3. Пневмодвигатели и пневмосистемы.

В пневмодвигателях в качестве энергоносителя выступает сжатый атмосферный воздух, потенциальная энергия которого преобразуется в механическую работу путем воздействия на поршень или лопасть двигателя. В технике применяется, в основном, три типа пневмодвигателей: пневмоцилиндры поступательного действия, поворотные пневмодвигатели и пневматические моторы. Последние по параметрам конкурируют с электромоторами, но из-за шумности используются сравнительно редко.

Двигатели и элементы их управления подключаются к устройствам производства, подготовки и транспортировки сжатого воздуха. Типовая пневмосхема в целом состоит из элементов указанных на рис 3.1

I – устройства производства, предварительной подготовки и транспортировки сжатого воздуха

II – устройства потребления сжатого воздуха

1 – ресивер

2 – предохранительный клапан

3 – обратный клапан

4 – компрессор

5 – электродвигатель

6 – манометр

7 – реле давления

8 – устройство автоматического сброса конденсата

9 – осушитель воздуха

10 – фильтр

11 – магистральный трубопровод

12 – блок подготовки воздуха

13 – распределитель воздуха

14 – пневмодроссель

15 – исполнительный двигатель – пневмоцилиндр

16 – исполнительное устройство

Компрессор 4 предназначен для забора воздуха из атмосферы, сжатия его и подачи в пневматическую систему. Компрессор преобразует подводимую к нему от двигателя 5 механическую энергию в пневматическую. Двигатели могут быть разные – электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, вибродвигатель и т. д. Компрессоры могут быть разного принципа действия – поршневые, ротационные, пластинчатые, мембранные, винтовые и т. д. Простейший мембранный компрессор низкого давления используется, например, для нагнетания воздуха в домашний аквариум. Мощные поршневые компрессоры высокого давления питают сжатым воздухом заводы, шахты и множество других предприятий. Компрессоры обязательно есть в стоматологических поликлиниках. Большинство крупных транспортных средств – трамваи, автобусы, поезда, самолеты и т. д. оснащаются бортовыми компрессорами.

Любой компрессор характеризуется производительностью – количеством сжатого воздуха производимого в единицу времени Q() и давлением сжатого воздуха р. Давление, используемое в большинстве пневматических систем, составляет

Воздух от компрессора 4 через обратный клапан 3 поступает в ресивер 1. Ресивер представляет собой резервуар для хранения сжатого воздуха. Чем больше ресивер, тем реже будет включаться компрессор для пополнения ресивера. Обратный клапан 3 пропускает воздух только в одном направлении – от компрессора в ресивер и не позволяет сжатому воздуху выйти в атмосферу через компрессор при выключенном компрессоре.

Согласно законам Шарля и Гей-Люссака воздух при сжатии в компрессоре сильно нагревается, а затем, расширяясь в ресивере, охлаждается. Если температура воздуха при охлаждении оказывается ниже точки росы, из воздуха выделяется влага в виде конденсата – мелких капель воды на стенках ресивера. Эта вода скатывается вниз ресивера, где устройство 8 автоматически удаляет воду из ресивера.

Устройство 2 стравливает воздух из ресивера при случайном повышении давления выше допустимого.

Устройство 7 включает компрессор, как только давление в ресивере становится ниже нормы и выключает компрессор, как только давление становится выше нормы. Норму – уровни верхнего и нижнего давления устанавливает человек оператор.

Устройство 6 служит для визуального наблюдения давления в ресивере. Воздух из ресивера поступает в осушитель 10. Осушение производится путем пропускания воздуха через специальные влагопоглощающие химикаты (абсорбционная или адсорбционная осушка) или путем охлаждения в холодильнике с образованием конденсата (рефрижераторная осушка).

