2.1.3.6. Время срабатывания и частота включений

Под временем срабатывания пневматических устройств обычно понимают промежуток времени от момента приложения управляющего воздействия (напри­мер, начала роста давления в полости управления, момента подачи электрического сигнала на электромагнитные катушки распределителей) до момента полного пе­реключения рабочего органа или до получения заданного давления в определен­ном объеме, подсоединенном к выходу пневматического устройства. Время сраба­тывания устройства зависит от многих факторов (конструкции, размера, нагрузки, длины и сопротивления пневматических и электрических линии управления, дав­ления, напряжения и др.) и в зависимости от них может иметь значение от тысяч­ных долей секунды до нескольких секунд.

Время срабатывания пневматических устройств, как и их расходная характе­ристика, имеет большое значение, особенно для высокопроизводительного техно­логического оборудования (станков, прессов, манипуляторов и промышленных роботов и др.).

Частота включений обычно связана с временем срабатывания, зависит от тех же факторов и может достигать 40 Гц [36].

2.1.3.7. Надежность привода, размеры, масса

Надежность привода - это свойство привода выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение тре­буемого промежутка времени или требуемой наработки до отказа. Надежность привода обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, сохраняемо­стью, долговечностью.

Показателями безотказности привода являются: вероятность безотказной ра­боты; средняя наработка до отказа или на отказ; параметр потока отказов; интен­сивность отказов.

Основным показателем ремонтопригодности привода служит вероятность восстановления в заданный период времени или среднее время восстановления.

Основным показателем сохраняемости привода является гамма-процентный срок сохраняемости.

Основными показателями долговечности являются средний срок службы, средний ресурс, гамма-процентный ресурс.

В зависимости от принципа действия пневматических устройств, имеющих циклический характер (цилиндры, распределители, логические элементы) или не­циклический (фильтры, редукционные клапаны, осушители), наработка на отказ или ресурс выражается в циклах и часах соответственно. Для пневматических уст­ройств циклического действия ресурс обычно находится в пределах от 3...5 до 10...20 млн. циклов в зависимости от назначения и конструкции [36]; для уст­ройств нециклического действия - от 5000 до 12000 часов.

Для большинства пневматических устройств размеры и масса являются од­ними из наиболее общепринятых показателей качества. На практике часто оцени­вают не абсолютные их значения, а удельные показатели, представляющие собой отношение объема (массы) устройства к основному параметру (расходной харак­теристике, развиваемому усилию и т.п.).

2.2. Повышение экономичности пневмоприводов

Как уже отмечалось ранее, сжатый воздух является весьма дорогостоящей ра­бочей средой, которую нужно расходовать весьма рационально. Используемые для получения сжатого воздуха современные компрессорные установки в сочетании со старыми и плохо обслуживаемыми системами трубопроводов не дают ощутимого повышения эффективности производства по причине расходуемого впустую большого количества электроэнергии (до 50%) [15]. Поэтому производственные системы, работающие на сжатом воздухе, представляют собой привлекательный объект возможной экономии. Главная цель заключается в отыскании утечек, гер­метизации их и в минимизации потерь давления в пневмосистемах.

Обычно по пути от компрессора до потребителя можно ожидать следующие потери давления, МПа [15]:

- главный трубопровод - 0,003;

- распределительный трубопровод - 0,003; - соединительный трубопровод - 0,004;

- осушитель - 0,03; - фильтр - 0,04;

- блок подготовки воздуха и шланги - 0,6

Нетрудно заметить, что общие потери могут достигать весьма ощутимой ве­личины - 0,14 МПа.

Снижение потерь достигается за счет выполнения следующих рекомендаций.

Система трубопроводов должна быть по возможности короткой с минималь­но допустимым диаметром.

Однако при проектировании линии питания распределителей следует учиты­вать, что потери давления в них будут тем меньше, чем больше диаметр трубы или шланга. Устанавливаемые трубопроводы должны идти непосредственно от источ­ника сжатого воздуха, а не от ответвленного трубопровода.

Следует разделять системы управления, располагая пневматические системы рядом с потребителем воздуха. Желательно использовать цилиндры с минималь­ными «мертвыми объемами», принимая во внимание то, что цилиндры с пневма­тическим демпфированием имеют большие объемы для заполнения.

В таблице 2.4 приведены вредные объемы штоковых и бесштоковых полостей цилиндров с различным диаметром поршней [25]. Вредным объемом цилиндра является часть объема его полостей в конечном положении поршня и часть объема подводящего трубопровода, находящегося внутри цилиндра (внутренние каналы).

Таблица 2.4 – Вредный объем цилиндра (106 мм3 = 1 дм3 = 1 л)
Диаметр поршня, мм	Вредный объем штоковой полости, х103 мм3	Вредный объем поршневой полости, х103 мм3
12	1	0,5
16	1	1,2
25	5	6
35	10	13
50	16	19
70	27	31
100	80	88
140	128	150
200	425	448
250	2005	2337

Целесообразно использовать цилиндры с соответствующим нагрузке (тре­буемому усилию) диаметром поршня и ходом и не увеличивать эти параметры без необходимости, «про запас», а также запитывать их минимально возможным дав­лением.

Снижение рабочего давления дает следующую экономию энергии, % [15]:

• снижение с 0,6 до 0,5 МПа - 17;

• снижение с 0,6 до 0,4 МПа - 33;

• снижение с 0,6 до 0,3 МПа - 50.

