Пневмопривод

В пневматических передачах рабочей средой является сжатый газ (воздух), вырабатываемый компрессором. Пневматический привод представляет собой совокупность взаимосвязанных пневматических устройств, обеспечивающих необходимые рабочие движения машин. При этом исполнительное устройство преобразует энергию сжатого воздуха в механическую энергию рабочего органа. Как и гидропривод, пневмопривод по виду движения может быть вращательным или поступательным.

Преимуществом пневмопривода являются плавность работы, простота конструкции и эксплуатации; удобство и легкость управления; возможность работы с большим числом включений в единицу времени; надежность в работе; простота регулирования скорости и нагрузки в широких пределах; малая чувствительность к динамическим нагрузкам и способность переносить длительные перегрузки вплоть до полного стопорения. К основным недостаткам, ограничивающим широкое применение пневмопривода, следует отнести наличие гибкого воздухопровода и большой расход воздуха вследствие значительных утечек через уплотнения; трудность точного регулирования и низкий к.п.д.

Типовой пневмопривод изображен на рис.1. Поршень 1 перемещается в рабочем цилиндре 2 под воздействием сжатого воздуха, поступающего попеременно в обе полости цилиндра из магистрали через распределитель 3. В конце хода кулачок, укрепленный на штоке (не показан на чертеже), нажимает на рычаг одного из конечных выключателей 4 или 5. В положении, изображенном на чертеже, поршень перемещается направо, переключая выключатель 4, и когда он займет положение, показанное штриховой линией, конечный выключатель 5 переключится. Сигнал в виде давления сжатого воздуха передается от выключателя на вход распределителя 3, в результате чего золотник перемещается в правое положение. Сжатый воздух из магистрали через этот же распределитель направляется в правую полость цилиндра 2 и перемещает поршень 1 влево, при этом распределитель выключается. В конце обратного хода кулачок на штоке нажимает на конечный выключатель 4, снова переключается золотник, и цикл повторяется.

Рис. 1

Пневмоприводы служат для получения поступательного, вращательного движения или того и другого вместе. Выше описан привод поступательного движения.

Рис.2

На рис. 2 показан привод вращательного движения, изображенный в упрощенном виде без воздухораспределителя. В корпусе 1 установлен ротор 2, ось вращения которого смещена относительно центра корпуса (эксцентриситет е). В пазы ротора помещены пластины 3. Сжатый воздух, подаваемый через окно 4 корпуса, воздействует на пластины. Так как площади этих пластин, в разной степени выдвинутых из пазов ротора, отличаются друг от друга, то создается момент от сил давления сжатого воздуха, благодаря чему ротор вращается. В период его вращения пластины под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности корпуса. Чтобы обеспечить более надежное уплотнение, к пазам ротора иногда подводят сжатый воздух или в них помещают пружины: это способствует также и более быстрому выдвижению пластин из пазов. Отработанный воздух выходит из привода через выхлопное окно 5 в атмосферу.

Вращательное движение наряду с поступательным может быть также осуществлено посредством поршневых пневмоустройств и шарнирно-рычажных передаточных механизмов. На рис. 3 приведена схема пятицилиндрового пневмопривода. Поршни 1 посредством шатунов 2 шарнирно соединены с кривошипом 3, вал которого жестко связан с воздухораспределителем 4. Последний вращается в неподвижной втулке 5, окна которой посредством каналов сообщаются с рабочими цилиндрами. При этом сжатый воздух, подводимый к воздухораспределителю, подается в соответствующие полости цилиндров (см. отверстие А на рис. 3), а отработанный воздух отводится из выхлопных полостей (отверстия Б и В). За один оборот вала каждый поршень совершает возвратно-поступательное движение (рабочий и холостой ход), благодаря чему на валу привода обеспечивается вращательный момент, близкий к равномерному.

Кроме поршневых пневмоустройств в приводах поступательного движения используют также устройства с упругими элементами, в качестве которых могут служить мембраны, сильфоны, шланги и пр.

На рис. 4 изображен привод стрельчатой резинотканевой мембраной. При подаче сжатого воздуха из магистрали через распределитель 1 мембрана 2 прогибается; шток, жестко связанный с ее металлическим центром, перемещается на заданный рабочий ход s (до упора). Обратный ход мембраны совершается под действием пружины 3. Наряду с односторонними мембранными приводами иногда применяются двусторонние приводы, у которых обратный ход также совершается под действием сжатого воздуха. Мембранные приводы по сравнению с поршневыми имеют недостатки: ограниченный рабочий ход, невысокое давление, падение усилия при перемещении штока. Но они просты в изготовлении, герметичны, срок службы их в несколько раз больше, чем поршневых устройств.

	Рис.3 Пятицилиндровый привод вращательного движения		Рис.4 Мембранный привод

ПНЕВМОСЕТЬ И КОНДИЦИОНЕРЫ РАБОЧЕГО ГАЗА

21.1. Система подготовки сжатого воздуха

Как правило, источником сжатого воздуха как рабочей среды пневмосистем являются компрессорные установки. Они могут быть стационарными, установленными на специальном фундаменте, или передвижными, установленными на каких-либо транспортных сред­ствах. Компрессорные установки могут осуществлять централизо­ванное питание нескольких различных по назначению потребите­лей сжатого воздуха или индивидуальное питание какого-либо потребителя, например пневмопривода тормозов грузового авто­мобиля.

В состав любой компрессорной установки, помимо самого ком­прессора, входят элементы контроля и регулирования, а также кондиционеры воздушной среды.

Для того чтобы представить общую систему подготовки и ис­пользования сжатого воздуха, рассмотрим упрощенную схему ста­ционарной компрессорной установки, осуществляющей центра­лизованное питание всех возможных потребителей сжатого воздуха. На рис. 21.1 условными обозначениями показана такая пневмосеть.

11 13 12

Рис. 21.1. Схема промышленной пневмосети:

1 — воздухозаборник; 2, 15 — фильтры; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — фильтр-влагоотделитель; 6, 16 — химические осушители; 7 — воздухосборник; 8 — манометр; 9 — предохранительный клапан; 10 — конденсатоотводчик; 11 — масло распылитель; 12 — пневмомотор; 13 — глушитель; 14 — редукционный клапан.

