Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

11.1.3. Охлаждение газа в компрессорах

Из термодинамики известно, что для устройства, рабочий процесс которого в системе координат р-w изображается в виде замкнутой линии, величина механической работы пропорциональна площади, ограниченной этой линией. Поэтому работа компрессора определится площадью его индикаторной диаграммы.

На рис. 11.6. представлена диаграмма работы компрессора при различных процессах сжатия, которые для любых типов компрессоров можно

описать уравнением политропы p wn = const . Кривая 1-2из соответствует

изотермическому процессу (n = 1), 1-2ад – адиабатическому (n = k), а кривая 1-2n – политропическому (1 < n < k), где для воздуха k = 1,4.

Очевидно, что самым экономичным является изотермический процесс сжатия (площадь 1-2из-3-4 - наименьшая). В таком процессе поддерживается постоянная температура газа за счет отвода тепла, выделенного в компрессоре. На практике добиться изотермического процесса сжатия газа не удается из-за серьезных усложнений в конструкции систем охлаждения. В промышленных компрессорах различных типов система охлаждения обеспечивает политропический процесс сжатия, для которого показатель политропы 1 < n < k.

Чем эффективнее система охлаждения, тем ближе процесс сжатия к изотермическому.

Охлаждение в компрессорах бывает водяное и воздушное. Воздушное охлаждение малоэффективно и применяется в компрессорах малой мощности. В промышленных компрессорных установках охлаждение происходит за счет циркуляции охлаждающей жидкости по полостям в корпусе компрессора, обтекая рабочие камеры (см. рис. 11.5.). В центробежных компрессорах полости проектируют так, чтобы охлаждающая жидкость обтекала стенки направляющего аппарата каждой ступени (см. рис. 11.1.). Такое охлаждение называют внутренним, или «рубашечным», т.к. полости корпуса образуют как бы рубашку охлаждения. В поршневых компрессорах внутреннее охлаждение, наряду с охлаждением газа, обеспечивает улучшение условий смазки.

В компрессорных установках, где используются объемные многоступенчатые компрессоры, помимо внутреннего охлаждения применяют внешние охладители, в которых газ охлаждается на пути между ступенями.

301

пературы.

Из охладителя газ попадает в рабочую камеру цилиндра высокого давления (ЦВД), а затем поступает в напорную пневмолинию.

Трубчатый теплообменник (охладитель) (рис. 11.7,б) состоит из корпуса 1, набора труб 2 (радиатора) и направляющих перегородок 3. Вода или специальная охлаждающая жидкость под напором циркулирует по трубам. Газ из первой ступени поступает в корпус через верхний патрубок благодаря наличию специальных направляющих перегородок, перекрестно обтекает трубы радиатора. Объем воздуха при охлаждении уменьшается, и поэтому расстояние между перегородками и диаметр выходного патрубка уменьшаются. Охладитель снабжается манометром, термометром и штуцером для слива конденсата, образовавшегося в процессе охлаждения газа. Использование и внутреннего, и внешнего охлаждения сжатого газа существенно повышает экономичность работы компрессоров.

11.2.Пневматические исполнительные устройства

Впневматических системах широкое распространение получили объемные пневматические двигатели. Объемные пневматические двигатели, как и гидравлические, делятся на двигатели возвратно-поступательные (пневмоцилиндры), поворотные и вращательные (пневмомоторы). Кроме того, в ряде пневмосистем ограниченно используются динамические пневмодвигатели – турбины, работающие с использованием энергии газовых потоков. По конструкции они принципиально не отличаются от гидравлических (лопастных) турбин. Поскольку принцип действия пневматических

игидравлических двигателей одинаков, рассмотрим конструктивные осо-

302

бенности только тех двигателей, которые преимущественно применяются

впневматических системах.

11.2.1.Пневматические цилиндры

Впневматических системах высокого давления наибольшее распространение получили поршневые пневмоцилиндры как одностороннего, так и двухстороннего действия.

Особенность пневмоцилиндров состоит в том, что они в качестве рабочей среды используют воздух (или другой газ), который обладает значительной сжимаемостью. При его сжатии накапливается весьма существенная потенциальная энергия. Эта энергия в пневмоцилиндрах переходит в кинетическую энергию и может вызывать ударные нагрузки, которые целесообразно избегать. Поэтому в системах, где требуется плавная (безударная) работа исполнительного механизма, применяют пневмоцилиндры с торможением в конце хода. Основной способ торможения – увеличение сопротивления течению воздуха.

Одна из возможных схем поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия с торможением представлена на рис. 11.8,а. Поршень 1 выполнен ступенчатым с диаметрами D и d. Корпус 2 со стороны штока име-

ет две полости с диаметрами D и d1, причем диаметры d и d1 образуют зазор ∆d = d1 – d. При рабочем ходе поршня пока часть поршня с диаметром d не вошла в полость корпуса с диаметром d1, воздух беспрепятственно поступает в выхлопную пневмолинию. Когда часть поршня с диаметром d

входит в полость корпуса с диаметром d1, воздух из штоковой полости проходит на выход через зазор ∆d, который является пневматическим сопротивлением. Поэтому в штоковой полости повышается давление и, следовательно, возникает тормозное усилие движению поршня. На рис. 11.8,б показано условное обозначение пневмоцилиндра с торможением.

Рис. 11.8. Торможение поршня в пневмоцилиндрах: а) конструктивная схема цилиндра с торможением в конце хода; б) его условное обозначение; в) схема с использованием внешнего пневмодросселя

303

Если в пневмосистеме используют обычный цилиндр без вышеописанного устройства, то требуемое торможение обеспечивают за счет включения во внешнюю выхлопную пневмолинию специального местного сопротивления (дросселя). Одна из возможных схем представлена на рис. 11.8,в. До тех пор, пока пневмораспределитель с кулачковым управлением находится в позиции А, воздух из штоковой полости цилиндра свободно поступает в атмосферу. В конце хода выступ на штоке переключает распределитель в позицию Б, и на пути потока воздуха включается дроссель Д.

В ряде технологических операций (штамповка, клеймение, пробивка отверстий и других) наоборот требуется ударное воздействие. В этом слу-

чае используют ударные пневмоцилиндры.

Схема одного из них представлена на рис. 11.9. В цилиндре имеются три полости a, b, c. Полость a, которая играет роль ресивера, всегда через канал 1 соединена с напорной пневмолинией (рвх). В исходном положении полость b через канал 3 соединена с атмосферой, а полость c через канал 4 – с напорной пневмолинией. При таком соединении полостей за счет разности эффективных площадей поршень прижимается к седлу корпуса, перекрывая отвер-

стие 2.

Для осуществления рабочего хода полость c соединяют с атмосферой, а канал 3 полости b перекрывают. Давление в полости c падает, поршень начинает двигаться вправо. Как только поршень

откроет отверстие 2, резко возрастает движущая сила, поскольку сжатый воздух с давлением рвх действует теперь на всю площадь поршня. Поршень получает значительное ускорение. Чтобы избежать удара поршня о корпус цилиндра, в конструкции предусматривают возможность перекрытия канала 4 в конце хода поршня. Тогда поршень остановится без удара о корпус за счет сжатия воздуха в запертой полости c.

В технологических операциях, когда исполнительный механизм (режущий инструмент, переключатель скоростей и т. п.) необходимо устанавливать в двух и более фиксированных положениях, используют многопозиционные пневмоцилиндры (пневматические позиционеры).

304

действием пружин находятся в позициях, когда каналы 1,2 и 3 перекрыты. Поршень при этом находится, например, в среднем положении (рис. 11.10.). Давление сжатого воздуха в полостях а и b одинаково и равно рвх.

Если сигнал управления поступает на распределитель А, то он переходит в позицию, когда полость а сообщается с атмосферой. Под действием перепада давлений поршень начинает перемещаться влево. Движение будет до тех пор, пока сам поршень не перекроет канал 1, в полостях а и b снова не установится одинаковое давление. Это будет новое фиксированное положение поршня. Чтобы вернуть поршень в исходное положение или перевести его в крайнее правое, необходимо снять управляющий сигнал с распределителя А и подать сигнал, на распределитель Б или В. Два одинаковых пневмодросселя Д1 и Д2 включаются в схему для того, чтобы в закрытой полости давление всегда было больше, чем давление в полости, соединенной с атмосферой.

