Глава VIII пневматические (газовые) приводы

В современных машинах, и в частности в системах автоматизации про­изводственных процессов, наряду с гидромеханизмами применяются пневмо-механизмы (пневмоприводы), основанные на использовании в качестве рабо­чей среды сжатого или разреженного воздуха (в настоящем курсе рассма­триваются лишь первые типы механизмов). •

С помощью пневматических устройств (приводов) решаются сложные задачи по автоматизации управления машин и производственных процессов. Применение их имеет преимущества в тех случаях, когда требуется осуществить быстрые перемещения выхода, а также когда применение гидравли­ческих приводов с масляной рабочей средой недопустимо по требованиям пожарной безопасности, как это имеет место в угольных шахтах и в ряде химических производств. . '

К основным преимуществам пневматических устройств относятся надеж­ность и долговечность, быстрота действия (срабатывания), простота и эконо­мичность, обусловленные одноканальным питанием исполнительных пневмо-механизмов (отработавший воздух выпускается непосредственно в. атмосферу без отводящих трубопроводов) и дешевизной самой рабочей среды.

Наряду с положительными качествами пневмосистемы обладают рядом недостатков, вытекающих из природы рабочей среды — воздуха. Воздух обладает высокой сжимаемостью, ввиду чего он при сжатии накапливает энергию, которая при известных условиях может превратиться в кинетиче­скую энергию движущихся масс и вызвать ударные нагрузки.

Вследствие этого пневматические силовые системы не обеспечивают без специальных дополнительных средств необходимой плавности и точности хода. Сжимаемость воздуха в пневмосистемах исключает возможность непо­средственной фиксации органов управления в заданных промежуточных положениях. В равной мере в пневмоприводе затруднительно получение при переменной нагрузке равномерной и стабильной скорости.

Помимо этого пневмоприводы имеют, как правило, более низкий к. п. д. в сравнении с гидроприводами, а также требуют применения смазочных устройств.

Сжатый воздух для питания пневмосистем обычно вырабатывается ком­прессорами, обслуживающими пневмомашины всего предприятия либо опре­деленную их группу. В централизованных и групповых системах питания обычно применяется давление 5—6 кГ/см^г, при индивидуальном питании — до 50 кГ/см² и выше.

Рабочим телом в пневмоприводах является сжатый воздух, поэтому расчет процессов в этом приводе основывается на законах и уравнениях газо- и термодинамики. Поскольку вопросы газо- и термодинамики, положенные в основу газодинамических расчетов пневмосистем и их элементов, рассмо трены в предшествующих учебных курсах «Гидрогазодинамика» и «Термо­динамика», в настоящем курсе рассмотрены схемы действия, конструкции пневмоприводов и их элементов, а также методы инженерных расчетов этих элементов. Вопросы же газодинамики приведены в виде справочных данных в объеме, необходимом для усвоения материала настоящего курса.

ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ГАЗА

Процессы сжатия и расширения воздуха при течении его в каналах пнев-мосистем сопровождаются изменениями параметров его состояния, основными из которых являются давление р, температура Т и удельный объем и. Давле­ние входит, за исключением случаев, оговариваемых особо, во все приведен­ные ниже термо- и газодинамические зависимости в абсолютных единицах.

Удельный объем v (объем, занимаемый единицей массы газа) связан с объемом V газа зависимостью

где m — масса газа, заключенного в объеме V. Поскольку V = m/p,можем написать

где р = m/V плотность газа.

Следовательно, удельный объем и плотность являются взаимно обрат­ными величинами.

Температура Кельвина Т К как параметр состояния газа связана с тем­пературой Цельсия f С зависимостью

К нормальным условиям состояния газа относят температуру t = 0° С или, что то же самое, Т = 273 К. '

Кроме указанных параметров газ характеризуется сжимаемостью, тем­пературным коэффициентом объемного расширения, вязкостью и удельной теплоемкостью.

Удельная (объемная) теплоемкость газа. Под удельной (объемной) теп­лоемкостью газа понимается отношение количества теплоты, поглощенной единицей массы (объема) газа, к соответствующему повышению темпера­туры. При этом различают удельные теплоемкости при постоянном давлении с_р и при постоянном объеме c_v. Соотношения между теплоемкостями при р = = const и v = const положены в основу газодинамики. В частности, важ­ным параметром является отношение этих теплоемкостей

называемое показателем адиабаты в адиабатном процессе изменения со­стояния газа.

Удельная теплоемкость реальных газов зависит от температуры, в связи с чем пользуются средней для заданного интервала температур удельной теплоемкостью.

Вязкость газа. Вязкость газов обычно оценивается значением динами­ческой вязкости μ. В, отличие от капельных жидкостей динамическая вяз­кость воздуха с повышением температуры увеличивается.

Зависимость вязкости воздуха от температуры достаточно точно характе­ризуется эмпирической формулой (при постоянном давлении)

Где μ — динамическая вязкость воздуха при данной температуре в К; μ ₀ — то же при температуре 0° С или 273 К; Т — абсолютная температура в К

Рис. 221. Зависимость вязкости воздуха от температуры

Зависимость от температуры кинематической вязкости ν = μ/ρ

Вязкость газов зависит также от давления, повышаясь с увеличением последнего (табл. 2).

Динамическая вязкость в 10~⁶ дин-сек/см²*

Таблица 2

р в кГ/см'	t в °С
	0	25	50	100
1	172,0	183,7	195,5	218,0
50	181,5	192,2	203,2	224,0
100	197,0	206,0	215,0	233,5

* 1 дин сек /см² =0,1 Па*сек.

На рис. 221, а приведен график зависимости динамической вязкости воздуха от температуры и давления, а на рис. 221, б — зависимость вяз­кости от температуры при атмосферном давлении.

Динамическая вязкость азота при атмосферном давлении и температуре t = 25° С равна 178-Ю"⁰ дин*сек/см² или 17,8 мкПа*сек.

Тепловое расширение газа. Тепловое расширение газа характеризуется

Температурным коэффициентом объемного расширения в показывающим относительное изменение объема газа при изменении температу­ры на 1° С:

где ΔV — изменение объема V газа в м³;

ΔT — изменение температуры в. °С или К.

Из термодинамики известно, что идеальный газ расширяется при постоян­ном давлении (изобарный процесс) пропорциенально повышению его абсо­лютной температуры Т (закон Гей-Люссака). Этот закон описывается урав­нением

где v_T и v₀ — удельный объем газа при заданной и начальной температуре; а — температурный коэффициент объемного расширения газа (практически может быть принят , постоянным для всех газов);

t — температура газа в °С.

Если объем идеального газа поддерживается постоянным (изохорный процесс), то давление р_т в нем возрастает пропорционально повышению его абсолютной температуры:

где р₀ — начальное давление.

Для температуры t = -1/а величина р_т становится равной нулю. Эта температура, равная t = -273,15° С или Т = °К является абсолютным нулем. При исчислении температуры от абсолютного нуля она называется абсолютной температурой и обозначается Т.

Сжимаемость газа. Сжимаемость характеризует изменение AV объема газа при изменении давления на Δр: