Pneumatyka w branży górniczej: jak nowoczesne rozwiązania wpływają na bezpieczeństwo i efektywność pracy?
Urządzenia pneumatyczne to rodzaj sprzętu, który coraz częściej znajduje zastosowanie w różnych branżach, w tym również w górnictwie. Ich wykorzystanie niesie ze sobą szereg korzyści, które czynią je alternatywą dla tradycyjnych elektronarzędzi. W artykule poradnikowym „Pneumatyka w branży górniczej: jak nowoczesne rozwiązania wpływają na bezpieczeństwo i efektywność pracy?” zaprezentujemy przegląd nowoczesnych rozwiązań w zakresie pneumatyki oraz omówimy ich praktyczne zastosowanie w branży górniczej. Przeczytacie też, jakie urządzenia pneumatyczne znajdują swoje zastosowanie w kopalniach oraz jakie korzyści przynosi ich wykorzystanie. Dowiecie się również, jakie kryteria wyboru urządzeń pneumatycznych są istotne w branży górniczej i na co należy zwrócić uwagę podczas ich użytkowania.
Pneumatyka jest dziedziną inżynierii mechanicznej, która zajmuje się projektowaniem i wykorzystywaniem maszyn i urządzeń napędzanych i sterowanych za pomocą sprężonego powietrza lub gazów o podobnych właściwościach. W górnictwie pneumatyka stosowana jest między innymi do obsługi narzędzi takich jak klucze udarowe, dłuta czy młoty. Pneumatyka pełni również ważną rolę w produkcji systemów wentylacyjnych i chłodniczych, stosowanych w wielu branżach w tym górnictwie.
Zainteresowanie pneumatyką w górnictwie może być związane z jej zaletami takimi jak: prostota konstrukcji i obsługi systemów pneumatycznych, wysoka niezawodność i bezpieczeństwo pracy w trudnych warunkach środowiskowych, łatwość regulacji prędkości i siły napędu oraz możliwość zdalnego sterowania.
Jednak pneumatyka ma również pewne ograniczenia i wady, takie jak: niska sprawność energetyczna (w porównaniu z hydrauliką), hałaśliwość pracy urządzeń pneumatycznych, konieczność oczyszczania i osuszania sprężonego powietrza oraz ryzyko kondensacji pary wodnej w układzie.
Dlatego też specjaliści z pneumatyki przemysłowej muszą stale podnosić swoje kwalifikacje i umiejętności, aby być na bieżąco z nowymi technologiami i rozwiązaniami. Niezbędna jest również znajomość podstaw fizyki, mechaniki płynów, elektroniki oraz automatyki.
Zalety i wady pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu
- Prostota konstrukcji i obsługi urządzeń pneumatycznych
Prostota konstrukcji i obsługi urządzeń pneumatycznych jest jedną z głównych zalet pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Zespoły pneumatyczne składają się z niewielkiej liczby części (zaworów, siłowników, złączek), które są łatwe do zaprojektowania oraz wdrożenia w automatyczne systemy sterowania. Urządzenia pneumatyczne nie wymagają skomplikowanych układów elektrycznych lub hydraulicznych, co ułatwia ich montaż i konserwację. Aplikacje pneumatyczne są również odporne na uszkodzenia mechaniczne i termiczne oraz mogą pracować w różnych warunkach środowiskowych (np. wilgoć, kurz, temperatura). Prostota konstrukcji i obsługi urządzeń pneumatycznych przekłada się na niższe koszty zakupu i eksploatacji oraz większą niezawodność pracy.
Siłowniki pneumatyczne podczas eksploatacji nie wymagają czynności obsługowych. Współpracujące wewnętrzne części siłownika przed montażem są smarowane smarem stałym i nie wymagają dosmarowania. Zaleca się wymieniać uszczelnienia siłownika co 5 lat w czasie okresowych napraw wynikających z cykli naprawczych. W czasie serwisu wskazane jest przemycie i powtórne nasmarowanie części współpracujących smarem ŁT 43.
