РОЗДІЛ 3. Пневматичний привод.

Тема 3.1. Загальні відомості про гідравлічні машини і пневматичний привод.

 

Призначення, класифікація, позитивні властивості в порівнянні з гідроприводом, недоліки. Принципові схеми пневмоприводів. Елементи схем.

Література: (4) с. 230-233.

Методичні вказівки.

 

У пневмоприводах робочим агентом найчастіше є стиснене повітря, дуже рідко – будь-який газ.

Порівняно з гідроприводом пневмопривод має переваги, так і недоліки.

Переваги пневмоприводу такі:

- невеликі втрати тиску Dр у пневмолініях, які визначають за формулою

Dр= ,

Втрати тиску низькі завдяки малій питомій масі повітря (r=1,2 кг/м³), що майже в 600 разів менше, ніж для масла. Тому пневмолінії можна приймати значної довжини (сотні метрів);

- можливість використання в пожежнонебезпечних приміщеннях, оскільки повітря не утворює небезпечних сумішей;

- відпрацьоване в пневмоприводі повітря не забруднює довкілля, тому нема потреби в зливних лініях. Це зменшує масу приводу і спрощує його.

Недоліки пневмоприводу:

- потрібні змащувальні системи;

- ККД нижчий у результаті великих витоків повітря;

- великий шум при виході повітря;

- пневмодвигуни мають меншу потужність, оскільки тиск повітря менший, ніж тиск рідини в гідроприводі.

Пневмопроводи використовують у верстатах, на транспорті, у системах гальмування, поліграфічних машинах, а також у системах для транспортування об’єктів, дистанційного управління, у пневмоавтоматиці.

Пневмоприводи складаються з компресора, пневмоємності, пневмодвигуна, пневмоапаратури, пристроїв для очищення повітря.

Найчастіше використовують поршневі компресори, оскільки вони забезпечують високі тиски (понад 10 мПа). Для цього вони мають декілька ступенів, з’єднаних послідовно.

Пневмоємності (ресивери, пневмоакумулятори) призначені для утримання в них повітря під тиском.

Пневмодвигуни і пневмоапаратура (клапани, пневморозподільники, дроселі) такі ж, як і гідравлічні.

Для очищення повітря від пороху, бруду, вологи і масла використовують фільтри та вологомасловідокремлювачі.

Класифікація пневмоприводів така ж, як і гідроприводів. Найчастіше застосовують пневмоприводи зворотно-поступальної дії з пневмоциліндром, рідше – обертального руху з пневмомотором, ще рідше – поворотні. Регулювання пневмоприводу буває тільки дросельне, машинне не використовують. Уживають тільки незамкнені системи, оскільки повітря викидають в атмосферу. На Мал. 27. Показана принципова схема пневмоприводу.

Питання для самоперевірки.

 

1. Призначення пневмоприводів.

2. Недоліки і переваги пневмоприводів в порівнянні з гідроприводом.

3. З яких основних елементів складається пневмопривод? Дайте їх коротку характеристику.

4. Які види регулювання застосовуються в пневмоприводах?

5. Область застосування пневмоприводів.

 

 

Тема 3.2. Компресори і компресорні пересувні установки.

 

Призначення, класифікація компресорів. Поршневі ротаційні, центробіжні компресори, їх принципові схеми, елементи схем, принцип дії і параметри. Розрахунок продуктивності і потужності компресорів. Пересувні компресорні установки, їх види, коротка характеристика. Основні несправності компресорів і їх усунення.

Література: (9) с. 6-25, 49-101.

Методичні вказівки.

Машини для подачі стисненого повітря з тиском вище 0,3 мПа називаються компресорами.

В дорожньо-будівельних машинах найбільше розповсюдження отримали поршневі, ротаційні та центробіжні компресори.

Вони класифікуються по ряду ознак:

- по способу підведення енергії до повітря: об’ємні і динамічні (турбокомпресори);

- по роду стискуємого газу: повітряні, кисневі, тощо;

- по максимальному робочому тиску: низького тиску (0,3-1,2 мПа), середнього (1,2-10 мПа), високого (10-100 мПа), надвисокого (понад 100 мПа);

- по продуктивності: малої продуктивності (до 0,05 м³/с), середньої (до 0,16м³/с), великої (більше 0,16 м³/с);

- по роду привода: з електродвигуном і двигуном внутрішнього згорання;

- по типу циліндра: з циліндрами одинарної (простої) дії і двойної дії;

- по конструктивному розміщенню циліндрів: вертикальні, V-подібні, опозитні;

- по кількості ступенів стиску: одно-, двох-, багатоступеневі.