Воздух, который попадает в воздухозаборник 1 из окружа­ющей среды, содержит большое количество пыли. Обладая абра­зивными свойствами, частицы пыли вызывают быстрый износ деталей компрессора. Поэтому перед компрессором устанавли­вают специальные пылеуловите­ли или обычные фильтры, в которых в качестве фильтрующе­го элемента используют ткань или металлические сетки. Схема фильтра 2 с тканевым фильтрующим элементом представлена на рис. 21.2. В таком фильтре хлопчатобумажная или шерстяная ткань натягивается на деревянный или металлический каркас так, что­бы воздух мог проходить только через ткань и уже очищенным от пыли поступать во всасывающий трубопровод компрессора. Основным требованием к фильтру 2, помимо заданной тонкости фильтрации, является минимально возможное сопротивление потоку воздуха. Площадь фильтрующего элемента должна быть та­кой, чтобы перепад давления на фильтре Δр = р_вх - р_ВЬ1Х не превы­шал 100 кПа.

Рис. 21.2. Схема фильтра воздухозаборника

Из компрессора 3 нагретый в процессе сжатия воздух поступает в водяной охладитель 4, который обычно входит в конструкцию самого компрессора (см. гл. 22). Охлаждение воздуха приводит к конденсации паров воды, которые попадают в компрессор вместе с воздухом, и паров масел, используемых в компрессоре для смаз­ки трущихся поверхностей. Поэтому после охладителя воздух про­ходит через фильтр-влагоотделитель 5, который фильтрует воз­дух, как обычный фильтр, и одновременно осушает его.

На рис. 21.3 показана конструктивная схема фильтра-влагоотделителя. Сжатый воздух, подведенный по каналу 7, проходит в ста­кан 3 через щели отражателя 7, которые благодаря своей конст­рукции сообщают воздуху вихревое вращательное движение. Мел­кие частицы воды и масла, находящиеся в потоке воздуха, под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам стакана и стекают вниз в зону, отделенную заслонкой 4, которая препят­ствует конденсату, собранному в этой зоне, снова попадать в по­ток воздуха. Осушенный воздух через фильтрующий элемент 6 по­ступает в выходной канал 2. Стакан обычно изготовляют из про­зрачного материала, поэтому легко определить уровень конденсата. При достижении предельного уровня конденсата открывается запорный кран 5, и конденсат выводится из стакана под действием сжатого воздуха. Вместе с конденсатом удаляются и твердые части­цы, задержанные фильтром.

Рис. 21.3. Фильтр-влагоотделитель:

1 - входной канал;

2 — выходной канал;

3 — 4 — заслонка;

5 — запорный кран;

6 — фильтрующий элемент;

7 — отражатель

Наибольшую сложность представляет удаление из потока воздуха компрессорного масла, которое содержится в воздухе в виде аэрозоля с частицами размером 0,01... 1 мкм. Из-за малости: частиц нельзя удалить их в фильтре - влагоотделителе центробежного действия. Поэтому воздух из фильтра-влагоотделителя 5 (см. рис. 21.1) поступает в химический осушитель 6, в котором адсорбируется при прохождении через специальное вещество — адсорбент, в качестве которого может использоваться активированный уголь, активный алюминия или силикагель. После осушения воздух попадает в воздухосборник (ресивер) 7. В пневмосистемах воздухосборники выполняют несколько функций: во-первых, создают запас сжатого воздуха для использования в моменты максимального потребления; во-вторых, сглаживают пульсацию подачи воздуха, которая возникает при использовании компрессоров объемного типа, особенно поршневых; в-третьих, отделяют влагу, содержащуюся в потоке воздуха, которая в виде конденсата в процессе расширения воздуха при заполнении воздухосборника и при движении воздуха по воздухосборнику.

Для обеспечения нормальной работы духосборник снабжен аппаратурой контроля и управления: манометром 8 для контроля давления; предохранительным пневмоклапанном 9, ограничивающим верхний предел давления в воздухосборнике; конденсатоотводчиком 10.

На рис. 21.4 представлена конструктивная схема типового воздухосборника. Для лучшего влагоотделения ввод воздуха обычно делают в средней части воздухосборника, загибая входной трубопровод вниз, а вывод — в верхней части. Внутри воздухосборника устанавливают перегородки, заставляющие воздух изменять направление движения, создавая тем самым центробежные силы, которые, как и в фильтре-влагоотделителе, способствуют осушению воздуха.

Рис. 21.4. Воздухосборник

Конденсат собирается в нижней части воздухосборника и через конденсатоотводчик периодически вручную или автоматически сливается. Объем воздухосборника определяют в зависимости от производительности компрессора и цикличности потребления сжатого воздуха, при этом объем воздухосборника должен быть менее 0,5 W_o, где W_o — объем свободного воздуха (при атмосферном давлении и нормальной температуре), всасываемого компрессором за 1 мин.

За воздухосборником пневмосеть, показанная на рис. 21.1, разделяется на две ветви. По пневмолинии а сжатый воздух подводится различным пневмодвигателям с рабочим давлением 0,5...0,6 Ml по избыточной шкале, например к пневмоцилиндрам подъемников, формовочных машин и зажимных механизмов, к пневмоторам ручного пневмоинструмента, сверлильных головок и транспортирующих устройств. Пневмосистемы, работающие при давлениях, называются пневмосистемами высокого давления.

По пневмолинии а сжатый воздух поступает в маслораспределитель 77, который обеспечивает смазку трущихся деталей пневмодвигателей за счет подачи в поток воздуха распыленного жидкого смазочного материала, обычно минеральных масел.

В машиностроении наибольшее распространение получили маслораспылители эжекторного типа. В них подача масла в поток воздуха происходит за счет разности между давлением над жидкостью в стакане маслораспылителя и давлением в том месте потока воздуха, где в него вводится масло. Принцип работы такого маслораспылителя легко объяснить по схеме, представленной на рис. 21.5, а.