- Wysoka niezawodność i bezpieczeństwo pracy w trudnych warunkach środowiskowych
Wysoka niezawodność i bezpieczeństwo pracy urządzeń pneumatycznych jest, kolejną zaletą pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Urządzenia pneumatyczne są odporne na przeciążenia i przegrzania oraz nie generują iskier, co zapobiega ryzyku pożaru lub wybuchu.
Urządzenia pneumatyczne są również zgodne z normami bezpieczeństwa maszynowego i zapewniają ochronę operatora przed porażeniem elektrycznym, lub urazem mechanicznym. CPP PREMA uzyskała Certyfikat Zgodności z dyrektywą Unii Europejskiej ATEX wystawiony przez Instytut Techniki Górniczej KOMAG. Urządzenia pneumatyczne są łatwe do zatrzymania lub odłączenia w razie awarii, lub zagrożenia. Wysoka niezawodność i bezpieczeństwo pracy urządzeń pneumatycznych przekłada się na mniejsze koszty utrzymania ruchu i napraw oraz większą efektywność produkcji.
Siłowniki, bloki przygotowania powietrza oraz zawory mechaniczne produkcji CPP PREMA są urządzeniami zaliczanymi do Grupy I, Kategorii M2, natomiast zawory sterowane eklektycznie serii ATE Grupy I, Kategorii M1.
- Łatwość regulacji prędkości i siły napędu oraz możliwość zdalnego sterowania
Szybkość i precyzja sterowania urządzeń pneumatycznych jest kolejną zaletą pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Siłowniki pneumatyczne są, zdolne do wykonywania szybkich i powtarzalnych ruchów z dużą siłą i momentem obrotowym. Zespoły pneumatyczne są również łatwe do zaprogramowania i synchronizacji za pomocą elementów sterujących, takich jak zawory, czujniki, wyłączniki krańcowe czy cyklogramy. Urządzenia pneumatyczne są również wyposażone w zawory bezpieczeństwa, które zapobiegają przeciążeniu ciśnienia w układzie. Szybkość i precyzja sterowania urządzeń pneumatycznych przekłada się na większą wydajność i jakość pracy.
- Niska sprawność energetyczna (w porównaniu z hydrauliką)
Niska energia i czystość ekologiczna urządzeń pneumatycznych jest kolejną zaletą pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Urządzenia pneumatyczne zużywają niewiele energii elektrycznej, ponieważ głównym źródłem energii jest sprężone powietrze. Sprężone powietrze jest również odnawialnym i niezanieczyszczającym źródłem energii, które nie emituje, substancji szkodliwych do atmosfery. Urządzenia pneumatyczne są również lekkie i odporne na wysokie temperatury, co zmniejsza ryzyko przegrzania lub zapłonu. Niska energia i czystość ekologiczna urządzeń pneumatycznych przekłada się na mniejsze koszty eksploatacji i ochronę środowiska naturalnego.
- Hałaśliwość pracy urządzeń pneumatycznych
Hałaśliwość pracy aplikacji pneumatycznych jest jedną z wad pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Hałas powstaje głównie podczas odprowadzania sprężonego powietrza do otoczenia. Hałas ten może być nieprzyjemny dla ludzi i szkodliwy dla zdrowia. Dlatego należy stosować odpowiednie tłumiki i ograniczać ciśnienie sprężonego powietrza. Hałas można też zmniejszyć poprzez zastosowanie elastycznych przewodów i amortyzatorów drgań.
Oto kilka przykładów hałasu generowanego przez urządzenia pneumatyczne:
- Sprężarka: 80-90 dB
- Zawór elektromagnetyczny: 60-70 dB
- Siłownik liniowy: 50-60 dB
- Tłokowy silnik obrotowy: 70-80 dB
- Konieczność oczyszczania i osuszania sprężonego powietrza oraz ryzyko kondensacji pary wodnej w układzie
Konieczność oczyszczania i osuszania sprężonego powietrza oraz ryzyko kondensacji pary wodnej w układzie jest kolejną wadą pneumatyki w porównaniu z innymi rodzajami napędu. Sprężone powietrze zawiera zanieczyszczenia stałe, olej, bakterie i wilgoć, które mogą uszkadzać urządzenia pneumatyczne i obniżać ich wydajność. Dlatego należy stosować odpowiednie filtry i osuszacze do sprężonego powietrza.
