В. А. Драчёв
ЭЛЕМЕНТЫ И СХЕМЫ
ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
КРАСНОЯРСК
2021
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева
В. А. Драчёв
ЭЛЕМЕНТЫ И СХЕМЫ
ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия для студентов бакалавриата
по направлениям подготовки 27.03.04 «Управление
в технических системах», 15.03.04 «Автоматизация
технологических процессов и производств»
очной и заочной форм обучения
В 2 частях
Часть 1
Красноярск 2021
1
УДК 62-85 (075.8)
ББК 32.965.2я73
Д72
Рецензенты:
главный механик СМТ-13 С. А. БОДРОВ
(филиала АО «РЖДстрой»);
кандидат педагогических наук, доцент Ю. Б. КОЗЛОВА
(Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М. Ф. Решетнева)
Драчёв, В. А.
Д72
Элементы и схемы пневмоавтоматики : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 /
В. А. Драчёв ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2021. – 124 с.
Изложены вопросы грамотной технической компоновки энергообеспечивающей, направляющей, регулирующей, информационной, логико-вычислительной и исполнительной подсистем пневматического привода, выбора различных пневматических устройств, применяемых в пневматических схемах
управления пневматических приводов, систем автоматизации технологических процессов и производств. Приведённый теоретический материал будет
способствовать более глубокому и детальному изучению конструкций, определению параметров и характеристик пневматических устройств и аппаратов.
Предназначено для студентов бакалавриата по направлениям подготовки
27.03.04 «Управление в технических системах», 15.03.04 «Автоматизация
технологических процессов и производств» очной и заочной форм обучения
УДК 62-85 (075.8)
ББК 32.965.2я73
© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2021
© Драчёв В. А., 2021
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ................................................................................................... 4
1. Структура пневматических приводов ............................................ 5
1.1. Достоинства и недостатки различных видов приводов ............. 5
1.2. Виды подсистем пневматического привода .............................. 11
Контрольные вопросы и задания ...................................................... 16
2. Состав подсистем пневматического привода .............................. 18
2.1. Энергообеспечивающая подсистема ......................................... 18
2.2. Исполнительная подсистема ...................................................... 33
2.2.1. Пневматические цилиндры .............................................. 34
2.2.2. Стандартные конструкции пневмоцилиндров ................ 35
2.2.3. Специальные конструкции пневмоцилиндров ............... 45
2.2.4. Поворотные пневматические двигатели ......................... 56
2.3. Направляющая и регулирующая подсистема ........................... 58
2.3.1. Пневматические распределители ..................................... 60
2.3.2. Моностабильные пневматические распределители ....... 68
2.3.3. Бистабильные пневматические распределители ............ 80
2.3.4. Монтаж пневматических распределителей ..................... 83
2.3.5. Определение параметров пневмораспределителей ........ 86
2.3.6. Запорные элементы ........................................................... 89
2.3.7. Устройства регулирования расхода ................................. 91
2.3.8. Устройства регулирования давления .............................. 98
2.4. Информационная подсистема .................................................. 102
Контрольные вопросы и задания .................................................... 103
Заключение .......................................................................................... 105
Библиографический список ............................................................. 106
Приложения ......................................................................................... 107
Приложение А. Перечень ключевых слов ...................................... 107
Приложение Б (справочное). Пневматические символы
и обозначения пневматических элементов
и устройств на пневматических принципиальных схемах
управления систем автоматизации .......................................... 108
3
ВВЕДЕНИЕ
Отличительной чертой современного производства является
широкое использование в оборудовании высокотехнологических,
однотипных по функциональному назначению и конструкции компонентов обшепромышленного применения. В первую очередь, к таким
компонентам относятся различного рода приводы и элементы систем
управления.
Системой называют совокупность взаимосвязанных объектов,
объединённых единой целью и общим алгоритмом функционирования.
Если объектами являются технические устройства, взаимодействия которых осуществляются посредством воздуха, то такие системы
называют пневматическими системами. Используемый в них сжатый
воздух называют рабочей средой или энергоносителем.
В зависимости от функционального назначения пневмосистемы
делят на системы управления – системы, которые используются для
управления различными машинами, станками, аппаратами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах (системы
охлаждения, системы вентиляции, тепло и газоснабжения и т. п.).
Системы управления, в состав которых входит комплекс
устройств, предназначенных для получения усилий и перемещений
в машинах и механизмах, называют также приводами.
В зависимости от используемого энергоносителя различают
электрические, гидравлические и пневматические приводы.
Область применения того или иного привода определяется путём анализа достоинств и недостатков, присущих каждому из них.
Оборудование с пневматическими приводами, рабочей средой
в которых служит сжатый воздух, характеризуется простотой конструкции, лёгкостью обслуживания и эксплуатации, высоким быстродействием, надёжностью и долговечностью работы, функциональной
гибкостью, невысокой стоимостью, а также возможностью безопасной работы в агрессивных средах, взрыво-, пожаро- и влагоопасных
условиях.
