Author: Наземцев А.С.
Tags: характеристика машин по способу привода общее машиностроение машиноведение гидравлика пневмопривод
ISBN: 5-8199-0143-6
Year: 2004
Similar
Text
А.С. Наземцев
Гидравлические и пневматические системы
Часть 1.
Пневматические приводы и средства автоматизации
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям технического профиля
Москва
ФОРУМ
2004
УДК 62-85(075.32
ББК 34 4472я723
Н19
Рецензент Кафедра Гидромеханика гидромашины и гидропневмоавтоматика»
МГТУ им. Н.Э Баумана
кандидат технических на , к. доцент К Д. Ефремова
Наземцев А.С.
Н19 Гидравлические и пневматические системы. Часть 1. Пневматические приводы и средства автоматизации: Учебное пособие -М., ФОРУМ, 2004. - 240 с, ил.
ISBN 5-8199-0143-6
В учебном пособии изложены основы релейной пневмоавтоматики высокого давления. Подробно описаны принципы построе~>ш пневматических систем, функциональное назначение, конструктивные особенности, принципы действия и условные графические обозначения основной элементной базы: устройств подготовки сжатого воздуха, исполнительных механизмов, направляющей и регут ющей аппаратуры. Изложены основы проектирования пневматических и релейно-контактных систем управления.
Пособие имеет прикладную направленность и содержит большое количество иллюстрации, типовых схемных решений, диа а.....
и примеров расчетов.
В представленных материалах содержатся сведения, которые могут быть полезны не только тем, кто впервые приступает к из. че-нию пневматических приводов и средств автоматизации, но и для техников и инженеров-практиков различных областей промышле— -сти, которые не в полной мере знакомы с современным пневматическим оборудованием.
УДК 62-85(075.32)
ББК 34.4472Я723
ISBN 5-8199-0143-6
© Наземцев А.С.
© Художник Наземцев А.С
© УИЦ ЗАО «Экоинвент»
Содержание
Содержание
z ez- т ...................................................................................7
| Структура пневматических приводов........................................................9
2. Физические основы функционирования пневмосистем........................................13
2 1. Основные параметры газа........................................................13
2.2. Основные физические свойства газов.............................................15
2 3. Основные газовые законы........................................................16
2.4. Течение газа...................................................................18
2.4.1. Расход..................................................................18
2.4.2. Уравнение Бернулли......................................................19
2.4.3. Режимы течения..........................................................20
2.4.4. Истечение газа через отверстие..........................................21
1 Энергообеспечивающая подсистема.........................................................23
3.1. Производство и подготовка сжатого воздуха......................................24
3.2. Компрессоры....................................................................24
3.2.1. Объемные компрессоры....................................................25
3.2.2. Динамические компрессоры................................................29
3.3. Устройства очистки и осушки сжатою воздуха.....................................32
3.4. Ресиверы.......................................................................37
3.5. Трубопроводы. Соединения трубопроводов.........................................41
3.6. Блоки подготовки воздуха.......................................................47
4. Исполнительная подсистема..............................................................53
4.1. Пневматические цилиндры........................................................53
4 1.1. Пневмоиилиндры одностороннего действия..................................54
4.1.2. Пневмоиилиндры двустороннего действия...................................56
4.1.3. Позиционирование пневмоцилиндров........................................59
4.1.4. Бесштоковые пневмоцилиндры..............................................61
4.1.5. Защита штока пневмоцилиндра от проворота............................... 64
4.1.6. Монтаж пневмоцилиндров................................................. 65
4.2. Поворотные пневматические двигатели............................................66
4.3. Пневмодвигатели вращательного действия — пневмомоторы..........................67
4.4. Специальные пневматические исполнительные устройства...........................72
4.4.1. Цанговые зажимы.........................................................72
4.4.2. Пневматические захваты..................................................72
4.4.3. Вакуумные захваты.......................................................73
3
Содержание
5. Направляющая и регулирующая подсистема....................................................75
5.1. Пневматические распределители.....................................................76
5.1.1. Моностабильные пневмораспределители........................................6'
5.1.2. Бистабильные пневмораспределители........'.................................89
5.1.3. Монтаж пневмораспределителей...............................................91
5.1.4. Определение параметров пневмораспределителей...............................92
5.2. Запорные элементы.................................................................94
5.3. Устройства регулирования расхода..................................................95
5.4. Устройства регулирования давления................................................100
6. Информационная подсистема................................................................1С^
6.1. Пневматические путевые выключатели...............................................10-
6.2. Струйные датчики положения.......................................................106
6.3. Пневмоклапаны последовательности...............................................У У О
6.4. Индикаторы давления..............................................................111
6.5. Счетчики импульсов.......................:.......................................112
7. Логико-вычислительная подсистема.........................................................
7.1. Основные логические функции......................................................113
7.2. Логические пневмоклапаны..........................................................V5
7.3. Пневмоклапаны выдержки времени...................................................122
7.4. Реализация функции запоминания сигнала в пневматических системах.................125
8. Пневматические приводы технологического оборудования......................................
8.1. Циклические пневмосистемы хода...................................................127
8.1.1. Формы представления хода технологического процесса....................... "2Е
8.1.2. Методы проектирования пневматических САУ.................................. 133
8.1.3. Переключающие регистры.................................................... 1-
8.1.4. Реализация сервисных функций в пневматических системах................... '-9
8.2. Пневмогидравлические приводы......................................................152
8.3. Системы позиционирования..........................................................1 5-
9. Релейно-контактные системы управления.................................................. 158
9.1. Устройства ввода электрических сигналов..........................................159
9.1.1. Кнопочные выключатели (кнопки управления)................................ "5г
9.1.2. Электромеханические путевые (концевые) выключатели....................... 161
9.1.3. Бесконтактные путевые выключатели........................................ 162
9.1.4. Электронные бесконтактные путевые выключатели............................ 163
9.2. Устройства обработки электрических сигналов......................................166
9.3. Устройства преобразования сигналов...............................................168
9.3.1. Электропневматические преобразователи.................................... 168
9.3.2. Пневмоэлектрические преобразователи (реле давления)...................... 169
4
Содержание
9 4. Реализация логических функций в релейно-контактных системах управления.............170
9 5 Реализация функции запоминания сигнала в релейно-контактных системах управления....................................................................... 171
9 6. Правила построения релейно-контактных схем.........................................172
9.7 Проектирование релейно-контактных систем управления.................................174
9 8. Переключающие регистры.............................................................176
9.9. Реализация сервисных функций в релейно-контактных системах управления..............178
9.10. Электропневматические приводы с управлением от промышленных логических
контроллеров.......................................................................182
10. Эксплуатация пневматических приводов......................................................183
10.1. Техническое обслуживание пневматических приводов..................................183
10.2. Поиск и устранение неисправностей.................................................185
10.3. Требования безопасности...........................................................189
Приложения.....................................................................................93
Приложение I. Справочная информация.....................................................194
1.1. Соотношения единиц величин, применяемых в пневматике, с единицами международной системы СИ (SI).................................................... 194
I.2. Сотношения между различными единицами давления и температурными шкалами.......................................................................... 197
I.3. Извлечения из ГОСТа 17433—86 «Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненнсти»............................................................ 198
I.4. Характеристики минеральных масел.............................................200
I.5. Характеристика степеней защиты (IP) персонала и электротехнических устройств.201
I.6. Условные буквенные обозначения элементов на схемах...........................202
Приложение II. Примеры расчетов.........................................................205
11.1. Основные газовые законы.....................................................205
II.2. Расчет внутреннего диаметра трубопроводов...................................207
II.3. Расчет пневмоцилиндров......................................................210
II.4. Выбор пневмораспределителей.................................................214
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневматических приводов......217
Предметный указатель..........................................................................227
-ература ..................................................................................235
5
Введение
ведение
2’личительной чертой современного производства является широкое использование в оборудовании высо-I *- ологичных, однотипных по функциональному назначению и конструкции компонентов общепромышлен-- применения'. В первую очередь, к таким компонентам относятся различного рода приводы и системы.
1..стемой называют совокупность взаимосвязанных объектов, объединенных единой целью и общим ал- 'ом функционирования. Если объектами являются технические устройства, взаимодействие которых
.тствляется посредством жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравли-
мэскмми и пневматическими, или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и - атым воздух называют рабочей средой (энергоносителем).
В зависимости от функционального назначения гидро- и пневмосистемы делят на системы управления —
□астемы, которые используются для управления различными машинами, станками, аппаратами, и системы, : 'излечивающие рабочий процесс в этих объектах (системы смазки, топливные системы, системы охлажде-- - епло- и газоснабжения и т. л.).
1 стемы управления, в состав которых входит комплекс устройств, предназначенных для получения уси-и перемещений в машинах и механизмах, называют также приводами. В зависимости от используемого энергоносителя различают электрические, гидравлические и пневматические приводы, или сокращенно элек
тро-. гидр©- и пневмоприводы.
Область применения того или иного привода определяется путем анализа достоинств и недостатков, при-оущих каждому из них (табл. 1).
абл. 1. Сравнение приводов по виду используемой энергии
Критерий Электроприводы Гидроприводы Пневмоприводы
3 -’ргты на з- еогоснабжение Низкие 1 Высокие 3...5 Очень высокие 7...10
”е?едача энергии На неограниченное расстояние со скоростью света с^ЗОО 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
- а эпление энерг ии Затруднено Ограничено Легко осуществимо
ней ное перемещение Затруднительно, дорого, малые усилия Просто, большие усилия, хорошее регулирование скорости Просто, небольшие усилия, скорость зависит от нагрузки
Бсащательное -ение Просто, высокая мощность Просто, высокий крутящий момент, невысокая частота вращения Просто, невысокий крутящий момент, высокая частота вращения
- абочая скорость исгюлнительноГо механизма Зависит от конкретных условий До 0,5 м/с 1,5 м/с и выше
смлия Большие усилия, не допускаются перегрузки Усилия до 3000 кН, защищены от перегрузок Усилия до 30 кН, защищены от перегрузок
Т: -ость : • зонирования ±1 мкм и выше До ±1 мкм До 0,1 мм
- меткость Высокая (используются механические промежуточные элементы) Высокая (гидравлические масла практически несжимаемы) Низкая (воздух сжимаем)
• течки Нет Создают загрязнения Нет вреда, кроме потерь энергии
В“ияние сгружающей среды Нечувствительны к изменениям температуры Чувствительны к изменениям температуры, пожароопасны при наличии утечек Практически нечувствительны к колебаниям температуры, взрывобезопасны
! подшипники, муфты, цепи; датчики; микропроцессорные системы управления, контроля и диагностики; смазочные системы и оойства; силовые полупроводниковые приборы и др.
7
Введение
Оборудование с пневмоприводами, рабочей средой в которых служит сжатый воздух, характеризуется простотой конструкции, легкостью обслуживания и эксплуатации, высоким быстродействием, надежностью и долговечностью работы, функциональной гибкостью, невысокой стоимостью, а также возможностью работы в агрессивных средах, взрыве-, пожаро- и влагоопасных условиях. Сжатый воздух легко аккумулируется и тра-з-портируется, а его утечки через уплотнения хотя и нежелательны, но не создают опасности для окружаюшел среды и производимой продукции, что особенно важно для пищевой, парфюмерной, медицинской и электро-ной промышленности.
От электроприводов пневмоприводы отличаются возможностью воспроизведения линейных и поворо’-э < движений без помощи преобразующих механизмов, большей удельной мощностью, а также сохранением работоспособности при перегрузках. При этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность пневматических исполнительных механизмов, питаемых от промышленных пневмомагистралей, меньше.
По сравнению с гидроприводами преимущества пневмоприводов заключаются в возможности использования централизованного источника сжатого воздуха, отсутствии возвратных линий и коммуникаций, более низких требованиях к герметичности, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших скоростях дви - е-ния выходного звена. Для пневматических приводов характерны простота управления, свобода выбора места установки, малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.
Вместе с тем пневмоприводам присущи некоторые недостатки, ограничивающие область их применен -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), пневмоприводы имеют значительно меньшую энергоемкость и худшие массогабаритные показатели. Вследствие сжимаемости воздуха становится технически сложно обеспечить плавность перемещения выходных звеньев исполнительных механизмов при колебаниях нагрузки, а также их точный останов в любом промежуточном положении (позиционирование) и реализацию заданного закона движения.
Разработка новых материалов, технологий конструирования и производства обусловливает повышение качества и постоянное расширение номенклатуры и области применения пневматических устройств как средств автоматизации1. Развитие и интенсивное внедрение электроники и микропроцессорной техники в управле- -автоматизированным оборудованием и технологическими процессами способствует совершенствованию "ревматических приводов, приводит к созданию «интеллектуальных» электропневматических систем.
Специалист, занятый в области автоматизации производственных процессов, должен иметь че~- -представление о возможностях пневмоавтоматики* , «философии» структурного построения автоматике: • .• ж систем управления, особенностях их функционирования и эксплуатации, знать основную элементную базу I владеть методами расчета пневмоаппаратов"**.
Автоматизация — способ организации производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся чегсее-ком, передаются автоматическим устройствам.
Пневмоавтоматика — комплекс технических средств для построения систем автоматического управления, в которых инф:: ы ция представляется и передается в виде пневмосигналов (перепадов давления или расхода воздуха); техническая дисциплина объе • ~ □ и рассмотрения которой является данный вид технических средств автоматизации.
Пневмоаппарат — устройство для управления потоком сжатого воздуха.
8
1. Структура пневматических приводов
Структура пневматических приводов
Чтобы понять назначение тех или иных элементов пневмосистем, разобраться в принципах их объедине-- - в различные части общей структуры привода и «прочувствовать» взаимосвязь этих частей, полезно вве-сгм некоторые обобщающие понятия.
/звестно, 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.
/сходя из этого, можно сказать, что пневматический привод, как и любой другой, состоит из двух взаимосвязанных основных частей:
• силовой, в которой осуществляются энергетические процессы;
• управляющей, реализующей информационные процессы (рис. 1.1). *
Управляющая часть привода
Силовая часть привода
Рис. 1.1. Структура пневматического привода
Рассмотрим более подробно структуру силовой части привода.
Очевидно, что те или иные элементы привода в зависимости от своего функционального назначения относятся к различным его подсистемам. Например, устройства, используемые для производства и подготовки сжатого воздуха (к таковым относятся компрессоры, фильтры, устройства осушки, ресиверы и т. п.), составляют 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 : -гулирующей подсистемы привода.
Полезная работа — выполнение различных рабочих перемещений или создание усилий в машинах, станах и технологических установках — совершается исполнительными механизмами (пневмоцилиндрами, пнев-/эмоторами, захватами и т. п.), составляющими исполнительную подсистему привода.
Если питание привода осуществляется от централизованной пневмосети, устройства производства сжатого воздуха в состав -оивода не входят.
9
1. Структура пневматических приводов
Поскольку в простейших приводах функции управления остаются за человеком, структура привода принимает вид, показанный на рис. 1.2.
Пневматический привод
Схема привода пневматическая принципиальная
Объект управления
Исполнительная подсистема (Выполнение полезной работы)
Направляющая и регулирующая подсистема
(Управление энергией сжатого воздуха)
Энергообеспечивающая подсистема
(производство и подготовка сжатого воздуха)
Структурная схема пневмопривода
Рис. 1.2. Структура пневматического привода с ручным управлением
Обратим внимание на то, что принципиальные пневматические схемы приводов (а одна из важнее - к задач для нас — научиться их читать), как правило, строят по вертикали (как и структурные схемы). Напоавге-ние движения потока энергии (в нашем случае — потока сжатого воздуха) на схемах силовой части пг.е -принято снизу вверх.
Осуществление функций управления и контроля всегда связано с необходимостью выполнения целой: ряда операций логического и вычислительного характера. Поскольку физиологические возможности мелеве* как управляющей системы ограничены, эффективное использование существующих и разработка ное- > = : -сокопроизводительных установок возможны лишь при передаче функций управления машинам. Таким :*£-зом, задачей автоматического управления является осуществление процесса управления без непосредствен-ного участия человека.
Применяют разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления (САУ) . В разомкнутых системах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие формируется ис* из цели управления и свойств управляемого объекта. В замкнутых же САУ управляющее воздействие производится на основе результата сравнения состояния — текущего или в контрольных точках — объекта управ ~~ ния с заданным (требуемым).
Устройство, машина и вообще какая-либо система называются автоматическими, если они выполняют по заданной программе без непосредственного участия человека все операции в процессе получения, передачи и использования энергии, материален , информации. За человеком остаются лишь функции наладки, настройки и общего наблюдения за работой машин.
10
1. Структура пневматических приводов
стооиства, входящие в управляющую часть замкнутой системы управления, по своему функциональному - -ачению делятся на две подсистемы:
• информационную (сенсорную);
• логико-вычислительную (процессорную).
В информационную подсистему входят различного рода устройства ввода внешних управляющих сигналов. а также датчики и индикаторы. Если внешние управляющие сигналы («Пуск», «Стоп», «Аварийный оста-
• и т. п.) вводит в систему оператор, то датчики автоматически «собирают» информацию о состоянии объекта управления, а индикаторы визуализируют необходимую для оператора часть этой информации.
-азначение логико-вычислительной подсистемы очевидно — обработка введенных управляющих сигнале в в соответствии с заданной программой и вывод их на устройства управления энергией в силовой части пр л в ода.
В зависимости от условий эксплуатации, требований безопасности или степени сложности силовой части
•вода управляющая часть может быть реализована путем использования пневматических, электрических или электронных средств автоматизации.
Если силовая и управляющая части привода выполнены на пневматической элементной базе, то можно : = орить о пневматической системе автоматического управления (рис. 1.3).
ф
ф
о со
ф ф т В
Ф т CD
Объект управления
Исполнительная подсистема
Информационная подсистема
Логиковычислительная
Направляюшая и регулирующая подсистема
Энергообеспечивающая подсистема
Рис. 1.3. Структура пневматической системы автоматического управления
В таких случаях управляющая часть может не иметь собственной энергообеспечивающей подсистемы, потребляя энергию от подсистемы энергообеспечения силовой части привода.
11
1. Структура пневматических приводов
В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов технологического оборудования имеют же-сткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньен судить о соответствующем состоянии объекта. Системы автоматического управления технологическими объектами, организованные подобным образом, будут иметь структурную схему, представленную на рис. 1.4.
Приведенная схема показывает, что! в системах автоматического управления сигналы передаются по замкнутому контуру. При этом реализуется основной принцип построения САУ, который заключается в применении обратной связи, обеспечивающей передачу информации об изменении состояния объекта управления (или, как в нашем случае, — о состоянии исполнительного механизма) в систему управления.
Классификацию САУ. работающих по описанной схеме, можно проводить по различным принципам: 1МЙ управления, характеру формирования и виду передаваемых сигналов и т. д. Из всего многообразия пнее**-тических САУ остановимся на широко распространенных в промышленности дискретных системах управления, т. е. системах с принудительным пошаговым пооцессом. В таких системах программа переход/’ ст текущего шага к последующему только по сигналам, поступающим от управляемой системы.
Если управляющая часть пневмопривода реализована не на пневматической элементной базе, то говел-о гибридной САУ.. Так, если система управления выполнена на основе электрических релейно-контак- - • устройств или же функции управления осуществляются промышленным контроллером, то речь пойде’ об электропневматической системе управления.
Так как электронные системы управления выгодно отличаются от пневматических по быстродейств < габаритам и простоте перепрограммирования, а собирать информацию в общем случае удобнее посредствен электронных датчиков, то для автоматизации различных технологических процессов все более широко применяют электропневматические САУ.
Чтобы выяснить функциональное назначение и взаимосвязь устройств, образующих пневматические. эг>еж-тропневматические или иные гибридные САУ, необходимо «наполнить» аппаратным содержанием кал
часть, каждую подсистему приведенной выше структуры.
12
2. Физические основы функционирования пневмосистем
2. Физические основы функционирования пневмосистем
5: всех элементах, приборах и системах пневмоавтоматики рабочей средой является предварительно сжа-тый = омпрессоре воздух (в некоторых особых случаях применяют другие газы), который окружает нас в по-acaz-евной жизни. Воздух представляет собой газовую смесь, в основном состоящую из двух газов: азота N2
17' г и кислорода О (20,95%). В небольших количествах в нем присутствуют инертные газы — аргон Аг, гелий Не, криптон Кг и ксенон Хе — и водород Н2 (0,94%), а также диоксид углерода (углекислый газ) С7 (0.03%). Помимо этих газов воздух содержит некоторое непостоянное по величине количество водяного влаги).
Работа пневматических элементов основывается на использовании энергии сжатого воздуха, а также физи-’ео» : эффектов, возникающих при его движении. Законы, описывающие эти процессы, подробно изучаются в • г - ’.-еханики жидкости и газа. Далее в этом разделе мы уделим внимание только основным газовым зако-
2 1. Основные параметры газа
Давление. Если некоторое внешнее усилие воздействует на какой-либо замкнутый объем воздуха через 15 - ной элемент, например поршень, то в воздухе создается внутреннее давление, равномерно действую-Мве на все поверхности, ограничивающие этот объем (рис. 2.1). Данное положение следует из закона Паскаля: - - = "-чие. оказываемое на внешнюю поверхность жидкости (газа), передается всем точкам этой жидкости (газа) по Еюем направлениям одинаково.
Давление -►
ПНИ
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:
Давление =
Усилие
Площадь поперечного сечения
Обычно в технической литературе используются следующие обозначения (латинскими буквами): давле-- —р, сила — F, площадь — S. Таким образом, давление находят из соотношения
Поскольку в международной системе единиц СИ (см. приложение 1.1) единицей площади является м2, а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м2. Эта единица носит название пас-<аг.ь и обозначается Па:
1 Па - 1 Н/м2.
Давление может измеряться в различных существующих единицах (см. приложение I.2). Однако на практи-- следует применять единицу измерения паскаль [Па], а также производные от нее, такие как килопаскаль •~а] мегапаскаль [МПа] и т. п.; в виде исключения используют бар [бар]:
1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа.
13
2. Физические основы функционирования пневмосистем
Давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность называют атмосферным давлением и обозначают /?атм. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление может меняться в зависимости от погодных условии и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (0,98 до 1,04 бар). Среднее значение раг составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар).
В пневматических системах используют, как правило сжатый воздух, абсолютное значение давления р^ которого в несколько раз превышает атмосферное давление. Для удобства отсчета уровня давления в технике пользуются понятием избыточного давления.
Избыточным давлением р^. называют превышение значением абсолютного давления воздуха значения атмосферного давления. Недостаток абсолютного давления относительно атмосферного называют вакуумет-рическим давлением или просто вакуумом /7ва<(рис. 2.2).
Рис. 2.2. Системы отсчета величины давления
Приборы для измерения избыточного давления называют манометрами. За нулевую точку шкалы манометров принимают атмосферное давление.
Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар; вакуумная техника позволяет получить разрежение р абс ~ 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 настоящее время применяют только две из них — термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°C).
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 Т, которую отсчитывают от абсолютного нуля температуры, представляющего собой такое ее теоретическое значение, при котором газы не обладают упругостью, а объем их становится равным нулю.
Термодинамическая, или абсолютная, температура Т [К] и температура по Международной практической шкале t [°C] связаны соотношением Г-Г+ 273,15.
Плотность. Еще одним важнейшим параметром, характеризующим состояние газа, является плотность р [кг/м3] — отношение массы вещества m [кг] к объему К[м3], который эта масса занимает:
m
Удельный объем. Удельный объем v [м3/кг] — это величина, обратная плотности: v = Мр.
14
2. Физические основы функционирования пневмосистем
12.. Основные физические свойства газов
Сжимаемость. Свойство газа изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжима-встъ характеризуется коэффициентом объемного сжатия /3 [Па1], который представляет собой относитель-в . т-ение объема, приходящееся на единицу давления:
1 AV
р У о ’
I — начальный объем, м3;
А Г— изменение объема, м3;
Ар — изменение давления, Па.
• «минус» в формуле обусловлен тем, что положительному приращению (увеличению) давления р соот-ет отрицательное приращение (уменьшение) объема К. Величина, обратная коэффициенту р носит звание объемного модуля упругости (модуля сжимаемости) К [Па].
тературное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного □шмрения /3 г [К1], который представляет собой относительное изменение объема при изменении температура 1 К: 1 дг
Вязкость. Свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление сдвигу (скольжению) слоев жидкости или раза называют вязкостью. Вязкость — свойство противоположное текучести (степени подвижности частиц жидко-сг* или газа): более вязкие жидкости менее текучие и наоборот. Вязкость может быть охарактеризована коэффи-Ивнтами динамической вязкости р и кинематической вязкости у.
E_z 'ницей измерения коэффициента динамической вязкости р, или коэффициента внутреннего трения, яв-паскаль-секунда [Па-с]. Используется также единица измерения пуаз [П] системы единиц СГС : В Г1 = 0 1 Па-с. Единицей коэффициента кинематической вязкости v служит м2/с; применяют также единицу Z стокс [Ст]: 1 Ст = 1 см2/-с = 10'4 м2/с.
В -зкэсть зависит от температуры (рис. 2.3), причем характер этой зависимости для жидкостей и газов раз-ле-ен: вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, уве-' -ается (для воздуха данная зависимость незначительна).
Рис. 2.3. Зависимость кинематической вязкости v от температуры
стема единиц СГС (сантиметр- -грамм—секунда, CGS) является системой механических величин. Основными единицами ’'ой системы являются: сантиметр — единица длины, грамм — единица массы, секунда — единица времени.
15
2. Физические основы функционирования пневмосистем
2.3. Основные газовые законы
Состояние газа характеризуется тремя основными параметрами — абсолютным давлением, температурой и плотностью (удельным объемом). Взаимосвязь этих параметров газа именуют состояния. Состояние газа, называемого идеальным, описывается уравнением Клапейрона — I
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 • : -считающимися материальными точками, не имеющими объема. Несмотря на то что воздух не яе_--_ -альным газом, для большинства газовых процессов, протекающих при давлениях, не превыше-:~ 20
(200 бар), это уравнение остается в достаточной мере справедливым.
Введя в данное уравнение формулу, определяющую плотность через массу и объем, получим :: которое описывает состояние т килограммов идеального газа объемом И:
mR =
Нетрудно заметить, что для какой-либо постоянной массы газа левая часть уравнения менная (константа):
= const.
Данное уравнение обобщает основные газовые законы: Бойля — Мариотта, Шарля и ёй-Л -
Закон Бойля — Мариотта. Если абсолютная температура газа остается постоянной, то пс:. солютного давления газа на его объем есть также величина постоянная для данной массь газа • w ми, давление газа обратно пропорционально его объему (рис. 2.4).
Т = const
p1V1 = p2V2— const
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 adcaz а ческим (адиабатным). Для него справедливо уравнение Пуассона
pVk = const,
где к— коффициент Пуассона, или коэффициент (показатель) адиабаты (для воздуха к - 1,4).
16
2. Физические основы функционирования пневмосистем
Закон Шарля. Если замкнутый объем данной массы газа остается постоянным, то отношение абсолютного каления газа к его абсолютной температуре есть также величина постоянная; иными словами, давление газа =мо пропорционально его температуре.
Например, при нагревании газа в замкнутом объеме его давление возрастает, а при охлаждении, наоборот, вадает (рис. 2.5).
V= const
Р^^Р2
Рис. 2.5. Иллюстрация закона Шарля
аз :вые процессы, протекающие при постоянном объеме, называют изохорическими (изохорными).
Закон Гей-Люссака. Если абсолютное давление газа остается постоянным, то отношение объема данной ’/а::- газа к его абсолютной температуре есть также величина постоянная; иными словами, объем прямо ' soodционален температуре.
Например, при нагревании газа, находящегося под постоянным давлением, его объем увеличивается, а при z хлаждении — уменьшается (рис. 2.6).
р = const
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 количества 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°С);
• технические нормальные условия: давление 1,013.105 Па (1,013 бар), температура 293,15 К (20°С).
Примеры использования основных газовых законов в прикладных расчетах представлены в приложении II. 1.
17
2. Физические основы функционирования пневмосистем
2.4. Течение газа
Выше мы рассмотрели такие параметры газа, как давление, температура, плотность, удельный объем. Течение 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 промежутку времени, за который это перемещение происходит.
В технической литературе объемный расход обозначают латинской буквой Q (или Qv). Определяется объемный расход соотношением
где Q — объемный расход, м3/с;
V — объем, м3;
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;
£ — площадь поперечного сечения трубопровода, м2.
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:
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, значительно затрудняет расчеты. Поэтому на практике во многих случаях прибегают к идеализации процессов движения 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.
18
2. Физические основы функционирования пневмосистем
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).
Это явление описывается уравнением неразрывности
Q1 =S1v1 = S2 v2 =Q2 = const.
Из данного уравнения следует, что в узком сечении трубы поток ускоряется:
2.4.2. Уравнение Бернулли
Результаты измерений давления в различных точках потока, движущегося по трубе с переменной площадью 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 давления и кинетическая энергия. В процессе движения идеальной жидкости одна форма энергии может превращаться в другую, однако полная удельная энергия жидкости остается неизменной. Математически данное положение описывается уравнением Бернулли
где gz — удельная энергия положения (g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения); р/р — удельная энергия давления;
о2! 2 — удельная кинетическая энергия.
Течение, при котором параметры газа не меняются во времени.
Удельная энергия — энергия, отнесенная к единице массы.
19
2. Физические основы функционирования пневмосистем
Таким образом, снижение уровня давления жидкости в узком сечении трубы обусловлено тем, что ускорение 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:
g?i + А +
= gZ2+^2 +
2
где pgz — весовое давление;
р — гидромеханическое давление (или просто давление);
рр2/2 — 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 трением) жидкости или газа.
Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости в энергетической форме будет иметь следующий вид:
п >
где a— коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока (а/1);
g^Jin — суммарные потери энергии (гидравлические потери).
Уравнение Бернулли применимо к потоку сжатого воздуха при условии, что скорость его движения и<ш, где а ~ yjkRT — скорость звука .
2.4.3. Режимы течения
Существует два режима течения жидкостей и газов по трубе: ламинарный и турбулентный (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Эпюры скоростей при различных режимах течения
Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением (слоями) жидкости или газа, причем скорости внешних слоев меньше, чем внутренних. Когда скорость движения превысит некоторую критическую величину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают потери 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 гкр.
* >
Реально существующим в потоке является только гидромеханическое давление р, две другие величины называются давлениями условно.
Скорость звука — скорость распространения малых колебаний давления в неограниченном объеме вещества. Значение скорости звука в воздухе составляет около 330 м с.
20
2. Физические основы функционирования пневмосистем
ак показывает эксперимент, критическая скорость прямо пропорциональна кинематической вязкости v жидкости и обратно пропорциональна внутреннему диаметру d трубы:
v
v KD = к — р d ’
где к — коэффициент пропорциональности;
у — кинематическая вязкость жидкости, м2/с;
d — внутренний диаметр трубы, м.
Э - спериментально 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. £а-чый коэффициент называют критическим числом Рейнольдса:
d
— 1' i:p • V
Для труб круглого сечения ReKp~ 2300.
Число Рейнольдса используют для описания режима течения:
d vpd
Re = v— —-----
v //
Значение числа Рейнольдса позволяет судить о характере течения жидкости по трубе: при Re<Rehp наблюдается ламинарный режим, при Re>ReKp — турбулентный.
Таким образом, зная скорость движения потока, вязкость жидкости и внутренний диаметр трубы, можно расчетным 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-д. ха через отверстие от отношения давлений на входе в отверстие и ча выходе из него. Если пренебречь етлообменом 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
К*- 1Ж0
£ k+1 (лк- лк )
где в— коэффициент расхода отверстия (учитывает сжатие струи при истечении газа;
обычно определяется экспериментально);
f — площадь отверстия;
л:=р^Рд, гдер0 — давление на входе (обычно принимаютр0= const);
р1 — давление на выходе;
к— коэффициент Пуассона (адиабаты), для воздуха к~= 1,4;
R — удельная газовая постоянная, обычно для воздуха R = 287 Дж/(кг К);
Т() — температура воздуха перед отверстием.
Если на основании данной формулы построить график функции Q =f(7i), то он будет иметь вид, аналогичной характеру пункгирной кривой на рис. 2.11.
21
2. Физические основы функционирования пневмосистем
Функция Q = f(n) достигает максимума при критическом значении п = 0,528. Однако экспериментально установлено, что уменьшение давления на выходе (приводящее к уменьшению значения тг) 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<тг^тг* массовый расход подсчитывают по формуле
2
Л-1
о
Процесс истечения газа при п>л называют докритическим (подкритическим), а если отношение давлений тг<лг*, то говорят соответственно о закритическом (надкритическом) или критическом процессе.
Для вычисления объемного расхода следует привести массовый расход к плотности (см. раздел 2.3.1 «Расход»). Поскольку при истечении через отверстие значения плотности воздуха на его входе и выходе различны, т. е. р = f(p), то буду г различаться и значения объемного расхода: на входе Q{ - QJp0, на выходе Q^~ Qt /р1.
Необходимо обратить внимание на следующую особенность течения газов (в частности, сжатого воздуха): объемный расход газов (например, при течении через диафрагму) зависит (в отличие от расхода жидкостей) не только от перепада давления \р-р0-pv но и от уровня давления на входер0 (рис. 2.12).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 рг бар
Рис. 2.12. Расходно-перепадные характеристики для диафрагмы с площадью поперечного сечения 1 мм2"
Приведенные характеристики показывают, что при перепаде давления А р - 0,1 МПа (1 бар) и начальном давлении сжатого воздухар0= 1 МПа (10 бар) расход £?н при технических нормальных условиях через диафрагму составляет 70 л/мин, а при таком же значении \р и р0-0,5 МПа (5 бар) — всего 50 л/мин.
*
Серым цветом выделена область надкритического течения.
22
3. Энергообеспечивающая подсистема
3. Энергообеспечивающая подсистема
На производство сжатого воздуха расходуется около 20% всей электроэнергии, потребляемой промышленностью. Поэтому он является одним из самых дорогих энергоносителей, используемых в современном производстве. На предприятиях, где широко применяются пневматические приводы и системы, обычно существует центральная сеть питания сжатым воздухом. Диапазон давлений в ней, принятый как у нас в стране, так и за рубежом, составляет 0,4 — 1,0 МПа (4 — 10 бар).
3.1. Производство и подготовка сжатого воздуха
Чтобы преобразовать воздух из окружающей среды в рабочее тело пневматического привода, над ним необходимо произвести ряд последовательных действий: сжать до требуемого значения давления, осушить и очистить. Для нормальной работы пневмоприводов необходимо, чтобы загрязненность сжатого воздуха не “оевышала допустимого уровня. Основные загрязнители воздуха — вода и компрессорное масло в жидком и асообразном состояниях, а также твердые и газообразные вещества.
Источником воды, содержащейся в сжатом воздухе, является водяной пар, засасываемый компрессором =х«есте с атмосферным воздухом. Для характеристики влагосодержания (влажности) воздуха используются понятия абсолютной и относительной влажности.
Абсолютная влажность/абс (г/м3) — это масса паров воды, содержащихся в 1 м3 воздуха.
Влажность насыщенного пара/нп — это наибольшая масса паров воды, которые могут содержаться в 1 м3 эоздуха при данной температуре.
Относительная влажность ср, измеряемая в процентах, определяется по формуле:
х 100%.
Способность некоторого постоянного объема сжатого воздуха удерживать пары воды зависит от температу-11 и не зависит от давления* (рис. 3.1).
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 °C
233 253 273 293 313 333 353 373 К
Рис. 3.1. Зависимость абсолютной влажности от температуры
С -'особность некоторой постоянной массы сжатого воздуха удерживать пары воды пропорционально зависит от его температу-ры и обратно пропорционально — от величины давления.
23
3. Энергообеспечивающая подсистема
При понижении температуры воздух насыщается водяными парами, его относительная влажность возрастает. В момент, когда относительная влажность достигает значения <р=100% (состояние насыщения), начинается конденсация избыточного количества водяных паров и появляется вода (конденсат). Температура, при которой имеет место данное явление, называется точкой росы. При более высокой температуре конденсация водяных паров не наблюдается. Поэтому точку росы часто указывют в качестве меры содержания в воздухе водяных паров.
Источниками загрязнения сжатого воздуха маслом могут быть смазочные материалы компрессоров и пневматических устройств, пары и распыленное в окружающем воздухе масло. В сжатом воздухе масло обычно находится в парообразном и жидком состояниях. Предельная концентрация паров масла в воздухе, как и паров воды, уменьшается с понижением температуры и повышением давления. Попадание в линию питания смазочных материалов компрессоров обычно является основной причиной загрязнения сжатого воздуха.
Качественным считается такой сжатый воздух, в котором содержание паров воды и масла настолько мало, что исключается образование капель и льда в элементах и устройствах при любых возможных температурах окружающей среды, а уровень содержания пыли не приводит к закупорке их наиболее узких участков (см. приложение I.3).
Таким образом, в источник питания сжатым воздухом должны входить:
• компрессор;
• фильтр для очистки воздуха от пыли;
• маслоотделитель;
• устройства осушки и охлаждения сжатого воздуха;
• ресивер — емкость для создания резервного запаса воздуха.
3.2. Компрессоры
По физическому принципу работы различают компрессоры объемного и динамического типов. Классификация компрессоров по конструктивному исполнению гораздо шире (Рис. 3.2).
Компрессоры
Динамического типа
• Центробежные
• Осевые
Рис. 3.2. Классификация компрессоров
В объемных компрессорах, работающих по принципу вытеснения, воздух замыкают в рабочей камере и затем уменьшают ее объем, после чего рабочая камера соединяется с отводящим (нагнетательным) трубопроводом.
В динамических компрессорах воздух поступает на рабочий орган, сообщающий ему кинетическую энергию, которая на выходе компрессора преобразуется в потенциальную.
Для получения высоких давлений при небольшой производительности используют компрессоры объемного типа (исключая компрессоры Рутса), а для получения больших расходов при относительно малом давлении — компрессоры динамического типа.
24
3. Энергообеспечивающая подсистема
3 2.1. Объемные компрессоры
“зиболее широкое примененение находят поршневые компрессоры.
Z . чествует множество типов поршневых компрессоров. Они бывают простого и двойного действия, односту-•-атые и многоступенчатые, одноцилиндровые и многоцилиндровые, с воздушным и водяным охлаждением. Основными деталями поршневого компрессора простого действия (рис. 3.3) являются: цилиндр 2 с нагнетатель-* 7 и всасывающим 1 клапанами в крышке 6; поршень 3; кривошипно-шатунный механизм 5, преобразующий «отельное движение приводного вала 4 в возвратно-поступательное движение поршня.
Рис. 3.3. Поршневой компрессор
При движении поршня к нижней «мертвой точке» (обратный ход — рис. 3.3, а) рабочая камера компрессора, □ссазованная замкнутым объемом между поршнем 3 и крышкой 6 цилиндра, увеличивается и в ней создается Куум. Под действием атмосферного давления открывается всасывающий клапан 1, через который в цилиндр пост. пает воздух. В это время нагнетательный клапан 7 удерживается в закрытом положении под действием ваку-а в рабочей камере и высокого давления в нагнетательном трубопроводе. После достижения поршнем 3 крайне-т “«сложения начинается процесс его движения к верхней «мертвой точке» (прямой ход— рис. 3.3, б). Объем рабо--е камеры начинает уменьшаться, давление в ней возрастает, и всасывающий клапан закрывается. Нагнетатель-ifeж клапан открывается тогда, когда давление в цилиндре превысит давление в линии нагнетания. Полный цикл яйвого компрессора совершается за два хода поршня — обратный и прямой, т. е. за один оборот приводного вала.
Лля увеличения производительности иногда применяют поршневые компрессоры двойного действия (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Поршневой компрессор двойного действия
роизводительность компрессора — расход производимого компрессором сжатого воздуха.
25
3. Энергообеспечивающая подсистема
Компрессор, выполненный по такой конструктивной схеме, имеет две рабочие камеры при одном поршне, а всасывающие и нагнетательные клапаны установлены в обеих крышках. При ходе поршня вниз в верхней рабочей камере происходит процесс всасывания, а в нижней — процесс нагнетания. При движении поршня вверх сжатый воздух подается в напорную линию из верхней рабочей камеры, в то время как процесс всасывания осуществляется в нижней. Производительность компрессора двойного действия практически в два раза выше производительности компрессора традиционной конструкции при одинаковых объемах рабочих камер.
Одноступенчатые компрессоры позволяют получить сжатый воздух с избыточным давлением до 1,3 МПа (13 бар), а развиваемая ими производительность достигает 20 тыс. м3/час.
Для достижения более высоких значений давления сжатого воздуха (до 100 МПа) используют поршневые компрессоры многоступенчатого исполнения (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Двухступенчатый поршневой компрессор
Всасываемый воздух предварительно сжимается в первой ступени 1, проходит промежуточное охлаждение, а затем подвергается сжатию во второй ступени 3. Увеличение степени сжатия воздуха обеспечивается тем, что объем рабочей камеры второй ступени меньше, чем первой. Необходимость охлаждения сжатого воздуха возникает в связи с интенсивным нагревом воздуха в процессе сжатия (в соответствии с законом Гей-Люссака), особенно еспи степень сжатия значительна. Чтобы избежать этого, в конструкцию компрессора вводят охладитель 2.
Поршневые компрессоры подают воздух в нагнетательный трубопровод неравномерно, отдельными порциями. Степень неравномерности увеличивается еще и вследствие того, что скорость движения поршня не постоянна, а изменяется по синусоидальному закону. Для сглаживания неравномерности подачи воздуха, а следовательно, и пульсации давления в линии нагнетания применяют многопоршневые компрессоры, ходы поршней которых сдвинуты по фазе.
Все рассмотренные конструкции имеют один существенный недостаток: в картер поршневых компрессоров заливают масло, предназначенное для смазки трущихся поверхностей. Высокие температуры в поршневом пространстве компрессоров и на начальном участке линии питания приводят к парообразованию и к частичному термическому разложению масла. В результате часть масла окисляется и в виде нагара и лакообразной пленки осаждается на внутренних полостях компрессоров и трубопроводов, а легкие фракции, в виде паров и мелкодисперсной фазы, уносятся воздухом в систему.
Сжатый воздух, не содержащий паров масла, можно получить без применения маслоудерживающих фильтров при помощи мембранного компрессора (рис. 3.6).
Степень сжатия — отношение объемов, занимаемых определенной массой воздуха до и после его сжатия.
26
3. Энергообеспечивающая подсистема
1
2
Рис. 3.6. Мембранный компрессор
3 мембранном компрессоре процесс получения сжатого воздуха происходит в принципе так же, как и в "сэшневом, стой лишь разницей, что в нем подвижной поршень заменен жестко закрепленной гибкой мембра-- 1. Замкнутый объем изменяется за счет деформации мембраны при возвратно-поступательном движении
_^ока 2.
□авление воздуха в мембранных компрессорах ограничено прочностными характеристиками мембраны и -е превышает 0,3 МПа.
Основной недостаток мембранных компрессоров — необходимость периодической смены мембраны по причине выхода ее из строя.
Ротационные компрессоры, как и поршневые, работают с принудительным выталкиванием сжатого воздуха, zz-ако в их конструкции отсутствуют клапаны и кривошипно-шатунный механизм. На рис. 3.7 изображен ротационный пластинчатый компрессор.
Рис. 3.7. Пластинчатый (шиберный) компрессор
В машинах такого типа вследствие эксцентричного расположения ротора 3 в цилиндрическом статоре 1 -ду ними образуется серповидная полость. В радиальных пазах ротора 3 размещены подвижные пластины 2 «оторые под действием центробежной силы при вращении ротора выдвигаются из пазов и плотно прижима-Кгся к внутренней цилиндрической поверхности статора 1 (часто применяют еще и дополнительный принуди-’т~-ный поджим пластин при помощи пружин либо путем подведения к торцам пластин сжатого воздуха от м-ии нагнетания). Вращающиеся пластины делят пространство между ротором и статором на рабочие каме-
:бъем которых меняется по мере вращения ротора. За один оборот ротора объем рабочих камер вначале = -личивается (при этом пластины выдвигаются из пазов), а затем уменьшается (при этом пластины задвига-в пазы). В том месте, где при вращении ротора объем рабочих камер увеличивыется, расположен входной ’ е-зубок, а на участке, где их объем уменьшается, — выходной. Степень сжатия, а следовательно, и значение : = ~ения на выходе пластинчатого компрессора (до 0,8 МПа) значительно меньше, чем у поршневого, но его - :труктивное исполнение гораздо проще.
27
3. Энергообеспечивающая подсистема
Основные элементы конструкции винтового компрессора — два находящихся в зацеплении винта (рис. 3.8) ведущий 1 и ведомый 2. При вращении винтов их винтовые линии, взаимно замыкаясь, отсекают некоторый объем воздуха в камере всасывания, перемещают его вдоль оси винтов и в конечном итоге вытесняют в камеру нагнетания. Воздух через компрессор двигается поступательно и плавно, без завихрения, как гайка по резьбе при вращении винта.
Рис. 3.8. Винтовой компрессор
Процесс перемещения воздуха происходит по всей длине винтов непрерывно, и при постоянной частоте вращения вала компрессора обеспечивается равномерная, без пульсаций, подача. Недостаток винтовых компрессоров — довольно сложная технология изготовления винтов; преимущество — равномерность подач г воздуха, а следовательно, отсутствие колебаний уровня давления в линии нагнетания. Винтовые компрессоры обеспечивают давление сжатого воздуха до 2,5 МПа, а расход воздуха в них достигает 30 тыс. м3/час.
На рис. 3.9 изображен компрессор Рутса, также относящийся к ротационным компрессорам.
Рис. 3.9. Компрессор Рутса
Рабочими органами такого компрессора служат два синхронно вращающихся специально спрофилированных вытеснителя 1. Воздух, попадая в рабочие камеры, образованные между вытеснителями и корпусом 3 переносится из зоны всасывания в зону нагнетания. Рабочие органы не находятся в зацеплении друг с другом, а синхронизация их вращения осуществляется шестернями 2, расположенными в специальном отделении корпуса и находящимися в зацеплении между собой. Между самими вытеснителями, а также между вытеснителями и корпусом имеются гарантированные зазоры, и эта особенность конструкции обусловливает относительно небольшие значения выходного давления. Практическое отсутствие трущихся поверхностей в рабочей камере обеспечивает возможность достижения большой производительности благодаря высокой частоте вращения роторов.
28
3. Энергообеспечивающая подсистема
3.2.2. Динамические компрессоры
В центробежных компрессорах {турбокомпрессорах) основным элементом конструкции служат располо-- е -ное в спиральном отводе 2 рабочее колесо 1, представляющее собой диск со специально спрофилирован-мыми лопатками (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Центробежный компрессор
Всасываемый воздух поступает в осевом направлении к центру колеса. При вращении ротора лопатки 2?:коучивают воздух и одновременно вовлекают его в относительное движение по образованным ими кана-лам. Под действием центробежной силы воздух движется от центра колеса к периферии. Таким образом, пото-• воздуха сообщается кинетическая энергия, которая при протекании его по специально спрофилированным -оправляющим и отводящим устройствам преобразуется в энергию давления. Как правило, центробежные г’/прессоры изготавляюг многоступенчатыми, т. е. с несколькими рабочими колесами, устанавливаемыми на ном валу. Требуемая степень сжатия воздуха обеспечивается его последовательной подачей с выхода одно-о олеса на вход другого. Основное преимущество компрессоров этого типа — большая производительность so 400 тыс. мь/ч).
Это же преимущество характерно и для осевых компрессоров (рис. 3.11).
2
Рис. 3.11. Осевой компрессор
Поток воздуха в них имеет осевое направление. Основной конструктивный элемент — вращающийся ротор 1, на поверхности которого укреплены рабочие лопатки 2. Осевые компрессоры развивают давление воздуха до 0,4 МПа, а их производительность достигает значений более 50 тыс. м3/ч.
29
3. Энергообеспечивающая подсистема
Производство сжатого воздуха сопровождается значительным потреблением электроэнергии. Например, при получении 10 м3 сжатого воздуха под давлением 0,6 МПа с использованием поршневого компрессора затраты электроэнергии составляют 0,76 — 0,98 кВт ч, а с использованием турбокомпрессора — 0,82 — 1,77 кВт-ч. При этом чем выше производительность компрессора, тем ниже затраты электроэнергии на каждый 1 м3 сжатого воздуха. Следовательно, стоимость производтва сжатого воздуха зависит от типа компрессора и от его производительности. Несложный расчет показывает, что сжатый воздух необходимо расходовать экономно и не допускать бесполезных утечек через неплотности в пневматических агрегатах и особенно в трубопроводах.
На принципиальных пневматических схемах условное графическое обозначение компрессора, каким бы ни было его конструктивное исполнение, согласно действующим стандартам имеет следующим вид (рис. 3.12, а).
-— Линия нагнетания
( t— Приводной вал
Т-----Линия всасывания
Рис. 3.12. Условное графическое обозначение компрессора
Незакрашенный треугольник своей вершиной, лежащей на окружности, указывает направление движения потока сжатого воздуха (рис. 3.12, б).
Изображение простейшей компрессорной установки, состоящей из компрессора, воздухозаборника на линии всасывания, приводного электродвигателя и соединительной муфты, принимает, таким образом, следующий вид (рис. 3.12, в).
Чтобы производительность компрессора соответствовала изменяющемуся потреблению сжатого воздуха, необходимо регулировать давление, развиваемое компрессором, в диапазоне от максимального до минимального. На практике применяют различные виды регулирования.
1. Регулирование по нагрузке. Уровень давления в напорной магистрали регулируется путем изменения частоты вращения приводного двигателя компрессора.
2. Регулирование периодическим отключением. При достижении заданного максимального уровня давления приводной двигатель компрессора отключается. Включение двигателя производится при снижении величины давления до минимально допустимого значения. Чтобы обеспечить приемлемую периодичность включений-выключений компрессора необходимо иметь резервный запас сжатого воздуха на его выходе, который создается с помощью ресивера. Для предотвращения выхода воздуха из ресивера в атмосферу через неработающий компрессор на выходе последнего (в напорной магистрали) устанавливают обратный клапан (рис. 3.13).
3.13. Обратный клапан
30
3. Энергообеспечивающая подсистема
Обратный клапан предназначен для пропускания потока воздуха только в одном направлении. При этом запорный элемент 1 отжимается от седла 2 клапана потоком воздуха. Когда же воздух подается в обратном направлении, клапан закрывается под действием оказываемого им давления и встроенной пружины.
3. Регулирование холостым ходом. Различают регулирование на входе, на выходе и коротким замыканием. Регулирование на входе выполняют следующими способами:
а) прекращение подачи осуществляется путем перекрытия всасывающей магистрали компрессора.
б) всасывающий клапан компрессора удерживается открытым посредством встроенного привода, что не -озволяет воздуху в рабочей камере сжиматься (рис. 3.14).
4
Рис. 3.14. Управление всасывающим клапаном компрессора
Регулирование на выходе состоит в том, что на линии нагнетания компрессора устанавливают устройство разгрузки, через которое сжатый воздух начинает стравливаться в атмосферу при достижении максимально д зпустимого давления.
Регулирование коротким замыканием заключается в том, что вход и выход компрессора закольцовывают, змпрессор работает «сам на себя».
Компрессорные установки размещают в помещениях, обеспечивающих защиту от шума, создаваемого обо-гованием, расположенным на основных производственных площадях. Место установки должно обеспечивать свободный доступ к компрессору для его обслуживания и эксплуатации. Чтобы свести к минимуму гидравлические сопротивления, всасывающие трубопроводы выполняют по возможности короткими и с большими проходными сечениями. Всасываемый воздух должен быть сухим холодным и незапыленным, поэтому воздухозаборные устройства рекомендуется располагать на высоте 4 — 6 м.
31
3. Энергообеспечивающая подсистема
3.3. Устройства очистки и осушки сжатого воздуха
Для обеспечения надежности и безотказной работы пневматических систем в целом и каждого из их элементов в отдельности необходим очищенный сжатый воздух. Загрязнители типа пыли, окалины, ржавчины, а также такие жидкостные составляющие, как конденсат и компрессорные масла, резко снижают показатели безотказности элементов пневматических систем, приводят к нарушению технологических процессов. Вследствие загрязнения сжатого воздуха износ конструкций увеличивается в 2 — 7 раз, а число их выходов из строя по этой же причине составляет до 80% общего числа отказов.
Очистка сжатого воздуха от различных включений — сложная задача, эффективное решение которой достигается путем квалифицированного выбора, размещения и эксплуатации очистных устройств на всех основных участках пневматической сети: на компрессорной станции, в магистральных трубопроводах и непосредственно у потребителя.
Твердые загрязнители. Для очистки воздуха от механических включений применяют фильтры. Концентрация, дисперсный состав и природа твердых загрязнителей сжатого воздуха зависят не только от режимов эксплуатации и обслуживания трубопроводов и пневматических устройств, но и от загрязненности воздушного бассейна в зоне всасывания компрессора. Поэтому очистку воздуха необходимо предусматривать уже на этой стадии. Обязательность установки фильтра на линии всасывания обусловлена также требованием безопасности работы самого компрессора. Как правило, приемный фильтр имеет корпус 1, в котором располагается собственно фильтрующий элемент 2, выполненный в виде сменного стакана (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Приемный (всасывающий) фильтр
Условное графическое обозначение фильтра на принципиальных пневматических схемах и его изображение на линии всасывания компрессора представлены на рис. 3.16, а и рис. 3.16, б соответственно.
В качестве материалов для фильтрующих элементов применяют бумагу, фетр, поролон, целлюлозную вату, пористую керамику, металлокерамику, металлические сетки и др. Размеры частиц, задерживаемых фильтром, зависят от геометрических размеров ячеек фильтрующего материала и колеблются в зависимости от предъявляемых к сжатому воздуху требований: максимальный размер составляет 80 мкм и более, минимальный — 0.5 мкм.
Основное количество твердых загрязняющих веществ попадает в сжатый воздух при передаче его по трубопроводам и соединениям. Эти загрязнители на 95 — 98% состоят из ржавчины и окалины, а также из продуктов
3. Энергообеспечивающая подсистема
износа поршневых колец компрессоров и подвижных деталей пневмоаппаратов. При нарушении технологии изготовления и монтажа трубопроводов в них попадают частицы уплотняющих материалов и промышленная пыль. На трубопроводах, находящихся под давлением, устанавливают напорные фильтры (рис. 3.17, а).
Рис. 3.17. Фильтры: а) напорный; б) коалесцентный; в) фильтр-глушитель
П змимо традиционной фильтрации для очистки воздуха в таких фильтрах используют силы инерции. По-: -: у скорость движения воздуха в трубопроводах достигает 40 м/с, то резкое изменение траектории потока в • орпусе фильтра приводит к выбросу из него частиц загрязнителей, обладающих большей инертностью.
Масло. Наиболее сложно при очистке сжатого воздуха удалить из потока компрессорное масло, содержащееся в виде аэрозоля с частицаим размером от 0,01 до 1 мкм. Из-за малого размера эти частицы нельзя отделить от потока воздуха путем использования сил инерции. Их эффективное удаление обеспечивают филь-трь -юнтактного действия, или коалесцентные (рис. 3.17, б).
Проходя через первый, мелкопористый, слой фильтроэлемента 3 например через боросиликатное волокно, -астицы масла соединяются в более крупные капли (явление коалесценции). Расширение сжатого воздуха во втором, грубоволокнистом, слое фильтроэлемента 2 и на выходе приводит к значительному снижению скорости потока, и капельки масла под действием собственного веса опускаются на дно стакана 1 фильтра, в котором размещен кран 4 для периодического отвода водомасляного конденсата. Такие фильтры обеспечивают улавливание не менее 99,99% частиц аэрозолей.