Bloki przygotowania sprężonego powietrza produkcji CPP PREMA służą do usuwania z czynnika roboczego zanieczyszczeń stałych i częściowo ciekłych, nastawiania i utrzymywania stałego ciśnienia czynnika roboczego oraz do nasycania sprężonego powietrza olejem w celu ochrony przed korozją i zapewnienia poprawnej pracy elementów wykonawczych i sterujących. Są one niezbędnym składnikiem układów pneumatycznych dla zapewnienia poprawnego działania i długiej trwałości elementów pneumatyki.
Oto kilka przykładów urządzeń do oczyszczania i osuszania sprężonego powietrza:
- Filtr-odwadniacz: usuwa krople oleju i wody metodą odśrodkową
- Filtr dokładny: usuwa drobne cząstki stałe i oleju metodą głębokiej filtracji
- Filtr z węglem aktywnym: usuwa pozostałości oleju metodą adsorpcji
- Chłodnica: obniża temperaturę powietrza metodą wymiany ciepła
- Osuszacz adsorpcyjny: obniża temperaturę punktu rosy metodą adsorpcji wilgoci przez czynnik osuszający
Rodzaje i budowa urządzeń pneumatycznych używanych w górnictwie
- Zasada działania urządzeń pneumatycznych (sprężarki, zawory, siłowniki, czujniki itp.)
Zasada działania urządzeń pneumatycznych polega, na przekształcaniu energii sprężonego powietrza w energię mechaniczną. Sprężone powietrze jest dostarczane do aplikacji za pomocą sprężarek lub kompresorów. W zależności od rodzaju i budowy urządzenia pneumatycznego sprężone powietrze może być wykorzystywane do różnych celów, takich jak:
- Sterowanie ruchem siłowników liniowych lub obrotowych
- Regulacja przepływu i ciśnienia powietrza za pomocą zaworów
- Wykrywanie położenia lub nacisku za pomocą czujników
- Napędzanie narzędzi lub maszyn pneumatycznych
Oto kilka przykładów urządzeń pneumatycznych używanych w górnictwie:
- Sprężarka: służy do sprężania powietrza atmosferycznego
- Zawór: otwiera lub zamyka przepływ powietrza
- Siłownik: zamienia energię sprężonego powietrza na ruch liniowy lub obrotowy
- Czujnik: służy do pomiaru wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, temperatura lub położenie tłoka
- Podział urządzeń pneumatycznych ze względu na sposób przekazywania energii (urządzenia ciśnieniowe i podciśnieniowe)
Urządzenia pneumatyczne można podzielić ze względu na sposób przekazywania energii na urządzenia ciśnieniowe i podciśnieniowe.
- Urządzenia ciśnieniowe: wykorzystują sprężone powietrze o ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne do napędzania lub sterowania mechanizmów. Przykładami urządzeń ciśnieniowych są: kotły parowe lub wodne, zbiorniki w agregatach gaśniczych, rurociągi przemysłowe czy instalacje zbiornikowe.
- Urządzenia podciśnieniowe: wykorzystują sprężone powietrze o ciśnieniu niższym niż atmosferyczne do tworzenia podciśnienia w zamkniętej przestrzeni.
- Podział urządzeń pneumatycznych ze względu na rodzaj napędu (urządzenia liniowe i obrotowe)
Urządzenia pneumatyczne można podzielić ze względu na rodzaj napędu na urządzenia liniowe i obrotowe.
- Urządzenia liniowe: to takie urządzenia, które, zamieniają energię sprężonego powietrza na ruch liniowy. Przykładami urządzeń liniowych są: siłowniki tłokowe, które służą do poruszania elementów maszyn lub urządzeń.
