Пневматический привод тормозной системы. Общие сведения о гидро-и пневмоприводах
Исходной энергией в пневматических приводах является энергия сжатого воздуха. Пневмопривод широко используют в приспособлениях благодаря его быстродействию (скорость срабатывания – доли секунды), простоте конструкции, легкости и простоте управления, надежности и стабильности в работе. Вместе с тем пневмопривод имеет недостатки – неплавное перемещение штока, низкое давление воздуха и шум при выпуске отработанного воздуха.
Пневмопривод включает в себя следующие части: источник сжатого воздуха – обычно цеховая или заводская компрессорная установка; силовой агрегат – пневмодвигатель, преобразующий энергию сжатого воздуха в силу W на штоке; пневмоаппаратура – контролирующие приборы, распределительные, предохранительные устройства и т. д.; воздухопроводы.
В одну конструкцию с приспособлением скомпонован пневмодвигатель. Остальные устройства размещают вне приспособления, с помощью воздухопроводов их соединяют с приспособлением.
Пневмодвигатели бывают трех типов – поршневые (пневмоцилиндры, рис. 2.59, а), диафрагменные (пневмокамеры, рис. 2.59, б) и сильфонные (рис. 2.59, в).
Рис. 2.59. Типы пневмодвигателей
Пневмокамеры представляют собой конструкцию из двух литых или штампованных чашек, между которыми зажата упругая диафрагма из стали или прорезиненной ткани. Рабочая полость сильфонного двигателя представляет собой гофрированную замкнутую камеру 1 из тонколистовой коррозионно-стойкой стали, латуни или фосфористой бронзы, упругорасширяющуюся в направлении рабочего хода штока 2 под действием сжатого воздуха. Обратный ход осуществляется при подаче воздуха внутрь камеры 3. Рабочий ход штока пневмокамеры и сильфона в связи с этим ограничен величиной возможной упругой деформации, в то время как у пневмоцилиндра он может быть любым. Пневмоцилиндр для герметизации рабочих полостей требует уплотнений на поршне и штоке, которые довольно быстро изнашиваются (обычно срок их службы не превышает 10 тыс. циклов), диафрагмы более долговечны – до 600 тыс. циклов. Сильфон уплотнений не требует.
Уплотнения являются ответственными конструктивными элементами пневмодвигателей. Они необходимы в кольцевых зазорах между поршнем и цилиндром, штоком и крышкой и в неподвижных соединениях, где возможна утечка воздуха. В современных пневмодвигателях применяют две разновидности уплотнений (рис. 2.59, а): 1 - манжеты V -образного сечения из маслостойкой резины по ГОСТ 6969-54 для уплотнения поршней и штоков, 2 – кольца круглого сечения из маслостойной резины по ГОСТ 9833-73 для уплотнения поршней, штоков и неподвижных соединений.
Кроме того, применяют оригинальные многоместные приспособления с трубчатыми диафрагмами. Концы трубок закрыты пробками и в одну из пробок ввинчен штуцер для подачи сжатого воздуха. При впускании сжатого воздуха диафрагма 3 (рис. 2.60, а) расширяется, сжимает пружины 2 и перемещает плунжеры 1, зажимая детали. При выпускании воздуха плунжеры возвращаются в исходное положение под действием пружин.
n1.docx
1. Пневматические исполнительные устройства. Пневмоцилиндры, роторные и турбинные пневмодвигатели.Пневматическим устройством - называют устройство, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый газ, физические свойства газа проявляются в виде давления на поверхность твердых звеньев устройства или в виде аэродинамических эффектов.
Пневмопривод представляет собой систему взаимосвязанных пневмоустройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов машин или рабочих звеньев механизмов. Пневмоустройства в приводах могут быть связаны между собой пневматическими линиями (трубопроводами) и механизмами (шарнирно-рычажными, зубчатыми, кулачковыми и т. д.).
Исполнительные устройства предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в энергию движения рабочих органов машины.
Наибольшее распространение получили объёмные пневмодвигатели (поршневые, ротационные и камерные (баллонные)).
Пневмодвигатель применяются для привода различных инструментов (дрелей
, гайковёртов
, отбойных молотков
, шлифовальных головок), обеспечивая безопасность работы во взрывоопасных местах (со скоплением газа, угольной пыли), в среде с повышенным содержанием влаги.
2.Основные элементы и схемы пневмоприводов.
Пневматический привод- совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством энергии сжатого воздуха. Обязательными элементами пневмопривода являются компрессор (генератор пневматической энергии) и пневмодвигатель .
Основное назначение пневмопривода, как и механической передачи, - преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).
В общих чертах, передача энергии в пневмоприводе происходит следующим образом:
Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал компрессора , который сообщает энергию рабочему газу.
Рабочий газ после специальной подготовки по пневмолиниям через регулирующую аппаратуру поступает впневмодвигатель , где пневматическая энергия преобразуется в механическую.
После этого рабочий газ выбрасывается в окружающую среду, в отличие от гидропривода , в котором рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в гидробак , либо непосредственно к насосу .
Типовая схема пневмопривода
Типовая схема пневмопривода: 1 - воздухозаборник ; 2 - фильтр; 3 - компрессор ; 4 - теплообменник (холодильник); 5 - влагоотделитель ; 6 - воздухосборник (ресивер); 7 - предохранительный клапан ; 8- Дроссель; 9 - маслораспылитель ; 10 - редукционный клапан ; 11 - дроссель; 12 - распределитель ; 13 пневмомотор ; М - манометр .
Воздух в пневмосистему поступает через воздухозаборник .
Фильтр осуществляет очистку воздуха в целях предупреждения повреждения элементов привода и уменьшения их износа.Компрессор осуществляет сжатие воздуха.
Поскольку, согласно закону Шарля , сжатый в компрессоре воздух имеет высокую температуру, то перед подачей воздуха потребителям (как правило, пневмодвигателям) воздух охлаждают в теплообменнике (в холодильнике).Чтобы предотвратить обледениение пневмодвигателей вследствие расширения в них воздуха, а также для уменьшения корозии деталей, в пневмосистеме устанавливают влагоотделитель .Воздухосборник служит для создания запаса сжатого воздуха, а также для сглаживания пульсаций давления в пневмосистеме. Эти пульсации обусловлены принципом работы объёмных компрессоров (например, поршневых ), подающих воздух в систему порциями.Вмаслораспылителе в сжатый воздух добавляется смазка, благодаря чему уменьшается трение между подвижными деталями пневмопривода и предотвращает их заклинивание.
В пневмоприводе обязательно устанавливается редукционный клапан , обеспечивающий подачу к пневмодвигателям сжатого воздуха при постоянном давлении.
Распределитель управляет движением выходных звеньев пневмодвигателя.
В пневмодвигателе (пневмомоторе
или пневмоцилиндре
) энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию.
3.Пневматические распределительные устройства.
Обратные пневмоклапаны предназначены для пропускания сжатого воздуха только в одном направлении (рис. 5.25). Клапан 3 находится в корпусе 2 и в свободном состоянии прижимается пружиной 4 к седлу (проход от отверстия 5 к отверстию 1 закрыт) 1 . При подаче воздуха в отверстие / клапан 3 отодвигается от седла, открывая проход к отверг стию 5
Клапан быстрого выхлопа (рис. 5.20) служит для повышения быстродействия пневмоприводов путем уменьшения сопротивления выхлопной линии. Применение такого клапана(рис. 5 26, в) обеспечивает увеличение скорости втягивания штока пневмоцилнндра / пол действием пружины. При включении иневморасиределителя 5 сжатый воздух проходит через клапан быстрого выхлопа.7, который пропускает его в поршневую полость цилиндра ло трубопроводу 2 % обеспечивая перемещение поршня влево.
При выключении пневмсраспределителя 5 давление в трубопроводе 4 падает, клапан быстрого выхлопа переключается, обеспечивая выпуск позлуха из полости пневмоцилнндра в атмосферу, минуя трубопровод 4 к иисвмораспредслигель 5.
На рис. 5.26,а показанаrxewa клапана быстрого выхлопа. Отверстие 2 клапана присоединяется к полости цилиндра. Ока- тый воздух от распределителя подводится к отверстию /. Отверстие 3 соединяется с атмосферой. На рис. 5.26, о показано положение клапана быстрого выхлопа при наполнении полости пневмоцилнндра сжатым воздухом. На рис. 5.26,6 показано положение клапана при быстром опорожнении этой же полости цалмндра.
Пневмоклаланы последовательности предназначены для контроля рабочего цикла по давлению (разности давлений) в пневматических системах управления путем подачи пневматического сигнала при возрастании контролируемого давления (разности давлений) до заданной величины. Такие клапаны применяют также для переключения пневматически управляемых узлов в системах, когда нельзя использовать конечные выключатели (например при переменной длине хода поршня).
На рис. 5.27 приведена конструкция активного клапана последовательности. Чтобы избежать ложного сигнала до начала и при движении порш- Ц а ня цилиндра, предусмо- 3}- трен дифференциальный поршень 2, полости которого сообщаются с напорной (отверстие Ц п) и выхлопной (отверстие Ц й ) полостями цилиндра. Так как до начала движения и при движении поршня цилиндра разность дав- лений в его полостях меньше, чем после окончания хода, дифференциальный поршень 2 на- Рис. 5.27. Пнсвмоклапап последовательности дежно удерживается в
верхнем положении пружиной 3, настраиваемой винтом 5, и давлением в выхлопной полости, действующим на большую площадь поршня 2.
После прохода поршня цилиндра в крайнее положение и его останова давление в напорной полости становится равным давлению в магистрали, а в выхлопной полости - атмосферному. Вследствие этого поршень 2, преодолевая действие пружины 3> перемещается вниз и через толкатель 4 перемешает клапан У, тем самым соединяя его выход 0 с каналом питания П. На выходе образуется пневматический сигнал, который может использоваться для реверса этого пневмоцилиндра или управления пяГттпй ппугих элементов схемы.
4 Пневмоаппараты
Пневмоаппараты предназначены для управления давлением и расходом воздуха Взависимости от назначения они подразделяются на следующие категории
распределители информационные (входные) устройства, логико-вычислительные устройства и усилители мощности.
обратные клапаны.
регуляторы расхода,
клапаны давления
запорные вентили
Распределители различаются
по числу присоединенных линий 2-линейные. линейные. 4-линейные и т д.