Далее сжатый воздух проходит фильтр 10, который очищает его от пыли и попадает в магистральный трубопровод 11. По трубопроводу 11 воздух подводится к потребителям II

На входе устройств потребления обычно ставят блок подготовки воздуха 12. В его состав входят: фильтр-влагоотделитель, регулятор давления, манометр и, если требуется, маслораспылитель. Фильтр-влагоотделитель очищает и осушает воздух после прохождения его по магистральному трубопроводу. Регулятор давления (редуктор) понижает давление до требуемого уровня и постоянно поддерживает его на этом уровне. Уровень давления устанавливает человек-оператор, ориентируясь на показания манометра. Маслораспылитель вводит в поток воздуха мельчайшие капельки масла (масляный туман). Это масло смазывает трущиеся детали в устройствах потребления воздуха. Большинство современных пневматических систем не требуют такой смазки, поэтому маслораспылитель в них не ставят.

От блока подготовки воздуха сжатый воздух поступает к устройствам управления 13, 14 исполнительными двигателями, например пневмоцилиндрами Ц1, Ц2 ……..

Устройство 13 – распределитель воздуха открывает и закрывает доступ воздуха в полости пневмоцилиндра. Устройства 14 позволяют регулировать расход воздуха выходящего из полостей пневмоцилиндра и, таким образом, регулировать скорость перемещения поршня цилиндра.

Пневмопривод имеет много преимуществ по сравнению с другими приводами, в частности, с электроприводом:

- пневмопривод гораздо безопаснее электропривода. Нет опасности поражения электрическим током, нет пожароопасности, взрывоопасности;

- пневмодвигатели много легче и компактнее, чем электродвигатели при одинаковых развиваемых усилиях;

- в пневмоприводах, как правило, не требуются механизмы преобразования движений – редукторы и механизмы, преобразующие вращательное движение в поступательное, на пневмодвигателях легко реализуется «прямой» привод;

- пневмодвигатели, в отличие от электродвигателей, не выходят из строя при перегрузке, они просто останавливаются;

- пневмодвигатели надежно работают в условиях повышенных температур, повышенной влажности и загрязненности окружающей среды, не требуют дополнительного охлаждения;

- пневмодвигатели легко регулируются по развиваемому усилию и скорости движения;

- пневмодвигатели просты по конструкции и относительно дешевы, отличаются большим сроком службы.

Но конечно пневмоприводы имеют и недостатки, ограничивающие их применение:

- источник энергии пневмопривода – сжатый воздух существенно менее доступен, чем электрический ток. Сжатый воздух не может быть передан на большие расстояния. Пневмосети, относительно сетей электрических, сложнее, дороже, имеют большее поперечное сечение;

- мобильный аккумулятор сжатого воздуха – шар-баллон высокого давления, сложно (дорого) эксплуатировать, в отличие от электрического аккумулятора;

- пневмодвигатели по мощности значительно уступают электродвигателям при одинаковых габаритах (за исключением пневмомоторов, не имеющих широкого распространения);

- аппаратура регулирования пневмодвигателей сложнее и дороже аппаратуры регулирования электродвигателей при одинаковом качестве регулирования;

- из-за сжимаемости воздуха, пневмосистемы не могут обеспечить высокую точность позиционирования в промежуточных точках по траектории движения, они хорошо работают «от упора до упора».

1. Типовые пневмодвигатели.

Подавляющее большинство пневмодвигателей – это двигатели поступательных, линейных перемещений, так называемые пневмоцилиндры односторонние – сжатый воздух действует на поршень цилиндра с одной стороны, и двухсторонние – сжатый воздух действует с двух сторон.

Конструкция типового цилиндра одностороннего действия изображена на рис. 3.2:

1. Шток;

2. Маслогрязесъемное кольцо;

3. Передняя крышка;

4. Опора скольжения штока;

5. Пробка-фильтр;

6. Уплотнение гильзы;

7. Втулка-упор;

8. Пружина;

9. Гильза;

10 - Поршень;

11 - Уплотнение поршня;

12 - Магнитное кольцо;

13 - Опора скольжения поршня;

14 - Задняя крышка;

15 - Штуцер

Основными частями цилиндра являются: гильза 9, передняя крышка 3, задняя крышка 14, поршень 10, шток 1, пружина 8.

Гильза 9 изготавливается из стальной трубы (чаще нержавеющей), внутренняя поверхность гильзы полируется. На торцах гильзы закрепляется передняя крышка 3 и задняя крышка 14. Крепление осуществляется на резьбе 16 или при помощи стяжных шпилек ( не в этой конструкции). Уплотнения 6 ставят для исключения утечки воздуха.