Sprężone powietrze doprowadzane na przemian do komór siłownika z obu stron tłoka przez otwory przyłączeniowe powoduje przemieszczanie zespołu tłok-tłoczysko kolejno w obu kierunkach. Aby uniknąć uderzeń tłoka o pokrywy, stosowana jest amortyzacja pneumatyczna. Pod koniec ruchu tłok wchodząc do komory pokrywy, odcina swobodny wypływ powietrza z siłownika, wyhamowując swoją prędkość. Od tego momentu wypływ powietrza z zamkniętej komory tłoka odbywać się może tylko przez otwór dławiący w pokrywie, co powoduje, że ruch tłoka jest wolny i płynny aż do zetknięcia z pokrywą. Wielkość amortyzacji (tj. prędkość końcową tłoka) można regulować przez wkręcenie lub wykręcenie dławika zgodnie z oznaczeniem na pokrywach.
- Urządzenia obrotowe: zamieniają energię sprężonego powietrza, na ruch obrotowy. Przykładami urządzeń obrotowych są: silniki pneumatyczne, które służą do napędzania narzędzi lub maszyn, oraz przetworniki obrotowo-impulsowe lub kątowe, które służą do pomiaru i sterowania pozycją elementów obracających.
- Podział urządzeń pneumatycznych ze względu na funkcję (urządzenia wykonawcze, sterujące i pomocnicze)
Urządzenia pneumatyczne można podzielić ze względu na funkcję na urządzenia wykonawcze, sterujące i pomocnicze.
- Urządzenia wykonawcze: to takie urządzenia, które na podstawie sygnału sterującego wypracowują, sygnał wejściowy do obiektu regulacji. Przykładami systemów wykonawczych są: siłowniki pneumatyczne, które służą do poruszania elementów maszyn lub urządzeń; przekaźniki i styczniki, które służą do sterowania obciążeniem prądowym o wysokich napięciach lub natężeniach prądów.
- Urządzenia sterujące: to takie urządzenia, które generują sygnał sterujący na podstawie sygnału zadającego i sygnału sprzężenia zwrotnego. Przykładami elementów sterujących są: sterowniki pneumatyczne, które służą do regulacji parametrów procesu technologicznego; regulatory automatyczne lub ręczne, które służą do utrzymania wartości zadanej parametru regulowanego.
- Urządzenia pomocnicze: to takie urządzenia, które ułatwiają działanie lub zwiększają niezawodność urządzeń wykonawczych i sterujących. Przykładami zespołów pomocniczych są: zawory pneumatyczne, które służą do przepuszczania lub zatrzymywania przepływu powietrza; filtry i osuszacze powietrza, które służą do oczyszczania i usuwania wilgoci z powietrza; manometry i czujniki ciśnienia, które służą do pomiaru i wyświetlania ciśnienia powietrza.
Zasady bezpieczeństwa i eksploatacji urządzeń pneumatycznych
- Normy prawne i techniczne dotyczące użytkowania urządzeń pneumatycznych w górnictwie
Normy prawne i techniczne dotyczące użytkowania urządzeń pneumatycznych w górnictwie są określone przez różne dokumenty, takie jak:
- Normy Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN), które są opracowywane przez specjalistów z różnych środowisk, zainteresowanych danym zakresem tematycznym. Przykładami norm PKN dotyczących urządzeń pneumatycznych w górnictwie są: PN-EN ISO 4414:2011 Urządzenia pneumatyczne maszyn – Zasady ogólne i wymagania bezpieczeństwa; PN-EN 1570-1:2012+A1:2015
Rozporządzenia Rady Ministrów lub Ministra właściwego do spraw gospodarki, które określają rodzaje urządzeń technicznych, podlegających nadzorowi technicznemu oraz warunki ich eksploatacji. Przykładami rozporządzeń dotyczących urządzeń pneumatycznych w górnictwie są:
- Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 7 grudnia 2012 r. w sprawie rodzajów urządzeń technicznych, podlegających nadzorowi technicznemu; Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 grudnia 2005 r. w sprawie warunków eksploatacji maszyn i innych urządzeń technicznych o podwyższonym ryzyku awarii.