В некоторых отраслях промышленности, например пищевой, фармацевтической, химической и электронной, недопустимо наличие аэрозолей в отработанном воздухе, т. к. это приводит к ухудшению качества продукции или вообще делает невозможным осуществление технологического процесса. В таких случаях применяют специальные устройства — фильтры-глушители (рис. 3.17, в). Конструктивно они сложнее обычных, имеют большие габариты, поэтому их устанавливают на общем для всей пневмосистемы выхлопном трубопроводе. Условное графическое обозначение фильтра-глушителя на пневматических схемах приведено на рис. 3.18.
Рис. 3.18. Условное графическое обозначение фильтра-глушителя
33
3. Энергообеспечивающая подсистема
Вода. Температура воздуха в процессе его сжатия в компрессоре повышается на 100 — 130°С, и одновременно значительно снижается относительная влажность. При относительной влажности всасываемого воздуха 80% сжатый воздух на выходе из компрессора имеет ее значение 6 — 10%. Вследствие теплообмена с окружающей средой воздух при движении по трубопроводам охлаждается, происходит его перенасыщение водяными парами и выделение капельной влаги (конденсата). Для очистки сжатого воздуха от капельной влаги и твердых частиц применяют фильтры-влагоотделители. Конструктивное исполнение и условное графическое обозначение фильтра-влагоотделителя показаны на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Фильтр-влагоотделитель
Сжатый воздух, подведенный к входному каналу в корпусе 1, попадает на крыльчатку 2, где ему придает: -нисходящее вращательное движение. Капли воды и масла, а также крупные твердые частицы под действие / центробежных сил отбрасываются к стенкам стакана 3 и опускаются вниз, в отделенную заслонкой 5 спокойную зону. Далее воздух поступает на выход аппарата. При этом в фильтроэлементе 4 удерживаются более мелкие включения, содержащиеся в воздухе. Для предотвращения попадания загрязнителей, удаляемых в результате действия центробежных сил, фильтроэлемент защищен дефлектором 7. Прозрачность материала стакана позволяет следить за количеством конденсата, который должен периодически отводиться через управляемый вручную клапан 6. Уровень конденсата не должен подниматься выше заслонки, т. к. в этом случае конденсат начнет подхватываться воздушным потоком, поступающим на фильтроэлемент, что приведет к быстрому его засорению
Поскольку при засорении фильтров возрастает сопротивление движению воздуха, то фильтроэлементъ заменяют, либо восстанавливают их пропускную способность. Очищать фильтроэлементы можно следующими способами: пропусканием сжатого воздуха в направлении, противоположном направлению движения воздуха при работе фильтра; промывкой в растворителях; ультразвуковой очисткой. Для регенерации фильтров из пористой керамики и металлокерамики можно использовать растворы различных кислот с последующей промывкой и нейтрализацией, Восстановлению не подлежат бумажные, тканевые, волокнистые и т. п. фильтроэлементы.
В процессе эксплуатации на внутренних поверхностях фильтров-влагоотделителей осаждается водомасля-ная эмульсия, что может привести к нарушению их нормальной работы. Промывать устройства следует с помощью растворов, не разрушающих уплотнения и поверхности деталей (бензин, спирт, уайт-спирит, теплый мыльный раствор).
34
3. Энергообеспечивающая подсистема
^Лпгры-влагоотделители следует монтировать в пневмосистемах только в вертикальном положе-- . вправление движения потока сжатого воздуха через устройство указывается стрелкой на корпусе.
Д я упрощения процесса эксплуатации фильтров-влагоотделителей применяют автоматические устройства : гвзда конденсата поплавкового типа — автоматические конденсатоотводчики. Их выполняют в виде отдель-«ьсх г^/опособлений, которые в зависимости от конструктивного исполнения либо подсоединяют ко дну стака-в ор /льтра-влагоотделителя снаружи, либо размещают непосредственно в стакане (рис. 3.20).
3
4
5
6
Рис. 3.20. Автоматический конденсатоотводчик
В исходном положении (давление в стакане отсутствует) подпружиненный поршень 4 со сливным клапаном € - а штоке находится в своем нижнем положении, канал слива 5 открыт. При подаче сжатого воздуха в стакан : шень 4 под действием давления, оказываемого на его нижнюю площадку, перемещается вверх, сжимая : * ину 3, и канал 5 перекрывается. Когда количество конденсата достигнет такого уровня, при котором вытал-с^ающая сила преодолевает вес поплавка 2, последний всплывает, открывая воздушный клапан управления 1 " :эшнем 4, в результате чего давление начинает действовать и на верхнюю площадку поршня. Из-за разно-сгм размеров нижней и верхней площадок поршень 4 опускается, открывая канал для слива конденсата 5. При понижении уровня конденсата поплавок 2 опускается, и управляющий клапан 1 перекрывает доступ сжатого эоздуха в полость над поршнем. Слив конденсата будет продолжаться до тех пор, пока давление сжатого эоздуха в этой полости, сообщающейся с полостью стакана через дроссельное отверстие 7 в поршне 4, не ’-снизится до значения меньшего, чем давление в стакане, после чего поршень 4 переместится в верхнее по поженив и сливной канал 5 перекроется.
Условное графическое обозначение фильтра-влагоотделителя, снабженного автоматическим конденсато-"сдчиком, представлено на рис. 3.21.
Рис. 3.21. Условное графическое изображение фильтра-влагоотделителя с автоматическим отводом конденсата
35
3. Энергообеспечивающая подсистема
Эффективная работа очистных устройств для очистки сжатого воздуха возможна только в определенном диапазоне расходов, указанном в руководстве по эксплуатации.
С целью снижения вероятности образования конденсата в пневмолиниях источник сжатого воздуха снабжают устройствами охлаждения и осушки, которые устанавливают непосредственно за компрессором. Как правило, сжатый воздух, нагнетаемый компрессором, поступает в теплообменник, где охлаждается до 25 — 40°С, что приводит к конденсации части влаги. В некоторых производствах необходим горячий воздух, для получения которого применяют подогреватели.
Условные графические обозначения теплообменника и подогревателя с естественным охлаждением и обогревом соответственно представлены на рис. 3.22.
Рис. 3.22. Условные графические обозначения: а) охладителя; б) подогревателя
Стрелки на условных графических обозначениях указывают на отвод (охладитель) и подвод (подогреватель) теплоты к воздушной магистрали.
В зависимости от требований к степени осушки воздуха для конкретных потребителей применяют различные устройства осушки (рис. 3.23):
• рефрижераторные;
• абсорбционные;
• адсорбционные.
Рис. 3.23. Устройства осушки сжатого воздуха
Получить сжатый воздух с точкой росы 2 — 7°С позволяют рефрижераторные установки (рис. 3.23, а). Воздух пропускают через резервуар с охлаждающим радиатором, по которому циркулирует хладагент (фреон, аммиак и т. п.). Осушка воздуха осуществляется посредством принудительной конденсации влаги на радиаторе. Конденсат, собираемый в нижней части установки, должен периодически удаляться из нее путем присоединения к дренажной системе.
В абсорбционных осушителях (рис. 3.23, б) воздух поступает снизу в резервуар, заполненный специальным абсорбирующим (поглощающим, химически связывающим влагу) веществом — флюсом, и выходит из верхней части резервуара. Соединение флюса и воды в желеобразном состоянии стекает в нижнюю часть установки и регулярно должно удаляться из нее. Со временем флюс расходуется, и его приходится заменять новым. Это
36
3. Энергообеспечивающая подсистема
приводит к неудобствам в обслуживании и является недостатком подобного технического решения. Тем не менее способ абсорбционной осушки характеризуется простотой установки, небольшим механическим износом, отсутствием расхода внешней энергии. После абсорбционной осушки точка росы сжатого воздуха понижается до —10°С.
При необходимости более глубокой осушки сжатого воздуха применяют адсорбционные осушители (рис. 3.23, в), позволяющие снизить точку росы до —70°С. В качестве осушающих веществ в них используют адсорбенты — вещества, осаждающие влагу на своей поверхности (активированный уголь, активный оксид алюминия — алюмогель, силикагель и т. д.). Адсорбенты способны восстанавливать свои влагопоглощающие свойства после регенерации, заключающейся в их принудительной осушке, например с помощью теплого воздуха. В состав установки входят два параллельно установленных адсорбера. Система кранов на трубопроводах позволяет подключать установку таким образом, что в то время когда один адсорбер работает в режиме осушки воздуха, другой -зкодится в режиме регенерации.
Выпускают адсорбционные осушители различной производительности, позволяющие удовлетворить потреб-- ш в сухом сжатом воздухе как целого предприятия (рис. 3.24,а), так и отдельного цеха (рис. 3.24, б) или < -- сетной технологической установки (рис. 3.24, в).
эис. 3.24. Адсорбционные установки
Режимы работы адсорберов переключаются автоматически с периодичностью, определяемой параметрами конкретной установки. При нормальных условиях эксплуатации сушильный агент необходимо заменять каж-2-е 2 — 3 года.
Условное графическое обозначение устройств осушки показано на рис. 3.25.
Рис. 3.25. Условное графическое обозначение воздухоосушителя
3.4 Ресиверы
Выравнивание колебаний давления в сети при расходовании сжатого воздуха и создание резервного запаса воздуха осуществляются путем использования специальных емкостей (воздухосборников) — ресиверов (рис. 3.26). Объем ресивера выбирают в зависимости от режима работы компрессорной установки, и вели--.•на его должна составлять не менее половины объема воздуха, всасываемого компрессором в течение одной минуты.
37
3. Энергообеспечивающая подсистема
Отбор сжатого воздуха из ресивера в систему осуществляют из верхней его части, т. к. в нижней со временем скапливается конденсат, для отвода которого применяют устройства автоматического или ручного слива. Ресиверы больших объемов снабжают люками для периодической очистки внутренних поверхностей от загрязнений.
Аккумулирование энергии сжатого воздуха в ресивере позволяет периодически отключать компрессор от пневмосети (переводить в режим разгрузки), либо вообще временно его выключать. Обычно это делается автоматически, когда давление в ресивере достигает значения, на которое настроен установленный на нем электрический датчик давления. Как только давление падает ниже предельного значения, датчик выдает сигнал на подключение (включение) компрессора. Таким образом, компрессор работает под нагрузкой не постоянно, а периодически, по мере того как расходуется сжатый воздух в пневмосети.
Поскольку ресивер является емкостью, находящейся под давлением, то с целью обеспечения безопасности эксплуатации его снабжают предохранительным пневмоклапаном, предназначенным для автоматического сброса сжатого воздуха в атмосферу при повышении давления сверх установленного значения (рис. 3.27).
Предохранительный пневмоклапан представляет собой пружинную полноподъемную конструкцию, обеспечивающую высокую пропускную способность клапана при его открытии.
В нормальном состоянии запорно-регулирующий элемент (ЗРЭ) — тарельчатый клапан 2 — прижат к седлу 1 пружиной 3, силу сжатия которой настраивают посредством специально предусмотренной гайки 4. При повышении давления под клапаном сверх значения, определяемого настройкой пружины, тарельчатый клапан отходит от седла, обеспечивая свободный выход воздуха вплоть до того момента, когда давление упадет ниже номинального значения срабатывания клапана, после чего последний закрывается. Исправность клапана можно проверить продувкой, используя кольцо 5 для принудительного его открытия.
38
3. Энергообеспечивающая подсистема
Функциональное назначение и принцип действия предохранительного пневмоклапана прекрасно отображе--ы в его условном графическом обозначении. Так как чтение принципиальных схем пневматических систем любой сложности базируется на понимании смысла, вложенного в каждый символ, остановимся подробнее на .словном графическом обозначении предохранительного пневмоклапана (рис. 3.28).
Питание
(подвод давления)
Внутренний канал управления ЗРЭ
Регулируемая пружина
Выхлоп
(сброс в атмосферу)
Запорно-регулирующий элемент (ЗРЭ)
Рис. 3.28. Условное графическое обозначение регулируемого предохранительного клапана
Изображение квадрата с расположенной внутри него линией со стрелкой обозначает, что положение запорно-зегулирующего элемента аппарата зависит от параметров погока сжатого воздуха, например давления. Стрелка показывает направление движения потока. Линия со стрелкой (ЗРЭ) не соединяет на условном графическом " значении линию питания с выхлопом (обозначен треугольником), и это говорит о том, что в нормальном со-’□янии аппарат закрыт, т. е. сжатый воздух, подводимый к аппарату, не проходит через него. Следует обратить внимание на то, что рассматриваемая линия со стрелкой на конце сдвинута на условном графическом обозначе-- ли относительно оси «питание — выхлоп» вниз, в сторону действия пружины (в реальном клапане запорно-: -аудирующий элемент прижат к седлу пружиной). Чтобы эта линия «соединила» линию питания с выхлопом, ей в обходимо «преодолеть силу сжатия пружины» (что и происходит с запорно-регулирующим элементом в реаль-юм клапане). Сжатый воздух под давлением, значение которого обеспечивает данное перемещение, «подводится к стрелке» (к запорно-регулирующему элементу в реальном клапане) от линии питания по «каналу управле-- -яз, наличие которого указывает на то, что аппарат реагирует на значение входного давления (реагирует на "азление «перед собой»).
На практике часто применяют предохранительные клапаны, в конструкции которых не заложена возмож--: рть регулировки силы предварительного сжатия пружины. В таких случаях символ, обозначающий пружину, з :бражают без пересекающей его стрелки (рис. 3.29).
Линия со стрелкой может не иметь перпендикулярного к ней отрезка в своей начальной точке (рис.3.29, б); •’S' отрезок (рис.3.29, а) обозначает, что запорно-регулирующий элемент при своем движении всегда связан с 12-алом питания.
Параметры находящегося в ресивере сжатого воздуха (температуру и давление) контролируют установлен---.’ли на нем термометром и манометром. Условные графические обозначения этих устройств представлены -а рис. 3.30.
Рис. 3.30. Условное графическое обозначение: а — термометра, б - манометра
39
Э. ЭнергооЬеспечиеающая подсистема
Существуют разнообразные конструктивные решения устройств контроля давления, но наиболее часто применяют стрелочные манометры, чувствительным элементом которых служит тонкостенная упругая трубка (трубка Бурдона) (рис. 3.31).
в
Рис. 3.31. Стрелочный манометр с трубкой Бурдона
Через специальный штуцер, подсоединенный к контролируемой точке пневмосистемы, в трубку подается сжатый воздух. Под действием оказываемого им давления трубка распрямляется (рис. 3.31, а), поворачив?: через тягу и зубчатый сектор находящееся в зацеплении с последним зубчатое колесо, жестко связанное сс стрелкой, которая, в свою очередь, перемещается относительно шкалы с рисками, соответствующими опреде ленным значениям давления в трубке (рис. 3.31, б, в).
Входящие в состав пневмопривода манометры должны иметь красную черту, нанесенную поверх деления соответствующего максимально допустимому рабочему давлению. Манометр устанавливают так, чтобы егс показания были отчетливо видны обслуживающему персоналу, при этом желательным является вертикально расположение плоскости шкалы.
Варианты размещения устройств очистки и осушки сжатого воздуха формируются на основе требовани/ • нему со стороны конкретных потребителей. Примеры схем рациональной установки этих устройств в пневмосе^ с нецентрализованной (а) и централизованной (б) осушкой представлены на рис. 3.32.
{> Потребитель 1
Потребитель 2
О Потребитель 3
Рис. 3.32. Варианты схем размещения устройств очистки и осушки в пневмосистемах
Группа пневматических устройств, условные графические обозначения которых на схеме охватываются замкнутой штрихпунктирной линией, составляет единый функциональный блок. На приведенных схемах такик блоком является компрессорная станция.
40
3. Энергообеспечивающая подсистема
На принципиальных пневматических схемах машин и установок, работающих от заводской сети сжатого воздуха, развернутое изображение источника питания не приводят, а используют условное графическое обозначение в виде незакрашенного треугольника (О^) или окружности с точкой в центре (Q-).
\ 3.5. Трубопроводы. Соединения трубопроводов
В связи с повышением уровня автоматизации технологических процессов на базе пневматических приводов на предприятиях все более возрастает потребность в сжатом воздухе. Каждой машине, каждому устройству требуется определенное количество сжатого воздуха и они снабжаются им от компрессорной установки через сегь трубопроводов.
Трубопроводы. Выбор типа и материала трубопровода зависит от рабочего давления, температуры и агрессивности окружающей и рабочей сред, вида соединений труб, условий монтажа, массы и стоимости труб. При этом трубопроводы могут быть гибкими и жесткими.
Диаметры трубопроводов должны быть такими, чтобы потери давления сжатого воздуха на пути от источника до потребителя не превышала 100 кПа (1 бар). Выбирают диаметры трубопроводов на основе требуемых значений расхода воздуха под определенным давлением, длин трубопроводов, давления в ресивере, числа и характера местных сопротивлений. Расчет диаметров трубопроводов — трудоемкий процесс, не всегда дающий правильные результаты, поэтому на практике удобнее пользоваться номограммами, полученными экспериментальным путем (см. приложение II.2).
При монтаже трубопроводов должны обеспечиваться не только прочность и плотность соединений, надежность крепления на опорах, но и возможность удаления из них влаги и осуществления продувки и промывки. С этой целью в трубопроводах предусматривают контрольные участки, которые представляют собой отрезки труб длиной не менее 250 мм с фланцами на торцах (в качестве контрольных участков можно использовать и трубопроводную арматуру фланцевого исполнения). Контрольные участки целесообразно располагать в местах наиболее вероятного скопления масляных отложений и на труднопромываемых участках (вертикальных и с местным снижением скорости движения воздуха). При этом первый такой участок должен располагаться у компрессора, второй — на расстоянии 5 — 7 м от компрессора, а последующие — в10 — 15м один от другого.
Трубопроводы между соединяемыми устройствами следует прокладывать по кратчайшим расстояниям, с минимальным числом перегибов и пересечении. При прокладке металлических трубопроводов необходимо учитывать возможные температурные изменения длин проводок, обусловленные перепадами температур рабочей и окружающей сред (для стальных труб при Д£>30°С, для медных при Д/>20°С). Основным конструктивным элементом, самокомпенсирующим темпеоатурные изменения длин трубных проводок, является поворот труб.
Во избежание обводнения (накопления воды) и засорения магистральные трубопроводы следует прокладывать с уклоном 1 — 3° в направлении движения воздуха. Отводы от магистрального трубопровода рекомендуется располагать сверху, так как это в значительной мере снижает вероятность попадания к потребителю образующегося в трубопроводе конденсата (рис. 3.33).
Рис. 3.33. Схема прокладки трубопроводов
41
3. Энергообеспечивающая подсистема
Чтобы все потребители сжатого воздуха снабжались равномерно, магистральные трубопроводы закольцовывают. Это уменьшает потери энергии, а также позволяет ремонтировать отдельные участки трубопроводов, не отключая всей системы. Необходимо избегать образования впадин, так как это приводит к накоплению воды, масла и грязи. Если же по технологическим причинам выполнить это требование не удается, то в наиболее низких местах следует устанавливать специальные устройства для улавливания и удаления загрязнителей.
При прокладке трубопроводов больших диаметров используют трубы из углеродистой стали, которые необходимо предохранять от коррозии путем нанесения цинкового, медного или другого покрытия. Не требуется наносить специальные антикоррозионные покрытия на трубы из цветных металлов. Трубы из меди, медных и алюминиевых сплавов характеризуются достаточно высокой гибкостью, удобны для прокладки на короткие расстояния при наличии сложных изгибов и в случае необходимости подгонки при монтаже. Перечисленные преимущества наиболее ощутимы, если диаметр трубы не превышает 25 мм.
Необходимость в гибких трубопроводах возникает в тех случаях, когда требуется подводить сжатый воздух к расположенье на различных машинах и механизмах пневматическим устройствам, для которых характерно наличие относительных перемещений. Преимущества гибких трубопроводов (шлангов) из синтетических материалов (полихлорвинила, полиамида, полиуретана и др.) заключаются в высокой антикоррозионной стойкости, удобстве и простоте монтажа, а также в более низкой стоимости по сравнению с металлическими трубами. При монтаже шлангов необходимо учитывать, что они могут работать только на изгиб, а работа на кручение для них недопустима. Примеры правильного и неправильного монтажа шлангов представлены на рис. 3.34 (неправильные варианты перечеркнуты).
Рис. 3.34. Монтаж гибких трубопроводов (шлангов)
Шланги монтируют таким образом, чтобы их участки вблизи арматуры не подвергались изгибу, не терлись один о другой и о детали конструкции при работе пневмопривода.
Часть масла, попадающего в сжатый воздух, оседает на стенках воздухопроводов. При этом из нагретого масла испаряются летучие компоненты, в результате чего образуется слой коксообразных отложений — нагар. Применяют два способа очистки трубопроводов от нагара: 1) промывка водой и продувка сжатым воздухом; 2) химическая очистка.
Промывку и продувку проводят при скоростях воды и воздуха 15.— 20 м/с. После завершения промывки трубопровод продувают сжатым воздухом как минимум в течение 10 минут.
Химическая очистка трубопроводов является более эффективным способом и заключается в промывке труб растворами синтетических поверхностно-активных моющих средств (ОП-7, ОП-Ю, технический сульфанол и др.)
Условные графические обозначения трубопроводов приведены на рис. 3.35.
42
3. Энергообеспечивающая подсистема
Линии всасывания, нагнетания, выхлопа. Линии управления, дренажа, отвода конденсата. Соединение трубопроводов.
Гибкий трубопровод (шланг). Пересечение трубопроводов без соединения.
Рис. 3.35. Условные графические обозначения трубопроводов
На монтажных, а иногда и на принципиальных пневматических схемах рядом с условным графическим тсозначенем трубопроводов проставляют буквенно-цифровые обозначения, которые служат для указания диаметра и материала конкретного участка трубы.
Соединения трубопроводов. Для объединения отдельных труб в трубопроводы и подключения к ним пнев-атических устройств и аппаратов используют различные неразъемные и разъемные соединения.
Неразъемные соединения применяют преимущественно в магистральных трубопроводах, не подлежащих демонтажу. Выполняют их с помощью сварки (для стальных труб) или пайки (для труб из цветных металлов), что значительно снижает массу трубопровода по сравнению с вариантом использования разъемных соедине--яй.
Для стыковки трубопроводов друг с другом и с элементами пневматических систем служат концевые и : змежуточные соединения. Для труб с внутренним диаметром до 40 мм применяют резьбовые соединения, для труб большего диаметра — фланцевые.
Фланцевые соединения просты в изготовлении и для монтажа, не имеют ограничении по значениям диамет-: 2В соединяемых труб и числу операций монтажа-демонтажа. Для жесткой связи с трубой применяют плоские z иварные фланцы (рис. 3.36, а), а если при монтаже необходим разворот фланцев или труб, то используют -зкидные фланцы, надеваемые на трубу с приваренным к ней ниппелем (рис. 3.36, б).
Рис. 3.36. Фланцевые соединения трубопроводов
Герметизация места соединения обеспечивается с помощью уплотнительного кольца, устанавливаемого в р зточке на торце фланца или ниппеля, либо с помощью паронитовых, резиновых или картонных прокладок, вторые деформируются при затяжке. При применении сварки или уплотняющих прокладок необходимо пре- .смотреть меры, направленные на то, чтобы не допустить попадание загрязнителей в трубопроводы при мон-таже соединений.
В каталогах элементов промышленной пневмоавтоматики, в разделе «Соединения», приводится множе-ство конструктивных решений резьбовых соединений. Широкий спектр вариантов связан с применением раз--лчных материалов труб, разных способов сочленения труб с деталями соединения, с требованием обеспече-- *я подвижности или неподвижности соединения, с необходимостью осуществления перехода от одного диа-зтра трубы к другому, соединения с внешней либо внутренней резьбой и т. д.
43
3. Энергообеспечивающая подсистема
Для тонкостенных металлических труб наиболее широко применяют соединения с развальцовкой трубы (рис. 3.37, а) и с врезающимся кольцом (рис. 3.37, б), допускающие многократный монтаж-демонтаж (до 15 — 20 раз) без нарушения герметичности.
Рис. 3.37. Соединения тонкостенных металлических труб
Соединение для развальцованной трубы (рис. 3.37, а) состоит из штуцера 2 с присоединительной цилиндрической или конической резьбой 1, ниппеля 4 и накидной гайки 3. Трубу с предварительно надетым на нее ниппелем развальцовывают в виде раструба, надеваемого на коническую часть штуцера. Ниппель с трубой и штуцер стягиваются вместе с помощью накидной гайки, при этом в месте сопряжения образутся плотное соединение и обеспечивается требуемая герметичность.
Соединение с врезающимся кольцом (рис. 3.37, б) не требует применения специального инструмента и предварительной разделки конца трубы. Оно также включает штуцер и накидную гайку, между которыми располагается кольцо, упирающееся своими коническими поверхностями в соответствующие конические расточки в штуцере и гайке. При завинчивании гайки кольцо, деформируясь, врезается в поверхность трубы, что препятствует ее выскальзыванию и обеспечивает необходимую герметичность соединения. При использовании таких соединений предъявляют повышенные требования к точности геометрических размеров и качеству наружной поверхности трубы.
Для предотвращения утечек по присоединительной резьбе соединений используют резиновые и пластмассовые кольца. Без этих колец можно обойтись, если применяется коническая резьба либо цилиндрическая с тефлоновым покрытием или со вставками из полимерных материалов.
Способ монтажа гибких трубопроводов зависит от их размеров, давления и условий эксплуатации в каждом конкретном случае. Для надежного присоединения эластичных труб применяют в основном два конструктивных решения: 1) соединение с фигурным наконечником штуцера и накидной гайкой (рис. 3.38, а); 2) быстроразъемные соединения с цанговым зажимом (рис. 3.38, б).
а
Рис. 3.38. Соединения для гибких трубопроводов
В первом случае герметичность соединения обеспечивается защемлением шланга между утолщением наконечника штуцера и накидной гайкой; во втором — уплотнительным кольцом, охватывающим шланг по наружному диаметру. Если при монтаже соединения с накидной гайкой требуются некоторые временные затраты, то в быстроразъемном соединении с цанговым зажимом монтаж сводится к простому вводу шланга в зажим. Демонтаж такого соединения осуществляется при нажатии на свободный торец цанги. Соединения с цанговым зажимом имеют, как правило, меньшие поперечные размеры, т. к. в них отсутствуют внешние поверхности под гаечный ключ, а часть канала выполнена с внутренним шестигранником под соответствующий ключ.
Применение рассмотренных выше прямых соединений приводит к резкому перегибу шланга в случае, когда он подводится к плоскости присоединения под малым углом. Избежать этого и сэкономить монтажное
44
3. Энергообеспечивающая подсистема
пространство можно путем использования угловых соединений — L-образных (рис. 3.39, а) или тройников рис. 3.39, б).
Рис. 3.39. Угловые соединения для гибких трубопроводов
Если для удобства прокладки гибких трубопроводов выход соединения должен быть ориентирован в про-:анстве определенным образом, применяют конструкции, в которые обеспечена возможность проворачива-одной части соединения относительно другой (рис. 3.39, а). Чтобы предотвратить утечки воздуха между :£вижными частями соединения, устанавливают уплотнительное резиновое кольцо.
Для удобной разводки нескольких разнонаправленных трубопроводов от одной точки присоединения ис-~€~ьзуют многосекционные разводные коллекторы (рис. 3.40).
-ис. 3.40. Многосекционный разводной коллектор
Количество секций коллектора выбирают в зависимости от числа соединяемых трубопроводов. Секции стя--иеают между собой через уплотнения пустотелым болтом, который, по существу, является присоединитель-элементом. Предусмотрена возможность проворота секций относительно оси болта, что позволяет отбеги 'ь трубопроводы в нужных направлениях без перегибов.
3 тех случаях, когда необходимо разъединить трубопровод без потери герметизации в подводящей его час-и применяют быстроразъемные муфты (рис. 3.41).
Рис. 3.41. Быстроразъемная муфта
45
3. Энергообеспечивающая подсистема
В подводящую часть такой муфты — розетку 1 — вмонтирован обратный клапан 2, который не позволяет вытекать воздуху, если муфта находится в разъединенном состоянии. Обратный клапан принудительно открывается штекером 7 (ответной частью муфты) при вводе последнего в розетку 1. Соединение «розетка — штекер» надежно удерживается в замкнутом состоянии посредством шариков 3, запертых в проточке штекера 6 подпружиненной фиксирующей втулкой 5. Разъединение муфты осуществляется путем сдвига фиксирующей втулки 5 в сторону подводящей части трубопровода. При этом шарики 3 получают возможность радиального перемещения в проточке 4 и не удерживают штекер 7, который вследствие этого выталкивается из розетки пружиной обратного клапана 2.
Если при демонтаже трубопровода необходимо сохранить его герметичность с обеих сторон соединения, то применяют муфты, у которых обратные клапаны вмонтированы и в розетку, и в штекер. При замыкании такой муфты обратные клапаны отжимают друг друга, соединяя тем самым трубопроводы.
Для компактной коммутации большого числа шлангов диаметрами 1,5 — 4 мм применяют многоканальные соединения. Обычно эти соединения, используемые как выходы из шкафов управления, объединяют в себе от 5 до 32 разъемов (рис. 3.42).
Рис. 3.42. Многоканальное разъемное соединение
В одном многоканальном соединении могут быть установлены штекеры и розетки под трубопроводы, имеющие различные диаметры и находящиеся под разным давлением.
На монтажных схемах применяют следующие условные графические обозначения типа соединения трубопроводов (рис. 3.43).
Место присоединения: несоединенное соединенное Штуцерное резьбовое соединение
Общее обозначение разъемного соединения Быстроразъемное соединение без запорного элемента: соединенное несоединенное ——
« Z
1 я.
Фланцевое соединение Быстроразъемное соединение с запорным элементом: соединенное несоединенное -смэ-
Рис. 3.43. Условные графические обозначения соединений трубопроводов
46
3. Энергообеспечивающая подсистема
3.6. Блоки подготовки воздуха
Несмотря на принимаемые меры по централизованной очистке и осушке сжатого воздуха в магистральных трубопроводах, сохраняется вероятность попадания загрязнителей различного происхождения в воздух, поступающий непосредственно к потребителю Для обеспечения стабильного уровня давления и окончательной подготовки сжатого воздуха непосредственно у потребителя устанавливают ряд устройств кондиционирования, объединенных в блоки или выполненных в виде моноблоков. Эти устройства называются блоками подготовки воздуха. В зависимости от конструктивного исполнения пневмоэлементов, входящих в конкретный пневмопривод, состав и количество устройств, составляющих блок подготовки воздуха, могут быть различными^ Рассмотрим его базовые элементы.
Фильтр-влагоотделитель. Конструкция, принцип действия и условное графическое обозначение фильтра-влагоотделителя рассматривались нами в предыдущем разделе. Напомним, что это устройство предназначено для удаления из сжатого воздуха механических включении (грязь, окалина, ржавчина) и конденсата.
Выбор фильтра-влагоотделителя для каждого конкретного привода осуществляется путем подбора устройства с требуемыми характеристиками по промышленным каталогам. Каталоги различных фирм-производителей могут отличаться по своей информативности, но все они, как правило, содержат следующие параметры:
• номинальный расход;
• диапазон рабочих давлений;
• диапазон рабочих температур;
• тонкость фильтрации;
• объем емкости для сбора конденсата;
• габаритные и присоединительные размеры;
• материалы конструктивных элементов.
Обозначение фильтра-влагоотделителя без автоматического отвода конденсата
Обозначение фильтра-влагоот делителя с автоматическим отводом конденсата
Нормальная работа фильтра-влагоотделителя гарантируется только в определенном диапазоне темпера-~ ур и расходов воздуха, а степень фильтрации зависит от размера ячеек сменного фильтроэлемента. Заме--а стандартного фильтроэлемента на фильтр тонкой очистки приводит к снижению расхода воздуха, прохолящего через аппарат. Типы материалов, используемых в конструкции, приводятся в каталогах с той целью, чтобы можно было правильно подобрать устройство для работы в конкретных условиях, а также выбрать ~ющие средства для очистки фильтра-влагоотделителя, необходимость в которой возникает по мере его ?-сллуатации.
На практике желательно применять фильтры-влагоотделители с автоматическим отводом конденсата, кото-: ? э не допускают обводнения пневмосистемы и не требуют затрат рабочего времени на открытие и закрытие : "ивных кранов. Очевидно, что ручные устройства более просты и надежны, однако применять их следует тсмда, когда мала опасность накопления конденсата сверх допустимого уровня, а сброс воздуха в атмосферу
. ществляют не чаще одного раза в смену. При отсутствии дренажной системы рекомендуется отводить кон-денсат в специальные емкости или колодцы и периодически удалять его оттуда.
Редукционный клапан. Давление сжатого воздуха в заводской сети не находится на строго заданном уров-- а колеблется в определенном диапазоне, что обусловлено рядом факторов: режимом работы компрессор-- : станции, запасом воздуха в ресивере, числом подключенных потребителей. Практический опыт показыва-ет: наиболее эффективно пневматические системы функционируют при стабильных уровнях давления сжатого “зздуха 0,6 МПа в исполнительной части системы и 0,3 — 0.4 МПа — в управляющей. Указанные параметры -этого воздуха обеспечиваются редукционными пневмоклапанами, которые понижают рабочее давление и :одерживают заданный его уровень на выходе вне зависимости от колебаний давления в системе подачи воздуха перед клапаном и от изменения расхода воздуха за клапаном (у потребителя).
Установка в системе нескольких редукционных клапанов позволяет независимым образом поддерживать различные уровни давления в отдельных ее частях.
47
3. Энергообеспечивающая подсистема
Применяемые в пневмоприводах редукционные клапаны различают по следующим основным признакам:
• способ настройки выходного давления (механическая или пневматическая настройка);
• возможность сброса избыточного выходного давления (с клапаном сброса или без него).
Рассмотрим конструкцию и принцип действия редукционного клапана с ручной настройкой и без сброса избыточного выходного давления (рис. 3.44, а).
а б
Рис. 3.44. Редукционные клапаны: а) двухлинейный; б) трехлинейный
Давление на выходе редукционного клапана регулируется путем создания перепада давления на седельном клапане 7 (между входным и выходным каналами). Проходное сечение клапана 7 автоматически меняется в зависимости от положения мембраны 4, которая с одной стороны воспринимает усилие, создаваемое нагрузочной пружиной 3, а с другой — усилие, обусловленное выходным давлением.
В исходном положении (давление на выходе отсутствует) седельный клапан 7 под действием усилия от нагрузочной пружины 3, передаваемого через мембрану 4 и толкатель 5, открыт, благодаря чему сжатый воздух проходит со входа на выход аппарата.
При повышении давления на выходе мембрана выгибается, сжимая регулировочную пружину 3; проходное сечение седельного клапана 7 уменьшается, и при достижении требуемого давления происходит полное его закрытие.
Возрастание расхода сжатого воздуха у потребителя сопровождается понижением выходного давления, в результате чего нагрузочная пружина разжимается, вызывая прогиб мембраны и увеличение проходного сечения клапана, что приводит, в свою очередь, к увеличению расхода воздуха через редукционный клапан и повышению давления на его выходе.
Таким образом, седельный клапан, управляемый мембраной, автоматически «отслеживает» выходное давление путем непрерывной корректировки своего проходного сечения. Нормальная работа редукционного клапана возможна только в том случае, если давление на входе клапана больше давления на выходе.
48
3. Энергообеспечивающая подсистема
Рассмотренную конструкцию называют двухлинейной (рис. 3.44, а),' т. к. к клапану подходят две линии: линия входа (высокое давление в магистрали) и линия выхода (давление у потребителя, пониженное до необходимого уровня). Условное графическое обозначение двухлинейного редукционного клапана отражает принцип его функционирования: редукционный клапан нормально открыт и «отслеживает» давление «за собой».
Настраивают клапан на определенное значение выходного давления, измененяя степень поджатия нагрузочной пружины 3 путем поворота регулировочного винта 2. Для этого рукоятку 1 переводят в верхнее положение и тем самым выводят ее из шлицевого зацепления с корпусом. После настройки рукоятку возвращают в прежнее положение. Давление настройки редукционного клапана контролируется манометром, подключенным к выходному каналу через отверстие 6.
Трехлинейный редукционный клапан (рис. 3.44, б) отличается по конструкции от двухлинейного только тем, что в центральной части мембраны выполнен дополнительный канал 9, корпус которого образует в совокупности с толкателем клапан сброса. Функционирует трехлинейный клапан аналогично двухлинейному. Отличие заключается в том, что при повышении давления на выходе сверх давления настройки мембранный узел перемещается вверх до тех пор, пока не откроется клапан сброса. В результате часть сжатого воздуха (избыточное давление) через клапан сброса и отверстие 8 в верхней части корпуса выводится в атмосферу и давление на выходе редукционного клапана снижается до величины, определяемой настройкой нагрузочной пружины. Можно сказать, что в описанном случае редукционный клапан работает в режиме предохранительного клапана.
Дополнительные функциональные возможности трехлинейного клапана по сравнению с двухлинейным отлажены в его условном графическом обозначении. Двусторонняя стрелка указывает на то, что сжатый воздух • *эжет протекать через клапан в обоих направлениях, причем в обратном направлении — через дополнительный канал выхлопа (третья линия).
Итак, в блок подготовки воздуха должны входить как минимум фильтр-влагоотделитель и редукционный • гапан, установленные последовательно. Часто эти два устройства монтируют в одном корпусе, что приводит м .меньшению габаритных размеров и дает ощутимые преимущества в эксплуатации. Такой моноблок называ-- фильтр — редукционный пневмоклапан или фильтр-регулятор (рис. 3.45).
Рис. 3.45. Фильтр-регулятор
49
3. Энергообеспечивающая подсистема
Маслораспылитель. Если подвижные части пневмоцилиндров, пневмомоторов или иных пневматических устройств нуждаются в постоянной внешней смазке, то к трущимся поверхностям наиболее просто подавать смазывающий материал с потоком поступающего в них воздуха. Устройства, обеспечивающие ввод масла в поток воздуха, называют маслораспылителями. Устанавливают их, как правило, в блоке подготовки воздуха за фильтром-влагоотделителем и редукционным клапаном.
Чтобы масло переносилось потоком сжатого воздуха по трубопроводам на значительные расстояния, его вводят в виде аэрозоля. Маслораспылители делят по особенностям функционирования и качеству получаемого таким способом масляного тумана на два типа: однократного и двукратного распыления (рис. 3.46).
В маслораспылителях однократного распыления (рис. 3.46, а) поток сжатого воздуха направляется с входа аппарата непосредственно на выход. Часть воздуха через обратный клапан 3 попадает в стакан 4 и начинает вытеснять масло по маслозаборной трубке 5 в смотровой колпачок-капельницу 1, через который осуществляется визуальный контроль за подачей масла. Расход регулируется винтом 2, вращение которого сопровождается изменением проходного сечения маслоподающего канала. По эжектирующей трубке 6 происходит подсос масла из колпачка 1 в основной поток, при попадании в который оно распыляется. Поскольку основная часть распыленного масла смачивает внутреннюю поверхность трубопровода, то на расстоянии 1,5 — 2 м от масло-распылителя начинается образование тонкой масляной пленки, которая перемещается по направлению движения потока воздуха. В связи с этим маслораспылители однократного распыления рекомендуется устанавливать непосредственно перед смазываемым пневмоаппаратом или выше него, чтобы масло могло поступать самотеком.
Рис. 3.46. Маслораспылители: а) однократного распыления; б) двукратного распыления
При необходимости транспортировки масла на расстояния до 30 м применяют маслораспылители двукратного распыления (рис. 3.46, б). В этих устройствах распыленное масло не подается сразу на выход, а поступает в стакан, из которого в выходной канал попадают только частицы масла размером менее 3 мкм. Обычно такие маслораспылители применяются в сложных пневмоприводах с большим числом пневмоустройств.
В каталогах элементов промышленной пневмоавтоматики приводятся следующие данные по маслораспы-лителям:
• номинальный расход;
• диапазон рабочих давлений;
• объем масла или емкости для масла;
• габаритные и присоединительные размеры;
• материалы конструктивных элементов.
Марки и количество вносимых смазочных материалов должны указываться в руководстве по эксплуатации для конкретного пневматического устройства. Если такая информация отсутствует, рекомендуется заправлять
50
3. Энергообеспечивающая подсистема
/аслораспылители минеральными маслами, вязкость которых не превышает 35 мм2/с (сСт) при температуре 50°С (см. приложение 1.4); при этом расход масла должен составлять 1 — 10 капель на 1 м3 сжатого воздуха.
Запрещается заправлять в маслораспылители компрессорные масла!
Для удобства обслуживания маслораспылители устанавливают последовательно с фильтрами-влагоотде-п -елями и редукционными пневмоклапанами и объединяют в единые функциональные блоки — блоки подго-хэвки воздуха (рис. 3.47).
Рис. 3.47. Блоки подготовки воздуха
3 зависимости от того, состоит ли блок подготовки воздуха из отдельных устройств, или выполнен в виде :блока, его условные графические обозначения на принципиальных пневмосхемах будут несколько разли-> ='^оя (рис. 3.48).
а б в
- *с. 3.48. Условные графические обозначения блоков подготовки воздуха
На рис. 3.48, а показано обозначение блока подготовки воздуха, состоящего из отдельных устройств. На х аипиальной пневмосхеме каждому их них присваивают свой номер для внесения в спецификацию. На рво. 3.48, б показано развернутое обозначение блока подготовки воздуха, выполненного в виде моноблока, а не рис. 3.48, в — его упрощенное обозначение.
Для пневмоприводов, эксплуатируемых в тяжелых условиях и с высокой цикличностью работы при жестких хе: ваниях к надежности, применяют более сложные системы смазки с регенерацией и циркуляцией масла. Е 'аких случаях используют фильтры-маслоотделители, которые устанавливают на общей линии сброса отработавшего сжатого воздуха (линии выхлопа). Отделенное от воздуха масло с помощью специальных насосов =-овь подается в маслораспылители, что позволяет снизить его расход в 8 — 10 раз.
Хотя тем или иным способом можно решить проблему подачи внешней смазки к пневмоустройствам, удоб--ее и выгоднее применять аппаратуру, способную работать на воздухе, не содержащем масла.
51
3. Энергообеспечивающая подсистема
Для нормального функционирования подобных устройств в течение всего их жизненного цикла достаточно внести в них консистентную смазку при сборке. Такое техническое решение стало возможным благодаря применению новых материалов с низким коэффициентом трения для изготовления корпусных и подвижных деталей, а также специальных полимеров (витон, пербунан) для уплотнений. Пневмоприводы, в которых используют упомянутые аппараты, имеют ряд существенных преимуществ: не требуются специальные смазывающие устройства; окружающая среда не загрязняется парами минеральных масел, попадающими в нее при сбросе отработавшего сжатого воздуха; эксплуатация и обслуживание не вызывают затруднений. Использовать сжатый воздух с распыленным маслом в этих пневмоприводах не рекомендуется, поскольку в таком случае будет происходить вымывание консистентной смазки. После работы на воздухе, содержащем масло, эксплуатация таких устройств на сухом воздухе не допускается!
Если некоторые элементы пневмопривода нуждаются во внешней смазке (чаще всего это исполнительные механизмы), а некоторые — не нуждаются (например, аппараты системы управления), то в блок подготовки воздуха встраивают модуль отвода, который располагают перед маслораспылителем (рис. 3.49).
Рис. 3.49. Блок подготовки воздуха с модулем отвода
Подведем некоторые итоги.
Блок подготовки сжатого воздуха — это совокупность устройств кондиционирования воздуха, которые должны располагаться на каждой автономной машине или на каждом механизме в составе сложного технологического оборудования, потребляющего сжатый воздух. Пневмопривод конкретной машины начинается собственно с блока подготовки сжатого воздуха. Поскольку правильная подготовка сжатого воздуха представляет собой необходимое условие надежного функционирования и долговечности пневматических систем, важным требованием является технически грамотная эксплуатация и обслуживание блоков подготовки воздуха.
Напомним основные правила:
• блоки подготовки сжатого воздуха должны располагаться вертикально (±5°);
• при отсутствии автоматического конденсатоотводчика недопустимо, чтобы уровень конденсата в фильтре-влагоотделителе превышал допустимую норму;
• давление настройки редукционного клапана не должно превышать требуемый уровень рабочего давления пневмопривода;
• в маслораспылители следует заправлять те масла, которые подходят для смазки пневмоустройств;
• необходимо периодически промывать внутренние поверхности устройств от накапливающихся отложений.
52
4. Исполнительная подсистема
4. Исполнительная подсистема
Воздействие системы автоматического управления (САУ) непосредственно на какой-либо технологический объект осуществляется исполнительными механизмами, которые и составляют исполнительную подсистему САУ (см. рис. 1.4). Энергия давления сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию исполнительных механизмов при воздействии воздуха на их рабочие органы, которыми могут служить поршень, лопатка или ембрана. Очевидно, что при этом усилие, развиваемое исполнительным механизмом, пропорционально дав-"ению в нем, а скорость движения выходного звена определяется расходом сжатого воздуха.'Таким образом, * волнительные механизмы осуществляют необходимые технологические операции, обеспечивая требуемые слпия и скорости.
Широкая гамма конструктивных решений исполнительных механизмов дает возможность осуществлять множество разнообразных операций в различных технологических процессах. Фиксация и зажим, тиснение и ~_ессование деталей, их перемещение и ориентировка в пространстве обеспечиваются соответствующими слолнительными механизмами, которые могут выполнять следующие виды движения:
• линейное (возвратно-поступательное);
• поворотное (в ограниченном угловом диапазоне);
• ваащательное.
По реализуемому виду движения исполнительные механизмы подразделяются на три основных типа:
• линейные пневмодвигатели — пневматические цилиндры;
• поворотные пневмодвигатели;
• '"невмодвигатели вращательного действия — пневматические моторы.
В отдельную группу можно выделить специальные пневматические исполнительные механизмы, такие как - умные захваты, цанговые зажимы и т. п.
Все перечисленные типы исполнительных механизмов и каждая из существующих конструкций определен--в : типа имеют свои преимущества и недостатки, а следовательно, все они характеризуются некоторой пред-’: -’ительной областью применения.
Исполнительный механизм выбирают исходя из его соответствия определенному набору критериев, как то:
• вид движения — вращательное, поворотное или линейное;
• направление движения — реверсивное или нереверсивное;
- развиваемая скорость вращения (угловая) или перемещения (линейная);
• раздаваемый момент или усилие;
• ' ргономические показатели.
4.1. Пневматические цилиндры
Среди множества исполнительных механизмов пневматические цилиндры (пневмоцилиндры) выделяются )зазнообразием конструкций и широким диапазоном основных параметров:
• р:иаметр поршня: 2,5 — 320,0 мм;
• рабочий ход: 1 — 2000 мм (в бесштоковых конструкциях до 10 м);
• развиваемое усилие: 2 — 50000 Н;
• скорость движения выходного звена: 0,02 — 1,50 м/с.
Пневмоцилиндры различаются также по таким показателям, как значения допустимых давления и на-‘р узки, наличие или отсутствие специальных элементов конструкции. Разработаны и выпускаются пневмо-«илиндры для особых случаев эксплуатации: с увеличенной коррозионной стойкостью; жаропрочные — z тя работы в условиях высокой температуры (200°С и выше); для работы в системах с давлением рабочей :оеды до 2 МПа; с усиленным штоком — для большей устойчивости; с повышенной защитой от агрессив-- ых сред (с применением пластиковых покрытий и специальных сталей) и др.
53
4. Исполнительная подсистема
По функциональным возможностям пневмоцилиндры подразделяют на два базовых типа:
• пневмоцилиндры одностороннего действия: подача сжатого воздуха в них осуществляется для выполнения рабочего хода в одном направлении;
• пневмоцилиндры двустороннего действия: полезная работа совершается ими как при прямом, так и при обратном ходе поршня. *
4.1.1. Пневмоцилиндры одностороннего действия
Пневмоцилиндры одностороннего действия применяют в различного рода выталкивателях и отсекателях, в зажимных, маркировочных и других подобных устройствах. Рабочий ход в таких пневмоцилиндрах осуществляется под действием сжатого воздуха, а в исходную позицию выходное звено возвращается встроенной пружиной либо от внешней нагрузки (рис. 4.1).
1 23 456 789
Рис. 4.1. Пневмоцилиндр одностороннего действия
В рассматриваемой конструкции гильза пневмоцилиндра 5 (цилиндрический корпус) с обеих сторон закрыта крышками 1 и 8, причем в задней крышке 1 выполнено отверстие для подвода сжатого воздуха, а передняя крышка 8 имеет декомпрессионное отверстие с вмонтированным фильтроэлементом 7. Поршень 2 делит внутреннее пространство гильзы на две полости: штоковую, в которой находится жестко связанный с ним шток 4, и поршневую. Полости разграничены герметичным уплотнением 3 (например, манжетой), расположенным в кольцевой проточке на наружной цилиндрической поверхности поршня. Передняя (проходная) крышка 8 снабжена направляющей втулкой 9, которая является опорой скольжения штока, передающего усилие от поршня на внешний объект. Возвратная пружина 6 смонтирована внутри цилиндра и охватывает шток.
Рабочий ход пневмоцилиндра (полезная работа) выполняется при подаче сжатого воздуха в поршневую полость; обратный ход происходит под действием встроенной пружины, что обусловливает меньшее потребление воздуха по сравнению с пневмоцилиндрами двустороннего действия аналогичных размеров. Кроме того, пневмоцилиндры одностороннего действия несколько проще по конструктивному исполнению, т. к. в них не требуется полная герметизация штоковой полости, постоянно связанной с атмосферой, а отсутствие дополнительных уплотнений снижает потери на трение.
Область применения пневмоцилиндров одностороннего действия ограничена недостатками, присущими данной конструкции:
• рабочее усилие снижено вследствие противодействия пружины (примерно на 10%);
• малое усилие при обратном ходе (примерно 10% рабочего);
• ограниченное перемещено штока (максимум 100 мм);
• увеличенные продольные габариты (прибавляется длина сжатой пружины).
4. Исполнительная подсистема
Таким образом, пневмоцилиндры одностороннего действия широко применяют в тех случаях, когда требуется передача усилия только в одном направлении, а возврат происходит беспрепятственно (т. е. при отсутствии противодействующей нагрузки), а также тогда, когда из соображений безопасности должно обеспечиваться втянутое положение штока при отключении питания (падении давления сжатого воздуха в пневмосети).
Несмотря на простое устройство пневмоцилиндров одностороннего действия, существует большое количество их конструктивных исполнений, например мембранные пневмоцилиндры (рис. 4.2).
—
Рис. 4.2. Мембранные пневмоцилиндры одностороннего действия
Принцип функционирования мембранного пневмоцилиндра (рис. 4.2, а) аналогичен вышеописанному прин-_ работы поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия. Конструктивные отличия заключаются в том, что подвижной поршень заменен жестко защемленной упругой мембраной 1, изготовленной из резины, :орезиненной ткани или пластика. Благодаря большой площади мембраны такие пневмоцилиндры развива-< .силия до 25000 Н, но при этом ход штока 2 ограничен. В связи с особенностями конструкции мембранные --евмоцилиндры характеризуются существенно меньшими продольными габаритами и простотой монтажа; : - • недороги, и в них отсутствуют подвижные уплотнения.
Мембранный пневмоцилиндр одностороннего действия, показанный на рис. 4.2, б, предназначен для зажима сталей с целью их последующей механической обработки. В таком пневмоцилиндре отсутствует шток, а усилие передается непосредственно через мембрану 1, рабочий ход которой составляет 1 — 5 мм.
На принципиальных пневматических схемах пневмоцилиндры одностороннего действия, вне зависимости от
z-кретного конструктивного исполнения, обозначаются символами, приведенными на рис. 4.3 .
Dnc. 4.3. Условные графические обозначения пневмоцилиндров одностороннего действия
На рис. 4.3, а показано условное графическое обозначение пневмоцилиндра одностороннего действия, в ко-• эом рабочий ход осуществляется при выдвигании штока, а на рис. 4.3, б — при его втягивании.
гнал выхлопа на графическом обозначении цилиндра может быть не показан.
55
4. Исполнительная подсистема
4.1.2. Пневмоцилиндры двустороннего действия
Пневмоцилиндры двустороннего действия применяют в тех случаях, когда требуется передавать рабочее усилие при линейных перемещениях в обоих направлениях, например при транспортировании, сортировании, установке, механической обработке, подъеме и опускании и других технологических операциях.
Принципиальное отличие пневмоцилиндров двустороннего действия от рассмотренных выше пневмоцилиндров одностороннего действия заключается в том, что в них как прямой, так и обратный ходы поршня осуществляются под действием сжатого воздуха при попеременной его подаче в одну из полостей, в то время как другая соединена с атмосферой (рис. 4.4).
--------------------Г
Рис. 4.4. Пневмоцилиндр двустороннего действия
Очевидно, что перемещение штока в любом направлении является рабочим и может осуществляться под нагрузкой. При обратном ходе поршня штоковая полость находится под избыточным давлением, что связано с необходимостью установки дополнительных уплотнений на поршне и в передней крышке для предотвращения утечек сжатого воздуха по штоку.
Таким образом, в поршневых пневмоцилиндрах одностороннего и двустороннего действия практически все элементы, а также способы их крепления одинаковы.
Конструктивное исполнение пневмоцилиндров может быть различным в зависимости от их типоразмера и области применения. Так, наиболее распространенным способом крепления корпусных деталей пневмоцилиндров с диаметром поршня до 25 мм (редко — до 63 мм) является завальцовка гильзы в крышках (рис. 4.5, а Очевидная простота конструкции, обусловленная отсутствием крепежных элементов, оборачивается существенным недостатком — пневмоцилиндры не подлежат ремонту.
Если диаметр поршня свыше 32 мм, то традиционным способом крепления остается стягивание крышек и гильзы шпильками (рис. 4.5, б). Удобны в эксплуатации и фактически не имеют ограничений по диаметру поршня пневмоцилиндры, крышки которых присоединены болтами к цельнотянутой спрофилированной гильзе (рис. 4.5, в).
Рис. 4.5. Способы крепления крышек пневмоцилиндров
Технология производства цельнотянутых гильз-корпусов позволяет при необходимости выполнять в них каналы для подвода воздуха, пазы для датчиков положения поршня; придавать конфигурацию, удобную для монтажа и обслуживания.
56
4. Исполнительная подсистема
Пневмоцилиндры с демпфированием в конце хода
Одним из неоспоримых преимуществ пневмоцилиндров является высокая — до 1,5 м/с (а в ударных цилиндрах до 10 м/с) — скорость движения выходного звена. При достижении конечного положения, когда поршень «садится» на крышку, развиваются значительные ударные усилия, что сопровождается характерным стуком. Такие удары не только являются причиной возникновения шума, но и приводят к преждевременному износу и даже поломке элементов конструкции. Избежать преждевременного выхода из строя пневмоцилиндра можно путем установки на поршне эластичных (например, резиновых) демпферов (рис. 4.4). Однако такой способ демпфирования оказывается недостаточно эффективным, если имеют место значительные инерционные нагрузки.
В таких случаях применяют пневмоцилиндры двустороннего действия с воздушным демпфированием в онце хода (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Пневмоцилиндр двустороннего действия с демпфированием в конце хода
Расширение функциональных возможностей таких цилиндров достигается путем введения в традиционную а :-струкцию дополнительных элементов. По обе стороны поршня устанавливают втулки демпфера 2, а в крышках иилиндра — уплотнительные манжеты 1 и дроссели 5 с обратным клапаном 6. Сжатый воздух подводимый к □нлмндру, свободно поступает в соответствующую полость, в том числе и через встроенный обратный клапан б Поршень движется к удаленной от него в этот момент крышке с максимальной скоростью до тех пор, пока вт лка демпфера 2 не дойдет до уплотнительных манжет 1. При этом происходит «запирание» некоторого бъема отводимого из цилиндра воздуха в полости, которая только что была соединена с атмосферой. Теперь вс из этой полости может вытесняться в атмосферу лишь через отверстие малого диаметра в дросселе 5, - пичину проходного сечения которого можно изменять. Между крышкой и поршнем образуется «воздушная чсдушка». При дальнейшем движении поршня воздух в запертом объеме начинает сжиматься, давление воз-стает, что приводит к торможению поршня, степень которого тем больше, чем меньше проходное сечение дро :зеля. В конечном итоге поршень упирается в крышку без удара, мягко.
