22.2. Пневматические двигатели

Пневматические двигатели, как и гидравлические, делятся на возвратно-поступательные (пневмоцилиндры), поворотные и вращательные (пневмомоторы). Поскольку принцип действия пневматических и гидравлических двигателей одинаков, рассмотрим конструктивные особенности только тех двигателей, которые преимущественно применяются в пневматических системах.

22.2.1. Пневматические цилиндры

В пневматических системах высокого давления наибольшее распространение получили поршневые пневмоцилиндры как одностороннего, так и двухстороннего действия. Так как воздух обладает высокой сжимаемостью, он при сжатии накапливает значительную энергию. При определенных условиях эта энергия в пневмоцилиндрах переходит в кинетическую энергию поршня и других движущихся масс, вызывая ударные нагрузки, которые могут привести, например, к разрушению корпуса пневмоцилиндра или вызвать поломку в исполнительном механизме. Поэтому в пневмосистемах, где требуется плавная (безударная) остановка исполнительного механизма, применяют пневмоцилиндры с торможением в конце хода. Основной способ торможения — увеличение сопротивления течению воздуха в конце хода поршня. Одна из возможных схем поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия с торможением представлена на рис. 22.4, а.

При рабочем ходе поршня 1 диаметром D, пока часть поршня диаметром d не вошла в полость корпуса 2 диаметром d₁ воздух беспрепятственно поступает в выхлопную пневмолинию. Когда часть поршня диаметром d входит в полость корпуса диаметром d₁, воздух из штоковой полости начинает проходить в выхлопную пневмолинию через кольцевой зазор δ= (d₁ - d)/2, который является пневматическим сопротивлением. В штоковой полости повышается давление и, следовательно, возникает тормозное усилие, которое растет по мере движения поршня, так как увеличивается сопротивление потоку воздуха. На рис. 22.4, б показано условное графическое обозначение пневмоцилиндра с торможением.

а б

Рис. 22.4. Пневматические цилиндры

а — с торможением в конце хода; б — его условное графическое обозначение; в — ударного действия; г — сильфонный; 1 — поршень; 2 — корпус; 3,4— вход­ные каналы; 5 — выпускной канал

Сильфон

Если в пневмосистеме используют обычный цилиндр без описанного выше устройства, то требуемое торможение обеспечивают за счет включения во внешнюю выхлопную пневмолинию специального местного сопротивления (дросселя).

В таких технологических операциях, как штамповка, клеймение, пробивка отверстий, обрубка литников и ряд других, требующих ударного воздействия, используют различные ударные пневмоцилиндры. Схема работы одного из них представлена на рис. 22.4 ,в.

В цилиндре имеются три полости. А, В, С. Полость А, которая играет роль ресивера, во время работы через канал 3 всегда соединена с напорной пневмолинией (р_вх). В исходном положении полость В через канал 4 соединена с атмосферой, а полость С через канал 5 — с напорной пневмолинией. За счет разности эффективных площадей поршень прижимается к седлу корпуса, перекрывая отверстие т. Для осуществления рабочего хода полость С соединяют с атмосферой, а канал 4 полости В перекрывают. Давление полости С падает, и поршень начинает двигаться вправо. Как только поршень открывает отверстие т, резко возрастает движущая сила, поскольку сжатый воздух с давлением р_вх действует теперь на всю площадь поршня. Поршень получает значительное ускорение. Чтобы избежать удара поршня о корпус цилиндра, в конструкции предусматривают возможность перекрытия канала 5 в конце хода поршня. Поршень останавливается без удара о корпус за счет сжатия воздуха в полости С. При первоначальном соединении полостей В и С поршень цилиндра приходит в исходное положение.

Наряду с мембранными пневмоцилиндрами, которые, как и гидравлические, применяются при небольших перемещениях выходного звена, в пневмосистемах низкого давления при малых перемещениях используют силъфонные пневмоцилиндры. Рабочей камерой такого пневмоцилиндра является полость гофрированной металлической трубки (сильфона), способной увеличивать свою длину под действием давления сжатого воздуха (рис. 22.4, г). Как правило, сильфонные пневмоцилиндры — одностороннего действия. Возврат в исходное положение происходит под действием внешних сил или упругих сил самого сильфона.

22.2.2. Поворотные пневмодвигатели и пневмомоторы

Поворотные пневмодвигатели, как и гидравлические, в основном используют в своей работе принцип механического преобразования поступательного движения поршня в поворотное движение выходного звена.

На рис. 22.5, а представлена схема поворотного пневмодвигателя с механическим преобразованием движения, в котором канал 1 и, следовательно, полость А всегда подключены к напорной пневмолинии с давлением р_вх. Если канал 2 соединить с напорной пневмолинией, а канал 3 с атмосферой, то под действием перепада давлений поршень 4 начнет перемещаться влево. При этом он будет поворачивать через цепную передачу звездочку 5 по часовой стрелке. Вращение звездочки и, следовательно, выходного вала в обратную сторону будет происходить при соединении как с атмосферой, а канала 3 с напорной пневмолинией.

