Пневмопривод

В пневмоприводах в качестве энергоносителя выступает сжатый атмосферный воздух, потенциальная энергия которого преобразуется в механическую работу путем воздействия на поршень или лопасть двигателя. В пневмоприводах применяются, в основном, три типа пневмодвигателей: пневмоцилиндры поступательного действия, поворотные пневмодвигатели и пневматические моторы. Последние по параметрам конкурируют с электромоторами, но из-за шумности используются сравнительно редко.

Двигатели и элементы их управления подключаются к устройствам производства, подготовки и транспортировки сжатого воздуха. Типовой комплекс оборудования пневмопривода состоит из элементов, указанных на рис. 4.1.

а б

Рис. 4.1. Комплекс оборудования пневмопривода:

а – устройства производства, подготовки и транспортировки сжатого воздуха;
б – устройства потребления сжатого воздуха;

1 – ресивер; 2 – предохранительный клапан; 3 – обратный клапан;
4 – компрессор; 5 – электродвигатель; 6 – манометр; 7 – реле давления;
8 – устройство автоматического сброса конденсата; 9 – осушитель воздуха;
10 – фильтр; 11 – магистральный трубопровод; 12 – блок подготовки воздуха;
13 – распределитель воздуха; 14 – дроссель; 15 – двигатель – пневмоцилиндр;
16 – исполнительное устройство (механизм)

Компрессор 4 предназначен для забора воздуха из атмосферы, его сжатия и подачи в пневматическую сеть. Компрессор преобразует подводимую к нему от двигателя 5 механическую энергию в пневматическую. Двигатели могут быть разные: электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, вибродвигатели и т. д. Компрессоры могут иметь различные принципы действия: поршневые, ротационные, пластинчатые, мембранные[9], винтовые и др. Мощные винтовые компрессоры питают сжатым воздухом промышленные предприятия. Поршневые компрессоры применяются в мастерских шиномонтажа. Безмасляные компрессоры используются в стоматологических кабинетах. Большинство крупных транспортных средств – грузовики, трамваи, автобусы, поезда, самолеты и т. д. оснащаются бортовыми компрессорами.

Любой компрессор характеризуется производительностью – количеством сжатого воздуха, производимого в единицу времени
Q (м³/мин, л/мин), и давлением сжатого воздуха p. Давление, используемое в большинстве пневматических устройств, составляет
p = 5…10 бар, 1 бар = 10⁵ Па (Н/м²) = 0,1 МПа» 1 атм (кгс/см²).

Сжатый воздух от компрессора 4 (рис. 4.1) через обратный клапан 3 поступает в ресивер 1. Ресивер представляет собой резервуар для хранения сжатого воздуха. Чем больше ресивер, тем реже для его пополнения будет включаться компрессор. Обратный клапан 3 пропускает воздух только в одном направлении – от компрессора в ресивер и не позволяет сжатому воздуху выйти в атмосферу через компрессор при выключенном компрессоре.

Согласно законам Шарля и Гей-Люссака воздух при сжатии в компрессоре сильно нагревается, а затем, расширяясь в ресивере, охлаждается. Если температура воздуха при охлаждении оказывается ниже точки росы, то из воздуха выделяется влага в виде конденсата – мелких капель воды на стенках ресивера. Эта вода скатывается вниз ресивера, где устройство 8 автоматически удаляет воду из ресивера. Устройство 8 часто отсутствует, тогда конденсат периодически удаляют, открывая кран внизу ресивера вручную.

Предохранительный клапан 2 стравливает воздух из ресивера при случайном повышении давления выше допустимого. Реле давления 7 включает компрессор, как только давление в ресивере становится ниже нормы, и выключает компрессор, как только давление становится выше нормы. Норму – уровни верхнего и нижнего давления устанавливает оператор.

Манометр 6 служит для визуального контроля величины давления в ресивере. Воздух из ресивера поступает в осушитель 9. Осушение производится путем охлаждения в холодильнике с образованием конденсата (рефрижераторная осушка) или путем пропускания воздуха через специальные влагопоглощающие вещества (адсорбционная осушка). Далее сжатый воздух проходит фильтр 10, который очищает его от загрязнений и попадает в магистральный трубопровод 11. По трубопроводу 11 воздух подводится к потребителям (рис. 4.1, б).

На входе устройств потребления обычно ставят блок подготовки воздуха 12. В его состав входят: фильтр-влагоотделитель, регулятор давления, манометр и, если требуется, маслораспылитель. Фильтр-влагоотделитель очищает и осушает воздух после его прохождения по магистральному трубопроводу. Регулятор давления (редуктор) понижает давление до требуемого уровня и постоянно поддерживает давление на этом уровне. Уровень давления устанавливает оператор по показаниям манометра, ориентируясь на характеристики исполнительного механизма. Маслораспылитель вводит в поток воздуха мельчайшие капельки масла (масляный туман). Это масло смазывает трущиеся детали в устройствах потребления воздуха. Большинство современных пневматических устройств не требуют такой смазки, поэтому маслораспылитель в них часто не ставят.

От блока подготовки сжатый воздух поступает к устройствам 13, 14 управления исполнительными двигателями, например пневмоцилиндрами Ц1, Ц2, ….

Распределитель воздуха 13 открывает и закрывает доступ воздуха в полости пневмоцилиндра. Пневмодроссели 14 позволяют регулировать расход воздуха, выходящего из полостей пневмоцилиндра, и, таким образом, регулировать скорость перемещения поршня цилиндра.

Пневмопривод имеет много преимуществ по сравнению с другими приводами, в частности, с электроприводом:

– пневмопривод гораздо безопаснее электропривода; нет опасности поражения электрическим током, нет пожароопасности, взрывоопасности;

– пневмодвигатели много легче и компактнее, чем электродвигатели при одинаковых развиваемых усилиях;

– в пневмоприводах, как правило, не требуются механизмы преобразования движений – редукторы и механизмы, преобразующие вращательное движение в поступательное, на пневмодвигателях легко реализуется «прямой» привод;

– пневмодвигатели, в отличие от электродвигателей, не выходят из строя при перегрузке, они просто останавливаются;

– пневмодвигатели надежно работают в условиях повышенных температур, повышенной влажности и загрязненности окружающей среды, не требуют дополнительного охлаждения;

– пневмодвигатели легко регулируются по развиваемому усилию и скорости движения;

– пневмодвигатели просты по конструкции и относительно дешевы, отличаются большим сроком службы.

Но, конечно, пневмоприводы имеют и недостатки, ограничивающие их применение:

– источник энергии пневмопривода – сжатый воздух существенно менее доступен, чем электрический ток, сжатый воздух не может быть передан на большие расстояния, пневмосети сложнее и дороже электрических сетей;

– в отличие от электрического аккумулятора, аккумулятор сжатого воздуха – баллон высокого давления имеет относительно небольшую емкость, его сложно и дорого эксплуатировать;

– пневмодвигатели по мощности значительно уступают электродвигателям при одинаковых габаритах (за исключением пневмомоторов, не имеющих широкого распространения);

– аппаратура регулирования пневмодвигателей сложнее и дороже аппаратуры регулирования электродвигателей при одинаковом качестве регулирования;

– из-за сжимаемости воздуха пневмоприводы не могут обеспечить высокую точность позиционирования в промежуточных точках по траектории движения; они хорошо работают «от упора до упора».