При изменении направления движения сжатый воздух свободно поступает под поршень через обратный <лапан 6, составляющий вместе с дросселем 5 единый узел, что обеспечивает быстрое трогание цилиндра с места.
При очень больших инерционных нагрузках или высоких скоростях движения поршня дополнительно уста--звливают внешние гидравлические амортизаторы.
Справедливости ради следует отметить, что пневмоцилиндр, показанный на рис. 4.6, существенно отлича-гся от рассмотренных выше конструкций тем, что в нем помимо установленных регулируемых демпферов вмонтирован на поршне кольцевой постоянный магнит 3, магнитное поле которого распространяется за пределы гильзы и может регистрироваться с помощью специальных датчиков. Таким образом обеспечивается воз-жность контроля определенных функционально важных положений выходного звена пневмоцилиндра.
57
4. Исполнительная подсистема
Для защиты штока от внешних загрязнителей в проходной (передней) крышке практически всех пневмоцилиндров устанавливают грязесъемное кольцо 4.
Наличие в пневмоцилиндре регулируемых демпфирующих устройств отображается в условном графическом обозначении стилизованным изображением втулок демпферов, пересеченных стрелкой, а наличие постоянного магнита — жирной линией на изображении поршня.
Описанная конструкция пневмоцилиндров благодаря своей простоте и функциональным возможностям является наиболее распространенной, и ее можно назвать типовой или даже традиционной. Большинство существующих пневмоцилиндров двустороннего действия выпускается именно в таком исполнении и применяется для решения широкого круга технических задач.
Однако пневмоцилиндрам двустороннего действия присущ и ряд недостатков, ограничивающих область их применения:
• усилия при прямом и обратном ходах поршня различны вследствие неодинаковости его площадей в штоковой и поршневой полостях;
• шток расположен консольно, причем размер консоли различен во втянутом и выдвинутом положении;
• шток хорошо воспринимает только осевую нагрузку, тогда как радиальную — плохо.
Пневмоцилиндры с проходным штоком
В пневмоцилиндрах с проходным, или двусторонним, штоком (рис. 4.7) обе рабочие полости штоковые, а площади поршня равны с обеих сторон. Шток опирается не на одну опору в крышке, как в ранее рассмотренных конструкциях, а на две — в каждой из крышек.
Рис. 4.7. Пневмоцилиндр с проходным штоком
Подобная конструкция имеет ряд преимуществ:
• возможность осуществления рабочих перемещений со стороны обоих торцов пневмоцилиндра;
• нагрузка на шток воспринимается двумя опорами, что увеличивает срок службы пневмоцилиндра;
• равенство площадей поршня в обеих рабочих полостях, что обеспечивает равные рабочие усилия при движении его в любом направлении.
К недостаткам пневмоцилиндров с проходным штоком относят увеличенный почти вдвое по сравнению с традиционной конструкцией продольный габарит пневмоцилиндра за счет увеличения длины штока.
Широко применяют пневмоцилиндры, в которых проходной шток выполнен полым, что позволяет использовать его как часть трубопровода, например при работе с краскопультами, пескоструйными устройствами, вакуумными захватами и другими рабочими органами, которые крепят к штоку.
4. Исполнительная подсистема
Тандем-пневмоцилиидрь/
В случаях, когда требуется получение значительных усилий, а поперечный размер монтажного пространства на технологическом оборудовании недостаточен для установки пневмоцилиндра соответствующего диаметра, применяют тандем-пневмоцилиндры (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Тандем-пневмоцилиндр
Тандем-пневмоцилиндр, или сдвоенный пневмоцилиндр, — это, по существу, два пневмоцилиндра двусто-ссннего действия, объединенные в одном корпусе и имеющие общий шток. По сравнению с традиционными -евмоцилиндрами того же диаметра усилия, развиваемые тандем-пневмоцилиндрами, фактически в два раза 5слыие вследствие суммирования усилий, получаемых одновременно на двух поршнях.
Если необходимо увеличить развиваемое пневмоцилиндром толкающее усилие в три-четыре раза, приме-- --от секционные пневмоцилиндры, которые последовательно стыкуются между собой. Наличие в их корпусах 11 с ’ределительных каналов позволяет подводить сжатый воздух в полости всех пневмоцилиндров всего через zsa внешних подсоединения.
Очевидно, что продольный габарит тандем-пневмоцилиндров как минимум в два раза больше, чем традици-ых пневмоцилиндров. В конструкции, представленной на рис. 4.9, этот недостаток отсутствует.
Рис. 4.9. Компактный тандем-пневмоцилиндр
Е таком пневмоцилиндре развиваемое усилие увеличивается в два раза только при выдвижении штока-' .чжера 3, т. к. при этом сжатый воздух воздействует на один внешний 1 и один внутренний 2 его торцы. При -ивании же штока цилиндр развивает незначительные усилия.
4.1.3. Позиционирование пневмоцилиндров
традиционные конструкции пневмоцилиндров позволяют обеспечить две точки позиционирования связан-»ь * с ними технологических объектов. Эти две точки соответствуют положениям «шток втянут» и «шток выдви-- и ». Область эффективного применения пневмоцилиндров значительно расширяется, если реализуются ос-~е-ов и удержание их выходных звеньев в некоторых заданных промежуточных точках с допустимыми позици
59
4. Исполнительная подсистема
онными ошибками. В зависимости от предъявляемых требований — числа точек позиционирования выходного звена, частоты их смены (режима работы), необходимой точности отработки приводом заданного перемещения — используют пневматические механизмы различной структуры и с различными принципами управления движением выходного звена.
Многопозиционные пневмоцилиндры
Чтобы обеспечить некоторое ограниченное число точек позиционирования (более двух), например в сортировочных устройствах, применяют многопозиционные пневмоцилиндры, состоящие из двух или более пневмоцилиндров с различными рабочими ходами.
На рис. 4.10 представлены две конструкции многопозиционных пневмоцилиндров, одна из которых (рис. 4.10, а) обеспечивает три, а вторая (рис. 4.10, б) — четыре точки позиционирования.
Во время работы корпус четырехпозиционного пневмоцилиндра перемещается, следовательно, пневмоцилиндр должен быть укомплектован при монтаже подвижными соединениями для пневмошлангов.
Число точек позиционирования можно увеличить, если скомбинировать таким же образом не два, а большее число пневмоцилиндров. При этом следует учитывать, что подобные конструкции могут функционировать нестабильно, когда штоки разных цилиндров движутся в противоположных направлениях.
Пневмоцилиндры с фиксатором штока
Путем механического удержания штока посредством специальных устройств (рис. 4.11) можно получить фактически неограниченное число точек позиционирования.
Рис. 4.11. Пневмоцилиндр с фиксатором штока
60
4. Исполнительная подсистема
В представленной на рис. 4.11 конструкциии шток 6 удерживается разрезным тормозным башмаком 4, который обжимает его под действием встроенной пружины 1. Разблокировка штока 6 осуществляется при подаче :жатого воздуха в рабочую полость 5 фиксатора. При этом поршень 2, сжимая пружину 1, освобождает элементы конструкции 3, прижимающие тормозной башмак 4 к штоку 6. Фиксаторы позволяют надежно удерживать -ток пневмоцилиндра под нагрузкой даже при внезапном падении давления в пневмосети.
4.1.4. Бесштоковые пневмоцилиндры
Существует много технологических операций, где требуются значительные (до нескольких метров) переме-- -ия объектов, например при транспортировке. Применение пневмоцилиндров традиционного исполнения в эких случаях не только затруднительно, но зачастую и невозможно. Для обеспечения большого хода необхо-шток соответствующей длины, что обусловливает резкое увеличение продольного габарита пневмоцилин-кроме того, значительные размеры консольной части штока в выдвинутом положении могут стать причи-«</ потери устойчивости под нагрузкой.
Задачу осуществления значительных по величине перемещений можно было бы решить посредством теле-люпических цилиндров. Однако такие цилиндры, широко используемые в гидрофицированных мобильных и хгъемно-транспортных машинах и установках (например, для подъема кузовов грузовых автомобилей), не -ашли применения в пневмоприводах общепромышленного назначения.
По существу, шток является «лишней» деталью в цилиндре, и предназначен он для передачи усилия от • :шня к внешнему объекту. Бесштоковые конструкции, в которых усилие передается непосредственно от пор-иня. имеют очевидные преимущества, главное из которых заключается в как минимум двукратном уменьше-- - продольного габарита по сравнению с пневмоцилиндром традиционной конструкции с той же величиной tua (рис, 4.12).
Рис. 4.12. Сравнение габаритных размеров традиционных и бесштоковых пневмоцилиндров
На рис 4.12, а показано изменение продольного габарита пневмоцилиндра традиционного конструктивного олнения до и после совершения рабочего хода, а на рис. 4.12, б — то же самое для пневмоцилиндра бе штоковой конструкции. Очевидно, что преимущества бесштоковых пневмоцилиндров проявляются в значительной степени при больших величинах рабочего хода.
Пнеемоцилиндр с гибким штоком
Одним из конструктивных решений, позволяющих отказаться от штока в его традиционном значении, явля-ется пневмоцилиндр с гибким штоком (рис. 4.13).
61
4. Исполнительная подсистема
Рис. 4.13. Пневмоцилиндр с гибким штоком
Жесткий шток в данной конструкции заменен покрытым нейлоном металлическим тросом 3 (либо лентой из синтетического материала), охватывающим ролики 1, размещенные в крышках пневмоцилиндра. Внутри гильзы 4 цилиндра трос 3 жестко связан с поршнем 5, а снаружи — с кареткой 2, к которой и крепится перемещаемый объект. Однако такое техническое решение, несмотря на свою простоту, не получило широкого распространения.
Пневмоцилиндр с магнитной муфтой
В пневмоцилиндрах с магнитной муфтой (рис. 4.14) усилия, развиваемые поршнем, передаются на внешнюю каретку за счет сил магнитного взаимодействия.
Поршень 1 имеет набор кольцевых постоянных магнитов 2, которые взаимодействуют с кольцевыми магнитами 3, расположенными в каретке 4, охватывающей гильзу 5. Если гильза выполнена из немагнитного материала и является тонкостенной, то движение поршня (1-я полумуфта) сопровождается синхронным перемещением каретки (2-я полумуфта), к которой присоединен внешний объект (нагрузка).
По сравнению с конструкциями, в которых усилие с поршня на нагрузку передается механическим путем, в пневмоцилиндрах с магнитной муфтой при равных значениях диаметра цилиндра и давления питания развиваемое усилие приблизительно на 20% меньше. Кроме того, такие пневмоцилиндры чувствительны к случайным перегрузкам, которые могут привести к «разрыву» муфты.
Конечно, установив дополнительные магнитные кольца, можно увеличить сипу магнитного сцепления поршня с кареткой, однако в этом случае возрастает продольный габарит поршня и всей конструкции в целом.
Особенности конструктивного исполнения пневмоцилиндров с магнитной муфтой (нежесткая связь между поршнем и кареткой, эксцентричное положение нагрузки) накладывают ограничения на величины осевых и радиальных нагрузок и местонахождение точек их приложения, а также на допустимое соотношение скорости и массы перемещаемых объектов.
62
4. Исполнительная подсистема
Пнеемоцилиндр с ленточным уплотнением
В настоящее время наиболее широко распространены бесштоковые пневмоцилиндры, в которых усилие механически передается на нагрузку непосредственно поршнем (рис. 4.15).
-’/с. 4.15. Пневмоцилиндр с ленточным уплотнением
Mi
~лльза 2 пневмоцилиндра имеет сквозной продольный паз (по всей длине гильзы). Через этот паз поршень 3 (ыяханически связан с внешней кареткой 1 (т. е. поршень выполнен заодно с ней). С целью герметизации з ы паз с ее внутренней стороны закрыт металлической либо синтетической лентой 4, закрепленной в крыш-Чтобы пропустить поршень сквозь паз, часть ленты, расположенную между уплотнениями поршня, прово-через тело последнего под узкой частью. При работе пневмоцилиндра лента, неподвижная относительно •орпусных деталей, скользит в теле поршня, открывая паз в гильзе только в месте нахождения поршня.
- -- предотвратить попадание загрязнителей из окружающей среды внутрь гильзы 3, продольный паз закрыт : з-е^ней стороны защитной лентой 5, пропущенной через каретку 1.
~ри работе в условиях значительных радиальных нагрузок бесштоковые пневмоцилиндры с целью их раз-туз-/ снабжают специальными направляющими (рис. 4.16, а) или выполняют каретку таким образом, что она гаеоедает нагрузку на гильзу-корпус (рис. 4.16, б). Подобное конструктивное исполнение позволяет обеспечить высокую точность направления движения каретки, защиту присоединенного объекта от проворота и некоторое э: з2 2стание значения полезной нагрузки на привод.
Рис. 4.16. Бесштоковые пневмоцилиндры с направляющими
63
4. Исполнительная подсистема
4.1.5. Защита штока пневмоцилиндра от проворота
При возвратно-поступательном движении штока в стандартных пневмоцилиндрах имеет место некоторый его проворот относительно оси движения, что обусловлено наличием микронеровностей на поверхности самого штока, а также на направляющих и уплотнениях. В связи с этим непосредственно на штоке пневмоцилиндра нельзя закреплять инструмент (например, краскопульт), требующий строгой ориентации в пространстве. С целью устранения этого недостатка, особенно в тех случаях, когда к штоку прикладывается крутящий момент, применяют различные конструкции, в которых шток защищен от проворота (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Пневмоцилиндры с непроворачивающимся штоком --------------------------——------------------------------------------------------------
Крутящий момент в таких конструкциях может восприниматься: штоком (рис. 4.17 а, б); поршнем (рис. 4.1 в, г); направляющими (рис. 4.17 д, е).
При небольших значениях крутящих моментов могут использоваться конструкции с двумя штоками (рис. 4.17, а) либо с квадратным штоком (рис. 4.17, б). Более высокие значения крутящих моментов воспринимают пневмоцилиндры с овальным (рис. 4.17, в) или прямоугольным (рис. 4.17, г) поршнем. Кроме того, благодаря прямоугольному профилю гильзы такие цилиндры позволяют обеспечить высокую плотность монтажа. Если пневмоцилиндры работают в условиях значительных по величине крутящих моментов, их снабжают либо внешними направляющими (рис. 4.17, д), либо направляющими, выполненными в одном корпусе с гильзой (рис. 4.17, е).
64
4. Исполнительная подсистема
4.1.6. Монтаж пневмоцилиндров
Различные условия нагружения пневмоцилиндров обусловливают различные способы их монтажа на технологическом оборудовании. Поскольку способ монтажа существенно влияет на эксплуатационные показатели
пневмопривода и ведомого механизма, его необходимо выбирать таким образом, чтобы:
• на штоке не возникали радиальные нагрузки;
• шток не потерял устойчивость в полностью выдвинутом положении.
Производители пневмоцилиндров выпускают различные элементы крепежа для неподвижного и для под-s. ‘жного способов монтажа (рис. 4.18).
а б в г
Рис. 4.18. Способы монтажа пневмоцилиндров
В случаях неподвижного монтажа кроме варианта непосредственного крепления пневмоцилиндров на оборудовании применяют фланцы (рис. 4.18, а) и лапы (рис. 4.18, б). Для обеспечения подвижности пневмо-и.лпиндра во время работы используют цапфы (рис. 4.18, в), поворотные оси или проушины (рис. 4.18, г).
Соединения штока с ведомым механизмом также выполняют различными способами (рис. 4.19).
Рис. 4.19. Элементы соединений штоков пневмоцилиндров с ведомыми механизмами
Неподвижные соединения реализуются с помощью наружной (рис. 4.19, а) или внутренней резьбы на конце штока.
Несовпадение траекторий движения конца штока и монтажного звена ведомого механизма приводит к появлению радиальных усилий на штоке и, следовательно, к ускоренному износу гильзы, поршня, штока, направляющих втулок и уплотнений. Если при жестком способе крепления штока вследствие условий эксплуатации или особенностей конструктивного исполнения оборудования невозможно предотвратить возникновение радиальных нагрузок на шток, необходимо применять подвижные переходные крепежные элементы — вилкообразные головки (рис. 4.19, б), шарнирные наконечники — серьги (рис. 4.19, в) или соединительные муфты (рис. 4.19, г).
65
4. Исполнительная подсистема
Серьги, содержащие шаровой элемент, разрешают поворот оси присоединительного отверстия на несколько градусов, а муфты допускают также и радиальное смещение штока и ведомого механизма на несколько десятых долей миллиметра.
Следует иметь в виду, что предельно допустимые осевые нагрузки на шток зависят от способа монтажа. Хотя напряжения в штоке от чистого сжатия невелики, при больших рабочих ходах возможна потеря устойчивости вследствие продольного изгиба. Устойчивость штока проверяется по обобщенной формуле Эйлера (см. приложение 11.3).
При монтаже, кроме того что пневмоцилиндры должны быть правильно установлены на технологическом оборудовании, необходимо соблюсти меры, исключающие возможность повреждения цилиндров (в особенности штоков) и попадания загрязнителей в их внутренние полости. Места установки пневмоцилиндров должны быть доступны для обслуживания последних в процессе эксплуатации.
4.2. Поворотные пневматические двигатели
В технике существует довольно широкий круг задач, в которых требуется не линейное перемещение выходного звена исполнительного механизма, а поворот его на заданный угол. Угол поворота, как правило, ограничен, и значение его находится в диапазоне от 0 до 360 градусов. Для решения указанных задач применяют поворотные пневматические двигатели (пневмодвигатели), чаще всего поршневые или шиберные.
Поршневой поворотный пневмодвигатель с реечной передачей (рис. 4.20, а) выполняют на базе передачи «шестерня — рейка». Шестерня 3 устанавливается на выходном валу 4, входит в зацепление со штоком-рейкой 2, который жестко связан с поршнями 1 двух разнонаправленных цилиндров одностороннего действия.
Рис. 4.20. Поворотные пневмодвигатели
66
4. Исполнительная подсистема
При подаче сжатого воздуха в рабочую полость одного из пневмоцилиндров поршни вместе со штоком-рейкой совершают прямолинейное движение, которое посредством реечной передачи преобразуется во вращательное (в пределах одного оборота) движение вала. Вал связан с технологическим объектом, который необходимо повернуть на некоторый угол (например, с захватным устройством промышленного робота).
Очевидно, что поршневые пневмодвигатели можно выполнить таким образом, чтобы в конце рабочего хода происходило демпфирование, а поршни были снабжены магнитными вставками с целью обеспечения возможности бесконтактного опроса их положения. В некоторых конструкциях предусматривается также регулирование угла поворота.
Максимальный крутящий момент, развиваемый поршневыми поворотными пневмодвигателями, составляет 150 Нм (при диаметре поршней 100 мм).
Шиберный поворотный пневмодвигатель (рис. 4.20, б) устроен таким образом, что сжатый воздух воздействует на шибер 1 —жестко закрепленную на выходном валу 2 пластину, расположенную внутри цилиндрической расточки 3 в корпусе 4. Чтобы предотвратить перетекание воздуха из одной рабочей полости двигателя з другую пластину выполняют с резиновым либо пластмассовым покрытием. Угол поворота шибера зависит от размеров корпусного ограничителя 5 и в стандартных конструкциях составляет 90, 180 или 270 градусов. Для отановки произвольного угла поворота шиберные пневмодвигатели снабжают внешними передвижными упо-рами. Такого типа пневмодвигатели развивают крутящий момент до 250 Н м.
На принципиальных пневматических схемах поршневые и шиберные пневмодвигатели обозначаются одинаковыми символами (рис. 4.21).
а б
Рис. 4.21. Условное графическое обозначение поворотных пневмодвигателей: а — общее; б — с демпфированием в конце хода
Поскольку останов вращающейся массы без демпфирования или при наличии перегрузок создает опас-шстъ повреждения шестерни или лопасти, то, выбирая подходящий поворотный двигатель, очень важно пра-эильно учесть моменты инерции приводимых во вращательное движение технологических объектов. Значения их аолжны быть меньше указываемых в промышленных каталогах предельно допустимых значений для выб-: энного типоразмера пневмодвигателя.
4.3. Пневмодвигатели вращательного действия — пневмомоторы
“чевмодвигатели вращательного действия, или пневмомоторы, предназначены для преобразования потен-ьмальной энергии сжатого воздуха в механическую работу и обеспечивают неограниченное вращательное дви-• - - е выходного вала. Как и другие устройства, работающие на сжатом воздухе, пневмомоторы имеют ряд ^сеимуществ, которые во многих случаях делают их использование наиболее предпочтительным с экономист: эй и технической точек зрения по сравнению с другими типами двигателей. К этим преимуществам отно-
-ростота регулирования скорости вращения и крутящего момента;
• возможность полного торможения под нагрузкой без ущерба для конструкции и оабочих качеств пневмо-отора;
• отсутствие перегрева;
• большой ресурс работы;
• полная взрывобезопасность;
нечувствительность к неблагоприятным факторам внешней среды (пыль, влага и др.);
простота монтажа.
67
4. Исполнительная подсистема
Существует довольно много вариантов конструктивного исполнения пневмомоторов (рис. 4.22), однако не все они нашли широкое применение.
Пневматические моторы
Объемные
Турбинные
Поршневые
Радиально-поршневые
Аксиально-поршневые
Рис. 4.22. Классификация пневмомоторов
При эксплуатации пневмомоторов существенное значение имеет такой установившийся режим, при котором достигается максимальная производительность машины. Этому режиму соответствуют статические характеристики крутящего момента М, мощности N и общего КПД т/, определяемые теоретически или экспериментально при постоянной частоте вращения п (рис. 4.23).
Рис. 4.23. Основные рабочие характеристики пневмомоторов
Как видно на рис. 4.23 мощность пневмомотора достигает максимального значения N ния 77о^0,5лхх (где п ние М
Номинальной частотой вращения пневмомотора считают такое ее значение, при котором имеет место максимум КПД мотора. Для объемных двигателей общего назначения п = (0,30...0,35) п
Н X. X.
эх при частоте враще-
х х vrnJ.. х х — частота вращения при холостом ходе), крутящий момент имеет наибольшее значе-при частоте вращения, близкой к нулю.
4. Исполнительная подсистема
Наибольшая экономичность работы пневмомотора достигается именно при номинальной частоте вращения, а наибольшая техническая эффективность — при максимальной мощности.
В паспортных характеристиках пневмомоторов обычно указывают максимальную мощность и соответствующую ей частоту вращения при рабочем давлении сжатого воздуха, а также номинальную частоту вращения.
Рабочий процесс любого пневмомотора является обратным по отношению к рабочему процессу компрессора соответствующего типа. Если в компрессоре осуществляется процесс преобразования механической энергии вращательного движения приводного вала в потенциальную энергию сжатого воздуха на выходе, то в пневмомоторе, наоборот, энергия сжатого воздуха, поступающего на вход, преобразуется в механическую энергию вращения вала.
Шиберные пневмомоторы
Принципиальная конструктивная схема шиберного (пластинчатого) пневмомотора (рис. 4.24) практически -е отличается от ранее рассмотренной конструктивной схемы пластинчатого компрессора.
а б
Рис. 4.24. Шиберный пневмомотор
При подаче сжатого воздуха в рабочую камеру пневмомотора возникают силы, которые действуют на плас-тины 3, ограничивающие объем камеры. Вследствие эксцентричного расположения ротора 1 относительно статора 2 площади пластин различны, поэтому различаются по величине и действующие на них силы. В точке, “•осле прохождения которой объемы рабочих камер начинают уменьшаться, выполнено отверстие для сброса работавшего воздуха. От равнодействующей всех приложенных сил возникает крутящий момент, приводящий к повороту ротора, в процессе которого увеличиваются объемы части рабочих камер, благодаря чему : держащийся в этих камерах сжатый воздух расширяется. Совершаемая при этом работа расширения преобразуется в дополнительную механическую энергию вращения ротора.
От числа пластин шиберного пневмомотора зависят его коэффициент полезного действия (КПД), условия "уска и быстрота разгона (приемистость), а также равномерность вращения. Стандартные конструкции имеют 9 — 5 пластин, в специальных случаях их число увеличивают до 10. Выпускаются как реверсивные, так и --реверсивные пластинчатые пневмомоторы.
К недостаткам шиберных пневмомоторов относятся необходимость обильной смазки и невысокую герме-“ичность рабочих камер, что приводит к возникновению утечек, а следовательно, к снижению КПД. Диапазон мощностей пластинчатых пневмомоторов составляет 0,05 — 20 кВт, диапазон частот вращения — 30 — 20000 об/мин.
Часто в конструкцию пластинчатого пневмомотора входят дополнительные узлы: редуктор (обычно планетарный), обеспечивающий необходимую потребителю частоту вращения, и центробежный регулятор.-Последний позволяет ограничить частоту вращения на холостом ходу и обеспечить в определенных пределах ее остоянство при колебаниях нагрузки.
69
4. Исполнительная подсистема
А
Пластинчатые пневмомоторы широко применяют в пневматических инструментах, а также в разнообразных специальных устройствах и приспособлениях, работающих на сжатом воздухе.
Шестеренные пневмомоторы
В корпусе 3 шестеренного пневмомотора расположены две находящиеся в зацеплении шестерни 1 и 2 (зубчатые колеса), причем одна из них закреплена на выходном валу или выполнена заодно с ним, а другая свободно вращается на опорах, установленных в корпусе (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Шестеренный пневмомотор
Сжатый воздух, подаваемый в рабочую камеру, действует на боковые поверхности зубьев шестерен. Возникающие при этом силы, равные произведению давления сжатого воздуха на площадь боковой поверхности зуба, вызывают поворот шестерен, одна из которых вращается по часовой стрелке, а другая — в противоположном направлении. Шестерни могут иметь прямые, косые или шевронные зубья. В случае применения косозубых или шевронных шестерен объемы рабочих камер изменяются в процессе поворота, в связи с чем появляется возможность использовать работу расширения сжатого воздуха.
Максимальная номинальная мощность шестеренных пневмомоторов достигает 70 кВт (для моторов с шевронными шестернями — 330 кВт), номинальная частота вращения обычно не превышает 1000 — 3000 об/мин.
Область применения шестеренных пневмомоторов достаточно широка: угольная промышленность (приводы конвейеров, лебедок), химическая промышленность (приводы насосов), металлургия (приводы конвертеров, карусельных печей и другого оборудования), тяжелая промышленность (пусковые двигатели для дизелей) ит. д.
Пневмомоторы Рутса используют значительно реже, область их применения более узкая, поэтому в данном пособии они не рассматриваются.
Радиально-поршневые пневмомоторы
Радиально-поршневые пневмомоторы довольно сложны по конструктивному исполнению, тихоходны (20 — 700 об/мин), имеют большие габариты и массу по сравнению с другими типами двигателей. При этом они обеспечивают значительную величину крутящего момента, а следовательно, как нельзя лучше подходят в тех случаях, когда требуется преодолевать большие нагрузки. Обычно они имеют от 4 до 6 поршней, а диапазон мощностей составляет 1 — 20 кВт.
В поршневых пневмомоторах поршню за счет энергии давления сжатого воздуха сообщается поступательное движение, которое затем преобразуется механическим путем во вращательное движение выходного вала (рис. 4.26).
70
4. Исполнительная подсистема
Рис. 4.26. Радиально-поршневой пневмомотор
Сжатый воздух одновременно подается в две рабочие камеры пневмомотора, например 1 и 2, через крановый распределитель 5, установленный на выходном валу. При этом соответствующие поршни, перемещаясь к -ижней «мертвой точке», передают усилие на коленчатый вал через свои шатуны. После поворота вала, а вместе с ним и распределителя на некоторый угол сжатый воздух подается в рабочие камеры 2 и 3, а отработавший воздух из камер 4 и 1 сбрасывается в атмосферу также через крановый распределитель. Далее этот цикл повторяется.
Радиально-поршневые пневмомоторы применяют в больших подъемниках, в приводах различных транс-"сотных средств.
Турбинные пнеемомоторы
В турбинных пневмомоторах кинетическая энергия потока сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию вращения выходного вала.
Турбинные пневмомоторы позволяют получать очень высокие частоты вращения (80000 — 400000 об/мин) в входного вала и небольшие крутящие моменты на нем по сравнению со частотами и моментами, достигаемыми при использовании, например, поршневых пневмомоторов. Турбинные моторы применяют для высокоскоростного шлифования, а также в зубоврачебной технике в качестве элемента привода бормашины.
’чевмомоторы, вне зависимости от их конструктивного типа, обозначают на принципиальных пневматичес-схемах таким образом, как показано на рис. 4.27.
Пневмомоторы Нерегулируемые Регулируемые
Нереверсивные
Реверсивные
Рис. 4.27. Условное графическое обозначение пневмомоторов
4. Исполнительная подсистема
4.4. Специальные пневматические исполнительные устройства
Существует целый ряд пневматических исполнительных устройств, которые нельзя однозначно отнести к одному из ранее описанных типов, в связи с чем такие устройства называют специальными. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции.
4.4.1. Цанговые зажимы
Цанговые зажимы широко используют в автоматизированном станочном оборудовании для надежного зажатия и удержания тел вращения в процессе их обработки (рис. 4.28).
Рис. 4.28. Пневматический цанговый зажим
Цанговый зажим состоит из следующих основных деталей: цанги 1, обжимной втулки 2, кольцевого поршня 3 с пружинным возвратом, шариков 4 и корпуса 5.
При подаче сжатого воздуха в зажим поршень 3, сжимая возвратную пружину, перемещается влево и вдавливает шарики 4 в клиновой зазор между корпусом 5 и обжимной втулкой 2, которая, в свою очередь, смещается вправо, сжимая лепестки цанги 1 и осуществляя зажатие детали.
Для разжатия заготовки сжатый воздух из поршневой полости сбрасывают в атмосферу, при этом поршень возвращается в исходное положение, освобождая шарики. В результате цанга разжимается, смещая обжимную втулку в исходную позицию.
4.4.2. Пневматические захваты
Практически любой робот-манипулятор снабжен захватным устройством, предназначенным для того, чтобы захватить какой-либо объект, удерживать его при перемещении и ориентации в пространстве, после чего отпустить в нужной точке. На рис. 4.29 показана конструкция пневматического захвата с параллельным движением захватных пальцев.
72
4. Исполнительная подсистема
При подаче сжатого воздуха в поршневую полость пневмоцилиндра двустороннего действия шток выдвигается и через кулисный механизм разводит захватывающие пальцы (рис, 4.29; а). При обратном ходе поршня пальцы сводятся (рис. 4.29, б).
По конструктивному исполнению захваты подразделяются на параллельные (рис. 4.30, а), поворотные (рис. 4.30, б) и трехточечные (рис. 4.30, в).
Рис. 4.30. Пневматические захваты
Как правило, конструкции захватов реализуют удержание объекта как по внешним, так и по внутренним поверхностям, а их приводные поршни с целью обеспечения контроля срабатывания захвата снабжают постоянным магнитом.
4.4.3. Вакуумные захваты
В вакуумных захватах объект удерживается вследствие разрежения, создаваемого в полости между элас-/чным захватом (присоской) и поверхностью самого объекта (рис. 4.31, а), при этом для получения вакуума в захвате важно, чтобы последняя была достаточно гладкой и плотной.
Рис. 4.31. Вакуумный захват
В заводских сетях для создания вакуума используют вакуум-насосы. В этих условиях присоска вакуумного захвата должна управляться аппаратурой, способной работать сдавлениями ниже атмосферного.
73
4. Исполнительная подсистема
В случаях, когда необходимо обеспечить вакуум на конкретном участке технологического оборудования, применяют эжекторы (рис. 4.31, б), которые позволяют создавать вакуум в рабочем канале до -0,09 МПа (-0,9 бар) при давлении на входе 0,7 МПа (7 бар). Принцип действия эжектора заключается в понижении давления на тех участках трубопровода, где воздух движется с большими скоростями (в соответствии с уравнением Бернулли). При протекании по каналу 2 сжатый воздух эжектирует (вовлекает в поток) воздух из камеры 1, в результате чего в ней возникает разрежение.
Помимо типовых конструкций эжекторов (рис. 4.32, а) производители элементов промышленной пневмоавтоматики выпускают эжекторные головки с принудительным отталкиванием детали от присоски с помощью сжатого воздуха после завершения операции захвата (рис. 4.32, б), а также компактные эжекторы с электромагнитным управлением процессом захвата и отталкивания заготовки (рис. 4.32, в).
Рис. 4.32. Эжекторы
Очевидно, что усилие с которым объект удерживается в вакуумных захватах, зависит не только от глубины вакуума, но и от площади присоски (или суммарной площади нескольких присосок).
Для поддержания вакуума в системе при выходе из строя одного или даже нескольких вакуумных захватов применяют ограничители расхода сжатого воздуха — вакуумные клапаны (рис. 4.33).
Рис. 4.33. Вакуумный клапан
При повреждении присоски или ее контакте с неочищенной поверхностью захватываемого объекта подпружиненный запорный элемент 2 прижимается к седлу 1 клапана, образующимся воздушным потоком, тем самым резко ограничивая возможность попадания воздуха в вакуумную систему. В результате в систему через дроссельное отверстие запорного элемента 2 проникает только небольшая часть воздуха, благодаря чему вакуум в других захватах сохраняется.
В целях обеспечения надежного функционирования нескольких присосок, установленных на одной линии, каждая из них должна быть снабжена вакуумным клапаном.
74
5. Направляющая и регулирующая подсистема
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Функциональное назначение пневматических элементов, образующих направляющую и регулирующую подсистему пневмопривода, заключается в управлении энергией сжатого воздуха, поступающего от источника (компрессорной станции) к потребителю (исполнительным механизмам). Чтобы исполнительные механизмы совершили полезную работу в нужном месте и в требуемом объеме, следует обеспечить движение потока сжатого воздуха в соответствующем направлении и отрегулировать до необходимого уровня его параметры (давление и расход).
В направляющих и регулирующих устройствах воздействие на поток сжатого воздуха осуществляется посредством подвижных запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ). Назначение запорно-регулирующего элемента, вне зависимости от конструктивного исполнения, состоит в изменении величины проходного сечения канала, через который движется воздушный поток; при этом данное изменение может быть как дискретным (канал закрыт — канал открыт), так и плавно-непрерывным. Дискретный режим работы характерен для направляющей и запорной аппаратуры, а в регулирующей аппаратуре запорно-регулирующий элемент постоянно находится в «плавающем» режиме.
В зависимости от способа воздействия запорно-регулирующего элемента на поток сжатого воздуха практически все устройства, входящие в направляющую и регулирующую подсистему пневмоприводов, подразделяются на два больших класса: аппаратуру клапанного типа и аппаратуру золотникового типа (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Принцип действия аппаратов клапанного и золотникового типов
От типа конструктивного исполнения аппарата (клапанный или золотниковый) зависят характеристики процесса его переключения (усилие, длина хода ЗРЭ), степень герметичности, уровень требований к чистоте ра-среды и необходимость смазки.
Е аппаратуре клапанного типа запорно-регулирующий элемент перемещается вдоль осевой линии потока. И^г“>'^ства такого конструктивного решения очевидны: обеспечение полной герметичности при отсечении I -евмолинии от другой, пониженная чувствительность к воздействию загрязнителей, возможность рабо-W без смазки, а также высокое быстродействие (незначительное перемещение ЗРЭ приводит к существенно-* дс’лечению площади проходного сечения).
• -едостаткам аппаратуры клапанного типа можно отнести следующее: требуется приложение значитель-. силий для перемещения ЗРЭ, что связано с необходимостью преодоления сил, возникающих от давле-:: - этого воздуха на последний, или сил сопротивления пружин, прижимающих ЗРЭ к седлу клапана.
L Иногда такую аппаратуру называют аппаратурой седельного типа (в самом деле, термин «предохранитель-«ь • «дапан клапанного типа» звучит несколько странно).
Е аппаратуре золотникового типа ЗРЭ перемещается перпендикулярно осевой линии потока.
Е -сдобных аппаратах усилие, обусловленное давлением сжатого воздуха на ЗРЭ, не приводит к какому-МБс его смещению т.к. силы давления на торцы золотника уравновешены (золотник гидравлически разгру-К| Для перемещения ЗРЭ необходимо преодолеть только силы трения между ним и корпусом, что безусловен: -еяется неоспоримым достоинством такого конструктивного решения. При этом можно выделить следую-Вре его недостатки: 1) для полного открытия рабочего канала золотник необходимо переместить как минимум ше величину диаметра канала (на что требуется затратить определенное время); 2) гарантированный зазор ремд. золотником и расточкой корпуса является «узким» местом, если учитывать возможность засорения за-жс-е и заклинивания ЗРЭ.
75
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Вывод из всего вышеизложенного: для управления небольшими по величине расхода потоками сжатого воздуха следует использовать преимущественно аппаратуру клапанного типа, тогда как аппаратуру золотникового типа — для управления потоками воздуха с большим расходом. На практике активно применяют оба решения, причем зачастую они сочетаются в одной и той же конструкции.
Знакомство с устройствами направляющей и регулирующей подсистемы (или, другими словами, с элементами, входящими в блок управления энергией) начнем с пневматических распределителей — группы устройств, которые с полным правом можно назвать основными управляющими элементами любого пневмопривода.
5.1. Пневматические распределители
Пневматические распределители (пневмораспределители) относятся к направляющей аппаратуре и пред-назначены для управления потоками подводимого к ним сжатого воздуха. Управление осуществляется путем изменения (при переключении) схемы соединения внутренних каналов распределителя с входным и выходными присоединительными отверстиями. Функциональные возможности распределителей характеризуются рядом параметров, как то: количество рабочих каналов, количество позиций переключения, нормальная позиция (позиция «на складе»), способ управления и пропускная способность. Все эти параметры, за исключением последнего, отражаются в условном графическом обозначении любого распределителя.
Каждая позиция распределителя (возможная схема внутренних соединений) обозначается квадратом, в котором показаны пути потока сжатого воздуха (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Принцип формирования условного графического обозначения распределителен
___- _ - ~ ~ ~ _ I
В представленной модели простейшего распределителя подвижной запорный элемент может занимать две дискретные позиции, соответствующие двум состояниям пневмораспределителя: 1) «проход воздуха закрыт»; 2) «проход воздуха открыт». При этом запорный элемент может коммутировать между собой две линии: 1) линию питания (вход); 2) линию потребителя (выход). Соответственно данный распределитель можно назвать двухлинейным и двухпозиционным, что наглядно отражается в его условном графическом обозначении.
Чтобы кратко охарактеризовать возможности распределителей по коммутации подведенных к ним рабочих каналов, применяют дробное цифровое обозначение, где в числителе указывают количество коммутируемых линий, а в знаменателе — количество возможных позиций. В соответствии с этим принципом рассмотренный выше аппарат будет называться 2/2-пневмораспределителем (при этом мы пока еще не указываем способ управления им).
На принципиальных пневматических схемах распределители изображают таким образом, чтобы линии связи (внешние пневматические линии) были подведены к тому квадрату, который обозначает исходную позицию распределителя. Чтобы получить представление о работе последнего, следует мысленно передвинуть относительно линий связи соответствующий квадрат в условном графическом обозначении на то место, которое на схеме занимает квадрат, изображающий исходную позицию распределителя.
76
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Исходя из того, что основное назначение пневмораспределителей состоит в подаче сжатого воздуха в рабочие полости исполнительных механизмов, попытаемся применить уже описанный 2/2-пневмораспределитель для управления пневмоцилиндром одностороннего действия (рис. 5.3).
Рис. 5.3.2/2-пневмораспределитель на линии управления пневмоцилиндром одностороннего действия
Из рисунка 5.3 следует, что 2/2-пневмораспределитель нормально выполняет функции по управлению пневмоцилиндром одностороннего действия только на первых двух стадиях: 1) исходное положение — подвод сжатого воздуха к пневмоцилиндру перекрыт, шток втянут под действием встроенной пружины (рис. 5.3, а); 2) рабочие ход пневмоцилиндра — сжатый воздух подается в поршневую полость цилиндра, шток выдвигается (рис. 5.3, б). Заключительный же этап — возврат штока в исходное положение — оказывается невыполнимым, поскольку при переключении пневмораспределителя в исходную позицию отработавший сжатый воздух не имеет возможности выхода из пневмоцилиндра (рис. 5.3, в).
Возникшую проблему можно решить путем использования двух параллельно работающих (условно связанных между собой) 2/2-пневмораспределителей. Через один из них осуществляется подача сжатого воздуха в пневмоцилиндр, а другой предназначен для отвода отработавшего воздуха (рис. 5.4).
0
Рис. 5.4. Управление пневмоцилиндром одностороннего действия двумя 2/2-пневмораспределителями
В связи с тем что в пневматических приводах, в отличие от гидравпических, не требуется наличие возвратной сливной магистрали, отработавший воздух можно сбрасывать непосредственно в атмосферу.
На практике для управления пневмоцилиндрами одностороннего действия применяют не два 2/2-пневмо-аспределителя, а один, более сложный по конструктивному исполнению который имеет возможность коммутировать линии питания, потребителя и выхлопа. Очевидно, что его будут называть 3/2-пневмораспределите-г ем (рис. 5.5).
77
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5 5. Модель и условное графическое обозначение 3/2-пневмораспределителя
3/2-пневмораспределитель коммутирует между собой три рабочих линии (рис. 5.6): 1 —линию питания, 2 — линию потребителя и 3 — линию выхлопа. При этом сам распределитель может занимать две позиции: питание перекрыто, потребитель связан с выхлопом; сжатый воздух поступает к потребителю, выхлоп перекрыт.
Очевидно, что для управления пневмоцилиндрами двустороннего действия потребуются еще более сложные распределители, т. к. в этом случае последние должны обеспечивать перераспределение потока сжатого воздуха между двумя рабочими полостями исполнительного механизма и сброс из них отработавшего воздуха (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Управление пневмоцилиндром двустороннего действия 4/2-пневмораспределителем
Четырехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель (4/2-пневмораспределитель) позволяет поочередно подавать сжатый воздух из магистрали высокого давления 1 по рабочим каналам 2 или 4 в одну из полостей пневмоцилиндра с одновременным соединением другой с атмосферой 3.
На практике для управления пневмоцилиндрами двустороннего действия наиболее широко используют 5/2-пневмораспределители (рис. 5.8).
78
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5.8. Управление пневмоцилиндром двустороннего действия 5/2-пневмораспределителем
Хотя 5/2-пневмораспределители имеют более сложное графическое обозначение, они проще по конструктивному исполнению, а их функциональные возможности несколько шире, чем у 4/2-пневмораспределителей, что обусловлено наличием не одного, а двух выхлопных каналов 3 и 5, отдельных для каждой рабочей полости цилиндра.
Для решения более сложных задач управления пневмоцилиндрами используют трехпозиционные распределители, имеющие еще более широкие функциональные возможности. Это связано с тем, что такие распределители позволяют осуществить не два, а три варианта коммутации пневмолиний.
Нумерация каналов, использованная на приведенных выше схемах, не является случайной, а отвечает стандартам, в соответствии с которыми для обозначения рабочих и управляющих каналов пневматических аппаратов и устройств применяют определенную буквенную или цифровую индексации (табл. 2).
Табл. 2. Индексация (маркировка) линий (присоединительных отверстий) пневмоаппаратов
Наименование линии Буквенная индексация Цифровая индексация
Линия питания (вход) р 1
Линия потребителя (выход) А, В 2,4
Линия выхлопа (сброс воздуха в атмосферу) R.S 3, 5
Линия управления X, Y.Z 10, 12, 14
Приведенная в таблице 2 индексация может быть проставлена на принципиальных пневматических схемах, но следует особо подчеркнуть следующее: означенными индексами маркируют присоединительные отверстия в корпусах пневмоаппаратов, что позволяет правильно осуществить монтаж пневматических систем, не рискуя перепутать места подсоединения трубопроводов.
Переключение пневмораспределителеи из одной позиции в другую осуществляется перемещением их ЗРЭ посредством внешних управляющих воздействии. В зависимости от природы этих воздействий различают следующие виды управления распределителями:
• мускульной силой;
• механическое;
• пневматическое;
• электрическое;
• комбинированное.
Стандартные условные графические обозначения наиболее распространенных устройств управления пневматическими распределителями и другими пневмоаппаратами приведены в табл. 3.
79
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Табл. 3. Обозначения устройств управления пневмоаппаратами
Одна и та же базовая модель пневмораспределителя может быть снабжена различными управляющими элементами, конструкция которых и определяет вид управления (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Пример оснащения 3/2-пневмораспредели^елей различными управляющими элементами
80
5. Направляющая и регулирующая подсистема
При чтении принципиальных пневматических схем следует иметь в виду, что управляющий сигнал, подаваемый слева, переключает распределитель в позицию, обозначенную в условном графическом обозначении этого аппарата левым квадратом, а сигнал, подаваемый справа, — в позицию, обозначенную правым квадратом.
Возвращаясь к вопросу об индексации, отметим, что в отличие от рабочих пневмолиний, для которых ис-попьзуют одноцифровые индексы, линии управления пневмоаппаратами обозначают двузначными числами
JW 77? 7^77^
Рис. 5.10. Индексация линий управления пневмораспределителей
Первая цифра в подобном двузначном обозначении совпадает с индексом линии питания, а вторая — с индексом линии потребителя, в которую будет поступать сжатый воздух после подачи управляющего сигнала. Так, индекс 12 (рис. 5.10, а, б) на линии управления обозначает, что при наличии в этой линии пневматического сигнала управления сжатый воздух будет поступать к потребителю по рабочей линии 2. Чтобы закоммутиро-вать линию потребителя 4 с линией питания 1, управляющий сигнал надо подать в линию 14 (рис. 5.10, в).
Индекс 10 (рис. 5.10, а) проставляется на линиях управления нормально открытых пневмораспределителей и обозначает, что в случае поступления в эту линию сигнала управления подача сжатого воздуха потребителю прекратится (обнулится).
5.1-1. Моностабильные пневмораспределители
Пневмораспределители, которые переключаются в нормальную позицию посредством возвратных пружин, называют моностабильными. Такие распределители имеют единственное устойчивое состояние — нормальное для данной конструкции и определяющее состояние аппарата «на складе» (т. е. при отсутствии управляющих воздействий).
Исходя из сказанного, можно утверждать, что на рис. 5.11, судя только по условному графическому обозначению, представлена конструкция моностабильного нормально закрытого 2/2-пневмораспределителя с механическим управлением.
Рис. 5.11. Нормально закрытый 2/2-пневмораспределитель с механическим управлением
В самом деле, в исходной позиции запорно-регулирующии элемент 3 пневмораспределителя, выполненный в виде полусферы, под действием пружины 4 и давления питания прижат к седлу 2, перекрывая тем самым подачу сжатого воздуха в канал потребителя А, — т. е. пневмораспределитель нормально закрыт. При наличии
81
5. Направляющая и регулирующая подсистема
внешнего управляющего воздействия, величина которого должна быть достаточной для преодоления усилия от возвратных пружин и давления, действующего на клапан 3, толкатель 1 снимает клапан 3 с седла 2, и пневмораспределитель занимает позицию, в которой каналы питания Р и потребителя А сообщаются между собой.
На рис. 5.12 изображены два варианта конструктивного исполнения нормально закрытого 3/2-пневморасп-ределителя с механическим управлением. Отличие между ними заключается в том, что в одном (рис. 5.12, б) заложена возможность подсоединения к линии выхлопа R (например, можно ввернуть глушитель), а в другом (рис. 5.12, а) это действие осуществить нельзя.
а б
Рис. 5.12. Нормально закрытые 3/2-пневмораспределители с механическим управлением
Даже такое несущественное различие находит отражение в условном графическом обозначении пневмо-распределителей: если исключена возможность подсоединения к отверстию выхлопа, то треугольник, указывающий на сброс воздуха в атмосферу, примыкает вплотную к обозначению пневмораспределителя; в противном случае он отделяется от последнего вертикальной чертой.
Следует обратить внимание на то, что оба пневмораспределителя срабатывают в два этапа: при движении толкателя в момент его контакта с клапаном перекрывается выполненный в нем канал выхлопа, и только при дальнейшем движении соединяются каналы питания Р и потребителя А.
Примерно по такой же схеме работает и нормально открытый 3/2-пневмораспределитель (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Нормально открытый 3/2-пневмораспределитель с механическим управлением
82
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Данная конструкция имеет два дисковых клапана, причем в исходном состоянии верхний отсекает канал выхлопа R, а через открытый нижний воздух протекает из канала питания Р к потребителю через канал А.
Движение толкателя вниз сопровождается двухступенчатым срабатыванием пневмораспределителя. На первой ступени нижний клапан, жестко связанный с толкателем, опускается на подпружиненное седло, перекрывая подачу сжатого воздуха. Верхний клапан, в свою очередь, остается поджатым к своему седлу вплоть до момента контакта с буртиком толкателя. Только после этого в результате дальнейшего совместного движения толкателя с нижним клапаном и его седлом верхний клапан открывается, и устанавливается соединение потребителя с выхлопом (вторая ступень).
Альтернативой сложным по конструктивному исполнению распределителям клапанного типа являются золотниковые распределители.
Принадлежность к классу аппаратов клапанного или золотникового типов не находит отражения в условном 'рафическом обозначении пневматических распределителей, хотя эти типы аппаратуры существенно различаются по функциональным возможностям.
Так, 3/2-пневмораспределитель золотникового типа (рис. 5.14) можно использовать и как нормально закрытый (индексация каналов, поясняющая схему коммутации, дана без скобок), и как нормально открытый (индексация дана в скобках).
А
P(R1) R(P1) P(R1) R(P1)
Рис. 5.14. Нормально закрытый 3/2-пневмораспределитель золотникового типа с механическим управлением
Подача сжатого воздуха в каналы Р или R не приводит к возникновению на золотнике усилий, вызывающих -то смещение из нормальной позиции, т. к. и в том, и в другом случаях золотник остается гидравлически разгру-• енным.
Если попытаться использовать нормально закрытый пневмораспределитель клапанного типа (см. рис. 5 12) как нормально открытый (путем подачи сжатого воздуха в канал R), то в этом случае произойдет само-“соизвольное открытие клапана и воздух начнет поступать во все каналы одновременно.
Производители пневматического оборудования снабжают каждый аппарат биркой, на которой помимо се-лйного номера и основных параметров приводится его условное графическое обозначение. Обычно пневмо-^спределители, в конструкции которых заложена возможность использования их в качестве нормально открытых или нормально закрытых, имеют два альтернативных обозначения.
Золотниковые распределители, как правило, позволяют пропускать через себя воздух и в обратном направ-~ении — из канала А в канал R или (при переключении) Р. Когда на принципиальной пневматической схеме важно отразить данное свойство золотникового распределителя, стрелки на его условном графическом обозначении, показывающие пути потока воздуха, изображают двусторонними.
83
5. Направляющая и регулирующая подсистема
В тех случаях, когда сжатый воздух подается к исполнительным механизмам непосредственно от пневмораспределителей с механическим или мускульным управлением, говорят о прямом управлении (рис. 5.15).
Рис. 5.15. Прямое управление пневмоцилиндрами
Пневмораспределители, управляющие исполнительными механизмами, также называют исполнительными.
Пневматическое управление распределителями используют в тех случаях, когда необходимо осуществлять дистанционное управление их работой посредством пневматического сигнала. Чтобы распределитель был с пневматическим управлением, в конструкцию вводят поршень 1, перемещение которого и приводит в движение запорный элемент 2 (рис. 5.16).
Рис. 5.16. Нормально закрытый 3/2-пневмораспределитель с пневматическим управлением ----------------------------———---------------------------------------------------------------;
Рассмотрим схему управления пневмоцилиндром одностороннего действия с использованием распределителя с пневматическим управлением (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Непрямое управление пневмоцилиндром одностороннего действия (исполнительный распределитель — нормально закрытый)
84
5. Направляющая и регулирующая подсистема
В предложенной схеме пневмораспределитель с ручным управлением (пневмокнопка) управляет работой пневмоцилиндра путем подачи сигнала на исполнительный распределитель с пневматическим управлением.
Напомним, что принципиальные пневматические схемы технологических установок изображают в исходной позиции: давление питания подведено, установка «ждет» управляющего сигнала. В соответствии с этим принципом схема несколько видоизменится, если исполнительный пневмораспределитель будет нормально открытым (рис. 5.18).
Рис. 5.18. Непрямое управление пневмоцилиндром одностороннего действия (исполнительным распределитель — нормально открытый)
В моностабильных пневмораспределителях возврат запорно-регулирующего элемента в исходное положение может осуществляться не только посредством механических пружин, но и под действием давления сжатого воздуха (пневматической пружины) (рис. 5.19).
Рис. 5.19. 5/2-пневмораспределитель с пневматическим управлением и возвратом
В исходной позиции золотник 2 находится в крайнем левом положении, т. к. на его правый поршень 4 через :1ециальный канал 3, связанный с линией питания, подается сжатый воздух. При поступлении управляющего сигнала в канал Y золотник 2 сместится вправо, поскольку площадь левого поршня 1 значительно больше тлощади правого поршня 4.
В некоторых конструкциях возврат ЗРЭ в исходную позицию осуществляется под действием одновременно еханической, и пневматической пружин. Такое сочетание обеспечивает более высокую стабильность и надежность переключения пневмораспределителя.
В тех случаях, когда имеются технологические ограничения на величину управляющих сигналов, применяют : зспределители с пневматическим усилением управляющего сигнала (или, другими словами — пилотным уп-ззлением) (рис. 5.20).
85
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5.20. 3/2-пневмораспределитель с пневматическим усилением управляющего сигнала
В таких конструкциях (в данном случае это путевой выключатель) усилие переключения прикладывается к небольшому вспомогательному (пилотному) распределителю 2, функцией которого является подача пневматического сигнала управления на основной пневмораспределитель 3, непосредственно осуществляющий коммутацию внешних пневмолиний. Поскольку площадь клапана пилотного распределителя невелика, то усилие, необходимое для переключения последнего, минимально.
Рассмотренная конструкция позволяет трансформировать нормально закрытый пневмораспределитель в нормально открытый. Для этого надо развернуть управляющую головку с роликом 1 на 180° и подавать сжатый воздух в канал R.
В тех случаях, когда требуется контролировать какой-либо объект при его движении только в определенном направлении, применяют распределители с управлением от «ломающегося» рычага с роликом (рис. 5.21).
Рис. 5.21. Принцип действия «ломающегося» рычага с роликом
Конструкция рычага выполнена таким образом, что он воздействует на толкатель пневмораспределителя только в том случае, если движение штока пневмоцилиндра или другого контролируемого объекта происходит в определенном направлении (рис. 5.21, а). Пневмооаспределитель не срабатывает при движении объекта в противоположном направлении, поскольку рычаг с роликом проворачивается на оси («ломается») и не передает управляющее воздействие на толкатель (рис. 5.21, б).
На современном производстве управление сложными технологическими объектами с пневматическими приводами базируется преимущественно на электрических и электронных системах, имеющих широкие возможности сбора, обработки информационных и формирования управляющих электрических сигналов, а главное — высокое быстродействие. Независимо от элементной базы управляющих систем (релейно-контактная или микропроцессорная техника), в силовой части привода применяют пневматические распределители с электромагнитным управлением. Работа подобных пневмораспределителей основывается на свойстве находящихся под напряжением электромагнитных катушек втягивать расположенный в них якорь.
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Запорно-регулирующий элемент в таких аппаратах располагают непосредственно на торцах якоря, который помещается в гильзу, ввинченную в корпус. Снаружи гильза охватывается приводной электромагнитной катушкой (рис. 5.22).
6
5-
4-
3-
2-
1 -Р
Канал А
Рис. 5.22. 3/2-пневмораспределитель с электромагнитным управлением и ручным дублированием
Если электромагнитная катушка 7 обесточена, якорь 5 прижат пружиной 4 к седлу клапана 3, перекрывая
• знал Р, по которому подводится сжатый воздух; выходной канал А соединен с атмосферой через пазы на -зружной поверхности якоря. Напряжение на катушку 7 подается через присоединительный элемент — коннек-:р 8, при этом якорь 5, преодолевая усилие пружины 4, поднимается до седла клапана 6, закрывая канал R = ~ :ода воздуха в атмосферу и открывая канал, соединенный с отверстием для подведения сжатого воздуха. С - атый воздух подается в линию потребителя (канал А).