Сжатый воздух достаточно легко аккумулируется и транспортируется, а его утечки через уплотнения хотя и нежелательны, но не
создают опасности для окружающей среды, обслуживающего персонала и производимой продукции, что особенно важно для пищевой,
медицинской, парфюмерной, биохимической и электронной промышленности.
4
1. СТРУКТУРА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ
1.1. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ПРИВОДОВ
Прежде чем будут рассмотрены различные структуры пневматических приводов, нелишним будет провести сравнительный анализ достоинств и недостатков электрических, гидравлических
и пневматических приводов по различным критериям, которые являются основополагающими при оценке возможностей и ограничений приводов.
Результаты такого анализа сведены в таблицу (табл. 1).
От электрических приводов пневматические приводы отличаются возможностью воспроизведения линейных и поворотных движений
без помощи преобразующих механизмов, большей удельной мощностью, а также сохранением работоспособности при перегрузках. При
этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность
пневматических исполнительных механизмов, питаемых от промышленных пневматических магистралей, меньше.
По сравнению с гидравлическими приводами преимущества
пневматических приводов заключаются в возможности использования централизованного источника сжатого воздуха, отсутствии
возвратных линий и коммуникаций, более низких требованиях к герметичности, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших
скоростях движения выходного звена.
Для пневматических приводов характерны простота управления,
свобода выбора места установки, малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.
Вместе с тем пневматическим приводам присущи некоторые
недостатки, ограничивающие область их применения. Например,
в связи с тем, что давление воздуха в централизованных пневматических магистралях, которое составляет 0, 4…1, 0 МПа (4…10 бар),
значительно ниже уровня давлений в гидравлических системах –
до 60 МПа (600 бар), пневматические приводы имеют значительно
меньшую энергоёмкость и худшие массогабаритные показатели.
Вследствие сжимаемости воздуха становится технически сложно обеспечить плавность перемещения выходных звеньев исполнительных механизмов при колебаниях нагрузки, а также их точный останов в любом промежуточном положении (позиционирование)
и реализацию заданного закона движения.
5
Таблица 1
Сравнительная оценка приводов по виду используемой энергии
Критерий
оценки
Затраты на энергоснабжение
Передача энергии
Возможность аккумулирования энергии
Возможность обеспечения линейного перемещения выходного звена
Возможность обеспечения вращательного
движения выходного
звена
Усилия
Рабочая скорость исполнительного звена
механизма
электрические
Низкие (1)
Практическое отсутствие
ограничения на дальность
передачи со скоростью света
(v ≈ 300 000 км/с)
Затруднено и ограничено
Типы приводов
гидравлические
Высокие (3…5)
Практическая дальность передачи до 100 метров со скоростью до 6 м/с (по силовому каналу) и до 100 м/с при передаче
сигнала по управляющему или
информационному каналу
Ограничено
пневматические
Очень высокие (7…10)
Практическая дальность передачи до 1 000 метров со скоростью до 40 м/с по информационному, управляющему и силовому каналу
Легко осуществимо
Затруднительно, дорого, малые
передаваемые усилия
Просто, большие передаваемые Просто, небольшие передаваеусилия, хорошее регулирование мые усилия, скорость зависит
скорости
от нагрузки
Просто, высокая мощность
Просто, высокий крутящий
момент, невысокая частота
вращения
Большие усилия, не допускаУсилия до 3 000….5 000 кН,
ются перегрузки
защищены от перегрузок
Зависит от конкретных условий До 0,5 м/с
6
Просто, высокий крутящий
момент, высокая частота вращения
Усилия до 70 кН, защищены
от перегрузок
До 1,5 м/с и выше
Окончание табл. 1
Критерий
оценки
Точность позиционирования
Жесткость
Возможность и влияние утечек энергии
Влияние окружающей
среды на работу привода
электрические
1 мкм и выше
Высокая (используются механические промежуточные
элементы)
Отсутствуют
Нечувствительны к изменениям температуры
Типы приводов
гидравлические
До 1 мкм
пневматические
До 0,1 мм
Высокая (гидравлические масла практически несжимаемы)
Низкая (по причине сжатия
воздуха)
Возможные утечки энергии
не исключены с загрязнением
окружающей среды
Чувствительны к изменениям
температуры, часто пожароопасны при наличии утечек
Возможные утечки энергии
не наносят вреда окружающей
среде
Практически нечувствительны
к колебаниям температуры.
Пожаровзрывобезопасны
7
Разработка новых материалов, технологий конструирования
и производства обусловливает повышение качества и постоянное расширение номенклатуры и области применения пневматических
средств автоматизации.
Пневматический привод применяется в вентиляционных системах,
системах робототехники, криогенной технике, сварочном производстве, химической промышленности, легкой, пищевой, горнодобывающей промышленностях и многих других отраслей.
Область и масштабы применения пневматического привода обусловлены его достоинствами и недостатками, вытекающими из особенностей свойств воздуха.
В отличие от жидкостей, применяемых в гидроприводах, воздух
обладает высокой сжимаемостью и малой плотностью в исходном
атмосферном состоянии (около 1,25 кг/м3), значительно меньшей
вязкостью и большей текучестью.