Рис. 21.5. Схема устройств для внесения масла в поток воздуха:

а — маслораспылитель; б — смазочный питатель; 1 — стакан; 2 — трубка; 3 — резервуар с маслом; 4 — питатель; 5 -пневмораспределитель

Согласно уравнению Бернулли в потоке воздуха давление р1>р2 За счет Δр=р_¹ - р₂ масло из стакана 1 по трубке 2 подается в поток воздуха, распыляется и вместе с потоком поступает в пневмодвигагатели. Такой маслораспылитель централизованно обеспечивает смазкой либо все пневмодвигатели пневмосистемы, либо пневмодвигателей.

Для индивидуального обеспечения смазкой одного пневмодвигагателя используют смазочные питатели различных типов. Конструктивная схема одного из них и схема его включения в пневмосеть показаны на рис. 21.5, б. Сжатый воздух, имеющий давление подводится к резервуару 3 с минеральным маслом. Масло по трубопроводу с малым диаметром поступает в питатель 4. Если маслораспределитель 5 находится в позиции В, то штоковая полость пневмоцилиндра соединена с атмосферой (р₂ = р_аш). Тогда под действием перепада давлений Ар = р₁ - р₂ запорный шарик питателя перемещается вправо и открывает вход в дозирующую камеру К, перекрывая одновременно сообщение камеры с пневмолинией. Камера заполняется маслом. При переключении распределителя в позицию А давление р₂ становится равным р_х и шарик под действием пружины перемещается влево, перекрывая вход в дозирующую камеру и одновременно соединяя ее с пневмолинией, по которой масло из камеры К вместе с потоком воздуха поступает в рабочую полость пневмоцилиндра. Обычно питатель 4 размещают непосредственно возле пневмодвигателя, а к резервуару 3 могут быть подключены несколько питателей.

На рис. 21.1 в качестве пневмодвигателя показан пневмомотор 12. отработавший воздух из пневмомотора поступает в атмосферу через глушитель 13, который служит для снижения уровня шума, возникающего при работе пневмодвигателей. Этот шум может быть механического или аэродинамического происхождения.

Механический шум возникает в основном при ударах подвиж­ных деталей в пневматических двигателях и устройствах управле­ния (удары поршней о стенки цилиндра, клапанов о седла, вибра­ция трубопровода и т.п.). Снижение уровня шума механического происхождения достигается за счет оптимизации конструктивных решений, применения тормозных и амортизирующих устройств. Следует также отметить, что механический шум в пневмосистемах, как правило, не превышает уровень шума другого работающего на участке оборудования и имеет относительно невысокую частоту.

Шум аэродинамического происхождения возникает в основном из-за турбулентного смешивания отработавшего воздуха с воздухом окружающей среды при выхлопе. В пневмосистемах высокого давления истечение воздуха в атмосферу при выхлопе происходит со скоростью, близкой к скорости звука, а интенсивность аэродинамического шума весьма существенно зависит от скорости струи воздуха.

Уровень аэродинамического шума при работе большинства пневмодвигателей, не оснащенных средствами его снижения, состав­ляет 95... 120 дБ, причем наибольший уровень находится в высо­кочастотной части звукового спектра, что существенно усугубляет вредное воздействие на человека. Для снижения уровня аэродинамического шума применяют специальные устройства — глушители, которые снижают скорость воздуха при выхлопе.

Наиболее широко в промышленных пневмосистемах используют активные глушители (глушители трения), в которых скорость гасится при прохождении воздуха через пористый проницаемый материал (синтетика, металлокерамика, минеральные порошковые материалы и т.п.).

Рис. 21.6. Глушители: а — глушитель трения; б — фильтр-глуши­тель; 1 — мелкопористый фильтрующий эле­мент; 2 — грубо волокнистый фильтрующий элемент; 3 — стакан; 4 — пористая втулка

На рис. 21.6, а представлена конструктивная схема глушителя трения с втулкой из пористой керамики с радиальным выходом потока воздуха. Наиболее эффективны такие глушители с порами размером до 100 мкм. Простота и низкая стоимость указанных глушителей позволяют использовать их индивидуально на выходе каждого пневмодвигателя.

Однако через такие глушители проходят аэрозольные частицы масел, которые были внесены в поток воздуха маслораспылителями, что приводит к загрязнению окружающей среды в производственных помещениях. Установлено, что концентрация масляных аэрозолей более 5 мг на 1 м³ воздуха может привести к повреждению легких. Поэтому при повышенных требованиях к улавливанию масляных аэрозолей используют специальные глушители ком­бинированного типа — фильтры-глушители (рис. 21.6, б).

В фильтре-глушителе воздух проходит через мелкопористый слой фильтрующего элемента, в котором аэрозольные частицы объе­диняются в более крупные капли, а затем через грубо волокнистый фильтрующий элемент 2. Расширение воздуха во втором слое фильтроэлемента приводит к значительному снижению скорости воз­духа, и капельки масла под действием силы тяжести стекают на дно стакана 3. Выхлоп воздуха в атмосферу происходит через пори­стую втулку 4, которая является обычным глушителем трения. Фильтры-глушители эффективно снижают шум и улавливают аэро­золи масла. Однако, учитывая более сложную конструкцию и бо­лее высокую стоимость фильтров-глушителей, их обычно устанав­ливают на общем выхлопном трубопроводе, объединяющем вых­лоп нескольких пневмодвигателей.

По пневмолинии b (см. рис. 21.1) сжатый воздух из воздухо­сборника 7 поступает к пневмоэлементам регулирования и конт­роля, которые на схеме условно объединены в блок А. Избыточное рабочее давление пневмоэлементов, включенных в блок А, нахо­дится в пределах 0,05... 0,20 МПа. Пневмосистема с таким рабочим давлением считается пневмосистемой низкого давления, поэтому сжа­тый воздух по пневмолинии Ъ поступает в пневматический редук­ционный клапан (редуктор) 14, который понижает уровень давле­ния и поддерживает его постоянным в процессе работы.

На рис. 21.7 представлена конструктивная схема пневматичес­кого редукционного клапана, работающего в пневмосистемах с рабочим избыточным давлением до 0,6 МПа.