Пневмораспределители с электромагнитным приводом имеют, как правило, ручное дублирование, исполь-?.емое обычно при пусконаладочных работах или при поиске причин неисправности (если распределитель ::абатывает от элемента ручного управления, это свидетельствует о том, что не работает катушка). Включа-ст пневмораспределитель нажатием или проворотом специального устройства (рис. 5.22, поз.1) механичес-о* * поднимающего якорь с седла клапана. После проверки работоспособности распределителя элемент ручного управаления необходимо выставить в положение не препятствующее свободному перемещению якоря.
Заканчивая рассмотрение моностабильных пневмораспределителей, следует сказать, что к этому классу -“ларатов относится также большое число трехпозиционных распределителей. Обычно нормальной для них чвляется средняя позиция, в которую они выставляются посредством двух пружин, центрирующих их запорно-: егулирующий элемент. Так, используя 5/3-пневмораспределитель с двусторонним пневматическим управле-- ем и закрытой центральной позицией, можно обеспечить останов пневмоцилиндра в любом промежуточном : "ожении (рис. 5.23).
87
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5.23. Использование 5/3-пневмораспределителя для позиционирования пневмоцилиндров
При нажатии на одну из пневмокнопок, например 1.3, шток цилиндра 1.0 начнет перемещаться, а при отпускании ее он остановится, поскольку исполнительный распределитель 1.1 займет центральную позицию, в которой все линии перекрыты (при этом точность позиционирования ципиндра будет достаточно низкой).
На принципиальных пневмосхемах условному графическому обозначению каждого пневмоустройства присваивают буквенно-цифровое позиционное обозначение по ГОСТ 2.704-76 (см. приложение II.6) или (в зарубежных схемах) цифровой индекс, формируемый по определенным правилам (табл. 4).
Табл. 4. Цифровая индексация пневматических устройств
Наименование устройства Индекс
Аппаратура подготовки сжатого воздуха 0.1, 0.2, 0.3, ...
Исполнительные механизмы (ИМ) 1.0, 2.0, 3.0, ... I
Исполнительные распределители 1.1,2.1, 3.1, ... I
Устройства, подающие сигналы на выдвижение штока цилиндра (после точки — четное число) 1.2, 1.4, 1.6, ... (для 1-го ИМ) 2.2, 2.4, 2.6, ... (для 2-го ИМ)
Устройства, подающие сигналы на втягивание штока цилиндра (после точки — нечетное число) 1.3, 1.5, 1.7, ... (для 1-го ИМ) 2.3, 2.5, 2.7, ... (для 2-го ИМ)
Регуляторы скорости и устройства, расположенные между исполнительными механизмами и исполнительными распределителями (будут рассмотрены ниже) 1.01, 1.02, ... 2.01,2.02,... ।
Индексы упрощают чтение схем и помогают добиться однозначного соответствия между элементам*, перечисляемыми в спецификации пневматического оборудования, и местом в системе каждого из них.
Следует обратить внимание на то, что индексы всех элементов, управляющих исполнительным механиэ-мом 1.0, начинаются с цифры 1, управляющих исполнительным механизмом 2.0 — с цифры 2 и т. д. Э~: означает, что где бы «территориально» на схеме ни располагался элемент, (например, 1.10), он будет нахо диться в ветви управления соответствующим исполнительным механизмом (в нашем случае — 1 0).
В тех случаях, когда невозможно придерживаться правила использования четных и нечетных цифр посг^ точки в зависимости от типа команды (втягивание или выдвижение штока цилиндра), применяют сквозь < индексацию.
88
5. Направляющая и регулирующая подсистема
5.1.2. Бистабильные пневмораспределители
Двухпозиционные пневмораспределители, которые после снятия управляющего внешнего воздействия остаются в позиции, определяемой этим воздействием, называют бистабильными (с памятью позиции последнего переключения). Возврат их в исходную позицию осуществляется после подачи противоположного по значению управляющего сигнала. В качестве примера рассмотрим отсечный нормально закрытый 3/2-пневморасп-ределитель с ручным управлением (рис. 5.24), предназначенный для подачи сжатого воздуха в пневмосистему и сброса из нее.
Рис. 5.24. Отсечный нормально закрытый 3/2-пневмораспределитель с ручным управлением
Данный распределитель может находиться в одной из двух возможных позиций переключения сколь угодно долго, поскольку в его конструкции отсутствуют элементы, однозначно определяющие положение запорно-регулирующего элемента.
У бистабильных распределителей с пневматическим управлением, входящих в состав пневмопривода, исходная позиция определяется не особенностями конструкции, а связями с элементами, управляющими этими аппаратами.
Для пояснения сказанного рассмотрим, например, две схемы управления воротами с пневматическим приводом (рис. 5.25).
Открыто Закрыто
Рис. 5.25. Использование бистабильного 5/2-пневмораспределителя для управления пневмоцилиндром
Несмотря на то что в схеме а исходная позиция бистабильного пневмораспределителя 1.1 обеспечивает втянутое положение штока пневмоцилиндра, а в схеме б — выдвинутое, мы имеем дело, по существу, не с двумя схемами, как может показаться на первый взгляд, а с одной и той же, но описывающей различные исходные состояния пневмопривода. Причем эти исходные состояния определяются даже не особенностями схемы, а скорее, «особенностями оператора». Так, оператор, действующий по схеме а, предпочитает работать в режиме «закрыл-открыл», в то время как для его сменщика удобнее режим б — «открыл-закрыл».
Очевидно, что после кратковременного нажатия на пневмокнопку 1.2 схема а трансформируется в схему б, а схема б после кратковременного воздействия на кнопку 1.3 — в схему а.
89
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Можно сказать, что бистабильные пневмораспределители способны запоминать последний поданный сигнал управления. Действительно, и в 4/2-пневмораспределителе с плоским золотником (рис. 5.26, а), и в б^-пневмораспределителе (рис. 5.26, б) даже после снятия сигнала в линии управления X переключающий элемент остается в крайнем правом положении до тех пор, пока не поступит команда в линию управления Y.
Рис. 5.26. Бистабильные 4/2- и 5/2-пневмораспределители с пневматическим управлением
Так как площади управляющих поршней в бистабильных пневмораспределителях одинаковы, то в том случае, когда в обоих каналах управления распределителя присутствуют сигналы, он будет устанавливаться в позицию, определяемую сигналом, который пришел первым. Это свойство бистабильных пневмораспределителей часто используют в пневматических системах управления.
Если пневмораспределители, у которых органы управления ЗРЭ удерживаются в рабочих позициях силами трения устанавливают на машинах с повышенным уровнем вибрации, то их положение должно быть строго горизонтальным. В противном случае может произойти самопроизвольное переключение ЗРЭ в нижнюю позицию.
Бистабильные пневмораспределители с электропневматическим управлением, по существу, представляют собой комбинацию двух пилотных электроуправляемых 3/2-пневмораспределителей 1 и базового распределителя 2 с двусторонним пневматическим управлением. Сжатый воздух подводится к пилотным распределителям, располагающимся, как правило, на торцах базового распределителя, по специальным каналам 3, выполненным в корпусе последнего и соединенным с каналом питания Р (рис. 5.27).
р
Рис. 5.27. Бистабильный 5/2-пневмораспределитель с электропневматическим управлением
90
5. Направляющая и регулирующая подсистема
При подаче напряжения на одну из электромагнитных катушек срабатывает соответствующий пилотный распределитель, пропуская сжатый воздух к торцу ЗРЭ основного распределителя, что приводит к переключению последнего.
Иногда распределители такого типа называют импульсными, поскольку для их срабатывания достаточно подать кратковременный (импульсный) управляющий сигнал.
5.1.3. Монтаж пневмораспределителей
Способы монтажа пневматических распределителей обусловливаются их монтажно-коммуникационными параметрами, т. е. вариантами присоединения внешних пневмолиний, крепления отдельных аппаратов и их компоновки в единую систему.
Монтаж может быть индивидуальным и групповым. При индивидуальном монтаже каждый аппарат крепят и подсоединяют к системе без общих коммуникационных и монтажных деталей, трубопроводов или каналов в корпусных деталях машин, узлов, приспособлений и т. п.
Индивидуальный монтаж может быть резьбовым (трубным) или стыковым. При резьбовом монтаже (рис. 5.28, а) пневмораспределители устанавливают на корпусных де1алях машин и подключают к пневматической системе посредством соединений, ввинчиваемых непосредственно в резьбовые отверстия, которые предусмотрены в корпусе распределителя.
Рис. 5.28. Способы монтажа пневмораспределителей
При стыковом монтаже (рис. 5.28, б) пневмораспределители, все присоединительные отверстия которых зсположены с одной стороны, устанавливают на специальные монтажные плиты, через которые осушествля--:тся их коммутация с пневмосистемой и фиксация на технологической установке. Такой способ монтажа позволяет заменять распределители без демонтажа трубопроводов.
Если места установки пневмораспределителе i не регламентированы, то размещают их как можно ближе к исполнительному механизму, что позволяет повысить быстродействие, уменьшить непроизводительные потери сжатого воздуха и суммарную длину трубопроводов. В частности, чем ближе распределитель установлен к евмоцилиндру двустороннего действия, тем на большее расстояние (от блока подготовки воздуха до пнев-зраспределителя) прокладывают один трубопровод, а не два (от распределителя к цилиндру).
Пневмораспределители с ручным управлением, приводом которых служат рычаг, рукоятка и т.п., монтируют гамим образом, чтобы орган управления: 1) перемещался в направлениях, совпадающих с соответсгвующими -вправлениями движения механизма, и в любой позиции был в пределах досягаемости оператора в обычном □абочем положении последнего; 2) не создавал помех своими перемешениями рабочим движениям операто-а: 3) в связи с особенностями своего расположения не вынуждал оператора совершать какие-либо действия в -епосредственной близости от вращающихся или движущихся частей механизмов.
При групповом монтаже аппараты крепят и подсоединяют к системе с помощью общих или унифицирован-ных монтажных и коммуникационных деталей. Различают блочный и модульный групповой монтаж. Так блоч--ый монтаж (рис. 5.28, в) осуществляют путем установки пневмораспределителей стыкового исполнения на зсщую многоместную плиту, в которой выполнены каналы питания и выхлопа. Если поедполагается дальнейшее развитие пневматической системы, то устанавливают плиту с резервными посадочными местами, которые закрывают специальными заглушками.
91
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Для модульного монтажа (рис. 5.28, г) характерно формирование общих каналов питания и выхлопа при состыковке боковых плоскостей распределителей или монтажных плит. Отдельные модули соединяют в блоки с помощью стяжек либо концевых плит. Уплотнительные кольца круглого поперечного сечения, установленные в цилиндрических расточках присоединительных отверстий, обеспечивают герметичность соединений подводящих и отводящих каналов. Преимущество такого способа монтажа состоит в том, что в случае изменения конфигурации системы допускается увеличение или сокращение числа модулей, составляющих блок, без нарушения работы входящих в него компонентов.
Несмотря на очевидце п\^\лм\|и\есдва монтажа пнавмо^сп^ер^^теаеЛ 4
ных механизмов, наиболее часто в сложных технологических системах с электропневматическими распределителями применяют блочный монтаж. При этом пневмораспределители в совокупности с электронными блоками объединяют в так называемые пневматические острова (рис. 5.29), управляемые промышленными контроллерами или функционирующие автономно. Компактность расположения пневмораспределителей значительно упрощает пусконаладочные и ремонтные работы и облегчает их коммуникацию с электронной системой управления.
Рис. 5.29. Пневматические острова
5.1.4. Определение параметров пневмораспределителей
Выбор пневмораспределителя по промышленным каталогам заключается в подборе модели, которая сочетает в себе множество требуемых параметров: необходимую схему коммутаций рабочих каналов, вид управления, способ монтажа, габаритные размеры, пропускную способность (расходные характеристики) и т.п.
Правильный выбор пневмораспределителей, в особенности по расходным характеристикам, имеет огромное значение при проектировании пневмоприводов с заданными выходными параметрами.
Определение требуемой расходной характеристики распределителя представляет собой достаточно сложную задачу из-за необходимости учитывать размеры и скорости перемещения исполнительного механизма, внешнюю нагрузку, сопротивления подводящих и отводящих трубопроводов и др.
Чтобы упростить процедуру подбора пневмораспределителя из числа выпускаемых серийно, производители пневматического оборудования приводят в технической документации экспериментальные данные по их пропускной способности.
В настоящее время применяют три способа задания расходных характеристик.
1. Расходная характеристика выражается величиной объемного расхода Q [л/мин], при технических нормальных условиях (/ = 20°С, рн = 101,3 кПа).
Схема установки для продувки пневмораспределителей с целью определения их пропускной способности (расходной характеристики) представлена на рис. 5.30.
92
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5.30. Схема установки для определения пропускной способности пневмораспределителей
2. Расходная характеристика задается параметром, характеризующим гидравлическое сопротивление распределителя. В качестве такого параметра применяют пропускную способность К, представляющую собой оасход [мУч] жидкости с плотностью 1 кг/дм' (например, воды), пропускаемой распределителем (или другим устройством) при перепаде давления на нем 1 кгс/см2.
За рубежом применяют также параметр пропускной способности С , представляющий собой расход воды в американских или английских галлонах за одну минуту при перепаде давления в 1 psi (фунт-сила на квадратный дюйм).
3. Расходная характеристика представляется в виде графика, отражающего зависимость объемного расхода воздуха (при нормальных технических условиях) через пневмораспределитель от перепада давления на -ем при определенном давлении на входе, или серией графиков для различных давлении на входе.
Хотя размеры присоединительных отверстий не характеризуют пропускную способность пневмораспреде-ителей, для ориентировочного подбора необходимого типоразмера распределителя можно воспользоваться табл. 5.
"’абл. 5. Ориентировочное соотношение номинальных расходов и размеров присоединительных отверстий пневмораспределителей
Диаметр поршня цилиндра, мм Размер присоединительных отверстий Условный проход, мм Нормальный номинальный расход, л/мин
ДО 12 М3 1,5 до 80
12-25 М5 2,5 до 200
25-50 G1/8 3,5 до 500
50-100 G1/4 7,0 до 1140
150 - 200 G1/2 12,0 до 3000
200 - 320 G3/4, G1 18,7 до 6000
ьолее подробно данные, приводимые в каталогах, и порядок выбора пневмораспределителей рассматриваются в приложении II.4.
Завершая рассмотрение пневмораспределителей, необходимо пояснить, почему они отнесены к основным управляющим элементам пневматических САУ. Дело в том, что распределитель как конструктивный элемент "сисутствует не только в направляющей и регулирующей подсистеме, но и в логико-вычислительной и информационной подсистемах. При этом он может либо составлять конструктивную часть элемента любой из данных ~ здсистем, либо сам являться таким элементом. Как бы то ни было, понимание принципов действия и устрой-:~ва распределителей служит основой представления о работе пневматической системы в целом.
93
5. Направляющая и регулирующая подсистема
5.2. Запорные элементы
К запорным элементам в пневмоавтоматике относятся устройства, обеспечивающие полное перекрытие потока сжатого воздуха, — обратные клапаны, пневмозамки, вентили.
О конструкции и принципе действия обратного клапана шла речь в разделе 3.1.2 «Динамические компрессоры». Напомним, что обратные клапаны устанавливают в тех линиях пневматической системы, где требуется обеспечить свободное протекание потока сжатого воздуха в одном направлении и полное его перекрытие — в обратном (рис. 5.31).
Рис. 5.31. Обратный клапан
Герметичное закрытие клапана при движении потока в обратном направлении обеспечивается не только встроенной пружиной, но и воздействием давления сжатого воздуха на его запорно-регулирующий элемент.
Символ пружины включают в условное графическое обозначение обратных клапанов в том случае, когда необходимо подчеркнуть следующее: клапан открывается при условии, что давление на входе превышает давление на выходе и давление пружины.
Обратные клапаны, которые при подаче управляющего сигнала на встроенный в их корпус приводной механизм могут быть принудительно открыты, называются пневмозамками (рис. 5.32).
Рис. 5.32. Пневмозамок и примеры его применения
Через пневмозамок воздух свободно проходит из канала 1 в канал 2 (рис. 5.32, а), тогда как в обратном направлении — только при наличии сигнала в канале управления 21. При этом во втором случае шток 2 миницилиндра (площадь поршня 1 которого больше площади клапана 3) принудительно снимает клапан 3 с седла, тем самым обеспечивая возможность протекания воздуха из канала 2 в канал 1.
Обычно пневмозамки применяют в системах позиционирования, т. е. для останова и удержания пневмоцилиндров в любом промежуточном положении, а также для предотвращения самопроизвольного опускания штоков вертикально установленных пневмоцилиндров. В схеме с 5/3-пневмораспределителем (рис. 5.32, б) оба пневмозамка в исходном состоянии закрыты, поскольку их каналы управления соединены с атмосферой через распределитель. При переключении распределителя один из пневмозамков (расположенный в линии сброса отработавшего воздуха) открывается автоматически, т. к. в его канал управления поступает сигнал из линии, по которой сжатый воздух подается к цилиндру.
94
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Во фрагменте схемы с 5/2-пнемораспределителем, показанном на рис. 5.32, в, пневмозамки открываются при подаче внешнего управляющего сигнала.
Для запирания магистральных трубопроводов или отсечения отдельных ветвей пневмосистемы применяют различные вентили. В шаровых вентилях (рис. 5.33) поток сжатого воздуха полностью перекрывается при повороте запорно-регулирующего элемента (шара с выполненным в нем сквозным отверстием) на 90'.
Рис. 5.33. Шаровые вентили: а) с ручным управление; б) с пневматическим управлением
Вентили с пневматическим управлением широко применяют в автоматизированных производствах, содер--ащих разветвленную сеть трубопроводов, например в пищевой, химической и других отраслях промышлен--юсти.
5-3. Устройства регулирования расхода
Расход сжатого воздуха в пневмоприводах обычно регулируют с целью управления скоростями движения выходных звеньев исполнительных механизмов. К примеру, чем больше расход воздуха, поступающего в пнев-ысцилиндр, тем выше скорость перемещения штока.
Простейшим пневматическим элементом, позволяющим регулировать расход воздуха, является дроссель. _эоссель — это устройство, обеспечивающее существенное уменьшение площади проходного сечения кана-ла по которому движется сжатый воздух. Установка дросселя в пневмолинии приводит к возникновению до-’ :лнительного местного сопротивления движению потока воздуха, что и обусловливает снижение расхода.
По существу, дроссель представляет собой щель некоторой длины, имеющую определенные размеры про-жсдного сечения. При этом площадь последнего в зависимости от конструктивного исполнения дросселя либо : дается постоянной, либо может изменяться путем вращения регулировочного винта. Соответственно дроссель дет называться либо постоянным (рис. 5.34, а), либо регулируемым (рис. 5.34, б).
Рис. 5.34. Пневмодроссели: а — постоянный; б — регулируемый
95
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Если длина щели превышает ее диаметр, дроссель принято называть ламинарным, в противном случае — турбулентным.
При установке дросселя в трубопроводе расход воздуха будет снижаться при протекании потока в любом из двух возможных направлений. Если возникает необходимость регулировать расход только в одном из них и обеспечить свободное протекание потока сжатого воздуха в обратном, то в пневмолинию устанавливают дроссель с обратным клапаном (рис. 5.35).
Рис. 5.35. Пневмодроссель с обратным клапаном
В нормальном состоянии тарельчатый обратный клапан 5, в центральной части которого выполнено дросселирующее отверстие 3, прижат к седлу 4 пружиной 2. В случае, когда сжатый воздух поступает из канала А в канал В, он протекает только через это отверстие, проходное сечение которого (а следовательно, и расход можно изменять посредством регулировочного винта 1. Движение воздуха в обратном направлении сопровождается подъемом обратного клапана с седла, что позволяет потоку беспрепятственно протекать из канала В в канал А.
Таким образом, поток воздуха дросселируется при движении через дроссель с обратным клапаном в однок' направлении и свободно протекает через обратный клапан при движении в противоположном направлении.
Обычно на корпусах пневматических дросселей с обратным клапаном присутствует условное графическое обозначение, на котором расположение обратного клапана относительно присоединительных отверстий строго соответствует его позиции в реальной конструкции. Иногда обозначение заменяют стрелкой, указывающей направление дросселирования потока. Это делается для предотвращения неправильной установки данного элемента в системе.
Рассмотрим примеры использования дросселей и дросселей с обратным клапаном для регулирования скорости движения штока пневмоцилиндра одностороннего действия (рис. 5.36).
Рис. 5.36. Регулирование скорости движения штока пневмоцилиндра одностороннего действия
При установке регулируемого дросселя без обратного клапана (рис. 5.36, а) скорости прямого и обратного ходов взаимосвязаны, поскольку и входящий в цилиндр, и исходящий из него потоки воздуха проходят через одно и то же сечение дросселирующей щели.
96
5. Направляющая и регулирующая подсистема
С целью регулирования скорости выдвижения штока (рис. 5.36, б) необходимо применять дроссель с обратным клапаном, причем последний должен быть закрыт при поступлении воздуха в цилиндр. Для регулирования скорости втягивания штока (рис. 5.36, в) дроссель необходимо устанавливать таким образом, чтобы натекающий воздух свободно поступал в цилиндр через обратный клапан и вытекал из него через дроссель.
Управлять скоростью выходного звена пневмоцилиндров двустороннего действия можно дросселированием воздуха в линии нагнетания (регулирование на входе) или выхлопа (регулирование на выходе). Для примера рассмотрим регулирование скорости прямого хода.
При дросселировании натекающего воздуха (регулирование на входе — рис. 5.37, а) рабочая полость заполняется медленно, столь же медленно возрастает и давление в ней В связи с этим давление в рабочей полости сильно зависит от колебаний значений нагружающего усилия, а восприятие цилиндром попутной нагрузки (направление действия которой совпадает с направлением движения штока) становится практически невозможным.
По этой причине скорость движения штока пневмоцилиндра двустороннего действия регулируется преимущественно дросселированием воздуха, вытекающего из исполнительного механизма (регулирование на выходе — рис. 5.37, б). Сжатый воздух при такой схеме включения дросселя с обратным клапаном свободно поступает в поршневую полость цилиндра, тогда как в штоковой создается «подпор», тормозящий поршень. При этом в обеих рабочих полостях поддерживается высокий уровень давления, что обеспечивает плавный ход поршня, практически не зависящий от колебаний значения нагружающего усилия.
Для независимого регулирования скоростей прямого и обратного ходов дроссели с обратными клапанами устанавливают в обеих пневмолиниях, подсоединенных к цилиндру (рис. 5.37, в). При такой схеме установки сжатый воздух свободно проходит в рабочие полости цилиндра через обратные клапаны и вытекает через дроссели, создающие сопротивление отработавшему воздуху.
При установке дросселей с обратным клапаном (рис. 5.38, а) следует обращать особое внимание на направление, в котором дросселируется поток воздуха, поскольку из-за симметричного исполнения корпуса дросселя значительно увеличивается вероятность неверного монтажа (рис. 5.38, б).
Рис. 5.38. Дроссели с обратным клапаном и пример неправильной их установки
На представленной схеме оба дросселя с обратным клапаном регулируют скорость прямого хода цилиндра, в то время как скорость обратного хода регулированию не поддается.
97
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Часто дроссели, как устройства регулирования скорости движения выходного звена исполнительного механизма, устанавливают непосредственно на этом механизме либо на исполнительном распределителе. В таких случаях применяют ввертные конструкции (рис. 5.39).
Рис. 5.39. Ввертные дроссели: а - дроссель с обратным клапаном; б - выхлопной дроссель
Дроссели с обратным клапаном (рис. 5.39, а) ввинчивают в места установки пневматических соединений на исполнительных механизмах, а выхлопные дроссели (рис. 5.39, б), представляющие собой пневмоглушители с встроенной дроссельной иглой, — в выхлопные отверстия пневмораспределителей.
Применение выхлопных дросселей становится неэффективным, если линия подвода воздуха от пневмораспределителя к исполнительному механизму имеет значительную длину. Этот факт объясняется тем, что объем, в котором сжимается воздух (выхлопная полость цилиндра и трубопровод), оказывается настолько большим, что перемещение поршня уже не вызывает в нем повышения давления в той мере, в какой это требуется для обеспечения эффективного регулирования скорости движения выходного звена.
Преимущество ввертных конструкций состоит в невозможности неправильной установки, поскольку единственное имеющееся в них резьбовое соединение однозначно определяет коммутацию с сопрягаемым устройством.
На принципиальных пневмосхемах, при использовании позиционных обозначений в виде цифровых индексов, устройствам, регулирующим скорость, присваиваются трехзначные индексы (см. табл. 4). Разделенные точкой первые две цифры этих индексов указывают на исполнительный механизм, скорость движения которого регулируется (рис. 5.40). (Напомним, что в индексе четная цифра после точки означает, что устройство задействуется в процессе выдвижения штока цилиндра, а нечетная — в процессе втягивания.)
Рис. 5.40. Регулирование скорости движения штока пневмоцилиндров
На первый взгляд, можно сделать однозначный вывод о том, что исполнительный механизм будет двигаться с максимально возможной скоростью, если в его выхлопной магистрали отсутствуют дросселирующие устройства. Однако нельзя забывать, что пневмолинии представляют собой гидравлические сопротивления на пути
98
5. Направляющая и регулирующая подсистема
сжатого воздуха. Чтобы отработавший воздух был сброшен в атмосферу, его необходимо «продавить» как минимум через трубопроводы и исполнительный распределитель. Поэтому очевидно следующее: максимально возможную скорость исполнительный механизм разовьет лишь в том случае, если сброс воздуха в атмосферу будет осуществляться непосредственно за его рабочей полостью. Реализовать этот вариант можно путем применения клапана быстрого выхлопа (рис. 5.41), который, с одной стороны, свободно пропускает сжатый воздух к исполнительному механизму, а с другой — сбрасывает отработавший воздух непосредственно в атмосферу.
Рис. 5.41. Клапан быстрого выхлопа
При подаче сжатого воздуха в канал А запорный элемент смещается в сторону отверстия выхлопа R и “ерекрывает его, освобождая путь в канал В. Подача воздуха в канал В сопровождается перекрытием канала А (т. е. отсечением присоединенных пневмолиний) и сбросом отработавшего воздуха в атмосферу через канал R. (Обратим внимание, что условное графическое обозначение клапана быстрого выхлопа четко отражает пэинцип его функционирования.)
Клапаны быстрого выхлопа на принципиальных пневматических схемах также обозначают трехзначными цифровыми индексами (рис. 5.42).
Рис. 5.42. Принципиальная пневматическая схема с клапанами быстрого выхлопа
Регулирование скорости движения исполнительных механизмов не ограничивается только использованием цоосселей и клапанов быстрого выхлопа. Существует множество схемных решений с применением клапанов давления, дополнительных емкостей, внешних тормозных устройств и др. Все указанные способы регулирова--ия, как правило, связаны с необходимостью размещения дополнительных устройств и вследствие этого обусловливают увеличение размеров, массы и стоимости привода.
99
5. Направляющая и регулирующая подсистема
5.4. Устройства регулирования давления
Необходимость регулирования давления в пневматических системах обусловлена рядом причин. Так, при работе оборудования на малых давлениях резко снижается КПД, и в то же время давление выше оптимального приводит к интенсивному его износу при незначительном повышении производительности. Кроме того, поддержание заданного давления в рабочих полостях исполнительных механизмов обеспечивает постоянство развиваемого ими усилия либо скорости движения выходного звена, что является обязательным требованием при создании многих технологических установок.
Задачи регулирования давления в пневматических системах решаются посредством клапанов давления: предохранительных (см. раздел 3.3 «Устройства очистки и осушки сжатого воздуха») и редукционных (см. раздел 3.6 «Блоки подготовки воздуха»).
Напомним, что назначение предохранительных клапанов (рис. 5.43, а) заключается в предотвращении повышения давления в контролируемых точках сверх заданного уровня путем автоматического сброса части сжатого воздуха в атмосферу. Предохранительные клапаны устанавливают на специальных патрубках, присоединительных трубопроводах или непосредственно на пневматических емкостях в местах, удобных для осмотра, монтажа и эксплуатации. При установке в пневматических системах клапаны настраивают на заданное давление и пломбируют.
Назначение редукционных пневмоклапанов (рис. 5.43, б, в) — поддерживать относительно стабильный уровень давления на выходе (ниже величины давления питания) независимо от колебаний давления, имеющих место в системе подачи воздуха перед клапаном, а также при изменении расхода воздуха за клапаном. Редукционные клапаны монтируют, как правило, в конкретных точках производственных установок либо они входят в составе блоков подготовки воздуха.
Принципиальные отличия между двумя рассмотренными типами клапанов состоят в следующем: предохранительные клапаны контролируют давление «перед собой», а редукционные — «за собой»; предохранительные клапаны являются нормально закрытыми, тогда как редукционные — нормально открытыми (рис. 5.43).
Рис. 5.43. Пневмоклапаны давления : а) предохранительный; б) редукционный двухлинейный; в) редукционный трехлинейный
При выборе клапанов давления следует принимать во внимание следующие технические характеристики:
• диапазон рабочих давлений;
• диапазон температур;
• номинальный расход;
• размеры присоединительных отверстий.
Традиционные варианты использования клапанов давления в пневматических системах представлены на рис. 5.44.
Манометры в комплект поставки клапанов давления не входят.
100
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Предохранительный клапан 0.4 ограничивает уровень давления в ресивере 0.1, а клапаны 2.01 и 2.02 создает «подпор» в рабочих полостях пневмоцилиндра 2.0. Посредством этих клапанов фактически регулируется :- орость движения штока цилиндра 2.0. Подобная схема регулирования обеспечивает стабильность скоростных характеристик при изменении величины нагрузки.
Редукционный клапан 1.02 поддерживает на постоянном уровне усилие, развиваемое пневмоцилиндром 1.0 ^ри прямом ходе. Чтобы обеспечить свободный возврат пневмоцилиндра 1.0 в исходную позицию, параллельно редукционному клапану 1.02 устанавливают обратный клапан 1.01.
Обратим внимание, что предохранительные клапаны 2.01 и 2.02 отличаются по конструктивному исполнению от клапана 0.4, поскольку к их выхлопному отверстию можно присоединенить резьбовые соединения либо "невмоглушители (рис. 5.45).
Рис. 5.45. Предохранительный пневмоклапан
Предохранительный клапан ограничивает уровень давления сжатого воздуха, подводимого к каналу Р и воздействующего на подпружиненную мембрану 1 (рис. 5.45, б), в жестком центре которой установлен тарельчатый клапан 2, перекрывающий проход к каналу А. Когда давление становится достаточным для преодоления усилия пружины, клапан открывается, пропуская сжатый воздух в канал А.
Кроме описанных выше клапанов давления с ручной настройкой уровня контролируемого давления существуют также клапаны давления с внешним дистанционным управлением (рис. 5.46).
101
5. Направляющая и регулирующая подсистема
Рис. 5.46. Пневмоклапаны давления с внешним управлением
Управление может быть: 1) механическим — уровень давления зависит от положения некоторого технологического объекта, с которым орган управления клапаном связан кинематически (рис. 5.46, а); 2) пневматическим — уровень контролируемого давления задается значением давления в некоторой точке пневматической системы (рис. 5.46, б); 3) пропорциональным — клапан регулирует давление пропорционально заданной силе тока или напряжению (рис. 5.46, в).
Клапаны с пропорциональным управлением являются наиболее универсальными сточки зрения возможностей автоматизации управления сложными технологическими объектами, поскольку в соответствующий аналоговый электрический сигнал можно преобразовать и перемещение, и давление (а также другие физические величины). Кроме того, применение клапанов давления с пропорциональным управлением позволяет осуществлять программное управление уровнем давления в пневматической системе с помощью промышленных логических контроллеров.
В ряде случаев для уменьшения габаритов установок, оснащенных пневмоприводами, целесообразно перейти на работу с давлением, уровень которого выше, чем в заводской сети. С этой целью применяют усилители давления (рис. 5.47).
Рис. 5.47. Усилитель давления
Усилитель давления фактически представляет собой двухпоршневой компрессор с пневматическим приводом. Поршни перемещаются под действием сжатого воздуха, поступающего поочередно в одну из приводных (бесштоковых) камер. Реверсирование движения поршней осуществляется при достижении ими «мертвых точек» посредством встроенного 4/2-пневмораспределителя с двусторонним механическим управлением. Уровень давления на выходе задается с помощью регулятора давления и контролируется через канал обратной связи.
Давление, развиваемое усилителем, как правило, не превышает давления в пневмосети более чем в два раза, при этом расход сжатого воздуха, затрачиваемого на работу усилителя, составляет около 120% от расхода на его выходе.
При необходимости для сглаживания пульсаций давления на выходе усилителя устанавливают ресивер (рис. 5.48, а).
102
Если усилитель работает на ресивер (замкнутый объем), то для ускорения наполнения последнего параллельно усилителю встраивают обратный клапан (рис. 5.48, б). При этом усилитель начинает работать в тот момент, когда давление в ресивере становится равным давлению в пневмосети.
Подача сжатого воздуха в пневматические системы технологического оборудования в момент их подключения к сети сопровождается внезапным повышением давления. Это может привести к резкому перемещению исполнительных механизмов и ведомых частей установки при их выходе в исходную позицию. В результате опорные конструкции установок воспринимают значительные ударные нагрузки, что обусловливает преждевременный выход оборудования из строя. Для обеспечения плавного повышения давления в пневмосистемах до заданного уровня применяют специальные блоки (рис. 5.49).
Рис. 5.49. Блок плавного повышения давления
Блоки плавного повышения давления (рис. 5.49, а) могут быть выполнены на основе различных схемных решений в зависимости от условий функционирования конкретных установок. Так, блок, выполненный по схе-ме, показанной на рисунке 5.49, б позволяет осуществлять плавное нарастание давления в системе через регулируемый дроссель. При достижении заданного уровня давления срабатывает клапан последовательности (см. п. 6.3), что обеспечивает дальнейшее свободное поступление воздуха в систему. Сброс воздуха из системы осуществляется резко (через обратный клапан).
Схемное решение, изображенное на рисунке 5. 49, в, позволяет осуществлять плавное (нерегулируемое) "□вышение давления в системе до требуемого уровня через нерегулируемый дроссель клапана последовательности и плавный сброс (через регулируемый дроссель) воздуха из системы.
Часто для удобства эксплуатации такие блоки монтируют в составе блоков подготовки воздуха.
Мы завершили рассмотрение элементов, входящих в силовую часть пневмоприводов. Знание элементов исполнительной, а также направляющей и регулирующей подсистем позволяет проектировать вполне работоспособные пневматические системы, подобные рассмотренным выше. Следует отметить, что все они не являются пневматическими системами автоматического управления. В связи с отсутствием пневматической управляющей части правильнее было бы отнести их к пневмоприводам с ручным управлением. Действительно, команды на перемещение исполнительных механизмов в описанных системах подаются от пневмораспределителей с ручным управлением, т. е. оператором, который и осуществляет визуальный контроль за ходом выполнения технологического процесса. Система управления может быть названа автоматической (САУ) лишь в том случае, если существует возможность управления исполнительными механизмами без участия человека. (Напомним, что управляющая часть замкнутой САУ состоит из двух подсистем: информационной и логико-вычислительной.)
103
6. Информационная подсистема
6. Информационная подсистема
Пневматические элементы, входящие в информационную (сенсорную) подсистему управляющей части пневмопривода, предназначены для пуска и останова технологического процесса, а также для сбора информации о ходе его выполнения. Полученная информация в виде пневматических сигналов при необходимости обрабатывается в логико-вычислительной (процессорной) подсистеме и передается в направляющую и регулирующую подсистему силовой части привода для управления исполнительными механизмами.
Рассмотренные выше пневмораспределители с механическим управлением в большинстве своем входят в состав именно информационной подсистемы. Действительно, пневмораспределители, управляемые мускульной силой, вводят в систему команды оператора, а пневмораспределители с управлением от толкателей и роликов — команды от контролируемых объектов технологической установки.
Поскольку в ходе выполнения технологических операций происходит постоянное перемещение выходных звеньев исполнительных механизмов, пневмораспределители, контролирующие положение последних, часто называют пневматическими путевыми выключателями.
6.1. Пневматические путевые выключатели
Пневматические путевые выключатели устанавливают в тех местах, где положение исполнительного механизма обязательно должно контролироваться. Так, команды на продолжение технологического процесса поступают в систему от путевых выключателей только в том случае, если предыдущая технологическая операция была завершена, т. е. произошли все необходимые перемещения. Подобный способ управления называют управлением по положению.
Обычно путевые выключатели устанавливают таким образом, чтобы они переключались в крайних положениях выходного звена исполнительного механизма (для пневмоцилиндра это полностью втянутое и полностью выдвинутое положения штока), но при необходимости они также могут быть приведены в действие и в каком-либо функционально важном промежуточном положении выходного звена.
Рассмотрим схему управления сверлильным станком с пневмоприводом (рис. 6.1). Установка заготовки в тиски, ее зажатие и пуск станка осуществляются оператором, а рабочий ход и отвод инструмента в исходную позицию происходит без его вмешательства.
Рис. 6.1. Сверлильный станок и его принципиальная пневматическая схема
В представленной схеме блок подготовки воздуха 0.1 относится к энергообеспечивающей подсистеме; пневмоцилиндр 1.0 — к исполнительной; бистабильный 5/2-пневмораспределитель 1.1 и дроссель с обратным клапаном 1.02 — к направляющей и регулирующей; пневмокнопка 1.2 и путевой выключатель 1.3 — к информационной.
*
Здесь и далее приводятся стилизованные примеры технологического оборудования.
104
6. Информационная подсистема
После кратковременного нажатия на кнопку 1.2 (команда «Пуск») распределитель 1.1 переключается в позицию, обеспечивающую выдвижение штока цилиндра 1.0. Шток, перемещая рабочий инструмент, выдвигается со скоростью, соответствующей настройке дросселя с обратным клапаном 1.02. После выполнения рабочего хода активизируется путевой выключатель 1.3, и на распределитель 1.1 подается команда на втягивание штока пневмоцилиндра (на отвод инструмента в исходную позицию).
Расположение обозначений путевых выключателей на пневмосхемах в зоне рабочих ходов пневмоцилиндров может значительно усложнить чтение схем. Для примера рассмотрим принципиальную пневматическую схему хонинговального станка (рис. 6.2), выходное звено которого должно совершать возвратно-поступательное движение.
Рис. 6.2. Хонинговальный станок и его принципиальная пневматическая схема
В исходном состоянии станка шток пневмоцилиндра 1.0 втянут, вследствие чего путевой выключатель 1.2 - а«одится в активном (переключенном) положении (на это следует обратить особое внимание). Когда распределитель 0.2 переводится в положение «Пуск», через путевой выключатель 1.2 поступает сигнал на распреде-п ’ель 1.1, переключение которого сопровождается выдвижением штока цилиндра 1.0. После трогания штока "невмоцилиндра с места выключатель 1.2 переводится в нормально закрытое состояние, а при достижении • райнего выдвинутого положения штока активизируется теперь уже путевой выключатель 1.3, подающий ко-• анду на втягивание. Таким образом, шток цилиндра 1.0 начинает совершать возвратно-поступательное дви-- ечие вплоть до перевода пневмораспределителя 0.2 в состояние «Останов».
Появление «петель» линий связи на схемах существенно затрудняет их чтение, поэтому условные графи--- :<ие обозначения пневмоэлементов предпочтительнее располагать по ярусам. В нижней части схемы раз-। ещают элементы, входящие в энергообеспечивающую подсистему, над ними — в информационную, еще выше — в направляющую и регулирующую подсистему, а на самом верху — исполнительные механизмы.
Для однозначного указания места расположения путевых выключателей относительно пневмоцилиндра места их установки обозначают вертикальной чертой и индексом, присвоенным соответствующему выключателю (рис. 6.3).
105
6. Информационная подсистема
Рис. 6.3. Изображение путевых выключателей на принципиальных пневматических схемах
С целью подчеркнуть, что путевой выключатель 1.2 в исходном состоянии активен, его изображают в переключенном состоянии под действием механического кулачка.
6.2. Струйные датчики положения
Получить информацию о состоянии контролируемого объекта с помощью путевого выключателя можно только посредством их механического взаимодействия. Но далеко не каждый объект может развить достаточное для этого усилие. Например, при производстве магнитной ленты невозможно контролировать ее целостность с помощью пневмораспределителя с управлением от толкателя или ролика. Для решения подобных задач применяют струйные датчики положения, позволяющие получать нужную информацию бесконтактным методом — с помощью струи воздуха. Данный метод заключается в том, что контролируемый объект, попадая в зону действия датчика, вызывает изменение уровня давления на его выходе.
Так, принцип действия датчика «вилкообразный воздушный барьер» основан на гидромеханическом эффекте прерывания струи (рис. 6.4).
В неактивном состоянии датчика струя воздуха, подаваемого в канал питания Р, через питающее сопло и рабочую зону проникает в приемное сопло, связанное с каналом выхода А. Контролируемый объект, попадая в рабочую зону датчика, прерывает струю воздуха, в результате чего пневматический сигнал на выходе А пропадает. Информация об изменении состояния датчика поступает в систему управления для дальнейшей обработки.
Поскольку при работе датчика окружающий воздух, эжектируемый струей сжатого воздуха, попадает в его приемное сопло, это делает невозможным использование такого датчика в условиях повышенной запыленности окружающей среды. Данный недостаток отсутствует у струйного датчика с кольцевым питающим соплом (рис. 6.5).
106
6. Информационная подсистема
Рис. 6.5. Струйный датчик с кольцевым соплом
Во время нахождения датчика в неактивном состоянии сигнал в его выходном канале А отсутствует, т. к. зоздух увлекается из последнего питающей струей. Контролируемый объект в зоне действия датчика вызывает перераспределение воздушных потоков, в результате чего уровень давления в выходном канале А повышается.
Диапазон чувствительности подобных датчиков достигает 15 мм. При необходимости увеличения зоны чув-вительности струйных датчиков применяют конструкции со встречным соударением струй, способные осу-_ествлять контроль на расстояниях до 100 мм (рис. 6.6). —
эис. 6.6. Струйный датчик со встречным соударением струй
датчик выполнен в двух корпусах, из сопел которых выходят две встречные струи воздуха. Струя из сопла-~-эедатчика (слева) препятствует свободному выходу струи из сопла-приемника (справа), что вызывает воз-”. -ювение «подпора» в последнем и появление пневматического сигнала в его выходном канале А. При попа-- г. -ии контролируемого объекта в рабочую зону датчика струя воздуха свободно выходит из сопла-приемника, I "едствие чего сигнал на выходе датчика пропадает.
К неоспоримым преимуществам струйных датчиков относятся:
• способность работать в условиях повышенной запыленности и взрывоопасности;
• нечувствительность к влиянию магнитных полей и звуковых волн;
надежность работы в условиях повышенных температур.
К недостаткам рассматриваемых датчиков можно отнести необходимость использования дополнительной е’паратуры. Поскольку струйные датчики любого типа являются пневматическими элементами, постоянно по-'гебляющими сжатый воздух, то для уменьшения его непроизводительного расхода давление питания струй-”=<х датчиков уменьшают до 0,001 — 0,005 МПа. Низкий уровень выходного сигнала датчиков обусловливает необходимость применения усилителей давления.
В системах пневматического управления, работающих с давлениями до 0,05 МПа, с этой целью применяют тлнокаскадные усилители (рис. 6.7).
107
6. Информационная подсистема
Рис. 6.7. Однокаскадный усилитель давления
Однокаскадный усилитель давления представляет собой нормально закрытый моностабильный 3/2-пнев-мораспределитель с пневматическим управлением, в канал питания Р которого подается сжатый воздух под высоким давлением. Поскольку приводная мембрана имеет большую площадь, то подача пневматического сигнала низкого уровня от струйного датчика на вход X усилителя приводит к переключению распределителя, что сопровождается появлением сигнала высокого уровня на выходе А усилителя. Отношение значений давления на входе в усилитель и на выходе из него называют коэффициентом усиления.
Для усиления выходных сигналов датчиков, работающих с давлениями до 0,02 МПа, применяют двухкаскадные усилители давления (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Двухкаскадный усилитель давления
В основе конструкции двухкаскадного усилителя давления лежит однокаскадный усилитель, сигнал управления на который подается от каскада предварительного усиления типа «сопло — заслонка». В отличие от однокаскадного усилителя двухкаскадный имеет два дополнительных канала, обеспечивающих работу каскада предварительного усиления: Рх — канал питания, — канал выхлопа. Через этот каскад непрерывно протекает сжатый воздух под давлением 0,01 — 0,02 МПа. Поступающий на вход X усилителя сигнал от струйного датчика вызывает прогиб чувствительной мембраны-заслонки, которая препятствует свободному выходу воздуха через сопло, что сопровождается повышением давления на входе последнего. В результате давление под мембраной второго каскада также повышается, и в конечном итоге это вызывает срабатывание встроенного 3/2-пневмораспределителя.
Завершая раздел, посвященный струйным датчикам, рассмотрим пример использования датчика с кольцевым соплом в машине для намотки магнитной ленты на барабан (рис. 6.9).
108
6. Информационная подсистема
Рис. 6.9. Применение струйного датчика с кольцевым соплом
Барабан, на который наматывается магнитная лента, приводится пневмомотором 1.0 во вращение со скоростью, регулируемой выхлопным дросселем 1.02. Сжатый воздух подается на пневмомотор через моноста-бильный 3/2-распределитель с пневматическим управлением 1.1 при условии наличия ленты в зоне действия струйного датчика 1.2. При этом на вход двухкаскадного усилителя 1.4 посылается управляющий сигнал низкого уровня давления, а на распределитель 1.1 — высокого. Для подачи питания к датчику 1.2 и усилителю 1.4 установлен редукционный клапан 0.3 с давлением настройки 0,02 МПа. Вращение барабана прекращается в случае обрыва ленты.
Если в рассмотренной машине используется датчик со встречным соударением струй, то управление пневмомотором 1.0 должно осуществляться нормально открытым исполнительным пневмораспределителем 1.1 оис. 6.10). Это связано с тем, что на выходе струйного датчика 1.2 сигнал генерируется в случае отсутствия ^енты, а при ее наличии он снимается.
1.0
1.02
0.2
\Ал
МЛ
Рис. 6.10. Применение струйного датчика со встречным соударением струй
109
6. Информационная подсистема
6.3. Пневмоклапаны последовательности
Помимо контроля положения исполнительных механизмов либо кинематически связанных с ними подвижных частей технологических установок нередко требуется также формирование управляющих сигналов на основе информации о значении давления в определенных точках пневматической системы. В таких случаях говорят об управлении по давлению.
Устройства, преобразующие аналогово-пневматический сигнал на входе при достижении им заданной величины в дискретный пневматический сигнал на выходе, называют клапанами последовательности или реле давления с пневматическим выходом (рис. 6.11).
Условные графические обозначения пневмоклапанов последовательности могут различаться в зависимости от их конструктивного исполнения. Так, клапан последовательности, показанный на рис. 6.11, а, представляет собой комбинацию предохранительного клапана с внешним управлением 1 и 3/2-пневмораспределителя с пневматическим управлением 7, включенных последовательно, что находит отражение в его условном обозначении. Напомним: штрихпунктирная линия, охватывающая обозначения нескольких пневматических элементов, указывает на то, что эти элементы не являются самостоятельными аппаратами, а входят в состав объединяющего их устроиства.
Давление в канале управления X должно быть таким, чтобы усилие, возникающее на мембране 3, было достаточным для преодоления усилия настроечной пружины 2. Как только это условие выполняется, открывается пилотный клапан 4 и сжатый воздух начинает поступать к мембране 5 переключающего элемента 6 распределителя 7. При срабатывании данного элемента происходит переключение пневмораспределителя 7, в результате чего в канале А появляется сигнал. Усилие настроечной пружины можно изменить путем вращения регулировочного винта.
Клапан, изображенный на рис. 6.11, б, выполнен на базе 3/2-распределителя с пневматическим управлением. Порог срабатывания клапана настраивают смещением регулировочной втулки 3, на которую опирается пружина 2 приводного поршня 1. Перемещение втулки 3 сопровождается изменением усилия предварительного сжатия пружины 2 и обеспечивается вращением регулировочной гайки 4.
Следует обратить внимание на то, что активная площадь приводного поршня 1 (на которую воздействует контролируемое давление) резко увеличивается при его трогании с места из исходной позиции. Это означает, что даже постепенное повышение давления в канале X до некоторого порогового значения (величины настройки) приводит не к плавному перемещению управляющего поршня, а к его резкому переходу в выдвинутое положение, что обеспечивает четкое переключение пневмораспределителя.
При выборе клапанов последовательности необходимо принимать во внимание следующие технические характеристики:
110
6. Информационная подсистема
• диапазон воспринимаемых давлений (максимальная и минимальная величины давления);
• точность настройки;
• стабильность работы (способность сохранять настройку давления срабатывания при многократных переключениях);
• величина гистерезиса (разница между давлением включения и давлением отключения);
• номинальный расход воздуха, протекающего через клапан.
В качестве примера использования пневмоклапана последовательности рассмотрим установку для формирования комплектов из четырех пластиковых бутылок с целью последующей их упаковки (рис. 6.12, а).
1.0
1.04
а б
Рис. 6.12. Установка для формирования комплектов бутылок
Бутылки, поступающие по конвейеру в рабочую зону установки, сдвигаются в позицию упаковки по команде ператора при нажатии на пневмокнопку 1.2 (рис. 6.12, б). Команда же на возврат цилиндра в исходную позицию формируется не на основе положения его штока, а поступает от клапана последовательности 1.3, пере-•лючение которого происходит в тот момент, когда давление в поршневой полости цилиндра 1.0 достигает величины 0,12 МПа (1,2 бар).
При перемещении бутылки давления в поршневой полости пневмоцилиндра недостаточно для переключения клапана последовательности. Давление начинает расти при установке штока на упор, т. е. с того момента, огда бутылка займет свое место в комплекте. Давление срабатывания клапана последовательности (а следовательно, и усилие, развиваемое цилиндром) подбирают таким образом, чтобы шток не мог повредить бутылку.
6.4. Индикаторы давления
Манометры дают количественную информацию о давлении в контролируемых точках пневматических систем, тогда как качественную картину (наличие или отсутствие давления воздуха) получают посредством инди-аторов давления (рис. 6.13).
Рис. 6.13. Индикаторы давления и их условное графическое обозначение
111
6. Информационная подсистема
В основе конструкции индикаторов давления лежит, как правило, миницилиндр одностороннего действия, окрашенный «шток» которого выдвигается при подаче давления и либо выходит за габариты индикатора (рис. 6.13, а), либо оказывается под прозрачным колпачком (рис. 6.13, б).
Индикаторы в качестве простейшего средства диагностики нередко встраивают в различные пневмоаппараты для контроля их текущего состояния.
6.5. Счетчики импульсов
Пневматические САУ циклического действия часто снабжают счетчиками импульсов (импульсных пневматических сигналов), назначение которых — контроль и визуализация числа отработанных циклов (рис. 6.14).
х
Клавиши установки числа
а
подсчитываемых сигналов
Защитная крышка
Цифровой индикатор
Клавиша ручного обнуления
Рис. 6.14. Счетчики импульсов
Счетчики импульсов выпускают в различных вариантах исполнения в зависимости от их функционального назначения. Так, счетчик, представленный на рис. 6.14, а, предназначен только для визуализации числа поступающих на его вход сигналов и ведет счет по возрастающей, т. е. суммирует поступающие сигналы (инкрементный счетчик). Обнуление счетчика (вывод в исходное состояние) выполняют вручную.
Более широкие возможности имеют счетчики, генерирующие пневматический сигнал на выходе при поступлении на вход заданного числа сигналов (рис. 6.14, б). Перед пуском на индикаторе счетчика с помощью специальных клавиш устанавливают число сигналов, которое необходимо проконтролировать (счетчик с предустановкой). Отсчет идет в сторону уменьшения (декрементный сетчик), и при достижении на индикаторе нулевого значения формируется пневматический сигнал на выходе счетчика. Вывод счетчика в исходное состояние осуществляется вручную либо внешним пневматическим сигналом, что позволяет использовать его в автоматических системах с непрерывным циклом.
В рассмотренных выше пневматических схемах для управления исполнительным пневмораспределителем сигналы подавались непосредственно от элементов информационной подсистемы. Такая ситуация возможна только в самых простых приводах. Иначе обстоит дело, если речь идет о совместной работе нескольких пневмоцилиндров или о решении сложных задач, требующих выполнения различных дополнительных условий работы привода. В таких случаях сигналы, получаемые от информационных элементов, должны обрабатываться в соответствии с требованиями технологического процесса; между ними должны быть установлены определенные логические связи. Для этой цели предназначены элементы логико-вычислительной подсистемы.
112
7. Логико-вычислительная подсистема
7. Логико-вычислительная подсистема
Логико-вычислительная (процессорная) подсистема управляющей части САУ является «мозговым центром» любой технологической установки. Уровень сложности логических связей между входными (информационными) и выходными (управляющими) сигналами зависит от количества исполнительных механизмов, которыми требуется управлять, и алгоритма их совместной работы; от необходимости обеспечить условия безопасной работы обслуживающего персонала; от степени поддержки установкой различных сервисных функций.
При проектировании системы управления приводом необходимо учитывать следующие факторы, характеризующие технологический процесс и условия работы системы:
• условия производства (пожаро- и взрывобезопасность, качество воздуха в заводской сети, квалификация обслуживающего персонала и т. п.);
• длительность отдельных операций и технологического цикла в целом (на основании этого фактора выбирают вид управления — по положению или по времени);
• тип устройств, управляющих исполнительными механизмами;
• элементную базу и логическую структуру системы управления.
Проектирование логических схем основано, как известно, на использовании законов алгебры логики, или булевой алгебры. Основные операции алгебры логики, ее аксиомы, теоремы и законы, приводятся в специальной литературе. В настоящем пособии мы рассмотрим основные логические функции и способы их реализации в дискретных пневматических системах.
7.1. Основные логические функции
Логические функции наиболее наглядно можно представить в виде таблиц истинности, в которых каждой возможной комбинации аргументов (входных сигналов) ставится в соответствие значение логической функции выходного сигнала), равное 0 или 1. Наряду с таблицами истинности (рис. 7.1, а) далее рассматриваются алгебраические записи (рис. 7.1, б) и логические символы (рис. 7.1, в) основных логических функций, а также условные графические обозначения пневматических элементов, реализующих каждую из них (рис. 7.1, г).
Логическая функция ДА (повторение)
Рис. 7.1. Логическая функция ДА
Из таблицы истинности для функции ДА следует: значение, принимаемое логической функцией Л, совпадает со значением аргумента X. Алгебраическая запись читается следующим образом: «А есть X».
В пневматических системах управления эта функция может быть реализована с помощью нормально закрытого моностабильного 3/2-пневмораспределителя (вид управления им может быть различным). Действительно, в исходном состоянии, при отсутствии управляющего воздействия на распределитель (Х= 0), сжатый воздух не поступает на его выход (А = 0). Пневматический сигнал на выходе А появляется (А = 1) только при переключении распределителя, т. е. после подачи управляющего воздействия на вход X (Х= 1).
113
7. Логико-вычислительная подсистема
Логическая функция НЕ (отрицание, или инверсия)
Само название логической функции НЕ (рис. 7.2) говорит о том, что принимаемые ею значения противоположны значению аргумента.
Алгебраическая запись читается «Л не есть А» (или «Л есть инверсное»).
Логическая функция НЕ, или логическое отрицание, реализуется в пневматических схемах с помощью нормально открытого моностабильного 3/2-пневмораспределителя. Сигнал на выходе (Л = 1) существует до тех пор, пока отсутствует входной сигнал (Х= 0). Как только сигнал на входе X появляется (Х= 1), сигнал на выходе А пропадает (Л = 0).