по числу позиций переключения 2 позиционные 3 позиционные и т д
по способу приведения в движение с мускульным управлением с механическим управлением с пневматическим управлением с электрическим управлением
по способу возврата в исходное положение с пружинным возвратом, с возвратом при помощи давления
Рис 23-распределитель с роликовым рычагом,3/2-распределитель с ломающиися роликовым рычагом
В качестве логию-вычислительного устройства распределитель используется например для выключения или выключения выходного сигнала, которое осуществляется под действием входного сигнала
рис 2 5 Пневматический
5G
-распределитель с двусторонний
пневматическим и вспомогательным ручным
управлением
Обратный клапан
Обратный клапан обеспечивает прохождение воздуха только в одном направлении Этот принцип находит применение, например, в клапанах быстрого выхлопа или логических элементах "ИЛИ" Обратный клапан как базовый элемент используется и в других типах клапанов, которые представлены на рис 2 6
Рис 2 6 Обратный клапан и другие «клапаныпостроенные но его бах
Регуляторы расхода
Регулятор расхода или дроссель запирает или дросселирует лото* и тем самым управляет расходом сжатого воздуха В идеальном случае можно регулировать дроссель бесступенчато от полного открытия до полного закрытия Дроссель должен устанавливаться по возможности в непосредственной близости от исполнительного устройства и регулироваться по мере необходимости в ходе эксплуатации Если параллельно с дросселем включить обратный клапан, тогда в одном из направлений будет ограничиваться расход воздуха а в противоположном направлении расход будет максимальным
Рис 2 9 Клапан выдержки времени
В зависимости от настройки дроссельного винта в емкость поступает больший или меньший расход воздуха После достижения необходимого давления срабатывания ^-распределитель включается на проход воздуха Он остается в этом положении до тех пор. пока действует сигнал управления К другим модулям в состав которых входит несколько клапанов относятся, например
устройства управления с двумя входами,
эадатчики тактов.
тактовые цепочки.
устройства памяти
Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства.
Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы.
Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин.
В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз.
Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами.
6.Средства пневмоавтоматики. Струйные системы пневмоавтоматики.
Наряду с силовыми пневмоустройствами в промышленности все чаще используют устройства пневмоавтоматики. Они применяются прежде всего в машинах, в состав которых входят только силовые пневмоустройства, чтобы избежать применения энергии разных видов.
Для питания пневмосистем управления от заводской сети используют три уровня давления сжатого воздуха:
высокое давление (4-10 кгс/см 2);
среднее давление (1-4 кгс/см 2);
низкое давление (до 1 кгс/см 2)-. В соответствии с этим устройства пневмоавтоматики делят на три группы.
7 Логико-вычислительные элементы (Процессоры)
Для логической обработки выходного сигнала информационных элементов используются различные релейные элементы например
логический "И"- элемент,
логический *ИЛИ* элемент
Дальнейшее развитие пневматических процессоров, осуществляющих обработку информации идет по пути создания модульных систем, которые объединяот в одном 6ло«е распределители и логические элементы Это уменьшает размеры стоимость и затраты на монтаж
8.. Общие сведения о гидродинамических передачах
Гидропередача? это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашины, называются гидродинамическими.
В гидродинамических передачах применяют лопастные насосы и, в качестве гидравлических двигателей, лопастные турбины. В реальных конструкциях лопастный насос и гидравлическая турбина предельно сближены и располагаются соосно в общем корпусе. Так как эти две гидромашины имеют общий корпус, то в дальнейшем насос будем называть насосным колесом, а турбину? турбинным колесом. В такой конструкции отсутствуют трубопроводы, поэтому жидкость из насосного колеса сразу попадает на лопатки турбинного колеса, а из турбинного? вновь на лопатки насосного колеса.
Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты(гидромуфты) и гидравлические трансформаторы(гидротрансформаторы).
Гидромуфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения крутящего момента, т. е. моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы.
Гидротрансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), и поэтому его принято называть реактором. Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый крутящий момент. Таким образом, моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны.
Комплексным называют гидротрансформатор, который в широком диапазоне изменения своих передаточных отношений работает как гидротрансформатор, а при больших значениях передаточных отношений переходит в режим гидромуфты и работает как гидромуфта. Это позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия.
Лекция 3
Приводы промышленных роботов.
1. Сравнительная характеристика приводов ПР
2. Пневматический привод:
– элементы пневмопривода;
– типовая схема и элементы управления;
– демпфирование пневмопривода:
Внешними устройствами,
Рабочим телом;
– Позиционирование пневмопривода;
– Пневматический следящий привод.
3. Гидравлический привод:
– область применения, достоинства и недостатки;
– Схема гидродвигателя: элементы и параметры
4. Электрический привод.
5. Комбинированный привод:
– электрогидравлический;
– гидропневматический и пневмогидравлический.
Сравнительная характеристика приводов ПР.
Приводы ПР включают в себя двигатель, систему управления, передаточные механизмы, тормозные устройства, датчики обратной связи и коммуникации. Коммуникации необходимы для передачи энергии к приводам и передачи сигналов управления, а также для выполнения обратной связи.
Выбор типа привода зависит от функционального назначения ПР. Основными факторами, определяющими выбор типа привода являются: назначение и условия эксплуатации, грузоподъемность и требуемые динамические характеристики конструкции, а также вид системы управления.
К приводу любого вида предъявляют общие требования:
– минимальные габаритные размеры при высоких энергетических показателях, обеспечивающие большое значение отношения выходной мощности к массе;
– возможность работы в режиме автоматического управления и регулирования, обеспечивающем оптимальные законы разгона и торможения при минимальном времени переходных процессов;
– быстродействие, т.е. осуществление движений исполнительных механизмов с высокими скоростями и малой погрешностью позиционирования;
– малая масса элементов привода при высоком КПД всей конструкции;
– надежность и долговечность элементов конструкции;
– удобство монтажа, ремонта, обслуживания, переналадки и бесшумность работы.
В зависимости от используемого вида энергии приводы подразделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (например, электрогидравлические, гидропневматические и др.)
Пневматические приводы применяются в 20…30% (по другим оценкам в 40-50%) серийно выпускаемых ПР. Их используют для легких и средних (по грузоподъемности до 20 кг) ПР при числе степеней подвижности 2…3. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,1 мм. Скорость ведомого звена привода при линейном перемещении составляет до 1000 мм/с, при угловом – до 60 об/мин. Они имеют простую конструкцию, низкую стоимость и достаточно надежны в работе.
Вследствие низкой регулировочной способности их мало используют в позиционных и контурных режимах работы, и они имеют цикловое управление, как простейший вариант позиционного (задается две точки – начало и конец перемещения).
Гидравлические приводы применяются в 30% серийно выпускаемых средних и тяжелых ПР при числе степеней подвижности 3…4. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,5 мм при скорости линейного перемещения до 0,8…1200 мм/с. Эти приводы имеют сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления и эксплуатации. Гидравлический привод имеет хорошую регулировочную способность, и его используют в ПР с позиционным и контурным режимом работы.
Электрические приводы используются в 40…50% серийно выпускаемых ПР со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3…6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.
Преимуществами электроприводов являются более высокая экономичность, КПД, удобство сборки и хорошие регулировочные свойства.
Как правило, в электроприводах используют синхронные, шаговые и двигатели постоянного тока. Асинхронные двигатели применяются реже, что связано с трудоемкостью управления частотой вращения.
Комбинированные приводы позволяют максимально использовать достоинства отдельных типов приводов. Чаще всего в промышленных роботах применяют комбинацию пневматического и гидравлического приводов (пневмогидравлические и гидропневматические), а также электрического и гидравлического (электрогидравлические). В конструкциях ПР пневмогидравлические приводы имеют ограниченное применение. В них в качестве исполнительного органа используется пневмоцилиндр, а стабилизация его скорости и гидравлическая фиксация осуществляется гидросистемой.
В гидропневматическом приводе в качестве исполнительных двигателей применяют гидродвигатели, а пневмосистема применяется для создания необходимого давления в гидросистеме, что позволяет отказаться от гидронасосных станций.
Пневматический привод
Элементы пневмопривода
Пневмопривод применяется в основном в ПР с цикловым управлением. Функционально такой пневмопривод можно разделить на следующие узлы:
– блок подготовки рабочего тела (воздуха);
– блок распределения сжатого воздуха;
– блок исполнительных двигателей;
– система передачи сжатого воздуха между устройствами привода.
Блок подготовки воздуха является обязательным для ПР с пневмоприводом. Воздух осушают и очищают от пыли.
Блок распределения сжатого воздуха содержит устройства, с помощью которых по заданной программе можно открыть или закрыть доступ сжатого воздуха в рабочие полости исполнительных двигателей. В качестве распределителей служат устройства, где запорными устройствами служат золотники и клапаны. Обычно используют пневмораспределители с управлением от электромагнитов и командоаппаратов. Однако при определенных условиях (взрывоопасная среда, радиация) используются распределители с пневматическим управлением.
В качестве блока исполнительных двигателей используются цилиндры с прямолинейным или вращательным движением поршня одно- или двустороннего действия. На каждую степень подвижности предусматривается свой исполнительный двигатель (пневмоцилиндр), конструкция которого обеспечивает заданные перемещения, скорости и усилия.
Захватное устройство ПР также может иметь двигатель, который обеспечивает захват объекта манипулирования, его удержание при перемещении и освобождение после установки в заданной точке.
Рабочий цикл выполняется каждым двигателем в определенной последовательности в соответствии с требованиями технологического процесса и осуществляется по программе, выполняемой управляющим устройством робота, которое входит в состав СПУ.
В системы передачи сжатого воздуха между устройствами привода используются пневмопроводы различного сечения, рассчитываемого исходя из заданных условий работы.
Типовая схема и элементы управления.
Рассмотрим типовую схему пневмопривода одной степени подвижности ПР (рис. 10). Она состоит из входного штуцера 12, через который осуществляется подвод сжатого воздуха под давлением 0,5…0,6 МПа из заводской пневмосети к ПР. Вентилем 11 производится включение привода в работу. Влагоотделитель 10 служит для подготовки сжатого воздуха и удаления из него водяного конденсата, который вызывает коррозию и увеличивает трение трущихся деталей. Далее посредством соответствующей регулировки редукционного клапана 9, производится предварительная настройка давления сжатого воздуха, поступающего к элементам привода. Это давление является номинальным и устанавливается согласно техническим требованиям на данный ПР. Маслораспылитель 8 также участвует в подготовке воздуха и обеспечивает распыление масла, необходимого для смазки перемещающихся элементов исполнительного двигателя (цилиндра 2) и распределителя 6. В качестве последних используются т.н. золотники и клапаны. Обычно управление распределителем производится от электромагнита. Распределители служат для перераспределения потоков рабочего тела, в данном случае сжатого воздуха, в соответствии с управляющей программой и требованиями технологического процесса.
Рис. 10 – Типовая схема пневмопривода
Согласно схеме, изображенной на рисунке 10, перемещение поршня 1 на шаг S происходит вправо вместе со штоком 3, рукой 4 и УЗ 5. Дроссель 7 служит для регулировки скорости перемещения подвижных частей двигателя.
К числу основных параметров, характеризующих пневмодвигатель, относятся: эффективная площадь поршня в рабочей (поршневой) F 1 и выхлопной F 2 (штоковой) полостях; рабочий ход поршня S ; текущая координата x ; скорость v и ускорение а поршня; масса m p исполнительного устройства (напр., руки ПР); давление воздуха в рабочей р 1 и выхлопной полотях р 2 ; эффективные площади сечений трубопроводов на входе f 1 и выходе f 2 ; диаметры поршня D и штока d ; движущая сила Р Д и сила нагрузки (потребная) Р Н .