Крышка 14 имеет резьбовое отверстие 15 для подвода сжатого воздуха в полость цилиндра. В отверстие вворачивается штуцер 20, в штуцере закрепляется трубка 21, подводящая воздух.

Крышка 3 также имеет входное резьбовое отверстие, но в него вставлен фильтр 5, изготовленный, например, из пористой бронзы. Фильтр чистит воздух, который всасывается в цилиндр из атмосферы при движении поршня слева направо. Крышка 3 несет эластичное кольцо 2 сложной формы, назначение которого предотвратить попадание загрязнений внутрь цилиндра. Крышка несет также опору скольжения штока 4, выполненную из антифрикционного материала и втулку 7, служащую левым упором поршня 10. Обе крышки 14 и 3 изготавливают обычно из алюминиевого сплава, иногда из чугуна или стали.

Поршень 10 изготавливают, как правило, из алюминиевого сплава. В канавках поршня находится эластичное уплотнение 11, магнитное кольцо 12 и опорное кольцо13, выполненное из антифрикционного материала. Магнитное кольцо служит для приведения в действие магниточувствительных датчиков положения поршня, которые закрепляют снаружи гильзы ( на рисунке не показаны). Поршень жестко закреплен на штоке 1. Шток – стальной, полированный. На конце шток имеет резьбовой присоединительный хвостовик 17 и лыски 18 для удержания штока ключом при наворачивании на хвостовик какой-либо детали. Корпус цилиндра может закрепляться за резьбовую шейку 19 или проушину 20.

Цилиндр одностороннего дествия может совершать рабочее движение штока только в одном направлении. Это движение осуществляется при подаче сжатого воздуха в поршневую полость. Обратно, в исходное положение, шток возвращается под действием пружины 8 или за счет внешних сил, например сил, развиваемых внешней пружиной. Штоковая полость через фильтр 5 постоянно сообщается с атмосферой.

Цилиндр двухстороннего действия, по конструкции, мало чем отличается от рассмотренного цилиндра одностороннего действия. У него вместо фильтра-пробки 5, в резьбовое отверстие ввернут второй штуцер, через который сжатый воздух вводится в штоковую полость. Кроме того в цилиндре отсутствует пружина и, соответственно упорная втулка 7. Кольцо 2, помимо очистки штока, здесь должно выполнять еще функцию уплотнения штоковой полости. В таком цилиндре шток может совершать рабочее движение в двух направлениях.

Цилиндр одностороннего действия требует меньше аппаратуры для своего управления, меньше воздушных коммуникаций, однако его рабочий ход и возвратное усилие существенно ограничены, поэтому такие цилиндры применяются, в основном, в устройствах с небольшим перемещением – механизмах зажима, выталкивания и т.п.

При большом перемещении штока в цилиндрах двухстороннего действия скорость в конце хода может оказаться большой, кинетическая энергия T=mV²/2 значительна, если ее не погасить, в конце хода произойдет удар. Для смягчения удара применяют упругие подкладки и пружины, а в больших цилиндрах внутри цилиндра предусматривают воздушный демпфер (рис 3.3), который гасит скорость поршня на последнем отрезке его хода.

Демпфер включается конце хода штока, когда шток 1 входит в упругое, сделанное например из резины, манжетное кольцо 2. Таким образом отсекается от выходного отверстия 4 некоторый объем воздуха V. Теперь этот воздух может медленно выходить по каналу 5 через небольшой зазор между иглой и седлом дросселя. Величина зазора регулируется винтом-иглой 3. Воздух в объемеVсжимается, образует противодавление, гасится скорость, и, таким образом, смягчается удар. При обратном ходе поршня, давлением сжатого воздуха, поступающего из отверстия 4, манжета 2 отжимается от штока 1 и воздух свободно проходит к поршню. Таким образом, манжета работает как обратный клапан, пропуская воздух только в одном направлении. Если этого воздушного демпфера не достаточно, чтобы погасить энергию, ставят внешний жидкостной демпфер.

