7-1_Пневмо_Введенине (Лекции ОПиЭНТО)

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОДЫ

До настоящего момента нами рассматривались электромеханические приводы. В этих приводах источники движения (двигатели) использовали физическое явление взаимодействия электрического и магнитного полей.

Приводы, в которых повышенное давление (точнее: разность давлений) жидкости или газа преобразуется в механическое перемещение, называют гидравлическими или пневматическими.

На примере уже знакомой нам установки «Алмаз» для резки слитков на пластины наглядно видны отличительные особенности построения электромеханического и пневмо-гидравлического приводов.

Рис.1. Установка резки слитка на пластины «Алмаз»

Если, характеризуя тот или иной электромеханический привод, мы говорим о таких параметрах как мощность и частота вращения (или скорость перемещения), то гидравлические и пневматические приводы отличают по давлению и расходу жидкости или газа.

Усилие, развиваемое исполнительным устройством, напрямую зависит от давления p. Давление определяется как отношение модуля внешней силы на площадь поперечного сечения поверхности, воспринимающей эту силу. В технической литературе установились обозначения в виде латинских букв: давление – p, сила – F, площадь – S. Таким образом, давление рассчитывают по соотношению:

.

В международной системе единиц СИ давление измеряется в ньютонах, делённых на квадратный метр [Н/м²], эта единица получила название паскаль [Па], то есть 1 Па равен 1 Н/м². В источниках информации, в том числе, в Интернете, можно встретить производные от паскаля: килопаскаль (1кПа=10³Па) или мегапаскаль (1МПа=10⁶Па), а также другие единицы, в которых измеряется давление (см. таблицу 1).

Таблица 1. Единицы измерения давления и их отношение к Па

Единица	Рус	Лат	Соотношения единиц
атмосфера	атм.	atm.	1 атм = 1,01325105Па	1Па = 0,986910-5 атм
бар	бар	bar	1 бар = 1105Па	1Па = 110-5 бар
килограмм-сила на кв.сантиметр	кгс/см2	kgf/cm2	1кгс/см2 = 0,980665105Па	1Па = 1,0197210-5кгс/см2
фунт на кв.дюйм	-	PSI	1PSI = 0,06895105Па	1Па = 14,50410-5PSI

Другим важным параметром, влияющим на быстродействие исполнительного устройства гидро- или пневмопривода, является расход Q. Этот параметр определяется как отношением массы («массовый расход») или объёма («объёмный расход») вещества, равномерно перемещаемого через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к промежутку времени, за который это перемещение происходит

где Q_v (или Q) – объёмный расход [м³/с];

V – объём [м³]; t – время [с].

Объёмный расход газа, протекающего по трубопроводу, определяется также как произведение площади поперечного сечения трубы на среднюю по сечению скорость движения в ней газа

где v – средняя по сечению скорость потока [м/с]; S – площадь поперечного сечения трубопровода [м²].

В технической документации ещё встречаются внесистемные единицы: литры в секунду (1л/с = 1·10^-3 м³/с; 1м³/с = 1000 л/с) или литры в минуту (1 л/мин = 1,667·10^-5 м³/с; 1м³/с = 6·10⁴ л/мин).

В зависимости от способа использования энергии жидкости или газа для перемещения выходного звена гидро- и пневмоприводы разделяют на:

- объёмные

- динамические.

Принцип действия объёмного привода состоит в том, что жидкость или газ под давлением изменяет объём камер исполнительного устройства. В результате выходное звено этого устройства перемещается. В качестве исполнительного устройства используется цилиндр, выходным звеном является шток.

Магистраль, подающая жидкость или сжатый воздух – напорная (или нагнетательная) магистраль. Магистраль, выводящая из привода потоки жидкости или газа – сливная (или выхлопная) магистраль.

Гидроприводы делятся также по типу используемой жидкости:

- обычного типа (используется масло);

- магнитореологические или электрореологические: в масло замешиваются мелкодисперсные частицы, изменяющие свойства жидкости в магнитном поле (магнитомягкие материалы, например, Fe, CrO₂) или электрическом поле (SiO₂).

Рис.2. Структурная схема гидропривода

С

• - из-за сжимаемости воздуха

• ** - при распылении масла в трубопроводе

равнение пневматического и гидравлического приводов приведены в таблице слева. По ряду параметров гидравлический привод превосходит пневматический (по стабильности и точности перемещений, по развиваемым усилиям и т.д.), однако простота и компактность пневмопривода привлекают конструкторов, отдающим по указанным причинам предпочтение этому приводу.

1. Пневмопривод

Н а производство сжатого воздуха расходуется около 20% всей электроэнергии, потребляемой промышленностью. На предприятиях, где пневматические системы занимают ведущее место в производственном процессе, обычно создаются централизованные сети питания сжатым воздухом. Как у нас в стране, так и за рубежом, в сетях создается давление 0,4 – 0,6 МПа (4 – 6 бар).