В механизмах для зажима деталей в станках и автоматических линиях используют камерный поворотный пневмодвигатель (рис. 22.5, б). Сжатый воздух через канал 6 подается в камеру 7, стенки которой выполнены из эластичного материала. Под давлением воздуха камера расширяется, поворачивая рычаги 8 и 9 вокруг осей вращения и обеспечивая тем самым зажим детали В. При этом усилие зажима практически не зависит от размера L детали В.

Пневмомоторы преимущественно используют принцип роторных машин. Наиболее широко применяются шестеренчатые и пластинчатые пневмомоторы.

Рис. 22.5. Схемы поворотных пневмодвигателей:

1-е механическим преобразованием движения; б — камерного; 1 — напорный канал; 2, 3 — рабочие каналы; 4— поршень; 5— звездочка; 6— входной канал; 7— рабочая камера; 8, 9 — поворотные рычаги

Их используют для привода ручного пневмоинструмента, сверлильных головок станков, лебедок и т.п.

В В

А

В

Рис. 22.6. Пневмомоторы: а — шестеренный; б — пластинчатый; 1 — статор; 2 — ротор; 3 — пластина; А — входной канал; В — по­лость выхлопа

На рис. 22.6, а представлена схема работы 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, отделяют полость высокого давления от полости выхлопа В. Давление р_вх воздействует на зубья колес, которые имеют в области зацепления неуравновешенные участки ab и dc. На этих участках возникают неуравновешенные силы, равные произведению давления р_вх и площади неуравновешенных участков зубьев. Эти силы создают моменты, вращающие колеса в направлениях, показанных стрелками. Точно по такому же принципу работает пневмомотор типа РУТС, у которого зубья колес имеют специфическую форму (рис. 22.6, б).

На рис. 22.6, в представлена схема пластинчатого пневмотора. Подача сжатого воздуха с давлением р_вх происходит на участке DD' статора 1, а выхлоп — на участке СС. Рабочая камера образована поверхностями ротора 2, статора 1 и двух соседних пластин 3 на участке D'C. Из-за эксцентриситета в расположении осей ротора и статора объем рабочей камеры на участке D' С увеличивается, а давление воздуха при расширении падает и всегда будет меньше рвх. Разность давлений по обе стороны пластин, находящихся в рабочей камере, создает результирующее усилие на пластину и, следовательно, вращающий момент, направленный по часовой стрелке. Пластины прижимаются к статору под действием центробежной силы и силы давления сжатого воздуха, который по специальным каналам подводится в пазы под торцы пластин.

РОТОРНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Роторные компрессоры так же, как и поршневые относятся к классу машин объёмного действия. По кинематике рабочих органов они аналогичны роторным насосам. Роторные компрессоры применяются при умеренных производительностях и давлениях в химической, газовой, холодильной промышленности, в системах пневматического управления, в двигателях внутреннего сгорания для наддува. В нефтепромысловых компрессорных станциях их используют для перекачки попутного газа.

Наиболее распространены следующие роторные компрессоры:

1. одновальные – пластинчатые, с качающимся ротором, водокольцевые;

2. двухвальные – двухлопастные и трёхлопастные, винтовые.

По характеру процесса сжатия роторные компрессоры делятся на три группы:

1. машины, в которых сжатие происходит в результате непрерывного изменения объёма рабочих камер;

2. машины, в которых перенос порций газа из всасывающей линии в нагнетательную происходит при постоянном объёме и давлении, а давление газа возрастает скачком в момент сообщения рабочей камеры с областью нагнетания;

3. машины, в которых используются одновременно оба принципа.

ОДНОВАЛЬНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Пластинчатый компрессор (рис. 14) состоит из цилиндра, в котором эксцентрично расположен ротор с пластинами, вставленными в его пазы. В отличие от шиберного насоса, вращающиеся межпластинчатые камеры, будучи изолированными, изменяют свой объём от максимального значения до минимального, вследствие чего газ сжимается постепенно от момента отсечки камеры от всасывающего канала в точке а до момента, когда передняя пластина камеры достигнет кромки выхлопного окна b. После мгновенного выравнивания давление в камере сохраняется постоянным до тех пор, пока задняя пластина камеры не достигнет кромки с выхлопного окна. При движении камеры от с до d остаток газа расширяется.

Рис. 14. Схема пластинчатого компрессора.

Как видно из диаграммы изменения давления, изображённой справа на том же рисунке, действие рассматриваемого компрессора в основном аналогично действию поршневого. Однако в отличие от последнего конечное давление сжатия зависит не от давления в нагнетательном патрубке

компрессора, а только от степени сжатия камеры на участке ab.