Выбор параметров пневмоцилиндра производится следующим образом. Диаметр поршня цилиндра, расположенного горизонтально:
для вертикально расположенного цилиндра:
где р с – давление воздуха в сети (0,5…0,6 Мпа);
G – вес исполнительного устройства, Н;
k 1 – коэффициент, учитывающий отношение Р Н /Р Д, выбираемый в зависимости от скорости v и давления р с (в среднем k 1 = 0,4…0,5);
k 2 – коэффициент, учитывающий трение в цилиндре, выбираемый в зависимости от Р Н. При Р Н =0,6…60 кН, k 2 =0.5…0,05;
В – постоянная, В=11,3;
G – вес подвижных частей исполнительного устройства с объектом манипулирования. Знак «+» при опускании поршня, знак «–» – при подъеме.
Длину цилиндра выбирают в зависимости от хода поршня, причем для цилиндров двустороннего действия рекомендуется S=(8…10)D. При больших ходах поршня, шток рассчитывают на устойчивость. В ПР применяются пневмоцилиндры с D=32…80 мм и ходом S до 1000 мм.
Сила нагрузки Р Н определяется по формуле:
Р Н = Р Т + Р И ± G (5)
где Р Т – сила трения;
Р И – сила инерции, Р И = m р d 2 x/dt 2
Время работы пневмоцилиндра складывается из времени прямого хода t ПХ , времени выстоя t В и времени обратного хода t ОХ . Время прямого хода складывается из времени t 1 срабатывания распределителя, распространения воздуха до цилиндра и времени нарастания давления р 1 , времени t 1 движения поршня по пути S и времени t 3 в течении которого давление р 1 нарастает до рабочего давления в сети р с .
Время выстоя t В зависит от характера технологического процесса. Время обратного хода поршня состоит из аналогичных периодов, обратных t 1 , t 2 и t 3 . Суммарное время работы определяет быстродействие работы ПР для каждой степени подвижности.
Расход воздуха (несжатого) для практических расчетов с учетом турбулентности его течения для политропического процесса pV n = const (n – показатель политропы, для воздуха n=1,4) можно определить по формуле:
(6)
где μ – коэффициент расхода, определяемый отношением реальной скорости истечения к теоретической (справочн. в зависимости от стандартной формы местных сужений);
р 1 и р 2 – давления воздуха в полостях нагнетания и опорожнения соответственно;
R – газовая постоянная (для воздуха R=287,14 Дж/кг·К);
Т 2 – температура в полости опорожнения;
f 1 – площадь входного сечения.
Критическое значение отношения р 2 /р 1 , которого стремятся добиться для увеличения скорости выходного звена, равно 0,529. Этого значения добиваются путем уменьшения давления воздуха на выходе, при этом общий расход воздуха практически не изменяется.
Демпфирование пневмопривода
Ввиду высоких скоростей движения поршня пневмодвигателя необходимо осуществлять его торможение в конце прямого и обратного хода. Это повышает точность позиционирования и снижает динамические нагрузки в ПР.
В пневмоприводах ПР используются два типа торможения: с помощью демпфирующих устройств или путем дросселирования (рис.10).
При использовании демпфирующих устройств (внешними устройствами) торможение происходит на небольшом участке в конце хода при подходе к точке позиционирования. При использовании дросселей (торможение рабочим телом) разгон и торможение осуществляется на большей части хода, чем достигается требуемый закон изменения кинематических параметров в течение всего цикла движения.
Торможение демпфером основано на гашении энергии движения. Наиболее широкое применение получили гидравлические демпферы (рис. 11) и меньшее – механические.
Работа гидродемпфера происходит следующим образом. В момент торможения упор 1, взаимодействующий со штоком пневмодвигателя, утопляет подвижную часть демпфера – поршень 2 гидроцилиндра 3. За счет вытеснения масла через коническую щель 4 в полость 5 и происходит торможение поршня 2. Плавность торможения обеспечивается за счет выбора параметров демпфера: размеров конической щели 4, параметров дросселя 8 и пружины 7 аккумулятора 6. Размеры d д , b и l рассчитывают по известной скорости поршня и допускаемому тормозному ходу.
Рис. 11 – Схема гидродемпфера.
Сила демпфирования Р Д может быть определена по формуле:
(7)
где Δр з – перепад давления в кольцевом зазоре z;
d п – диаметр поршня демпфера.
Перепад давления Δр з определяется по формуле:
(8)
где μ – динамическая вязкость жидкости;
b – длина демпфирующего зазора;
v З – скорость жидкости в зазоре.
Из условия неразрывности потока жидкости имеем:
где v – скорость поршня исполнительного двигателя;
f З – площадь зазора.
Тогда окончательно получаем:
(10)
В механических демпферах энергия движущихся элементов привода и груза преобразуется в энергию сжатой пружины. Конструктивное оформление механического демпфера производится в виде цилиндрической пружины, заключенной в корпус. Пружинные демпферы применяются для приводов с грузоподъемностью до 1 кг., поскольку параметры пружины зависят от массы перемещаемых объектов манипулирования, а также от скорости.
Основным параметром пружины является сила пружины Р пр =П Д.
Т орможение поршня с использованием рабочего тела достигается путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения за счет установки специального дросселя (поз.7 рис.10) и позволяет изменять площадь выходного сечения f 2 по закону f 2 = f (x ) . При этом меняется значение давления и формируется необходимый закон движения поршня, т.е. регулируется скорость его перемещения. Такой способ торможения возможен только благодаря высокой сжимаемости воздуха и используется для роботов с грузоподъемностью до 5 кг.
Другим способом торможения является способ, при котором используется схема создания противодавления в соответствующей полости двигателя. При достижении поршнем некоторого положения в полость опорожнения подается основное давление магистрали (рис.12).
Рис. 12 – Схема торможения противодавлением
Работа заключается в следующем. Сжатый воздух из магистрали питания через пневмораспределители 1 и 2 поступает в левую полость цилиндра. Правая полость через пневмораспределитель 5 и дроссель 4 сообщена с атмосферой. Поршень движется из левого положения в правое, при этом перепад давления на поршне Δр=р 1 -р 2 . По достижении поршнем положения 1-1 посредством системы управления ПР пневмораспределитель 5 переключается в другое положение (влево) и сжатый воздух из магистрали питания попадает в правую полость пневмоцилиндра. Давление в обоих полостях начинает выравниваться до р 1 =р 2 . Из-за разности площадей левой и правой частей поршня F 1 и F 2 на поршень действует сила Р= р 1 (F 1 – F 2), под действием которой поршень будет двигаться с меньшей скоростью.
Для создания равновесия сил на поршне пневмораспределитель 2 должен переключиться одновременно с пневмораспределителем 5 и перекрыть доступ сжатого воздуха в левую полость цилиндра, которая будет представлять собой замкнутый объем V, для которого можно принять pV = const .
В случае равновесия на поршне:
(11)
где N – внешние силы (функциональное назначение).
Выражая площадь через диаметры получаем условие, характеризующее равновесие в полостях цилиндра через соотношение давлений:
(при N вн =0) (12)
где D и d – диаметры поршня и штока соответственно.
Иначе последнюю формулу можно переписать в виде:
(13)
где X 1Н и X 1 – начальная и конечная координата поршня.
Данная формула получена из следующего выражения с учетом pV = const :
(14)
V 1Н и V 1 – начальный и конечный объем левой полости.
В реальных конструкциях d/D= 0,3...0,7. В этом случае X 1 =(1,1...2) X 1Н. Тогда очевидно, что после подачи сигнала на останов (после переключение влево пневмораспределителя 5 влево) перемещение поршня может составлять от 10 до 100% от начального положения X 1Н.
Приведенные зависимости не отражают полностью реальные условия эксплуатации, т.к. не учитывают сил инерции и пр. и показывают качественную картину происходящих процессов при торможении поршня противодавлением (учет сил инерции важен и обязателен во всех проектировочных, прочностных и иных расчетах!).
Рассмотренный метод торможения рабочим телом не является единственным. Существует множество других схем, но общим недостатком их является перенастройка демпфирования при изменении условий и характера внешней нагрузки.
Данный метод демпфирования применяется для роботов с грузоподъемностью до 1 кг.
Позиционирование пневмопривода
Позиционирование выходного звена (например, УЗ) в ПР с цикловым управлением обеспечивается по двум крайним точкам и составляет ±x max ; ±φ max – максимальный и минимальный ход поршня при линейном и угловом перемещении.
В некоторых случаях требуется позиционирование выходного звена в промежуточных точках. В этом случае позиционирование осуществляется при помощи внешних механических упоров с демпфированием при подходе к каждому упору (к точке). Расчеты и практика показывают, что таких точек позиционирования в пневмоприводах может быть 6…9 и не более, вследствие высокой сжимаемости рабочего тела (воздуха) и скорости перемещения.
Число точек позиционирования можно увеличить, если использовать т.н. позиционеры.
Наиболее простая схема позиционирования представлена на рис. 13.
Рис. 13 – Схема позиционирования
Пневмодвигатель выполнен в виде цилиндра с ложным штоком двустороннего действия. Питание подводится в обе полости одновременно. При равенстве давлений в полостях поршень находится в покое. Магистрали 1 – 7 служат для выхода воздуха в атмосферу. При открытии по команде системы управления одного из выходов давление в соответствующей полости понижается. Под действием разности сил поршень будет двигаться до тех пор, пока не перекроется выход и давления в полостях А и В не выровняются. Закрытие и открытие выхода может осуществляться механическим путем или пневмораспределителем. Механически выход закрывается самим поршнем.
Такой способ позиционирования выходного звена применяется наиболее часто.
Другим способом позиционирования служит применение механического тормоза, который служит для останова выходного звена. Торможение осуществляют в два этапа, на первом – уменьшается скорость выходного звена на 5–10% от максимальной. Здесь с помощью датчиков положения определяются точки торможения, в которых дальнейшее движение выходного звена начинает замедляться. На втором этапе происходит останов выходного звена в заданной точке с помощью тормоза.
Позиционное управление в пневмоприводах ПР применяется для широкого диапозона грузоподъемности от 0,1 до 20 кг. и скоростей от 500 до 1000 мм/с.
Пневматический следящий привод
Применение следящего пневмопривода позволило бы решить задачу использования контурного управления ПР. В результате этого проблема точного, а также промежуточного позиционирования выходного звена ПР оказалась бы также решена. Однако применение следящего привода в пневматических устройствах ПР на практике применяется довольно редко, что связано с рядом обстоятельств, прежде всего со свойствами рабочего тела (воздуха).
Принципиальная схема следящего пневматического привода представлена на рис. 14-а.
Рис.14 – Принципиальная схема следящего пневмопривода:
1 – цилиндр; 2 – струйный механизм; 3 – сопла приемника; 4 – обмотка управления.
Распределителем сжатого воздуха является струйный механизм 2, при отклонении которого в право и влево происходит пропорциональное изменение расхода воздуха в левую или правую полость цилиндра 1 через сопла приемника 3. На оси струйника расположен якорь электромагнитного преобразователя (ЭПМ) (на рисунке не показан). При разведении токов управления i у в обмотках управления наступает равновесие сил, действующих на якорь, который вместе с струйником находится в среднем положении. При наличии разности токов управления i у равновесие сил нарушается, якорь и струйник поворачиваются на угол a, который пропорционален разности токов. Датчиком положения штока цилиндра является потенциометр обратной связи.
На рисунке рис. 14-б представлена структурная схема привода, осуществляющая управление по замкнутому циклу. Элемент сравнения U сравнивает управляющий сигнал с сигналом обратной связи и вырабатывает сигнал ошибки ε, который поступает на регулятор, состоящий из усилителя > и нелинейного элемента с зоной насыщения f и интегрирующего устройства 1/р .
f – ограничивает сигнал по величине, 1/р – повышает точность срабатывания.
Следящие пневмоприводы относятся к дроссельным системам регулирования, т.к. изменять расход на привод за счет изменения производительности компрессора, нагнетающего воздух, неперспективно из-за сжимаемости воздуха.
Принцип действия струйного распределителя основан на двойном преобразовании энергии. Сначала в струйной трубке потенциальная энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию потока струи воздуха, затем, в соплах приемника кинетическая энергия потока струи преобразуется в потенциальную энергию сжатого воздуха, поступающего в рабочие полости цилиндра. Потери давления при этом составляют до 10%.
Гидравлический привод
Область применения, достоинства и недостатки
Выше отмечалось, что область применения гидродвигателей для привода ПР достаточно высока и заключается в 30% серийно выпускаемых средних и тяжелых ПР. Погрешность позиционирования в этих приводах довольно мала и не превышает ± 0,5 мм при скорости линейного перемещения до 0,8…1200 мм/с. Гидродвигатели в ПР применяются, как правило, для переносных степеней подвижности.
Столь широкое применение гидропривода в конструкциях ПР объясняется прежде их достоинствами, такими как:
– высокая энергоемкость;
– быстродействие;
– малая инерционность;
– малая сжимаемость рабочей жидкости и за счет этого достаточно высокая жесткость статических нагрузочных характеристик;
– хорошая возможность реализации автоматического управления и регулирования скорости исполнительных механизмов;
– надежность работы и эксплуатации.
Недостатки: Эти приводы имеют сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления и эксплуатации, а также возможность утечек и необходимость охлаждения рабочей жидкости.
В гидроприводах ПР применяются следующие основные типы гидродвигателей, которые иногда могут сочетаться с различными конструкциями механических передач:
– линейные гидроцилиндры с поступательным движением штока;
– поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота;
– гидромоторы.
Все элементы гидро- и пневмоприводов стандартизованы и содержаться в справочной литературе.
В отличие от пневмодвигателей, для гидродвигателей предусмотрен блок питания, который входит в состав ПР. Он содержит гидронасос, дроссели, фильтры, регуляторы давления и другие устройства (рис. 15).
Схема гидродвигателя: элементы и параметры
Рис. 15 – Схема гидродвигателя
Гидродвигатель ПР содержит поршень 1, цилиндр двустороннего действия 2, шток 3 с рукой и захватным устройством 4. Подача и отвод масла выполняется гидрозолотником 5. В состав гидродвигателя также входят манометр 6, аккумулятор 7, дроссель 8 (регулируется скорость перемещения выходного звена – руки ПР), сливной трубопровод 9 и бак 10, а также заборный трубопровод 11, гидронасос 12, электродвигатель13, предохранительный клапан 14 и фильтр 15.
К числу основных параметров гидродвигателя относятся: эффективные площади поршня в рабочей F 1 и сливной F 2 полостях; ход поршня S ; текущая координата x ; скорость V и ускорение поршня а ; масса m p руки ПР; давление масла в рабочей р 1 и сливной р 2 полостях; эффективные площади сечений трубопроводов в рабочей f 1 и сливной f 2 магистралях; диаметры поршня D и штока d ; движущая сила Р Д и сила нагрузки Р Н .
Сила нагрузки определяется аналогично пневмодвигателю по формуле:
(15)
где Р т – суммарная сила трения в направляющих;
Р и – сила инерции, Р и = m р d 2 x/dt 2
G – вес всех подвижных частей, если цилиндр расположен вертикально. Знак «+» при опускании поршня, знак «–» – при подъеме.
Движущая сила складывается из силы сопротивления и силы нагрузки:
(16)
где Р с – сила сопротивления масла в сливной магистрали, определяется произведением давления масла и площади поршня в сливной полости гидроцилиндра: .
Выбор основных параметров гидродвигателя, по которым может производится окончательный подбор марки и модели ПР, производится следующим образом.
При движении поршня вправо.
В этом случае размеры цилиндра ПР связаны эмпирической зависимостью:
Размеры D и d подставляются в мм., а F 1 и F 2 получаются в см 2 .
Движущаяся сила определяется по формуле:
где k т – коэффициент, учитывающий потери на трение, k т = 09…0,98.
Р д подставляется в ньютонах, р – в мегапаскалях.
Расход масла и скорость поршня связаны зависимостями:
(19)
где Q – расход, л/мин;
V – скорость, м/мин.
При движении поршня влево:
; (21)
. (22)
При заданном соотношении скоростей V 1 и V 2 (когда V 1 < V 2 и количество поступающего в цилиндр масла const ) диаметр штока находят из выражения:
(23)
где D и d – в мм, а V 1 и V 2 – в м/мин.
Диаметр поршня D и его длину L выбирают из условий из условий компоновки узла ПР. Обычно рекомендуется L/D = 18…20, а для больших перемещений L/D>>18…20.
Параметры поворотного лопастного двигателя выбирают на основе следующих соотношений.
Движущий момент (в Нм) на выходном валу:
(24)
где р 1 и р 2 – давление в напорной и сливной полостях, МПа;
b – ширина лопасти, мм;
D и d – размеры гидродвигателя.
Угловая скорость (рад/с) поворота выходного вала:
(25)
где Q – расход масла, л/мин.
Параметры гидромотора выбирают на основе следующих соотношений.
Движущий момент на выходном валу:
(26)
где q – рабочий объем гидромотора, см 3 ;
р 1 и р 2 – давление в напорной и сливной магистралях, МПа.
Частота вращения выходного вала (мин –1) определяется по формуле:
(27)
где Q – расход масла, л/мин.
Электрический привод.
Особенности, достоинства и недостатки
В последнее время в мировой и отечественной практике применения ПР электрический привод находит все большее применение. Их не применяют только в роботах, предназначенных для работы во взрывоопасных средах и для работы с машинами, оснащенными гидросистемами, по соображениям унификации.
Электроприводы новых серий ПР – это приводы с высокомоментными двигателями постоянного тока, бесколлекторными двигателями постоянного тока, силовыми шаговыми двигателями и реже асинхронными двигателями.
Особенностями электроприводов ПР являются расширенный диапазон малых моментов (всего до 0,05 Нм), повышенная максимальная частота вращения (до 15 × 10 3 об/мин), уменьшенная инерция двигателей, возможность встраивания в ЭД электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.
Основные достоинства применения электроприводов в ПР следующие:
– компактная конструкция двигателей;
– высокое быстродействие;
– равномерность вращения;
– высокий крутящий момент при максимальной скорости;
– высокая степень надежности;
– широкий диапазон регулирования по скорости и позиционированию, а также изменению моментов нагрузки;
– возможность длительной работы в заторможенном режиме;
– высокая точность срабатывания, которая обеспечивается применением цифровой измерительной системы и высокоточных импульсных датчиков;
– взаимозаменяемость двигателей;
– компактная конструкция различных преобразователей;
– низкий уровень шума и вибрации и доступность электроэнергии.
Недостатки применения электроприводов в ПР следующие:
– ограниченное использование во взрывоопасных средах;
– зависимость скорости выходного звена от внешней, что приводит к необходимости создания дополнительных контуров регулирования привода;
– наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и рабочим органом ПР.
Функциональна схема электропривода
Электропривод современного ПР представляет собой комплекс приводов, каждый из которых управляет отдельной степенью подвижности. Рассмотрим на примере электроприводного ПР модели HdS05/06 (фирма GdA, Германия) наиболее распространенную функциональную схему (Рис. 16).
Рис. 16 – Функциональная схема управления электромеханического робота модели HdS05/06.
Данный ПР обладает шестью степенями подвижности, обозначенными на схеме как θ 1 …θ 6 . Все шесть электроприводов (ЭП1…ЭП6) управляются от общего центрального вычислительного устройства (ЦВчУ) системы программного управления (СПУ) ПР. Центральное вычислительное устройство выдает сигналы на цифровые регуляторы положения (ЦРП1….ЦРП6) отдельных приводов. Цифровые регуляторы положения управляют сервоприводами (СП1…СП6) в соответствии с сигналами ЦВчУ и датчиков угла (ДУ), например, кодовых датчиков угла с фотоэлектрическим преобразованием.
Одним из наиболее сложных и ответственных элементов в электроприводном ПР является сервопривод (СП).
Функциональная схема сервопривода ПР приведена на рис. 17.
Рис. 17 – Функциональная схема сервопривода ПР.
Данная схема представляет собой аналогово-цифровую систему автоматического управления, в которой сочетаются преимущества комбинированной аналоговой системы, работающей по принципу трехконтурной системы подчиненного регулирования, с достоинствами цифровой системы (высокая точность и удобство программирования).
Первый контур образован двигателем (М) с преобразователем (ПР) и регулятором тока (РТ). Во второй контур входят датчик скорости (ДС) и регулятор скорости (РС). В состав третьего контура дополнительно входят датчик угла (ДУ) и цифровой регулятор положения (ЦРП).
В качестве регуляторов скорости и тока в ПР чаще всего используются аналоговые, а в последнее время – и цифровые, операционные усилители с помощью которых легко реализуется практически любой требуемый закон управления. Датчик скорости также может быть как аналоговым, так и цифровым.
В ряде случаев применение датчика скорости не требуется, т.к. сигнал об изменении скорости может быть вычислен в цифровом регуляторе положения (ЦРП) путем дифференцирования сигнала с датчика угла (ДУ)
Таким образом анализ функциональных схем, приведенных на рис.16 и рис. 17, показывает, что независимо от конкретной схемы электропривод ПР состоит из следующих элементов:
– исполнительного элемента (двигателя);
– преобразователя;
– регуляторов тока, скорости и угла;
– и датчиков обратной связи по току, скорости и углу.
Современные тенденции развития робототехники таковы, что позволяют выпускать сервоприводы, которые конструктивно объединяют двигатель, преобразователь, датчики и регуляторы скорости и тока.
[Предыдущая лекция ] [Оглавление ] VIP -пользователем.Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте .
Пневматический привод
Отличительной чертой современного производства является широкое использование в оборудовании высо-котехнологичных, однотипных по функциональному назначению и конструкции компонентов общепромышлен-ного применения. В первую очередь, к таким компонентам относятся различного рода приводы и системы.
