. Luft ist ein Gasgemisch. In der Druckweiterverarbeitung wird mit Luft geringen Überdrucks gekühlt, erwärmt und getrocknet. Mittels Luft werden Papierbogen getrennt und angesaugt. Papierstapel gleiten auf Luftkissen. Diese Lufttechnik spielt in der Druckweiterverarbeitung eine so wichtige Rolle, dass wir uns auch mit ihr und nicht nur mit dem Druckluft-Spezialgebiet Pneumatik befassen wollen. Die in der Lufttechnik auftretenden Naturgesetze gelten auch in der Pneumatik. Es gibt bereits Druckluftvorrichtungen, die wirtschaftlicher und besser arbeiten als hydraulische. Luft steht überall auf der Erde unbegrenzt zur Verfügung. Druckluft muss nicht zurückgeführt werden. Man kann sie ins Freie ablassen. Druckluft ist umweltfreundlich, sauber, schnell und explosionssicher.
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Die Pneumatik beschäftigt sich mit Druckluft. Das Wort Pneuma kommt aus dem Griechischen. Es bedeutet Wind, Hauch, Atem.
Grundlage für die Pneumatik ist die Mechanik der gasförmigen Körper. Luft ist ein Gasgemisch.
Die Pneumatik ist Teil der Luft-Technik, es gelten die gleichen Naturgesetze. Luft-Technik ist sehr wichtig in der Druckweiterverarbeitung.
Manche Druckluft-Vorrichtungen arbeiten besser und wirtschaftlicher als hydraulische Vorrichtungen
Luft ist ein Gemisch aus Gasen, das zu 78% aus Stickstoff und zu 21% aus Sauerstoff besteht. Den Rest bilden Edelgase, Kohlendioxyd, Wasserdampf, Staub und Schwefelverbindungen. Luft ist beinahe tausendmal leichter als Wasser. Ein Liter Luft hat im Normalzustand, also nicht zusammengepresst, in Meereshöhe und bei Null Grad Celsius eine Gewichtskraft von 1,293 Gramm. Schon vor Jahrtausenden merkte der Mensch, dass mittels Luft Feuer entfacht und unterhalten werden kann. Er nutzte schon frühzeitig den Wind. Die alten Ägypter und Phönizier rüsteten ihre Schiffe mit Segeln aus. Die Perser trieben ihre Mühlen mit Windrädern an.
Luft ist ein Gemisch aus Gasen und besteht aus:
Luft ist sehr leicht, 1000 Mal leichter als Wasser.
1 Liter Luft = 1,293 Gramm in Meereshöhe, bei 0° Grad Celsius.
Schon vor vielen Tausend Jahren nutzten Menschen Luft für verschiedene Aufgaben: Feuer anzünden, Windräder von Mühlen, Segelschiffe.
Im Gegensatz zu den festen und flüssigen Körpern lässt sich Luft auf einen erheblich kleineren Raum zusammendrücken. Luft nimmt bei einer Verdoppelung des Drucks nur noch den halben Rauminhalt ein. Wasser kann dagegen wie alle Flüssigkeiten nur um einige Tausendstel seines Rauminhalts zusammengepresst werden. Luft ist elastisch. Wenn der Druck zurückgeht, dehnt sich die Luft von selbst wieder aus. Wie jedes Gas hat Luft das Bestreben, den Raum auszufüllen. Nach den Erkenntnissen der Wissenschaft müssen wir uns vorstellen, dass die Teilchen der Luft sich mit der Geschwindigkeit von etwa 500 Meter je Sekunde im Raum bewegen. Befindet sich Luft in einem geschlossenen Zylinder, dann prallen die Luftmoleküle auch gegen die Innenwände des Zylinders und üben dadurch Druck auf diese Wände aus. Wenn man den Rauminhalt dieses Zylinders verkleinert – zum Beispiel durch Hineindrücken eines Kolbens –, dann erhöht die Luft ihre nach außen wirkende Kraft. Die Luftmoleküle treffen nämlich auf eine kleinere Fläche.
Beispiel:
Wenn man bei Luft den Druck verdoppelt, dann verkleinert sich der Rauminhalt der Luft auf die Hälfte. Wenn man bei Wasser den Druck erhöht, dann verkleinert sich der Rauminhalt des Wassers nur sehr wenig.
Wenn der Druck kleiner wird, dehnt sich die Luft von selbst wieder aus. Luft will den Raum ausfüllen, so wie jedes Gas.