Число пластин изменяется от двух для малых машин, до 20 – 30 для крупных машин. Наклонное расположение пластин в сторону вращения вала уменьшает опасность защемления в пазах ротора ввиду благоприятного направления усилия, действующего на каждую пластину. Материал пластин – сталь, дюраль, пластмасса. Частота вращения ротора ограничивается максимальной окружной скоростью конца пластины, равной примерно 13 м/сек, превышение которой приводит к быстрому износу пластин. Для уменьшения сил трения в цилиндр устанавливают два кольца, свободно вращающиеся и увлекаемые пластинами. Последние прижимаются к кольцам и скользят по их внутренней поверхности. При этом окружную скорость можно увеличить примерно до 18 м/сек.

В одноступенчатом охлаждаемом компрессоре отношение давлений не превышает 5. Более высокие отношения давлений осуществляют в двухступенчатых компрессорах.

Рис 15. Схема водокольцевого компрессора.

1 — отверстие всасывания; 2 — отверстие нагнетания; 3—водяное кольцо.

Водокольцевой компрессор (рис. 15) отличается тем, что в качестве замыкателей используют водяное кольцо, образующееся внутри цилиндра при вращении в нём рабочего колеса с радиальными лопатками. Рабочей камерой служит серповидное в поперечном сечении пространство, образующееся вследствие эксцентриситета между ротором и водяным кольцом. Всасывающее и нагнетательное отверстия расположены в торцевых крышках. Вода непрерывно обновляется, что обеспечивает охлаждение газа в процессе сжатия.

Коэффициент полезного действия водоканальных компрессоров невелик (0,4 – 0,45) вследствие трения лопаток о воду и слоя воды о стенки цилиндра. Однако для некоторых условий, например для подачи запылённого газа, такие компрессоры очень выгодны. Эти же машины используют в качестве вакуум-насосов, когда среда содержит капельную влагу, а также для создания разрежения в центробежных насосах при их запуске.

ДВУХВАЛЬНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Компрессор типа Рутс (рис. 16), применяется при невысоких отношениях

давлений, действует аналогично шестерённому насосу, но для увеличения объёма межзубцевых впадин число зубьев (лопастей) уменьшено до 2 – 3. В данном случае передача равномерного вращения становится затруднительной.

Рис. 16. Схемы компрессоров типа Рутс.

а — двухлопастного; б — трехлопастного

Эта передача осуществляется зубчатой парой, расположенной вне компрессора, а между лопастями сохраняется зазор, что позволяет избежать их износа и необходимости вводить в компрессор смазку. Отсутствие контакта сжимаемого газа с маслом даёт компрессору типа Руст важное преимущество. Порция газа переносится между лопастями ротора при постоянном объёме, а сжатие газа происходит в момент, когда рабочая камера сообщается с нагнетательной стороной машины. Для уменьшения шума и создания более равномерного потока газа применяют трёхлопастные винтовые роторы.

Винтовые компрессоры (рис. 17) аналогичны воздуходувке типа Рутс, но отличаются от неё формой роторов и расположением окон для подвода и отвода газа в осевом направлении, как в винтовом насосе. Роторы выполнены в виде винтовой зубчатой передачи, в которой так же, как и в компрессоре типа Рутс, зубья не соприкасаются благодаря шестерням, синхронизирующим движение винтов. При вращении роторов полости А, А^’, А^’’ и В, В^’, В^’’ (рис. 17) последовательно изолируются от области всасывания, затем их объём уменьшается, так как впадины одного ротора заполняются зубьями другого. Газ, заполняющий полости, сжимается до тех пор, пока полости не сообщаются с областью нагнетания. В винтовом компрессоре так же, как и в пластинчатом, конечное давление сжатия в полости зависит не от противодавления, а от геометрии роторов и расположения нагнетательного отверстия.

Рис. 17. Двухроторный винтовой компрессор.

Число зубьев у ротора может быть различным: 2 + 2, 2 + 4, 3 + 3, 4 + 4, 4 + 6 и т.д. На рис. 17 показаны ротор с числом зубьев 4 + 6.

Корпус и ротор выполняются из стали, чугуна или цветного металла. Корпус имеет разъём параллельно оси роторов и снабжён рубашкой для водяного охлаждения. В местах вывода валов ротора из корпуса устанавливают уплотнения (угольные, медные или пластмассовые кольца).

Винтовые компрессоры действуют при высокой окружной скорости, достигающей 120 м/сек и характеризуются весьма высокими адиабатическим коэффициентом мощности и коэффициентом производительности.

Преимуществом компрессоров этого типа являются простота конструкции и обслуживания, высокая степень надёжности и длительный срок службы без ремонта, а недостатком – высокий уровень шума, вследствие чего возникает необходимость установки глушителей на всасывающей и нагнетательной линиях.

Винтовые компрессоры начинают более широко применять. Выпускают их как машины общего назначения производительностью в пределах примерно от 5 до 700 м³/мин и давлением нагнетания до 4 Мн/м² (в нескольких ступенях).