Рис. 21.7. Пневматический редукцион­ный клапан:

1 — запорно-регулирующий элемент;

2 — корпус; 3 — полость; 4 — мембрана;

5 — пружина; 6 — регулировочный винт

Воздух с давлением р_вх подается в редуктор и через зазор между седлом корпуса 2 и поверхностью клапанного запорно-регулирующего элемента 1 поступает на выход с давлением р_вых < р_вх. Выходная полость редуктора через канал со­общается с полостью 3, поэтому давление р_вых воздействует на мем­брану 4, нагруженную сверху уси­лием пружины 5, которое регули­руется винтом 6.

Уравнение статических сил на запорно-регулирующем устрой­стве может быть записано в виде

PвхSk-pвыхSk+pвыхSм-Fпр=0, (21.1)

где S_K — эффективная площадь тарелки клапана;

S_M—эффективная площадь мембраны;

F_np — усилие пружины 5.

Из уравнения (21.1) получаем

рвых = (Fпр- PвхSk)/ (Sм+Sk). (21.2)

В пневматических редукционных клапанах, работающих при давлениях, значительно меньших, чем давление в гидросистемах,S_K «S_M, поэтому формула (21.2) может быть записана в виде

P_вых= F_пр / S_м =const

Принцип действия и уравнение сил пневматического редукционного клапана точно такие же, как у гидравлического редукционного клапана (см. подразд. 13.3). Некоторое же отличие в конструкции запорно-регулирующего устройства, прежде всего испспользование эластичных мембран большой площади, обусловлено низким уровнем рабочего давления и необходимостью высокой степени герметизации.

После редукционного клапана (см. рис. 21.1) воздух через, дополнительный фильтр 15 и химический осушитель 16 поступает к пневмоэлементам блока А. Дополнительные фильтры, фильтровлагоотделители и химические осушители обычно устанавливают перед пневмоэлементом или блоком пневмоэлементов, при работе которых к воздуху предъявляются повышенные требования по загрязнению и влажности, особенно в том случае, если сжат воздух от источника питания подводится к пневмоэлементам длинным трубопроводам. В процессе движения воздуха по проводу происходят его охлаждение и выпадение конденсата (паров влаги), а также загрязнение воздуха частицами окалины, ржавчины и т.п.

Пневмораспределители

Пневмораспределители предназначены для изменения направления, пуска и остановки потоков сжатого воздуха. В пневмосистемах широкое распространение получили распределители золотникового типа с запорным регулирующим устройством в виде цилиндрического золотника. В корпус 1 распределителя запрессована гильза 3, относительно которой перемещается золотник 2 (рис. 11). Для предотвращения перетечек воздуха через зазоры между гильзой и поясками золотника, на поясках установлено эластичное уплотняющее, обеспечивающее хорошую герметичность. Пример решения проблемы связанной с утечкой воздуха через зазоры между золотником и корпусом (гильза).

Рис. 11 Пневматический золотниковый

распределитель:

1 – корпус

2 - золотник

3 - гильза

Предохранительный клапан

Клапан (рис. 3) служит для предотвращения создания давления в воздушной системе свыше рабочего. Он состоит из корпуса 1 с выхлопными отверстиями a, в которой помещены седло 7 и клапан 6. В верхней части ввинчивается нажимная втулка 3 с пружиной 4 и нажимной шайбой 5. Положение нажимной втулки фиксируется в корпусе стопорным болтом 2. Пружина верхним концом опирается на нажимную втулку, а нижним – на нажимную шайбу, которая соединена с клапаном. После регулировки клапана на давлении срабатывания 0,9 МПа нажимной втулкой ввинчивается стопорный болт и пломбируется.

Рис. 3 Предохранительный клапан

При создании в системе давления свыше рабочего клапан, сжимая пружину, поднимается и открывает выхлопные отверстия, по которым сжатый воздух выходит в атмосферу. Предохранительный клапан устанавливается на воздухозаборнике.

Переключательный клапан

Переключательный клапан устанавливают перед исполнительными механизмами, которые получают питание от 2 воздухопроводов, поочередного открытия их и подачи воздуха в исполнительный механизм. Такой клапан, например, устанавливают у цилиндра тормозной системы буровой лебедки, который получает питание от крана машиниста или от крана противозатаскивателя для торможения барабанного вала.

Рис. 4 Переключательный клапан

Переключательный клапан (рис. 4) состоит из корпуса 1,клапана (резинового шарика) 2, крышки 3 и прокладки 4. Сжатый воздух может войти в отверстие а или б и выйти в отверстие в, соединенное с исполнительным механизмом. При подаче воздуха в отверстие б клапан закрывает отверстие а. В обратном направлении от исполнительного механизма воздух может выйти по обоим отверстиям.

Сжатый воздух в пневмосистемах транспортируется по пневмолиниям, конструкция которых зависит от рабочего давления. В магистральных пневмолиниях высокого давления воздух, как правило, транспортируется по жестким металлическим трубопроводам, выполненным из стали, алюминия, меди или латуни.

Трубы из меди, медных и алюминиевых сплавов отличаются высокой гибкостью, удобны для коротких участков пневмолинии со сложными изгибами и при необходимости подгонки размера в процессе монтажа. Эти преимущества в наибольшей степени проявляются при небольших диаметрах, поэтому такие трубы применяют до диаметров 20...25 мм. Кроме того, трубы из цветных металлов не требуют антикоррозийных покрытий. Однако их стоимость выше стоимости стальных труб, которые обычно применяют для больших диаметров, изготовляют из углеродистой стали и предохраняют от коррозии за счет покрытия цинком, медью и т.п. К пневмодвигателям, например к пневмоцилиндрам или пневмоторам ручного инструмента, воздух подводится по гибким ре­повым шлангам с текстильным каркасом (резиновым рукавам). Соединение трубопроводов и присоединение их к пневмоагрегатам как для жестких трубопроводов, так и для резиновых шлангов осуществляются с помощью соединительной арматуры, пол­ью аналогичной арматуре гидравлических систем (см. подраздел. 14.2).