2. Поворотные пневмодвигатели.

Эти двигатели выполняются по двум схемам: двигатель на основе механизма зубчатая рейка-шестерня и двигатель с поворотной лопастью. Схема первого из них изображена на рис. 3.4.

Двигатель содержит поступательный пневмоцилиндр с двумя поршнями 1 и 2. К поршням прикреплена рейка 3, которая входит в зацепление с шестерней 4. Шестерня посажена на вал 5 с опорами 6.

Сжатый воздух подается попеременно в правую и левую полости цилиндра, поршни под воздействием воздуха перемещаются вместе с рейкой. Благодаря механизму рейка-шестерня, поступательное движение реки преобразуется во вращательное движение вала.

Угол поворота вала:

φ=H/r(рад),

где Н – ход рейки, м

r– радиус шестерни, м

Схема двигателя с лопастью ( такой двигатель часто называют поворотный цилиндр) изображена на рис. 3.5

Двигатель имеет цилиндрический корпус1, лопасть 2, закрепленную на валу 3 и перегородку 4, разделяющую корпус с лопастью на две полости. Вал и лопасть относительно перегородки и корпуса герметизированы уплотнениями 5 и 6 сложной формы. При подаче сжатого воздуха в правую или левую полости, лопасть с валом поворачиваются на угол, ограниченный перегородкой или внешними упорами, но не более чем на 270º. В перегородку встроен внутренний демпфер ( на рисунке не показан). Обычно этого демпфера не хатает для гашения кинетической энергии при вращении T=Jω²/2, поэтому предусматривают наружные демпферы, сблокированные с внешними регулируемыми упорами крайних угловых положений вала.

Закон движенияпоршня (или лопасти) в пневмоцилиндре двухстороннего дейстия зависит от множества факторов, главные из них – перепад давления в полостях цилиндра, активная площадь поршня, инерционность нагрузки, выражаемая в виде массы или момента инерции перемещаемого объекта, статическая (не зависящая от ускорения) составляющая нагрузки. Если количество воздуха, поступающего в цилиндр в единицу времени (расход воздуха) не ограничивает скорость перемещения поршня, то графикV=f(t) выглядит примерно как при равноускоренном движении ( рис. 3.6 а)*

* Здесь и далее режим торможения не рассматривается. Полное и точное описание закона движения поршня можно получить используя соответствующие компьютерные программы, например, программу фирмы FESTO/

Время перемещения штока на длине хода H

t=

где m– масса перемещаемого объекта, кг

F_ц– сила, развиваемая цилиндром, Н

F_ст– статическая сила нагрузки,F_ст=const,H

p– давление воздуха на поршень, Н/м ²

S– активная площадь поршня, м ²

Скорость в конце хода:

Vmax2V_ср= 2Н/t=(м/с)

Если скорость перемещения поршня ограничена расходом воздуха, поступающего в цилиндр или выходящего из него (в случае подпора), то зависимость V=f(t) приобретает вид рис. 3.6,б.

В начале движения скорость резко увеличивается, затем стабилизируется на уровне, определяемом расходом сжатого воздуха.

Vmax = H/t = Q_р/S, (м/с),

где Q_р– расход сжатого воздуха, м ³/с

S– площадь поршня, м ²

3. Специальные пневмодвигатели.

Эти двигатели могут иметь самое разное конструктивное исполнение. Внутрь двигателя часто встраиваются различные устройства или сам двигатель встраивается в какую-либо конструкцию, поэтому иногда элементы двигателя не имеют явного выражения.

1. Пневмоцилиндры больших усилий и малых ходов.

Такие пневмоцилиндры применяются в устройствах зажима – разжима, базирования изделий, фиксации – расфиксации и т.п., например в тисках с пневмоприводом.

Пневмоцилиндры бывают поршневые, с поршнем относительно большого диаметра (рис. 3.7а) и мембранные (рис. 3.7б)

а) б)

Двигатели могут быть односторонними, как показано на рисунке, или двухсторонними, с одним или с двумя штоками, с возвратными пружинами разного исполнения и т.д. В двигателях по схеме рис 3.7б роль поршня выполняет мембрана – эластичная пластина, изготовленная, например, из многослойной прорезиненной ткани. Такой двигатель прост по конструкции, не имеет утечек воздуха, однако применим только в приводах низкого давления.