Как правило, функция НЕ задействуется в случаях, когда необходимо получить инверсный сигнап для реализации различного вида блокировок на технологическом оборудовании.
Логическая функция ИЛИ (дизъюнкция)
Логической функцией ИЛИ (рис. 7.3) могут быть связаны между собой не менее чем два аргумента
X Y А
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
а
A = X+Y (A =XvY)
Рис. 7.3. Логическая функция ИЛИ
Таблица истинности для нее имеет более развернутый вид по сравнению с аналогичными таблицами для логических функций ДА и НЕ, причем не только по причине добавления колонки со значениями второго (как минимум) аргумента, но и за счет увеличения числа возможных комбинаций значений аргументов.
Значением логической функции ИЛИ будет 1, если значение хотя бы одного из аргументов равно 1 (это следует из таблицы истинности). Другими словами, сигнал на выходе А появится (А = 1) в любом из трех случаев (для ситуации, показанной на рис. 7.3): присутствует сигнал на входе X (X- 1); присутствует сигнал на входе Y (Y- 1); присутствуют оба входных сигнала (X- 1 и Y- 1). Как правило, функцией ИЛИ связываются альтернативные сигналы управления.
Алгебраическая запись читается следующим образом: «Л есть Хили У».
Для реализации логической функции ИЛИ в системах пневмоавтоматики применяют логические пневмоклапаны «ИЛИ», конструкция, принцип действия и примеры применения которых будут рассмотрены ниже.
114
7. Логико-вычислительная подсистема
Логическая функция И (конъюнкция)
Логическая функция И (рис. 7.4) устанавливает, аналогично функции ИЛИ, связь между как минимум двумя аргументами.
Рис. 7.4. Логическая функция И
Функция принимает значение 1 тогда и только тогда, когда значения всех аргументов равны 1.
Алгебраическая запись читается так: «А есть Хи У».
Существует несколько способов реализации логической функции И в дискретных пневмосистемах. Один из них — применение логического пневмоклапана «И». Отсутствие сигнала хотя бы на одном из входов такого • "апана влечет за собой отсутствие сигнала и на его выходе.
7.2. Логические пневмоклапаны
Производители пневматического оборудования, как правило, не выпускают специальных элементов для вализацми логических функций ДА и НЕ. Это объясняется тем, что данные функции могут поддерживаться = спускаемыми серийно моностабильными 3/2-пневмораспределителями, нормально закрытыми (ДА) и нор-’ально открытыми (НЕ) соответственно.
Для реализации же логических функций ИЛИ и И выпускают специальные клапаны, называемые логически-пневмоклапанами.
Логический пневмоклапан «ИЛИ»
Логический пневмоклапан «ИЛИ», по существу, предсгавляет собой выполненные в едином корпусе два : братных клапана с общими запорным элементом и выходом (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Логический пневмоклапан «ИЛИ»
Подача сжатого воздуха в один из входных каналов (X или Y) вызывает перемещение клапана на противолежащее седло, что сопровождается перекрытием второго канала входа и поступлением воздуха на выход А элемента. При одновременном наличии двух различных по значению давления входных сигналов на выход приходит больший сигнал (клапан закрывает тот канал входа, в который подан меньший сигнал); при равенстве сигналов клапан будет находиться в нейтральном положении.
115
7. Логико-вычислительная подсистема
В иностранной технической литературе логические пневмоклапаны «ИЛИ» иногда называют перекидными или челночными клапанами, что связано с их принципом действия.
На первый взгляд может показаться, что для независимого управления пневмоцилиндром из двух разных мест (такая ситуация часто встречается на технологическом оборудовании) достаточно установить параллельно две пусковые кнопки, объединив их выходы через тройник (рис. 7.6, а).
Рис. 7.6. Применение логического пневмоклапана «ИЛИ»
При использовании такого варианта коммутации нажатие на любую из пусковых кнопок 1.2 или 1.4 может не привести к срабатыванию исполнительного распределителя 1.1, т. к. управляющий сигнал будет главным образом уходить в атмосферу через канал сброса второй (незадействованной) пневмокнопки, а не поступать в линию управления пневмораспределителем 1.1.
Независимое управление пневмораспределителем 1.1 и, соответственно, пуск пневмоцилиндра 1.0 из двух разных точек возможно обеспечить только путем реализации функции логического сложения (ИЛИ) сигналов от пневмокнопок 1.2 и 1.4 с помощью клапана «ИЛИ» 1.6 (рис. 7.6, б)
Логическая функция ИЛИ в принципе может быть также реализована посредством использования золотникового моностабильного распределителя с пневматическим управлением (рис. 7.7).
1.0
Рис. 7.7. Реализация логической функции ИЛИ посредством золотникового моностабильного распределителя
По команде от пневмокнопки 1.2 распределитель 1.6 переключается, в результате чего сжатый воздух от линии питания 1 подается на управление распределителем 1.1. При нажатии же на пневмокнопку 1.4 сигнал поступает в линию управления распределителем 1.1 через линию 3 пневмораспределителя 1.6.
116
7. Логико-вычислительная подсистема
Такие схематические решения применяются крайне редко, поскольку логические пневмоклапаны «ИЛИ» намного дешевле распределителей и значительно превосходят их по надежности работы.
Если функцией логического сложения (ИЛИ) необходимо связать более чем два сигнала, то применяют несколько логических пневмоклапанов «ИЛИ» (рис. 7.8).
Рис. 7.8. Логическое сложение (связь по логической функции ИЛИ) четырех сигналов
В приведенной схеме последовательное подключение клапанов «ИЛИ» позволяет осуществлять альтернативное управление цилиндром посредством любой из четырех пневмокнопок.
Логический пневмоклапан «И»
В конструкции логического пневмоклапана «И» также заложен принцип действия обратного клапана. В еди-ной корпусной детали с двумя входными и одним выходным каналами расположены два обратных клапана, запорные элементы которых жестко связаны между собой перемычкой (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Логический пневмоклапан «И»
Под действием давления сжатого воздуха при его подаче только на один из входов (X или Y) пневмоклапана соответствующий запорный элемент прижимается к своему седлу, блокируя проход воздуха к каналу выхода А •лапана. Одновременно жестко связанный с ним другой запорный элемент принудительно снимается с седла. При этом канал второго входа клапана коммутируется с его выходным каналом А. Подача сигнала на второй вход приводит к появлению сигнала на выходе А. Таким образом, на выходе пневмоклапана сигнал появляется только при наличии сигналов на обоих его входах.
117
7. Логико-вычислительная подсистема
Если значения давления входных сигналов различны, то запорный элемент прижимается к седлу со стороны того входа, на который подается больший сигнал, а на выход клапана поступает сигнал с меньшим давлением.
В зарубежной технической литературе логические пневмоклапаны «И» часто называют клапанами двух давлений.
Наглядным примером использования логического пневмоклапана «И» является реализация двуручного управления прессом В целях обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала (для защиты рук операторов) пресс включается только тогда, когда оператор одновременно воздействует двумя руками на два различных органа управления, вследствие чего исключается возможность попадания руки в зону прессования при выполнении рабочей операции (рис. 7.10).
Рис. 7.10. Применение логического пневмоклапана «И»
Использование моностабильного пневмораспределителя 1.1 для управления силовым цилиндром 1.0 обосновывается необходимостью немедленного отвода штока цилиндра в исходную позицию в случае снятия одного или обоих управляющих сигналов.
Если требуется связать функцией логического умножения (И) более чем два сигнала, то следует задействовать соответствующее количество логических пневмоклапанов «И». Например, в системе управления прессом, на котором контролируются наличие заготовки в рабочей зоне и исходное положение силового цилиндра, необходимо использовать три пневмоклапана «И» (рис. 7.11).
Рис. 7.11. Логическое умножение (связь по логической функции И) четырех сигналов
118
7. Логико-вычислительная подсистема
В представленной на данной схеме системе управления прессом пневмокнопки 1.2 и 1.4 являются пусковыми, распределитель 1.6 с управлением от толкателя контролирует наличие заготовки, а путевой выключатель 1.8 отслеживает втянутое положение штока цилиндра. Пуск пресса возможен только в том случае, когда силовой цилиндр находится в исходном положении, заготовка установлена в рабочей зоне пресса и оператором нажаты две пусковые кнопки.
Последовательное соединение большого количества пневмоклапанов «И» приводит к ослаблению результирующего выходного сигнала. Поскольку на выход каждого клапана подается меньший из двух сигналов, поступающих на их входы, то на выход всей цепочки клапанов в конечном итоге придет самый меньший из всех входных сигналов, к тому же дополнительно ослабленный за счет гидравлических потерь, имеющих место как в трубопроводах, так и в самих пневмоклапанах.
Недостатком конструкции пневмоклапана «И» является и то, что при перемещении сдвоенного обратного -лапана с одного седла на другое на выход элемента проходит слабый импульсный сигнал. Это объясняется соединением на некоторое время каналов обоих входов и выхода в процессе переключения клапана. При •очень малой длине пневмолинии, связывающей выход клапана «И», к примеру, с входом бистабильного распределителя с пневматическим управлением, может произойти несанкционированное срабатывание последнего.
Реализовать логическую функцию И можно и без применения логического пневмоклапана, например пу-ем использования нормально закрытого моностабильного 3/2-распределителя с пневматическим управлением (рис. 7.12, а).
Рис. 7.12. Схематическая реализация логической функции И
Сигнал управления на исполнительный распределитель 1.1 поступает только при подаче сжатого воздуха в • анал питания распределителя 1.6 и его переключении. Это условие выполняется лишь в случае одновременного нажатия пневмокнопок 1.2 и 1.4.
Самая простая реализация функции И обеспечивается путем последовательного соединения устройств ввода "невматического сигнала (рис. 7.12, б). Однако не всегда можно применить такое схематическое решение, •особенно в пневмосистемах со сложными логическими связями.
Упрощение логических функций
Использование алгебраической записи логических функций, примеры которой приводились в предыдущем подразделе, позволяет несколько упрощать их путем применения известных математических преобразований, например:
А=Х- Y+XZ = X- (Y+Z)
119
7. Логико-вычислительная подсистема
Формальное применение в данном соотношении алгебраического правила выноса общего множителя за скобки позволяет упростить принципиальную пневматическую схему, при этом логические взаимосвязи между сигналами сохраняются (рис. 7.13).
Рис. 7.13. Пример упрощения пневматической схемы путем упрощения логических уравнений
Не вдаваясь в подробное изучение операций над логическими функциями, рассмотрим только простые соотношения алгебры логики. В некоторых более сложных случаях представим для наглядности схематическую реализацию приводимых уравнений (рис. 7.14).
Х+ 1 = 1 (1 — постоянный пневматический сигнал);
хх=о.
120
7. Логико-вычислительная подсистема
121
7. Логико-вычислительная подсистема
7.3. Пневмоклапаны выдержки времени
Пневмоклапаны выдержки времени предназначены для регулирования временного интервала между поступающим входным и генерируемым выходным сигналами в пневматических системах управления.
Конструкции подобных устройств базируются на моностабильном 3/2-распределителе с пневматическим управлением (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Пневмоклапан выдержки времени
В пневмоклапане выдержки времени управляющий пневматический сигнал, подаваемый в канал X, поступает на приводной поршень не напрямую, как в стандартных распределителях, а после прохождения через дроссель с обратным клапаном и небольшую емкость. Настройка дросселя влияет на величину расхода воздуха, следовательно, она определяет время, за которое давление в емкости повысится до уровня, достаточного для срабатывания распределителя.
Клапан возвращается в исходное состояние одновременно со снятием сигнала управления из входного канала X, поскольку воздух из емкости практически мгновенно сбрасывается в атмосферу через обратный клапан.
В качестве примера использования пневмоклапана выдержки времени рассмотрим пневматическую схему установки для подачи деталей в гальваническую ванну (рис. 7.16).
Рис. 7.16. Применение пневмоклапана выдержки времени
Нажатием пусковой кнопки 1.2 распределитель 1.1 переключается в позицию, обеспечивающую выдвижение штока цилиндра 1.0 (подача деталей в ванну). При достижении штоком крайнего выдвинутого положения (детали опущены в ванну) включается путевой выключатель 1.3, сигнал от которого поступает на управление пневмоклапаном выдержки времени 1.5. По истечении определяемого настройкой дросселя пневмоклапана временного интервала, необходимого для нанесения гальванического покрытия на детали, с выхода клапана
122
7. Логико-вычислительная подсистема
1.5 на распределитель 1.1 подается сигнал на возврат штока цилиндра 1.0 в исходное положение (подъем готовых деталей).
Очевидно, что в пневмоклапанах выдержки времени могут применяться как нормально открытые, так и нормально закрытые распределители. При этом в зависимости от направления действия обратного клапана можно получить временную задержку либо момента включения распределителя (задержка по переднему фронту), либо момента его возврата в исходное положение (задержка по заднему фронту).
На рис. 7.17 представлены диаграммы функционирования различных пневмоклапанов выдержки времени.
Задержка по переднему фронту
Задержка по заднему фронту
X
А
X
А
Задержка по переднему и заднему фронтам
X
А
X
А
Формирователь импульса
Рис. 7.17. Диаграммы функционирования пневмоклапанов выдержки времени
123
7. Логико-вычислительная подсистема
Пневмокпапаны выдержки времени часто применяют для реализации различного рода блокировок, в частности, при осуществлении двуручного управления прессами.
Практический опыт показывает: использование логического пневмоклапана «И» (см. рис. 7.10) оказывается недостаточным условием безопасной работы операторов прессов по причине реальной возможности обеспечить постоянно включенное состояние одной из пусковых кнопок с помощью каких-либо механических средств, что дает также возможность управления пневмоцилиндром посредством только второй из двух имеющихся кнопок.
Чтобы исключить указанную возможность, применяют схемы, сигнал на выходе которых появляется только при одновременном включении двух пусковых кнопок (допускается малое — десятые доли секунды — временное рассогласование). На практике используют достаточно большое количество схемных решений для реализации двуручного управления прессами с применением пневмоклапанов выдержки времени. Рассмотрим одно из таких решений (рис. 7.18).
В исходном состоянии системы в канале управления Y распределителя 1.1 присутствует сигнал, поступающий через пневмоклапан «ИЛИ» 1.3 от обеих пусковых кнопок 1.2 и 1.4.
При одновременном (или с интервалом, не превышающим 0,5 с) нажатии пусковых кнопок 1.2 и 1.4 сигнал на выходе пневмоклапана «ИЛИ» 1.3 пропадает и через пневмоклапан «ИЛИ» 1 6 от формирователя импульса 1.8 на распределитель 1.1 (в канал X) подается импульсный сигнал (импульс) длительностью 0,5 с, приводящий к переключению распределителя 1.1, в результате чего шток цилиндра 1.0 начинает выдвигаться.
Если нажатие на пусковые кнопки осуществляется с временным интервалом, превышающим 0.5 с, то сначала в канал управления X распределителя 1.1 поступает сигнал длительностью 0,5 с от первой из нажатых кнопок. Но в канале управления Y уже присутствует сигнал от ненажатой пусковой кнопки, следовательно, переключение распределителя 1.1 не может произойти (см. раздел 5.1.2 «Бистабильные распределители»). Последующее нажатие на вторую кнопку приведет к снятию сигнала в канале Y, однако и в этот момент переключение распределителя 1.1 также не происходит, поскольку формирователь импульса 1.8 уже сработал от первой пусковой кнопки и на его входе имеется сигнал от нее.
124
7. Логико-вычислительная подсистема
При отпускании одной или обеих пусковых кнопок в канал управления Y распределителя 1.1 поступает сигнал от пневмоклапана «ИЛИ» 1.3, что приводит к незамедлительному втягиванию штока цилиндра 1.0.
Если необходимо обеспечить интервалы выдержки времени большие, чем позволяют соответствующие серийно выпускаемые пневмоклапаны (рис. 7.19), то к ним подключают дополнительные внешние пневмоемкости.
Рис. 7.19. Пневмоклапаны выдержки времени
Пневмоклапаны выдержки времени традиционного исполнения имеют один недостаток, ограничивающий область применения подобных устройств в автоматизированных системах, в которых при выполнении техно-" лческих операций требуется соблюдение точных временных интервалов. Суть этого недостатка в том, что Е эемя наполнения встроенной в клапан емкости в значительной мере зависит от степени чистоты воздуха и гсстоянства давления в сети.
Более точные временные интервалы между входными и выходными пневматическими сигналами реализу-ртся таймерами (рис. 7.20). Так, при выдержке времени до 30 секунд точность повторения составляет ± 0,3 с, - зи выдержке до 5 минут — ± 3 с.
Рис. 7.20. Таймер
Точность выдержки времени обеспечивается наличием в таймере часового механизма, в котором функцию »*еханической пружины выполняет сжатый воздух.
125
7. Логико-вычислительная подсистема
7.4, Реализация функции запоминания сигнала в пневматических системах
Под запоминанием сигнала в пневматических системах понимают сохранение сигнала на выходе устройства после снятия управляющего сигнала на его входе.
Рассмотрим в качестре примера систему управления пневмоприводом тисков, предназначенных для зажатия и удержания обрабатываемой детали после подачи команды «Зажим». Разжатие детали также должно производиться по соответствующей команде.
Функцию запоминания сигнала можно реализовать тремя способами: 1) путем использования распределителей с механическими фиксаторами (рис. 7.21, а); 2) посредством бистабильных распределителей (рис. 7.21, б); 3) на базе специальных схемных решении.
Рис. 7.21. Запоминание управляющего сигнала
Для запоминания управляющего сигнала в пневмосистемах, состоящих из моностабильных распределителей, применяют схемы с самоудержанием (рис. 7.22).
----------------------------------------------------———-------------------------
Рис. 7.22. Схема с самоудержанием на моностабильных элементах
При нажатии на пневмокнопку «Зажим» 1.2 сигнал через пневмоклапан «ИЛИ» 1.4 поступает в линию управления распределителем 1.1, вызывая его переключение. Шток цилиндра 1.0 выдвигается (зажатие детали), и одновременно сжатыи воздух подается через нормально открытый распределитель 1.3 («Разжим») и клапан «ИЛИ» 1.4 в линию управления распределителем 1.1. Именно в связи с наличием этой линии управления (так называемой ветви самоудержания) шток цилиндра 1.0 остается выдвинутым даже после отпускания кнопки 1.2 («Зажим»). Нажатие на кнопку «Разжим» 1.3 приводит к прерыванию подачи управляющего сигнала на распределитель 1.1, вследствие чего последний (а следовательно, и пневмоцилиндр 1.0) возвращается в исходное положение.
126
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.1. Циклические пневмосистемы хода
На современном производстве многие машины-автоматы, автоматические линии, а также значительная часть вспомогательного оборудования, для которого характерно строгое выполнение заданной последовательности технологических операций (шаговые транспортеры, промышленные манипуляторы, толкатели, кантователи, укладчики и т. д.), оснащены преимущественно циклическими пневматическими САУ.
Работа циклических пневматических систем, по существу, представляет собой последовательную смену фиксированных положений выходных звеньев исполнительных механизмов. При этом их крайние, а при необходимости и промежуточные положения отслеживаются элементами информационной подсистемы. Информация о состоянии исполнительных механизмов либо ведомых ими узлов технологической установки обрабатывается элементами логико-вычислительной подсистемы, на выходе которой формируется управляющий сигнал на выполнение очередного рабочего шага. Под шагом понимают процесс смены одного контролируемого датчиком положения исполнительного механизма на другое.
Число шагов, необходимых для выполнения единичного замкнутого цикла технологических операций может различаться в зависимости от сложности оборудования. Под замкнутым циклом будем понимать такую последовательность шагов, после выполнения которой система возвращается в исходное (предпусковое) состояние.
Так, один рабочий цикл рассматриваемой далее установки для перемещения коробок (рис. 8.1) состоит из четырех шагов.
Рис. 8.1. Установка для перемещения коробок
По конвейеру в произвольной последовательности и с переменным интервалом движутся коробки двух конфигурации — кубические и овальные Кубические коробки необходимо перемещать на параллельную ветвь • онвейера. Операция перемещения осуществляется посредством двух пневмоцилиндров А и В.
Когда кубическая коробка оказывается на транспортере (смещаемой секции конвейера), оператор кратковременно нажимает на пусковую пневмокнопку и шток первого цилиндра А перемещает секцию с коробкой на .ровень параллельной ветви конвейера. Далее цикл выполняется автоматически: шток второго цилиндра В сталкивает коробку с транспортера, после чего штоки обоих пневмоцилиндров возвращаются в исходные позиции — сначала шток первого, а затем и второго цилиндра.
127
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.1.1. Формы представления хода технологического процесса
Для наглядного описания хода технологического процесса будем использовать следующую буквенно-цифровую индексацию (табл. 6).
Табл. 6. Индексация, используемая для описания хода технологического процесса
Индексация Элемент
А, В, С, ... Исполнительные механизмы, например пневмоцилиндры
^о, Ьо, Со, ... Путевые выключатели, фиксирующие втянутое положение штоков цилиндров
Яъ b1t c1f ... Путевые выключатели, фиксирующие выдвинутое положение штоков цилиндров
&П1! Ьт, Ст, ... Путевые выключатели, фиксирующие промежуточное положение штоков цилиндров
Условное Обозначение Действие(процесс)
А+, В+, С+, ... Выдвижение штоков цилиндров А, В, С, ...
А- В- С-,... Втягивание штоков цилиндров А, В, С, ...
Работу установки для перемещения коробок формально можно описать различными способами. Рассмотрим наиболее часто применяемые из них.
Хронологическая форма записи
При хронологической форме записи рабочий цикл системы представляют в словесной форме (по аналогии с описанием принципа действия), но с разбиением на шаги и указанием исполнительных механизмов, выполняющих каждый шаг.
1-й шаг Выдвижение штока цилиндра А
2-й шаг Выдвижение штока цилиндра В
3-й шаг Втягивание штока цилиндра А
4-й шаг Втягивание штока цилиндра В
Арифметическая форма записи
При арифметической форме записи хода технологического процесса шаги записывают последовательно в одну строку, причем действия исполнительных механизмов поясняют условными обозначениями, указанными в табл. 6. Последовательность срабатывания пневмоцилиндров в рассматриваемой задаче (установка для перемещения коробок) будет представлена в виде
А+В+А-В-.
В случае, когда какие-либо движения исполнительных механизмов происходят одновременно, арифметическая запись производится в несколько строк таким образом, чтобы обозначения одновременных движений располагались одно под другим:
А+В+А-
В-.
Такая запись трактуется как поочередное выдвижение штоков цилиндров А и В (сначала А, затем В) с последующим их одновременным втягиванием.
128
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Табличная форма записи
Последовательное (шаг за шагом) выполнение программы можно представить в виде таблицы, в первом столбце которой указывают номера шагов, а в последующих — соответствующие действия исполнительных механизмов (табл. 7). Неподвижное состояние последних на отдельном шаге обозначается звездочкой ().
Табл. 7. Табличная форма записи хода технологического процесса
Номер шага А в с D
1 ★ * *
2 * * *
3 — ★ *
4 ★ — ★
5 * ★ *
6 — * —• —
Дополнительные затененные ячейки введены в таблицу с целью наглядной демонстрации наиболее загруженного шага некоторого технологического процесса, в котором задействованы четыре исполнительных механизма (А, В, С и D).
Строка в таблице, соответствующая 6-му шагу, содержит наименьшее число звездочек, следовательно, на 6-ом шаге одновременно работает максимальное количество исполнительных механизмов. Зная диаметры цилиндров, длины их рабочих ходов и скорости движения штоков, можно определить максимальное потребление сжатого воздуха системой. На основании полученных данных можно провести расчеты по выбору подводящих трубопроводов, а при необходимости — также подобрать компрессор требуемой производительности.
Гсафическая форма записи
Графическая (диаграммная) форма представления состояний и изменения состоянии исполнительных механизмов, информационных и управляющих устройств в технологических машинах и производственных установках является наиболее наглядной и применяется чаще других форм записи.
Полная информация о функционировании циклической САУ содержится в функциональной диаграмме, включающей диаграммы перемещений и управления (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Структура функциональной диаграммы " . - - - - _______________________________
Диаграммы перемещений отображают в графическом виде состояния исполнительных механизмов — пневмоцилиндров, пневмодвигателей и т. п., а диаграммы управления — состояния информационных и управляющих устройств.
При использовании диаграммной формы записи обозначения состояний устройств, входящих в систему, заключают в прямоугольник (для каждого шага), причем (поскольку речь идет о дискретных устройствах) изменения этих состояний представляются в диапазоне значений от 0 (устройство выключено — шток цилиндра втянут) до 1 (устройство включено — шток цилиндра выдвинут) (рис. 8.3).
129
8. Пневматические приводы технологического оборудования
1 0 1 Шток цилиндра втянут (устройство выключено) 0 Положительный поворот вала пневмодвигателя
1 0 1 Шток цилиндра выдвинут (устройство включено) 0 Отрицательный поворот вала пневмодвигателя
1 0 1 Выдвижение штока цилиндра Включение устройства (например пневмомотора)
1 0 1 Втягивание штока цилиндра 0 Включение устройства (например пневмомотора)
Рис. 8.3. Обозначения состоянии устройств при диаграммной форме записи
При изображении последовательности шагов обозначающие их прямоугольники располагают в строку, причем в отдельную для каждого исполнительного механизма. Если описывают совместную работу нескольких механизмов, то записи последовательности их шагов размещают друг под другом. Используя принятые графические символы для отображения шагов, рабочий цикл установки для перемещения коробок (см. выше) можно представить в виде диаграммы (циклограммы), выполненной в координатах «перемещение — шаг», следующим образом (рис. 8.4).
На диаграмме слева от каждой графической строки проставляют индекс устройства, изменение состояний которого она отображает (пневмоцилиндры А и В). В правой части могут быть указаны индексы путевых выключателей, отслеживающих соответствующие состояния исполнительных механизмов а0, ar b0, b.. В области над верхней графической строкой диаграммы проставляют последовательную нумерацию состояний устройств пневмосистемы перед каждым из шагов и после него (в нашем случае от 0 до 4). После окончания полного рабочего цикла, чему соответствует состояние с номером 4, система возвращается в исходное состояние с номером 0.
В установках с непрерывным циклом (в которых очередной рабочий цикл начинается автоматически, а не по команде оператора) исходное состояние обозначается цифрой 1, а не 0, и запись 5=1 означает, соответственно, момент окончания последнего шага цикла.
На диаграмме управления изображается зависимость состояний управляющих и информационных (сигнальных) устройств от шага работы системы (рис. 8.5). При этом время переключения данных устройств не принимают во внимание.
130
8. Пневматические приводы технологического оборудования
( ) 1 2 * 3 4=
Исполнительный распределитель 1 цилиндра А о
Исполнительный распределитель 1 цилиндра В о
ПУСК 0
а0 1 0
1 0
Ьо 1 0 _
bi 1 0 и
Рис. 8.5. Диаграмма управления установкой для перемещения коробок
При составлении функциональной диаграммы диаграмму управления располагают, как правило, под диаг-
ззммой перемещений (рис. 8.6).
На практике диаграммы перемещений зачастую используют самостоятельно, поскольку они дают полное представление о последовательности выполнения операций технологического процесса.
Для изображения на диаграммах сигнальных устройств, а также логических взаимосвязей между сигналами ~ эименяют следующие обозначения (рис. 8.7).
131
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Включить
Выключить
Включить - выключить
“tl 5с
Р 3,5 бар
Включено пока нажата кнопка
Аварийное отключение
Сигнал от пневмоклапана выдержки времени
Сигнал от пневмоклапана последовательности
Путевой выключатель
Логическая функция ИЛИ
Логическая функция И
Логическая функция НЕ
Разветвление сигнала
Сигнал от другого устройства
Сигнал на другое устройство
Рис. 8.7. Обозначения сигнальных устройств и логических взаимосвязей между сигналами
таким образом, в полном виде диаграмма «перемещение — шаг» установки для перемещения коробок принимает вид, показанный на рис. 8.8.
Рис. 8.8. Полная диаграмма «перемещение — шаг» установки для перемещения коробок
Если необходимо отразить скоростные характеристики исполнительных механизмов, диаграмму перемещений вычерчивают в координатах «перемещение — время» и присваивают ей соответствующее название (рис. 8.9). Применяются такие диаграммы, как правило, при пусконаладочных работах.
1 с
Рис. 8.9. Диаграмма «перемещение — воемя» установки для перемещения коробок
132
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.1.2. Методы проектирования пневматических САУ
Проектирование циклических пневматических систем представляет собой комплекс работ, связанных с пе-входом от словесного описания технологического процесса к построению принципиальной пневматической схемы. Эти работы подразделяются на этапы алгоритмического, логического и технического проектирования.
На этапе алгоритмического проектирования переводят словесное описание технологического процессе в формализованные формы представления хода процесса.
Этап логического проектирования заключается в составлении функциональной структуры системы не : :нове разработанного алгоритма ее функционирования.
Выбор элементной базы, расчет силовых и скоростных характеристик исполнительных механизмов, расчеп сходных сечений устройств и построение принципиальной схемы пневматической системы — все это осуще-
т^вляется на этапе технического проектирования.
Поскольку алгоритмы функционирования систем управления и расчет основных параметров различных пнев ' : элементов рассматривались в настоящем пособии ранее, остановимся на методах разработки принципи альных пневматических схем.
Метод составления логических уравнений
Пользуясь диаграммой «перемещение — шаг», можно описать состояния системы управления перед вы : ‘пением каждого шага в виде логических уравнений. В левой части этих уравнений записывают chmboj ee/ютвия, которое должно произойти на предстоящем шаге, а в правой — логические связи между сигналам! сгг кнопок оператора и путевых выключателей, дающих команду на выполнение этого действия.
Р ассмотрим исходное (предпусковое) состояние системы (рис. 8.10, состояние 0).
Рис. 8.10. Иллюстрация подхода к составлению системы логических уравнений
В состоянии 0 (исходном), когда штоки обоих цилиндров втянуты, активны путевые выключатели а 0 и b 0. 1гэдовательно, команда на выполнение 1-го шага А + должна подаваться при наличии сигналов от двух - = :занных устройств и кнопки «Пуск». Таким образом, можно записать следующее логическое уравнение:
А + = Пуск • а0 • Ьо.
После выполнения 1-го шага комбинация активных путевых выключателей изменится (см. состояние 1 на рис. 8.10). Выполнение 2-го шага 8+ начнется при условии поступления сигналов от выключателей а1 и Ьо. С -сюда получаем второе уравнение:
В + = а,-Ь0.
1.Ч.Ч
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Аналогичным образом составляют уравнения и для последующих шагов. Система логических уравнений, описывающая работу устройства для перемещения коробок, в конечном итоге будет иметь следующий вид:
А + = Пуск- а0'Ь0;
В + = а1-Ь0;
А- = а1Ь1\
В- = а0-Ь1.
Функциональная структура системы в логических символах, построенная на базе полученных логических уравнений, является итогом этапа логического проектирования.
Если систему управления проектируют на элементной базе заранее известного типа, то это позволяет пропустить этап разработки функциональной структуры создаваемой системы. Полученные логические уравнения можно непосредственно транслировать в принципиальную пневматическую схему, используя известные способы реализации логических функций в системах пневмоавтоматики.
Взяв для простоты за основу исполнительной подсистемы пневмоцилиндры двустороннего действия с управлением от бистабильных распределителей, получим следующую принципиальную пневматическую схему установки для перемещения коробок (рис. 8.11).
Рис. 8.11. Принципиальная пневматическая схема установки для перемещения коробок
Данную схему, безусловно, нельзя считать оптимальной, поскольку ее можно значительно упростить путем исключения избыточных сигналов. Таковыми для каждого отдельного шага считают сигналы, задействованные при формировании команды на выполнение предыдущего шага.
В рассматриваемом примере на 2-м шаге избыточен сигнал bна 3-ем — а7> на 4-ом — Ьг Очевидно, что поскольку система работает по замкнутому циклу (за 4-ым шагом следует 1-й), то сигнал а0 на 1-м шаге также является избыточным. С учетом вышесказанного система логических уравнений, описывающих работу установки для перемещения коробок, принимает следующий вид:
А + = Пуск • ;
В + = а1;
А- = Ь1\
В- = а0.
Окончательный вариант принципиальной пневматической схемы установки для перемещения коробок показан на рис. 8.12.
134
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Возвращаясь к вопросу о построении функциональных диаграмм, рассмотрим реальную диаграмму установки для перемещения коробок, представленную на рис. 8.13.
Рис. 8.13. Реальная функциональная диаграмма установки для перемещения коробок
135
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Следует иметь в виду, что рассмотренный выше способ упрощения системы логических уравнений далеко не всегда применим, поскольку некорректное его использование приводит к неправильной трактовке уравнений, особенно в случае наличия так называемых совпадающих шагов.
Под совпадающими шагами будем понимать такие шаги, уравнения для описания которых имеют одинаковые или эквивалентные правые части. Это означает, что отличающиеся друг от друга шаги (совпадающие) начинают выполняться при возникновении одной и той же комбинации сигналов от путевых выключателей.
Для иллюстрации проблемы совпадающих шагов рассмотрим пневмопривод сверлильного полуавтомата (рис. 8.14).
Рис. 8.14. Сверлильный полуавтомат и его диаграмма «перемещение — шаг»
При кратковременном нажатии на пусковую кнопку первый цилиндр А фиксирует заготовку в позиции для обработки путем ее зажатия. Далее автоматически начинает выдвигаться шток второго цилиндра В, т. е. выполняется рабочий ход инструмента. После достижения крайнего положения шток цилиндра В возвращается в исходную позицию, а затем втягивается и шток цилиндра А.
Уравнения, описывающие работу станка-полуавтомата, будут иметь вид (без упрощения)
А + = Пуск- а0-Ь0;
В + = а1Ь0;
В- = а,Ь1;
А — — Э1 Ьд
Заметим, что правые части 2-го и 4-го уравнений одинаковы, значит, при появлении комбинации сигналов а1 • Ьо выдвижение штока цилиндра В и втягивание штока цилиндра А будут происходить одновременно. Но функционирование системы подобным образом недопустимо, поскольку при этом не обеспечивается требуемый порядок выполнения рабочих операций.
Избежать одновременного выполнения 2-го и 4-го шагов можно путем формального изменения совпадающих правых частей соответствующих уравнений. С этой целью в них вводят дополнительные сигналы Х1 и X, в результате чего эти уравнения запишутся следующим образом:
В + — а1 • Ьо • Х1,
' ^0 ' ^2 '
Два дополнительных сигнала Х1 и X можно реализовать путем применения пневматического триггера, выполнение функций которого обеспечивается, к примеру, бистабильным 4/2-распределителем с пневматическим управлением. Если триггер включен, то на его выход подается сигнал Xv если выключен — сигнал Х2.
Таким образом, для решения проблемы совпадающих шагов полученную систему логических уравнений необходимо дополнить уравнениями, описывающими функционирование триггера, а именно: чтобы сигнал X. появился перед началом 2-го шага, необходимо включать триггер (Г +) перед выполнением как минимум предыдущего шага; отключать же его (Т-) следует после выполнения 2-го шага. Другими словами, триггер необхо-
*
Полуавтомат — машина (или агрегат), самостоятельно выполняющая полный рабочий цикл и требующая вмешательства извне лишь для повторения цикла. Станок-полуавтомат отрабатывает весь цикл обработки заготовки и возвращает механизмы станка в исходное положение самостоятельно, тогда как установку заготовки и снятие обработанной детали производит оператор.
136
8. Пневматические приводы технологического оборудования
димо включать перед 1-ым шагом (А +) по сигналу от путевого выключателя а0, т. е. после выполнения 4-го шага (А -), а выключать — по окончании 2-го шага (В +) по сигналу от выключателя Ь1.
Упрощение системы уравнений, содержащей совпадающие шаги, следует проводить только после дополнения правых частей соответствующих уравнений.
Рассмотренный способ хотя и решает поставленную задачу, но требует внимательности и владения навыками составления логических уравнений. Схемное же решение (рис. 8.15), к которому в итоге приходят путем применения данного способа, является, как правило, довольно громоздким. В особенности это относится к задачам с несколькими совпадающими шагами, решая которые, приходится вводить в схему уже не один, а несколько триггеров.
Рис. 8.15. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата
Составление и чтение схемы можно значительно упростить путем использования шин при ее изображении. Шинами называют горизонтальные линии, соединенные на схеме с выходами определенных устройств. В на-_»ем случае каждый из четырех путевых выключателей «питает» «свою» шину, а логические взаимосвязи реа-изуются между сигналами в соответствующих шинах.
Метод отключения сигнала
Этот метод, используемый при проектировании систем, содержащих совпадающие шаги, заключается в применении устройств, позволяющих формировать импульсный сигнал в момент достижения штоками пневмоцилиндров конечных положений.
Вернемся к системе уравнений, описывающих работу сверлильного полуавтомата, и упростим ее путем исключения избыточных сигналов:
А + = Пуск • а0;
B + = af;
В- = Ь,;
А~ = Ь0.
В полученной системе совпадающие уравнения отсутствуют. Однако следует обратить внимание на следующее: 2-ой шаг (В +) осуществляется по команде от путевого выключателя аг который остается активным и на очередном, 3-ем, шаге (В-), выполняемом по команде от путевого выключателя Это означает, что на распределитель, управляющий цилиндром В, одновременно будут поданы два противоположных сигнала управления — от путев ых выключателей а1 и Ьг В таком случае, как известно, пневмораспределитель остается в
137
8. Пневматические приводы технологического оборудования
позиции, определяемой первым из поступивших управляющих сигналов, следовательно, 3-й шаг (действие В -) выполняться не будет.
Аналогичная ситуация имеет место и при выполнении 1-го шага: в исходном состоянии путевой выключатель Ьо активен и не позволяет выполнить действие А +.
Схема станет работоспособной, если «проблемные» путевые выключатели в момент включения будут формировать не постоянный сигнал, а импульсным. Существуют различные методы получения импульсного сигнала: путем использования пневмоклапанов выдержки времени (рис. 8.16), посредством путевых выключателей с «ломающимся» рычагом (рис. 8.17) и др.
Рис. 8.16. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением пневмоклапанов выдержки времени (формирователей импульса)
В случае использования путевых выключателей с «ломающимся» рычагом устанавливать их нужно со смещением в 2 — 4 мм от точки, соответствующей конечному положению штока. Такая позиция обусловливает формирование путевым выключателем импульса при подходе штока к конечному положению и игнорирование прохождения штока через выключатель при обратном ходе.
А а0 ат в b0 b-j
Рис. 8.17. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением путевых выключателей с «ломающимся» рычагом
138
8. Пневматические приводы технологического оборудования
На пневматических схемах места установки путевых выключателей с «ломающимся» рычагом обозначают вертикальным штрихом, перпендикулярно которому ставят стрелку, указывающую направление, в котором срабатывает выключатель при движении штока пневмоцилиндра.
Метод отключения сигнала формально сводится к следующей последовательности действий:
• составляют систему логических уравнений, описывающих работу установки;
• выделяют уравнения с совпадающими правыми частями;
• упрощают систему логических уравнений путем сокращения избыточных сигналов;
• заменяют путевые выключатели, сигналы от которых входят в выделенные уравнения, на устройства, формирующие импульсный сигнал в момент своего срабатывания.
Метод разбиения на группы
Методы проектирования пневматических систем циклического действия, рассмотренные выше, требуют в -екоторой степени творческого подхода к решению поставленной задачи. В такой ситуации всегда существует вероятность совершения той или иной ошибки, свести к минимуму которую позволяют методы, характеризуемые значительной или полной формализацией процесса проектирования. К одним из них относится метод :азбиения на группы.
Под группой понимают некоторую часть единичного цикла работы системы, объединяющую максимальное -исло шагов, не содержащих противоположных действий одного и того же исполнительного механизма (выдвижение штока — втягивание штока).
Чтобы разбить последовательность действий на группы, следует воспользоваться арифметической формой записи хода технологического процесса, например:
А+С+В-В+С+С-А-
С-.
Группы будем в дальнейшем отделять друг от друга наклонной чертой (/).
1-ая группа 2-ая группа 3-я группа 4-ая группа
А+С+В-/ В + / С + / С-А-/
С-
1-ая группа заканчивается шагом В-, поскольку на следующем шаге должно выполняться противоположное действие В +; во 2-ую группу входит только один шаг — одновременное выдвижение цилиндра В (В +) и втягивание цилиндра С (С -), т. к. последующий шаг С + — выдвижение цилиндра С: 3-я группа содержит шаг С +, тогда как в 4-ую входят шаги С - и А -.
Для иллюстрации метода разбиения на группы рассмотрим пневмопривод сверлильного полуавтомата (см. рис. 8.14). Последовательность шагов в этом случае разбивают на группы следующим образом:
А + В+/ В-А-.
Поскольку входящие в группу шаги не содержат противоположных действий по определению, они могут последовательно выполняться по сигналам от соответствующих путевых выключатепей, без применения логических пневмоклапанов. 1-ый шаг (А +) выполняется по сигналу от пусковой кнопки, 2-ой (В +) — по сигналу от путевого выключателя а1 (окончание предыдущего шага), 3-ий шаг (В -, первый в следующей группе) — от выключателя bv а 4-ый (А -) — от Ьо.
Если каждую группу шагов выполнять по сигналам из отдельных шин (последовательно переключающихся), то первый шаг во 2-ой группе В - (3-ий в общей последовательности) не наложится на предшествующее ему действие 6 +, поскольку невозможно одновременное включение двух шин.
Очевидно, что питание на очередную шину должно подаваться по сигналу от путевого выключателя, фиксирующего окончание последнего шага в предыдущей группе. В нашем примере шина 2, обеспечивающая выполнение шагов 2-ой группы, включается по сигналу от путевого выключателя bv а шина 1, обеспечивающая шаги 1-ой группы, — от путевого выключателя а0:
139
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Далеко не всегда для включения очередной шины достаточно лишь одного сигнала от путевого выключателя. Для примера рассмотрим следующую последовательность шагов некоторого технологического процесса:
Д + В + С + /С-Д-/С + /С-В-.
Шины 2-ой и 4-ой группы должны включаться по сигналу от путевого выключателя cv поскольку шаг С+ является последним в 1-ой и 3-ей группах.
Однако одновременная подача питания на две шины недопустима, т. к. это приводит к невыполнению заданной последовательности шагов. Следовательно, переключение на шину очередной группы должно осуществляться по логическому произведению двух сигналов (т. е. связанных логической функцией И): сигнала об окончании заключительного шага предшествующей группы и сигнала от активной шины, обеспечивающей выполнение шагов этой же группы. Очевидно, что при включении очередной шины предыдущая шина должна отключаться.
Описанная последовательность переключения шин реализуется на базе пневматических триггеров (бистабильных пневмораспределителей) и не является предметом разработки для проектировщика системы управления в связи с наличием уже наработанных схемных решений.
Возможные схемы переключения шин представлены на рис. 8.18.
В исходном положении активна шина 2.
При поступлении сигнала Ф на пневмоклапан «И», подключенный к шине 2, триггер переключается. Акивной становится шина 1, шина 2 отключается.
При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключенный к шине 1, триггер переключается на шину 2. Шина 1 отключается.
В исходном положении активна шина 3.
При поступлении сигнала Ф на пневмоклапан «И», подключенный к шине 3, нижний триггер переключается и питание подается на шину 1 через верхний триггер. Шина 3 отключается.
При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключенный к шине 1, верхний триггер переключается на шину 2. Шина 1
отключается.
При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключенный к шине 2, нижний триггер переключается на шину 3. Шина 2 отключается.
В исходном положении активна шина 4.
При поступлении сигнала Ф на пневмоклапан «И», подключенный к шине 4, нижний триггер переключается и питание подается на шину 1 через средний и верхний триггеры. Шина 4 отключается.
При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключенный к шине 1, верхний триггер переключается на шину 2. Шина 1 отключается.
При поступлении сигнала ® на пневмоклапан «И», подключенный к шине 2, средний триггер переключается на шину 3. Шина 2
отключается.
При поступлении сигнала @ на пневмоклапан «И», подключенный к шине 3, нижний триггер переключается на шину 4. Шина 3
отключается.
Рис. 8.18. Схемы последовательного переключения шин
140
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Следует помнить, что активизация какой-либо шины возможна только в том случае, если активной является предыдущая шина.
Итак, при проектировании пневматических систем циклического действия методом разбиения на группы рекомендуется соблюдать порядок действий и правила, перечисленные ниже.
1. Представить ход технологического процесса в арифметической форме записи.
2. Разбить последовательность шагов на группы. Количество шин переключения будет равно количеству групп.
3. Сигнал на осуществление первого шага в группе подается от соответствующей шины напрямую. Каждый последующий шаг выполняется по логическому произведению сигнала от шины данной группы и сигнала от путевых выключателей, срабатывающих по окончании предшествующего шага.
4. После выполнения заключительного шага в группе необходимо переключиться на очередную шину. Сигнал на ее включение подается от подключенного к активной шине путевого выключателя, фиксирующего окончание завершающего шага в предыдущей группе.
5. В исходном положении системы питание должно подаваться на шину последней группы.
6. Включение 1-ой шины (очередной для последней шины), а следовательно, и пуск всего рабочего процесса осуществляется нажатием кнопки «Пуск» (см. п. 4).
Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата, спроектированная в соответствии с етодом разбиения на группы показана на рис. 8.19.
Рис. 8.19. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата спроектированная методом разбиения на группы
Схемное решение выглядит несколько громоздким, но его можно значительно упростить путем реализации функции И без использования логических пневмоклапанов (рис. 8.20).
141
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Все рассмотренные схемные решения для поочередного переключения трех или четырех шин имеют общий существенный недостаток: в связи с возрастанием потерь энергии сжатого воздуха при его прохождении через несколько пневмораспределителей величина сигнала в верхних шинах меньше, чем в нижних.
На рис. 8.21 приведено схемное решение, лишенное этого недостатка.
Рис. 8.21. Принцип построения переключающих регистров
В данной схеме один и тот же уровень давления в каждой шине обеспечивается подачей питания через отдельные триггеры (т. е. для каждой шины существует «свой» триггер). Количество шин при необходимости можно увеличить. Также очевидно, что схема допускает возможность модульной реализации устройств, обеспечивающих поочередное переключение шин. Именно на модульных элементах построены переключающие регистры, о которых пойдет речь в следующем подразделе.
142
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.1.3. Переключающие регистры
Переключающие регистры представляют собой набор тактовых модулей, позволяющий активизировать выходы последних строго поочередно, причем в один и тот же момент времени активным может являться выход только одного из этих модулей. В переключающие регистры могут входить модули различных типов. Рассмотрим принципиальную схему (рис. 8.22, а) одного из них — модуля типа А (рис. 8.22, б).
Рис. 8.22. Тактовый модуль типа А
Тактовый модуль типа А состоит из: триггера 2 (нормально закрытого бистабильного 3/2-пневмораспреде-"лтеля; нормально закрытого моностабильного 3/2-пневмораспределителя 1, выполняющего функцию пнев-склапана «И»; логического пневмоклапана «ИЛИ» 4; канала входа X; канала выхода А. Коммутация между отдельными тактовыми модулями осуществляется по четырем каналам: Р, Y. Z, L. Для визуализации активного состояния модуля в него встроен индикатор 3.
Канал Р служит для подвода сжатого воздуха к триггеру 2 и подключается к источнику питания. Входной • гнал Yn предназначен для включения данного модуля, а выходной Yn+ — для включения последующего. Через входной канал Z +1 осуществляется отключение данного модуля при активизации последующего, а в выходной анал Zn подается сигнал на отключение предыдущего модуля при активизации данного. По сигналу на внешний вход канала L модуль выводится в исходное положение.
Рассмотрим принцип действия модуля типа А.
При подаче сигнала в канал Yn (для 1-го модуля в тактовой цепочке — от кнопки «Пуск», для последующих — 13 канала Yn+1 предыдущего модуля) триггер 2 переключается и сжатый воздух поступает из шины питания Р в выходной канал А, соединенный со «своей» шиной. Одновременно подается также сигнал на вход распределителя 1 и в канал Zn, стыкующийся с каналом Zn+1 предыдущего модуля; этот сигнал, проходя через клапан «ИЛИ» 4, отключает триггер 2 в предыдущем модуле, что приводит к снятию сигнала в ранее активной шине.
Сигнал в канале выхода А, а следовательно, и в соответствующей шине сохраняется до тех пор, пока не будет выполнена вся последовательность движений исполнительных механизмов в той группе шагов, которая обеспечивается этой шиной. После выполнения заключительного шага данной группы сигнал от соответствующего путевого выключателя поступает на вход X и переключает пневмораспределитель 1, выход Yn+1 которого соединен с каналом включения последующего модуля Yn. Включение же последующего модуля сразу приводит - выключению данного модуля по сигналу через пневмоклапан «ИЛИ» 4 и канал Zn+1, стыкующийся через ка--»ал Zn с выходом триггера 2 последующего модуля. Таким образом, включение последующего модуля происходит при подаче сигнала на вход активного модуля, который при этом немедленно отключается.
На рис. 8.23 представлена развернутая принципиальная схема переключающего регистра, состоящего из четырех тактовых модулей
143
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Рис. 8.23. Переключающий регистр из четырех тактовых модулей
В исходном положении системы, как отмечалось выше, активным должен быть последний модуль. Как правило, это модуль типа В, отличающийся от модуля типа А тем, что пневмоклапан «ИЛИ» в нем установлен в канале включения, а не выключения триггера. Таким образом, при выводе системы в исходную позицию путем подачи сигнала в канал L модуль типа В активизируется, тогда как модуль типа А отключается. Допускается установка модуля А последним в регистре, но перед пуском системы данный модуль активизируют вручную.
Подчеркнем, что для включения 1-го модуля его канал Yn следует коммутировать через кнопку «Пуск» с каналом Yn+1 последнего модуля (активного в исходном положении системы), а с целью отключения последнего модуля при активизации 1-го требуется объединить внешней связью их каналы Zn и Zn+1.
На принципиальных пневматических схемах развернутое условное графическое обозначение переключающих регистров обычно не приводят, а используют их упрощенное изображение (рис. 8.24).
Рис. 8.24. Упрощенное обозначение переключающего регистра*
Чтобы представить себе компоновку пневматической схемы с использованием переключающего регистра, рассмотрим принципиальную пневматическую схему заполняющего устройства, показанного на рис. 8.25.
♦
Условное обозначение кнопки «Пуск» не входит в обозначение переключающего регистра.
144
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Рис. 8.25. Заполняющее устройство и его диаграмма «перемещение — шаг»
В контейнере заполняющего устройства находятся гранулы, которые следует распределять между двумя конвейерами. После нажатия кнопки «Пуск» шток цилиндра А на некоторое время открывает заслонку. Гранулы заполняют ящик 1. Затем заслонка закрывается, и бесштоковый пневмоцилиндр В передвигает под контейнер ящик 2. При этом ящик 1 с гранулами перемещается на соответствующий конвейер, а на его место ставят пустой ящик. Заслонка вновь открывается, и заполняется ящик 2, который после ее закрытия перемещается цилиндром В в исходную позицию (на второй конвейер), где его также заменяют на пустой ящик. Начать новый цикл можно нажатием кнопки «Пуск».
Принципиальная пневматическая схема описанного заполняющего устройства показана на рис. 8.26.
Рис. 8.26. Принципиальная пневматическая схема заполняющего устройства
145
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Представленная схема получена в соответствии с ранее перечисленными правилами, а именно: по имеющейся диаграмме «перемещение — шаг» последовательность шагов была записана в арифметической форме и разбита на группы следующим образом:
А-/А + В + /А-/А + В-.
Для выполнения дачной последовательности шагов, разбитой на четыре группы, использован переключающий регистр, состоящий из четырех тактовых модулей. В исходном состоянии активен последний (4-ый) модуль типа В, питание подается на четвертую шину. При нажатии на кнопку «Пуск» активизируется 1-ый модуль, сжатый воздух подается в первую шину.
Коммутация выходов переключающего регистра. Первые шаги в каждой из четырех групп (А -, А +, А -, А +) выполняются непосредственно по сигналам от 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой шин соответственно. Поскольку шаг А -входит в 1-ую и 3-ю группы и должен выполняться, если активна 1-ая или 3-я шины, то сигналы от этих шин проходят на распределитель 1.1 через логический пневмоклапан «ИЛИ» 1.3. (По этой же причине сигналы на выполнение шага А + от 2-ой и 4-ой шин также пропускаются через пневмоклапан «ИЛИ» 1.2.)
Шаги В + и В - являются последующими во 2-ой и 4-ой группах и выполняются по логическому произведению сигналов от 2-ой и 4-ой шины и путевого выключателя аг т. е. по сигналам от логических пневмоклапанов «И» 2.2 и 2.3 соответственно.
Коммутация входов переключающего регистра. Поскольку включение 2-ой и 4-ой шин происходит по сигналу от путевого выключателя а0, то сигнал подается на входы 1-го и 3-го тактовых модулей. При этом срабатывает только тот из них, перед которым в данный момент находится активный модуль.
Для включения 3-го модуля по окончании шага В + сигнал от путевого выключателя Ь1 подается на вход 2-го модуля.
После завершения единичного цикла на вход 4-го тактового модуля поступает сигнал от выключателя Ьо.
В целях облегчения проектирования системы при автоматизации технологических процессов достаточно высокой степени сложности переключающий регистр компонуют таким образом, чтобы каждый шаг цикла выполнялся от «своего» тактового модуля. При таком подходе очевидно, что нет необходимости отключать модули переключающего регистра, обеспечивающие выполнение шагов одной группы, поскольку в группе шаги с противоположными действиями отсутствуют. Для выполнения шагов, не требующих отключения предыдущего модуля в регистре, используют модули типа С (рис. 8.27).
Рис. 8.27. Тактовый модуль типа С
146
8. Пневматические приводы технологического оборудования
При использовании модулей типа С следует придерживаться следующих правил:
• первый шаг в любой группе, кроме последней, выполняется от модуля типа А, последующие — от модулей типа С;
• в последней группе первый шаг выполняется от модуля типа В, последующие — от модулей типа С.
Напомним: когда для выполнения первого шага в группе активизируется модуль типа А или типа В, через его • анал Z подается сигнал на отключение предыдущего модуля. Поскольку таковым может являться модуль типа С или, чаще, несколько подобных модулей, то по их сквозным каналам Z проходит сигнал, отключающий мо-д. ль типа А или В, который «управляет» первым шагом предыдущей группы. За отключением же данного моду- я (типа А или В) последует и отключение и всей цепочки модулей типа С.
В качестве примера использования модулей типа С рассмотрим принципиальную схему пневматической САУ, диаграмма «перемещение — шаг» которой представлена на рис. 8.28.
Тип модуля:
Запись цикла в арифметической форме
А С С АВС
Д+ В+ С+ А- В- С-
Рис. 8.28. Переключающий регистр с тактовыми модулями типа С
147
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Обратим внимание, что сигналы на включение 5-го и 6-го тактовых модулей представляют собой логические произведения сигналов от двух путевых выключателей. Необходимость логической связи данных сигналов по функции И объясняется тем, что на текущем шаге одновременно работают два исполнительных механизма (в первом случае — А и D, во втором — В и D) и команда на осуществление последующего шага может быть подана только в том случае, если оба цилиндра выполнят необходимые перемещения.
Применение отдельного тактового модуля для выполнения каждого технологического шага позволяет обойтись без реализации дополнительных логических взаимосвязей между элементами пневматической системы, что значительно упрощает и, как следствие, ускоряет процесс проектирования пневматических систем управления.
Более компактную конструкцию переключающего регистра и поддержку некоторых дополнительных функций имеет устройство, называемое квикстеппером (от английского quick step — «быстрый шаг»). Выпускаемые квикстепперы рассчитаны на 12 шагов (рис. 8.29)
Рис. 8.29. Квикстеппер и его условное графическое обозначение
Если количество шагов в единичном цикле автоматизируемой технологической установки меньше 12 (например, равно 8), то незадействованные входы/выходы квикстеппера коммутируют между собой последовательно (см. рис. 8.29). Для реализации более 12 шагов можно последовательно состыковать между собой несколько квикстепперов. Практический опыт показывает, что при количестве шагов свыше 24 целесообразно перейти на электропневматические САУ.