В пневмолиниях низкого давления, как правило, используются кассовые трубопроводы, выполненные из полиэтилена или цивинилхлорида. Основными преимуществами таких трубопроводов являются: отсутствие коррозии, малая стоимость, малая масса удобство монтажа. Соединения пластмассовых трубопроводов, которые широко используют, например, в струйных пневмоэлементах, представлены на рис. 21.8. Такие безрезьбовые соединения осуществляются с помощью металлического или пластмассового ниппеля с различной конфигурацией уплотнительной по­гости.

Рис. 21.8. Соединения эластичных трубопроводов: 1 — ниппель

При эксплуатации таких соединений в условиях температур более |40 °С пластмассовые трубки надевают на ниппели в разогретом температуры 100 °С состоянии, а затем охлаждают до температуры окружающей среды.

При этом руководствуются правилом, что для магистральных трубопроводов высокого давления длиной более 500 м скорость движения воздуха не должна превышать 10 м/с. Для более коротких трубопроводов рекомендуется принимать скорость до 15 м/с, а для трубопроводов, соединяющих элементы одного пневмопривода, допускается скорость до 40 м/с.

где Q — объемный расход воздуха;

v — скорость движения воздуха;

р — соответственно плотность воздуха при атмосферном давлении и при давлении в трубопроводе.

После определения внутреннего диаметра рассчитывают потери давления при движении воздуха по трубопроводу, используя формулы подразд. 20.3:

Δр =Δ р_тр +Δ р_м,

где Δр_тр — потери на трение по длине; Δр_м — потери в местных сопротивлениях. Обычно потери в трубопроводе при правильном выборе его параметров составляют не более 5... 10 % рабочего давления.

21.2. Основные требования к монтажу, наладке и эксплуатации элементов пневмосети

Монтаж, наладка и соблюдение правил эксплуатации во многом определяют надежность и долговечность как отдельных пневмоустройств, так и пневмосистемы в целом.

Общие требования к монтажу любых пневматических устройств можно свести к следующим:

исключить возможность внешнего повреждения при эксплуатации;

исключить возможность загрязнения внутренних полостей;

обеспечить доступность для регулирования и обслуживания;

монтировать пневматические устройства так, чтобы направление потока воздуха совпадало с направлением стрелок на этих устройствах.

Монтаж пневмомоторов и пневмодвигателей поворотного: необходимо осуществлять так, чтобы соблюдалась соосность с валом.

После монтажа пневмомотор следует опробовать в холе жиме ведомого механизма. Осевые усилия на валу не допуск. Далее пневмомотор необходимо опробовать в рабочем рез течение 15...20 мин, обращая внимание на герметичность соединений, отсутствие стуков и шумов внутри мотора, нагрев наружной поверхности, особенно в области установки подшил Нагрев свыше 60 °С недопустим.

Монтаж пневмоцилиндров должен обеспечивать отсутствие смещения или перекоса осей штока пневмоцилиндра и ведомого механизма, которые приводят к возникновению радиальных; на штоке.

Пневмоцилиндры следует устанавливать вниз отверстиями для подвода сжатого воздуха во избежание сбора конденсата в рабочих пологостях. В пневмоцилиндрах одностороннего действия для предотвращения попадания загрязнений в нерабочую полость в отверстии, соединяющем эту полость с атмосферой, устанавливают фильтр (сапун).

После монтажа определяют свободу и плавность совместного перемещения штока и ведомого механизма, для чего снимают транспортные заглушки с присоединительных отверстий, обеспечивая свободу хода.

Фильтр-влагоотделитель, исходя из его принципа действия, (необходимо монтировать в вертикальном положении. Такие устройства удаляют только капельную влагу и твердые частицы загрязнения, а оставшиеся пары могут конденсироваться в трубопроводе. Поэтому фильтр-влагоотделитель необходимо располагать как можно ближе к пневмоэлементам. Если конденсат из фильтра-влагоотделителя удаляется через автоматический конденсатоотводчик, то при эксплуатации необходимо следить за возможным засорением его каналов. Ручной конденсатоотводчик более прост, дешев и надежен, однако его следует применять только в том случае, когда опасность накопления конденсата в отстойнике сверх нормы мала, а сброс его производится не чаще одного раза за рабочую смену. В процессе эксплуатации необходимо периодически удалять и твердые частицы загрязнения, которые оседают на фильтрующем элементе.

Дешевые фильтрующие элементы (бумажные, тканевые) просто заменяют, а дорогие (керамические, порошковые) очищают загрязнения либо путем промывки, либо пропуская воздух в управлении, обратном направлению движения в рабочем про­весе.

Маслораспылитель также монтируют только в вертикальном положении, причем устанавливают как можно ближе к объекту смазки и выше него. Это делается для того, чтобы масло перемещалось в нужном направлении под действием силы тяжести. Во время эксплуатации необходимо контролировать уровень смазывающей жидкости в бачке маслораспылителя.

Монтаж глушителя производится непосредственно у отверстия выхлопа пневматического двигателя или на выхлопных трубопроводах, объединяющих выхлоп нескольких пневмодвигателей. В последнем случае глушители следует располагать на удалении от рабочих мест. При эксплуатации следует учитывать, что часть выносимого из пневмодвигателя масла задерживается в глушителе и может стекать с него, загрязняя окружающую среду.

Монтаж трубопроводов должен обеспечивать: прочность и герметичность труб, их соединений между собой и присоединений к пневмоагрегатам; надежность их закрепления на опорных конструкциях; возможность удаления влаги, продувки и промывки трубопроводов. При монтаже не допускается образование впадины, так как это приводит к скоплению влаги и грязи. Если избежать впадин не удается, то обязательно предусматривают в низких местах установку устройств для удаления влаги и твердых частиц заг­рязнения. При присоединении пневмоустройств, например, к магистральному трубопроводу, необходимо располагать точки присоединения в верхней части трубы, что уменьшает вероятность попадания конденсата к потребителю.

Особое значение при монтаже имеет изгиб трубопроводов. Минимальный радиус изгиба R_min ограничен значениями, при которых не нарушается статическая и усталостная прочность труб. Для стальных труб R_min = (3...5)D, где D — наружный диаметр трубы. Для труб из цветных металлов R_min = (2... 3)D, а для труб из пластмассы R_m[n = (3... 6)D. При монтаже гибких шлангов, особенно при подсоединении их к подвижным пневмодвигателям, необходимо учитывать, что они могут работать только на изгиб, а работа на скручивание не допускается.