2. Пневмоцилиндры малого диаметра.

Когда хотят уменьшить диаметр пневмоцилиндра, не уменьшая его усилия, применяют тандем-цилиндры, например (рис. 3.8);

Это односторонний пневмоцилиндр с внешней возвратной пружиной (на рис. не показана), с тремя поршнями, насаженными на один шток. При небольшом диаметре поршней усилие может быть значительным за счет одновременной работы всех трех поршней.

Другой вид цилиндров, применяемых, в основном, в малогабаритных конструкциях это пневмоцилиндры плунжерного типа (рис. 3.9)

Здесь плунжер 1 выполняющий одновременно роль поршня и штока перемещается внутри гильзы 2. Уплотнение плунжера – поршня относительно гильзы происходит за счет щелевого зазора малого поперечного сечения и большой длины. Возвратную пружину 3 можно встроить внутрь плунжера. Движение от плунжера к исполнительному органу передается через торец плунжера или поводок 4. Вся конструкция ввиду простоты и отсутствия уплотнений может иметь совсем небольшие габариты и обеспечивает малое трение плунжера о гильзу, однако такой цилиндр требует точного (дорогого) изготовления, и, при эксплуатации, воздуха высокой чистоты.

3. Параллельные пневмоцилиндры.

Все рассмотренные ранее пневмоцилиндры имеют один недостаток – шток имеет две степени подвижности – подвижность вдоль оси штока и подвижность в повороте относительно оси. В то же время, в большинстве всех приводов, поворот относительно оси движения нежелателен или недопустим. Этот поворот устраняется в пневмоприводах либо внешними устройствами – дополнительными направляющими и опорами, либо применением параллельных цилиндров. Таких цилиндров может быть два (рис. 3.10) или больше

Это сдвоенный двухсторонний цилиндр. Штоки параллельных цилиндров жестко соединены траверсой 1, гильзы 2 цилиндров, как правило, выполнены в едином корпусе. Из-за наличия двух параллельных штоков и гильз, играющих роль двух параллельных направляющих, поворот траверсы 1 относительно оси движения становится невозможен.

4. Многопозиционные пневмоцилиндры.

В большинстве пневмоцилиндров позиционирование (конечное положение по ходу движения) исполнительного органа осуществляется по упорам. Как правило , упоров два, для двух крайних положений. Упоры могут переставляться (перестраиваться) и т.о могут изменяться точки позиционирования. Точность позиционирования по упорам – высокая, вполне достаточная для большинства случаев. Вместе с тем, встречается довольно много ситуаций, когда точек позиционирования должно быть больше двух – две крайние и одна или несколько промежуточных. В этом случае вводят убираемые (управляемые), промежуточные по ходу движения, упоры или применяют пропорциональную (гибко управляемую) пневмоавтоматику, которая позволяет останавливать пневмодвигатель в любом положении без каких-либо упоров. И в том, и в другом случае, особенно в последнем, пневмопривод существенно усложняется, надежность и точность позиционирования уменьшается.

Существует еще один способ надежного и точного обеспечения небольшого числа промежуточных точек позиционирования. Для этого применяют последовательно соединенные (многопозиционные) пневмоцилиндры (рис 3.11)

Состояние цилиндров

I

II

III

Здесь два последовательно соединенных двухсторонних цилиндра с внутренними упорами позволяют получить два крайних 1 и 3 и одну промежуточную 2 точки позиционирования.

5. Пневмоцилиндры с вводом воздуха через шток.

Такие цилиндры часто применяются, если по каким-либо соображениям делают шток относительно неподвижным, а гильзу перемещающейся (рис. 3.12)

Здесь воздух вводится в правую и левую полости цилиндра 2 через каналы 1, имеющиеся внутри штока 3. Смысл такого решения в отсутствии трубопроводов, подводящих воздух к движущемуся цилиндру.¹

6. Бесштоковые пневмоцилиндры.

