Гидравлика и гидропривод

Рис. 15.4. Характеристики объемного

пневмодвнгателя

большие пусковые моменты имеют поршневые, пластинчатые и шевронные шестеренные двигатели — Мятлх= \ 1,5-5- 2) Мд.опт. Для прямозубных и косозубых шестеренных двигателей Af,max=

15.4. Турбинные пневмодвигатели

Турбинные пневмодвигатели в соответствии с классификацией являются пневмомоторами. Однако, по установившейся тради­ ции, их называют пневмодвигателями. Турбинные пневмодвига­ тели могут быть активными и реактивными. Преобразование в них пневматической энергии в механическую происходит бла­ годаря силовому взаимодействию лопаток колеса турбины с потоком воздуха.

В реактивных двигателях (по аналогии с гидродинамичес­ кими передачами) указанное силовое взаимодействие возника­ ет вследствие обтекания потоком лопаток турбины (см. 14.2).

пневмодвигатели, использование которых особенно эффективно при больших скоростях потока (см. 9.1). Преобразование в них пневматической энергии в механическую происходит вслед­ ствие натекания струи воздуха на преграду — лопатки турби­ ны. Так как лопатки колеса находятся под атмосферным дав­ лением, силовое воздействие осуществляется исключительно за

Рис. 15.5. Турбинный пневмодвигатель с одноступенчатым (о) н многоступен­ чатым (б) колесами и его характеристики (в)

счет кинетической энергии потока. Преобразование потенциаль­ ной энергии сжатого воздуха в кинетическую осуществляется в соплах-насадках, расположенных равномерно по окружности колеса.

Ротор шахтного осевого вентилятора местного проветрива­ ния с турбинным пневмодвигателем (рис. 15.5, а) состоит из ступицы 1 с закрепленными на ней лопастями 2 вентилятора и обода 3 с лопатками 4 турбинного пневмодвигателя. Обод жестко связан с концами лопастей вентилятора. Сжатый воздух

полного преобразования энергии потока воздуха в механичес­ кую лопатки выполняют в виде дужек и располагают на ободе так часто, чтобы энергия потока передавалась одновременно нескольким лопаткам. Ковшовые лопатки v[2] более эффектив­ ны для преобразования энергии струи в механическую, но они не применяются в пневмодвигателях, так как сложны в изго­ товлении.

Чем меньше скорость отработавшего воздуха после лопа­ ток, тем полнее преобразование энергии потока в механичес­ кую и выше КДП двигателя. Несмотря на большую частоту расположения лопаток, на ободе и их специальный профиль,

передача энергии происходит со значительными потерями. Поэтому в двигателях большой мощности иногда применяют многоступенчатые колеса (рис. 15.5,6). Для раскручивания по­ тока воздуха после первого колеса и придания потоку нужного направления перед последующим колесом между ними уста­ навливают неподвижный спрямляюще-направляющий лопаточ­ ный аппарат (С.Н.А.).

Расход воздуха пневмодвигателем в принципе можно опре­ делить по формуле (8.4) для расхода насадок. Однако, из-за изменения плотности в насадке следует пользоваться уравне­ нием Бернулли (4.24).

Записав уравнение Бернулли для сечения / —/ и 11—11 и ре­ шив его относительно скорости v% (значением кинетической энергии в сечении I—I пренебрегаем), получим теоретическую скорость

Действительная скорость меньше теоретической на величи­ ну потерь в насадке:

у2=400ч-470 м/с. В то же время, для материалов, из которых изготовляются колеса, по условиям прочности допускается Птах73125 м/с. Поэтому правые части всех кривых — условные (см. рис. 15.5, в, штриховые линии). Чтобы не было «разноса» турбинных двигателей при сбросе нагрузки, их, как и объемные пневмомоторы, оснащают регуляторами, ограничивающими частоту вращения.

Преимущества турбинных двигателей: высокая быстроход­ ность, отсутствие трущихся частей, малая масса на единицу мощности, простота регулирования за счет изменения скорости v2. Недостатки: низкий КПД, малый диапазон экономичных режимов, большой шум.

В шахтной практике турбинные пневмодвигатели применя­ ются для привода вентиляторов местного проветривания и за­ бойных насосов (турбонасосов). Мощность этих пневмодвига­ телей находится в пределах 5—10 кВт, давление — 0,4н- 4-0,6 МПа, расход — 5ч-7 м3/мин, рабочая частота вращения — 50004-6000 мин-1, адиабатный КПД — 0,34-0,5 [13].