Рис.3. Структурная схема пневмопривода

Преобразование воздуха из окружающей среды в энергоноситель пневматического привода происходит в несколько этапов:

- сжатие до требуемого давления;

- удаление влаги;

- очистка от частиц пыли.

Для этого в системе энергообеспечения пневмопривода используются:

- компрессор;

- фильтр для очистки воздуха;

- устройство осушки и охлаждения сжатого воздуха;

- ресивер (ёмкость для создания резервного запаса воздуха)

1. Компрессоры

Рис.4. Классификация компрессоров

1.1.1. Компрессоры объёмного типа

Поршневые компрессоры находят наиболее широкое применение. Они бывают простого и двойного действия, одно

ступенчатые и двухступенчатые.

Рис.5. Поршневой компрессор

Р ис. 6. Поршневой компрессор двойного действия

Рис.7. Двухступенчатый поршневой компрессор

Принцип их работы хорошо понятен из рисунков. Недостаток – наличие паров масла, которые в виде нагара осаждаются на полостях компрессора и трубопроводов, снижая их эффективность.

М ембранный компрессор не содержит масла, компактен. Давление, создаваемое таким компрессором определяется прочностью мембраны (до 0,3 МПа или до 3 бар). Недостаток – необходимость периодической смены мембраны из-за выхода её из строя.

Рис.8. Мембранный компрессор

Ротационные компрессоры, также как поршневые, «выталкивают» сжатый воздух в нагнетательную магистраль, но в их конструкции отсутствуют клапаны.

Рис.9. Пластинчатый компрессор

Степень сжатия в таких устройствах ниже, чем в поршневых компрессорах и составляет менее 0,8 МПа.

Рис.10. Винтовой компрессор

Винтовые компрессоры, благодаря особой конструкции винтовой поверхности, позволяют нагнетать воздух без пульсаций. Технические характеристики винтовых компрессоров делают их весьма востребованными в централизованных сетях сжатого воздуха предприятий. Недостаток – сложная технология изготовления винтов и, как следствие, высокая стоимость винтовых компрессоров.

Рис.11. Компрессор Рутса

Компрессор Рутса относится также к ротационным компрессорам. Рабочим органом такого компрессора служат два синхронно вращающихся вытеснителя. Рабочие органы не находятся в зацеплении друг с другом. Синхронизация их вращения осуществляется зубчатыми колёсами, размещёнными вне полости сжатия. Достоинством этого компрессора является возможность обеспечения высокой производительности благодаря высокой скорости вращения. При этом отсутствует трение, как между рабочими органами (вытеснителями), так и между ними и корпусом. Но эта конструктивная особенность компрессора не позволяет получать на выходе высокое давление.

1.1.2. Динамические компрессоры

В центробежном компрессоре (турбокомпрессоре) воздух, поступающий в центр колеса, вовлекается вращающимися лопатками от центра к периферии, тем самым, создавая повышенное давление. Такие компрессоры обычно делаются многоступенчатыми: в каждой последующей ступени давление повышается. Преимущество турбокомпрессора – обеспечение высочайшей производительности (до 400 тысяч кубометров в час или более 100 000 л/с (1 час=3600 с, 1 м³ =1000 л)).

Это же преимущество следует отметить и для осевых компрессоров. Однако здесь производительность почти на порядок ниже, чем у турбокомпрессора.

1. Система подготовки воздуха

Н адёжность работы элементов пневмопривода во многом зависит от качества нагнетаемого в привод воздуха. Инородные частицы в виде пыли, окалины, сажи, влаги, приводят к интенсивному износу трущихся поверхностей. Накапливаясь в трубопроводах, снижают эффективность магистралей, увеличивают потери давления. Как показывает опыт, из общего числа отказов в 80% случаев пневмопривод выходит из строя по перечисленным причинам.

На пути движения воздушного потока от компрессора к управляющим механизмам размещают ряд устройств, осушающих и очищающих сжатый воздух.

Фильтр-влагоотделитель предназначен для сбора влаги и частиц пыли. Сжатый воздух через канал 2 поступает в стеклянную колбу 1. На самом входе в нее воздух попадает на крыльчатку 6 и закручивается. За счет центробежных сил капли воды и масла, а также крупные твёрдые частицы прижимаются к стенкам колбы, и вместе с водой стекают вниз, пополняя отстойник 3, отделённый от вихревой зоны дефлектором (отражателем) 4. Сухой воздух очищается, проходя через поры фильтра 5, и через отверстие 7 выходит из фильтра-влагоотделителя. Прозрачная стеклянная колба 1 позволяет визуально оценивать количество жидкости в отстойнике. Слив жидкости производится с помощью механизма 8 либо вручную (отворачивается сливная пробка) или автоматически (с помощью всплывающего поплавка – не показано).