Если есть ограничения на длину цилиндра с выдвинутым штоком, можно воспользоваться бесштоковым цилиндром (рис. 3.13)

Рис.3.13

1. Каретка

2. Поршень

3. Гильза цилиндра

4. Магнит каретки

5. Магнитопровод каретки

6. Магнит поршня

7. Магнитопровод поршня

8. Линии магнитного силового поля

Здесь каретка 1 содержит набор кольцевых магнитов 4 и стальных кольцевых магнитопроводов 5. Аналогично, поршень 2 несет кольцевые магниты 6 и магнитопроводы 7. Поршень не имеет штока и перемещается, при подаче сжатого воздуха, внутри гильзы 3. Гильза выполнена из немагнитного материала, например, из нержавеющей стали. При достаточно «сильных» магнитах, между поршнем и кареткой возникают значительные силы сцепления, приводящие к перемещению каретки при движении поршня.

Бесштоковый цилиндр, при одинаковом ходе, примерно вдвое короче обычного цилиндра с выдвинутым штоком. Он не имеет утечек воздуха т.к. нет уплотнения штока. Каретка цилиндра может иметь жесткие и точные направляющие. К недостаткам цилиндра можно отнести ограниченное магнитными силами тяговое усилие и относительно высокую стоимость.

4. Стыковка пневмодвигателя с механизмом.

Если жестко соединить исполнительное звено привода, имеющее собственные опоры, и шток пневмоцилиндра, также имеющий собственные опоры, то при всегда существующей непараллельности перемещений исполнительного звена и штока пневмоцилиндра, в опорах и того и другого возникнут дополнительные реакции аналогично реакциям возникающим при соединении несоосных валов. Высокие реакции вызывают нестабильное трение, интенсивный износ направляющих и опор и, в худшем случае, потерю подвижности в опорах. Могут быть три способа уменьшения реакций в опорах.

Способ 1. Между штоком и исполнительным звеном должно быть установлено устройство, компенсирующее непараллельность движений. Существуют разные конструкции таких устройств-развязок, например, устройство на основе шарового шарнира и ползуна (рис. 3.14).

1. ползун

2. шаровый шарнир

е– линейное смещение е=Var

α– угловое смещение

Способ 2. Путем точного изготовления деталей привода и (или) путем регулировок добиваются достаточно высокой параллельности движений штока и исполнительного звена, при этом реакции в опорах сводятся к минимуму.

Способ 3. Шток соединяют с исполнительным звеном шаровым шарниром (рис.3.15) и корпус цилиндра соединяют с неподвижной стойкой шаровым шарниром. Делают т.о. качающийся цилиндр.

а)

б)

Рис.3.15

Шаровый шарнир цилиндра помещают в торце цилиндра (рис.а) или сбоку цилиндра (рис.б).

Способ 3 имеет преимущественное распространение.

5. Выбор пневмодвигателя.

При выборе пневмоцилиндра прежде всего определяется внешнее усилие*, преодолеваемое штоком цилиндра на прямом ходе.

где ,- статическая и динамическая составляющие нагрузки.

,,,– приведенные к штоку цилиндра на прямом ходе усилия нагрузки: технологическое, трения, возвратной пружины (если она есть), инерции.

Если пружины нет=0

Приведенная сила инерции

где - приведенная к штоку масса нагрузки,

- ускорение штока (ускорением можно задаться)

* При выборе любого двигателя надо помнить, что действие равно противодействию, поэтому, усилие развиваемое двигателем, всегда равно сопротивлению присоединенного к двигателю устройства, оно не зависит от размеров двигателя, его мощности и номинального усилия, записанных в каталоге.

Минимальное усилие цилиндра

Где - коэффициент, учитывающий силы трения внутри цилиндра,

=0,90…0,95

Минимальная рабочая площадь цилиндра

где p- давление сжатого воздуха.

Соответственно диаметр поршня

Полученный диаметр поршня следует округлить до ближайшего большего из стандартного ряда 8, 10, 12…320 мм, затем по каталогу выбрать цилиндр нужного диаметра и с нужным ходом. Если требуется точное регулирование скорости и (или) нагрузка меняется в широких пределах, следует вычислить коэффициент нагрузки , который характеризует запас по усилию пневмоцилиндра.