Применение переключающих регистров или их разновидности — квикстеппера — позволяет добиться предельной формализации процесса проектирования сколь угодно сложных технологических объектов циклического действия исключительно на базе средств пневмоавтоматики.
148
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.1.4. Реализация сервисных функций в пневматических системах
Пневматические САУ. как правило, позволяют не только выполнять технологические операции в заданной последовательности, но и осуществлять поддержку сервисных функций, обеспечивающих (полностью или частично) следующие возможности управления:
• Аварийное отключение системы (кнопка «Аварийный останов»).
При переводе системы в режим аварийного отключения возможны различные варианты прерывания ее нормальной работы: а) немедленный останов всех исполнительных механизмов; б) сброс сжатого воздуха из рабочих полостей всех (или некоторых) исполнительных механизмов; в) возврат пневмоципиндров в исходные позиции (одновременный или в строго определенной последовательности) и т. д.
• Выбор автоматического или ручного режима (кнопка «Авт/Руч»).
Переход на ручной режим позволяет управлять отдельными пневмоцилиндрами, например с целью регулирования их скоростей при пусконаладочных работах; устанавливать всю систему в исходное положение и т. п.
• Выбор режима единичного или непрерывного цикла (кнопка О/О ).
Под непрерывным циклом понимают автоматический пуск очередного цикла без осуществления каких-либо действий со стороны оператора (без использования кнопки «Пуск»).
• Прерывание непрерывного цикла (кнопка «Стоп»).
Не следует путать назначения команд «Аварийный останов» и «Стоп». В режиме аварийного отключения : абота технологической установки немедленно прерывается независимо от выполняемой стадии рабочего цикпа, тогда как при подаче команды «Стоп» система отрабатывает текущий цикл вплоть до его завершения.
Логическую организацию сервисных функций можно представить в виде алгоритмической схемы (рис. 8.30).
Рис. 8.30. Алгоритмическая схема реализации сервисных функций
Данный алгоритм может быть реализован путем применения различных схемных решений, одно из которых I :мпактно воплощается в модуле управления (рис. 8.31).
149
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Сигнал от последнего модуля переключающего регистра
К исполнительным механизмам
Аварийный останов
W\
М
ES1
Стоп Накопитель
Стартовый сигнал в систему управления
Питание системы управления (шина Р переключающего регистра)
Вывод системы управления в исходную позицию (шина L переключающего регистра)
К кнопкам ручного управления исполнительными механизмами
Автоматический режим / Ручной режим
Рис. 8.31. Модуль управления и его коммутация с внешними устройствами
В состав модуля управления входят:
— распределитель 1: срабатывает при наличии сигнала в канале Y , поступающего от последнего модуля переключающего регистра; в исходном положении системы управления распределитель 1 переключен;
— нормально открытый распределитель 2: предназначен для экстренного перевода системы из режима непрерывного цикла в режим единичного цикла;
— распределитель 3: генерирует стартовый сигнал;
— пневмоклапаны «ИЛИ» 4 и 5: первый обеспечивает подачу стартового сигнала в режимах единичного либо непрерывного цикла; через второй включается распределитель 2.
Рассмотрим работу схемы, реализующей сервисные функции на основе модуля управления.
В начальном состоянии система находится в ручном режиме, позволяющем управлять исполнительными механизмами вручную и устанавливать систему управления в исходную позицию.
Нажатием на кнопку «Автоматический/Ручной режим» система переводится в автоматический режим, т. е. подается питание на модуль управления и переключающий регистр. Кратковременное нажатие на кнопку «Пуск» сопровождается подачей сигнала через пневмоклапан «ИЛИ» 4 на распределитель 3 и началом единичного цикла. В процессе выполнения единичного цикла либо перед его пуском существует возможность перехода в режим непрерывного цикла (путем нажатия на соответствующую кнопку О/О ) при условии наличия заготовок в накопителе. Непрерывный цикл осуществляется при выводе распределителя 3 в режим самоудержания Функционирование системы в режиме непрерывного цикла автоматически прерывается при отсутствии заготовок в накопителе либо при нажатии кнопки «Стоп».
При нажатии на кнопку «Аварийный останов» сигнал от нее поступает на распределитель 2, ветвь самоумо-держания распределителя 3 размыкается, и система выходит из режима непрерывного цикла. Если это необходимо, то сигнал подается также на исполнительные механизмы и переключающий регистр (через внешний клапан «ИЛИ» подается сигнал ES1 [от английского emergency stop — «аварийный останов»]) для вывода его в исходное положение.
150
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Один из вариантов реализации сервисных функций (рис. 8.32) продемонстрируем на примере ранее рассмотренной пневматической САУ (см. рис. 8.28). С этой целью введем ряд дополнительных условий:
• обеспечение возможности выбора режима единичного или непрерывного цикла;
• немедленный возврат штоков цилиндров А и D в исходную позицию при нажатии на кнопку «Аварийный останов»;
• втягивание штока цилиндра В выполняется после втягивания штока цилиндра А;
• втягивание штока цилиндра С выполняется после втягивания штока цилиндра D.
Рис. 8.32. Вариант реализации сервисных функций с помощью модуля управления
151
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.2. Пневмогидравлические приводы
Пневматические системы управления имеют очевидные достоинства: наличие централизованного источника сжатого воздуха; простота конструкций используемой элементной базы и, как следствие, ее относительно низкая стоимость; высокие скорости движения исполнительных механизмов и т. д. Однако применение пневмогидравлических устройств и схемных решений позволяет придать комбинированным приводным системам ранее недоступные качества.
Так, при определенном сочетании конструктивных параметров пневмогидравлический цилиндр (рис. 8.33) может обеспечить более высокую, чем в гидравлическом приводе, стабильность рабочей скорости движения выходного звена.
Рис. 8.33. Пневмогидравлический цилиндр
По конструкции пневмогидравлический цилиндр аналогичен описанному ранее тандем-пневмоцилиндру с той разницей что полости цилиндра с двусторонним штоком 1 заполнены гидравлическим маслом и соединены между собой через внешний регулируемый дроссвль. Для удаления воздушных пробок из полостей гидроц.н линдра в его крышках предусмотрены специальные заглушки 2.
Выполнение полезной работы и реверсирование направления движения выходного звена в пневмогидравлическом цилиндре осуществляется посредством подачи сжатого воздуха в полости пневмоцилиндра, а стабильное значение скорости перемещения поддерживается путем дросселирования практически несжимаемой жидкости — гидравлического масла, перетекающего из одной полости гидроцилиндра в другую (рис. 8.34, а).
Если необходимо уменьшить продольный габарит пневмогидравлического исполнительного механизма, используют конструкции, в которых пневмо- и гидроцилиндр расположены параллельно один другому (рис. 8.34, б).
Рис. 8.34. Примеры пневмогидравлических приводов
152
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Поскольку при движении выходного звена в гидроцилиндре с односторонним штоком объем масла, вытесняемого из одной полости, не равен объему, освобождаемому в другой, то в подобную конструкцию вводят компенсатор.
Гидравлические цилиндры применяют в системах с пневмоприводами не только для достижения высокой стабильности скорости перемещения выходного звена. Существуют также пневмогидравлические системы с гидравлическими исполнительными механизмами, одним из преимуществ которых является возможность работы под большим давлением, что обусловливает значительную выходную мощность. Получить рабочую жидкость под давлением без применения насосного агрегата можно с помощью пневмогидравлического мульти-ликатора (рис. 8.35).
В данной конструкции шток 1 пневмоцилиндра 2 одностороннего действия служит поршнем гидравлическо-. цилиндра 3, масло из которого вытесняется в гидравлическую магистраль при подаче сжатого воздуха в •^ршневую полость 4 пневмоцилиндра. Давление гидравлической жидкости на выходе мультипликатора определяется отношением площадей поршня и штока пневмоцилиндра. В зависимости от типоразмера мультипли-jpa уровни давления сжатого воздуха на входе и масла на выходе могут соотноситься в пределах от 1:2 до t 30 Таким образом, при давлении питания в пневмосети 0,6 МПа с помощью мультипликатора можно полу-- *ть давление рабочей жидкости в гидравлической магистрали 18 МП£ (рис. 8.36).
Рис. 8.36. Пример пневмогидравлического привода с использованием мультипликатора
Такие схемные решения используют, как правило, в различного рода зажимных устройствах, в которых требуется обеспечить значительные усилия и небольшие по величине рабочие ходы.
Пневмогидравлические приводы находят применение не только в рассмотренных ранее дискретных системах, но и в системах позиционирования, которые будут рассмотрены ниже
153
8. Пневматические приводы технологического оборудования
8.3. Системы позиционирования
Расширение функциональных, технологических и эксплуатационных возможностей ряда машин связано с решением проблемы позиционирования выходного звена исполнительного механизма без использования жестких упоров и, соответственно, с отказом от циклических систем управления, которые характеризуются тем. что число промежуточных точек позиционирования мало, а закон движения рабочих органов не имеет существенного значения.
В зависимости от предъявляемых требований (число точек позиционирования выходного звена и частоты их смены; точность отработки приводом заданного перемещения, допустимые динамические нагрузки; необходимость регулирования скорости движения) применяют приводы с различной структурой и принципами управления движением выходного звена (рис. 8.37).
Позиционные приводы
Дискретные Непрерывные
С жесткой настройкой \ координаты позиционирования Гибкие с дискретным ' заданием координаты позиционирования ни= С силовым управляющим воздействием на выходе С аналоговым управляющим воздействием на входе ч С импульсным управляющим воздействием ' на входе
Рис. 8.37. Классификация позиционных приводов
К группе дискретных позиционных приводов относятся описанные выше пневмоприводы циклического действия, работающие по принципу «от упора до упора». В данном же разделе будут рассматриваться непрерывные позиционные приводы, или позиционеры, характерная особенность которых — возможность обеспечения бесконечно большого числа точек позиционирования выходного звена
Как видно из приведенной классификации, существует два принципиально различных способа управления непрерывными позиционными пневмоприводами: посредством торможения выходного звена или связанных с ним механизмов и путем регулирования энергии пневмодвигателя.
Управление посредством торможения основано на том, что движущая сила неуправляема, а регулирование скорости и позиционирование осуществляются путем создания дополнительной силы сопротивления движению. Сопротивление движению формируется различными управляемыми или неуправляемыми тормозными устройствами, связанными с выходным звеном .
Для регулирования скорости движения и позиционирования подобных пневмоприводов широко применяют гидравлические механизмы с замкнутой циркуляцией жидкости. В качестве регулируемого дросселя с дистанционным управлением, встраиваемого в гидравлический контур, используются дросселирующие гидрораспределители с пропорциональным управлением (рис. 8.38).
В зависимости от природы сил сопротивления различают механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные тормозные устройства.
154
8 Пневматические приводы технологического оборудования
Рис. 8.38. Пневмогидравлический позиционер с дросселирующим распределителем
В отличие от дискретных распределителей с электромагнитным управлением в дросселирующих распреде--хтелях запорно-регулирующий элемент во всем диапазоне своего перемещения может занимать любое промежуточное положение (о чем говорят две параллельные линии на условном обозначении подобного распределителя), определяя тем самым расход жидкости, протекающей через распределитель. Такое управление -* *-<южением запорно- регулирующего элемента осуществляется посредством регулируемого (пропорциональ--rwo) магнита, перемещение якоря которого прямо пропорционально силе постоянного электрического тока напряжению, подаваемому на магнит. Использование распределителей с пропорциональным управлени-Ь тозволяет не только позиционировать выходное звено исполнительного механизма, но и обеспечить его ремещение со скоростью, значение которой может изменяться по заданному закону.
' сновная цель при позиционном управлении — уменьшение ошибок позиционирования, что достигается г-едением обратных связей по различным параметрам — перемещению, скорости, давлению и т. п. При этом <- |яющее воздействие, как правило, подается на вход двигателя, а сигнал обратной связи, например по - мещению, снимается на его выходе. Именно по такому принципу строят следящие системы.
Следящая система — система автоматического управления, в которой выходная величина при помощи '1ратвой связи с определенной точностью воспроизводит входную (задающую) величину, характер изменения Врой заранее не известен (рис. 8.39).
Рис. 8.39. Принцип действия следящего привода
Механизм управления следящим приводом состоит из двух кинематически связанных рычагов (рис. 8.39, а).
При смещении рычага управления вправо на величину х (рис. 8.39, б) золотник распределителя смещается тево; левая полость цилиндра соединяется с напорной магистралью, а правая — с выхлопной. При этом шток длиндра начинает перемещаться вправо. Движение штока передается через систему рычагов на золотник, • яорый также начинает смещаться вправо. Шток будет выдвигаться до тех пор, пока он не займет положение,
• порому при фиксированной величине х соответствует нейтральное положение золотника (рис. 8.39, в). Таким "разом, рычагом управления осуществляется входное воздействие на данный следящий привод, а рычагом, язанным со штоком цилиндра, обеспечивается механическая обратная связь. Коэффициент передачи х!у
-зивода зависит от отношений плеч рычагов механизма управления.
155
8. Пневматические приводы технологического оборудования
На рис. 8.40. а показан следящий пневмопривод с управлением по давлению и обратной механической связью по положению.
Рис. 8.40. Следящий привод с управлением по давлению и обратной механической связью по положению
Управление выходным звеном привода осуществляется посредством золотникового распределителя 1 (рис. 8.40. б), положение золотника 2 которого задается усилителем типа «сопло — заслонка» 4 Питание на сопло, выполненное в правом торце золотника 2, подводится от канала питания с давлением рпит через дроссель 3. Положение заслонки задается путем изменения давления р^р.
В исходном состоянии (рис. 8.40, б) давление в управляющей полости В распределителя меньше, чем в полости А, т. к. сжатый воздух из полости В выходит в атмосферу через сопло; золотник находится в нейтральном положении, поскольку площади мембран, управляющих золотником, различны.
При увеличении давления рупр заслонка вследствие неравенства площадей управляющих ею мембран смещается влево (рис. 8.40, в), давление в полости В возрастает, в результате чего золотник также смещается влево и шток цилиндра выдвигается. При этом на заслонку передается тяга от пружины обратной связи 5, что приводит при определенном положении штока к возврату заслонки в исходную позицию и. как следствие, выводу золотника в нейтральное положение. Шток цилиндра останавливается в новом положении.
Уменьшение давления управления рупр сопровождается втягиванием штока (рис. 8.40, г).
В настоящее время в различных отраслях промышленности интенсивно внедряются позиционные и следящие приводы, построенные на базе пневматических дросселирующих распределителей с пропорциональным управлением (рис. 8.41).
156
8. Пневматические приводы технологического оборудования
Рис. 8.41. Функциональная схема пневматического позиционера на базе дросселирующего пневмораспределителя с пропорциональным управлением
Сигнал о текущем положении выходного звена исполнительного механизма (бесштокового пневмоцилинд-: । с ленточным управлением) от аналогового датчика перемещения поступает на сумматор, где сравнивается входным задающим сигналом UBx. Разность сигналов поступает на усилитель и далее на дросселирующий евмораспределитель. В момент, когда значения сигналов совпадают, пневмораспределитель устанавлива-I ся в нейтральном положении и выходное звено исполнительного механизма останавливается.
В ответственных приводах используют распределители с замкнутым контуром регулирования положения -.оря электромагнита (а следовательно, и запорно-регулирующего элемента), для чего последний снабжают троенным датчиком перемещения.
В качестве примера следящего привода с дискретным управляющим воздействием на входе рассмотрим ^ивод, имеющий одну дискретно управляемую полость (рис. 8.42).
Рис. 8.42. Следящий пневмопривод с релейным управлением
Силовая часть привода состоит из пневмоцилиндра, в поршневой полости которого поддерживается постоянное по величине давление рг более низкое, чем давление питания. Измерительная часть привода включает датчики давления ДД, датчики скорости v и перемещения х. Задающий сигнал хз сравнивается с суммарным Риалом датчиков обратных связей. Сигнал рассогласования, значение которого равно разности данных сигналов, поступает на релейный усилитель мощности, формирующий на выходе однополярные сигналы, подающиеся на 3/2-пневмораспределитель с электромагнитным управлением.
При наличии задающего сигнала, соответствующего заданной координате, управляющий распределитель соединяет штоковую полость с атмосферой и поршень начинает перемешаться вправо до тех пор, пока сигнал рассогласования не поменяет знак. При этом распределитель переключается и соединяет штоковую полость цилиндра с магистралью, давление р2 растет, а скорость поршня падает. Однако вследствие возрастания давления рг сигнал рассогласования меняет знак и распределитель вновь соединяет штоковую полость с амосфе-рой, давление р2 падает и т. д. Таким образом, среднее значение давления рг в штоковой полости автоматически поддерживается на таком уровне, чтобы уравновешивались все силы, действующие на поршень, и он оставался вблизи точки позиционирования. Автоколебания на уровне пульсаций давления, имеющие место в описываемой конструкции, не передаются на выходное звено привода.
157
9 Релейно-контактные системы управления
9. Релейно-контактные системы управления
Область применения САУ, однородных по физическому принципу действия (например, гидравлических, пневматических или электрических), ограничивается недостатками, присущими каждой из них. Стремление свести к минимуму отрицательные свойства вновь создаваемых систем послужило причиной появления комбинированных (гибридных) структур. Подобные структуры состоят из элементов, функционирующих на основе различных физических принципов, что позволяет использовать положительные свойства применяемых элементов с максимальной отдачей. Наиболее распространены в технике САУ с электрической управляющей частью — как самой быстродействующей, гибкой и компактной.
В электропневматических системах, силовая часть которых выполнена на пневматической элементной базе, а управляющая — на электрической, сочетаются высокие скорости перемещений исполнительных механизмов и высокие скорости формирования и обработки управляющих электрических сигналов, простота регулирования развиваемых усилий и высокая взаимозаменяемость информационных и коммутирующих электрических элементов
Несмотря на то что в настоящее время широко используются и активно продолжают внедряться в производство электронные системы управления на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК), электрические управляющие системы по-прежнему часто применяются в связи с простотой, удобством коммутации, а главное — невысокой ценой.
Безусловным достоинством релейно-контактных схем, на основе которых разрабатывают электрические управляющие системы, является их универсальность, т. е. возможность использования одного и того же схематического решения для управления силовыми частями приводов, построенных на базе как пневматических, так и гидравлических устройств.
В данном разделе рассматриваются электрические системы управления, выполненные на основе релейноконтактных устройств (рис. 9.1).
Электрическая
Пневматическая
управляющая часть силовая часть
Поток чформации т “►
24 В
Устройство ввода электрического сигнала
Устройство обработки электрического сигнала
Устройство преобразования электрического сигнала в пневматический
О В
Рис. 9.1. Электропневматический привод
С целью облегчить понимание основных принципов построения релейно-контактных схем и подчеркнуть функциональные признаки отдельных электротехнических устройств будем использовать наряду с общепринятыми также некоторые символы и цифровые обозначения контакт-элементов, отличающиеся от приводимых в соответствующих отечественных стандартах.
158
9 Релейно-контактные системы управления
9.1. Устройства ввода электрических сигналов
Если придерживаться терминологии, которую мы использовали для описания структуры управляющей части приводов в разделе 1 «Структура пневматических приводов», то устройства ввода электрических сигналов можно отнести к элементам информационной подсистемы. Назначение данных устройств — вводить электрические сигналы в систему управления или передавать их для последующей обработки и преобразования путем замыкания определенных участков электрической цепи.
Основными конструктивными элементами этих устройств являются контактная система, состоящая из подвижных и неподвижных контакт-элементов, и привод. Электрические контакты делятся по функциональному назначению на замыкающие, размыкающие и переключающие (рис. 9.2).
Наименование Схема Условное графическое обозначение
Размыкающий ^0 ь 1 2
Замыкающий г — I3 h
Переключающий I 1 4
Рис. 9.2. Типы контактов и их условные графические обозначения
Тип контакта определяется помимо условного обозначения также цифровой индексацией. Клеммы размыкаю-_ гго контакта обозначаются цифрами 1 и 2, замыкающего — 3 и 4, переключающего — 1, 2, 4. Допускается гхапьное изображение обозначений контактов по сравнению с приведенными на рис. 9.2.
Считается, что при отсутствии управляющего воздействия контакты находятся в нормальной позиции. В I ответствии с данным положением замыкающий контакт называют нормально разомкнутым, а размыкающий - нормально замкнутым.
9.1.1. Кнопочные выключатели (кнопки управления)
Кнопочными выключателями называют устройства ввода электрических сигналов с ручным управлением емс. 9.3).
Рис. 9.3. Кнопочные выключатели: а) одноконтактный; б) двухконтактный
159
9. Релейно-контактные системы управления
Контакты кнопочных выключателей имеют различные условные обозначения на схемах в зависимости от конструктивного исполнения приводного механизма (рис. 9.4).
J3 Замыкающий контакт кнопочного выключателя
ь г V (общее обозначение)
S [- J3 Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в
|4 действие нажатием кнопки
I 3 Замыкающий контакт кнопочного выключателя с механической
b tv V фиксацией положения
S}- г Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в
|4 действие вытягиванием кнопки
SJ- Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в
|4 действие путем поворота
Рис. 9.4.Обозначения контактов кнопочных выключателей
На принципиальных электрических схемах рядом с изображением контакта проставляют буквенно-цифровую индексацию устройства, включающего данный контакт. Устройства ввода электрических сигналов обычно обозначают латинскими буквами S или В.
В случаях, когда выключатели имеют несколько контактных групп, клеммы контактов обозначают двузначным числом, первая цифра которого указывает на порядковый номер контактной группы в данном устройстве, а вторая — на тип контакта (см. рис. 9.3, б).
Если контакты подобного выключателя задействованы в разных цепях, то на схеме допускается изображение механической связи между ними (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Варианты изображения многоконтактных кнопочных выключателей
Выключатели применяют для пуска-останова технологических процессов, а также для управления исполнительными механизмами в ручном режиме. Монтируют кнопочные выключатели, как правило, на щитах или на пультах управления.
Наиболее ответственным звеном в электрических системах управления являются первичные преобразователи параметров управляемого процесса в электрический сигнал, среди которых большинство составляют датчики положения (путевые выключатели), выдающие на выходе дискретный электрический сигнал
160
9. Релейно-контактные системы управления
9.1.2. Электромеханические путевые (концевые) выключатели
Путевые выключатели предназначены для автоматической коммутации релейно-контактных цепей в электрической управляющей части привода, когда подвижные элементы приводимой в действие установки достигают положения, требующего изменения режима ее работы.
В электромеханических путевых выключателях коммутация контактов осуществляется при механическом воздействии контролируемого объекта на чувствительный элемент (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Электромеханический путевой выключатель
Нв принципиальных электрических схемах условные графические обозначения контактов электромеханических путевых выключателей могут быть представлены в следующем виде (рис 9.7).
S Переключающий контакт путевого выключателя
S !-ч: Переключающий контакт путевого выключателя с управляющим воздействием от толкателя с "ломающимся" рычагом
S ^ч: Переключающий контакт путевого выключателя активизированный в исходном состоянии контролируемым объектом
Рис. 9.7. Условные графические обозначения контактов путевых выключателей
Электромеханические путевые выключатели чаще всего применяют для управления автоматизированными линиями, в которых необходимо контролировать положение изделий либо подвижных узлов установки, а также ограничивать перемещения последних (например, в качестве аварийных датчиков в грузоподъемных машинах).
Электромеханические путевые выключатели являются наиболее слабым звеном в системах электроавтоматики. Такая ситуация объясняется, в первую очередь, необходимостью установки путевых выключателей непосредственно у рабочих элементов технологического оборудования, находящихся в тяжелых условиях эксплуатации (ударные нагрузки, вибрации, запыленность). Данная особенность местоположения путевых выключателей обусловливает специфические требования к их надежности, помехоустойчивости, сроку службы, габаритным размерам (а также накладывает другие ограничения) . Большинство задач, возникающих в связи с этими требованиями, можно решить (и они решаются) путем использования бесконтактных путевых выключателей.
Изделия и оборудование, выпускаемые электротехнической промышленностью, имеют различные степени защиты от попадания внутрь оболочки посторонних твердых тел и воды и от соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или движущимися частями (см. приложение 1.5)
161
9. Релейно-контактные системы управления
9.1.3. Бесконтактные путевые выключатели
Бесконтактными называют выключатели, в которых выходной сигнал формируется без механического контакта с контролируемым объектом.
Гврконовые путевые выключатели
Путевые выключатели, в которых коммутация электрических контактов осуществляется под действием внешнего магнитного поля, называются герконовыми. Геркон (герметический контакт) представляет собой переключатель с пружинными контактами (в виде пластин) из ферромагнитного материала, запаянными в герметичную стеклянную колбу (наполненную газом или вакуумированную). Попадая в магнитное поле, контакты намагничиваются и притягиваются друг к другу, замыкая электрическую цепь.
Герконовые выключатели (рис. 9.8) традиционно применяют с целью контроля крайних положений выходных звеньев пневмоцилиндров, поршни которых снабжены постоянными магнитами. Для индикации включенного состояния герконовые выключатели снабжают светодиодами.
Поскольку герконовые выключатели устанавливают непосредственно на гильзах цилиндров, а не в зоне рабочих ходов исполнительных механизмов, приводы, снабженные такими выключателями, становятся более компактными.
В зависимости от варианта конструктивного исполнения (двухпроводная или трехпроводная схема подключения) коммутация герконовых выключателей с нагрузкой (устройством, на которое подается электрический сигнал) будет различной (рис. 9.9, а). На схемах герконовые выключатели обозначают латинской буквой S (рис. 9.9, б).
Рис. 9.9. Двух- и трехпроводные схемы включения герконовых выключателей и их изображение на принципиальных пневматических схемах
Герконовые выключатели выпускают не только с замыкающими контактами, но и с размыкающими и переключающими.
Строго говоря, выключатели на герконах занимают промежуточное положение: будучи контактными выключателями, они в то же время являются выключателями параметрического действия, т. е. для их срабатывания не требуется механического контакта с подвижным управляющим элементом
162
9. Релейно-контактные системы управления
Электронные путевые выключатели
Электронные путевые выключатели не имеют электрических контактов и других подвижных элементов, что делает их более надежными и долговечными по сравнению с электромеханическими и герконовыми.
Выходной электрический сигнал в электронных путевых выключателях вырабатывается электронной схемой при попадании контролируемого объекта в зону действия выключателя. В зависимости от принципа работы различают выключатели генераторного и волнового типов. Наиболее распространены индуктивные и емкостные выключатели (в которых используют датчики генераторного типа), а также оптические (в которых применяют датчики волнового типа).
Принцип действия выключателей генераторного типа заключается в изменении параметров колебательного контура генератора, встроенного в их корпус, при вводе контролируемого объекта в зону срабатывания выключателя (рис. 9.10),
12 3 4
Рис. 9.10. Выключатели генераторного типа: а) структурная схема, б) внешний вид
При подаче питания на путевой выключатель его генератор 1 создает переменное магнитное поле. Контролируемый объект в зоне срабатывания выключателя вызывает изменение амплитуды колебаний генератора, что приводит к выработке аналогового сигнала, величина которого зависит от расстояния между выключателем и контролируемым объектом. Триггер 2 преобразует аналоговый сигнал в дискретный, который и подается через усилитель 3 на нагрузку 4.
Параметром, в результате изменения которого перемещение контролируемого объекта преобразуется в электрический сигнал, является индуктивное или емкостное сопротивление колебательного контура генератора 1. что и отражается в названии выключателя.
На условном графическом обозначении бесконтактных путевых выключателей может быть приведен символ, определяющий тип выключателя (индуктивный или емкостный), а также тип контакта, функции которого выключатель выполняет (рис. 9.11).
Индуктивный путевой выключатель формирует сигнал на выходе, если в зоне его действия находится металлический объект (в данном случае выключатель отключает сигнал, поскольку выполняет функцию размыкателя, что следует из его УГО).
Емкостной путевой выключатель формирует сигнал на выходе, если в зоне его действия находится металлический или неметаллический объект, величина диэлектрической проницаемости которого больше единицы.
Рис. 9.11. Условные графические обозначения и схемы подключения индуктивных и емкостных путевых выключателей
При установке нескольких индуктивных датчиков в металлические корпусные детали технологического оборудования следует придерживаться рекомендаций, перечисленных ниже (рис. 9.12).
163
9 Релейно-контактные системы управления
Индуктивные выключатели, встраиваемые заподлицо в металл
Бесконтактные выключатели могут быть встроены в металл на одном уровне с торцевой чувствительной поверхностью без изменения рабочих параметров. Расстояние между двумя соседними выключателями должно составлять не менее величины диаметра датчика.
Индуктивные выключатели, не встраиваемые заподлицо в металл
Бесконтактный выключатель не является встраиваемым в металл, если для поддержания установленного значения какого-либо параметра такого выключателя требуется свободная зона, в которой не должны находиться материалы, влияющие на данный параметр
Встречное расположение выключателей
Расстояние между активными поверхностями датчиков должно быть больше величины 3S
Рис. 9.12. Установка нескольких индуктивных путевых выключателей
Здесь величина — номинальное расстояние переключения — такое расстояние от активной поверхности выключателя до приближающегося к нему объекта, при достижении которого последний вызывает гарантированное срабатывание выключателя.
В большинстве емкостных выключателей для изменения их чувствительности используют регулировочные потенциометры (рис. 9.13, а). Предел чувствительности можно настроить таким образом, что выключатель не будет реагировать на те материалы, диэлектрическая проницаемость которых недостаточно велика для его срабатывания. Таким образом, появляется возможность, к примеру, определения уровня жидкости в пластиковых бутылках через их стенки, индикации наличия содержимого в картонных коробках и т. п. (рис. 9.13, б).
164
9. Релейно-контактные системы управления
Работа оптических (фотоэлектрических) путевых выключателей (рис. 9.14) основана на изменении освещенности фоточувствительного элемента (фотоприемника) при перемещениях контролируемого объекта.
Рис. 9.14. Оптический путевой выключатель: а) структурная схема; б) условное обозначение и схема подключения
Конструкция оптического выключателя (датчика) включает: излучатель и приемник 1, которые могут располагаться как в одном, так и в разных корпусах; логическую цепь 2, осуществляющую сравнение параметров излучаемого и воспринимаемого светового потока; усилитель 3, сигнал от которого поступает на нагрузку 4. Наличие логической цепи в датчике исключает возможность его ложного срабатывания от посторонних источников света.
Оптические датчики характеризуются большим разнообразием вариантов конструктивного исполнения (рис. 9.15).
Датчики типа «разнесенная оптика» состоят из двух корпусов — приемника и излучателя, которые должны располагаться строго друг напротив друга.
Датчики с отражением от катафота (световозвращателя) содержат излучатель и приемник в едином корпусе. Катафот входит в состав датчика.
Датчики с отражением луча от контролируемого объекта.
Датчики с оптоволоконными проводами используются в случаях, когда для самого датчика не хватает места в рабочей зоне.
Рис. 9.15. Оптические путевые выключатели
На электрических схемах бесконтактным путевым выключателям присваивают буквенно-цифровые индексы например В1, В2 и т. д. Исключение могут составить герконовые выключатели, которые, как и контактные выключатели, часто обозначвют латинской буквой S.
165
9. Релейно-контактные системы управления
9.2. Устройства обработки электрических сигналов
Для обработки электрических сигналов применяют реле—устройства для автоматической коммутации электрических цепей по внешнему управляющему сигналу. Коммутация контактов в реле (рис. 9.16) осуществляется благодаря встроенному маломощному электромагнитному приводу.
Возвратная пружина
Контакты
Рис. 9.16. Реле
При подаче напряжения проходящий через обмотку катушки электрический ток создает электромагнитное поле, под действием которого якорь притягивается к сердечнику катушки. Сам якорь, в свою очередь, механически соединен с контактами, которые либо размыкаются, либо замыкаются. После снятия напряжения якорь выводится в исходное положение возвратной пружиной.
На схемах реле присваивают буквенно-цифровые обозначения (например: К1, К2, КЗ), а клеммам их контактов — двузначный цифровой индекс, первая цифра которого означает порядковый номер контакта в данном реле, а вторая — тип контакта (рис. 9.17, а).
24 В 1 2
+ 1 0 т
о
2
б
Рис. 9.17. Условное графическое обозначение реле
На принципиальных электрических схемах ограничиваются изображением электропривода реле без механической связи с контактами (рис. 9.17, б). Контактам же, располагающимся в различных цепях схемы дополнительно присваивают буквенно-цифровое обозначение, ранее назначенное данному реле. Под изображением электропривода реле вычерчивают таблицу, в заголовке которой приводят информацию о типе контактов в данном реле. В соответствующие столбцы таблицы заносят номера цепей, в которых эти контакты расположены.
В системах, работающих от источника постоянного тока, одну из клемм электромагнитного привода реле или другого устройства (например, распределителя) соединяют с отрицательным полюсом («-») источника питания напрямую, а вторую — через контакты устройств ввода электрического сигнала — с положительным полюсом («-»») источника.
Реле используют в качестве коммутирующих устройств с дистанционным управлением, а также для гальванической развязки управляющих и силовых электрических цепей.
166
9 Релейно-контактные системы управления
Реле времени
Для замыкания или размыкания электрических цепей через заданный промежуток времени после подачи или снятия управляющего сигнала применяют реле времени (рис. 9.18).
В отличие от индексации клемм контактов, описанной ранее, в реле времени клеммы нормально замкнутого контакта обозначают цифрами 5 и 6, а нормально разомкнутого — 7 и 8 (рис. 9.19).
Рис. 9.19. Обозначение реле времени и их контактов на схемах
Обратим внимание на то, что обозначения контактов реле времени снабжены дополнительными дугами, указывающими на замедленное срабатывание контакта при его движении в направлении центра кривизны дуги. В звпаднеевропейских стандартах обозначение реле времени с задержкой включения (задержкой по переднему фронту) аналогично принятому в отечественных стандартах (см. рис. 9.18), тогда как обозначение реле с задержкой выключения (задержкой по заднему фронту) отличается от него и обозначается символом
На отечественных и зарубежных электрических схемах реле с задержкой включения и выключения обозначают следующим образом (рис. 9.20).
Рис. 9.20. Обозначение реле времени с задержкой включения и выключения на электрических схемах: а) отечественных; б) зарубежных
Рядом с условными обозначениями реле времени рекомендуется указывать его временные характеристики.
167
9 Релейно-контактные системы управления
9.3. Устройства преобразования сигналов
В электропневматических приводах связь между управляющей электрической и силовой пневматической частями обеспечивается преобразователями: электропневматическими (ЭПП) и пневмозлектрическими (ПЭП).
9.3.1. Электропневматические преобразователи
К электропневматическим преобразователям относятся пневматические распределители с электромагнитным упрввлением, поскольку в них входной управляющий электрический сигнал преобразуется в выходной пневматический.
Рис. 9.21. Электропневматические преобразователи (распределители)
Для обозначения электропневматических распределителей на пневматических и электрических принципиальных схемах приняты различные условные обозначения (рис. 9.22).
На пневматической схеме — На электрической схеме
Y1 Y1 У1[ф-$
Y1 Y2 Y1 Г7^т\11щ Y2 У1 пИ-$-|ф Y2 или Y1 НП-% Y2 ф|-$
Рис. 9.22. Условные обозначения электропневматических распределителей
Буквенно-цифровую индексацию (Y1, Y2, Y3,...), присваиваемую электромагнитным приводам распределителей проставляют рядом с их изображениями как на принципиальной пневматической, так и на принципиальной электрической схемах. Тем самым устанавливают однозначную связь между элементами управляющей и силовой частей привода.
168
9. Релейно-контактные системы управления
9.3.2. Пневмоэлектрические преобразователи (реле давления)
Назначение пневмоэлектрических преобразователей (рис. 9.23) — формировать электрический сигнал на выходе или коммутировать определенные участки электрической цепи при появлении на входе пневматического сигнала заданной величины.
Рис. 9.23. Пневмоэлектрический преобразователь (реле давления)
По существу, реле давления представляет собой электрический выключатель 3 с приводом от мини-пневмоцилиндра одностороннего действия 2. Значение порога срабатывания реле настраивают посредством регулировочной гайки 1, вращением которой можно изменять силу предварительного поджатия пружины пневмоцилиндра. Настраивая реле, необходимо помнить о различии значений давления, при которых происходит его включение и выключение, вследствие явления гистерезиса пружины.
Условное обозначение реле давления на пневматических и электрических схемах показаны на рис. 9.24.
На пневматической схеме На электрической схеме
— / л или 14 4
Рис. 9.24. Условное обозначение реле давления
Реле давления применяют с целью контроля заданного значения давления в пневматических системах, а следовательно, усилий, развиваемых пневмоцилиндрами (рис. 9.25).
При кратковременном нажатии на кнопку S1 включается электромагнитный привод Y1 распределителя 1 1 и шток цилиндра 1.0 начинает выдвигаться. После того как шток достигнет крайнего положения, давление в поршневой полости начинает повышаться; когда его значение возрастет до 0,25 МПа (2,5 бар), сработает реле давления В1, что приведет к включению электромагнитного привода Y2 распределителя 1.1. Распределитель переключается, шток цилиндра 1.0 втягивается.
169
9 Релейно-контактные системы управления
9.4. Реализация логических функций в релейно-контактных системах управления
Логические функции в релейно-контактных системах управления реализуются путем схематических решений, представленных в табл. 8.
Табл. 8. Реализация логических функций в релейно-контактных системах управления
Логическая функция ДА
Логическая функция ДА реализуется путем использования замыкающего контакта Электрический сигнал не поступает на привод распределителя Y1, если не нажата кнопка S1; в противном случае он подается на привод Y1.
S1EA YlC
S1 Y1 3
0 0
1 1
Y1=S
Логическая функция НЕ
Логическая функция НЕ реализуется путем использования размыкающего контакта. Электрический сигнал подается на электропривод Y1 при ненажатой кнопке S1: если же кнопка S1 нажата, то на привод распределителя Y1 электрический сигнал не поступает.
S1E- YlC
S1 Y1
0 1
1 0
Y1=S
Логическая функция ИЛИ
Для реализации логической функции ИЛИ устройства ввода электрических сигналов располагают в параллельно работающих ветвях электроцепи. Сигнал на электропривод распределителя Y1 подается в том случае, если нажата хотя бы одна из кнопок S1 или S2.
S1 S2 Y1 si[A з x 4S2E-X 3 4
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
/1=S1+S2
Логическая функция И
Для реализации логической функции И устройства ввода электрических сигналов располагают последовательно в одной электроцепи. Управляющий сигнал на электропривод распределителя Y1 подается только в том случае, если одновременно нажаты обе кнопки S1 и S2.
S1 S2 У7
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Y1=S1S2
170
9 Релейно-контактные системы управления
9.5. Реализация функции запоминания сигнала в релейно-контактных системах управления
Запоминание кратковременного входного электрического сигнала осуществляется путем включения реле по схемам с самоудержанием. Суть подобных схемных решений состоит в том, что для управления реле подключают параллельно две цепи, одна из которых содержит замыкающий контакт данного реле.
Рассмотрим в качестве примера электропневматический привод, в котором шток цилиндра двустороннего действия, управляемого моностабильным распределителем с электропневматическим управлением, достигает выдвинутого конечного положения (и остается в нем) после кратковременного нажатия на кнопку S1, тогда как втягивание штока происходит после нажатия кнопки S2.
Реализовать поставленную задачу можно путем использования одного из двух схемных решений: с доминирующим выключением и с доминирующим включением (рис. 9.26).
Пневматическая схема привода
Доминирующее выключение
Доминирующее включение
1.0
102^1
yuzeEHSw
Рис. 9.26. Электрические схемы с самоудержанием
В исходном положении схем с самоудержанием кнопки S1 и S2 не нажаты, реле К1 не включено, его замыкающие контакты во 2-ой и 3-ей цепях разомкнуты, электромагнитный привод Y1 распределителя 1.1 обесточен. Распределитель находится в исходном положении, шток цилиндра втянут.
При нажатии на кнопку S1 срабатывает реле К1 и через его контакт 23-24 в 3-ей цепи подается питание на электромагнитный привод Y1 распределителя 1.1, шток цилиндра 1.0 выдвигается. Одновременно замыкается контакт 13-14 реле К1 во 2-ой цепи, по которой также поступает сигнал на включение реле К1 (через нормально замкнутый контакт 1-2 кнопки S2).
После отпускания кнопки S1 1-ая цепь размыкается, однако реле К1 остается включенным, т. к. продолжает получать питание через 2-ую цепь. Реле работает «само на себя», распределитель 1.1 остается в переключенном состоянии, а шток цилиндра — выдвинутым.
Релейно-контактная цепь, по которой управляющий сигнал подается на реле через замыкающий контакт последнего, называют цепьюю самоудержания.
При нажатии кнопки S2 нормально замкнутый контакт 1-2 кнопки S2 размыкается и цепь самоподхвата разрывается Реле К1 выключается, его замыкающий контакт 23-24 в 3-ей цепи возвращается в исходное состояние, и распределитель 1.1 переключается в исходное положение. Шток цилиндра втягивается.
При одновременном нажатии на кнопки S1 и S2 в схеме с доминирующим выключением реле К1 не сработает, т. к. 1-ая цепь окажется разомкнутой, а в схеме с доминирующим включением — сработает, хотя реле и не перейдет в режим самоудержания. Выбор одного из данных схемных решений зависит оттрабований к функционированию системы в целом.
171
9. Релейно-контактные системы управления
9.6. Правила построения релейно-контактных схем
Условные графические обозначения элементов, входящих в релейно-контактную схему, как правило, располагают между двумя параллельными горизонтальными прямыми, изображающими электрические шины. В случае применения источника постоянного тока на верхнюю шину подается питание от его «+», а на нижнюю — от «-». Рядом с шинами рекомендуется проставлять значение напряжения в них (например, 24 В).
Схему составляют и читают слева направо, причем релейно-контактные цепи нумеруют над верхней шиной по порядку. Параллельно подключенным цепям может быть присвоен один и тот же порядковый номер, но при этом его дополняют буквенным индексом (например, 2 и 2а). Направление прохождения электрических сигналов принимают сверху вниз, т. е. от «+» к «—».
Условные графические обозначения электромагнитных приводов распределителей, реле или иных элементов изображают на схемах присоединенными напрямую к нижней шине («-»). В то же врамя управляющие данными элементами устройства ввода электрического сигнала размещают в цепях, соединенных с верхней («+») шиной. Это правило основано на практическом опыте монтажа и эксплуатации релейно-контактных систем управления и требованиях техники безопасности.
Очевидно, что система будет работать и в том случае, если одну из клемм электромагнитного привода (например, привода распределителя) соединить напрямую с «+» источника питания, а включение данного привода осуществлять от «-». Однако в этих условиях резко возрастает вероятность непроизвольного срабатывания как распределителя, так и управляемого им исполнительного механизма. Возникновение в системе какого-либо дефекта (обрыв провода или повреждение его изоляции) может привести к соприкосновению второй клеммы привода распределителя с заземленным шкафом управления, что вызовет срабатывание распределителя и, как следствие, неконтролируемое перемещение исполнительного механизма и ведомых узлов технологической установки (рис. 9.27).
Рядом с обозначениями элементов релейно-контактных систем управления проставляют буквенно-цифровые индексы в соответствии с существующими стандартами (см. приложение 1.6).
Если разные контакты какого-либо устройства располагаются в близлежащих цепях, то допускается изображение между ними механической связи.
Под обозначениями реле вычерчивают таблицы с информацией о типе имеющихся в данном реле контактов и о номерах цепей, в которых эти контакты задействованы.
Все элементы релейно-контактной схемы изображают в исходном положении, т. е. при отсутствии напряжения в шинах. Если в исходном положении электромеханические путевые выключатели активны, то на схеме рядом с их обозначением изображают вертикальную стрелку.
На принципиальной пневматической схеме места расположения путевых выключателей, контролирующих положения выходных звеньев исполнительных механизмов, отмечают вертикальными штрихами с буквенноцифровой индексацией соответствующих путевых выключателей.
Чтобы обобщить основные принципы изображения элементов электропневматических приводов на электрических и пневматических принципиальных схемах, рассмотрим технологическую установку, диаграмма «перемещение— шаг» и принципиальные-схемы которой представлены на рис. 9.28.
172
9 Релейно-контактные системы управления
Диаграмма «перемещение — шаг»
Принципиальная пневматическая схема
Принципиальная электрическая схема
Рис. 9.28. Диаграмма «перемещение — шаг» и принципиальные схемы электропневматического привода
173
9. Релейно-контактные системы управления
9.7. Проектирование релейно-контактных систем управления
Методы проектирования релейно-контактных систем управления аналогичны методам, описанным в разделе 8.1.2 «Методы проектирования пневматических САУ».
Процедуру построения электропневматической системы управления рассмотрим на примере уже известной нам установки для перемещения коробок (рис. 9.29).
Рис. 9.29. Установка для перемещайия коробок
Если в силовой части установки используются бистабильные распределители с электромагнитным управлением, а положения пневмоцилиндров отслеживаются электромеханическими путевыми выключателями, то электрическая и пневматическая схемы, а также система логических уравнений, описывающих работу установки, будут выглядеть следующим образом (рис. 9.30).
Если электромагнитные катушки приводов распределителей работают под напряжением, вывод которого на пульт оператора (кнопку «Пуск») недопустим, схема несколько изменяется (рис. 9.31).
174
Рис. 9.31. Принципиальная электрическая схема установки для перемещения коробок (непрямое управление)
Рассмотрим, как изменятся принципиальные схемы и система уравнений, описывающих работу установки, в случае использования для управления пневмоцилиндрами моностабильных электропневматических распределителей (рис. 9.32).
Принципиальная пневматическая схема
А + = Y1 = S5- S3
В + = Y2= S2
А - = Y1= S4
В - = Y2= S1
Принципиальная электрическая схема (прямое управление)
Рис. 9.32. Электропневматический привод установки для перемещения коробок с использованием моностабильных распределителей
175
9 Релейно-контактные системы управления
9.8. Переключающие регистры
Процесс проектирования релейно-контактных систем циклического действия может быть формализован, как и при построении САУ на базе пневматических средств автоматизации, путем применения стандартных схемных решений, обеспечивающих поочередное включение соответствующих электрических шин.
Число шин может равняться числу групп, на которые разбивают последовательность шагов единичного технологического цикла (если используют метод разбиения на группы), или же общему числу шагов (каждый шаг выполняется по команде от «своей» шины).
Очередность активизации электрических шин обеспечивается переключающими регистрами, состоящими из отдельных тактовых модулей, основным техническим средством реализации которых служат реле.
С принципом построения переключающих регистров ознакомимся на примере рагистра, состоящего из четырех тактовых модулей. Если выполнение каждого технологического шага будет осуществляться по команде от отдельного модуля, то управляющий сигнал от каждого такого модуля будет подаваться не на шину, а непосредственно на исполнительный распределитель (рис. 9.33).
1 1а 2 2а 3 За 4 4а 4Ь 5 6 7 8
Рис. 9.33. Переключающий регистр с отключением предыдущего модуля
Каждый тактовый модуль, выполненный по схеме с самоудержанием реле, например модуль на базе реле К2 (цепи 2 и 2а), включается по логическому произведению двух сигналов: 1) сигнала от путевого выключателя, фиксирующего окончание шага, выполняемого от предыдущего модуля; 2) сигнала собственно от предыдущего тактового модуля (для включения реле К2 необходимо наличие двух сигналов: от путввого выключателя S2 и от реле К1). При активизации данного модуля его реле переводится в режим самоудержания. Одновременно отключается предыдущий модуль (реле К1 выводится из режима самоудержания вследствие размыкания нормально замкнутого контакта реле К2 в цепи 1), а последующий модуль на базе реле КЗ подготавливается к включению (замыкается контакт реле К2 в цепи 3).
Для пуска системы необходимо выполнение двух условий: 1) замыкающий контакт путевого выключателя, фиксирующего окончание последнего шага цикла (S1), должен располагаться в цепи включения первого модуля; 2) нажатием кнопки «Пуск» активизируется последний модуль.
Поскольку электротехнические тактовые модули промышленностью не выпускаются, но в каждом конкретном случае организуются путем реализации рассмотренной схемы на базе находящихся в серийном производстве реле, нужно учитывать следующее требование: в качестве базовых необходимо применять такие реле, при включении которых замыкающие контакты переключаются раньше, чем размыкающие. Данное требование обусловлено особенностью вышеприведенного схемного решения, заключающейся в том, что при включении реле текущего модуля отключение предыдущего модуля (т. е. вывод его реле из режима самоудержания) может произойти раньше, чем данное реле перейдет в режим самоудержания. Но в таком случае реле текущего модуля отключится и регистр не будет функционировать.
176
9. Релейно-контактные системы управления
Несколько иной подход к проектированию релейно-контактных систем управления применяется в случае использования переключающего регистра, в котором предыдущий модуль не отключается (рис. 9.34).
Рис. 9.34. Переключающий регистр без отключения предыдущего модуля
Работа представленного регистра основана на том, что модули включаются последовательно и при активизации каждого из них предыдущие модули не выключаются. Таким образом, к моменту включения последнего модуля все модули регистра оказываются активными. Включение же последнего модуля вызывает отключение первого, а также, как следствие, всех последующих модулей, в том числе и последнего.
Включение всех модулей, кроме первого, осуществляется по логическому произведению двух сигналов: 1) от предыдущего модуля; 2) от путевого выключателя, фиксирующего окончание шага, выполняемого по команде от предыдущего модуля. При этом реле промежуточных модулей переводятся в режим самоудержания, в то время как для последнего модуля такая возможность отсутствует.
Пуск регистра и подача команды на выполнение первого шага осуществляются по нажатию кнопки «Пуск» (S5), расположенной в цепи 1. Вывод регистра в исходное состояние (обнуление) происходит путем размыкания нормально замкнутого контакта в цепи включения первого модуля. Данный контакт принадлежит реле последнего модуля (контакт реле К5 в цепи 1).
Если при включении очередного модуля формируется управляющий сигнал, противоположный по назначению уже имеющемуся на исполнительном устройстве сигналу, то последний должен быть снят. Поскольку отключение предшествующих модулей в рассматриваемом регистре не предусматривается, то снятие ранее поданного сигнала осуществляется в соответствующем цепи управления исполнительным устройством (в нашем примере таким устройством является электромагнитный привод Y1 пневмораспределителя). С этой целью в данную цепь устанавливают размыкающий контакт реле активизируемого модуля (в нашем случае — К2 в цепи 6).
Переключающие регистры без отключения предыдущего модуля функционируют более надежно по сравнению с регистрами, в которых осуществляется отключение предыдущих модулей, и не требуют использования специальных реле с последовательным переключением контактных групп.
177
9. Релейно-контактные системы управления
9.9. Реализация сервисных функций в релейно-контактных системах управления
Процесс построения схемы, реализующей сервисные функции в релейно-контактных системах управления, основывается на тех же принципах, которые используются при построении пневматических САУ. По сути, и пневматические, и релейно-контактные системы управления характеризуются одной и той же функциональной структурой, способ технической реализации которой, основанный на тех или иных рассмотренных выше средствах автоматизации, и определяет тип получаемой САУ.
Перечислим наиболее часто применяемые сервисные функции, возможность реализации которых должна учитываться при проектировании управляющей системы:
• аварийное отключение системы;
• выбор режима автоматического или ручного управления;
• выбор режима непрерывного или единичного цикла.
Аварийное отключение системы (режим аварийного останова)
Существуют различные варианты реагирования исполнительных механизмов на вывод системы автоматического управления в режим аварийного останова. Рассмотрим некоторые из них.
Например, для исполнительного механизма, выполняющего основную рабочую операцию в прессовом или штамповочном оборудовании, режим аварийного останова характеризуется немедленным отводом данного механизма, а также связанного с ним рабочего инструмента в исходное положение (рис. 9.35) .
Схемное решение (на рис. 9.35 слева), реализующее немедленный отвод штока пневмоцилиндра, управляемого бистабильным (импульсным) 5/2-пнввмораспределителем, имеет недостаток, заключающийся в том, что в режиме аварийного останова катушка электромагнита Y2 находится под напряжением.
Для различного рода вспомогательного оборудования (транспортеры, толкатели, укледчики и др.), в котором пневмоцилиндры расположены в горизонтальной плоскости, аварийное отключение системы характеризуется остановом цилиндров с одновременным соединением их рабочих полостей с атмосферой. Это позволяет
Здесь и далее приводятся схемы реализации сервисных функций для случаев применения моно- и бистабильных исполнительных электропневматических распределителей.
178
9. Релейно-контактные системы управления
вручную перемещать исполнительные механизмы в нужном направлении и в удобной последовательности, если необходимо найти и устранить какую-либо неполадку в системе (рис. 9.36).
Выбор автоматического или ручного режима управления
Переход в режим ручного управления исполнительными механизмами осуществляется путем переключения питания на дополнительную шину, сигналы от которой подаются через управляющие кнопки (S2 и S3) непосредственно на электромагнитные приводы исполнительных распределителей (рис. 9.37).
Рис. 9.37. Реализация выбора автоматического или ручного режима управления
179
9. Релейно-контактные системы управления
Выбор режима единичного или непрерывного цикла
Существует два варианта перевода системы в режим единичного или непрерывного цикла: без предварительного выбора режима либо с возможностью осуществления такого выбора.
В первом случае режим устанавливается в момент нажатия соответствующей пусковой кнопки (рис. 9.38).
Рис. 9.38. Схема реализации режима единичного или непрерывного цикла без его предварительного выбора
Схема, представленная на рис. 9.39, допускает предварительный выбор режима-
Рис. 9.39. Схема реализации режима единичного или непрерывного цикла с его предварительным выбором
180
9. Релейно-контактные системы управления
Выбор режима единичного или непрерывного цикла осуществляется нажатием кнопок S4 и S3 соответственно, после чего цикл пускается по нажатию кнопки S5.
Схема реализации сервисных функций
Все схемные решения, позволяющие реализовать ту или иную сервисную функцию в отдельности, отражены в единой схеме, показанной на рис. 9.40.
Рис. 9.40. Принципиальная электрическая схема реализующая основные сервисные функции
С целью пояснения данной электрической схемы покажем назначение зедействованных в ней путевых выключателей и реле.
Реле обеспечивают:
К1: кратковременный пусковой сигнал;
К2: пусковой сигнал в режиме непрерывного цикла;
КЗ: подачу пусковых сигналов в систему управления (на переключающий регистр);
К4: прерывание непрерывного цикла.
Путевые выключатели контролируют:
S6: наличие деталей в рабочей позиции;
S7: окончание последнего шага цикла;
S8: наличие деталей в накопителе.
В исходном состоянии система находится в режиме ручного управления. При переходе в автоматический эежим управления (кнопка S2) появляется возможность выбора режима единичного либо непрерывного цикла кнопка S3). В обоих режимах пуск системы осуществляется кнопкой S4. В режиме непрерывного цикла реле К2 находится в состоянии самоудержания (которое прерывается при срабатывании реле К4), что позволяет автоматически формировать пусковой сигнал путем включения реле КЗ по окончании последнего шага цикла (путевой выключатель S7). При нажатии на кнопку аварийного останова S1 цепи управления обесточиваются.
181
9. Релейно-контактные системы управления
9.10. Электрон невматические приводы с управлением от промышленных логических контроллеров
Релейно-контактные схемы имеют характерный недостаток: любое изменение силовой части привода или диаграммы его функционирования приводит к необходимости пересмотра структуры системы управления и состава технических средств САУ, что, в свою очередь, обусловливает дополнительные временные и финансовые затраты.
Начало промышленного производства и последовавшее затем широкое распространение микропроцессорных управляющих устройств — программируемых логических контроллеров (рис. 9.41) — изменило традиционные подходы к проектированию систем управления.
