Гидравлика и гидропривод

местно эти уравнения для адиабатного процесса расширения, можно определить конечную температуру

П р и м е р 2. По данным примера 1 определим конечную температуру воздуха при адиабатном процессе расширения.

По уравнению (15.6)

В пневмодвигателях конечная температура воздуха Т3а»in должна быть не ниже —40°С (233 К) [13], так как в против­ ном случае происходит недопустимое повышение вязкости смазки и обмерзание выхлопных окон, и двигатель перестает работать. Поэтому степень расширения воздуха (степень сни­ жения давления) в одной степени пневмодвигателя в соответст­ вии с уравнением (15.6) должна быть не менее

При полном расширении воздуха в пневмодвигателе от началь­ ного давления до конечного (давления окружающей среды) условие (15.7) выполняется только за счет уменьшения значе­ ния рь

П р и м е р 3. По данным примера 1 определим допустимое максималь­ ное давление pimax, при котором не будет происходить обмерзание выхлоп­ ных окон пневмодвигатели.

Согласно условию (15.7)

Таким образом, при рi=0,4 МПа двигатель не может работать с полным расширением сжатого воздуха, поэтому все пневмодвигатели, как правило, работают с неполным расшире­ нием, т. е. часть сжатого водуха сбрасывается в атмосферу, не выполнив работу при расширении.

П р и м ер 4. Определим значение промежуточного давления, при кото­ ром не будет происходить обмерзание выхлопных окон, если pt=0,4 МПа.

По условию (15.7)

Pnp=0,45pi=0,45-0,4 = l,8 МПа.

Так как пневмодвигатели в шахтных условиях обычно рабо­ тают при абсолютном давлении pi=0,5-s-0,6 МПа, а подвод тепла для их подогрева не осуществляется, то практически все шахтные пневмодвигатели также работают с неполным расши­ рением сжатого воздуха.

Рис. 15.2. Теоретические индикаторные диаграммы пневмоцилиндра

В воздуховодах, работающих при высоком давлении, для бо­ лее полного использования энергии сжатого воздуха применяют двухступенчатое расширение: между ступенями (цилиндрами высокого и низкого давления) устанавливают воздухоподогре­ ватели, утилизирующие тепло окружающей среды.

15.3. Объемные пневмодвигатели

По своему устройству и принципу действия объемные пневмо­ двигатели сходны с объемными гидродвигателями. Кроме того, как и гидродвигатели, они являются машинами цикли­ ческого действия и разделяются на пневмоцилиндры и пневмомоторы. Условные обозначения пневмоцилиндров не от­ личаются от условных обозначений гидроцилиндров, а услов­ ные обозначения пневмомоторов приведены в прил. 6.

15.3.1. Теоретические индикаторные диаграммы

Наиболее рационально рассмотреть принцип действия пневмо­ двигателя на индикаторной диаграмме идеальной (теоретичес­ кой) машины. Под последней понимают пневмодвигатель, в котором: отсутствуют вредное пространство ДУ (см. рис. 11.2) и потери энергии; распределитель пневмоэнергии — безынерци­ онный (мгновенного действия); расширение сжатого воздуха происходит при постоянном показателе процесса.

Рассмотрим индикаторную диаграмму работы пневмоци­ линдра с полным и неполным расширением сжатого воздуха.

При полном расширении (рис. 15.2, а) сжатый воздух под давлением р\ по входному каналу поступает в цилиндр двига­ теля и перемещает поршень вправо. В положении поршня А (точка 2 на диаграмме) наполнение цилиндра сжатым возду­

Однако разница в значениях работы (площадей индикаторных диаграмм) при неполном расширении, (см. рис.15.2, б) менее заметна, чем при полном расширении (см. рис. 15.2, а), причем она тем меньше, чем больше степень расширения.

Для сравнимых процессов работа пневмодвигателя за цикл при неполном расширении меньше его работы при полном рас­ ширении на величину разности площадей, ограниченных лини­ ями 1—2—3—4—1 и 1—2—3—4—5—1. Но при неполном рас­ ширении меньше и длина цилиндров, а следовательно, габари­ ты и стоимость пневмодвигателя. Учитывая эти обстоятельства, а также повышение температуры при неполном расширении, пневмодвигатели изготовляют, как правило, с неполным расши­ рением, причем степень расширения воздуха в двигателе обыч­ но ограничивают таким образом, чтобы конечная температура воздуха при выхлопе была около —40 °С.