где - теоретическое усилие цилиндра,

S,D– площадь поршня, диаметр поршня выбранного цилиндра.

Если окажется , диаметр поршня следует увеличить.

Всегда можно решить и обратную задачу – при заданном диаметре поршня, заданном давлении и заданной нагрузке, определить максимальное ускорение ана штоке пневмоцилиндра и время перемещения штока. Эта задача решается с помощью компьютерной программы, а в случае, если расход воздуха не ограничен и движение равноускоренное, ускорение

При обратном ходе поршня внешнее усилие

где ,,,- усилия нагрузки при обратном ходе

При расчете диаметра поршня следует учитывать, что в двухстороннем цилиндре (рис.3.16) рабочая площадь поршня в штоковой полости

где d – диаметр штока

При выборе поворотного приводасо встроенной зубчатой рейкой и шестерней (рис. 3.17), внешний момент, преодолеваемый приводом

где ,- статическая и динамическая составляющие момента нагрузки,

,,- приведенные к валу привода моменты нагрузки: технологической, трения и от сил инерции.

Момент от сил инерции

где - приведенный к валу привода момент инерции нагрузки,

- ускорение вала привода (ускорением можно задаться).

Минимальный момент на валу привода

По этому моменту, при известном или заданном давлении сжатого воздуха p, можно, по каталогу выбрать поворотный привод. Привод по каталогу можно также выбрать исходя из давленияp, приведенного момента инерции нагрузкии желаемого времени поворота вала привода на заданный угол.

Минимальная рабочая площадь S_minи диаметрD_minцилиндра привода

где r– радиус шестерни.

Привод с поворотной лопастью выбирается аналогично предыдущему приводу.

6. Управление пневмодвигателями.

В структуре управления пневмоприводом (рис. 3.18), устройство управления пневмодвигателем играет роль преобразователя сигналов управления, посылаемых человеком, каким-либо внешним устройством, или управляющим автоматом, в пневматический сигнал, необходимый для работы пневмодвигателя.

Сигналы управления могут быть в разной форме: в форме механического пермещения, в форме электрического тока, в форме импульса давления воздуха и т.д.

Сигналы управления также могут иметь разную энергию и мощность. Как правило, это сигналы малой энергии и мощности. Устройство управления двигателями может иметь разную логику управления. Эта логика реализуется электропневмоавтоматикой – сочетанием пневматических, механических, электрических и электронных устройств, соединенных определенным образом. Все вышеперечисленное определяет большое разнообразие схем и конструкций устройств управления пневмодвигателями, однако в подавляющем большинстве из них в качестве основных элементов присутствуют распределители воздуха и дроссели. Распределители, в соответствии с сигналами управления, перераспределяют (коммутируют) потоки воздуха в каналах пневмопривода. С помощью дросселей регулируют пропускную способность каналов.

Рассмотрим, в качестве примера, фрагмент типового устройства управления двухсторонним пневматическим цилиндром (рис. 3.19). Устройство изображено в двух состояниях: состояние I– управляющий сигналFвыключен, состояниеII– управляющий сигнал включен.

На рис. 3.19 обозначено:

1 – двухсторонний пневматический цилиндр,

2, 3 – дроссели с обратным клапаном,

4 – распределитель золотникового типа.

Распределитель 4 имеет на корпусе пять присоединительных отверстий (5 портов, ходов, линий). Отверстие P– входное для сжатого воздуха. ОтверстиеA– выходное, нормально открытое. В исходном состоянии, когда нет управляющего сигнала оно открыто для входящего в распределитель сжатого воздуха. Отверстие В – выходное, нормально закрытое. ОтверстиеR1 – отверстие выхлопа, нормально открытое.

Отверстие R2 – отверстие выхлопа нормально закрытое.

Отверстиями А и В распределитель, через устройства 2 и 3 соединяется с пневмоцилиндром. Через отверстие Р в распределитель поступает сжатый воздух от источника сжатого воздуха. Отверстия R1 иR2 соединяются с атмосферой.