Рассмотрим достоинства пневматического привода.
1. Простота конструкции и технического обслуживания.
Изготовление деталей пневматических машин и пневматических
аппаратов не требует высокой точности изготовления и герметизации
соединений, благодаря тому что возможные утечки воздуха существенно не снижают эффективность работы и коэффициент полезного
действия (КПД) системы. Внешние утечки воздуха экологически
безвредны и относительно легко устраняются.
2. Пожаро- и взрывобезопасность.
Благодаря этому достоинству пневмопривод не имеет конкурентов для механизации работ в условиях, опасных по воспламенению
и взрыву газа и пыли, например в шахтах с обильным выделением метана, в некоторых химических производствах, на мукомольных предприятиях, т. е. там, где недопустимо искрообразование.
3. Надежность работы в широком диапазоне температур,
в условиях пыльной и влажной окружающей среды.
Пневмопривод является единственным надежным источником
энергии для механизации работ в литейном и сварочном производстве,
в кузнечно-прессовых цехах, в некоторых производствах по добыче
и переработке сырья и др. Благодаря высокой надежности пневмопривод часто используется в тормозных системах мобильных и стационарных машин.
4. Быстродействие.
Поступательное движение штока пневматических цилиндров
возможно до 15 м/с и более, а частота вращения выходного вала неко8
торых пневматических моторов (пневматических турбин) может достигать до 100 000 мин–1. Это достоинство в полной мере реализуется
в приводах циклического действия, особенно для высокопроизводительного оборудования, например в манипуляторах, прессах, машинах точечной сварки, в тормозных и фиксирующих устройствах, причем увеличение количества одновременно срабатывающих пневматических цилиндров (например, в многоместных приспособлениях для
зажима деталей) практически не снижает время срабатывания.
Большая скорость вращательного движения используется в приводах сепараторов, центрифуг, шлифовальных машин, бормашин
и других устройствах.
5. Возможность передачи пневматической энергии на относительно большие расстояния по магистральным трубопроводам.
Снабжение сжатым воздухом многих потребителей, например,
на железнодорожном транспорте, промышленных предприятиях и т. п.,
чаще всего осуществляется по магистральным трубопроводам, суммарная протяжённость магистральных трубопроводов может на некоторых предприятиях достигать до нескольких километров.
6. Отсутствие необходимости в защитных устройствах от
перегрузки давлением у потребителей.
Требуемый предел давления воздуха устанавливается общим
предохранительным клапаном, находящимся на источниках пневматической энергии. Пневмодвигатели могут быть полностью заторможены без опасности повреждения, и находиться в этом состоянии
длительное время.
7. Безопасность для обслуживающего персонала при соблюдении общих правил, исключающих механический травматизм.
8. Улучшение проветривания рабочего пространства за счет
отработанного воздуха.
Это свойство особенно полезно в горных выработках и помещениях химических и металлообрабатывающих производств.
9. Нечувствительность к радиационному и электромагнитному
излучению.
Это достоинство широко используется в системах управления
космической, военной техникой, в атомных реакторах и т. п.
Несмотря на вышеописанные достоинства, применяемость
пневматического привода ограничивается в основном экономическими соображениями из-за больших потерь энергии в компрессорах
и пневмодвигателях, а также других недостатков, описанных ниже.
9
К недостаткам пневматического привода относятся следующие:
1. Высокая стоимость пневматической энергии.
Коэффициент полезного действия пневматического привода
обычно составляет 5…15 %. Во многих случаях КПД может быть даже 1 % и менее. По этой причине пневмопривод не применяется
в машинах с длительным режимом работы и большой мощности,
кроме условий, исключающих применение электроэнергии (например, горнодобывающие машины в шахтах, опасных по газу).
2. Относительно большой вес и габариты пневматических машин из-за низкого рабочего давления.
3. Трудность обеспечения стабильной скорости движения выходного звена при переменной внешней нагрузке и его фиксации
в промежуточном положении.
Несмотря на это, механические характеристики пневматического привода в некоторых случаях являются и его достоинством.
4. Высокий уровень шума.
При работе пневматического привода шум может достигать
95…130 дБ при отсутствии средств его снижения.
Наиболее шумными являются поршневые компрессоры и пневмодвигатели, особенно пневмомолоты и другие механизмы ударноциклического действия.
5. Малая скорость передачи сигнала (управляющего импульса).
Малая скорость передачи сигнала приводит к запаздыванию выполнения операций.
Максимальная скорость прохождения сигнала равна скорости
звука и в зависимости от давления воздуха составляет примерно
от 150 до 360 м/с.
Перечисленные недостатки могут быть устранены применением
комбинированных пневмоэлектрических или пневмогидравлических
приводов.
Чтобы понять назначение тех или иных элементов пневматических систем, разобраться в принципах их объединения в различные
части общей структуры привода и «прочувствовать» взаимосвязь этих
частей, полезно ввести некоторые обобщающие понятия.
Известно, что все технические процессы подразделяются
на следующие виды:
– технологические – производство и обработка материалов;
– энергетические – выработка, преобразование и передача различных видов энергии;
– информационные – формирование, приём, обработка, хранение
и передача информационных сигналов (потоков).