При монтаже в трубопроводе кранов, клапанов и других пневмоустройств их необходимо располагать на опорах (скобах, крон штейнах и т.п.).

В процессе эксплуатации трубопроводы следует периодически очищать. Очистку металлических труб проводят двумя способами: продувкой сжатым воздухом и промывкой.

Продувка хорошо очищает трубу от обычных загрязнений, не позволяет удалять коксообразующие отложения, ржавчину окалину и т. п. Эти продукты загрязнения удаляют промывкой различными растворами синтетических моющих средств.

При эксплуатации пластмассовых трубопроводов следят за отсутствием перегибов, соприкосновений трубопровода с подвижными деталями, нарушений целостности. В случае потери раб способности трубопроводы заменяют.

Глава 22

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

22.1. Компрессоры

Принцип действия аналогичных элементов пневматических и гидравлических систем оди­наков. Это в полной мере можно отнести к пневматическим и гидравлическим машинам.

Компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов. В этих машинах подведенная механиче­ская энергия преобразуется в энергию потока газа.

По принципу действия компрессоры аналогичны гидравличе­ским насосам и также делятся на два класса: динамические и объем­ные.

22.1.2. Объемные компрессоры

Работа объемных компрессоров, как и объемных насосов, основана на принципе вытеснения газа из рабочих камер за счет движения вытеснителей. Если вытеснители совершают только поступательное движение, то такие компрессоры называют возвратно-поступательными (или поршневыми). Процессы, которые происходят в рабочей камере поршневого компрессора, можно объяснить с помощью теоретической индикаторной диаграммы, представленной на рис. 22.2, а. Она построена при допущении, что утечки и перетечки газа, объем воздуха в рабочей камере при крайнем левом положении поршня, потери во всасывающей и напорной пневмолиниях, а также инерционность клапанов отсутствуют.

При движении поршня из крайнего правого положения влево происходит сжатие газа. Процессу сжатия соответствует кривая 1—2 диаграммы. Характер кривой зависит от характера процесса (изометрический, адиабатический или политропический). При достижении давления сжатия р₂ открывается выпускной клапан K₁ и происходит процесс вытеснения газа из рабочей камеры в напорную пневмолинию. Процессу соответствует изобара 2— 3. При крайнем левом положении поршня газ полностью вытеснен из рабочей камеры, выпускной клапан К₁ открыт, а впускной К₂ закрыт.
В начале движения поршня вправо клапан K1закрывае клапан К₂ при падении давления в рабочей камере до р₁открывя, и начинается процесс заполнения рабочей камеры при постоянном давлении р₁< р₀, где р₀ — давление в пространстве, из которого воздух поступает в рабочую камеру. Процессу соответствует изобара 4— 1. После прихода поршня в крайнее правое положение весь цикл повторяется.

Замкнутая фигура 1—2—3—4—1 является теоретической индикаторной диаграммой компрессора.

Любые неисправности, которые появляются в компрессоре (Нарушение герметичности, разрушение пружин клапанов, появление дополнительных сопротивлений в пневмолиниях и т. п.),приводят к отклонению формы индикаторной диаграммы от эталонной. При эксплуатации компрессора периодически снимают его индикаторную диаграмму и, сравнивая ее с эталонной диаграммой, оценивают его работоспособность.

Использование в поршневом компрессоре одной рабочей камеры, как и в

поршневых насосах, вводит к существенной пульсации подачи газа. Поэтому в промышленных компрессорах используют несколько рабочих камер (цилиндров), которые располагаются в ряд рис 22.2, б) или радиально рис. 22.2, в). Такие компрессоры называются многоцилиндровыми.

Рис. 22.2. Поршневые компрессоры:

а — теоретическая индикаторная диаграмма одной ступени; б—мноцилиндровый компрессор с рядным расположением цилиндров; в- мноцилиндровый компрессор с радиальным расположением цилиндров

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

В основу классификации поршневых компрессоров положены следующие признаки:

1) способ приведения в действие – компрессоры с кривошипно-шатунным механизмом (с приводом от обособленного двигателя через трансмиссию или непосредственно со встроенным двигателем, в том числе газомоторные компрессоры) и дизель-компрессоры со свободными поршнями (СПДК);

2) число ступеней компрессора – одно-, двух-,..., семиступенчатые;

3) число цилиндров – одно-, двух-, многоцилиндровые;

4) расположение осей цилиндров – вертикальные, горизонтальные, угловые. К угловым относятся машины с вертикально-горизонтальным и с наклонным расположением цилиндров (V-образные, веерообразные и звёздообразные);

5) производительность всасывания – малые (до 10 м³/мин), средние (10 – 100 м³/мин) и крупные (свыше 100 м³/мин);

6) конечное избыточное давление – низкого давления (до 1 Мн/м²), среднего давления (1 – 10 Мн/м²), высокого давления (свыше 10 Мн/м²);

7) состав сжимаемого газа – воздушные, кислородные, аммиачные, азотоводородные, для природного газа и др.;

8) установка – стационарные, полустационарные, передвижные;

9) охлаждение – с воздушным, с внутренним водяным и с внешним (промежуточным).

ТИПЫ И СХЕМЫ КОМПРЕССОРОВ

Тип компрессора определяется расположением цилиндров. Каждый тип компрессоров имеет свои преимущества.

Основное преимущество вертикальных компрессоров – равномерный износ цилиндров и поршней вследствие меньшего давления поршней на стенки цилиндров благодаря равномерному распределению смазки и оседанию твёрдых частиц на торце поршня. Это преимущество является решающим для компрессоров без смазки или с неполной смазкой там, где не допускается применение минерального масла (кислородные, хлорные и другие компрессоры).

Горизонтальные компрессоры более удобны при обслуживании, что очень важно для стационарных крупных компрессоров.

Преимущества угловых компрессоров – относительно малая масса и компактность – имеют решающее значение для компрессоров в передвижных установках.