Системой называют совокупность взаимосвязанных объектов, объединенных единой целью и общим ал-горитмом функционирования . Если объектами являются технические устройства, взаимодействие которых осуществляется посредством жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравли-ческими и пневматическими, или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и сжатый воздух называют рабочей средой (энергоносителем ).
В зависимости от функционального назначения гидро- и пневмосистемы делят на системы управления — системы, которые используются для управления различными машинами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах (системы смазки, топливные системы, системы охлажде-ния, тепло- и газоснабжения и т. п.).
Системы управления, в состав которых входит комплекс устройств, предназначенных для получения уси-лий и перемещений в машинах и механизмах, называют приводами. В зависимости от используемого энергоносителя различают электрические, гидравлические и пневматические приводы.
Область применения того или иного привода определяется путем анализа достоинств и недостатков, при-сущих каждому из них (табл . 1).
Табл. 1. Сравнение приводов по виду используемой энергии
Критерий | Электроприводы | Гидроприводы | Пневмоприводы |
Затраты на энергоснабжение | Низкие 1 | Высокие 3…5 | Высокие 7…10 |
Передача энергии | На неограниченное расстояние скорость до 300 км/с | На расстояния до 100 м, скорость — до 6 м/с, передача сигналов — до 100 м/с | На расстояния до 1000 м, скорость — до 40 м/с, передача сигналов — до 40 м/с |
Накопление энергии | Затруднено | Ограничено | Легко осуществимо |
Линейное перемещение | Затруднительно, дорого, малые усилия | Просто, большие усилия, хорошее регулирование скорости | Просто, небольшие усилия, скорость зависит от нагрузки |
Вращательное движение | Просто, высокая мощность | Просто, высокий крутящий момент, невысокая частота | Просто, невысокий крутящий момент, высокая частота |
Рабочая скорость исполнительного механизма | Зависит от конкретных условий | До 0,5 м/с | 1,5 м/с и выше |
Усилия | Большие усилия, не допускаются перегрузки | Усилия до 3000 кН, защищены от перегрузок | Усилия до 30 кН, защищены от перегрузок |
Точность позиционирования | +1 мкм и выше | До +1 мкм | До 0,1 мм |
Жесткость | Высокая (используются механические промежу-точные элементы) | Высокая (гидравлические масла практически несжимаемы) | Низкая (воздух сжимаем) |
Утечки | Нет | Создают загрязнения | Нет вреда, кроме потерь энергии |
Влияние окружающей среды | Нечувствительны к изменениям температуры | Чувствительны к изменениям температуры, пожароопасны | Практически нечувствительны к колебаниям температуры, взрывобезопасны |
Оборудование с пневмоприводами, рабочей средой в которых служит сжатый воздух, характеризуется про-стотой конструкции, легкостью обслуживания и эксплуатации, высоким быстродействием, надежностью и дол-говечностью работы, функциональной гибкостью, невысокой стоимостью, а также возможностью работы в аг-рессивных средах, взрыво-, пожаро- и влагоопасных условиях. Сжатый воздух легко аккумулируется и транс-портируется, а его утечки через уплотнения хотя и нежелательны, но не создают опасности для окружающей среды и производимой продукции, что особенно важно для пищевой, парфюмерной, медицинской и электрон-ной промышленности.
От электроприводов пневмоприводы отличаются возможностью воспроизведения линейных и поворотных движений без помощи преобразующих механизмов, большей удельной мощностью, а также сохранением ра-ботоспособности при перегрузках. При этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность пнев-матических исполнительных механизмов, питаемых от промышленных пневмомагистралей, меньше.
По сравнению с гидроприводами преимущества пневмоприводов заключаются в возможности использо-вания централизованного источника сжатого воздуха, отсутствии возвратных линий и коммуникаций, более низких требованиях к герметичности, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших скоростях движе-ния выходного звена. Для пневматических приводов характерны простота управления, свобода выбора мес-та установки, малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.
Вместе с тем пневмоприводам присущи некоторые недостатки, ограничивающие область их применения. Например, в связи с тем, что давление воздуха в централизованных пневмомагистралях, которое составляет 0,4-1,0 МПа (4 -10 бар), значительно ниже уровня давлений в гидросистемах — до 60 МПа (600 бар), пневмо-приводы имеют значительно меньшую энергоемкость и худшие массогабаритные показатели. Вследствие сжи-маемости воздуха становится технически сложно обеспечить плавность перемещения выходных звеньев ис-полнительных механизмов при колебаниях нагрузки, а также их точный останов в любом промежуточном поло-жении (позиционирование ) и реализацию заданного закона движения.
Чтобы понять назначение тех или иных элементов пневмосистем, разобраться в принципах их действия и объединения в общие структуры о вве-дем некоторые обобщающие понятия.
Известно, что все технические процессы подразделяются на:
технологические — производство и обработка материалов;
энергетические — выработка, преобразование и передача различных видов энергии;
информационные — формирование, прием, обработка, хранение и передача информационных потоков.
Исходя из этого, можно сказать, что пневматический привод, как и любой другой, состоит из двух взаимо-связанных основных частей:
силовой, в которой осуществляются энергетические процессы;
управляющей, реализующей информационные процессы
Элементы привода в зависимости от своего функционального назначения отно-сятся к различным его подсистемам. Например, устройства, используемые для производства и подготовки сжатого воздуха (к таковым относятся компрессоры, фильтры, устройства осушки, ресиверы и т. п.), составля-ют энергообеспечивающую подсистему привода.
Управление энергией полученного сжатого воздуха, заключающееся в регулировании таких его параметров, как давление и расход, а также в распределении и направлении потоков сжатого воздуха, осуществляется посредством клапанов давления, дросселей, распределителей и других элементов направляющей и регулирующей подсистемы привода.
Полезная работа — выполнение различных рабочих перемещений или создание усилий в машинах, стан-ках и технологических установках — совершается исполнительными механизмами (пневмоцилиндрами , пневмомоторами, захватами и т. п.), составляющими исполнительную подсистему привода.
В простейших приводах функции управления остаются за человеком
Принципиальные пневматические схемы, как правило, строят по вертикали (как и структурные схемы). Направле-ние движения потока энергии (потока сжатого воздуха) на схемах силовой части привода принято снизу вверх.
Осуществление функций управления и контроля всегда связано с необходимостью выполнения целого ряда операций логического и вычислительного характера. Поскольку физиологические возможности человека как управляющей системы ограничены, эффективное использование существующих и разработка новых вы-сокопроизводительных установок возможны лишь при передаче функций управления машинам. Таким обра-зом, задачей автоматического управления является осуществление процесса управления без непосредствен-ного участия человека.
Применяют разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления (САУ ). В разомкнутых систе-мах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие формируется исходя из цели управления и свойств управляемого объекта. В замкнутых же САУ управляющее воздействие произ-водится на основе результата сравнения состояния — текущего или в контрольных точках — объекта управле-ния с заданным (требуемым ).
Устройства, входящие в управляющую часть замкнутой системы управления, по своему функциональному назначению делятся на две подсистемы:
информационную (сенсорную );
логико-вычислительную (процессорную ).
В информационную подсистему входят различного рода устройства ввода внешних управляющих сигна-лов, а также датчики и индикаторы.
Назначение логико-вычислительной подсистемы— обработка введенных управляющих сигна-лов в соответствии с заданной программой и вывод их на устройства управления энергией в силовой части привода.
В зависимости от условий эксплуатации, требований безопасности или степени сложности силовой части привода управляющая часть может быть реализована путем использования пневматических, электрических или электронных средств автоматизации.
В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов машин имеют же-сткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньев судить о соответствующем состоянии объекта.
В системах автоматического управления сигналы передаются по замкнутому контуру. При этом реализуется основной принцип построения САУ, который заключается в при-менении обратной связи, обеспечивающей передачу информации об изменении состояния объекта управ-ления (или ,о состоянии исполнительного механизма) в систему управления.
САУ, работающие по такой схеме, классифицируют: типу управления, характеру формирования и виду передаваемых сигналов и т. д. Из всего многообразия пневма-тических САУ наиболее широко распространены дискретные системы управ-ления, т. е. системы с принудительным пошаговым процессом. В таких системах программа переходит от текущего шага к последующему только по сигналам, поступающим от управляемой системы.
Если управляющая часть пневмопривода реализована не на пневматической элементной базе, то говорят о гибридной САУ. Так, если система управления выполнена на основе электрических релейно-контактных устройств или же функции управления осуществляются промышленным контроллером, то речь пойдет об электропневматической системе управления.
Так как электронные системы управления выгодно отличаются от пневматических по быстродействию, габаритам и простоте перепрограммирования, а собирать информацию в общем случае удобнее посредством электронных датчиков, то для автоматизации различных технологических процессов все более широко при-меняют электропневматические САУ.
2. Физические основы функционирования пневмосистем
Во всех элементах, приборах и системах пневмоавтоматики рабочей средой чаще всего является предварительно сжа-тый в компрессоре воздух (в некоторых особых случаях применяют другие газы), который окружает нас в по-вседневной жизни. Воздух представляет собой газовую смесь, в основном состоящую из двух газов: азота N2 (78 ,08%) и кислорода О2 (20 ,95%). В небольших количествах в нем присутствуют инертные газы — аргон Аг, неон Ne, гелий Не, криптон Кг и ксенон Хе — и водород Н2 (0 ,94%), а также диоксид углерода (углекислый газ) СО2 (0 ,03%). Помимо этих газов воздух содержит некоторое непостоянное по величине количество водяного пара (влаги ).
Работа пневматических элементов основывается на использовании энергии сжатого воздуха, а также физи-ческих эффектов, возникающих при его движении. Законы, описывающие эти процессы, подробно изучаются в курсе механики жидкости и газа.
2.1 Основные параметры газа
Давление. Если некоторое внешнее усилие воздействует на какой-либо замкнутый объем воздуха через подвижной элемент, например поршень, то в воздухе создается внутреннее давление, равномерно действую-щее на все поверхности, ограничивающие этот объем (рис . 2.1). Данное положение следует из закона Паскаля: давление, оказываемое на внешнюю поверхность жидкости (газа ), передается всем точкам этой жидкости (газа ) и по всем направлениям одинаково.
Рис. 2.1. Иллюстрация действия закона Паскаля
Значение внутреннего давления не зависит от формы объема, занимаемого воздухом, и определяется как результат деления модуля внешней силы на площадь поперечного сечения поршня:
P=F/S
В международной системе единиц СИ единицей измерения давления будет Н/ м² . Эта единица носит название паскаль и обозначается Па
Давление может измеряться в различных существующих единицах (см . приложение I.2). Однако на практи-ке следует применять единицу измерения паскаль [Па], а также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа], мегапаскаль [МПа] и т. п.; в виде исключения используют бар [бар]:
1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа.
Давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность называют ат-мосферным давлением и обозначают Ратм . В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление может меняться в зависимости от погодных условий и географического положения местности;
В пневматических системах используют, как правило сжатый воздух, абсолютное значение давления Ра6с которого в несколько раз превышает атмосферное давление. Для удобства отсчета уровня давления в технике пользуются понятием избыточного давления.
Избыточным давлением Ризб называют превышение значением абсолютного давления воздуха значения атмосферного давления. Недостаток абсолютного давления относительно атмосферного называют вакууметрическим давлением или просто вакуумом Рвак (рис . 2.2).
Рис. 2.2. Системы отсчета величины давления
Приборы для измерения избыточного давления называют манометрами. За нулевую точку шкалы маномет-ров принимают атмосферное давление.
Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар; вакуум-ная техника позволяет получить разрежение р а6с ~ 10~10 Па (10 »5 бар). Приборы, позволяющие измерять и вакуум, и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Существуют также манометры для измерения абсолютного давления, но их применяют только в специальных случаях. В теоретических расчетах всегда используют значение абсолютного давления.
Температура. Для измерения температуры существуют различные шкалы (см . приложение I.2), но в насто-ящее время применяют только две из них — термодинамическую и Международную практическую, градуиро-ванные соответственно в Кельвинах (К ) и в градусах Цельсия ( °С).
В Международной практической шкале 0 и 100°С являются соответственно температурами замерзания и кипения воды (так называемые реперные точки) при давлении 1,013 . 105 Па (1 ,013 бар).
Во все термо- и газодинамические зависимости входит термодинамическая температура Г, которую отсчи-тывают от абсолютного нуля температуры, представляющего собой такое ее теоретическое значение, при ко-тором газы не обладают упругостью, а объем их становится равным нулю.
Термодинамическая, или абсолютная, температура Г [К] и температура по Международной практической шкале t [°C] связаны соотношением Т= t + 273,15.
Плотность. Еще одним важнейшим параметром, характеризующим состояние газа, является плотность р [кг/ м³ ] — отношение массы вещества т [кг] к объему F, который эта масса занимает:
P=m/V
Удельный объем. Удельный объем v [ м³ /кг] — это величина, обратная плотности: v =1/ρ.
2.2 Основные физические свойства газов
Сжимаемость. Свойство газа изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжима-емость характеризуется коэффициентом объемного сжатия β, который представляет собой относитель-ное изменение объема, приходящееся на единицу давления:
Знак «минус » в формуле обусловлен тем, что положительному приращению (увеличению ) давления соот-ветствует отрицательное приращение (уменьшение ) объема V. Величина, обратная коэффициенту β, носит название объемного модуля упругости (модуля сжимаемости) К [Па].
Температурное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения βт [К1], который представляет собой относительное изменение объема при изменении температу-ры на 1 К:
Вязкость. Свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление сдвигу (скольжению ) слоев жидкости или газа называют вязкостью. Вязкость — свойство противоположное текучести (степени подвижности частиц жидко-сти или газа): более вязкие жидкости менее текучие и наоборот. Вязкость может быть охарактеризована коэффи-циентами динамической вязкости ji и кинематической вязкости v.
Единицей измерения коэффициента динамической вязкости β, или коэффициента внутреннего трения, яв-ляется паскаль-секунда [Па-с]. Используется также единица измерения пуаз [П] системы единиц СГС: 1 П = 0,1 Па-с. Единицей коэффициента кинематической вязкости v служит м² /с; применяют также единицу СГС стоке [Ст]: 1 Ст = 1 с м² /с = 1СИ м² /с.
Вязкость зависит от температуры (рис . 2.3), причем характер этой зависимости для жидкостей и газов раз-личен: вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, уве-личивается (для воздуха данная зависимость незначительна).
Рис. 2.3. Зависимость кинематической вязкости v от температуры
2.3. Основные газовые законы
Состояние газа характеризуется тремя основными параметрами — абсолютным давлением, абсолютной температурой и плотностью (удельным объемом). Взаимосвязь этих параметров газа именуют уравнением состояния. Состояние газа, называемого идеальным, описывается уравнением Клапейрона — Менделеева
Р =pRT,
Где Р —абсолютное давление, Н/ м² ;
р — плотность, кг/ м³ ;
R — удельная газовая постоянная, Дж/ (кг - К); обычно для воздуха R = 287 Дж/ (кг - К); Т—абсолютная температура, К.
Идеальным газом называют такой газ, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, считающимися материальными точками, не имеющими объема. Несмотря на то что воздух не является иде-альным газом, для большинства газовых процессов, протекающих при давлениях, не превышающих 20 МПа (200 бар), это уравнение остается в достаточной мере справедливым.
Введя в данное уравнение формулу, определяющую плотность через массу и объем, получим соотношение, которое описывает состояние m килограммов идеального газа объемом V:
mR=pV/T
Нетрудно заметить, что для какой-либо постоянной массы газа левая часть уравнения есть величина неиз-менная (константа ):
pV/T=const
Данное уравнение обобщает основные газовые законы: Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака.
Закон Бойля — Мариотта. Если абсолютная температура газа остается постоянной, то произведение аб-солютного давления газа на его объем есть также величина постоянная для данной массы газа; иными слова-ми, давление газа обратно пропорционально его объему (рис . 2.4).
Рис. 2.4. Иллюстрация закона Бойля — Мариотта
Газовые процессы, протекающие при постоянной температуре, называют изотермическими. Если при сжатии газа отсутствует теплообмен с окружающей средой, то такой процесс называют адиабати-ческим (адиабатным ). Для него справедливо уравнение Пуассона
р V = const,
где к— коффициент Пуассона, или коэффициент (показатель ) адиабаты (для воздуха к — 1,4).
Закон Шарля . Если замкнутый объем данной массы газа остается постоянным, то отношение абсолютного давления газа к его абсолютной температуре есть также величина постоянная; иными словами, давление газа прямо пропорционально его температуре.
Например, при нагревании газа в замкнутом объеме его давление возрастает, а при охлаждении, наоборот, падает (рис . 2.5).
Рис. 2.5. Иллюстрация закона Шарля
Газовые процессы, протекающие при постоянном объеме, называют изохорическими (изохорными ).
Закон Гей-Люссака. Если абсолютное давление газа остается постоянным, то отношение объема данной массы газа к его абсолютной температуре есть также величина постоянная; иными словами, объем прямо пропорционален температуре.
Например, при нагревании газа, находящегося под постоянным давлением, его объем увеличивается, а при охлаждении — уменьшается (рис . 2.6).
р = const V1/T1=V2/T2
Рис. 2.6. Иллюстрация закона Гей-Люссака
Газовые процессы, протекающие при постоянном давлении, называют изобарическими (изобарными )*.
Поскольку параметры газа взаимосвязаны и могут изменяться в широком диапазоне значений, то количе-ства газа находящиеся в различных условиях, с целью их сравнения приводят к так называемым нормальным условиям.
Общепринятыми являются следующие параметры нормальных условий:
физические нормальные условия: давление 1,013.105 Па (1 ,013 бар), температура 273,15 К (0 ° C );
технические нормальные условия: давление 1,013.105 Па (1 ,013 бар), температура 293,15 К (20 ° C).
2.4. Течение газа
Выше мы рассмотрели такие параметры газа, как давление, температура, плотность, удельный объем. Те-чение же газа характеризуется еще одним параметром — расходом.
2.4.1. Расход
Расход — величина, определяемая отношением массы (массовый расход) или объема (объемный расход) вещества, равномерно перемещаемого через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к про-межутку времени, за который это перемещение происходит.
В технической литературе объемный расход обозначают латинской буквой Q (или Qv). Определяется объем-ный расход соотношением
Q=V/t
где Q — объемный расход, м 3 /с; V— объем, м 3 ; t — время, с.
Если речь идет о течении газа, к примеру, по трубопроводу, то объемный расход можно также представить как произведение площади поперечного сечения трубы на среднюю по сечению скорость движения газа в ней (рис . 2.7):
Q =vS,
где v — средняя по сечению скорость потока, м/с;
S — площадь поперечного сечения трубопровода, м 2 .
Рис. 2.7. Объемный расход
Массовый расход Qm [кг/с], в отличие от объемного, зависит от плотности р [кг/ м³ ] газа и определяется из соотношения
Qm=pvS
Нетрудно заметить, что между объемным и массовым расходами существует следующая зависимость:
Q=Qm/p
В общем случае газ принято рассматривать как сжимаемую вязкую жидкость. Одновременный учет того, что газ представляет собой сжимаемую среду и что при его движении проявляется действие сил трения, значи-тельно затрудняет расчеты. Поэтому на практике во многих случаях прибегают к идеализации процессов дви-жения газа, что упрощает расчеты, не приводя при этом к большим погрешностям.
Чтобы понять суть процессов, происходящих при течении газа, будем рассматривать его как несжимаемую невязкую (идеальную ) жидкость.
Исходя из закона сохранения вещества, а также из предположения о сплошности (неразрывности ) потока для установившегося течения* несжимаемой жидкости, можно утверждать, что объемный расход через любое сечение одинаков (рис , 2.8).Рис. 2.8. Расход жидкости при течении по трубе переменного сечения
Это явление описывается уравнением неразрывности
Q 1 =S 1 v 1 = S 2 v 2 = Q 2 = const.
Из данного уравнения следует, что в узком сечении трубы поток ускоряется:
v 2 =v 1 S 1 /S 2
2.4.2. Уравнение Бернулли
Результаты измерений давления в различных точках потока, движущегося по трубе с переменной площа-дью поперечного сечения (рис . 2.9), могут показаться, на первый взгляд, парадоксальными: в узком сечении давление меньше, чем в широком. По каким же причинам имеет место данное явление?
Рис. 2.9. Течение жидкости по трубе переменного сечения
Механическая энергия движущейся жидкости может иметь три формы: энергия положения, энергия давле-ния и кинетическая энергия. В процессе движения идеальной жидкости одна форма энергии может превра-щаться в другую, однако полная удельная энергия жидкости остается неизменной. Математически данное положение описывается уравнением Бернулли
gz 1 +p 1 /p+v 1 2 /2=gz 2 +p 2 /p+v 2 2 /2= gz 3 +p 3 /p+v 3 2 /2
где gz — удельная энергия положения (g — 9,8 м/с 2 — ускорение свободного падения); p — удельная энергия давления; v 2 / 2 — удельная кинетическая энергия.
Таким образом, снижение уровня давления жидкости в узком сечении трубы обусловлено тем, что ускоре-ние потока сопровождается возрастанием его кинетической энергии и, следовательно, уменьшением энергии давления.
В ряде случаев удобно применять форму записи уравнения Бернулли, при которой члены уравнения имеют размерность давления:
gz 1 +p 1 +v 1 2 /2=gz 2 +p 2 +v 2 2 /2
где pgz — весовое давление;
p — гидромеханическое давление (или просто давление); pv 2 /2 — динамическое давление.