Wenn Luft in einem Zylinder ist, dann stoßen die Luftmoleküle (= Luft-Teilchen) gegen die Innenwände des Zylinders und es entsteht Druck auf die Innenwände.
Beispiel:
Wenn man einen Kolben in den Zylinder drückt, dann verkleinert sich der Rauminhalt im Zylinder und der Druck der Luft wird größer. Grund: Die Luftmoleküle treffen auf eine kleinere Fläche.
Das Pascalsche Gesetz von der gleichmäßigen Verteilung des Drucks gilt nicht nur für Flüssigkeiten, sondern sinngemäß auch für Gase und Gasgemische: „Wird gegen eine allseitig abgeschlossene Luftmenge ein Druck ausgeübt, dann pflanzt sich dieser Druck in der Luft nach allen Seiten gleichmäßig fort.“ Die Maßeinheit für den Druck, das Pascal, ist eine sehr kleine Einheit. Da sich dadurch auf manchen Gebieten der Technik große, unhandliche Zahlen ergeben, verwendet man häufig das Bar (Einheitszeichen bar) und das Millibar (Einheitszeichen mbar).
Gas und Gas-Gemische verteilen den Druck gleichmäßig, genauso wie Flüssigkeiten.
Die Maßeinheit für den Druck ist Pascal (Pa). Pascal ist eine sehr kleine Einheit.
Für die Berechnung von hohem Druck verwendet man oft die Einheiten Bar (bar) und Millibar (mbar).
1 bar = 105 Pa
Verdichter sind Vorrichtungen, die Gase und Gasgemische bewegen oder verdichten. Luft ist ein Gasgemisch. Drei Arten von Verdichtern sind zu unterscheiden: Lüfter, Gebläse und Kompressoren. Die Leistung der Lüfter und Gebläse liegt vorwiegend in der Luftmenge, die sie bewegen. Sie wird in Kubikmeter je Minute angegeben. Die Steigerung des Luftdrucks reicht beim Lüfter bis zu 10 Prozent, beim Gebläse bis zu 30 Prozent. Die Kompressoren dagegen leisten bis zu 1000 Prozent Drucksteigerung, also zum Beispiel von 1 bar auf 10 bar. Lüfter kühlen Motoren, Maschinen und Werkzeuge. Es gibt Radial-Lüfter und Axial-Lüfter. Der Radial-Lüfter schleudert die Luft mit dem Schaufelrad seitwärts, also in die Verlängerungsrichtung des Schaufelradradius. Radial-Lüfter kühlen Elektromotoren. Ein Beispiel dafür bietet elektrische Handbohrmaschine. Während des Bohrens wird der Motor heiß. Wenn er nicht laufend gekühlt wird, verschmoren die Isolierschichten der Spulendrähte. Kurzschlüsse sind die Folge. Sie zerstören den Elektromotor. Um das zu verhüten, ist die Bohrmaschine mit dem Schaufelrad ausgerüstet.
Der Axial-Lüfter befördert den Luftstrom parallel zur Drehachse des Schaufelrades.
Verdichter bewegen oder verdichten Gase und Gas-Gemische (z.B. Luft).
Man unterscheidet 3 Arten von Verdichtern: Lüfter, Gebläse und Kompressoren.
Ihre Leistung wird in Kubikmeter je Minute (m3/min) gemessen.
Verdichter | Luftdruck wird erhöht bis … |
Lüfter | 10 % |
Gebläse | 30 % |
Kompressor | 1000 % (= von 1 bar auf 10 bar) |
Lüfter kühlen Motoren, Maschinen und Werkzeuge. Man unterscheidet Radial-Lüfter und Axial-Lüfter.
Der Radial-Lüfter schleudert die Luft mit dem Schaufelrad nach den Seiten. Radial-Lüfter kühlen Elektro-Motoren.
Die Luft strömt parallel in Richtung der Achse des Schaufelrades.
Beim Bohren wird der Motor heiß. Wenn er nicht dauernd gekühlt wird, verschmoren die Isolierschichten der Spulendrähte. Es gibt einen Kurzschluss und der Elektro-Motor geht kaputt. Damit das nicht passiert, hat die Bohrmaschine ein Schaufelrad.
Pneumatikventile sperren und öffnen die Luftwege. So vielfältig, wie die Anwendungsarten der Pneumatik sind, so vielfältig sind auch die Arten ihrer Ventile. Nach dem im Ventil beweglichen Verschlusskörper unterscheidet man Teller-, Kugel- und Kegelventile. Nach ihrer Wirkungsweise werden die Ventile in Wege-, Rückschlag-, Druck- und Drosselventile eingeteilt.