Компрессоры одного типа с кривошипно-шатунным механизмом различаются числом рядов цилиндров, равным числу шатунов, расположением цилиндров и ступней, конструкцией кривошипно-шатунного механизма, который может быть крейцкопфным или безкрейцкопфным. Эти признаки объединены общим понятием схемы компрессора, которая предопределяет конструкцию машины, её массу, габариты и стоимость, а также экономичность в эксплуатации, надёжность, простоту обслуживания и ремонта.

Различие требований, предъявляемых компрессорам в зависимости от их назначения, отражено в разнообразии применяемых схем. Наиболее распространённые из них приведены на рис. 5, а – т, на котором римскими цифрами обозначены ступени сжатия, а буквами Ур – уравнительная полость; последняя в отличие от рабочих полостей не имеет клапанов и находится под постоянным давлением газа для уравнивания поршневых сил.

Бескрейцкопфные компрессоры просты по конструкции и компактны, вследствие чего их применяют для передвижных установок.

В крупных компрессорах сказываются недостатки такой схемы: пониженный механический к.п.д., большие утечки газа через поршневые кольца, повышенный унос масла и картера и сильное загрязнение им сжимаемого газа, неэффективное использование объёма цилиндра вследствие одинарного действия. Поэтому она уступает место схеме с крейцкопфом.

На рис. 5, з, м представлены схемы со встречным движением поршней (оппозитное расположение). Колена вала каждой пары противолежащих рядов взаимно смещены на 180°. В этой схеме полностью уравновешиваются силы инерции поступательно движущихся масс, поршневые силы рядов противоположны по направлению, вследствие чего на коренные подшипники действует их разность. Тем самым уменьшается работа трения, а следовательно, износ подшипников и коренных шеек вала. Горизонтальные оппозитные компрессоры примерно в 2 раза легче, чем машины с односторонним расположением цилиндров.

Несколько ступеней в одном ряду объединяют в дифференциальный блок (см. рис. 5, и, л), за счёт чего уменьшается число сальников и длина ряда. Ступень высокого давления для снижения утечек газа уплотняют по возможно меньшему периметру поршня, располагая её в торце дифференциального блока.

Все детали поршневого компрессора (рис. 6) можно распределить в конструктивные группы в зависимости от их назначения:

группа механизмов движения – рама, станина или картер, коренные подшипники, коленчатый вал, шатуны, крейцкопфы, маховик;

цилиндровая группа – цилиндры, втулки цилиндров, крышки, уплотнения штока;

поршневая группа – поршни, поршневые кольца, штоки;

группа распределения – клапаны;

система смазки – масляные насосы, фильтры, маслопроводы, холодильники для масла, маслоотделители и др.;

система охлаждения – промежуточный и концевой холодильники для сжимаемого газа, трубопроводы;

система регулирования – средства регулирования производительности (цилиндры дополнительных «мёртвых» пространств, вспомогательные клапаны, трубопроводы);

группа установки машины – щит управления, привод, газопроводы, ресиверы, воздушные фильтры, ограждение и др.

	Рис.6. Двухступенчатый поршневой компрессор.

Группа механизма движения состоит из деталей, свойственных другим поршневым машинам, например двигателям внутреннего сгорания, паровым машинам.Цилиндры для давлений до 6 Мн/м² изготавливают из чугуна, для давлений до 15 Мн/м² – литым из стали, для более высоких давлений – кованными из стали. Чугунные цилиндры отливают заодно с водяной рубашкой, стальные цилиндры обычно имеют съёмный кожух. Для упрощения отливки иногда цилиндры составляют из отдельных частей. Рабочую поверхность цилиндра шлифуют или хонингуют. В цилиндры часто вставляют чугунные втулки для улучшения качества поверхности и для снижения требования к отливке цилиндров (см. рис. 6). Клапаны размещают в цилиндре или в его крышке; при этом оси клапанов расположены радиально, наклонно или параллельно оси цилиндра. Воду подводят к рубашкам цилиндров снизу, а отводят в самой верхней точке во избежание воздушных мешков. В случае воздушного охлаждения на внешней поверхности цилиндра устанавливают рёбра.

Клапаны

Рабочие клапаны поршневых компрессоров можно классифицировать следующим образом: по назначению – всасывающие, нагнетательные и комбинированные; по принципу действия – самодействующие и принудительного действия; по конструкции запорного органа – пластинчатые, тарельчатые и полосовые. В современных поршневых компрессорах наибольшее распространение получили самодействующие пластинчатые клапаны. На рис. 1 приведена конструкция однокольцевого (с одной пластиной) пластинчатого клапана компрессора 2СГ-60-В. Клапан состоит из седла 1, на котором расположена пластина (кольцевая) 8.

Рис. 1 Однопластинчатый кольцевой

клапан компрессора 2СГ-60-В

Для ограничения высоты подъема пластины служит розетка 3, стягиваемая с седлом клапана стяжным болтом 4 с гайкой 5. Пластина к седлу клапана прижимается пружиной 2, концентрично расположенной по пластине клапана. Для предотвращения бокового смещения пластины служит звездочка 7, а для обеспечения необходимого взаимного расположения седла и розетки клапана и розетки предусмотрен центрирующий лифт. Во избежания откручивания гайка 5 шплинтуется. При достижении в цилиндре давления, равного давлению в напорном трубопроводе, с учетом преодоления усилия пружины 2 и инерционности пластины в сжатый газ по газовым каналам поступает под пластину, поднимает ее и поступает в трубопровод, обтекая розетку 3, а также протекая по газовым каналам 6 розетки.

В компрессорах с большой производительностью рабочие клапаны имеют по 2 газовых канала в седле и по 2 рабочих пластины. В этом случае они называются двухкольцевыми пластинчатыми клапанами.

Рабочие клапаны размещают в теле цилиндра или в его крышке.

В некоторых конструкциях компрессоров всасывающий клапан располагают в поршне. Во всех случаях для установки клапанов предусматривают клапанные гнезда. С целью уменьшения величины вредного пространства применяют комбинированные клапаны, совмещающие назначение как всасывающего, так и нагнетательного клапанов.