Двигатели с полным расширением воздуха не нашли прак­ тического применения. Вместе с тем, если необходима высокая компактность двигателей, то их изготавливают без расширения воздуха. В данном случае на индикаторной диаграмме (см. рис. 15.2, б) линия 2—3 отсутствует, и сама диаграмма имеет вид 1—2—4'—5—1. Двигатели при этом должны снабжаться глушителями шума.

По схеме без расширения воздуха работают отбойные и бут рильные молотки, шестеренные прямозубые пневмомоторы, по схеме с неполным расширением — все остальные пневмоцилин­ дры и пневмомоторы (поршневые, пластинчатые, шестеренные косозубые и с шевронным зацеплением). Некоторые пневмомо­ торы при нормальной нагрузке работают с частичным расшире­ нием, а при перегрузках — без расширения воздуха [7, 13].

15.3.2. Действительные индикаторные диаграммы

Из-за наличия вредного пространства, потерь давления и инер­ ционности распределительных устройств индикаторная диаг-

Рис. 15.3. Действительные индикаторные диаграммы пневмодвигателя

рамма реального пневмодвигателя значительно отличается от теоретической. Вместе с тем, благодаря большой быстроходно­ сти пневмодвигателей, их рабочий процесс протекает практи­ чески без теплообмена, т. е. показатель процесса расширения для реального двигателя можно с достаточной точностью при­ нять постоянным, равным показателю адиабаты.

Вначале выясним влияние на теоретические индикаторные диаграммы только вредного пространства Д1Л Его наличие обусловлено конструкциями камеры, подвижных частей и рас­ пределителя. Так, в поршневом пневмодвигателе поршень в конце процесса выталкивания воздуха из цилиндра не доходит до торцовой стенки цилиндра во избежание удара с ней. Необ­ ходим также некоторый зазор между поршнем и крышкой ци­ линдра, который бы компенсировал температурные изменения длины цилиндра, штока, кривошипа и возможные люфты шар­ нирных сочленений. Кроме того, в состав вредного пространст­ ва входят полости и каналы, связанные с размещением распре­ делителя и уплотнений. В двигателях со свободным движением поршня (отбойные и бурильные молотки) вредное пространст­ во необходимо для создания упругой воздушной подушки, не допускающей ударов поршня о крышки цилиндров. Аналогич­ ная картина для шестеренных, пластинчатых и винтовых пнев­ модвигателей.

Рассмотрим индикаторную диаграмму наиболее распростра­ ненного поршневого пневмодвигателя с неполным расширением

полное или частичное сжатие поршнем (обратное сжатие) ос­ тавшегося воздуха. Так, если закрытие входного канала про­ изойдет в точке 5 индикаторной диаграммы, а открытие вход­ ного канала в точке /, то в цилиндре произойдет полное сжа­ тие оставшегося воздуха от р2 до р\ по линии 5—1. Индика­

торная диаграмма при этом будет ограничена линиями 1—2—

—3—4—5—1. Причем, вследствие быстроходности двигателя и отсутствия теплообмена, кривые 2—3 и 5—1 будут конгруэнт­ ными и практически могут описываться уравнением адиабаты. Если закрытие выходного канала произойдет в точке 5', а от­

(причем линии 5'—Г и 2—3 по-прежнему конгруэнтны). Индика­

—5"—/, практически не встречается, так как при этом закры­ тие выходного и открытие входного каналов должно происхо­ дить одновременно, и из-за немгновенного срабатывания расп­ ределителя во время его манипуляций возможна утечка сжато­ го воздуха из пневмосети через двигатель в окружающую сре­

проектируют запоздалое открытие входного и преждевременное закрытие выходного каналов, вследствие чего происходит избыточное обратное сжатие воздуха в цилиндре линия 5"' —

—1"). Индикаторная диаграмма в этом случае ограничена ли­ ниями 1—2—3—4—5"'—1"—1.

Сравнивая диаграммы (см. рис. 15.2,6 и 15.3,о), видим, что площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и работа пневмодвигателя за цикл при наличии вредного пространства всегда меньше, чем при его отсутствии. Это объясняется тем, что при наличии вредного пространства в цикл добавляется отрицательная работа на сжатие воздуха двигателем, а полез­ ная работа за цикл тем меньше, чем больше обратное сжатие воздуха. Поэтому в практике, за исключением двигателей со свободным поршнем, чаще всего применяют двигатели с не­ полным обратным сжатием.