Die Wegeventile sperren oder öffnen den Luftströmen einen oder mehrere Durchflusswege. Es gibt Wegeventile, die sich öffnen, wenn der Einlassdruck höher ist als der Auslassdruck, bei anderen ist es umgekehrt.
Das Rückschlagventil gestattet den Durchfluss nur in einer Richtung.
Das Druckventil regelt den Druck. Es öffnet sich, wenn der Druck eine vorgegebene Grenze übersteigt. Es schließt sich, wenn der Druck zu stark abfällt.
Das Drosselventil verringert die Menge des Luftstroms. Von dieser Menge hängt die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in den Pneumatikzylindern ab. In den Anlegeapparaten der Falzmaschinen stellt man mit dem Drosselventil die Stärke der Blas- und Saugluft ein.
Ventile sperren und öffnen die Wege für die Luft. Man unterscheidet Ventile nach Form des Verschlusses und nach ihrer Wirkung.
Teller-Ventile, Kugel-Ventile, Kegel-Ventile.
Wege-Ventile, Rückschlag-Ventile, Druck-Ventile, Drossel-Ventile.
Sie sperren oder öffnen Wege für die Luft. Manche Wege-Ventile öffnen sich, wenn der Einlass-Druck größer ist als der Auslass-Druck, andere Ventile öffnen sich, wenn der Auslass-Druck größer ist als der Einlass-Druck.
Luft fließt nur in eine Richtung.
Sie regeln den Druck. Wenn der Druck zu hoch ist, öffnet das Ventil. Wenn der Druck niedrig ist, schließt das Ventil.
Sie verringern (drosseln) den Luftstrom. Drossel-Ventile gibt es in Pneumatik-Zylindern. Sie regulieren die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung. In Falzmaschinen regulieren Drossel-Ventile die Stärke der Blas- und Saugluft am Trennkopf.
Hohe Drücke lassen sich mit Kolbenverdichtern erreichen. In einem Zylinder ist ein abgedichteter Kolben verschiebbar gelagert. Der einfachste Kolbenverdichter ist die Fahrradluftpumpe.
Mit Kolbenverdichtern kann man sehr hohe Drücke erzeugen.
Funktionsweise: In einem geschlossenen Zylinder bewegt sich ein Kolben.
Beispiel für einen einfachen Kolbenverdichter: Luftpumpe für das Fahrrad.
Besonders hohe Drücke werden mit dem Kompressor erreicht, der als Kolbenpumpe arbeitet. Die Kurbel im Grundgestell wird von außen durch einen Elektromotor angetrieben. Dadurch bewegt sich der Kolben im Zylinder wechselweise nach oben und nach unten. Während seiner Abwärtsbewegung saugt er Luft an. Im Zuge seiner Aufwärtsbewegung presst er die Luft zusammen und dann aus dem Zylinder heraus. Die Wirkungsweise der beiden Ventile ist folgendermaßen: Das Einlassventil ist geöffnet, das Auslassventil geschlossen. Durch das geöffnete Einlassventil wird Luft angesaugt. Im Saugluftkanal entsteht ein Sog. Ansaug- und Ausstoßvorgang wiederholen sich wechselweise schnell hintereinander. Sie erzeugen einen pulsierenden Saugluft- und einen Blasluftstrom.
Bogenanlegeapparate benötigen die Blasluft für das Auflockern und Trennen der Bogen. Mittels der Saugluft werden die Bogen dem Anlegetisch zugeführt. Um einen gleichmäßigen Druckluftstrom zu gewinnen, leitet man die vom Kompressor kommenden pulsierenden Luftstöße in einen Druckluftbehälter. Er glättet die Stöße, stabilisiert die Druckluftversorgung und bildet die Druckluftreserve. Der Kompressor ist durch ein Druckventil mit dem Druckluftbehälter verbunden. Sobald der Luftdruck im Behälter den eingestellten oberen Grenzwert erreicht hat, schaltet ein Regler den Kompressor ab. Sobald der Luftdruck den unteren Grenzwert unterschreitet, tritt der Kompressor automatisch wieder in Tätigkeit.
Mit Kompressoren (=Verdichter) kann man sehr hohen Druck erzeugen.
Kompressoren arbeiten wie eine Kolbenpumpe. Ein Elektromotor treibt die Kurbel an. Dadurch bewegt sich der Kolben im Zylinder abwechselnd nach oben und nach unten. Bei der Bewegung nach unten saugt der Kolben Luft an. Bei der Bewegung nach oben presst der Kolben die Luft zusammen und aus dem Zylinder heraus.