В практических расчетах недопустимо пренебрегать потерями энергии по длине трубопровода, а также на местных сопротивлениях. Все реальные жидкости и газы имеют вязкость, и поэтому энергия потока жидкости или газа будет убывать от сечения к сечению по направлению его движения. Потери энергии определяются многими факторами: площадью поперечного сечения и длиной трубопровода, шероховатостью его внутренней поверхности, наличием местных сопротивлений, скоростью и режимом течения, вязкостью (внутренним трени-ем) жидкости или газа.
Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой ) жидкости в энергетической форме будет иметь следую-щий вид:
gz 1 +p 1 /p+α 1 v 1 2 /2= gz 2 +p 2 /p+α 2 v 2 2 /2+gΣhn
где α — коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению
потока; g Σhn — суммарные потери энергии (гидравлические потери).
Уравнение Бернулли применимо к потоку сжатого воздуха при условии, что скорость его движения v<υ, где υ — скорость звука.
2.4.3. Режимы течения
Существует два режима течения жидкостей и газов по трубе: ламинарный и турбулентный (рис . 2.10).
Рис. 2.10Турбулентный режим
Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением (слоями ) жидкости или газа, причем скоро-сти внешних слоев меньше, чем внутренних. Когда скорость движения превысит некоторую критическую вели-чину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают поте-ри энергии.
При течении жидкости по трубопроводу переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается в тот момент, когда осредненная по сечению трубы скорость движения потока становится равной критической V K .
Как показывает эксперимент, критическая скорость прямо пропорциональна кинематической вязкости v жидко-сти и обратно пропорциональна внутреннему диаметру Отрубы:
Vкр=kv/d
где к — коэффициент пропорциональности; v — кинематическая вязкость жидкости, м² /с; d— внутренний диаметр трубы, м.
Экспериментально был также подтвержден тот факт, что смена режима течения любой жидкости или газа по трубе любого диаметра имеет место лишь при определенном значении безразмерного коэффициента к. Данный коэффициент называют критическим числом Рейнольдса:
Reкр= Vкрd/v
Для труб круглого сечения ReK ~ 2300.
Число Рейнольдса используют для описания режима течения:
Re= Vd/v=vpd/μ
Значение числа Рейнольдса позволяет судить о характере течения жидкости по трубе: при Re
Таким образом, зная скорость движения потока, вязкость жидкости и внутренний диаметр трубы, можно рас-четным путем найти число Рейнольдса и, сравнив его с величиной ReKp, определить режим течения жидкости.
2.4.4. Истечение газа через отверстие
При расчетах пневматических систем необходимо знать зависимости объемного и массового расходов воз-духа через отверстие от отношения давлений на входе в отверстие и на выходе из него. Если пренебречь теплообменом газа с окружающей средой и внутренним трением газа, то его течение можно считать изоэнтро-пическим (адиабатическим ).
Массовый расход при изоэнтропическом течении рассчитывается по формуле Сен-Венана — Ванцеля:
где е— коэффициент расхода отверстия (учитывает сжатие струи при истечении газа;
обычно определяется экспериментально); f— площадь отверстия; π=p 1 /p 0 , p 0 — давление на входе (обычно принимаютpQ=const);
р 1 — давление на выходе;
k— коэффициент Пуассона (адиабаты ), для воздуха к- 1,4; R — удельная газовая постоянная, обычно для воздуха R = 287 Дж/ (кг К); Т 0 — температура воздуха перед отверстием.
Если на основании данной формулы построить график функции Qm =f (n ), то он будет иметь вид, аналогич-ный характеру пунктирной кривой на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Зависимость массового расхода Qm от отношения давлений π=p 1 /p 0
Функция Qm =f (π) достигает максимума при критическом значении π = 0,528. Однако экспериментально установлено, что уменьшение давления на выходе (приводящее к уменьшению значения к) сопровождается увеличением массового расхода Qm воздуха только до тех пор, пока скорость потока воздуха не превышает скорость звука — максимально возможной скорости истечения в отсутствие специальных приспособлений. Дальнейшее уменьшение давления на выходе не влияет на массовый расход (сплошная кривая на рис. 2.11).
При значениях 0<π<π* массовый расход подсчитывают по формуле
Процесс истечения газа при π< π* называют докритическим (подкритическим ), а если отношение давле-ний π>π* то говорят соответственно о закритическом (надкритическом ) или критическом процессе.
Для вычисления объемного расхода следует привести массовый расход к плотности (см . раздел 2.3.1 «Рас -ход»). Поскольку при истечении через отверстие значения плотности воздуха на его входе и выходе различны, т. е. р =f (p ), то будут различаться и значения объемного расхода: на входе Q V 0 = Q (p 0), на выходе Qv= Qm (р ).
Необходимо обратить внимание на следующую особенность течения газов (в частности, сжатого возду-ха): объемный расход газов (например , при течении через диафрагму) зависит (в отличие от расхода жидко-стей) не только от перепада давления Δр=р 0 -р но и от уровня давления на входе р 0 (рис . 2.12).
Рис. 2.12. Расходно-перепадные характеристики для диафрагмы с площадью поперечного сечения 1 мм 2
Приведенные характеристики показывают, что при перепаде давления Δр = 0,1 МПа (1 бар) и начальном давлении сжатого воздуха ро= 1 МПа (10 бар) расход Q H при технических нормальных условиях через диафраг-му составляет 70 л/мин, а при таком же значении Δр = 0,5 МПа (5 бар) — всего 50 л/мин.
Пневматический привод арматуры (пневмопривод) является одним из видов пневматических приводов. Пневмопривод используют в целях автоматизации и механизации трубопроводной арматуры. Данное устройство нашло широчайшее применение в множестве отраслей промышленности, и играет очень важную роль в технологических процессах на множестве производств.
Чаще всего пневмопривод эксплуатируется в целях дистанционного управления трубопроводной арматурой, ее закрытия и открытия, а также для того, чтобы определить положение арматуры. Помимо пневматических приводов, в арматуре также используются такие виды приводов, как электромагнитный, электрический и гидравлический.
В отлитие от электрических приводов, пневмоприводы в большинстве своем применяются для отсечной (защитной) арматуры, так как имеют свои специфические особенности, однако в некоторых случаях арматура с пневмоприводом может исполнять роль регулирующей.
Использование пневмоприводов не является слишком частым, так как для использования данных устройств на предприятии должна быть смонтирована специальная компрессорная система сжатого воздуха.
Поршневые приводы
Поршневые приводы являются цилиндром, в котором под воздействием пружины либо сжатого воздуха осуществляется перемещение поршня. Приводы данного типа применяются для управления самой разной арматурой – заслонками, кранами, задвижками, клапанами.
Самыми важными являются такие достоинства, которыми обладают поршневые приводы :
- Ограничение усилия осуществляется самым простым способом, а именно – ограничением давления в приводе;
- Небольшое количество деталей, что используются, и простота конструкции в целом;
- Возможность получения больших усилий и больших ходов при прямолинейном ходе штока;
- Быстродействие в случае использования в качестве управляющей среды газов под давлением либо сжатого воздуха. Данное качество для большинства сфер, в которых используются поршневые приводы арматуры, является определяющим.
Поршневые приводы можно подразделить :
- По методу компоновки. Могут быть встроенными в конструкцию арматуры, или быть в виде отдельного агрегата;
- Без шатуна с качающимся (поворотным) цилиндром или с шатуном и неподвижным цилиндром;
- По характеру движения выходного звена – поворотные и прямоходные;
- По циклу срабатывания – на приводы двустороннего действия и приводы одностороннего действия;
- По свойствам управляющей среды – гидравлические и пневматические;
Приводы двустороннего действия
В поршневых приводах двустороннего действия совершение обратного и прямого ходов достигается путем воздействия управляющей среды. Приводы этого типа просты в эксплуатации и управлении, имеют несложное устройство. Однако при работе на опасных производственных объектах к приводам двухстороннего действия могут предъявляться дополнительные требования. К примеру, следующее: в случае, если будет отсутствовать управляющая среда, либо произойдет аварийное отключение, арматура не должна менять положения, что установлено до этого момента. В подобных случаях приводы двустороннего действия снабжаются специальными устройствами, которые обеспечивают фиксацию достигнутого положения. Однако, снабжение данными устройствами усложняет конструкцию привода.
Приводы одностороннего действия
Приводы одностороннего действия от приводов двустороннего действия отличаются более сложной конструкцией за счет того, что в них присутствует пружина, которая при прямом ходе взводится для того, чтобы совершить обратный ход.
Пружина обратного хода должна обладать требуемой величиной хода, а также иметь достаточное усилие. Ввиду этого в большом количестве случаев это сказывается на том, что она имеет значительные размеры. При больших усилиях часто эксплуатируются тарельчатые пружины, которые имеют вид набора из нескольких пружин, что связано с тем, что рабочий ход отдельной тарельчатой пружины является малым.
К главным достоинствам поршневого привода одностороннего действия можно отнести возможность совершения хода под силой воздействия пружины даже в случае отсутствии управляющей среды, а также быстродействие во время выполнения данного цикла.
Из недостатков можно отметить необходимость иметь привод увеличенных размеров как по диаметру, так как при прямом ходе помимо преодоления сил трения и полезной работы возникает нужда в преодолении усилия на сжатие пружины возврата, так и по длине, что необходимо для того, чтобы разместить пружину, которая обычно располагается за поршнем.
Приводы с вращательным движением выходного вала
В приводах поворотного типа выходной шток совершает вращение, которое обычно составляет четверть оборота для управления кранами, или под углом 90 градусов. Также существуют конструкции, которые создают несколько оборотов выходного звена, и предназначаются для управления клапанами.
Для того, чтобы осуществить преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение, которое совершает выходной вал привода, используется реечно-зубчатая передача, кривошипно-шатунный механизм, и в очень редких случаях – винтовой преобразователь движения.
Встроенные поршневые приводы
Встроенные поршневые приводы являются единой с арматурой конструкцией, и имеют общие с этой арматурой детали. Данный тип приводов может быть одностороннего и двустороннего движения.
Применение встроенных поршневых приводов обычно осуществляется в главных клапанах импульсно-предохранительных устройств энергетических установок, обладающих большой мощностью, например – АЭС.
Благодаря встроенным приводам удается создать компактные конструкции, однако при этом снижается уровень ремонтопригодности, а также затрудняется их техническое обслуживание. Это объясняется тем, что доступ к приводу является усложненным, и для того, чтобы провести ремонтные работы, приходится разбирать всю конструкцию.
Встроенные поршневые приводы одностороннего действия также эксплуатируются в разнообразных пилотных (управляющих) устройствах регуляторов давления.
Сильфонные приводы
Благодаря тому, что сильфоны обладают способностью под воздействием давления среды изменять свою длину, они могут быть использованы в качестве привода, предназначенного для управления арматурой.
Малые размеры сильфонов, а также небольшие усилия, которые могут создаваться с их применением, определяют области, где используются сильфонные приводы – это арматура, имеющая небольшие размеры, а также разнообразные пилотные (управляющие) устройства в арматуре, а также разнообразные реле, предназначенные для управления арматурой, к примеру, в позиционерах.