В компресорах одноступеневого стиску повітря стискується один раз і потім поступає в повітрезбірник. В компресорах двохступеневого стиску повітря стискується двічі: спочатку до визначеного тиску в циліндрі першого ступеню, потім охолоджується в холодильнику і після цього в циліндрі другої ступені до робочого тиску.

Багатоступеневим стискуванням отримують високий тиск повітря, обмежуючи температуру нагнітаємого повітря збільшенням кількості ступенів стиску, так як після кожної ступені стиску повітря охолоджується в міжступеневому холодильнику. При стисненні в одноступеневому компресорі до тиску 0,3 мПа температура стисненого повітря може досягнути 180°С. Масло, яким змащуються тертьові поверхні компресора (поршні, циліндри) для зменшення зносу, при таких температурах розкладається і втрачає свої змащуючі властивості. В результаті виникає можливість спалаху і вибуху масляного нагару, що накопичується в трубопроводах, кришках циліндрів, тому температура нагнітаємого повітря не повинна перевищувати 170°С. Крім того при збільшенні кількості ступеней стиску зменшуються затрати енергії на стискування, збільшується продуктивність і надійність компресора.

Мал. 28. Схема поршневого омпресора двухстепеневого стиску.

1 – циліндр першої ступені;

2 – циліндр другої ступені;

3 – холодильник.

 

Подача поршневого компресора (м³/хв)

Q_n=F×L_к×N×M×h

де F - площа поршня, м²;

L - хід поршня,м;

К - кратність дії;

N - частота обертання вала компресора, хв^-1;

М - кількість циліндрів компресора;

h - коефіцієнт наповнення (0,65…0,9).

 

Потужність поршневого компресора (КВт)

де n - показник політропи;

p₁ і p₂ - початковий і кінцевий апсолютний тиск, Па;

Q - подача компресора, (м³/хв);

 

Подача ротаційних компресорів (м³/хв)

Q_p=l(pD-S×z)

де L - довжина ротора, м;

Д - діаметр статора,м;

S - товщина лопатки, м;

m - ексцентрисистет;

z - кількість лопаток.

 

В ротаційних компресорах (Мал. 29) стиснуте повітря поступає в камеру А корпуса 3, тисне на вільно переміщувані в пазах ексцентрично розміщеного ротора 1 лопатки 2 і приводить ротор в обертання. Стиснуте повітря із камери Б потрапляє в напірний трубопровід.

Мал. 29. Схема ротаційного компресора.

 

Живлення різного роду пневмоінструментів і інших споживачів стиснутого повітря при виконанні дорожньо-будівельних робіт відбувається за допомогою компресорних станцій. Їх розрізняють по способу пересування: пересувні і переносні.

Пересувні станції монтують на причіпному візку, який до нового місця роботи буксирують автомобілем чи трактором. Переносні монтують на рамі чи салазках. Перевозять їх в кузові автомобіля.

Основним обладнанням установки є компресор з приводним двигуном, масловідокремлювач, охолоджувач і ресивер (повітряний балон). Додаткове обладнання включає фільтр на всмоктувальному трубопроводі компресора, запобіжні клапани, контрольно-вимірювальну апаратуру.

Кожній моделі компресорної станції присвоюється марка (ПР-10М, НП-10Э, ПР-10Э, ПП-1,5, тощо).

Перша буква в марці означає спосіб пересування (П – пересувна, Н – переносна), друга – тип компресора (П – поршневий, Р – роторний), цифри – продуктивність компресора в м³/хв, буква М після цифри – станція модернізована, Э – на станції застосовується електричний приводний двигун.

 

Питання для самоперевірки.

 

1. Що таке компресор?

2. Область застосування компресорів і компресорних станцій.

3. Принцип дії поршневих, ротаційних, центробіжних компресорів, їх схеми.

4. Запишіть формулу продуктивності поршневого і ротаційного компресора і поясніть її.

