Особенности пневматического привода, достоинства и недостатки
Область и масштабы применения пневматического приводаобусловлены его достоинствами и недостатками, вытекающимииз особенностей свойств воздуха. В отличие от жидкостей,применяемых в гидроприводах, воздух, как и все газы, обладаетвысокой сжимаемостью и малой плотностью в исходноматмосферном состоянии (около 1,25 кг/м3), значительноменьшей вязкостью и большей текучестью, причем его вязкостьсущественно возрастает при повышении температуры идавления. Отсутствие смазочных свойств воздуха и наличиенекоторого количества водяного пара, который приинтенсивных термодинамических процессах в изменяющихсяобъемах рабочих камер пневмомашин может конденсироватьсяна их рабочих поверхностях, препятствует использованиювоздуха без придания ему дополнительных смазочных свойств ивлагопонижения. В связи с этим в пневмоприводах имеетсяпотребность кондиционирования воздуха, т.е. придания емусвойств, обеспечивающих работоспособность и продляющихсрок службы элементов привода.
С учетом вышеописанных отличительных особенностейвоздуха рассмотрим достоинства пневмопривода в сравнении сего конкурентами - гидро- и электроприводом.
1. Простота конструкции и технического обслуживания.
Изготовление деталей пневмомашин и пневмоаппаратов нетребует такой высокой точности изготовления и герметизациисоединений, как в гидроприводе, т.к. возможные утечки воздухане столь существенно снижают эффективность работы и КПДсистемы. Внешние утечки воздуха экологически безвредны иотносительно легко устраняются. Затраты на монтаж иобслуживание пневмопривода несколько меньше из-заотсутствия возвратных пневмолиний и применения в рядеслучаев более гибких и дешевых пластмассовых или резиновых(резинотканевых) труб. В этом отношении пневмопривод неуступает электроприводу. Кроме того, пневмопривод не требуетспециальных материалов для изготовления деталей, таких какмедь, алюминий и т.п., хотя в ряде случаев они используютсяисключительно для снижения веса или трения в подвижныхэлементах.
2. Пожаро- и взрывобезопасность. Благодаря этомудостоинству пневмопривод не имеет конкурентов длямеханизации работ в условиях, опасных по воспламенению ивзрыву газа и пыли, например в шахтах с обильным выделениемметана, в некоторых химических производствах, намукомольных предприятиях, т.е. там, где недопустимоискрообразование. Применение гидропривода в этих условияхвозможно только при наличии централизованного источникапитания с передачей гидроэнергии на относительно большоерасстояние, что в большинстве случаев экономическинецелесообразно.
3. Надежность работы в широком диапазоне температур,в условиях пыльной и влажной окружающей среды. В такихусловиях гидро- и электропривод требуют значительно большихзатрат на эксплуатацию, т.к. при температурных перепадахнарушается герметичность гидросистем из-за изменения зазорови изолирующих свойств электротехнических материалов, что всовокупности с пыльной, влажной и нередко агрессивнойокружающей средой приводит к частым отказам. По этойпричине пневмопривод является единственным надежнымисточником энергии для механизации работ в литейном исварочном производстве, в кузнечно-прессовых цехах, внекоторых производствах по добыче и переработке сырья и др.
Благодаря высокой надежности пневмопривод частоиспользуется в тормозных системах мобильных и стационарныхмашин.
4. Значительно больший срок службы, чем гидро- иэлектропривода. Срок службы оценивают двумя показателяминадежности: гамма-процентной наработкой на отказ и гамма-процентным ресурсом. Для пневматических устройствциклического действия ресурс составляет от 5 до 20 млн. циклов
в зависимости от назначения и конструкции, а для устройствнециклического действия около 10-20 тыс. часов. Это в 2–4раза больше, чем у гидропривода, и в 10-20 раз больше, чем уэлектропривода.
5. Высокое быстродействие. Здесь имеется в виду нескорость передачи сигнала (управляющего воздействия), ареализуемые скорости рабочих движений, обеспечиваемыхвысокими скоростями движения воздуха. Поступательноедвижение штока пневмоцилиндра возможно до 15 м/с и более, ачастота вращения выходного вала некоторых пневмомоторов(пневмотурбин) до 100 000 об/мин. Это достоинство в полноймере реализуется в приводах циклического действия, особеннодля высокопроизводительного оборудования, например вманипуляторах, прессах, машинах точечной сварки, втормозных и фиксирующих устройствах, причем увеличениеколичества одновременно срабатывающих пневмоцилиндров(например в многоместных приспособлениях для зажимадеталей) практически не снижает время срабатывания. Большаяскорость вращательного движения используется в приводахсепараторов, центрифуг, шлифовальных машин, бормашин и др.