- Zasady doboru, montażu i konserwacji urządzeń pneumatycznych
Zasady doboru, montażu i konserwacji urządzeń pneumatycznych są następujące:
- Zasady doboru: należy uwzględnić parametry techniczne i funkcjonalne urządzeń pneumatycznych, takie jak: ciśnienie robocze, wydajność, siła, prędkość, skok, średnica tłoka, rodzaj sterowania, stopień ochrony IP itp. Należy również dopasować urządzenia pneumatyczne do warunków pracy i wymagań jakościowych sprężonego powietrza.
- Zasady montażu: należy przestrzegać schematów układów pneumatycznych i elektropneumatycznych oraz instrukcji producenta urządzeń pneumatycznych. Należy również zapewnić prawidłowe połączenia i uszczelnienia elementów układu, oraz odpowiednie zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi lub korozją.
- Zasady konserwacji: należy regularnie sprawdzać stan techniczny i czystość elementów pneumatycznych oraz usuwać wszelkie usterki lub nieszczelności. Należy również stosować odpowiednie środki smarne i filtracyjne do uzdatniania sprężonego powietrza, oraz wymieniać zużyte lub uszkodzone części. W przypadku urządzeń posiadających dopuszczenia do pracy w szybach górniczych niedozwolone jest stosowanie części innych niż fabryczne producenta.
- Zasady postępowania w przypadku awarii lub uszkodzenia urządzeń pneumatycznych
Zasady postępowania w przypadku awarii lub uszkodzenia urządzeń pneumatycznych są następujące:
- Niezwłocznie wyłączyć dopływ powietrza sprężonego do uszkodzonego przyrządu i odciąć je od źródła zasilania elektrycznego lub innego rodzaju energii.
- Poinformować przełożonego lub osobę odpowiedzialną za utrzymanie ruchu o zaistniałej sytuacji i nie podejmować samodzielnie prób naprawy.
- Zabezpieczyć miejsce awarii przed dostępem osób nieupoważnionych i oznakować je odpowiednimi tablicami ostrzegawczymi.
- Przestrzegać zasad bezpieczeństwa podczas usuwania awarii lub uszkodzenia, takich jak: stosowanie odpowiedniego sprzętu ochronnego, zachowanie bezpiecznej odległości od części ruchomych lub gorących, unikanie kontaktu z olejem hydraulicznym lub innymi substancjami niebezpiecznymi.
- Prace konserwacyjne związane z koniecznością demontażu urządzenia na części nie mogą być wykonywane w strefie zagrożonej wybuchem.
- Po zakończeniu naprawy sprawdzić poprawność działania urządzenia i upewnić się, że nie stanowi ono zagrożenia dla zdrowia i życia użytkowników. W celu eliminacji gromadzenia się ładunków elektrostatycznych po zamontowaniu urządzenia należy je uziemić. Podczas czyszczenia, przecierania powierzchni urządzenia należy używać tylko zwilżonych tkanin.
Podsumowanie
Wykorzystanie pneumatyki w górnictwie ma wiele korzyści w porównaniu z innymi rodzajami napędów. Są to: większa wydajność, jakość i elastyczność procesów produkcyjnych, mniejsze zużycie energii i materiałów, lepsza diagnostyka i automatyzacja systemów pneumatycznych, mniejszy wpływ na środowisko naturalne i klimat. Zastosowanie nowoczesnych rozwiązań pneumatycznych pozytywnie wpływa na bezpieczeństwo i efektywność pracy pneumatycznych aplikacji górniczych.
Warto pamiętać, że w razie wątpliwości pracownicy CPP PREMA służą pomocą w doborze siłowników ATEX o odpowiedniej sile oraz parametrach, których potrzebujesz.
Podziękowania dla Pani mgr inż. Wiolety Nowak za pomoc merytoryczną w przygotowaniu poradnika.