15.5. Регулирование пневмодвигателей

По аналогии с гидроприводом (см. 13.2) регулирование пнев­ мопривода можно осуществлять за счет регулирования ком­ прессоров или пневмодвигателей. Ниже рассмотрен только по­ следний способ регулирования.

Объемное регулирование пневмодвигателей не применяется, так как это усложняет их конструкцию (см. 13.4), а для дви­ гателей с неполным расширением, и особенно, для двигателей

Рис. 15.6. Регулирование режима пневмсщвигателя

Таким образом, из всех возможных способов регулирования применяется только дроссельное с последовательным включени­ ем дросселя и пневмодвигателя, причем оно пригодно как для объемных, так и для турбинных двигателей. Характеристики объемного двигателя при этом способе регулирования не зави­ сят от места установки дросселя: до двигателя или после него (см. 13.3.1). Так как давление сжатого воздуха сравнитёльно невелико, то от места установки дросселя не зависят также прочность его конструкции, а следовательно, и его стоимость. Вместе с тем, если для регулирования используется дроссели­ рующий распределитель, установленный перед двигателем, то он удачно сочетает функции управления и регулирования дви­ гателем. В практике широко применяется именно данная схема.

Регулирование пневмомоторов сводится к изменению мо­ мента [см. уравнения (15.20) i: (15.21) — (15.24)] за счет из­ менения подводимого к двигателю сжатого воздуха давлением Ри~Р\—Дрдр. где Др„р — потери давления в дросселе (регулиру­ емая величина). Так как потери в дросселе в соответствии с уравнением (13.4) пропорциональны расходу воздуха (Дрлр= = pgaflpQmflp)Ja следовательно, и частоте вращения вала пнев­ момотора пд [см. уравнение (15.12)], с уменьшением лд автомати­ чески уменьшаются Дрдр и увеличивается момент Мд. Поэтому при малых расходах в дросселе при лд=0 момент Мд искусст­ венной характеристики почти не отличается от соответствую­

ное бесступенчатое, осуществляемое простыми средствами. Если давление уменьшается от р\ до рд2, то частота вращения двига­ теля при работе с нагрузкой, характеризуемой зависимостью M„=f(na), также уменьшается от пщ до лД2.

При дроссельном регулировании пневмоцилиндров характе­ ристики их практически не отличаются от характеристик при регулировании гидроцилиндров (см. рис. 13.1,6).^

Рабочий режим турбинных пневмодвигателей можно изме­ нять ступенчато за счет изменения числа работающих сопел

(рис. 15.6, б). Так, рабочий режим двигателя с вентилятором при одном сопле определяется точкой /, при двух — точкой 2. В отличие от дроссельного этот способ более экономичный, так как отсутствуют потери энергии в дросселе.

15.6. Пневмоаппаратура. Элементы пневмоавтоматики

По назначению, классификации, принципу действия и услов­ ным обозначениям пневмоаппараты, работающие при давлении не менее 0,14 МПа, как правило, не отличаются от соответст­ вующих гидроаппаратов. Всю пневмоаппаратуру по назначе­ нию разделяют на направляющую и регулирующую. К послед­ ней относятся регуляторы давления и расхода. Запорно-регули- рующие элементы пневмоаппаратов выполняют в виде кранов, золотников и клапанов, а также из гибких мембран.

Из-за упругости воздуха отпадает необходимость в анало­ гах гидрозамков, относящихся к направляющей пневмоаппара­ туре, и в переливных клапанах, регуляторах потока и клапа­ нах соотношения расходов, относящихся к регулирующей пнев­ моаппаратуре. Вместе с тем, для повышения быстродействия пневмодвигателей часто применяют клапаны быстрого выхлопа в атмосферу, отсутствующие в гидроприводе.

Эти клапаны устанавливают как можно ближе к патрубку двигателя и, иногда, снабжают глушителями. При включении пневмораспределителя сжатый воздух проходит по трубопрово­ ду через клапан быстрого выхлопа в поршневую полость пнев­ моцилиндра. При выключении пневмораспределителя давление в трубопроводе и клапане падает, и клапан выпускает воздух из пневмоцилиндра (под действием сжатого газа) в атмосфе­ ру, минуя трубопровод и распределитель. Следовательно, кро­ ме увеличения скорости перемещения поршня цилиндра, кла­ пан быстрого выхлопа позволяет использовать трубопроводы и распределители с уменьшенным проходным сечением, так как объем сжатого воздуха меньше, чем его объем после двигате­ ля. Это, в свою очередь, способствует снижению массы и габа­ ритов всего привода, повышает КПД двигателя благодаря от­

стием. Крышка 1 служит для подсоединения клапана к пнев­ мосети. При подаче сжатый воздух свободно проходит через отверстия в крышке 1, мембране 2, крышке 3 и поступает далее к пневмоцилиндру. При прекращении подвода давления рас­ пределителем к крышке / мембрана 2 под действием сжатого воздуха в пневмоцилиндре прогибается в противоположную

Рис. 16.7. Клапан быстрого выхлопа (а) и пневмореле (6)

сторону, и сжатый воздух из пневмоцилиндра выходит через отверстия в крышке 3 в атмосферу. Иногда к патрубку крыш­ ки 3 подключается глушитель шума.