Кроме этого, при наличии вредного пространства при пол­ ном обратном сжатии расход сжатого воздуха за цикл умень­ шается на величину ДК (см. рис. 15.3, а), но так как при этом уменьшается и площадь индикаторной диаграммы, то удель­ ная энергия пневмодвигателя остается почти неизменной. При

во вредном пространстве от точки /' до точки /), площадь ин­ дикаторной диаграммы при этом также увеличивается, следо­

(уменьшает ее), но почти не влияет на удельную энергию, & следовательно, и КПД двигателя.

Вследствие наличия потерь давления в каналах и в рас­ пределительном устройстве линия наполнения в действитель­ ной индикаторной диаграмме расположена ниже линии давле­ ния в сети pi (рис. 15.3,6), а линия выталкивания — выше ли­ нии давления окружающей среды рл (особенно для двигателей с глушителями шума). Из-за неравномерности движения порш­ ня в цилиндре потери давления пропорциональные, как прави­ ло, квадрату скорости воздуха — также переменные, что при­ водит к кривизне линий наполнения и выталкивания в реаль­ ной диаграмме. Потери давления также пропорциональны рас­ ходу двигателя или частоте вращения его вала пя (или числу двойных ходов пневмоцилиндра в единицу времени). Поэтому, чем больше пя (на рис. 15.3,6 пД2> л Д1), тем больше потери давления и тем меньше площадь индикаторной диаграммы, а следовательно, и мощность двигателя.

Из-за инерционности распределительного устройства четкого разграничения между процессами цикла (наполнением, расши­ рением, выталкиванием и обратным сжатием) в реальной ин­ дикаторной диаграмме не существует — линии, характеризую­ щие процессы, плавно переходят одна в другую.

Так как температура воздуха в пневмосети, как правило, выше температуры стенок двигателя, при входе сжатого воз­ духа в цилиндр температура его понижается, что, однако, не влияет на работу за цикл. Но снижение температуры приводит к увеличению плотности воздуха, а следовательно, и к увели­ чению его массового расхода при неизменном объемном (1Л= = const). Это, в свою очередь, приводит к увеличению расхода из сети и к снижению экономичности работы двигателя.

Утечки сжатого воздуха, имеющие место при работе пневмо­ двигателей, также приводят к снижению их экономичности. Однако, последние два фактора не оказывают влияния на фор­ му реальной индикаторной диаграммы.

15.3.3.Основные технические показатели

ихарактеристики пневмодвигателей

Основными техническими показателями пневмодвигателей, как

Ря и его скорость оя (вместо Мя и пя) — для пневмоцилиндров. Так как выхлоп отработавшего воздуха в пневмодвигателе происходит в окружающую среду, стандартное давление кото­ рой ро постоянно, в каталогах вместо рд= Р\—ро указывают

абсолютное подведенное давление ри т. е. рА=Р\. В этом слу­

давления объемный расход двигателя тоже изменяется, поэто­ му в целях унификации расход пневмодвигателей (как и для компрессоров) принято оценивать по стандартному воздуху и определять по формуле (15.12): QAo=V0nAz, где К0. в зависи­ мости от расширения воздуха в двигателе, вычисляют по урав­ нению (15.11) или (15.17). Полезно используемый двигателем расход меньше объемного на величину утечек.

Потребляемую пневмодвигателем мощность NA.„ из-за изме­

принято оценивать условным адиабатным КПД т|ад, который на­ иболее достоверно определяется только экспериментальным пу­ тем. Для объемных пневмодвигателей Т1ад=0,35ч-0,55 [13].

Таким образом, выходная мощность пневмодвигателя

для гидромотора —по уравнению (11.41): MA=NAJ a A=NA.B/ /(2ллд). По аналогии с гидроцилиндрами (см. 11.47) усилие на выходном звене пневмоцилиндра PA=NA.B/vA.

Иногда, для сравнительной оценки пневмодвигателей вво­ дят показатель qn — удельный расход воздуха, т. е. расход воз­

КПД имеют шестеренные пневмодвигатели с шевронными зуб­ чатыми колесами (табл. 15.1). Однако, они сложнее в изготов­ лении, поэтому вместо них чаще применяют шестеренные пря­ мозубые пневмодвигатели. Радиально-поршневые пневмодвига­ тели используют при малой частоте вращения вала, а пластин­ чатые, из-за малой относительной массы, как правило,— на пе­

реносных установках.

Под механическими характеристиками пневмодвигателей понимают зависимости MR=f(nA), NA.B=f(nA) и Лад=/(Яд) при рд = const, 7]=c.onst и постоянной влажности сжатого воздуха.

Основной является характеристика MA*=f{nA). Подставляя в