10
Управляющая часть привода
Силовая часть привода
Выполнение
полезной
работы
Поток информации
Ввод
сигналов
управления
Управление
энергией сжатого
воздуха
Обработка
сигналов
управления
Производство
и подготовка
сжатого воздуха
Энергообеспечение системы
управления
П
о
т
о
к
э
н
е
р
г
и
и
Рис. 1. Структура пневматического привода
Исходя из этого, можно сказать, что пневматический привод,
как и любой другой, состоит из двух взаимосвязанных основных частей:
– силовой части, в которой осуществляются энергетические процессы;
– управляющей части, реализующей информационные процессы
(рис. 1).
1.2. ВИДЫ ПОДСИСТЕМ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА
Рассмотрим более подробно структуру силовой части пневматического привода.
Очевидно, что те или иные элементы привода в зависимости
от своего функционального назначения относятся к различным его
подсистемам. Например, устройства, используемые для производства
и подготовки сжатого воздуха (к таковым относятся компрессоры,
фильтры, осушители, ресиверы и т. п.), составляют энергообеспечивающую подсистему пневматического привода.
Если питание привода осуществляется от централизованной
пневматической сети, устройства производства сжатого воздуха в состав привода не входят.
11
Управление энергией полученного сжатого воздуха, заключающееся в регулировании таких параметров, как давление и расход,
а также в распределении и направлении потоков сжатого воздуха,
осуществляется посредством клапанов давления, дросселей, распределителей и других элементов направляющей и регулирующей подсистемы пневматического привода.
Полезная работа – выполнение различных рабочих перемещений или создание усилий в машинах, станках и технологических
установках – совершается исполнительными механизмами (пневматическими цилиндрами, пневматическими моторами, схватами),
составляющими исполнительную подсистему привода.
Поскольку в простейших приводах функции управления полностью обеспечиваются человеком, структура привода принимает вид,
показанный на рис. 2.
Пневматический
привод
Пневматическая
принципиальная
схема управления
Структурная
схема привода
Объект управления
Исполнительная подсистема
(Выполнение полезной
работы)
Направляющая
и регулирующая
подсистема
(Управление энергией
сжатого воздуха)
Управление
приводом
Энергообеспечивающая
подсистема
(Производство и подготовка
сжатого воздуха)
Рис. 2. Структура пневматического привода
с ручным управлением
Следует обратить внимание на то, что принципиальные пневматические схемы управления пневматических приводов, как правило,
строят по вертикали (как и структурные схемы).
12
Направление движения потока энергии (в данном случае – потока сжатого воздуха) на схемах силовой части привода принято показывать снизу вверх.
Осуществление функций управления и контроля всегда связано
с необходимостью выполнения целого ряда операций логического
и вычислительного характера.
Осуществление функций управления и контроля всегда связано
с необходимостью выполнения целого ряда операций логического
и вычислительного характера.
Поскольку физиологические возможности человека как управляющей системы ограничены, эффективное использование существующих и разработка новых высокопроизводительных установок
возможны лишь при передаче функций управления техническим средствам управления и приводам.
Таким образом, задачей автоматического управления является
осуществление процесса управления без непосредственного участия
человека.
Применяются разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления (САУ).
Нелишним будет напомнить, что устройство, машина и вообще
какая-либо техническая система называются автоматическими, если
они выполняют по заданной программе без непосредственного участия человека все операции в процессе получения, передачи и использования энергии, материалов и информации. За человеком в таких
случаях остаются лишь функции наладки, настройки, ремонта и общего
наблюдения за работой машин и механизмов.
В разомкнутых системах отсутствует контроль состояния
управляемого объекта, управляющее воздействие формируется исходя из цели управления и свойств управляемого объекта.
В замкнутых системах управляющее воздействие производится
на основе результата сравнения состояния – текущего или в контрольных точках – объекта управления с заданным (требуемым).
Устройства, входящие в управляющую часть замкнутой системы
управления, по своему функциональному назначению делятся на две
подсистемы:
– информационную (сенсорную);
– логико-вычислительную (процессорную).
В информационную подсистему входят различного рода устройства ввода внешних управляющих сигналов, а также датчики и индикаторы.
13
Если внешние управляющие сигналы («ПУСК», «СТОП»,
«АВАРИЙНЫЙ ОСТАНОВ» и т. п.) вводит в систему оператор,
то датчики автоматически формируют сигналы о состоянии объекта
управления, а индикаторы визуализируют необходимую для оператора часть этой информации.
Назначение логико-вычислительной подсистемы – обработка
введённых управляющих сигналов в соответствии с заданной программой и вывод их на устройство управления энергией в силовой
части привода.
В зависимости от условий эксплуатации, требований безопасности или степени сложности силовой части привода управляющая
часть может быть реализована путём использования пневматических,
электрических или электронных средств автоматизации.
Если силовая и управляющая части привода выполнены на
пневматической элементной базе, то можно говорить о пневматической системе автоматического управления (рис. 3). В таких случаях
управляющая часть может не иметь собственной энергообеспечивающей подсистемы, потребляя энергию от подсистемы энергообеспечения силовой части привода.