Кроме поршневых цилиндров, в пневматических системах применяются мембранные пневмоцилиндры. Основным элементом такого пневмоцилиндра является гибкая мембрана 1 (рис. 11.11,а), к которой крепится шток 2. При подводе сжатого воздуха к левой полости пневмоцилиндра мембрана 1 изгибается и смещает шток 3 вправо. Обратный ход в большинстве таких пневмоцилиндров обеспечивается за счет пружины 2.

305

но, выходного вала в обратную сторону будет при соединении канала 1 с атмосферой, а канала 2 – с напорной пневмолинией.

Рис. 11.12. Поворотные пневмодвигатели:

а) с механическим преобразованием движения; б) камерный

В механизмах станков и автоматических линий для зажима деталей используют камерные поворотные пневмодвигатели (рис. 11.12,б). Сжатый воздух через канал 1 подается в камеру 2, стенки которой выполнены из упругого материала. Под давлением воздуха камера расширяется, поворачивая рычаги 3 и 4 вокруг осей вращения, обеспечивая зажим детали А.

Пневмомоторы вращательного движения преимущественно строятся на принципе работы роторных машин. Наиболее широко применяются шестеренные и пластинчатые пневмомоторы. Их используют для привода ручного пневмоинструмента, сверлильных головок станков, лебедок и т.п.

На рис. 11.13,а представлена схема шестеренного пневмомотора с внешним зацеплением. Сжатый воздух с давлением рвх через входной канал А подается к зубчатым колесам. Зубья, касаясь друг друга в точке зацепления b, разделяют полость высокого давления (слева) от полости выхлопа (справа). Давление рвх воздействует на зубья колес, которые имеют в области зацепления неуравновешенные участки аb и dс (из-за разности их площадей). На этих участках возникают неуравновешенные силы, равные произведению давления рвх на площадь неуравновешенных участков зубьев. Эти силы и создают крутящие моменты, вращающие колеса в направлениях, показанных стрелками. Точно по такому же принципу работает пневмомотор типа РУТС, у которого зубья колес имеют специфическую форму (рис. 11.13,б).

307

холостой ход, нужно быстро освободить бесштоковую полость от воздуха. Эту задачу и выполняет клапан быстрого выхлопа, который состоит из корпуса 2, крышки 3 и мембраны 4.

Рис. 12.1. Клапан быстрого выхлопа:

а) схема включения в пневмосистему; б) условное обозначение

Если пневмораспределитель 5 находится в исходной позиции, пневмолиния А соединена с атмосферой, мембрана под действием упругости прижата к корпусу клапана и пневмолиния Б соединена с атмосферой через отверстия в крышке 3, которые располагаются по окружности и имеют большую суммарную площадь проходного сечения. При подаче управляющего сигнала распределитель 5 переходит в рабочую позицию, соединяя линию А с напорной пневмолинией. Под действием сжатого воздуха мембрана 4 клапана поднимается вверх и прижимается к крышке 3, перекрывая отверстия в ней, линии А и Б соединяются через центральное отверстие в мембране 4. Сжатый воздух поступает в бесштоковую полость пневмоцилиндра 1, и его поршень совершает рабочий ход.

При снятии управляющего сигнала распределитель 5 приходит в исходную позицию, следовательно, мембрана 4 клапана также приходит в исходное положение, соединяя бесштоковую полость пневмоцилиндра 1 с атмосферой. Так как клапан быстрого выхлопа всегда устанавливают прямо на пневмоцилиндре, воздух почти беспрепятственно выходит в атмосферу и поршень пневмоцилиндра быстро приходит в исходное положение под действием даже малого усилия возвратной пружины. На рис. 12.1,б показано условное обозначение клапана быстрого выхлопа.

310