5. З якою метою застосовують багатоступеневе стиснення повітря в компресорах?

6. По яким ознакам класифікують компресори і компресорні станції?

7. В чому різниця між компресорами з циліндром одинарної дії і подвійної дії?

Задачі.

Приклад 3.2.1. Визначити продуктивність поршневого компресора двойної дії, якщо діаметр поршня 0,5 м; довжина хода поршня 0,8 м; діаметр штока поршня 0,125 м; швидкість обертання колінчастого вала 9 с^-1; тиск при вході 0,08 мПа; при виході 0,16 мПа; V_ср=0,05.

Розв’язок.

Площа поршня

F= =0,196 м²

а площа штока

f= =0,012 м²

 

Об’ємний ККД

h_о=1-V_ср

де V_ср= - відносний об’єм шкідливого простору;

n – показник кривої розширення в шкідливому просторі (при політропному процесі n=1,20 – 1,35);

р₁ і р₂ – тиск при вході і при виході.

h_о=1-0,05 =0,91

Коефіцієнт наповнення менше об’ємного ККД на 4¸5%

h=0,91-0,04=0,87

Відповідно продуктивність компресора

Q=(2F-f)×S×n×h=(2×0,196-0,012)×0,8×90×0,87=24 м³/хв

 

Приклад 3.2.2. На проектуємій компресорніій установці необхідно отримати газ під тиском 0,16 мПа при продуктивності установки Q=0,75 м³/с. Тиск всмоктування 0,08 мПа, показник політропи n=1,35. Визначити витрату потужності на компресор, якщо h_мех=0,9.

Розв’язок.

N_в= =50 кВт

 

Тема 3.3. Пневматичні двигуни та пневматичні ручні машини.

 

Призначення, класифікація двигунів. Двигуни з вільним переміщенням поршня, поршневі, ротаційні, шестеренні, пневмоциліндри. Їх схеми, принцип дії, несправності, параметри. Параметри повітря, стандарти на повітря, чистоту повітря. Використання стиснутого повітря в промисловості і будівництві. Правила техніки безпеки при експлуатації пневматичних машин і обладнання.

 

Література: (9) c. 132-134; (10) с. 109-120; (5) с. 125-129.

 

Методичні вказівки.

 

Пневматичні машини приводять в дію стисненим повітрям, яке потрапляючи в двигун заставляє рухатись робочий орган.

Пневмоциліндри служать для перетворення енергії стиснутого повітря в зворотньопоступальний рух і по своїм конструктивним схемам вони майже аналогічні гідроциліндрам.

Робота пневмоциліндра здійснюється слідуючим чином: стиснене повітря підводиться через канали в передній або задній кришці в штокову або поршневу порожнину, при цьому одна із них сполучається з атмосферою. Стиснуте повітря діє на поршень і він рухає шток. Кришки і гільзи з’єднуються між собою за допомогою шпильок.

Розвинуте зусилля і швидкість руху штока пневмоциліндра розраховують по формулам, аналогічним, що використовуються для розрахунку гідроциліндрів.

В процесі експлуатації пневмоциліндрів спостерігаються слідуючі типові несправності:

- зменшення розвинутого пневмоциліндром зусилля і самовільного переміщення зв’язаних з ним виконавчих механізмів внаслідок зноса або пошкодження ущільнень;

- нерівномірність висування штока внаслідок згину і пошкодження стінок пневмоциліндра.

В гальмових системах і в системах де необхідно невеликий хід поршня, знаходять застосування діафрагмові двигуни – пневмоштовхачі. Шток пневмоштовхача рухається під дією діафрагми і повертається в початкове положення за допомогою пружини.

В пневмодвигунах з вільним переміщенням поршня енергія стиснутого повітря витрачається на приведення в дію бойка, який, падаючи

вниз, б’є по робочому інструменту (Мал. 30).

 

Мал. 30. Відбійний молоток.

1. Корпус; 2. Поршень-бойок; 3. Робочий інструмент; 4. Клапан.

 

В поршневих двигунах поршень під дією стиснутого повітря переміщується в циліндрі і приводить в дію кривошипно-шатунний механізи. Подача повітря регулюється золотниковим розподільником.