Входы (подключение устройств ввода электрического сигнала)
Рис. 9.41. Программируемый логический контроллер (ПЛК)
Наличие в ПЛК программного управления позволяет относительно легко и быстро вносить изменения в программы работы технологического оборудования, что придает гибкость производственным процессам. В связи с применением ПЛК центр тяжести работ по проектированию управляющего устройства перемещается из области схемотехники в сферу алгоритмизации задач управления, а сам процесс проектирования сводится к выбору типа контроллера и его программированию.
Микропроцессоры и микроЭВМ доступны по цене. Они имеют малые габариты и массу, благодаря чему могут быть встроены в различные машины и механизмы (рис. 9.42). При этом обеспечиваются более высокие показатели качества работы последних.
Рис. 9.42. Схема коммутации ПЛК
182
10. Эксплуатация пневматических приводов
10. Эксплуатация пне матических приводов
Продолжительность безотказной работы пневматических систем в значительной мере зависит от организации и качества технического обслуживания, которое призвано обеспечить выполнение требований, приведенных в технической документации на данное оборудование. В процессе эксплуатации пневмоприводов расходуемые материалы неизбежно заканчиваются, рабочие параметры в связи с воздействием различных факторов .степенно отклоняются от заданных значений, отдельные компоненты приводов исчерпывают ресурс и отка-вают. Таким образом, в рабочем состоянии пневмопривод поддерживается благодаря регулярному и каче-ъенному техническому обслуживанию, а также плановым и аварийным ремонтам.
10.1. Техническое обслуживание пневматических приводов
Обслуживание устройств очистки сжатого воздуха. Качество работы пневмоприводов напрямую зависит от -встоты сжатого воздуха, определяемой, в свою очередь, уровнем технического обслуживания устройств под--гтовки воздуха, состоянием внутренних поверхностей трубопроводов и другими факторами.
При эксплуатации пневмоприводов необходимо исключить возможность попадания загрязнителей гзздуха к потребителю, что обеспечивается своевременным удалением их из резервуаров очистных ус-- -эйств. В случаях использования устройств очистки сжатого воздуха с ручным управлением и непрозрачным резервуаром (визуальный контроль невозможен) образующийся конденсат следует сливать пе- эд и чески — по графику, составленному на основе опытных или расчетных данных.
Если применяются автоматические устройства отвода конденсата, то процедуру его слива требуется орга-—повать таким образом, чтобы избежать загрязнения окружающей среды. При отказе конденсатоотводчиков необходимо демонтировать, прочистить рабочие каналы и сливные отверстия, промыть фильтрующие эле-•вг-~гы и внутренние поверхности, высушить и установить на прежнее место. Для промывки резервуаров можно •зюльзовать теплую мыльную воду.
В процессе эксплуатации фильтров поры их фильтроэлементов забиваются частицами загрязнителей, что - неводит к возрастанию сопротивления потоку сжатого воздуха. Если перепад давления на фильтре превыша-0 1 МПа, то фильтроэлемент заменяют или восстанавливают его пропускную способность.
Напомним, что эффективная работа очистных устройств возможна только в определенном диапазоне рас-«щов сжатого воздуха, указываемом в технической документации.
Обслуживание смазочных устройств. Одним из важнейших условий обеспечения эксплуатационной - . ежности пневмоприводов является выполнение требований к смазке трущихся поверхностей пневмати-— -их устройств. Техническое обслуживание смазочных устройств заключается в своевременном воспол-— -ии расходуемых смазочных материалов и наблюдении за их качественным состоянием.
Стабильность подачи смазочного материала масл©распылителями в значительной степени определяется сжостью используемого масла, которая, в свою очередь, существенно зависит от температуры. Поэтому при z цстаточно больших изменениях температуры окружающей среды в зоне работы пневмоустройств или при «--•-‘нении температуры сжатого воздуха необходимо перерегулировать маслораспылитель или сменить мар-заливаемого масла.
Марки, количество и периодичность внесения смазочных материалов оговариваются в руководствах по эк-атации конкретных пневматических устройств.
Обслуживание трубопроводов. Состояние воздухопровода контролируют путем вскрытия имеющихся на 1 контрольных участков. При необходимости для очистки трубопровода применяют продувку сжатым возду-м и промывку водой либо химическую очистку.
Качество очистки проверяют визуально или на основании оценки чистоты потоков воздуха и воды, выходя-_ • из трубы. В последнем случае на выходе помещают лист чистого картона и по следам загрязнений опреде--иот качество проведенных работ.
Сказанные методы используют при обслуживании металлических трубопроводов. При обслуживании элас-»ных пластмассовых трубопроводов, а также шлангов убеждаются в отсутствии перегибов и нарушений их _*+тостности, а также в том, что трубопроводы, соединенные с подвижными частями машин не касаются непод-»«*-ых деталей последних. При нарушении работоспособности эластичные трубопроводы заменяют.
183
10. Эксплуатация пневматических приводов
Обслуживание пневмоаппаратуры и исполнительных механизмов. Техническое обслуживание тев-моаппаратуры и пневмодвигателей сводится в основном к надлежащему обеспечению процесса подготовки сжатого воздуха и контролю работы данных устройств. В распределительной аппаратуре проверяют 'четкость переключения, убеждаются в отсутствии заеданий при ручном и механическом управлении, в герметичности соединений трубопроводов и стыков, в плотности крепления крышек.
Герметичность соединений трубопроводов и эффективность работы уплотнительных элементов контре im-руют путем осмотра и прослушивания или с помощью средств обнаружения утечек. При необходимости подтягивают или заменяют соединения, уплотнения, трубопроводы. Следует учитывать, что нарушение герметичности не только приводит к непроизводительному увеличению расхода сжатого воздуха, но может также повлечь за собой нарушение работоспособности пневматических устройств и привода в целом.
В настраиваемых и регулируемых элементах контролируют соответствие параметров требуемым значениям, а также состояние стопорящих устройств. В пневматических двигателях проверяют также значение скорости перемещения выходного звена и величину развиваемого усилия.
Организация технического обслуживания. Организация технического обслуживания пневматического оборудования является одним из решающих факторов повышения надежности его работы. В связи с отсутствием строгой регламентации работ по обслуживанию пневмосистем рекомендуется следующий порядок проведения ежедневных и плановых осмотров пневмооборудования.
Ежедневные осмотры. Ежедневные осмотры проводят в начале смены — в течение первых десяти минут работы оборудования — ив конце смены — во время уборки оборудования. Фактически ежедневные осмотры сводятся к визуальному контролю состояния пневмооборудования и направлены на:
• выявление явных изменений (например, количества конденсата в фильтре-влагоотделителе, количества масла в масл©распылителе и др.);
• выявление очевидных признаков состояния системы или ее частей (например, последовательности отработки цикла, скоростей движения выходных звеньев исполнительных механизмов и др., определяемых по индикаторам или иным контрольным приборам);
• выявление признаков, качественно характеризующих работу оборудования (например, уровня шума от выхлопов отработавшего воздуха или ударов и др).
Результаты ежедневных осмотров заносят в протокол, а информацию о выявленных отклонениях и мерах по их устранению (если таковые были приняты) доводят до сведения соответствующих служб. Эти данные используют при разработке графиков периодических осмотров, ведомостей запасных частей и т. д.
Периодические осмотры. Периодические осмотры проводят с интервалом в 3, 6 или 12 месяцев в зависимости от типа пневматического оборудования, характера работы отдельных его элементов и условий эксплуатации.
Ниже дан примерный перечень операций при проведении периодического осмотра.
1. Проверка функционирования пневмодвигателей и других устройств.
2. Проверка на наличие утечек.
3. Проверка пневмоустройств с электрическим управлением на исправность электропроводки.
4 Определение степени загрязненности фильтров.
5. Проверка надежности резьбовых соединений.
На основе информации о результатах ежедневных и периодических осмотров, о величине коэффициента загрузки оборудования за сутки, месяц, а также учитывая другие данные, соответствующие службы проводят анализ причин простоев оборудования и планируют мероприятия по их уменьшению
184
10. Эксплуатация пневматических приводов
10.2. Поиск и устранение неисправностей
При эксплуатации пневматического привода, как и любой другой технической системы, наступает момент, когда процесс его нормального функционирования нарушается, что проявляется в различного рода отказах, как внезапных, так и постепенных.
Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением заданных значений параметров привода (одного или нескольких), что обычно приводит к его останову или нарушению последовательности выполнения технологических операций. Отказ подобного рода очевиден, функционирование объекта прекращается в целях проведения ремонтных работ.
В случае постепенного отказа значения параметров привода (одного или нескольких) изменяются постепенно, что может быть обусловлено износом или прогрессирующим нарушением настроек каких-либо его элементов, уменьшением проходных сечений дросселирующих устройств, чрезмерным увеличением утечек и другими факторами. Постепенный отказ может и не сопровождаться видимыми нарушениями работы пневмопривода, но его наличие приводит к ухудшению качества и/или уменьшению объемов выпуска продукции. В связи с этим важно своевременно выявить и устранить причины постепенных отказов, что позволяет обеспечить нормальное функционирование системы и сократить число аварийных ремонтов.
Время, затрачиваемое на ремонт пневмопривода, складывается из двух составляющих: времени на поиск неисправности и времени на ее устранение.
Время на поиск неисправности существенно сокращается, если используются методы технической диагностики, позволяющие локализовать место ее наличия, а также в том случае, если в приводе применяются пневматические элементы, снабженные различными индикаторами и дублирующими устройствами.
К устройствам индикации относят штырьковые индикаторы давления и положения запорно-регулирующего элемента распределителей, светодиоды на электромагнитных приводах распределителей и т. п.; к дублирую-щим — устройства ручного включения пневмо- и электропневматических распределителей, тактовых модулей и Др.
Применительно к пневмоприводам можно выделить два метода поиска неисправностей:
• табличный — на основе анализа принципиальной пневматической схемы составляют таблицу, по которой выявляют оптимальную последовательность проверки элементов системы в зависимости от внешних проявлений имеющихся неполадок;
- алгоритмический—поиск неисправностей осуществляют по заданному алгоритму с использованием списка достаточно простых рекомендаций, выведенных исходя из опыта эксплуатации пневмоприводов.
Табличный метод поиска неисправностей
Для иллюстрации табличного метода поиска неисправностей вернемся к пневматической схеме сверл иль-—эго полуавтомата (рис. 10.1), уже рассматривавшегося в данном пособии.
185
10. Эксплуатация пневматических приводов
Рис. 10.1. Сверлильный полуавтомат
На основе анализа диаграммы «перемещение — шаг» сверлильного полуавтомата и его принципиальной пневматической схемы заполняют таблицу, в которой указывают задействованные на каждом шаге элементы системы и их состояния (табл. 9).
Табл. 9. Таблица для поиска неисправностей в пневмоприводе сверлильного полуавтомата
№ шага Кнопки, выключатели Как активизируются Триггер (переключающий регистр) Номер активной шины Исполнительный распределитель Дроссель с обратным клапаном Исполнительный механизм
Вкл. (выдвиж.) Выкл. (втяг.)
1 Пуск 1.2 1.4 Оператор Ц 1.0 0.2 (14)* 1 1.1 (14) 1.02 1.0 —
2 2.2 Ц 1.0 — 1 2.1 (14) 2.02 2.0 —
3 2.1 Ц2.0 0 2(12) 2 2.1 (12) 2.01* — 2.0
4 1.3 Ц2.0 — 2 1.1 (12) 1.01 — 1.0
В случае возникновения неисправности по диаграмме перемещений определяют шаг, на котором остановился процесс. Строку, в которой отражено рабочее состояние задействованных на аварийном шаге элементов системы, читают последовательно слева направо (попутно также проверяют их реальное состояние на технологическом оборудовании).
В скобках приведена индексация каналов управления, в которые подается сигнал.
186
10. Эксплуатация пневматических приводов
Приведем пример. Сверлильный полуавтомат остановился в положении «сверло в нижней точке». По диаграмме «перемещение — шаг» определяют, что система нормально выполнила первые два шага, а сбой произошел при выполнении третьего шага. Из табл. 9 (третья строка) следует что путевой выключатель 2.1 должен быть активизирован штоком цилиндра 2.0. Наличие сигнала от выключателя 2.1 проверяют непосредственно на сверлильном полуавтомате. При отсутствии этого сигнала выясняют причину, вызвавшую данную неполадку (варианты: выключатель находится в положении, отличном от нормального; отсутствует сигнал на входе; ролик нажат не до конца), и устраняют ее. Если сигнал на выходе путевого выключателя 2.1 присутствует, переходят к проверке элементов, индексы которых содержатся в последующих столбцах таблицы, т. е. проверяют наличие управляющего сигнала от выключателя 2.1 в канале управления 12 триггера 0.2 и т. д. в соответствии с табл. 9.
Алгоритмический метод поиска неисправностей
Алгоритмический метод поиска неисправностей учитывает функциональные и конструктивные особенности -'невмоустройств и дает положительные результаты для пневмоприводов, имеющих несложную принципиальную схему. В качестве примера рассмотрим простейший пневмопривод и алгоритм поиска неисправности в нем (рис. 10.2).
10 13
Рис. 10.2. Пример алгоритма поиска неисправности
Описанные методы поиска неисправностей в значительной мере сокращают время, необходимое для обнажения причин внезапных отказов пневмосистемы и их устранения, при условии, что к руководству по эксплуатации пневмопривода прилагаются соответствующие таблицы или алгоритмы.
187
10. Эксплуатация пневматических приводов
В случае отсутствия в технической документации информации, касающейся обнаружения и устранения возможных неисправностей, при поиске причин останова оборудования следует учитывать рекомендации, приведенные ниже.
• Необходимо тщательно изучить техническую документацию и руководство по эксплуатации пневмопривода (правила обслуживания привода и входящих в него устройств, нормативные указания по эксплуатации и ДР-)-
• Если схема привода достаточно сложная, с целью облегчения поиска неисправностей следует условно разделить ее на части по выполняемым функциям, по очередности срабатывания и другим критериям.
• При поиске неисправности в первую очередь необходимо провести внешний осмотр для проверки состояния привода и машины (т. е. выяснить, не произошло ли заклинивание какой-либо детали, материала или подвижной части машины; не поломаны ли детали приводных механизмов устройств с механическим управлением и др.). При этом во избежание несчастных случаев или поломки устройств не следует воздействовать на кнопки, путевые выключатели и т. п.
• Необходимо проверить, соответствует ли давление сжатого воздуха на входе пневмопривода нормативам технической документации. В ситуации, когда в силу производственной необходимости к системе могут подключаться дополнительные потребители и при этом общий расход воздуха будет превышать производительность компрессора, могут возникать сбои (самоустраняющиеся отказы), такие как нарушение временной последовательности, снижение величин усилий, развиваемых приводом, ниже допустимых значений и др.
- Если в пневмоприводе используются устройства с электрическим управлением, следует проверить, находятся ли электрические устройства под напряжением.
• Проверить трубопроводы (в особенности эластичные) и убедиться в отсутствии перегибов, скручиваний и т. п. дефектов. Проверить герметичность соединений.
При проверке работоспособности привода необходимо учитывать следующее:
• утечки сжатого воздуха из канала выхлопа пневмораспределителя могут иметь место не только в результате повреждения уплотнений в нем, но и вследствие выхода из строя уплотнений поршня в цилиндре;
• причиной изменения динамики функционирования привода могут стать не только нарушение настройки регулирующих устройств (дросселей с механическим управлением и др.) или их неисправность, но и засорение глушителей в пневмораспределителях.
Пневматический привод целесообразно ремонтировать путем замены пневмоустройств. С одной стороны, в результате этого сокращается продолжительность ремонта производственного оборудования, а с другой — обеспечивается более высокое качество ремонта в связи с тем, что отказавшие пневмоустройства подлежат восстановлению на специализированном участке.
При демонтаже и монтаже пневмоустройств в процессе ремонта необходимо придерживаться следующих правил:
• необходимо заменить уплотнительные кольца, а также прокладки на стыковых поверхностях и в соединениях;
- желательно маркировать трубопроводы при их отсоединении (особенно это касается гибких трубопроводов), даже в случае отсоединения только одного конца трубопровода, что позволит избежать ошибок во время последующего монтажа пневмоустройств;
• при выполнении работ по монтажу-демонтажу пневматических устройств особое внимание следует уделять предотвращению попадания загрязнителей в их внутренние полости.
188
10. Эксплуатация пневматических приводов
10.3. Требования безопасности
Общие требования безопасности к пневмоприводам, которые вводятся в эксплуатацию, регламентируются следующими стандартами: ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. «Шум. Общие требования безопасности»; ГОСТ 17770-86.
Машины ручные. Требования к вибрационным характеристикам»; ГОСТ 12.2.007-75 ССБТ. «Изделия электротехнические. Общие требования безопасности».
Требования безопасности к конструкции пневмоприводов и пневмоустройств. Конструкция пневмоприводов и пневмоустройств должна быть надежной, обеспечивать безопасную эксплуатацию и предус- атривать возможность проведения осмотра, очистки и ремонта. Ограждения, кожухи и другие приспособления, препятствующие внешнему осмотру пневмоустройств, должны быть съемными.
Пневмоприводы должны снабжаться устройствами, предназначенными для полного снятия давления ежа-лого воздуха в системе.
В целях исключения воздействия опасных и вредных производственных факторов пневмоприводы также должны быть оснащены:
• устройствами, предотвращающими повышение давления сверх значения, установленного нормативно-технической документацией;
• устройствами для улавливания масляных аэрозолей при выводе отработавшего воздуха в атмосферу, если уровень их концентрации в рабочем помещении может превысить предельные значения, устанавливаемые ГОСТ 12.1.005-88.
Если падение давления в пневмоприводах или напряжения в электрической сети может создать опасность для обслуживающего персонала или вызвать аварийную ситуацию, необходимо предусмотреть возможность блокировки пневмопривода — автоматического прекращения работы оборудования с одновременной подачей хютветствующего светового или звукового сигнала. В то же время не должны отключаться устройства, вывод •-лорых из рабочего состояния может привести к авариям и производственному травматизму (зажимные, при-- мные, уравновешивающие, тормозные, стопорящие и другие устройства).
Если конечные положения пневматических исполнительных механизмов ограничиваются с помощью элек-- веских или пневматических путевых выключателей, то в случае нарушения процесса нормального функционирования последних может возникнуть опасность травмирования обслуживающего персонала или ава-
йная ситуация. В целях предотвращения подобных последствий необходимо устанавливать жесткие упо-защитные кожухи и другие приспособления для ограничения опасных перемещениий.
Поверхности ограждений, защитных устройств и элементы конструкции пневмоприводов и пневмоустройств, веторые могут представлять опасность для обслуживающего персонала, должны иметь знаки безопасности и гнальные цвета в соответствии с ГОСТ 12.4.026-76 .
Конструкция регулируемых пневмоустройств, изменение настроек которых может привести систему в ава-'йное состояние, должна предусматривать надежную фиксацию регулирующих элементов с применением *амков, пломб и других средств. Конструкция органов управления и их взаимное расположение, в свою очередь, должны исключать возможность самопроизвольного пуска привода. На пульте управления технологи--•еским оборудованием, оснащенным пневмоприводами с поддержкой возможности общего останова системы, устанавливают управляющий элемент красного цвета «СТОП ОБЩИЙ».
Величины усилий, развиваемых на ручных органах управления пневмоустройствами, должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов (это не относится к специальным управляющим органам и элементам, предназначенным для настройки редукционных пневмоклапанов): для переключателей типа тумблеров — ГОСТ 22615-77; для кнопочных и клавишных выключателей и переключателей — ГОСТ 22614-77; для маховиков управления и штурвалов — ГОСТ 21752-76“; для рычагов управления — ГОСТ 21753-76*.
Органы управления и средства отображения сопроводительной информации размещают в соответствии с ’ребованиями ГОСТ 12.2.032-78 и ГОСТ 12.2.033-78, а обозначения функций органов управления — в соответствии с ГОСТ 12.4.040-78* (СТ СЭВ 3082-81). Символы и надписи располагают в непосредственной близости от органов управления, при этом не должно возникать никаких помех их чтению. Надписи, кроме того, должны быть краткими и понятными при быстром считывании.
189
10. Эксплуатация пневматических приводов
Вблизи запорных устройств (вентилей, кранов и др.) должны быть хорошо видны стрелки, указывающие направление вращения маховиков, кранов, а также надписи «ОТКРЫТО», «ЗАКРЫТО» или другие обозначения.
На пульте управления пневмоприводами необходимо применять следующую цветовую индикацию или световые сигналы: красный цвет — для обозначения аварийных и отключающих органов управления, а также для сигнальных элементов, извещающих о нарушении процесса нормального функционирования пневмопривода или условий безопасности: зеленый цвет—для сигнальных элементов, подтверждающих нормальное функционирование пневмопривода.
Для оповещения об аварийном состоянии пневмопривода можно использовать звуковую сигнализацию, применение которой предпочтительно в ситуациях, требующих немедленного реагирования.
В тех случаях, когда пневмопривод находится в помещении, где распознать звуковой сигнал трудно вследствие высокого уровня производственных шумов, рекомендуется дополнительно использовать яркий мигающий сигнал, цвет которого выбирают по ГОСТ 12.4.026-76’
Пневматические приводы и устройства, в которых по характеру работы или в связи с воздействием окружающей среды возможен рост давления выше допустимого, должны снабжаться предохранительными клапанами, размещенными в доступных для их осмотра и обслуживания местах.
В любом случае началу эксплуатации пневмопривода должна предшествовать проверка настройки предохранительного клапана лицами, ответственными за соблюдение правил техники безопасности. Предохранительный клапан, в свою очередь, должен быть снабжен устройством, служащим для проверки исправности клапана путем его принудительного открытия в процессе функционирования привода.
Требования безопасности при подготовительных работах, монтаже и испытаниях. Монтаж пневматических приводов и устройств для проведения испытаний следует выполнять в соответствии с требованиями, изложенными в рабочих чертежах, инструкциях, методиках и программах испытаний. Руководство испытаниями поручают ответственному лицу, распоряжения которого являются обязательными для всех участников испытаний.
Обслуживание пневмоприводов при испытаниях можно поручать лицам, достигшим 18-летнего возраста, прошедшим производственное обучение и инструктаж по безопасному обслуживанию пневмосистем. Освещенность рабочих мест при испытаниях должна составлять не менее 50 лк. Источник света должен располагаться таким образом, чтобы не происходило ослепление рабочих. Шкалы приборов должны быть четко видны с расстояния до 3 м. Во всех случаях необходимо добиваться того, чтобы освещение обеспечивало удобство наблюдения за приборами.
Место испытаний должно быть ограждено, либо вблизи него должен находиться наблюдающий. В качестве ограждений можно применять щиты, барьеры, канаты с подвешенными к ним плакатами с надписью «Внимание! Идут испытания!» или световое табло с аналогичной надписью. На оборудовании, столах, механизмах, на полу возле испытательного стенда не должно быть посторонних предметов (заготовок, готовых изделий, отходов производства).
Запрещается оставлять инструменты, материалы, спецодежду и другие предметы на элементах, входящих в привод. Рабочие места должны быть оборудованы стеллажами для хранения приспособлений, инструментов, проверочных шаблонов, прокладок и т. п. Габариты подобных стеллажей должны соответствовать наибольшим размерам укледываемых на них изделий.
Перед испытаниями следует проверить рабочие инструменты на соответствие основным требованиям техники безопасности.
Электрифицированный инструмент можно применять лишь с рабочим напряжением не более 36 В и при условии полной исправности. В случае, если в производственном помещении отсутствуют факторы повышенной опасности, допускается использовать значения напряжения 127 и 220 В, но при обязательном использовании защитных средств. Корпуса электроинструментов, работающих под напряжением свыше 36 В, должны быть заземлены вне зависимости от частоты тока.
Ручные инструменты, применяемые для электромонтажных работ (отвертки, плоскогубцы, кусачки и т. п.), должны иметь изолированные рукоятки.
Шланги необходимо крепить к пневмоинструменту и трубопроводам таким образом, чтобы исключить возможность их срыва.
190
10 Эксплуатация пневматических приводов
Перед проведением испытаний проверяют готовность пневмопривода или устройства. С этой целью их тщательно осматривают и убеждаются в отсутствии трещин, надрывов, выпучин. раковин, следов коррозии и других дефектов на внутренних и внешних поверхностях устройств, в сварных швах, уплотнительных узлах и соединениях. Кроме того, перед началом испытаний пневмоприводов и устройств необходимо:
• проверить правильность и надежность присоединений пневмолиний и электрических проводов к соответствующим устройствам;
• проверить недежность функционирования блокировок, наличие стопорения и пломб на регулирующей аппаратуре и приборах;
• проверить наличие и исправность заземления;
• проверить наличие и надежность закрепления ограждений, предусматриваемых требованиями безопасности;
• вывесить предупреждающий плакат с надписью «Внимание! Идут испытания!»;
• установить при необходимости аварийную сигнализацию (звуковую или световую).
Персонал, участвующий в испытаниях пневмоприводов и устройств, должен быть ознакомлен:
- со схемой пневмопривода и правилами его обслуживания;
• с конструкциями и принципами действия устройств, входящих в пневмопривод;
• с расположением кондиционеров сжатого воздуха, пневмоаппаратов и приборов;
• со способами регулирования параметров (давления, скорости и др.);
• с методами проверки пневмоустройств на прочность и герметичность и правилами их осмотра при испытаниях.
Пневмоустройства должны быть испытаны на прочность. Входящие в состав пневмопривода пневмоустройства общепромышленного применения, на которые распространяются положения ГОСТ 12.3.001-85 (СТ СЭВ 3274-81), испытывают на прочность путем плавного повышения давления до пробного значения, которое должно превосходить номинальное не менее чем в 1,5 раза; для пневмоглушителей, установленных в местах выхлопа отработавшего воздуха, пробное значение давления должно быть не меньше номинального для пневмопривода. Длительность испытаний на прочность должна составлять не менее 3 мин. После этого давление постепенно снижают до номинального и затем производят осмотр пневмоустройства.
Проверяют пневмоустройство путем использования воздуха, минерального масла или воды. При испытаниях его закрывают защитным кожухом (экраном), либо проводящий их персонал должен находиться на безопасном расстоянии от объекта испытаний, которое исключает возможность травмирования в случае разрушения □след не го.
При типовых и периодических испытаниях на ресурс пневмоустройств и их элементов, функционирующих в ?ловиях циклического нагружения давлением, их необходимо подвергать циклическому нагружению рабочим давлением в соответствии с требованиями и методикой разработчика.
Пневмоустройства или их элементы считаются выдержавшими испытания на прочность, если при поел едущем тщательном осмотре не были обнаружены: признаки разрыва; видимые остаточные деформации; утечки воздуха сверх уровня, установленного в нормативных требованиях; подтекание и потение в сварных швах при □прессовке жидкостью.
Испытания должны быть прерваны в следующих случаях: при повышении давления в системе сверх допустимого уровня; при неисправности предохранительных клапанов; при обнаружении в элементах пневмоуст-эойств выпучин, утонений стенок, подтеканий в соединениях, разрывов уплотнений; при неисправности манометров, блокировочных устройств, а также при неисправности (отсутствии) предусмотренных схемой испытаний контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации; при появлении стуков, посторонних шумов; при заметном возрастании вибраций приводного механизма; при обнаружении других неисправностей, которые могут привести к аварийной ситуации.
После снижения уровня давления, достигнутого в ходе испытаний, до номинального (рабочего) значения, пневмоустройства и привод в целом осматривают уполномоченные на то лица, прошедшие специальный инструктаж. В ходе осмотра запрещается повышать давление. При обнаружении дефектов во время испытаний работы по их устранению (монтаж и демонтаж пневмолиний, подтягивание соединений, рихтовка, сварочные
191
10. Эксплуатация пневматических приводов
работы и др.) следует выполнять после прекращения подачи воздуха, полного снятия давления в системе и ее отключения от питающей электросети, причем в местах отключения в обязательном порядке вывешиваются предупреждающие таблички с надписью «Ремонт! Пуск запрещен!». Прекращение подачи воздуха путем перегибания эластичных трубопооводов не допускается! Все устройства в составе привода должны быть приведены в такое состояние, при котором их самопроизвольное включение при случайном нажатии пусковых элементов не приведет к опасным последствиям.
После устранения выявленных дефектов необходимо провести повторные испытания.
При повторном пуске следует принять меры безопасности, указанные выше, и проследить за тем, чтобы все ранее убранные ограждения и защитные приспособления были снова надлежащим образом размещены и закреплены. Испытания при снятых ограждениях допускаются только с разрешения администрации. Отключение оборудования и его подключение к электросети осуществляют после установки предохранительных устройств и также исключительно на основании разрешения администрации.
При испытаниях необходимо следить за тем, чтобы выхлоп отработавшего воздуха был направлен в сторону от места нахождения оператора и не приводил к загрязнению рабочего помещения. Уровень шума при выхлопах не должен нарушать гигиенических норм.
Требования безопасности при эксплуатации. Перед вводом в эксплуатацию пневмоприводов и пневмоустройств необходимо провести их пробный пуск и наладку. В случае обнаружения неисправностей во время пробного пуска пневмопривод следует отключить. Работы по устранению выявленных неисправностей и ремонту пневматических приводов и устройств необходимо выполнять только после полного снятия давления воздуха в системе и отключения их от электросети Вентили и пневмораспределители, отвечающие за соединение пневмолинии с пневмоприводом, должны находиться в исправном состоянии и обеспечивать возможность надежного и быстрого перекрытия подачи сжатого воздуха и его сброс из привода в атмосферу.
Подключать отремонтированный пневмопривод к пневмолинии и электросети следует после установки ограждений и снятия предупреждающих плакатов.
Эксплуатация пневмоприводов и пневмоустройств запрещается в случаях возникновения следующих неисправностей:
• наличие шумов, стуков, вибраций и наружных утечек, уровень которых превышает значения, устанавливаемые нормативно-технической документацией;
• появление видимых повреждений или выход какого-либо параметра за пределы допустимых значений, если подобная ситуация представляет опасность для обслуживающего персонала или может привести к аварии;
• отказ или повреждение сигнальных устройств и приборов.
Очищать воздухопроводы и пневмоустройства в местах скопления загрязнителей необходимо способами, при которых исключается воспламенение имеющихся отложений.
192
Приложения
Приложение I. Справочная информация
Приложение I. Справочная информация
1.1. Соотношения единиц величин, применяемых в пневматике, с единицами международной системы СИ (SI)
Табл. I. Соотношения единиц величин, применяемых в пневматике, с единицами международной системы СИ (SI, System International of Units)
Величина Единица Примечание
Название Обозначение Обозначение Название
Основные единицы системы СИ
Масса т кг килограмм
Длина s, 1. L м метр
Время t с секунда
Температура термодинамическая т к кельвин Связь между различными температурными шкалами показана в приложении 1.2
Дополнительные единицы системы СИ
Плоский угол a. P,<p,y/vi др. рад радиан
Производные единицы, применяемые в пневматике
Диаметр d,D м метр
Радиус r.R г=0,50
Площадь S.F.f м2 квадратный метр
Объем К м3 кубический метр
Объем нормальный V„, V Объем воздуха, приведенного к техническим нормальным условиям
Расход массовый Qm кг/с килограмм в секунду
Расход объемный Q,Q> м3/с кубический метр в секунду Qi=Q^lp
Расход объемный нормальный to Объемный расход воздуха, приведенного к техническим нормальным условиям
Пропускная способность (расходная характеристика) Kv м3/ч кубический метр в час Внесистемная единица
Плотность p кг/м3 килограмм на кубический метр
Удельный объем V м3/кг кубический метр на килограмм v=1/p
194
Приложение I. Справочная информация
Абсолютная влажность воздуха /»/абс кг/м3 килограмм на кубический метр Обычно выражается в граммах на кубический метр [г/м3]
Относительная влажность воздуха <р — — Измеряется в относительных единицах (процентах)
Частота периодического процесса (колебания) fv Гц герц
Частота импульсов, ударов ит. п, частота вращения n.f С-1, Гц секунда в минус первой степени, герц 1 с ' = 1 Гц
об/с оборот в секунду 1 об/с=1 с-1
об/мин оборот в минуту Внесистемная единица: 1 об/мин = 1/60 с"1
Частота угловая (круговая или циклическая) Ct) с-1 секунда в минус первой степени
Скорость линейная V м/с метр в секунду
Скорость угловая CD ред/с радиан в секунду
об/с оборот в секунду 1 об/с=2я рад/с
Об/мИН оборот в минуту Внесистемная единица: 1 об/мин = 2тг/60 рад/с
Ускорение линейное a м/с2 метр на секунду в квадрате
Ускорение свободного падения g g=9,81 м/с2
Ускорение угловое £ рад/с2 редиан на секунду в квадрате
Лмпульс (количество движения) P кгм/с килограмм-метр в секунду
Динамический момент и-мерции J, I кг-м2 килограмм-метр в квадрате
Сила (усилие) F.P Н ньютон Н = кг-м/с2
Сила тяжести, вес G.P
•Домент силы, изгибающий момент M Нм ньютон-мвтр
Момент пары сил, крутящий (вращающий) момент M. T
195
Приложение I. Справочная информация
Давление Р Па паскаль Па = Н/м2
Объемный модуль упругости (модуль сжимаемости) к
Коэффициент объемного сжатия* Рр Па-’ паскаль в минус первой степени
Коэффициент объемного расширения** Рт К 1 кельвин в минус первой степени
Динамическая вязкость (коэффициент внутреннего трения) р Па-с паскаль-секунда
Кинематическая вязкость V М2/с квадратный метр на секунду v= /i/p
Коэффициент трения — — Безразмерная величина
Работа А Дж джоуль
Энергия Е, W
Кинетическая энергия Ek, Wk.K,T
Потенциальная энергия Ер, КР,П,Ф
Тепловая энергия Q
Внутренняя энергия и
Мощность Р, N Вт ватт
Коэффициент полезного действия (КПД) Ч — — Безразмерная величина
Удельная газовая постоянная R.Ro Дж/(кг-К) джоуль на килограмм-кельвин
Табл. II. Приставки для наименования дольных и кратных единиц
Дольные единицы Кратные единицы
степень приставка символ степень приставка символ
10"’ деци д 101 дека да
10“2 санти с 102 гекто г
кг3 милли м 103 кило к
10^ микро мк 106 мега М
10 6 нано н ю9 гига г
10"12 ПИКО п 1012 тера т
10“15 фемто ф 1015 пета п
10"’8 атто а 101в экса э
4, Термодинамический коэффициент сжимаемости. Термический (температурный) коэффициент расширения
196
Приложение I. Справочная информация
12. Сотношения между различными единицами давления и температурными шкалами
Табл III. Соотношения между различными единицами давления
L Па бар psi кгс/см2 мм вод. ст. мм рт. ст.
1 10"6 1,45-Ю4 1.02-10 3 0,102 7,502-103
* бар 105 1 14,5 1,02 1,02-104 7,5024 102
1 psi’ 6,895-103 6,895-10"2 1 7,031 10’2 7,031 102 52,2
1 кгс/см2 9,807-104 0,9807 14,223 1 104 7,35-102
, 1 мм вод. ст. 9,807 9,807 1 О'5 1,422-10’3 10"4 1 7,35-10'2
11 мм рт. ст. 1,33 -102 1,33-10'3 1,934-10'2 1,36-10-3 13,6 1
Табл. IV. Формулы, связывающие различные температурные шкалы
Шкала Кельвина Цельсия Фаренгейта Реомюра
Кельвина, Т [К] 1 (°C+ 273,15 ((°F-32)/1,8 + 273,15 1,25(°R + 273.15
Цельсия, ГС Т- 273,15 1 ((°F-32)/1,8 1,25/°R
Оаренгейта, t°F 1,8 Г—459,67 1,8Г°С + 32 1 2,25(°R + 32
. Реомюра, z°R 0,8 Т 218,52 0,8 ГС 0,44(("F- 32) 1
- _ (сокр. от pound-force per square inch) — фунт-сила на квадратный дюйм.
197
Приложение I. Справочная информация
1.3. Извлечения из ГОСТа 17433-86 «Промышленная чистота. Сжатый воздух. Классы загрязненности»
Табл. V. Классы загрязненности сжатого воздуха
Класс загрязненности Размер твердой частицы, мкм, не более Содержание посторонних примесей, мг/м3. не более
Твердые частицы Вода (в жидком состоянии ) Масла {в жидком состоянии)
0 0,5 0,001 Не допускается
1 5 1
2 500 Не допускается
3 10 2 Не допускается
4 800 16
5 25 2 Не допускается
6 800 16
7 40 4 Не допускается
8 800 16
9 80 4 Не допускается
10 800 16
11 Не регламентируется 12,5 Не допускается
12 3200 25
13 25 Не допускается
14 10000 100
Примечания 1. Содержание посторонних примесей указано для воздуха, приведенного к техническим нормальным условиям: температура 293,15 К (2С°С), давление 101,325 кПа (760 мм рт. ст.). 2. Размер твердой частицы принимается по наибольшему измеренному значению. 3. Температура точки росы сжатого воздуха: для классов 0, 1, 3, 5, 7,9.11 и 13 — должна быть ниже минимальной рабочей температуры не менее чем на 10°С; для классов 2, 4, 6, 8, 10,12 и 14 — не регламентируется. 4. В сжатом воздухе, независимо от класса загрязненности, допускаются только следы кислот и щелочей. 5. Классы загрязненности сжатого воздуха следует указывать в технических требованиях к эксплуатации пневматических систем и устройств.
198
Приложение I. Справочная информация
Табл. VI. Требования к чистоте сжатого воздуха для пневматических систем, устройств
и технологических процессов
Пневматические системы, устройства и технологические операции, выполняемые сжатым воздухом Класс загрязненности сжатого воздуха (ГОСТ 17433-86)
Высокие требования к надежности Обычные требования к надежности
Пневматические устройства для измерения линейных размеров 0
Пневматические приборы и средства автоматизации: приборы и устройства для получения, передачи, преобразования, хранения и обработки информации исполнительные устройства 0, 1 2 3 4
5. 6 7, 8
Струйные устройства: элементы системы «Волга» с увеличенным сечением каналов и связанные с ними входные устройства элементы с нормальным и малым сечением каналов и связанные с ними входные устройства выходные устройства и не связанные со струйными элементами входные устройства 1,3 о, 1 5, 7 2, 3, 5 1. 3. 5 7,8,9
Пневмотранспорт и перемешивание продуктов питания, лекарственных препаратов и напитков 0
Подача воздуха для дыхания, в стерильные боксы и камеры в медицинских учреждениях 0
Газовая смазка подшипников и направляющих станков и приборов 0, 1,3 2, 3, 5
Пневмоаппаратура высокого давления: с дроссельными отверстиями без дроссельных отверстий 3. 5,7 5, 7, 9 5-8 6-10
Поршневые, шиберные, винтовые, шестеренные, турбинные пневмодвигатели и пневмоинструмент 5, 7.9 6-10
Мембранные, сильфонные, камерные, шланговые цилиндры 8-10
Высокоскоростные пневмомоторы (свыше 60000 об/мин) 1, 2, 3
Перемешивание электролитов, распыление лаков и красок 1,3,5
Очистка сосудов для пищевых продуктов и лекарств, | электронной аппаратуры и медицинского инструмента 0
Продувка после промывания деталей и устройств моющими средствами, соответствующими требованиям ГОСТа 17216-86: классам 0-9 классам 10-17 1-8 8-10
Примечания
1. Классы загрязненности из графы «высокие требования к надежности» необходимо выбирать в тех случаях, когда выход пневмоустройства из строя или его отказ может привести к несчастному случаю, аварии или неоправданным экономическим затратам.
2. Нечетные классы загрязненности из графы «Обычные требования к надежности» рекомендуется выбирать для пневмоустройств, работающих при отрицательной температуре окружающей среды или в других условиях и режимах, приводящих к обледенению пневмоустройств.
3. Для продувки после промывания деталей, не допускающих наличия следов масла на поверхности, следует использовать нечетные классы загрязненности.
199
Приложение I. Справочная информация
1.4. Характеристики минеральных масел
Табл. VII. Характеристики минеральных масел
Индустриальные масла (ГОСТ 20799-88) Турбинные масла
Марка масла Показатель I4-2A И-2СА И-25А И-ЗСА Тп-22 ГОСТ 9972-74 Т22 ГОСТ 32-74 Тзо ГОСТ 32-74
Кинематическая вязкость при температуре 50°С, мм2/с 10-14 17-23 24-27 28-33 20-23 28-32
Температура вспышки, опредвляемая в открытом тигле, °C, не менее 165 180-190 180
Температура застывания, 'С, не более -30 -15 -15 -10
Коксуемость, %, не более — 0,15 —
Зольность, %, не более — 0,005 —
Кислотное число мгКОН на 1 г масла, не более 0,05 0,02
200
Приложение I. Справочная информация
1.5. Характеристика степеней защиты (IP) персонала и электротехнических устройств
IP (International Protection)
----защита оборудования от проникновения воды внутрь оболочки
----О — защита отсутствует
----1 — защита от капель сконденсировавшейся воды
—— 2 — защита от капель воды, падающей под углом 15° к вертикали
—— 3 — защита от капель воды, падающей под углом 60° к вертикали (защита от дождя)
----4 — защита от брызг воды любого направления
----5 — защита от водяных струй
----6 — защита от затопления (заливания водой)
----7 — защита от действия воды при погружении
----8 — защита от действия воды при неограниченно длительном погружении
-------защита персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями оборудования и защита оборудования от попадания внутрь оболочки посторонних твердых тел
-------0 — защита отсутствует
—------1 — защита от случайного соприкосновения большого участка поверхности тела
человека с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки;
защита оборудования от попадания инородных тел диаметром не менее 52,5 мм
-------2 — защита от возможности соприкосновения пальцев с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки;
защита оборудования от попадания инородных тел диаметром не менее 12 мм
---—— 3 — защита от соприкосновения с инструментом, проволокой или другим подобным предметом, толщина которого превышает 2,5 мм;
защита оборудования от попадания инородных тел диаметром не менее 2,5 мм
-------4— защита от соприкосновения с инструментом, проволокой или другим подобным предметом, толщина которого превышает 1 мм;
защита оборудования от попадания инородных тел диаметром не менее 1 мм
-------5 — полная защита персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки;
защита оборудования от вредных отложений пыли во внутреннем пространстве
— — 6 — полная защита персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки;
полная защита оборудования от попадания пыли
Пример. Оборудование со степенью защиты IP 65 обеспечивает полную защиту персонала от соприкосновения с токоведущими или движущимися частями внутри оболочки, а также защищено от воздействия водяных струй.
201
Приложение I. Справочная информация
1.6. Условные буквенные обозначения элементов на схемах
Табл VIII. Буквенные коды элементов на электрических схемах (ГОСТ 2.710-81)
Первая буква кода Грулпа видов элементов Примеры видов элементов
А Устройства Усилители, приборы телеуправления, мазеры, лазеры
В Преобразователи неэлектрических величин в электрические (кроме генераторов и источников питания) либо наоборот; аналоговые или многоразрядные преобразователи; датчики для указания или измерения Громкоговорители, микрофон ы, термоэлектрические чувствительные элементы, детекторы ионизирующих излучений, звукосниматели, сельсины
С Конденсаторы
D Интегральные микросхемы, микросборки Интегральные аналоговые и цифровые микросхемы, логические элементы, устройства памяти, устройства задержки
Е Разные элементы Осветительные устройства, нагревательные элементы
F Разрядники, предохранители, защитные устройства Дискретные элементы защиты по току и напряжению, плавкие предохранители, разрядники
G Генераторы, источники питания, кварцевые осцилляторы Батареи, аккумуляторы, электрохимические и электротермические источники
Н Индикационные и Сигнальные устройства Приборы звуковой и световой сигнализации, индикаторы
К Реле, контакторы, пускатели Реле токовые и напряжения, реле электротепловые, реле времени, контакторы, магнитные пускатели
L Катушки индуктивности, дроссели Дроссели люминесцентного освещения
М Двигатели Двигатели постоянного и переменного тока
Р Приборы, измерительное оборудование Показывающие, регистрирующие и измерительные приборы, счетчики, часы
Q Выключатели и разъединители в силовых цепях Разъединители, короткозамыкатели, автоматические выключатели (силовые)
R Резисторы Переменные резисторы, потенциометры, варисторы, терморезисторы
202
Приложение I. Справочная информация
S Коммутационные устройства в цепях управления, сигнализации и измерительных Выключатели, переключатели; выключатели, срабатывающие от различных воздействий
т Трансформаторы, автотрансформаторы Трансформаторы тока и напряжения, стабилизаторы
и Преобразователи электрических величин Модуляторы, демодуляторы, дискриминаторы, инверторы, преобразователи частоты, выпрямители
V Электровакуумные, полупроводниковые приборы Электронные лампы, диоды, транзисторы, тиристоры,стабилитроны
W Линии и элементы сверхвысокой частоты, антенны Волноводы, диполи, антенны
X Контактные соединения Штыри, гнезда, разборные соединения, токосъемники
Y Механические устройства Электромагнитные муфты, тормоза, патроны
Z Конечные устройства, фильтры, ограничители Линии моделирования, кварцевые фильтры
Табл. IX. Буквенные коды элементов на пневматических и гидравлических схемах (ГОСТ 2.704-76)
Буква Элемент
А Устройство (общее обозначение)
АК Пневмоаккумулятор (гидроаккумулятор)
АТ Аппарат теплообменный
Б Г идробак
вд Влагоотделитель
ВН Вентиль
ВТ Вытеснитель
г Пневмоглушитель
д Пневмодвигатель (гидродвигатель) поворотный
дп Делитель потока
др Пневмодроссель (гидродроссель)
зм Пневмозамок (гидрозамок)
к Пневмоклапан (гидроклапан)
кв Пневмоклапан (гидроклапан) выдержки времени
кд Пневмоклапан (гидроклапан) давления
203
Приложение I. Справочная информация
ко Пневмоклапан (гидроклапан) обратный
КП Пневмоклапан (гидроклапан) предохранительный
КР Пневмоклапан (гидроклапан) редукционный
км Компрессор
м Пневмомотор (гидромотор)
мн Манометр
МП Гидродинамическая передача
МР Масл©распылитель
мс Масленка
МФ Гидравлическая муфта
н Насос
НА Насос аксиально-поршневой
нм Насос-мотор
нп Насос пластинчатый
HP Насос радиально-поршневой
пг Пневмогидропреобразователь
ПР Г идропреобразователь
р П нев м орасп редел ител ь (гидрорасп ределител ь)
РД Реле давления
РЗ Пневмоаппарат (гидроаппарат) золотниковый
РК Пневмоаппарат (гидроаппарат) клапанный
РП Регулятор потока
PC Ресивер
с Сепаратор
с Сумматор потока
т Термометр
ТР Гидродинамический трансформатор
УВ Устройство воздухоспускное
УС Г идроусилитель
ф Фильтр
ц Пневмоцилиндр (гидроцилиндр)
204
Приложение II. Примеры расчетов
Приложение II. Примеры расчетов
11.1. Основные газовые законы
Закон Бойля — Мариотта
Т — const p1V1 = p2V2 = const
Пример. Атмосферный воздух объемом 1 м3 был сжат при неизменной температуре до избыточного
•еления 6 бар. Какова степень сжатия воздуха? Какой объем будет занимать сжатый воздух?
Напомним: в расчетах следует использовать абсолютные значения давлений ра6с = ратм + риэ6, где -1,013 бар. Степень сжатия определяется отношением V2.
Дано: V,= 1 м3; Pi= 1,013 бар; Р2изб=6 бар. Решение. V. р2 V, 6 + 1,013 7,013 — = —; — = = - = 6,923. V2 р1 У2 1,013 1,013 V2=p,V,//>2; V2= 1,013-1/7.013 я 0,144 м3.
I V. Найти: —; V2.
Ответ: ~ 6,923; V, ~ 0,144 м3
Адиабатический процесс
= p2V2 ~const
Пример. Атмосферный воздух объемом 1 м3 был сжат до избыточного давления 6 бар. Какой объем ~ дет занимать сжатый воздух, если сжатие осуществлялось без теплообмена с окружающей средой?
Дано: Решение
V,= 1 м3; = 1,013 бар; v2=p,V;/p2-, У=(Р^1Ру/к.
р2иэб = 6 бар; *=1,4. v2=(l, 013- 11J’/[1,013 + 6])1/’'4= (1,013/7,013)1/1’4~0,251 м3.
Найти: V2.
Ответ: V2 ~ 0,251 м3.
205
Приложение И. Примеры расчетов
Закон Шарля
V—const Pl_=Pz_ Т1 Т2
Пример. В ресивере (пневматической емкости) находится воздух под избыточным давлением 5 бар при температуре окружающей среды 18°С. Каковы будут показания манометра, установленного на ресивере, если температура сжатого воздуха в нем повысится на 100°С?
Т £□ £ II Н 5 ¥ Ч ГО -‘°', О s оз оз || ч о о 71 N> - СП S й) о> ТЗ Решение. Тг Р2 = Р1—- р, = 5 + 1,013 = 6,013бар; 7, = 273,15 +18 = 291,15 К; Т2=273,15 + 28 = 301,15 К. 301,15 р2= 6,013 я 6,220 бар; 291,15 Р2изб = 6,220 1,013 — 5,207 бар.
Ответ: ргизби5,207 бар.
Закон Гей-Люссака
р — const II
Пример: При температуре окружающей среды 22°С воздух, находящийся под избыточным давлением 6 бар, занимает объем 1 м3. Какой объем будет занимать воздух, если его температура понизится на 10°С, а давление останется неизменным?
й1 ~ Й II II 'll ¥ -ь N> " О ГО ГО р о 5» Решение. То v2=v,—. т, Т, = 273,15 + 22 = 295,15 К; Т2= 273,15 + 12 = 285,15 К. 285,15 ч V2= 1,3 — ~ 1,256 м . 295,15
Найти: V2.
Ответ: 1,256 м3.
206
Приложение II. Примеры расчетов
11.2. Расчет внутреннего диаметра трубопроводов
Для расчета размеров магистрального трубопровода и его отводов должны быть известны следующие параметры:
• требуемый расход воздуха, приведенный к нормальным техническим условиям;
• требуемая длина трубопровода;
• осредненное значение давления питания компрессора (давления в ресивере);
• максимально допустимая величина падения давления в трубопроводе.
На основе значений данных параметров можно определить необходимый внутренний диаметр трубы по следующей номограмме (рис. I).
бар бар м3/с мм
3 0- -4
-100
2,0 - - 90
1,5 - - 80 “3*
-2 -3,0 1,0 - - 70
-2,5 -
-2,25 - - 60 -2,3*
“2,0 0.5 -
“3 -1,75 0,4 - -2
- 1,5 0,3 - - 50
-4 -
0,2 7]
- 1,0 0,15/- - 40 -1,5е
5 -0,9
-0,8 /1 - - 35 -1,25“
-6 -0,7
V -0,6 - 30
-8Ч -0,5 0,05 - 0,04 - - 25 -1
-9 -0,4 у
0,03 -
-ю -о,з -^5 0,025 “
“11 -12 / / 0,02 - 0,015 - - 20
-0,2 0,01 -
-0,15 У - 15
к Е ¥ С [ Е
Давление Потери давления Расход Диаметр
питания на 100 м трубопровода
Рис. 1. Номограмма для определения внутреннего диаметра трубы
207
Приложение II. Примеры расчетов
Порядок использования номограммы рассмотрим на следующем примере.
Пример. От ресивера, давление сжатого воздуха в котором изменяется от 6 до 8 бар, требуется проложить трубопровод длиной 200 м. При этом расход протекающего по нему воздуха должен составлять 12000 л/мин, а падение давления ограничивается значением 0,6 бар. Определить требуемый внутренний диаметр трубы.
Прежде чем обратиться к номограмме, произведем несложные вычисления.
1. Средний уровень давления в ресивере: (6+8) /2 = 7 бар.
2. Расход воздуха в трубопроводе: 12000 л/мин = 12/60 м3/с = 0,2 м3/с.
3. Т. к. на 200 м длины трубопровода допустимое падение давления составляет 0,6 бар, то на 100 м — 0,3 бар.
Теперь воспользуемся номограммой. Пустим луч из точки, соответствующей значению давления 7 бар, на оси А «Давление питания» через точку 0,3 бар на оси В «Потери давления на 100 м» и пересечем его с вспомогательной осью С. Через полученную таким образом точку на оси С и точку на оси D «Расход», соответствующую значению расхода сжатого воздуха 0,2 м3/с, проводим линию и находим точку ее пересечения с осью Е «Диаметр трубопровода» Исходя из полученного значения внутреннего диаметра трубопровода d ~ 54 мм подбираем стандартную трубу с помощью табл. X. Для нашего примера требованиям технического задания будет отвечать труба с величиной условного прохода 65 мм
Табл. X. Стальные водогазопроводные трубы (ГОСТ 3262-75)
Условный проход, мм Наружный диаметр, мм Толщина стенок труб, мм
легких обыкновенных усиленных
6 10,2 1,8 2.0 2,5
8 13,5 2,0 2,2 2,8
10 17.0 2,0 2,2 2.8
15 21,3 2,5 2,8 3,2
20 26,8 2,5 2,8 3,2
25 33,5 2,8 3.2 4,0
32 42,3 2,8 3,2 4,0
40 48,0 3,0 3,5 4,0
50 60,0 3,0 3,5 4,5
65 75,5 3,2 4,0 4,5
80 88,5 3,5 4.0 4,5
90 101,3 3,5 4,0 4,5
100 114,0 4,0 4.5 5,0
Внутренний диаметр трубопровода d [мм] можно также определить по формуле
4Q. Ро_
ПЛ Р
208
Приложение II. Примеры расчетов
где Q — объемный расход воздуха, м3/с;
v — скорость движения воздуха в трубопроводе, м/с.
р — плотность воздуха в трубопроводе, кг/м3;
р0 — плотность воздуха при технических нормальных условиях, кг/м3.
Значение скорости движения сжатого воздуха в магистральных трубопроводах рекомендуется принимать в пределах 6-12 м/с. В магистральных трубопроводах относительно малой протяженности (до 300 м) при давлениях 0,6 - 0,7 МПа скорость воздуха может составить 10-15 м/с.
Трубопроводная арматура, отводы, колена и другие элементы создают дополнительное сопротивление движению потока сжатого воздуха. Возникающие вследствие этого падения давления на местных сопротивлениях учитывают при определении требуемых размеров трубопровода путем добавления к ранее полученной величине длины трубы дополнительного ряда значений эквивалентных длин. Другими словами, каждый отдельный элемент, являющийся местным сопротивлением, при расчете условно заменяют на прямолинейный участок трубы, потери давления по длине которого равны падению давления на данном местном сопротивлении (рис. II).
Шаровой кран
Угловой кран
Тройник
Вентиль
Колено
Рис. II. Номограмма для определения эквивалентных длин дросселирующих устройств
Допустим, что в условиях вышерассмотренного примера в трубопровод будут врезаны четыре тройника и два вентиля. Потребуется ли увеличение диаметра трубопровода?
По номограмме (рис. II) определяем эквивалентные длины указанных элементов для трубы диаметром d = 54 мм:
209
Приложение II. Примеры расчетов
тройники: 5,8 4 = 23,2 м; вентили: 0,84 2 = 1,68 м.
Суммарная эквивалентная длина составит приблизительно 25 м.
Исходя из общей длины трубопровода 225 м проведем перерасчет внутреннего диаметра трубы Теперь допустимые потери давления на 100 м составят (100 / 225) 0,6 = 0,27 бар.
Обратившись к номограмме (рис. I), убеждаемся, что внутренний диаметр трубы практически совпадает со значением, определенным ранее.
Заметим, что при расчете вновь создаваемых магистральных трубопроводов следует учитывать возможность дальнейшего увеличения количества встраиваемой арматуры.
11.3. Расчет пневмоцилиндров
Расчет пневмоцилиндра заключается в подборе диаметра его поршня (внутреннего диаметра гильзы цилиндра) таким образом, чтобы развиваемое цилиндром усилие было достаточным для преодоления действующих на него нагрузок.