Рис. 2 Комбинированный клапан

На рис. 2 представлен комбинированный клапан воздушного компрессора КВ-100У, который состоит из корпуса 1, пластин 2 и 8, пружин 3 и 9, верхней розетки 4, гайки 5, стопора 6, стяжного болта 7, нижней розетки 10.

В момент всасывания пластина 8 открывается, а пластина 2 прижата к седлу. При нагнетании отжимается пластина 2, обеспечивающая выход газа в напорный трубопровод, а пластина 8 запирает доступ газа из цилиндра в линию всасывания.

Комбинированные клапаны применяют, в основном, в цилиндрах высокого давления одинарного действия. Они обычно располагаются в крышках цилиндров. Основные неполадки рабочих клапанов, встречающиеся в практике работы компрессоров, - образование нагара, а также искривления, выработка и поломка пластины, реже – отворачивание стяжной гайки, поломки шплинтов, разрушение седла и розетки, разрыв уплотнительной прокладки. Все эти неполадки вызывают, в первую очередь, нарушение герметичности клапанного узла, что сразу отражается на распределении давления по ступеням и всегда приводит к снижению производительности компрессора. Особенно опасны неполадки, связанные с разрушением деталей клапанов. В этом случае осколки деталей, увлекаемые потоками газа, могут попасть в рабочую полость цилиндра, под поршень и привести к поломке рабочих колец, появление стуков и даже к серьезным повреждениям цилиндра и механизма движения.

Обратный клапан

Обратный клапан предназначен для разгрузки компрессора от давления сжатого воздуха из воздухозаборника во время его остановки. Он состоит из корпуса с фланцами, при помощи которых крепится к компрессору и воздухопроводу. Стрелка на корпусе показывает направление движения воздуха. Внутри корпуса установлен клапан в направляющей втулке, которая запрессована в крышку. Воздух от компрессора поступает в корпус клапана, поднимает клапан и выходит через отверстия в пневмосистему. При прекращении подачи воздуха от компрессора клапан опускается и перекрывает подач воздуха в компрессор.

В пневмосистемах используют и специфические клапаны, кото­рые в гидросистемах не применяют. Примером такого клапана является клапан быстрого выхлопа. Конструктивная схема клапана быстрого выхлопа и способ его включения в пневмосистему показаны на рис. 23.1, а. Поршень пневмоцилиндра 1 совершает рабочий

ход при подаче сжатого воздуха в бесштоковую полость. Возврат поршня (холостой ход) совершается под действием возвратной пружины. Для того чтобы ускорить холостой ход, нужно быстро освободить бесштоковую полость от воздуха. Эту задачу и выполняет клапан быстрого выхлопа, который состоит из корпуса, крышки 2 и мембраны 3.

Если распределитель 4 находится в исходной позиции, то пневмолиния А соединена с атмосферой, мембрана под действием сил упругости прижата к корпусу клапана и пневмолиния Б соединена с атмосферой через отверстия п, которые располагаются по окружности и имеют большую суммарную площадь. При подаче управляющего сигнала распределитель 4 переходит в рабочую позицию, соединяя линию А с напорной пневмолинией. Под действием сжатого воздуха мембрана клапана поднимается вверх и прижимается к крышке, перекрывая отверстия п, а линии А и Б соединяются через центральное отверстие в мембране. Сжатый воздух поступает в бесштоковую полость пневмоцилиндра, и его поршень совершает рабочий ход.

При снятии управляющего сигнала распределитель приходит в исходную позицию и мембрана клапана также занимает исходное положение, соединяя бесштоковую полость с атмосферой. Так как клапан быстрого выхлопа всегда устанавливают прямо на пневмоцилиндре, воздух почти беспрепятственно выходит в атмосферу и поршень быстро возвращается в исходное положение под действием даже малого усилия возвратной пружины. На рис. 23.1, б показано условное обозначение клапана быстрого выхлопа на схемах.

Рис. 23.1. Клапан быстрого вы­хлопа:

а — схема включения в пневмосеть; б —

условное

обозначение; 7 — пневмоци-

линдр; 2 — крышка; 3 — мембрана; 4 —

распределитель; 5 — корпус

22.1.3. Охлаждение газа в компрессорах

Из термодинамики известно (см. подразд. 8.6), что для устройства, рабочий процесс которого в системе координат р-w изображается в виде замкнутой линии, механическая работа пропорциональна площади, ограниченной этой линией, т.е. площади его индикаторной диаграммы. Минимальная площадь будет в том случае, если процесс сжатия (кривая 1—2 на рис. 22.2, а) будет соответствовать изотермическому процессу.

В таком процессе постоянная температура газа поддерживается за счет отвода тепла, выделяющегося в компрессоре. На практике добиться изотермического процесса сжатия газа не удается из-за необходимости серьезных усложнений конструкции системы охлаждения. В промышленных компрессорах различных типов система

охлаждения обеспечивает политропический процесс сжатия, для которого показатель политропы 1 < n<к (для воздуха к =1,4).При этом, чем эффективнее система охлаждения, тем ближе процесс сжатия к изотермическому.

Охлаждение в компрессорах бывает водяное и воздушное. Воздушное охлаждение малоэффективно и применяется в компрессорах малой мощности. В промышленных компрессорных установках охлаждение происходит за счет циркуляции по полостям в корпусе компрессора охлаждающей жидкости, обтекающей рабочие |камеры (см. рис. 22.3). В центробежных компрессорах полости проектируют так, чтобы охлаждающая жидкость обтекала стенки направляющего аппарата каждой ступени (см. рис. 22.1). Такое охлаждение называют внутренним или рубашечным, так как полости корпуса образуют как бы рубашку охлаждения.

В компрессорных установках, где используются объемные многоступенчатые компрессоры, помимо внутреннего охлаждения применяют внешнее с помощью охладителей, в которых газ отдает теплоту на пути между ступенями. В качестве таких охладителей чаще всего используют обычные трубчатые теплообменники (радиаторы), в которых под напором циркулирует вода или специальная охлаждающая жидкость. Использование и внутреннего, и внешнего охлаждения сжатого газа существенно повышает экономичность работы компрессоров.

Дата добавления: 2014-01-07