В ротаційних двигунах, які відрізняються високою частотою обертання (10-15 тис. хв^-1), стиснуте повітря тисне на плоскі лопатки, вільно розміщені в пазах ротора і через них приводить в обертальний рух ротор, розміщений в статорі (робота аналогічна роботі гідравлічних машин).

Шестеренні двигуни конструктивно аналогічні гідравлічним шестеренним гідромоторам. Відрізняються простотою конструкції і надійністю роботи, але вони важкі і неекономічні.

Турбінні двигуни обертаються з частотою 60-100 тис. хв^-1 за допомогою 0,01-0,04 кВт. За рахунок подачі струменя стиснутого повітря на лопатки турбінного колеса через сопло.

Конструкція пневмоапаратури багато в чому нагадує відповідні пристрої гідроприводу.

В пневмоприводі дорожніх і будівельних машин робочим середовищем є атмосферне повітря.

Питомий об’єм повітря V_п називається величина, зворотня густині (м³/кг).

V_п=1/r

Взагалі всі параметри повітря відносять до його нормального стану, тобто до повітря з t°=0°С під атмосферним тиском (0,1013 мПа).

Згідно рівняння Клайперона-Менделєва параметри повітря з’єднані між собою за допомогою виразу:

pV=MRT

де V – об’єм повітря, м³;

р – тиск, Па;

М – маса газу, кг;

R – універсальна газова стала, R_n=287,1 Дж/(кг×К);

Т – температура, К.

Тепломісткість повітря в інтервалі від 0° до 100°С практично незмінна.

Ізобарна питома тепломісткість 1,01 Дж/(кг×К), а ізохорна – 0,72 кДж/(кг×К).

В’язкість повітря дуже мала і рівна при температурі 20°С всього 18,5мкПа×с.

Стисливість повітря, характеризуюча його пружність, вказує на зміну об’єма при збільшенні тиску. Об’ємна стисливість визначається

b_і=DV/(VDp), Па^-1

де V – початковий об’єм, м³;

DV – зменшення об’єму, м³;

Dр – збільшення тиску, Па.

Повітря, що використовується в пневмоприводі, повинно відповідати вимогам, вказаним в Держстандарті (ГОСТ 11882-73). Чистота стиснутого повітря, відповідно ГОСТ 17433-80 підрозділяється на 15 класів забрудненості: 0, 1, 2, …, 14. Забруднення стиснутого повітря включають механічні і газоподібні домішки, вологу і компресорне мастило в пароподібному стані.

 

Питання для самоперевірки.

1. Принцип дії і конструктивні типи пневматичних двигунів.

2. Де використовують стиснуте повітря, вироблене пересувними компресорними станціями?

3. Для яких робіт в будівництві необхідне особливо чисте повітря?

4. Як устроєні фільтри для очистки стиснутого повітря?

5. Перерахуйте параметри повітря.

6. Класифікація, та принцип дії пневматичних ручних машин.

7. Особливості експлуатації пневматичних ручних машин.

8. Техніка безпеки з пневмоустановками.

 

Тема 3.4. Системи керування машин з пневматичним приводом.

 

Призначення системи керування. Схеми систем керування, елементи схем, тиск повітря у системах. Позитивна властивість в порівнянні з гідравлічним приводом.

Література: (11) с. 317-344.

 

Методичні вказівки.

 

Пневматичні системи керування широко застосовуються завдяки відносній простоті виготовлення, плавності ввімкнення механізмів і використанню в якості робочої рідини атмосферного повітря. Наряду з цим застосування відносно невисоких тисків (до 1 мПа) збільшує габаритні розміри і масу системи, а замерзання конденсату затрудняє керування при низьких температурах.

При розгляді цієї теми необхідно розглянути схему системи керування декількох машин (наприклад: екскаватор ЭО 4111Б і автомобіля КамАЗ 5410), простежити “шлях” тиску до виконавчих органів, з’ясувати принцип дії пневмоапаратури і обладнання.

 

Питання для самоперевірки.

1. Призначення пневматичної системи керування.

2. Властивості пневматичних систем керування.

3. Показати на схемі пневматичної системи керування однієї із машин шлях тиску до виконавчих органів і пояснити принципи дії пневмообладнання.

4. Назвати головні несправності пневмоприладів.