Использовать в системах управления пневматическую логику, в том числе на элементах пневмоники, рационально только в тех случаях, если система упроща­ется, становится более безопасной и не снижает быстродействие основного технологического оборудования.

Там, где это возможно, желательно использовать цилиндры одностороннего действия, вместо цилиндров двустороннего действия, поскольку они потребляют воздух только для рабочего (прямого) хода. При этом необходимо учитывать то, что цилиндры с ходом поршня свыше 100 мм не могут быть одностороннего дей­ствия с механической пружиной возврата. В этих случаях целесообразно исполь­зовать пневматическую пружину, подавая в соответствующую полость небольшое постоянное давление (например, 0,2 МПа) с помощью регулятора давления.

Тройники являются источниками больших потерь давления из-за значитель­ной турбуленции воздуха при прохождении через них. Потери приходится ком­пенсировать повышением рабочего давления, что не является лучшим решением. Использование коллекторов с большими отверстиями (рисунок 2.14) более пред­почтительно.

Рисунок 2.14 — Пневмосистемы с тройниками (а) и с коллектором (б)

Распределители должны располагаться как можно ближе к потребителям воз­духа, поскольку при этом снижается объем полостей соединительных трубопрово­дов, заполняемых сжатым воздухом. Особенно экономичной оказывается комби­нация цилиндр-распределитель (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 —Комбинированное исполнение "цилиндр—распределитель"

1 - 5/2-распределитель типа СРЕ 10 "Festo"; 2 - цилиндр;

3 - дроссель; 4 - трубопровод; 5 - глушитель

Если для обратного хода штока цилиндра двустороннего действия не требу­ется большого усилия и время возврата не лимитировано, можно использовать более низкое давление (например, 0,2 вместо 0,4 МПа). Это осуществляется с по­мощью регулятора с параллельным или встроенным обратным клапаном (рису­нок 2.16).

При отключении приводного электромаг­нита 5/2-моностабильного распределителя 4 с электромагнитным пилотным управлением воз­дух давлением p₁ = 0,4MПa поступает через регулятор 2, настроенный на давление, напри­мер, рг = 0,2 МПа в штоковую полость цилиндра 1, обеспечивая возврат штока в исходное поло­жение. При включении распределителя 4 воздух давлениемр_х поступает в бесштоковую полость цилиндра 1, обеспечивая быстрое выдвижение штока. При этом воздух из штоковой полости поступает на выхлоп не через регулятор, со­вмещающий, по существу, функции регулируе­мого дросселя, а через обратный клапан 3 с большим проходным сечением.

Различные функции системы подготовки сжатого воздуха (фильтрация, регулирование и смазка элементов пневмосистемы) выполняют­ся Рисунок 2.16 — Схема отдельными элементами или одним устройством –

пневмопривода с разными блоком подготовки сжатого воздуха. В современных

скоростями запитывання пневматических системах подача с мазки в сжатый

и опорожнения бесштоковой воздух не всегда нужна [25]. Это делается только в

полости пневмоцилиндра случае необходимости и, прежде все­го, для смазки

двустороннего действия элементов исполнительной части системы. Избыток

масла может привести к износу движущихся частей

и уплотнений пневматических устройств. Из-за негерметичности соединений смазочные вещества могут вытекать наружу, загрязнять окружающую среду, наносить вред выпускаемой продукции пищевой, фармацевтической, парфюмерной, химической и других отраслей промышленно­сти.

Размеры блока подготовки воздуха определяются величиной расхода сжатого воздуха. При большем расходе воздуха возникают большие потери давления в элементах системы. Поэтому, безусловно, необходимо соблюдать рекомендации, касающиеся технических характеристик блока.

Выбор комбинации устройств, входящих в состав блока, их размеров и кон­струкции определяется областью применения и техническими требованиями к пневмосистеме. Для того, чтобы гарантировать нужное качество воздуха для кон­кретного технологического оборудования, рекомендуется устанавливать блок под­готовки воздуха в систему питания каждого исполнительного устройства. Такой подход обеспечивает независимые друг от друга давления питания в различных частях пневмосистемы, что позволяет экономично расходовать энергию и снижает износ ее элементов.

Современные блоки подготовки воздуха, используемые в автоматизирован­ных пневмоприводах, характеризуются все возрастающим числом включаемых в их состав элементов электроавтоматики, обеспечивающих получение информации о параметрах подготовленного сжатого воздуха, и позволяющих осуществлять дистанционное автоматическое управление включением/выключением функцио­нальных компонентов блока.

На рисунке 2.17 представлен общий вид блока подготовки воздуха фирмы «Festo» типа MSB-1/4 (а), компоновка функциональных компонентов с размерны­ми параметрами (в) и условное обозначение (б) [57].

Данный тип блока подготовки воздуха (БПВ) включает в себя 3/2 распределитель 1 с ручным управлением включения/выключения входного давления р₁ регулятор давления 2 с фильтром и манометром, маслораспылитель 3, 3/2 моностабильный распределитель 4 (пневмовыключатель) с электромагнитным управлением включения/выключения выходного давления р₂, 2/2-моностабильной распределитель 5 плавной подачи давления р₂ к потребителю сжатого воздуха (на­пример, к пневмоцилиндру), разветвитель 6 с реле давления 7 типа PEV-1/4-B [32]

Рисунок 2.17 — Общий вид (а), условное обозначение (б), компоновка (в)