Das Einlass-Ventil ist geöffnet und das Auslass-Ventil ist geschlossen: Durch das geöffnete Einlass-Ventil wird Luft angesaugt. Im Saugluft-Kanal entsteht ein Sog .
Luft-Ansaugen (= Saugluft) und Luft-Ausstoßen (= Blasluft) wiederholen sich abwechselnd und sehr schnell hintereinander.
Abb. 2.3-18: Kompressor. K = Kolben, E = Einlass-Ventil, A = Auslass-Ventil, S = Saugluft-Kanal, B = Blasluft-Kanal, R = Kühlrippen
Abb. 2.3-19: Abb 2.3.-20:
Der Kolben bewegt sich nach unten Der Kolben bewegt sich nach oben und
und saugt Luft an presst die Luft in die Blasluft-Leitung
Kompressor und Druckluft-Behälter sind durch ein Druck-Ventil miteinander verbunden. Im Behälter ist ein oberer und ein unterer Grenzwert eingestellt. Sobald der Luftdruck den oberen Grenzwert erreicht, schaltet ein Regler den Kompressor ab. Sobald der Luftdruck den unteren Grenzwert erreicht, schaltet ein Regler den Kompressor an.
Mit der Saugluft werden die Bogen am Anlegetisch (= Anleger) angesaugt.
Mit der Blasluft werden die Bogen aufgelockert und getrennt.
Der Druckluftstrom soll gleichmäßig sein. Deshalb leitet man die Luftstöße, die vom Kompressor kommen, in einen Druckluft-Behälter. Im Behälter werden die Luftstöße ausgeglichen. Die Versorgung mit Druckluft wird stabilisiert. Die Druckluft wird gespeichert.
Mittels Blas- und Saugluft trennt der Bogenanlegeapparat die einzelnen Bogen vom Papierstapel. Oben auf der Stapelwand der Maschine sitzt der Blasluftkanal mit den Blasluftdüsen. Diese richten ihre Luftströme gegen die oberen Papierlagen des Stapels. Die beiden unteren Düsen lockern und trennen die Bogen so voneinander, dass ihre Vorderkanten den Saugern entgegenspringen. Die oberste Düse richtet ihren Luftstrahl gegen die Unterseite des angesaugten Bogens und verhindert damit das Zurückfallen des angesaugten Bogens.
Richtiges Einstellen des Anlegers.
Für das einwandfreie Arbeiten des Anlegers ist es notwendig, vier Vorgänge zu beachten: Blasluft, Saugluft, Kippung und Stapeltransport. Die Stärke der Blasluft hängt ebenso wie die Saugluft von der Dicke und dem Gewicht des jeweils zu verarbeitenden Papiers ab. Die Blasluft soll die Bogen zwar gut auflockern, sie aber nicht über die oberste Düsenreihe hinwegdrücken. Die Saugluft muss die Bogen zwar sicher ansaugen und festhalten, sie darf aber nicht so stark sein, dass sie zwei oder noch mehr Bogen heranzieht und dadurch Stopper verursacht. Kippung und Stapeltransport: Die Kippung ist jene Kippbewegung, die von den Saugern nach dem Ansaugen des Bogens ausgeführt wird. Die vordere Bogenkante wird angehoben, damit die Blasluftgut unter den Bogen gelangt. Der Stapeltransport bringt den Stapeltisch schrittweise so nach oben, dass die Stapeloberfläche immer das Niveau behält, das für die Bogentrennung und Bogenübernahme nötig ist. Viel Sorgfalt und technisches Können sind notwendig, um alle vier Vorgänge richtig aufeinander abzustimmen.
Luftkissen schützen vor Beschädigungen.
Heute werden häufig leichte und dünne Papiere verarbeitet. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an die Druckweiterverarbeitung. Eine ausgereifte Lufttechnik und zuverlässige Einstellung der Luftströme bewirken die sichere Führung des Papiers. Wenn ein Papierbogen die Bedruck- oder Lackierzone einer Maschine durchlaufen hat, ist die aufgetragene Schicht sehr berührungsempfindlich. In solchen Fällen haben sich Luftpolster bewährt, die durch Luftströme gebildet werden, die die Oberfläche vor Beschädigungen schützen.
Luft macht schwere Papierstapel leicht.