Реализация больших скоростей в гидроприводе иэлектроприводе ограничивается их большей инерционностью(масса жидкости и инерция роторов) и отсутствиемдемпфирующего эффекта, которым обладает воздух.
6. Возможность передачи пневмоэнергии на относительнобольшие расстояния по магистральным трубопроводам иснабжение сжатым воздухом многих потребителей. В этомотношении пневмопривод уступает электроприводу, нозначительно превосходит гидропривод, благодаря меньшимпотерям напора в протяженных магистральных линиях.
Электрическая энергия может передаваться по линиямэлектропередач на многие сотни и тысячи километров безощутимых потерь, а расстояние передачи пневмоэнергииэкономически целесообразно до нескольких десятковкилометров, что реализуется в пневмосистемах крупных горныхи промышленных предприятий с централизованным питаниемот компрессорной станции.
Известен опыт создания городской компрессорной станциив 1888 г. одним из промышленников в Париже. Она снабжалазаводы и фабрики по магистралям протяженностью 48 км придавлении 0,6 МПа и имела мощность до 18500 кВт. Споявлением надежных электропередач ее эксплуатация сталаневыгодной.
Максимальная протяженность гидросистем составляетоколо 250-300 м в механизированных комплексах шахт длядобычи угля, причем в них используется обычно менее вязкаяводно-масляная эмульсия.
7. Отсутствие необходимости в защитных устройствахот перегрузки давлением у потребителей. Требуемый пределдавления воздуха устанавливается общим предохранительнымклапаном, находящимся на источниках пневмоэнергии.
Пневмодвигатели могут быть полностью заторможены безопасности повреждения и находиться в этом состояниидлительное время.
8. Безопасность для обслуживающего персонала присоблюдении общих правил, исключающих механическийтравматизм. В гидро- и электроприводах возможно поражениеэлектрическим током или жидкостью при нарушении изоляцииили разгерметизации трубопроводов.
9. Улучшение проветривания рабочего пространства засчет отработанного воздуха. Это свойство особенно полезно вгорных выработках и помещениях химических иметаллообрабатывающих производств.
10. Нечувствительность к радиационному иэлектромагнитному излучению. В таких условияхэлектрогидравлические системы практически непригодны. Этодостоинство широко используется в системах управлениякосмической, военной техникой, в атомных реакторах и т.п.
Несмотря на вышеописанные достоинства, применяемостьпневмопривода ограничивается в основном экономическимисоображениями из-за больших потерь энергии в компрессорах ипневмодвигателях, а также других недостатков, описанныхниже.
1. Высокая стоимость пневмоэнергии. Если гидро- иэлектропривод имеют КПД, соответственно, около 70% и 90%,то КПД пневмопривода обычно 5-15% и очень редко до 30%.
Во многих случаях КПД может быть 1% и менее. По этойпричине пневмопривод не применяется в машинах сдлительным режимом работы и большой мощности, кромеусловий, исключающих применение электроэнергии (например,горнодобывающие машины в шахтах, опасных по газу).
2. Относительно большой вес и габариты пневмомашиниз-за низкого рабочего давления. Если удельный весгидромашин, приходящийся на единицу мощности, в 5-10 разменьше веса электромашин, то пневмомашины имеют примернотакой же вес и габариты, как последние.
3. Трудность обеспечения стабильной скорости движениявыходного звена при переменной внешней нагрузке и егофиксации в промежуточном положении. Вместе с тем мягкиемеханические характеристики пневмопривода в некоторыхслучаях являются и его достоинством.
4. Высокий уровень шума, достигающий 95-130 дБ приотсутствии средств для его снижения. Наиболее шумнымиявляются поршневые компрессоры и пневмодвигатели,особенно пневмомолоты и другие механизмы ударно-циклического действия. Наиболее шумные гидроприводы (к нимотносятся приводы с шестеренными машинами) создают шум науровне 85-104 дБ, а обычно уровень шума значительно ниже,примерно как у электромашин, что позволяет работать безспециальных средств шумопонижения.
5. Малая скорость передачи сигнала (управляющегоимпульса), что приводит к запаздыванию выполнения операций.
Скорость прохождения сигнала равна скорости звука и, взависимости от давления воздуха, составляет примерно от 150до 360 м/с. В гидроприводе и электроприводе, соответственно,около 1000 и 300 000 м/с.
Перечисленные недостатки могут быть устраненыприменением комбинированных пневмоэлектрических илипневмогидравлических приводов.