Внутри корпуса находится золотник (переключатель) 5. Золотник представляет из себя цилиндр с канавками и элементами уплотнений (на рис. не указаны). В исходном состоянии Iзолотник пружиной 6 переведен в крайнее левое положение. Воздух через отверстие Р и канавку в золотнике проходит в отверстие А, затем входит в устройство 2 – дроссель с обратным клапаном. Здесь сжатый воздух, преодолевая усилие пружины, открывает клапан 7 и свободно проходит в левую полость цилиндра 1, поршень цилиндра движется вправо. При этом, воздух из правой полости цилиндра вытесняется поршнем в устройство 3. Здесь воздух вынужден проходить через узкую щель между иглой и седлом дросселя 8. Регулируя величину щели можно изменять пропускную способность дросселя и расход воздуха через него. Пропорционально расходу будет меняться скорость движения поршня цилиндра т.е. фактически дроссель выполняет функцию регулятора скорости пневмоцилиндра. Пройдя дроссель, воздух попадает в отверстие В распределителя и далее через канавку в золотнике и отверстиеR1 свободно выходит в атмосферу. Для уменьшения шума, на выходе воздуха из распределителя часто ставят глушитель (на рис. не указан).

В состоянии II, с помощью управляющей силыF, преодолевается усилие пружины 6 и золотник переводится в крайнее правое положение. Золотник переключает (коммутирует) потоки воздуха, как изображено на рисунке, в результате чего поршень цилиндра движется влево, а скорость движения регулируется дросселем устройства 2.

На пневматических схемах рассмотренное устройство управления изображается так, как показано на рисунке справа. Распределитель пятиходовой двухпозиционный (обозначается как распределитель 5/2 – 5 ходов-портов, 2 положения).

При выключении сигнала управления золотник всегда занимает определенное положение, в данном случае – крайнее левое положение, такой распределитель называют моностабильным. Управляющий сигнал в виде силыFприкладывается непосредственно к золотнику, т. е. данный распределитель имеет так называемое «прямое» управление. СилаFможет создаваться рукой человека или каким-нибудь приводом – рычагом, толкателем, кулачком, штоком другого пневмоцилиндра и т. д. Часто в качестве привода используют электромагнит (рис. 3.20).

1 – сердечник электромагнита

2 – катушка

3 – магнитопровод

4 – распределитель

В этом случае управляющий сигнал, в виде импульса постоянного тока, поступает на катушку электромагнита. Электромагнит срабатывает и перемещает золотник. Для перемещения золотника требуется относительно большой ток. Поэтому, если управляющий сигнал вырабатывает контролер, то между контролером и электромагнитом включают усилитель постоянного тока.

В современной пневмоавтоматике усилитель управляющего сигнала в виде малогабаритного пилотного распределителя клапанного типа и управляющего пневмоцилиндра встраивают в основной распределитель (рис. 3.21). На рисунке распределитель изображен в состоянии, когда нет управляющего сигнала.

1. электромагнит малой мощности

2. шток электромагнита

3. клапан

4. канал подачи сжатого воздуха

5. канал питания управляющего пневмоцилиндра

6. поршень управляющего пневмоцилиндра

7. золотник основного распределителя

На катушку малогабаритного электромагнита 1 подается управляющий импульс тока непосредственно от контроллера. Шток 2 электромагнита, перемещаясь вправо, открывает клапан 3, и воздух под давлением от порта Рпо каналам 4 и 5 поступает в левую полость пневмоцилиндра управления. Поршень 6 перемещается вправо и перемещает золотник 7 основного распределителя. Т.о. силаFопределяется давлением сжатого воздуха и площадью поршня 6 и многократно превосходит силу, развиваемую электромагнитом. Так реализуется так называемое пилотное «непрямое» управление.

*Серво (латинское слово) – слуга, помощник. Сервопривод отличается: широким диапазоном регулирования, высокой динамикой, высокой точностью позиционирования, высокой точностью воспроизведения скорости и ускорения и др.

1В пневматике всегда, когда можно, стараются подводить воздух к неподвижным элементам конструкции.

65