Теоретическое усилие, развиваемое цилиндром (рис. Ill), зависит от диаметра поршня и давления воздуха в его рабочих полостях и рассчитывается по формулам:
при прямом ходе = pS1 = р--------
d^'S
при обратном ходе Fo6p = pS2 = р —-----
где р — манометрическое (избыточное) давление воздуха в рабочих полостях пневмоцилиндра;
S1 — площадь поршня со стороны поршневой полости (при прямом ходе);
S2 — площадь поршня со стороны штоковой полости (при обратном ходе);
D — диаметр цилиндра;
d — диаметр штока.
При расчете усилия, развиваемого пневмоцилиндром одностороннего действия, необходимо учитывать противодействие возвратной пружины, определяемое формулой
Г Р 4 + F"PD
где Fnp0— усилие предварительного сжатия пружины; спр — жесткость пружины;
f— рабочий ход цилиндра
210
Приложение II. Примеры расчетов
При условии, что полость выхлопа соединена с атмосферой, диаметр цилиндра определяется по формуле
Для пневмоцилиндров, изготовляемых серийно. Международная организация по стандартизации (ISO) ре-. эыендует принимать значения диаметров [мм] из стандартного ряда:
8 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 140, 160, 200, 250, 320.
Значения диаметра, полученное расчетным путем, заменяют на ближайшее большее значение из данного ^андартного ряда.
В практических расчетах следует также учитывать силы трения в пневмоцилиндре и предусматривать загас по усилию, обеспечивающий стабильное значение скорости выходного звена при колебаниях величины *4ешней нагрузки:
де К1 — коэффициент, учитывающий наличие сил трения в цилиндре;
К2 — коэффициент запаса по усилию.
Коэффициент зависит от диаметра поршня: К1 = 0,754-0,9 (большим значениям FC соответствуют большие --лметры цилиндров).
Коэффициент К2 зависит от характера работы пневмоцилиндра: для зажимных пневмоцилиндров <, = 0,9; для транспортирующих — К2 = 0,54-0,6.
Ясно, что значение усилия F, подставляемое в последнюю из приведенных формул, должно учитывать 1едующие факторы (рис. IV): 1) массу ведомого объекта и наличие сил трения при его перемещении; 2) - травление перемещения; 3) полезную нагрузку на цилиндр:
Рис. IV. Внешние воздействия на цилиндр
Таким образом, пневмоцилиндр должен развивать усилие
F = Fnon + FG =7hOn+mg(sino'+//coso').
где Fnon — полезная нагрузка на цилиндр;
F с — нагрузка на цилиндр от собственного веса перемещаемого объекта;
т — масса ведомого объекта;
g — ускорение свободного падения;
a — угол наклона оси цилиндра к горизонтали;
р — коэффициент трения.
Коэффициент трения р изменяется в широком диапазоне значений и зависит как от материала объектов, между которыми оно возникает, так и от вида трения — скольжения или качения. К примеру, при трении «сталь -□стали» (материалом трущихся поверхностей является сталь) коэффициент трения скольжения р- 0,14-0,4, • ~гда как в случае трения качения р - 0,005.
Приложение к цилиндру чрезмерной осевой нагрузки может привести к продольному изгибу штока (потерю -тойчивости в осевом направлении). Критическое усилие, приводящее к продольному изгибу, рассчитывают то обобщенной формуле Эйлера 2
k'EJ
211
Приложение II. Примеры расчетов
где Е — модуль упругости (для стали £= 2,1 • Ю5 МПа);
J— момент инерции штока (J- 0,0491 d2, где d— диаметр штока);
/ — длина нагруженного участка цилиндра;
Л— коэффициент приведения длины.
Коэффициент Л учитывает способ монтажа цилиндра и определяется из рис. V.
Способ монтажа цилиндра Схема монтажа Расчетная схема Коэффициент Л
Одна сторона свободна, вторая жестко закреплена -Ji- Л=2
4 d £ £ _!
На обеих сторонах установлены шарниры I Л=1
£ 1 1 *
Одна сторона жестко закреплена, на второй установлен шарнир rf Fl '1 Fl F|tl F* Л = 0,7
£ 1 £ £ \ 1 * 1
Обе стороны жестко закреплены fftl Fl »> Fffl Л = 0,5
£ £ J € L
Рис. V. Зависимость коэффициента приведения длины Лот способа монтажа цилиндра
Максимально допустимая величина нагрузки на шток определяется из соотношения
кр
где К3— коэффициент запаса по прочности (К3 = 2,5-3,5).
212
Приложение И. Примеры расчетов
Пример. Задняя бабка токарного станка перемещается посредством пневмоцилиндра двустороннего действия. Максимально возможная масса бабки вместе с инструментом (например, сверлом) составляет т= 100 кг, а полезная нагрузка (усилие резания) при выполнении рабочей операции Fnon = 200 Н. Давление титания пневмосети риз6 = 6 бар, коэффициент трения скольжения бабки по направляющим р = 0,3. Требуется подобрать подходящий стандартный диаметр D поршня цилиндра.
Дано: = 6 бар = 6 -105 Па; 1 р = 0,3; т = 100 кг; Fnon = 200 Н. Решение. Определяем нагрузку на пневмоцилиндр F= Fnon + Fg=Fnon + mg p = 200 +100 9.81 0.3 = 494,3 H. Принимаем = 0,8; K2= 0,6. „ I F I 494,3 D = 1,13 = J - =- к 0,047 m. \K1K2p у 0,8 0,6 6 -105 Из стандартного ряда выбираем ближайшее большее по величине значение /9=50 мм.
Найти: D.
Ответ: D — 50 мм.
Чтобы правильно выбрать типоразмер управляющего распределителя, необходимо знать расход воздуха, * лребляемого пневмоцилиндром при движении его штока с заданной скоростью.
Объемный расход воздуха можно определить по формуле
Q = —V^~.
4 Ратм
где V— скорость движения штока цилиндра,
р м — абсолютное давление сжатого воздуха в магистрали;
Р атм — нормальное абсолютное (атмосферное) давление.
Зная максимальное потребление воздуха каждым цилиндром, можно определить максимальное потребле-сжатого воздуха всей установкой и подобрать блок подготовки воздуха, который будет обаспечивать тре-- -емое значение расхода.
Средний расход сжатого воздуха (м3/мин). потребляемого пневмоцилиндрами можно определить, восполь-э-авшись следующими формулами:
для цилиндров одностороннего действия Q — —___£ п ;
4 р
^атм
для цилиндров двустороннего действия Q = f. п,
4 р
^атм
где f — рабочий ход цилиндра;
п — количество двойных ходов в минуту.
Эту характеристику необходимо знать для определения требуемой производительности компрессора и оцен-• затрат на производство сжатого воздуха, а также для подбора диаметра магистрального трубопровода.
213
Приложение II. Примеры расчетов
11.4. Выбор пневмораспределителей
Выбор пневмораспределителя по промышленным каталогам осуществляют на основе предварительного расчета требуемого расхода воздуха £)тр. который должен обеспечить распределитель.
Методика выбора определяется формой представления в каталоге расходной характеристики пневмораспределителя.
1. В промышленном каталоге в качестве расходной характеристики пневмораспределителя приведена величина номинального объемного расхода Q н.
Если распределитель будет эксплуатироваться при манометрическом давлении на входе 6 бар (абсолютном 1 бар) и давлении на выходе 5 бар (абсолютном 6 бар), то по каталогу подбирают распределитель, у которого значение номинального расхода равно требуемому значению (7ТР либо незначительно превышает его.
Если предполагается работа с другими значениями давлений, то по каталогу подбирают распределитель, номинальный расход которого не меньше величины
= _2’45 т/(Ртр, Ртр2 )Ртр2
где Q к — указанный в каталоге номинальный расход выбираемого распределителя (QK = Qt), л/мин:
Q тр — требуемый расход, л/мин;
р — абсолютное значение требуемого давления на входе, бар, р т₽г — абсолютное значение требуемого давления на выходе, бар;
Число 2,45 в числителе представляет собой расчетный коэффициент [бар], полученный по формуле -Рк2)Рк2 = #-6)х6 = л/б = 2.45,
где р к1 — стандартные значения давлений, при которых продувают распределители.
2. В промышленном каталоге расходная характеристика пневмораспределителя задана пропускной способностью Kv или Cv.
По известным значениям требуемого расхода (7тр и давлений сжатого воздуха на входе ртр, и выходе ртр2 определяем пропускную способность Kv [м3/ч], которую должен иметь распределитель, по формуле
CyjiPip, ~ Ртр2)/?тр2
где С — коэффициент, значение которого (табл. XI) зависит от размерностей параметров, входящих в данную формулу (размерность С обратно пропорциональна размерности параметра дтр).
Табл. XI. Значения коэффициента С
Размерность Qrp Размерность дтр
бар МПа кгс/см2
м3/ч 28,9 289,0 28,3
м3/мин 0,481 4.810 0,472
л/мин 481 4810 472
Обычно номинальный расход представляют в нормальных литрах в минуту (Н л/мин), т.е. при нормальных технических условиях
214
Приложение II. Примеры расчетов
Исходя из вычисленного значения Kv по каталогу подбирают распределитель, значение пропускной способности которого не меньше расчетного.
Пропускную способность Kv цепи, состоящей из п распределителей (проточных устройств), каждый из •оторых характеризуется пропускной способностью Kv, (/=1.2.3, п), определяют по следующим форму-
ем:
Kv = Kvi + Kvz+ ... 1 Kvn — при параллельном соединении;
111 1
=T^-+-zy-+—+ 7^- — при последовательном соединении.
Av, *V2
Между параметрами пропускной способности Kv и Cv имеют место следующие соотношения:
Cv = 1,17Kv,
де Kv — пропускная способность в м3/ч;
Cv — пропускная способность в американских галлонах в минуту.
G =0,97Kv,
где Kv — пропускная способность в м3/ч:
Cv — пропускная способность в английских галлонах в минуту.
Обычно пропускную способность пневмо распределителя выбирают с некоторым запасом, особенно для --вмоцилиндров с торможением в конце хода, которое необходимо при высоких скоростях движения пор-а также при больших значениях длин соединительных трубопроводов между распределителем и ци-тчлндром.
3. В промышленном каталоге расходная характеристика пневмораспределителя задана серией графиков, отражающих зависимость расхода от перепада давления при различных значениях давления на входе (рис. VI).
Объемный расход (Н л/мин)
Рис. VI. Пример расходно-перепадной характеристики распределителя
На горизонтальной оси графика отмечается точка, соответствующая значению расхода Q . Из этой точки проводят вертикальную линию до пересечения с кривой, построенной для требуемого значения давления на зходе распределителярг Перпендикуляр, опущенный из полученной точки пересечения на вертикальную шкалу -"ределяет значение давления на выходе р2.
215
Приложение II. Примеры расчетов
Пример. Транспортный пневмоцилиндр с диаметром поршня D = 32 мм должен совершать рабочий ход длиной L = 200 мм за время t = 0,4 с. Подобрать пневматический распределитель для управления цилиндром при условии, что манометрическое давление питания ри = 6 бар' (рис. VII).
Рис. VII. Схема для выбора распределителя
По известной формуле (см. приложение 11.3) определяем расход воздуха, потребляемого пневмоцилиндром при прямом ходе:
4 ратм
где v — скорость движения поршня.
В рассматриваемом примере v = L /1 = 0,2 / 0,4 = 0,5 м/с.
Поскольку потери давления в распределителях обычно составляют 0,2 - 0,8 бар, то примем значение абсолютного давления р2 = 6,5 бар.
3,14x0,032 0 56^5 _ 2 61х10-з м3д _156 6 л/мин 4 1
Таким образом, требуется распределитель, обеспечивающий расход воздуха (?тр~ 160 л/мин при значении абсолютного давления питания 7 бар и перепаде давления на нем в 0,5 бар.
Если используется каталог, в котором пропускная способность представлена значениями номинального расхода, то необходимо выбирать распределитель с расходом
2 45 2 45
(Л = Отр I = 160 х =217,7 = 220 л/мин.
V<A₽, - Р^)Ръ -^(7-6,5) х 6,5
Пропускная способность Kv распределителя не должна быть меньше значения
к ___________бтр________ 160
С^р^-р^Ур : 481^0,5x6,5
Выбор распределителя можно осуществлять на основе завышенного значения скорости цилиндра, например 1 м/с. с последующим его снижением до заданного при помощи дросселя с обратным клапаном.
216
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Табл. XII. Условные графические обозначения на пневматических схемах (ISO 1219, ГОСТ 2.781-96, ГОСТ 2.782-96)
Преобразователи энергии
Компрессор Вакуум-насос Усилитель давления Эжектор Поступательный преобразователь с одним видом рабочей среды Поступательный преобразователь с двумя видами рабочей среды Пневмогидравлический вытеснитель t
Исполнительные механизмы
Пневмомоторы Нереверсивный нерегулируемый Нереверсивный регулируемый Реверсивный нерегулируемый Реверсивный регулируемый Поворотные пневмодвигатели Без демпфирования С демпфированием в конце хода <>&&& Л А
217
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Пневмоцилиндры одностороннего действия
Без указания способа возврата штока
С возвратом штока пружиной
С выдвижением штока пружиной
Телескопический
Пневмоцилиндры двустороннего действия
Общее обозначение
С постоянным магнитом на поршне
С нерегулируемым торможением в конце хода
С регулируемым торможением в конце хода
С проходным штоком
С проходным полым штоком
Телескопический
Тандем
С пневмоприводным фиксатором штока
С гибким штоком
Бесштоковый с магнитной муфтой
Бесштоковый с ленточным уплотнением
Специальные исполнительные механизмы
Захват промышленного робота
Вакуумный захват
218
Приложение III Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Устройства подготовки сжатого воздуха
Фильтр
Влагоотделитель с ручным отводом конденсата Влагоотделитель с автоматическим отводом конденсата Фильтр-влагоотделитель Осушитель Охладитель Нагреватель М аслорасп ыл ител ь Блок подготовки воздуха Детальное обозначение I ' 1 iA од/М
Упрощенное обозначение Ресивер во i
Контрольно-измерительные устройства
Манометр Термометр Указатель (индикатор) давления Указатель расхода Расходомер Счетчики импульсов С ручной установкой нуля и с пневматическим выходным сигналом нестандартизованные обозначения: с ручной установкой нуля с пневматической установкой нуля и с пневматическим выходным сигналом Реле давления <? ф Ф 4>-|О|^ Ку
219
Приложение !И. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
220
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Давления
Предохранительный
Редукционный двухлинейный
Редукционный трехлинейный
Последовательности
Вариант 1
Вариант 2
Быстрого выхлопа
Выдержки времени
С задержкой по переднему фронту
С задержкой по заднему фронту
С зедержкои по переднему и заднему фронтам
Формирователь импульса
221
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Устройства регулирования расхода
Дроссели Нерегулируемый Регулируемый С обратным клапаном Путевой Выхлопной
Устройства управления пневмоаппаратами
Управление мускульной силой Без уточнения типа Кнопка Рычаг Педаль Поворотная рукоятка Механическое управление Толкатель (кулачок) Ролик Ролик с «ломающимся» рычагом Пружина Фиксатор Пневматическое управление прямое нагружением прямое разгружением непрямое нагружением за счет разности площадей
222
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Электрическое управление электромагнит с одной обмоткой электромагнит с двумя встречными обмотками электромагнит с пропорциональным управлением шаговый электродвигатель Комбинированное управление электромагнитное И непрямое пневматическое электромагнитное ИЛИ непрямое пневматическое непрямое пневматическое с ручным дублированием электромагнит и пружина у у jy у у у У
Элементы трубопроводов
Заборник воздуха из атмосферы Место присоединения к источнику сжатого воздуха Линии всасывания, напора, слива Линии управления, отвода конденсата Соединение трубопроводов Пересечение трубопроводов без соединения Трубопровод гибкий, шланг Место присоединения несоединенное Место присоединения соединенное Общее обозначение разъемного соединения Фланцевое соединение Штуцерное резьбовое соединение Быстроразъемное соединение без запорного элемента соединенное несоединенное —ж— —1— —н— —Е— -х-
223
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Быстроразъемное соединение с запорным элементом соединенное несоединенное Вентиль Вентиль с пневмоприводом Выхлоп без возможности присоединения Выхлоп с возможностью присоединения Пневмоглушитель НН V 0
Струйные датчики положения и усилители сигнала (нестандартизованные обозначения)
Датчик подпора Вилкообразный воздушный барьер С кольцевым соплом С встречным соударением струй Однокаскадный усилитель Двухкаскадный усилитель
Маркировка присоединительных отверстий пневмоустроиств
Основное входное отверстие (подвод питания) Выходные отверстия (подача рабочей среды) Выхлопные отверстия Отверстия каналов упраеления р А, В, С, . R, S.T, ... X, Y, Z, . 1 2, 4, 6, 3, 5, 7, 10, 12, 14.
224
Приложение III. Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
г г- Условные графические обозначения на электрических схемах (ISO 1219, ГОСТ 2.755-87, ГОСТ 2.756-76)
Типы контактов
Размыкающий
Замыкающий 'I
Переключающий
Контакты электротехнических устройств
Замыкающий контакт кнопочного выключателя (общее обозначение) *
Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в действие нажатием кнопки S
Замыкающий контакт кнопочного выключателя с механической фиксацией положения ЕА
Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в действие вытягиванием кнопки
Замыкающий контакт кнопочного выключателя, приводимого в действие путем поворота *
Переключающий контакт путевого выключателя
Переключающий контакт путевого выключателя с управляющим воздействием от толкателя с «ломающимся» рычагом
Переключающий контакт путевого выключателя, активизированный в исходном состоянии контролируемым объектом
Переключающий контакт реле давления
Замыкающий и размыкающий контакты рвле времени с замедлением при срабатывании
Замыкающий и размыкающий контакты реле времени с замедлением при возврате Ч 4
Замыкающий и размыкающий контакты реле времени с замедлением при срабатывании и возврате х-‘1 4
225
Приложение Ш Условные графические обозначения элементов пневмоприводов
Воспринимающая часть электромеханических устройств
1
Катушка
1 1
Катушка с одной обмоткой LZJ
। ।
Катушка с двумя встречными обмотками [/ \ 1
। ।
Катушка устройства с замедлением при срабатывании (например, реле времени) 1
। । 1
Катушка устройства с замедлением при отпускании 1/
। । 1 1
Катушка устройства с замедлением при срабатывании >4 Ь
и отпускании । 1
Бесконтактные путевые выключатели
Геркон 1
1
о п
Индуктивный
1
Емкостный о л,
1
У
Оптический По
1
1 1 1 1 I
Реле М-л
1 1 гЧ V1 7 1
Электропневматический преобразователь (пневматический 1/Н l/J-X-l/l
распределитель с электромагнитным управлением) 1 ¥ 1 i 1
Световой индикатор
226
Прадметный указатель
Поедметный указатель
итизация производственных процессов: 7, 8, 12, 41, 95, 102, 146
- qpedcmea автоматизации: 7, 8, 11, 178, 192
-тематические 8, 11,43, 50, 74, 94, 134, 148, 176
ъч&трические
11,12, 161
электронные
рбшгти
л логики (булева влгебра) г»»»оры
давления плавного
11, 12
37
113, 120
57
33, 50, 189
103
iku воздуха: 47. 49-52. 88. 91. 100, 103, 104, 183
- - модулем отвода 52
•учяыетры 14
. гальваническвя 122,123
I ж* 94, 95, 192
95
* •- -'ь (влагосодержание) воздуха: 23
потная 23
°—-- •onapa(f^) 23
тельная (<р) 23, 24, 34
ни сжатый:
- - (р): 7-9,13, 20, 23, 24, 39, 41,42, 44, 46-48,
М 52, 55, 57, 62, 69, 70, 74, 75, 85, 94, 97, 98, 100-103, • 7-112, 115-118, 122, 125, 142, 153, 156, 157, 169, 179, 188-192 ^солютное (р. ра^) 14
.кууметрическое (вакуум, рвак) 14, 74
Пыточное (ртЪ) 14, 26-29,48, 49
- Внввиие и его направление 9, 10, 13, 33, 35, 39, 41,
75, 83 24 30, 37, 47 7, 24, 36, 40, 75, 152 9, 31.32, 36. 37, 40, 47 24,26, 31, 34, 36 23, 31-33, 36, 47. 125, 183
зчсход (Q): 8. 9. 18. 24. 36. 41. 47, 48, 51, 53, 74-
76, 95, 96, 100, 102, 107, 122, 129, 183, 184, 188 массовый (QJ 18,21, 22
объемный (Q или Q,): 18,21, 22, 28
- нормальный (QH) 22, 92, 93
номинальный 47, 50, 93, 100, 111
- мк - аварийный
м резервный
• зжлаждение
- зклтгжа (чистота)
Гнздогрев гюоиэводство и подготовка
36
9, 10, 23, 47, 52, 164
- температура (Т) 14, 21,23, 34, 39, 41,42, 47, 100, 183
- энергия и управление ею 9-11, 13, 53, 70, 75, 76
Ворота пнев мол р и водные 89
Выключатели кнопочные (кнопки управления) 159, 160,
169-171, 174, 176, 177, 179-181, 189
Выключатели путевые (концевые): 86, 104-106, 118. 119,
122, 128, 130, 132, 133,135-141, 143, 146, 148, 160-162,
176. 177. 181. 187-189
- бесконтактные: 161-165
герконовые 162, 165
электронные: 163
- емкостные 163, 164
- индуктивные 163, 164
- оптические (фотоэлектрические) 163, 165
- электромеханические: 161, 163, 165, 172, 174
с «ломающимся» рычагом 138, 161
- требования и ограничения 161
- условия эксплуатации 161
Вязкость: 15, 183
динамическая (м) 15
кинематическая (н) 15, 21
Газы:
азот 13
водород 13
инертные (аргон, гелий, криптон, ксенон, неон) 13
кислород 13
углерода диоксид (углекислый газ) 13
- идеальный газ 16
- параметры основные: 13, 16-18
давление (абсолютное) (р) 13, 15-18
объем удельный (v) 14, 16, 18
плотность (р) 14-16, 18. 22
температура (Т) 14-18
— свойства физические: 15
вязкость (внутреннее трение) 15,18, 20, 21
сжимаемость: 6, 7, 15,18
- напряжения сжатия нормальные 15
текучесть 15
температурное расширение 15
- упругость 14
Глушители пневматические 82, 98, 101, 188, 191
Головки управляющие (в пневмораспределителях) 80, 86 Группа (часть единичного рабочего цикла) 139-141, 143,
146, 147, 176
Давление:
атмосферное (рЯ1и) 14,25, 73
весовое 20
гидромеханическое 20
составлении предметного указателя материалы приложений не обрабатывались.
227
Предметный указатель
динамическое 20
на входе 22, 48, 49, 93, 94, 100, 108, 153
на выходе 22, 48, 49, 94, 100, 102, 103, 106-108, 153
-гистерезис 111
- отношение давлений на входе и выходе: 21, 22, 108,
153
- критическое значение 22
— перепад 8, 22, 48, 93, 183
-потери 41, 91, 183
— регулирование давления, развиваемого компрессором: 30
- периодическим отключением 30
- по нагрузке 30
- холостым ходом: 31
- коротким замыканием 31
- на входе 31
— на выходе 31
Датчики: 6, 11, 12, 38, 56, 58, 157, 160-163, 176, 186
волнового типа: 163
- оптические 165
генераторного типа: 163
- емкостные 163,164
— индуктивные: 163, 164
- расстояние переключения номинальное (ShoJ 164 герконовые 162
струйные: 106, 108, 109
- «вилкообразный воздушный барьер» 106
- с кольцевым питающим соплом 106, 107, 109
- со встречным соударением струй 107,109
Двигатели пневматические вращательного действия (пневмомоторы) 7, 10, 49, 53, 67-69, 71, 109,129,130, 154, 155, 164
I) объемные: 68
- поршневые: 68, 70, 71
аксиально-поршневые 68
радиально-поршневые 68, 70, 71
- ротационные: 68
типа Рутса 68, 70
шестеренные 68,70
шиберные (пластинчатые) 68-70
II) турбинные 68, 71
1) нереверсивные 69, 71
2) реверсивные 69, 71
а) нерегулируемые 71
б) регулируемые 71
- приемистость (быстрота разгона) 69
— скорость срабатывания 7
- характеристики рабочие 68, 69
Двигатели пневматические поворотные: 53, 66,129,130,
154, 155, 164
поршневые: 86,67
— с реечной передачей 66
шиберные 66,67
Движение:
- по виду: 53
- вращательное 6, 34, 53, 67, 69, 70
- линейное (возвратно-поступательное,
6, 7, 53, 56, 64, 66, 67, 70, 105
7, 53, 66, 67
53
53
53, 102, 152
129, 131, 132, 135, 182
129, 131, 132, 186
129, 132
поступательное)
- поворотное
- по направлению:
- нереверсивное
— реверсивное
Диаграмма функциональная:
перемещений:
- «перемещение-время»
- «перамещение-шаг» 129, 130, 132, 133, 136, 145-147,
172, 173, 186, 187
135
129, 131
9, 57, 95, 98, 98, 99, 185, 188
95
95, 96, 152, 154
95
95
98, 109
98,97, 105, 122, 186
98
97
13
13
14
15
14, 15
13
13, 15
15
15
15
18
23, 24, 26, 32-34, 42, 43, 47, 58, 63, 66, 75,
183, 184, 188
44, 53, 72
раальная управления
Дроссели: I) постоянный II) регулируемый а) ламинарный б) турбулентный выхлопной (ввертный) с обратным клапаном: ввертные - монтаж
Единицы измерания: бар [бар] градус Цельсия [°C] квадратный метр на секунду [мг/с] кельвин [К] ньютон [Н] паскаль [Па] паскаль-секунда [Па с] пуаз [П] стокс [Ст]
Жидкость идеал ьнвя Загрязнители
Зажимы цанговые Закон:
- основные газовые законы: Бойля — Мариотта Ггй-Люссака Шарля
- Паскаля
- сохранения вещества Замки пневматические Захваты:
вакуумные пневматические:
— параллельные
- поворотные
- трехточечные Золотники Индексация:
- для описания ходе технологического процесса 128
- контактов 159, 160, 186, 167
- пиний (присоединительных отверстий пнеемоаппаратое)
- токопроводов
- устройств пневматических - элементов на схемах
16, 17
16
16, 17,26
16, 17
13
19
94
53, 58, 73, 74
10, 72, 73
73
73
73
75, 76, 83, 85. 90, 155. 156
79, 81, 186
172
88, 160
172
228
Предметный указатель
I - лкстепперы
Клапаны:
- вакуумный
- воздушный
- всасывающий
- выдержки времени:
диаграммы функционирования
- выхлопа быстрого - давления:
предохранительный.
••цдикаторы 11,111,112,143,164,185
.'ндикация цветовая (световые сигналы) 190
148 27, 82, 83, 86, 87, 101
74 35
25, 26, 31 122-125, 132, 138 123 99
9, 99-101
38, 39, 49, 75,100, 101, 110,
190, 192 39 38, 39 47-52.100. 101, 109. 189
48, 49. 100
48, 49, 100
101, 102
102
102, 110
102
114. 115, 139, 141
115, 117-119, 124, 140, 143, 146 114-117, 124-126, 143, 144, 146, 150 25,26
30, 31, 46, 50, 57, 94, 96, 97, 101, 103, 115,
117, 119, 122, 123
-пилотный 110
- последовательности давлений (реле давления с
пневматическим выходом) 110,111, 132
- сброса (избыточного давления) 48, 49
- сливной 34, 35
Кнопки пневматические 85, 88, 89, 105, 111, 116, 117, 119, 122, 124-127, 133, 135, 136, 139, 141, 143-146, 149-151, 186, 188, 189
33
45
- нерегулируемый
— регулируемый
редукционный:
— двухлинейный
- трехлинейный
- с внешним управлением: механическим пневматическим пропорциональным
— логические'
«И»
«ИЛИ»
- нагнетательный
- обратный
Коалесценция
Коллекторы разводные
Коммуникации возвратные
Компрессоры 9, 13, 23, 24, 30-34, 36-38, 41,69,102, 129,
188
24, 29, 94
24, 29
24, 29, 30
24, 25
24
24-26, 28, 30
25, 26
25,26
25, 26
25,26
26
26
26
26
24. 26, 27
24. 27, 28
24. 27. 28. 69
I) динамические:
а) осевые
б) центробежные (турбокомпрессоры) U) объемные:
е) возвратно-поступательные:
1) поршневые:
- простого действия
— двойного действия
- одноступенчатые - многоступенчатые - одноцилиндровые — многоцилиндровые - с водяным охлаждением — с воздушным охлаждением
2) мембранные
г) ротационные:
3) пластинчатые (шиберные)
4) винтовые
5) Рутса
- компрессорная станция - компрессорная установка Контакты (контакт-элементы):
а) электрические б) герметические (герконы)
I) замыкающие (нормально разомкнутые)
24, 28
24, 28
32, 40, 47, 75
30, 31,37, 41
12,92, 102, 158, 182
159-163, 166, 167, 172, 176
162, 163 159, 160,
162,
167, 170, 171, 176
II) переключающие 159, 161, 162
III) размыкающие (нормально замкнутые) 159, 162,
167,
170, 171. 176. 177
Контроллеры программируемые логические (ПЛК, промышленные контроллеры) Коэффициент:
загрузки оборудования Кориолиса (а)
объемного расширения (Р ) объемного сжатия (Рр) передачи привода
полезного действия (КПД, rj) Пуассона (едиабаты) (к) расхода отверстия (с) трения скольжения (р) усиления
Краскопульты
Линии (квнвлы, магистрали) пневматические:
185 20 15 15 156 68, 69, 100 16, 21
21
52 108
58, 64 7, 22, 38,
43,
74-79, 81, 86, 91, 95-99, 101, 102, 106-108, 110, 115-117, 119, 122, 124, 143, 144, 146, 147, 150, 157, 191, 192 возвратные 7,77
всасывания 30-32,43
выхлопа 43, 49, 51, 77-79, 82, 83, 87, 91, 94, 97-99, 108.
155, 188 дренажа 43
нагнетания (напорные) 25-28. 30, 31, 43, 97. 155
отвода конденсата 43
питания 24. 26. 39,49. 76-79. 81-83. 85. 87. 90, 91, 106, 108, 156 потребителя 49, 76-79, 81-83, 87
самсударжания (самоподхвата) 126, 150, 171
управления 39, 43, 77, 79, 81,90, 94, 110,116, 124-126, 186, 187
14
14, 39,40,49, 100, 111, 192
Мановакуумметры
Манометры:
Мвсла:
гидравлические
для заправки маслораспылителей компрессорные
Мас лорас л ы л ител и:
однократного распыления
двукратного распыления
Механизмы исполнительные:
6, 152, 153, 191
50-52, 183, 164
23, 26, 32-34, 51
49-52, 183, 164
50
50
7, 9, 10, 12,52, 53, 75,
77, 78, 64, 88, 92, 97, 100, 103-105, 113, 127-130,
132, 133, 136, 139, 143, 146-150, 152, 153, 160, 162, 172, 177—179, 184, 186, 189
229
Предметный указатель
- выходное звено: 7, 12, 59, 60, 66, 104, 105, 127, 152-157,
162, 172
— закон движения 7, 154
- плавность /резкость перемещения 7, 97, 103
- скорость движения 6, 7, 53, 57, 92, 95-101. 105, 129,
149, 152-155. 158. 164
53
12
12, 155
70
142-144. 146-148, 150, 176, 177. 185
143, 144, 147
144, 146, 147
146, 147 149-151
15
67
6, 53, 64, 67-71
6, 7, 68-70
} 153
30, 45, 46, 62, 65, 66
42
102
51, 70, 153
73
92
13,23. 24. 34,41
6, 7
58
50
91
70, 71
6, 7, 59, 60, 88, 94, 154. 155
42, 44. 52
136
136-139, 141, 142, 185-187
16. 21
184
- показатели эргономические - связь с объектом управления: жесткая кинематическая
Мешалки Модули: - тактовые: типа А типа В типа С - управления
Модуль упругости объемный (модуль сжимаемости) (К) Момент инерции динамический (J) Момент крутящий (вращающий) (М) Мощность (Р) Мультипликаторы пневмогидравлические Муфты Нагар Напряжение Насосы
аакуумные (вакуум-насосы) Острова пневматические Пар водяной (влага) Перегрузки Пескоструйки Пленка масляная Плиты монтажные Подъемники Позиционирование Полимеры Полуавтомат: сверлильный
Постоянная удельная газовая (R) Потенциометры регулировочные Преобразователи:
- пневмоэлектрические (ПЭП; реле давления) 168, 169 - электропневматические (ЭПП: пневмораспределители
с электромагнитным управлением) 166-170
Прасс 118,119, 124
Приводы: 6
I) гидравлические 6, 7, 71, 77,152,158
II) пневматические: 6-12,23, 41, 47, 50-52, 61, 65,
76, 77.
89. 92, 95. 100. 103. 112, 127, 136, 152-154, 158, 159, 162,
183-192
9-11. 86. 103, 104, 158, 182
10, 11.47. 53. 103. 104. 134
- а) силовая часть:
— исполнительная подсистема
- направляющая и регулирующая подсистема 9-11, 75, 93, 103-105
- энергообеспачивающая подсистема
9-11, 23, 104, 105
- б) управляющая часть: 9-11, 47, 52, 103, 113, 158,
159
11, 103-105, 112, 127, 159 (процессорная)
11, 103, 112,113, 127 185-188, 192 185, 187, 188 185-187 185, 187
184, 185, 188-192
185, 187, 188
183. 185. 188. 189, 192
152. 153
6,7
7, 158. 168, 171-175, 182
182
154, 156
154
154, 155, 157
154, 155
154
154 155-157
7, 113
7, 99
7
7
7, 52
6
7. 99
- информационная (сенсорная) подсистема
- логико-вычислительная подсистема
— неисправности:
- методы поиска: табличный алгоритмический
- осмотры
- отказы
- применение
- ремонт
III) пневмогидравлические
IV) электрические
V) электропневматические:
- с управлением от ПЛК позиционные:
- дискретные
- непрерывные (позиционеры):
- управление (позиционное):
- посредством торможения (выходного звена)
- путем регулирования энергии (пневмодаигателя)
следящие
- быстродействие
— взрывобезопасность
- габариты (размеры)
- герметичность
- гибкость функциональная
— долговечность
- жесткость
— масса
- место установки
- мощность: удельная
— надежность
— обслуживания легкость
- пожаробезопасность
- простота (степень сложности) конструкции
- простота управления
— работоспособность
— стоимость
- цикличность работы
- эксплуатация:
- безопасность
- легкость
— условия
— энергоемкость
Проворог:
объекта присоединенного штока пнвамоципиндра
Проектирование пневматических и злектропневматических
(релейно-контактных) САУ: 133, 140, 146, 148, 174-178, 182
-методы: 133,139,172
отключения сигнала 137, 139
6, 7, 153
7. 51,52
7, 113
7, 152
7,52
7, 186
7, 99, 152
51
7, 65, 183, 185, 186-190, 192
11, 189-192
7,52
7, 11, 51, 113, 184
63
64
230
Предметный указатель
разбиения на группы 139, 141, 146,176
составления логических уравнений: 133-137, 174,
175
- решение проблемы совпадающих шагов 136, 137, 139
- упрощение логических уравений 134, 136, 137, 139
- этапы: 133
алгоритмического проектирования 133
логического проектирования 133, 134
технического проектирования 133
Промышленность (отрасли):
легкая 7
медицинская 7, 71
металлургия 70
парфюмерная 7
пищевая 7, 33, 95
тяжелая 8, 70
угольная 70
(фармацевтическая 33
химическая 33, 70, 95
электронная 7, 33
электротехническая 161
Процессы газовые:
адиабатический (адиабатный) 16
изобарический (изобарный) 17
изотермический 16
изохорический (изохорный) 17
Процессы технические: 9
технологические 9, 41, 53, 56, 61,103,104, 112,113,125, 127-129, 131, 133, 139-141, 149, 160, 185 энергетические 9
информационные 9
Пружина пневматическая 85
Распределители гидравлические дросселирующие
'пропорциональным управлением 154,155
Распределители пневматические: 9, 76, 77, 79-87, 91-93, 98, 103-106, 117, 119, 122, 125, 126, 137, 138, 140, 142, 155, 156, 166, 168, 177, 184, 185, 188, 192 I) двухпозиционные:
- 2/2-распределители: 76, 77, 81
- моностабильные:
- с механическим управлением: — нормально закрытые 81
- 3/2-распределители: 77, 78, 80, 82, 113-116
— моностабильные:
- с механическим управлением: - нормально закрытые:
золотниковые 83
клапанные 82, 83. 118, 119. 126. 187
- нормально открытые: золотниковые 83
клапанные 82,83
- с пневматическим управлением:
- нормально закрытые: 84, 108-110, 119,
122, 123, 126, 143, 150 с пилотным управлением 85, 86
- нормально открытые 85, 109,123, 150
— с электромагнитным управлением 87, 157
- бистабильные'
- с ручным управлением'
- нормально закрытые 89
- с пневматическим управлением:
- нормально закрытые 126, 143
- 4/2-распределители: 78, 79
- бистабильные:
- с механическим управлением 102
- с пневматическим управлением 90, 136
- 5/2-распределители: 78, 79
- моностабильные.
- с пневматическим управлением 85, 116,
118,
119
- с электромагнитным управлением 168, 170-172. 175
- бистабильные:
- с пневматическим управлением 89. 90, 94,
104, 122-125, 134, 135, 146, 187
- с электромагнитным управлением (импульсные) 90, 169,174, 178
II) трехпозиционные: 79, 87
— 5/3-распределители: 76, 77, 81
— с пневматическим управлением 87, 88
— с электромагнитным управлением 94
дросселирующие с пропорциональным управлением 156
157
исполнительные 84, 85, 88, 98, 99,112. 116, 119. 131.
176, 179, 186
пилотные 86,90
- монтаж 91, 92
- обозначения цифровые 76
- параметры и их определение: 92, 93
- пропускная способность
(расходные характеристики Kv, Cv) 92, 93
Распределитель цапфенный 71
Регистры переключающие 142-148, 150, 176, 177,181, 186
Регулятор центробежный 70
Регуляторы;
давления 100, 102
расхода 95
Редуктор 69
Режимы (работы пневмосистемы):
а) автоматического управления 149,150, 178, 179, 181
б) ручного управления 149,150, 178, 179, 181
I) единичного цикла 149-151, 178, 180, 181
II) непрерывного цикла 130, 149-151, 178,180, 181
аварийного останова (отключения) 149-151, 178, 179
Рейнольдса число (Re): 21
критическое (Re^) 21
Реле: 188, 171, 172, 176,177, 181
времени 167
давления 169
- включение по схеме с самоудержанием
(самоподхватом) 171,176,177, 181
Ресиверы (воздухосборники) 9, 24, 37, 38, 41, 47,101, 103
Связь обратная 12, 102, 155-157
Серьги 65,66
Сеть (система) пневматическая. 23, 32, 37, 38, 40, 42, 47,
231
Предметный указатель
55, 61, 89, 91, 93, 94, 95, 100, 102, 103, 111, 125, 126, 153,
169, 189, 192
вакуумная 74
дренажная 36,47
заводская 40, 47, 73, 102, 113
питания центральная 9, 23
Сигналы управляющие 11, 81, 82, 85, 88, 89, 90, 94,102,
108-110, 112, 113,116, 118, 122,126, 127, 137-139, 155,
158, 166-168, 176, 177
Сила (усилие, F) 6, 9, 13, 53-56, 58, 59, 81, 69, 70, 75, 97,
100, 102, 106, 110, 153, 154, 158, 169,
184, 188, 189
Системы (объектов, устройств) 6, 129
Системы автоматические. 9, 10,12,125
- системы автоматического управления
(САУ). 8, 10, 53, 103,113, 133, 155, 178, 182
I) замкнутые 10, 11, 1СЗ
II) резомкнутые 10
а) пневматические: 11. 90, 93. 103. 107.112,113, 122,
149-151, 158, 178
- дискретные системы последовательного
упревления 12, 113,115, 153
- циклические 127, 129, 133,139, 141, 147, 148,
154, 176
б) гидравлические 158
в) электрические 158,160
г) гибридные: 11, 158
- злектропневматические: 12, 148, 158, 174
- релейно-контактные (с электрической
управляющей частью): 158, 172, 174, 176,
178, 181
- циклические 176
- электронные (с электронной управляющей
частью) следящие
158, 182
155
Системы единиц:
СГС (механическая система единиц) 15
СИ (международная система единиц) 13
Системы позиционирования 94,153,154
Скорость. звука (а) 20. 22
света (с) 6
угловая (вращения, щ) 53, 67, 69-71
Соединения трубопроводов: 41-46, 188
I) неразъемные 43
II) разъемные. 43, 46
- быстроразъемные: баз запорного элемента 44-46
с запорным элементом 46
а) резьбовые 43, 46
6) фланцевые 43, 46
гибких трубопроводов (шлангов): 44,45, 46
- прямые: 44, 45
— с фигурным наконечником штуцера и накидной гайкой 44
- с цанговым зажимом быстроразъемные 44
- угловые: 45
45
45
46
44
44
44
45,46
31, 92, 93, 95, 99
20, 21,41
104
105, 106
161
— тройники - L-образные - многоканальные тонкостенных металлических труб: - с врезающимся кольцом - с резвальцовкой трубы - разводка Сопротивления: гидравлические местные
Среда окружающая (внешняя):
- агрессивность (неблагоприятность) 7, 42, 54, 67, 106, 107, 161, 190 - загрязнение 6, 7, 52, 183, 189, 192
- температура и ее изменения 6, 7, 41, 42, 54, 107, 183 - теплообмен 34
Среда рабочая 6, 7,13, 23, 41, 42, 54, 75,187
Станок: сверлильный хонинговальный
Степени защиты (оборудования и персонала) Схемы: монтажные 43,46
принципиальные пневматические 10, 39, 40, 43, 51, 79, 81, 83, 85, 88, 98, 99, 105, 120, 121, 133-135, 137, 138, 141, 142, 144-147, 160, 162, 188, 169, 172-175, 185-188, 191 принципиальные электрические 160, 161, 165-169, 172-175, 181 158, 170-172, 182 9-12 112 125 39 14 14 18 21 19
релейно-контактны е структурные
Счетчики (сигналов) Таймеры Термометры
Температура абсолютная (термодинамическая, Г): - абсолютный нуль
Течение (жидкостей и газов): изоэнтропическое (адиабатическое) установившееся через диафрагму через отверстие истечение:
- докритическое (подкритическое) - закритическое (надкритическое) — сжатие струи на выхода из отверстия
- параметры: - расход (Q): массовый (Q„) объемный (Q или Qv) — скорость (v): критическая (v^)
— режимы: ламинарный турбулентный
Тиски пневмоприводные Токопроводы Точка росы
«Точки мертвые» (хода поршня) Триггеры:
пневматические
21, 22
22
22
21
18
18, 19, 93
18, 21,22
18, 19, 21, 22
18-21, 74, 191
20, 21
20, 21
20, 21
20,21
126
160, 161, 166, 171, 172, 176, 177
24, 36, 37
25. 71, 102
163
136, 137, 140. 142-144. 146, 186, 187
232
Предметный указатель
Трубка Бурдона 40 ввода электрических сигналов: 158-160,170, 172
Трубопроводы: 18, 26, 30, 32-34, 37, 41-47, 50, 58, 74, 79, - с автоматическим управлением — см. Выключатели
91, 92, 95, 96, 98 -100, 119, 129, 183, 184, 188, 191, 192 путевые (концевые) — с ручным управлением — см Выключатели
1) всасывающий 31 кнопочные (кнопки управления)
II) выхлопной 33 воздухозаборные 30,31
III) нагнетательный 24-26 дублирующие 87,185
гибкие (шланги) 42-46, 60, 184, 188 заполняющее 145
- диаметр (внутренний, d): 21,41-43, 46 золотникового типа 75, 78
— номограммы для расчета 41 клапанного (седельного) типа 75, 76
- длина (L) 20, 31,41,91 микропроцессорные 6, 7, 86, 182
- материал 41-43 обработки электрических сигналов 158, 166
- монтаж и демонтаж 41-46 осушки сжатого воздуха: 9. 24. 32. 36, 40, 100
- очистка химическая 42. 183 - рефрижераторные 36
- площадь поперечного сечения (S) 18-20, 31 - абсорбционные 36, 37
переменная 19 - адсорбционные (адсорберы) 36, 37
- продувка 42, 183 отвода (слива) конденсата. 33-35, 36, 38, 183
- промывка 42,52, 183 - автоматические 35, 38, 52, 183
- шероховатость внутренней поверхности 20 - ручные 33, 34, 38, 183
давление пневмоаппаратами: 79, 60 охлаждения сжатого воздуха (теплообменники) 24, 36
мускульной силой (ручное) 10, 79, 80, 84, 91, 95,104, 160, 189 очистки сжатого воздуха 32, 38, 40, 100, 183 подогрева сжатого воздуха (подогреватели) 36
) механическое: 79-82, 84, 104 преобразования электрических сигналов 158,168
- от ролика с «ломающимся» рычагом 60, 86 релейно-контактные 12, 88, 158
пневматическое: 79, 80, 84, 90, 95 сигнальные: 129, 132, 190-192
- непрямое 80, 84. 85 -обозначения 132
- прямое 80, 84 смазочные: 6, 183
1 электрическое (электромагнитное) 79, 80, 88, 87, 90, 155, 188 - на основе консистентной смазки 51, 52 сортировочные 60
. 1 комбинированное. 79, 80 специальные пневматические исполнительные 53, 72
- злектропневматическое: 80, 90, 92, 174, 175 тормозные 99, 154
непрямое 175 управления пневмоаппаратами (управляющие) 79,80,
прямое 174 113, 118, 129, 131, 189, 190
а) по положению 104, 110, 113, 156 электронные 7, 12, 86, 92, 158
б) по давлению 110, 158, 169 Утечки 6, 7, 30, 44, 45, 58, 69, 184, 185, 188, 191, 192
е) по времени Уравнение: 113 Фильтры: 9, 32, 183, 185 коалесцентный (контактного дайствия) 33
Бернулли. 19.20, 74 масляных паров (маслоудерживающие) 24, 26
- для потока идеальной жидкости 19 напорный 33
- для потока реальной жидкости 20 очистки сжатого воздуха от пыли 24
Клапейрона 16 приемный (всасывающий) 32
Клапейрона — Менделеева 16 филыпр-влагоотделитель 34. 35. 47. 49-52. 184
неразрывности 19 фильтр-глушитель 33
Пуассона 16 фильтр-маслоотделитель 51
состояния 16 фильтр-регулятор 49,51
Усилители: 157, 163, 165 - фильтроэлемент (фильтрующий элемент) 32, 34, 47,
давления: 102, 103, 107, 156 54, 183
- даухкаскадные 108, 109 - фильтр тонкой очистки 47
- однокаскадные 107, 108 Флюс 36
Ускорение свободного падения (g) 19 Форма записи (хода технологического процесса):
Условия нормальные: 17 арифметическая 128
технические 17, 22, 92 графическая (диаграммная) 129,130
физические 17 табличная 129
Установка для перемещения коробок 127, 128, 130-135, 174, 175 хронологическая 128 Формула:
Устойчивость (штока) Устройства: 54, 61,65,66 Сен-Венана — Ванцеля 21 Эйлера обобщенная 66
вакуумные 14 Функции.
233
Предметный указатель
- запоминания сигнала 128,171
- логические: 113-121, 170
ДА (повторение) 113-115, 170
И (конъюнкция, логическое умножение) 115, 118, 119,
132, 140, 141, 146, 148, 170, 176, 177
ИЛИ (дизъюнкция, логическое сложение) 114-117,
132, 170
114. 115, 132, 170
119-121
149-151. 178. 181
НЕ (отрицание, или инверсия) - упрощение - сервисные Характеристики расходно-перапедные: диафрагмы
Хладагенты 36
Ход холостой 68, 70
Цикл рабочий: 127,128. 130, 136, 139, 145, 146, 148-151, 176, 178, 160, 181, 184 замкнутый 127, 134
Циклограмма 130
Цилиндры гидравлические 152, 153
Цилиндры пневматические (двигатели пневматические линейные): 10, 25,49, 53, 54, 56-59, 61, 64-66, 84, 86-89, 91, 94, 95, 98, 101, 104, 105, 111, 112, 116, 118, 119, 122-133, 136-139, 145, 148, 149, 151, 152, 155-157, 162, 169, 173-175, 178, 179, 187, 188 I) одностороннего действия: 54-56, 66, 67, 77, 78, 84, 85, 96, 97, 153, 169 - мембранные 55
II) двустороннего дайствия: 54, 56, 58, 59, 73, 78, 97, 134, 135,171 60 57. 58 58 60 59 59, 152 59 61, 63 61,62 63 62 63 61 56 65, 66 53 65 152 6, 30, 68, 69 68, 69
127-131, 133, 134, 136-141, 143, 146-148, 176, 181, 186, 187 137, 139-143, 146, 150, 172, 176, 179, 186 14 14 14 14 14 14
- многопозиционные
— с демпфированием в конце хода:
- с проходным штоком
- с фиксатором штока
- секционные
- тандем-цилиндры
- компактные
III) басштоковые: - с гибким штоком — с ленточным уплотнением - с магнитной муфтой - с направляющими телескопические - крепление крышек - монтаж - параметров основных диапазон - соединение штока с ведомым механизмом
Цилиндры пневмогидравлические
Частота вращения (п) номинальная
Шаг (рабочий)
Шины
Шкалы температурные: Международная практическая:
- точки реперные:
- точка замерзания воды
- точка кипения воды термодинамическая
Шкаф управления
Эжекторы:
- головка эжекторная с принудительным отталкиванием детали от присоски
- компактный с электромагнитным управлением
Элементы запорно-рагулирующие (ЗРЭ) и запорные
46,
172
74
74
74
31,
38,
39, 74-76, 79, 81, 84, 85, 87, 89, 90, 94, 95, 99, 115, 117,
155-157, 185
Энергия: давления механическая:
- кинетическая
— полная
— положения
— потенциальная удельная электрическая - виды - выработка - затраты (снабжение энергией) - накопление (аккумулирование) - носители (энергоносители) - передача - потери:
- на местных сопротивлениях
— на теплообмен с окружающей средой
- на трание:
— на внутреннее трение
- по длине трубопровода
— суммарные (гидравлические)
— преобразование
19, 20, 29
19, 20, 53, 69, 71
19, 20, 24, 29, 71
19
19
24, 67, 69
19
30
6
9
6, 30, 37
6,38
6, 23
6,9
6, 20. 21, 41, 142
20, 21
21
21, 54
20, 21
20
20. 119
9
234
Литература
Литература
1 Башта Т.М., Руднев С.С, Некрасов Б.Б., Байбаков О.В., Кирилевский ЮЛ. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982,423 с
2 Виленский П.И., Срибнер Л.А. Бесконтактные путевые выключатели. М.: Энергоатомиздат, 1985, 78 с.
3. Гаврюшина О.С., Ефремова К.Д., Наземцев А.С. Основы проектирования циклических пневмосистем. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.
4. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. М.: Машиностроение, 1985, 256 С.
5 День губ В.М., Смирнов В.Г Единицы величин: Словарь-справочник. — М.: Изд-во стандартов, 1990. — 240 с
6. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. —464 с.
7 Кудрявцев А.И., Пятидверный А.П., Рагулин Е.А. Монтаж, наладка и эксплуатация пневматических приводов и устройств. М.: Машиностроение, 1990, 206 с.
В. К росе р П., Эбель Ф. Пневмоавтоматика. D-73734 Esslingen, 1997, 228 С.
9. Левин В.И. Пневматические элементы и устройства релейной автоматики. М.: Машиностроение, 1983, 168 с.
Нагорный В.С., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. ВНИИТЭМР, 1989, 64 с. М Высшая школа, 1991, 367 с.
11 Никитин О.Ф., Холин К.М. Объемные гидравлические и пневматические приводы. М.: Машиностроение, 1981, 269 с.
12. Петров И.В. Обслуживание гидравлических и пневматических приводов дорожно-строительных машин. М.: Транспорт, 1985, 170 с.
13 Пневматические средства автоматизации. Каталог 1998/99. Festo.
14. Пневмоавтоматика. Международные курсы. СПб.: ООО "ЭС ЭМ СИ Пневматик”, 192 С.
15. Прудников С.Н. Расчет управляющих устройств пневматических систем. М.: Машиностроение, 1987, 152 с.
16. Струйные логические элементы и устройства автоматического управления технологическим оборудованием. Отраслевой каталог. М.: ВНИИТЭМР. 1989, 64 с.
17. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб, пособие для вузов. — 7-е изд., стер. — М.: Высш, шк., 2001. — 542 с.
18. Филипов И.Б. Тормозные устройства пневмоприводов. Л.: Машиностроение, 1987, 144 с.
19. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. Отраслевой каталог. М.: ВНИИТЭМР, 1990, 184 с.
20. Basic Pneumatics. Ing.-Buro J.P. Hasebnnk, D-78345 Moos, Schleunungdruck GmbH, Eltertstr. 27, 1997.
21 SMC Pneumatik. Каталог C3 1998.
235
Участник Межгосударственной ассоциации разработчиков и производителей учебной техники
Учебно-инженерный цьнп p
предлагает Учебно- методические комплексы:
abmo.iiamiA^uU
Joa,m
I 'V-.
U**e,W«
э/^В^хк“кал-а,<я*«’вя«^ Л
!“;Я
103“*?. Москва, Лялин пер., За
Телефакс: (095) 916 71 13, 916 71 11
Е- тай: lnfo@econve-itm www.ecoinvent.ru
- итальянская фирма CAMOZZI -предлагает комплексную поставку пневмоаппаратуры, fy.anjxt технические консультации и дает рекомендации по применению.
В номенклатуру входят
- пневматические различных , - устройства подготовки сжатого воздуха (фильтры,
распределители с алекгоомсгнитным регуляторы давления, маслораспылители);
алектроп пн *»•!*• - латунные фитинги и nr—:-- • -ыа трубопроводы
_____________Mb И РУЧНЫМ УХ> «__________________________
ООО “Камоцци Пневматика* Россия, г. Химки, ул. Ленинградская, 1А
Тел./Факс (096) 572-3651,572^613, 575-4561, 575-4564
E-mail info@ camozzi ru 230-6961 Интернет www camozzi.ru, www camozzi com
ООО •ПНЕВМАКС"' ‘
125171, г. Москва, ул. Кос лонавта Волкова, 6-А офис 1206 тел..'факс (095) 150-2321,150-8323,150-8329, 742-4082 E-mail: pneumax@asvt.ru www.pneumax.ru
Бош Рексрот - ведущий производитель пневматических систем предлагает широкую палитру стандартных и специальных изделий для автоматизации технологического оборудования. Мы поставляем высокачественное оборудование напрямую с заводов-изготовителей, наш большой ассортимент компонентов специального назначения существенно влияет на общий уровень достижений пневматической техники в мире и направляет процесс развития пневматических технологий, но мы не ограничиваемся только поставками высококачественной продукции, наши эксперты всегда готовы прийти на помощь и поделиться с Вами знаниями в области пневмотехники.
127015, г.Москва, ул.вятская, д.27, стр.15 тел.: (095) 785-74-78, 785-74-79 факс: (095) 785-74-77 (автомат) Сайт: www.boschrexroth.ru E-mail: brp@boschrexroth.ru
Наземцев Аркадий Семенович
Гидравлические и пневматические системы
Часть 1. Пневматические приводы и средства автоматизации
Учебное пособие
Корректор В. Г. Овсянникова Компьютерная верстка С. Зайнуллина Художник А. С. Наземцев
Сдано в набор 10.05.2004. Подписано в печать 18.08.2004.
Формат 60x90 1/8. Бумага офсет. Гарнитура «Arial».
Печать офсетная.Усл. печ. л. 30. Уч.-изд. л. 27,8.
Тираж 3 000 экз.
Заказ № 10266.
Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных диапозитивов в ОАО 'Тульская типография”.
300600, г. Тупа, пр. Ленина,! 09