Внешние воздействия
Объект управления
Информационная
подсистема
Логиковычислительная
подсистема
Исполнительная подсистема
(Выполнение полезной
работы)
Направляющая
и регулирующая подсистема
(Управление энергией
сжатого воздуха)
Энергообеспечивающая
подсистема
(Производство и подготовка
сжатого воздуха)
Рис. 3. Структура пневматического привода
с автоматической системой управления
14
В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов
технологического оборудования имеют жёсткую или кинематическую
связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньев судить о соответствующем состоянии объекта. Системы
автоматического управления технологическими объектами, организованные подобным образом, будут иметь структурную схему, представленную на рис. 4.
Приведённая схема (см. рис. 4) показывает, что в системах
автоматического управления сигналы передаются по замкнутому контуру.
Внешние
воздействия
Объект управления
Исполнительная подсистема
(Выполнение полезной
работы)
Поток
информации
Информационная
подсистема
Направляющая
и регулирующая
подсистема
(Управление энергией
сжатого воздуха)
Логиковычислительная
подсистема
Энергообеспечивающая
подсистема управляющей
части привода
Энергообеспечивающая
подсистема
(Производство и подготовка
сжатого воздуха)
Управляющая часть привода
Силовая часть привода
Рис. 4. Структурная схема системы автоматического
управления пневматического привода
15
При этом реализуется основной принцип построения САУ, который заключается в применении обратной связи, обеспечивающей
передачу информации об изменении состоянии объекта управления
(или, как в данном случае, о состоянии исполнительного механизма)
в систему управления.
Классификацию САУ, работающих по описанной схеме, можно
проводить по различным принципам: типу управления, характеру
формирования и виду передаваемых сигналов и т. д.
Из всего многообразия пневматических САУ наиболее широко
распространёнными в промышленности являются дискретные системы управления с принудительным пошаговым процессом. В таких
системах программа переходит от текущего шага к последующему
только по сигналам, поступающим от управляемой системы.
Если управляющая часть пневматического привода реализована
не на пневматической элементной базе, то говорят о гибридной САУ.
Так, если система управления выполнена на основе электрических
релейно-контактных устройств или же функции управления осуществляются промышленным контроллером, то речь идёт об электропневматической системе управления.
Электронные системы управления выгодно отличаются от пневматических по быстродействию, габаритам и простоте программирования (перепрограммирования), а собирать информацию в общем
случае удобнее посредством электронных (электрических) датчиков,
поэтому для автоматизации различных технологических процессов
всё более широко применяются электропневматические САУ.
Для выяснения функционального назначения и взаимосвязи
устройств, образующих пневматические, электропневматические или
иные гибридные САУ, специалисту в области автоматизации технологических процессов необходимо знать аппаратную и схемную часть
каждой подсистемы приведённой выше структуры.
Рассматриваемый в данном пособии материал как раз направлен
на оказание помощи студентам в изучении данной области пневмоавтоматики. Важнейшие ключевые слова и понятия, используемые
в тексте, представлены в прил. 1.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте функциональное назначение и состав энергообеспечивающей подсистемы пневматического привода.
2. Какое функциональное назначение и состав имеют направляющая и регулирующая подсистемы пневматического привода?
16
3. Какое функциональное назначение и состав имеет исполнительная подсистема пневматического привода?
4. В чем состоит функциональное назначение и состав информационной подсистемы пневматического привода?
5. Охарактеризуйте функциональное назначение и состав логико-вычислительной подсистемы пневматического привода.
6. Рассмотрите достоинства пневматического привода.
7. Охарактеризуйте недостатки пневматического привода.
8. Что является объектом управления пневматического привода?
9. Приведите основные критерии оценки приводов.
10. Что такое структурная схема пневматического привода?
17
2. СОСТАВ ПОДСИСТЕМ
ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА
2.1. ЭНЕРГООБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА
На производство сжатого воздуха расходуется около 20 % всей
электрической энергии, потребляемой промышленностью. По этой
причине сжатый воздух является одним из самых дорогих энергоносителей, используемых в современном производстве.
На предприятиях, где широко применяются пневматические
приводы и системы, обычно существует центральная магистральная
сеть питания сжатым воздухом. Диапазон давлений в ней, принятый
как у нас в стране, так и за рубежом, составляет 0,4…1,0 МПа
(4…10 бар).
Чтобы преобразовать воздух из окружающей среды в рабочее
тело пневматического привода, над ним необходимо произвести ряд
последовательных операций: сжать до требуемого давления, осушить
и очистить (отфильтровать).
Для нормальной работы пневматических приводов необходимо,
чтобы загрязнённость сжатого воздуха не превышала допустимого
уровня.
Основными загрязнителями воздуха являются вода и компрессорное масло в жидком и парообразном состоянии, а также твёрдые
и газообразные вещества.
Качество сжатого воздуха определяется классом его загрязнённости.