Schwere Papier- und Kartonstapel lassen sich auf Lufttischen mühelos bewegen. Der Lufttisch der Schneidemaschine erleichtert erheblich die Handhabung der Stapel. Der Tisch einer Schneidemaschine hat kleine dunkle Kreise. Das sind die Köpfe der Kugelventile. Ihre Kugeln markieren sich in Kreismitte als helle Punkte. Die Kugeln verschließen die Ventilöffnungen und ragen geringfügig über die Tischebene hinaus. Wenn dann ein Papierstapel auf den Lufttisch gelangt, drückt er mit seinem Gewicht die Kugel nach unten. Dadurch wird der Weg für die Gebläseluft frei. Diese strömt an der Kugel vorbei nach oben unter den Papierstapel. Sie bildet dort zusammen mit den anderen Kugelventilen ein Luftkissen, auf dem der Papierstapel schwimmt.
Blas- und Druckluft am Rütteltisch.
Lufttische erleichtern die Arbeit nicht nur an den Schneidemaschinen, sondern auch an anderen Plätzen der Druckweiterverarbeitung. Lange Förderstraßen lassen sich nach dem Baukastenprinzip mit Lufttischen bilden und kombinieren. Außerdem werden auch Rütteltische mit Blaslufttischen und Blasluftseitenanschlägen ausgerüstet. Rütteltische arbeiten nicht nur mit Blasluft, sondern auch mit Pressluft (Druckluft). Erzeugt wird die Druckluft durch einen Kompressor. Sie gelangt zuerst zum Filter und Wasserabscheider, passiert dann das Druckregelventil und anschließend den Öler. (Der Öler reichert die Druckluft mit einem feinen Ölnebel an. Dieses Öl hält die beweglichen Teile der gesamten Anlage gleitfähig.) Von dort aus strömt die Druckluft in die Verteilerzentrale mit den Wegeventilen. Die Schläuche leiten die Druckluft zu den verschiedenen Arbeitszylindern.
Am Anleger werden die einzelnen Druckbogen mit Blasluft und mit Saugluft vom Papierstapel getrennt.
Am Anleger oben ist der Blasluft-Kanal mit mehreren Düsen für Blasluft. Sie blasen Luft aus verschiedenen Richtungen auf den Papierstapel. Die Blasluft lockert die oberen Bogen und trennt sie voneinander.
Der jeweils obere Bogen wird mit Saugluft angesaugt. Die Blasluft bläst von unten auf den angesaugten Bogen, so dass der Bogen nicht auf den Stapel zurückfällt.
Abb. 2.3-25: Blas- und Saugluft trennt die Bogen.
4 Vorgänge sind für das richtige Funktionieren des Anlegers wichtig:
Diese 4 Vorgänge müssen sehr gut aufeinander abgestimmt sein.
Die Stärke der Blasluft ist abhängig von der Papier-Dicke und vom Papier-Gewicht. Die Blasluft soll den Bogen gut auflockern, aber nicht über die oberste Düsenreihe drücken.
Die Saugluft muss den Bogen sicher ansaugen und festhalten. Sie darf aber nur 1 Bogen anziehen, damit kein Stopper entsteht.
Kippung ist die Bewegung der Sauger, nachdem sie den Bogen angesaugt haben. Die Kippung hebt die vordere Bogenkante ein wenig an, damit die Blasluft gut unter den Bogen kommt.
Der Stapeltransport hebt den Stapeltisch schrittweise nach oben, damit die Stapel-Oberfläche immer die richtige Höhe hat und die einzelnen Bogen übernommen werden können.
Abb. 2.3.-26: Blick unter die Sauger eines Anlegers
Luftkissen schützen vor Beschädigungen bei leichten und dünnen Papieren. Besonders unmittelbar nach dem Bedrucken und Lackieren ist Papier sehr empfindlich und kann leicht beschädigt werden.
Deshalb gibt es diese Regeln:
Abb. 2.3.-27: Bogentransport auf einem Luftkissen. T = Trommel mit Blasluft-Düsen, B = Bogen, L = Leitblech
Die Schneidemaschine hat einen Luft-Tisch. Auf diesem Luft-Tisch kann man schwere Papier- und Kartonstapel leicht bewegen.
Abb. Kugelventil am Luft-Tisch geschlossen " offen. K = Kugel, G = Gebläseluft, P = Papierstapel, L = Luftkissen
Luft-Tische erleichtern das Verarbeiten der Druckbogen, z. B. an Schneidemaschinen oder an Rütteltischen. Man kann lange Förderstraßen bilden, wie mit einem Baukasten-System.
Rütteltische arbeiten mit Blasluft und auch mit Druckluft (= Pressluft). Die Druckluft wird durch einen Kompressor erzeugt.
Abb. 2.3-35: Druckluft-Zentrale des Rütteltisches