Когда сильфон с повышением давления должен удлиняться, его внутренняя полость используется для подачи управляющей среды. Если же сильфон при повышении давления должен наоборот, укорачиваться, среда должна действовать снаружи сильфона.
Для трубопроводной арматуры наиболее ярким примером использования сильфонного пневмопривода является термостатический конденсатоотводчик, который снабжен сильфоном, исполненным из полутомпака. В сильфон заливается специальная жидкость, что быстро испаряется при температуре, превышающей 100 градусов Цельсия. Пар этой жидкости создает давление внутри сильфона, он удлиняется, и золотником, что на нем расположен, закрывает отверстие в седле конденсатоотводчика.
Сильфонные приводы всегда применяются как приводы одностороннего действия. Усилие возврата создается благодаря использованию упругих свойств, которыми обладает сильфон. Если данное усилие является недостаточным, производится установка дополнительной пружины возврата, которая располагается соосно с сильфоном снаружи либо внутри последнего.
К главным недостаткам сильфонных приводов можно отнести ограниченный цикловой ресурс, малое создаваемое усилие, малый ход, а также нецелесообразность и невозможность ремонта сильфона, вследствие чего если он выходит из строя, в замене нуждается весь сильфонный узел привода арматуры.
Поворотные лопастные приводы
В поворотном приводе выходной вал поворачивается вследствие того, что на одну сторону лопасти, которая жестко соединена с выходным валом, действует давление, которое оказывает управляющая среда.
Можно выделить однолопастные приводы, в которых угол поворота выходного вала может достигать 180 градусов, и двухлопастные приводы, в которых этот угол составляет немного больше 90 градусов.
При том условии, что как однолопастные, так и двухлопастные приводы используются при одних и тех же величинах давления управляющей среды, и имеют одинаковый размер лопастей, крутящий момент, который создает двухлопастный привод, является примерно в два раза большим, чем у однолопастного привода.
Важным фактором является обеспечение герметичности корпуса привода и подвижного соединения лопасти, так как щелевой зазор здесь имеет достаточно большую протяженность. Данная система также используется в системах гидроприводов в качестве поворотных гидродвигателей, которые еще называют пластинчатыми.
Мембранные приводы
Мембранный привод является камерой, которая разделена на две полости мембраной. Движение ведомому звену передается под действием жидкости либо газа на эластичную (упругую) мембрану, исполненную из металла, резины или полимерных материалов (фторопласт, полиэтилен и прочие).
Усилие, которое создается вследствие давления рабочей среды на мембрану, передается на образованный опорным диском и штоком грибок. Перемещение штока является поступательным, величина прогиба мембраны и хода штока определяется условием равновесия подвижной системы привода, элементами которой являются мембрана и грибок.
Силовое равновесие системы осуществляется впоследствии воздействия силы, которая создается управляющим давлением на мембрану, а также сил сопротивления, которые действуют на шток (включая также силу, которая создается упругой деформацией мембраны).
Для обеспечения штоку возможности перемещаться в обе стороны, силовое замыкание системы осуществляется с помощью груза или при помощи уравновешивающей пружины. Также применяются беспружинные приводы, в которых уравновешивание подвижной системы осуществляется посредством того, что с противоположной стороны на мембранный блок давит воздух.
Принципиальные схемы действия мембранных приводов приведены на поясняющем рисунке:
1 - пружинный прямого действия;
2 - пружинный обратного действия;
3 - беспружинный;
4 - рычажно-грузовой.
В рычажно-грузовых мембранных приводах усилие, которое создается на мембране, уравновешивается при помощи постоянной силы веса груза.
В пружинных мембранных приводах — при помощи переменной силы, которая является пропорциональной ходу штока.
В беспружинных мембранных приводах действующее усилие (давление) на мембранный блок может регулироваться как с одной, так и с другой стороны.
В трубопроводной арматуре мембранный привод в основном эксплуатируется с резиновой (в отдельных случаях с тканевой прослойкой) мембраной, формованной, плоской собранной или плоской.
Во всех случаях передача усилия на шток от мембраны осуществляется при помощи опорного диска, который образует для мембраны опорную площадку. Если использовать передаточный рычаг, мембранный привод может эксплуатироваться и в арматуре с поворотным запорным устройством, то есть, в заслонках.
Наиболее широкое применение мембранный привод нашел в регулирующей арматуре. Посредством его использования осуществляется перемещение и установка плунжера в обусловленное командным сигналом положение. Намного реже помимо пружинных приводов в трубопроводной арматуре эксплуатируются беспружинные приводы.
Помимо использования в регулирующих клапанах, мембранные беспружинные и пружинные приводы могут использоваться как в запорных, так и в запорно-регулирующих клапанах. Однако в таком случае к этим устройствам предъявляется дополнительное требование – в конце хода должно создаваться усилие,которое обеспечит герметизацию перекрытого запорного органа в клапане.
Достоинства пневмоприводов
Из достоинств, которыми обладают пневмоприводы, можно отметить следующие:
- В отличие от гидроприводов, пневмоприводы являются менее чувствительными к изменению температуры окружающей среды вследствие того, что КПД менее зависит от утечек рабочего газа (рабочей среды). Благодаря этому изменение вязкости рабочей среды и изменение зазоров между деталями пневмооборудования не оказывают особо серьезного влияния на рабочие параметры пневмопривода. Благодаря этому пневмопривод является удобным для эксплуатации в горячих цехах металлургических предприятий.
- В сравнении с гидроприводом пневмопривод способен осуществлять передачу кинетической энергии на расстояние, достигающее нескольких километров, благодаря чему он может использоваться в качестве магистрального на рудниках и в шахтах.
- Нейтральность рабочей среды и пожаробезопасность, благодаря которым пневмопривод может эксплуатироваться на химических производствах и в шахтах.
- Высокая скорость срабатывания, а также большие частоты вращения пневмомоторов, которые могут достигать нескольких десятков тысяч в минуту.
- Экономичность и простота, которые обусловлены дешевизной рабочего газа.
- Возможность упрощения системы путем использования в качестве источника энергии баллона со сжатым газом. Системы такого типа иногда используются вместо пиропатронов, есть системы, в которых давление в баллоне может достигать 500 Мегапаскалей.
- В сравнении с электрическими, меньший вес исполнительных устройств.
- В сравнении с гидроприводом – меньший вес рабочего тела. Данный фактор является актуальным для ракетостроения.
- В отличие от гидропривода – отсутствие необходимости возвращения обратно к компрессору рабочего тела (воздуха).
Недостатки пневмоприводов
Из недостатков пневмоприводов необходимо упомянуть:
- Для того чтобы регулировать величину поворота штока привода, необходимо использовать специальные дорогостоящие устройства – позиционеры.
- Возможность производственного травматизма или взрывного разрыва трубопроводов, вследствие чего в промышленных пневмоприводах применяются небольшие давления рабочего газа, которые обычно составляют не больше одного Мегапаскаля. Однако известны системы, в которых рабочее давление составляет до 7 Мегапаскалей, к примеру, на атомных электростанциях. Там, где подобная проблема отсутствует (на самолетах и ракетах), или же системы имеют небольшие размеры, давления могут достигать 20 Мегапаскалей и более.
- Низкие плавность хода и точность.
- Более низкий, чем у гидропривода КПД.
- Более высокая, в сравнении с электрической, стоимость пневматической энергии (приблизительно в 3-4 раза). Это важно при использовании пневмопривода, например, в шахтах.
- Охлаждение и нагревание рабочего газа в процессе расширения в пневмомоторах и сжатия в компрессорах. Данный недостаток обусловлен законами термодинамики, и может привести к таким проблемам, как конденсация из рабочего газа водяных паров, вследствие чего – необходимость в его осушении, а также возможность обмерзания пневмосистем.
Гидравлические приводы
Все типы приводов, которые перечислены выше, могут быть реализованы с жидкостью . Чаще всего в качестве рабочей среды используется масло.
В отдельных случаях такие устройства будут более эффективными, чем пневмоприводы, к примеру, поворотные лопастные приводы существенно эффективнее в использовании с применением масла в качестве рабочей среды. Это объясняется тем, что возможны значительные протечки воздуха через щелевой зазор.
Преимущества гидроприводов
К главным преимуществам гидроприводов относятся:
- Упрощенная, в сравнении с другими видами приводов, компоновка основных узлов гидропривода внутри агрегатов и машин.
- При одновременной передаче на несколько приводов возможность равномерного распределения усилий.
- Возможность быстрых и частых переключений при вращательных и возвратно поступательных реверсивных и прямых движениях.
- Простота в осуществлении разных видов движения – поворотного, вращательного, поступательного.
- Возможность получения больших мощностей и сил при малом весе передаточного механизма и небольших размерах.
- Самосмазываемость трущихся поверхностей в случаях, когда в качестве рабочих жидкостей применяются синтетические и минеральные масла.
- Большая передавательная мощность на единицу массы привода. Так, масса гидравлической машины примерно в 10-15 раз меньше, чем масса электрической машины аналогичной мощности.
- Надежность в эксплуатации.
- Простота автоматизации и управления.
- Гидропривод создает меньшие объемные утечки через сопряжения поршня с цилиндром и через сальник.
- Использование гидроприводов допускает существенно бо́льшие давления рабочей среды. Благодаря чему могут применяться конструкции, имеющие меньшие размеры.
- Гидроприводы не создают в конце хода поршня ударов. Это связано с меньшими скоростями поршня в гидроприводах. Однако, низкие скорости движения рабочих органов в гидроприводах в отдельных случаях могут стать их недостатком.
- По этой же причине движение поршня либо вала гидродвигателя в гидроприводах является более равномерным, тогда как работа пневмопривода часто связана с пульсирующим движением поршня вследствие бо́льших скоростей рабочего газа при давлениях, превышающих один Мегапаскаль.
Недостатки гидроприводов
Из недостатков гидроприводов стоит упомянуть:
- Вследствие утечек масла производственные помещения загрязняются, к тому же масло является пожароопасным;
- Обычно гидроприводы работают с меньшими скоростями движения поршня. Это связано с большим гидравлическим сопротивлением в подводящих трубопроводах системы управления приводов.
- Для системы управления приводов необходимо приобретение более дорогого и габаритного оборудования – насосной станции, тогда как для пневмоприводов нужна компрессорная станция.
- Если сравнивать с электро- и пневмоприводом – невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния. Это связано с большими потерями напора в гидролиниях на единицу длины.
- Вязкость рабочей жидкости, а соответственно, и рабочих параметров гидропривода, зависит от температуры окружающей среды.
- Гидросистему необходимо защищать от проникновения внутрь нее воздуха, который, в случае его присутствия, приводит к нагреву рабочей жидкости, большим гидравлическим потерям и нестабильной работе гидропривода.
- В процессе эксплуатации необходимо обеспечивать чистоту рабочей жидкости. Это связано с тем, что в случае наличия в ней большого количества абразивных частиц детали гидрооборудования быстрее изнашиваются, увеличиваются зазоры и утечки через них.и как следствие – снижается объемный КПД.