Класс загрязнённости воздуха определяет предельное значение
загрязнителя по следующим критериям:
– размер твёрдых частиц (d, мкм);
– содержание посторонних твёрдых частиц (мг/м3);
– содержание воды в жидком состоянии (мг/м3);
– содержание масла в жидком состоянии (мг/м3).
Содержание посторонних примесей (загрязнителей) указывается
для воздуха, приведенного к нормальным условиям: температура
293,15 К (+20 оС) и давление 1 023,25 Па (760 мм. рт. ст.).
Температура точки росы сжатого воздуха должна быть:
– для классов 0, 1, 3, 5, 7, 9, 11 и 13 – ниже минимальной рабочей температуры не менее чем на 10 К (10 оС);
– для классов 2, 4, 6, 8, 10, 12 и 14 – не регламентируется.
18
По российскому стандарту (ГОСТ 17433–80 «Промышленная
чистота. Сжатый воздух. Классы загрязнённости») воздух классифицируется на 15 классов загрязнённости.
Качество сжатого воздуха может быть определено также
по ГОСТ Р ИСО 8573–1–2016 «Сжатый воздух. Часть 1. Загрязнения
и классы чистоты».
В общем случае в энергообеспечивающую подсистему пневматического привода входят:
– компрессор (является источником сжатого воздуха);
– фильтр для очистки воздуха от пыли (должен быть установлен
как на всасывающем, так и на нагнетательном трубопроводах);
– маслоотделитель;
– устройство осушки и охлаждения сжатого воздуха;
– ресивер (ресивер – аккумулирующая ёмкость, оснащённая необходимой трубопроводной арматурой и средствами автоматизации,
обеспечивающими безопасную эксплуатацию, и предназначенная для
создания резервного запаса сжатого воздуха).
По физическому принципу работы различают компрессоры объёмного и динамического типа. Классификация компрессоров по конструктивному исполнению (типу) гораздо шире.
Очистка сжатого воздуха от различных загрязнений – сложная
задача, эффективное решение которой достигается путём квалифицированного выбора, размещения и эксплуатации очистных устройств
на всех основных участках пневматической сети: на компрессорной
станции, в магистральных трубопроводах (воздуховодах) и непосредственно у потребителя (локальные блоки подготовки воздуха).
С целью снижения вероятности образования конденсата в пневматических линиях источник сжатого воздуха снабжают устройствами охлаждения и осушки, которые устанавливают непосредственно за
компрессором (перед ресивером).
Как правило, сжатый воздух, нагнетаемый компрессором, поступает в теплообменник, где охлаждаются до 25…40 оС, что приводит к конденсации части влаги. В некоторых производствах необходим горячий воздух, для получения которого используют подогреватели.
В зависимости от требований к степени осушки воздуха для
конкретных потребителей применяют различные устройства осушки:
– рефрижераторные;
– абсорбционные;
– адсорбционные;
– мембранные.
19
Ресиверы обеспечивают выравнивание колебаний давления в сети при расходовании сжатого воздуха и создание резервного запаса
сжатого воздуха. Чаще всего объём ресивера выбирают в зависимости
от режима работы компрессорной установки, как правило, его объём
должен составлять не менее половины объёма воздуха, всасываемого
компрессором в течение одной минуты.
Ресивер обязательно должен быть оснащён предохранительным
клапаном или иным предохранительным устройством, обеспечивающим сброс аварийного (лишнего) давления, превышающего рабочее
давление питания привода. Иногда ресиверы могут быть оснащены
термометрами.
На принципиальных пневматических схемах машин и установок, работающих от централизованной заводской сети сжатого воздуха, развёрнутое изображение источника питания не приводят, а используют условное графическое обозначение в виде незакрашенного
треугольника ( ) или окружности с точкой в центре ( ).
Трубопроводы. Соединения трубопроводов
Выбор типа и материала трубопровода зависит от рабочего давления, температуры и агрессивности окружающей и рабочей сред, вида соединений труб, условий монтажа, массы и стоимости труб. При
этом трубопроводы могут быть гибкими и жёсткими.
Размерность диаметра трубопровода выбирают на основе требуемых значений расхода под определённым давлением, длин трубопроводов, давления в ресивере, числа и характера местных сопротивлений, а также допустимой величины падения давления при заданном
диаметре трубопроводе и его длине.
Расчёт трубопроводов – трудоёмкий процесс, не всегда дающий
правильные результаты, поэтому на практике удобнее пользоваться
номограммами, полученными экспериментальным путём.
Блоки подготовки воздуха (БПВ)
Несмотря на принимаемые меры по централизованной очистке
и осушке воздуха в магистральных трубопроводах, сохраняется вероятность попадания загрязнителей различного происхождения в воздух, поступающий непосредственно к потребителю.
Для обеспечения стабильного уровня давления и окончательной
подготовки сжатого воздуха непосредственно у потребителя устанавливают ряд устройств кондиционирования, объединённых в блоки
или выполненных в виде моноблоков.
20
Эти устройства называются локальными блоками подготовки
воздуха.
В зависимости от конструктивного исполнения пневматических
элементов, входящих в конкретный пневматический привод, состав
и количество устройств, составляющих блок подготовки воздуха, могут
быть различными.