Автоматизация процессов в пневмоприводе, как и в гидро­ приводе, базируется, в основном, на использовании вышерас­ смотренных аппаратов. Существует несколько серийно выпус­ каемых промышленностью систем автоматики [7], однако, наи­ большее распространение получила универсальная система эле­ ментов повышенной пневмоавтоматики (УСЭППА), которая по своим функциональным и монтажно-коммутационным данным близка к современной промышленной электротехнике. Элемен­ ты аппаратуры работают при избыточном давлении 0,14 МПа. Передающим сигналом от одного элемента к другому является

вать на ее базе релейные (дискретные), аналоговые (непрерыв­ ные) и аналогово-релейные схемы.

УСЭППА состоит из устройств центральной части, вход­ ных, выходных, вспомогательных устройств и монтажно-комму­ тационных деталей [7]. Входные устройства предназначены для приема информации .от рабочих органов объекта автомати­ зации и датчиков, а также от устройств автоматического ввода программы. К входным устройствам относятся пневмокнопки, пневмотумблеры, переключатели сигналов и командоаппараты, конечные выключатели и датчики (давления, температуры, уровня жидкости и т. д.). Устройства центральной части пере­ рабатывают информацию, поступающую от входных устройств, и реализуют заданную последовательность работы исполни­ тельных механизмов (пневмодвигателей) автоматизируемого объекта, выдавая им команды и информацию оператору через выходные устройства. К элементам центральной части относят­ ся пневмореле, логические клапаны («И», «ИЛИ»), обратные

к л а п а н ы , у си л и т ел я , п о в то р и тел и , д р о ссе л и и п н евм о ем к о сти ,

а к выходным устройствам — усилители, пневмоэлектропреоб­ разователи, индикаторы давления.

В большинстве перечисленных устройств основным элемен­ том, преобразующим импульс давления сжатого воздуха в ме­ ханическое перемещение, является гибкая (резинотканевая) мембрана толщиной 0,2—0,3 мм.

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип дей­ ствия трехмембранного пневматического реле (рис. 15.7, б), со­ стоящего из двух корпусов / и 5, двух промежуточных секций 2 и 3 и мембранного узла 4. Последний состоит из трех мем­ бран, соединенных с помощью жесткого центра. Торцы жестко­ го центра и сопла в корпусах 1 и 5 образуют пневматические

давления сжатого воздуха подаются в камеры А и Б через от­ верстия в секциях 2 и 3.

При подаче сжатого воздуха в камеру Б мембранный узел поднимается вверх и закрывает верхнюю контактную пару в корпусе 1 — воздух не может пройти от бокового отверстия че­ рез торцовое. В то же время нижний пневмоконтакт в корпусе 5 остается открытым. При подаче сжатого воздуха в камеру А мембранный узел опускается вниз, закрывает нижний контакт и открывает верхний. На этом принципе работает реле других типов, пневмоусилители, повторители, преобразователи и т. д. [7].

Условные графические обозначения клапана быстрого вых­ лопа и трехмембранного реле приведены в прил. 6.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите основные элементы пневмопривода и укажите их назна­

Какой из процессов ближе к реальному и почему?

4.Каким фактором и почему ограничивается степень расширения сжа­ того воздуха в пневмодвигателе?

5.Начертите теоретические индикаторные диаграммы с полным и не­ полным расширением сжатого воздуха и сравните их между собой по фак­

му. Какое влияние оно оказывает на расход, мощность и КПД пневмодвигателя?

8. Какие потери энергии в пневмодвигателе учитывает адиабатный КПД?

9.Начертите и проанализируйте механические характеристики объемного

итурбинного пневмодвигателей. Сравните их между собой.

10.При каких условиях возможен «разнос» пневмомотора и как его можно предотвратить?

11.Начертите и проанализируйте моментные характеристики пневмомо­ торов при дроссельном регулировании.

12.Каково назначение клапана быстрого выхлопа? Начертите его ус­ ловное обозначение на схеме.

13.Каково назначение пневмореле в УСЭППА?