Рассмотрим базовые элементы БПВ (компоненты).
Фильтр-влагоотделитель. Выбор фильтра-влагоотделителя для
каждого конкретного привода осуществляется по требуемым параметрам и характеристикам из промышленных каталогов.
Каталоги различных фирм-производителей могут отличаться по
своей информативности, но все они, как правило, содержат следующие параметры и характеристики:
– конструкция;
– номинальный расход;
– диапазон рабочих давлений;
– диапазон рабочих температур;
– тонкость фильтрации;
– тип конденсатоотводчика;
– объём ёмкости для сбора конденсата;
– материалы конструктивных элементов;
– габаритные и присоединительные размеры.
Условные обозначения различных видов фильтров-влагоотделителей на пневматических принципиальных схемах управления приведены в соответствующем разделе прил. Б.
Фильтры-влагоотделители применяют для очистки сжатого воздуха от капельной влаги и твёрдых частиц.
Конструктивное исполнение фильтра-влагоотделителя показано
на рис. 5.
Сжатый воздух, подведённый к входному каналу в корпусе 1,
попадает на крыльчатку 2, где ему придаётся нисходящее вращательное движение. Капли воды и масла, а также крупные твёрдые частицы
под действием центробежных сил отбрасываются к стенкам стакана 3
и опускаются вниз, в отделённую заслонкой 5 спокойную зону. Далее
воздух поступает на выход аппарата. При этом в фильтрующем элементе (сменном фильтрующем картридже) 4 задерживаются более
мелкие частицы, содержащиеся в воздухе. Для предотвращения попадания загрязнителей, удаляемых в результате действия центробежных
сил, фильтрующий картридж защищён дефлектором 7.
21
Прозрачность материала стакана позволяет следить за количеством конденсата и степенью загрязнения фильтрующего картриджа.
Рис. 5. Конструкция фильтра-влагоотделителя
с клапаном ручного сброса конденсата:
1 – корпус фильтра-влагоотделителя; 2 – крыльчатка;
3 – стакан сбора конденсата; 4 – фильтрующий картридж;
5 – заслонка; 6 – клапан сброса конденсата; 7 – дефлектор
Конденсат периодически должен отводиться из стакана через
управляемый клапан сброса конденсата 6. Уровень конденсата
в сборном стакане не должен подниматься выше заслонки, так как
в этом случае конденсат начнёт подхватываться воздушным потоком,
поступающим на фильтрующий элемент, что приведёт к быстрому засорению фильтрующего элемента.
Поскольку при засорении фильтров возрастает сопротивление
движению воздуха, то фильтрующие элементы заменяют либо восстанавливают их пропускную способность.
Очищать фильтрующие элементы можно следующими способами: пропусканием сжатого воздуха в направлении, противоположном
22
направлению движения воздуха при работе фильтра; промывкой
в растворителях; ультразвуковой очисткой.
Для регенерации фильтров из пористой керамики и металлокерамики можно использовать растворы различных кислот с последующей промывкой и нейтрализацией.
Восстановлению не подлежат бумажные, тканевые, волокнистые и т. п. фильтрующие элементы.
В процессе эксплуатации на поверхностях фильтрующих картриджей фильтров-влагоотделителей наблюдается осаждение водомасляной эмульсии, которая приводит к нарушению их нормальной
работы, забивая поры фильтрующего материала. Промывать фильтрующие картриджи следует с помощью растворов, не разрушающих
уплотнения и поверхности деталей фильтров (бензин, спирт, уайтспирит, тёплый мыльный раствор).
Для
упрощения
процесса
эксплуатации
фильтроввлагоотделителей применяют автоматические устройства отвода
(сброса) конденсата поплавкового типа – автоматические конденсатоотводчики. Их выполняют в виде отдельных приспособлений, которые
в зависимости от конструктивного исполнения либо подсоединяют
ко дну стакана фильтра-влагоотделителя снаружи, либо размещают
непосредственно в стакане (рис. 6).
Рис. 6. Конструкция поплавкового автоматического
конденсатоотводчика:
1 – управляющий клапан; 2 – поплавок; 3 – пружина; 4 – поршень;
5 – канал; 6 – сливной клапан; 7 – дроссельное отверстие
23
В исходном положении (давление в стакане отсутствует) подпружиненный поршень 4 со сливным клапаном 6 на штоке находится
в нижнем положении, канал слива 5 открыт.
При подаче сжатого воздуха в стакан поршень 4 под действием
давления, оказываемого на его нижнюю площадку, перемещается
вверх, сжимая пружину 3, и канал 5 перекрывается.
Когда количество конденсата достигает такого уровня, при котором выталкивающая сила преодолевает вес поплавка 2, последний
всплывает, открывая воздушный клапан управления 1 поршнем 4,
в результате чего давление начинает действовать и на верхнюю площадку поршня.
Из-за разности размеров нижней и верхней площадок поршень 4
опускается, открывая канал для слива конденсата 5. При понижении
уровня конденсата поплавок опускается, и управляющий клапан 1 перекрывает доступ сжатого воздуха в полость под поршнем.