14.Определите конечную температуру воздуха пневмодвигателя при

адиабатном расширении, если начальная температура 20 °С, абсолютное давление сжатия 0,6 МПа, а расширения — 0,4 МПа.

(Ответ: — 1?°С.) 15. Определите теоретический расход четырехцилиндрового поршневого пневмомотора при частоте вращения 700 мин"1, если объем сжатого возду­ ха, перемещаемого одним поршнем за цикл, составляет 0,5 дм3, абсолютное давление сжатия 0,6 МПа, давление выхлопа 0,4 МПа, температура сжатого

воздуха 300 К.

(Ответ: 5,7 м3/мин.) 16. По данным примера 15 определите адиабатный КПД и момент пнев­

момотора, если мощность на валу 7,4 кВт.

имеет два сопла с насадками диаметром 24 мм. Коэффициент расхода на­ садка 0,92, коэффициент скорости 0,95.

(Ответ: 22 м3/мин.)

16. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ГИДРОПНЕВМОПРИВОДОВ

16.1. Основы эксплуатации гидропневмоприводов

Горные машины и механизмы эксплуатируются в условиях большой запыленности и значительной влажности рудничной атмосферы, ограниченного рабочего пространства горных вы­ работок, неравномерных нагрузок на исполнительных органах машин. Все это предъявляет повышенные требования к конст­ рукциям гидропневмоприводов и их обслуживанию.

Нормальная работа, гидропривода зависит прежде всего от состояния рабочей жидкости, которая должна соответствовать предъявляемым к ней требованиям (см. 10.5), важнейшее из которых — чистота рабочей жидкости. Наличие твердых час­ тиц з жидкости приводит к износу трущихся пар и, как след­ ствие, к ухудшению характеристик гидропривода, а попадание крупных твердых частиц между клапаном и седлом — к потере герметичности клапана. Поэтому доставлять жидкость к гидро­ приводам для заливки необходимо только в закрытой таре, а заливку осуществлять через фильтры. В процессе эксплуата­ ции следует систематически проверять состояние фильтрующих элементов.

Обычно, не реже одного раза в год все элементы гидропри­ вода рекомендуется промывать керосином. При этом открытые концы труб закрывают деревянными пробками. Промывку сле­ дует проводить в чистом помещении. При ремонтах гидропри­ водов в шахтных условиях необходимо принимать меры, иск­ лючающие возможность попадания воды и грязи в гидросисте­ му.

При доставке, замене и заливке рабочей жидкости и про­ мывке элементов гидропривода следует соблюдать требования экологии. Отработавшую жидкость и продукты промывки ре­ комендуется подвергать регенерации с целью повторного их использования. При невозможности регенерации жидкость сле­ дует использовать как топливо. Не допускается сливать жид­ кость в окружающую среду, закапывать промасляный обтироч­ ный материал в землю и т. д.

Водомасляные эмульсии необходимо приготовлять строго по инструкции с применением соответствующих средств [8,12].

Контроль уровня при заливке жидкости обычно осуществ­ ляют визуально с помощью уровнемера, встроенного в бак. При заполнении гидросистемы с длинными гидролиниями сле­ дует обращать особое внимание на удаление проникшего в жидкость воздуха, так как наличие последнего нарушает нор­ мальную работу гидропривода — выходное звено гидродвигате­ ля начинает перемещаться рывками. Часто для удаления воз­ духа из гидромагистрали в наиболее высоких ее местах уста­ навливают специальные вентили (вантузы) или отверстия с за­ глушками. Однако, как правило, заполнить всю гидросистему жидкостью с первого раза не удается, поэтому после пробного включения проводят дозаливку.

Степень заполнения гидромуфты определяется местом рас­ положения на ней заливочного отверстия, которое не позволяет заполнить всю рабочую полость. Так, гидромуфта с Постоян­ ным заполнением считается полностью заполненной, если объ­ ем жидкости составляет 90—95% объема рабочей Полости. Свободное пространство необходимо для расширения жидкости при нагревании и выделения из нее паров и газов во время ра­ боты гидромуфты. В гидромуфтах с внутренним самоопоражниванием степень заполнения с учетом объема дополнительной полости еще меньше. Объем жидкости, необходимый Для нор­ мального заполнения гидромуфты, указывается в паспорте.

Для нормальной работы пневмопривода необходим чистый воздух. При транспортировании по трубам воздух загрязняется конденсатом, твердыми частицами (ржавчина и др.). Попадая в пневмодвигатель, твердые частицы вызывают ускоренный абразивный износ его трущихся частей. Для предотвращения этого в воздухопроводе должны устанавливаться масдовлагоотделители, а перед потребителями — специальные Фильтры.