Слив конденсата будет продолжаться до тех пор, пока давление
сжатого воздуха в этой полости, сообщающейся с полостью стакана
через дроссельное отверстие 7 в поршне 4, не понизится до значения
меньшего, чем давление в стакане, после чего поршень 4 переместится в верхнее положение и сливной канал 5 перекроется.
Кроме поплавковой конструкции автоматического конденсатоотводчика в фильтрах применяются конденсатоотводчики, сбрасывающие конденсат порциями при падении давления во время работы
фильтра. Падение давления связано с изменением расхода сжатого
воздуха при переключении распределителей, подающих воздух
в полости пневматических цилиндров, или при отключении питания
сжатого воздуха.
Эффективная работа фильтров-влагоотделителей циклонного
типа возможна только в определённом диапазоне расходов и перепадов давления на них, указанных в руководствах по эксплуатации.
Регулятор давления (редукционный пневматический клапан).
Давление сжатого воздуха в заводской сети не находится
на строго заданном уровне, а колеблется в определённом диапазоне,
что обусловлено рядом факторов: режимом работы компрессорной
станции, запасом воздуха в ресивере, числом подключенных потребителей.
Практический опыт показывает: наиболее эффективно пневматические системы функционируют при стабильных уровнях давления
сжатого воздуха величиной 0,6 МПа в исполнительной части системы
и 0,3…0,4 МПа – в управляющей части.
24
Указанные параметры сжатого воздуха обеспечиваются регуляторами давления (редукционными пневматическими клапанами),
которые понижают рабочее давление и поддерживают заданный его
уровень на выходе вне зависимости от колебаний давления в системе
подачи воздуха перед регулятором и от изменения расхода воздуха
за регулятором.
Установка в системе нескольких регуляторов давления позволяет независимым образом поддерживать различные уровни давления
в отдельных её частях.
Применяемые в пневматических приводах регуляторы давления
различают по следующим основным признакам:
– по способу настройки выходного давления (механическая или
пневматическая настройка);
– возможности сброса избыточного выходного давления (со
сбросом или без него);
– точности настройки выходного давления (стандартные, микрорегуляторы и прецизионные).
Выбор регулятора давления определяется следующими основными параметрами и характеристиками редукционных пневматических клапанов:
– конструкция (модульная, батарейная, компактная);
– присоединение;
– рабочая температура;
– давление на входе;
– давление на выходе;
– номинальный расход (задаётся графиками расхода);
– материалы конструктивных элементов.
Ниже представлены конструкции регуляторов давления с ручной настройкой выходного давления без сброса давления и со сбросом избыточного выходного давления (рис. 7).
Давление на выходе регулятора давления регулируется путём
создания перепада давления на седельном клапане 7 (между входным
и выходными каналами).
Проходное сечение клапана 7 автоматически меняется в зависимости от положения мембраны 4, которая, с одной стороны, воспринимает усилие, создаваемое нагрузочной пружиной 3, а с другой –
усилие, обусловленное выходным давлением.
В исходном положении (давление на выходе отсутствует) седельный клапан 7 под действием усилия от нагрузочной пружины 3,
предаваемого через мембрану 4 и толкатель 5, открыт, благодаря чему
сжатый воздух проходит со входа на выход аппарата.
25
При повышении давления на выходе мембрана выгибается,
сжимая регулировочную пружину 3; проходное сечение седельного
клапана 7 уменьшается, и при достижении требуемого давления происходит полное его закрытие.
а
б
Рис. 7. Регулятор давления:
а – двухлинейный; б – трёхлинейный; 1 – рукоятка настройки величины
выходного давления; 2 – регулировочный винт; 3 – нагрузочная пружина;
4 – мембрана; 5 – толкатель; 6 – отверстие для подключения манометра;
7 – седельный клапан; 8 – отверстие сброса избыточного давления;
9 – канал пилотного клапана
Возрастание расхода сжатого воздуха у потребителя сопровождается понижением выходного давления, в результате чего нагрузочная пружина разжимается, вызывая прогиб мембраны и увеличение
проходного сечения клапана, что приводит, в свою очередь, к увеличению расхода воздуха через регулятор и повышению давления на его
выходе.
Таким образом, седельный клапан, управляемый мембраной, автоматически «отслеживает» выходное давление путём непрерывной
корректировки своего проходного сечения.
Нормальная работа регулятора давления возможна только в том
случае, если давление на входе регулятора больше давления на выходе.
26
Рассмотренную конструкцию (рис. 7, а) называют двухлинейной, так как к клапану подходят две линии: линия входа (высокое
давление в магистрали) и линия выхода (давление питания у потребителя, пониженное до необходимого уровня).
Условное графическое обозначение двухлинейного редукционного клапана отражает принцип его функционирования: редукционный клапан нормально открыт и «отслеживает» давление «за собой».
Настраивают регулятор давления на определённое значение выходного давления, изменяя степень сжатия нагрузочной пружины 3
путём поворота регулировочного винта 2. Для этого регулировочную
рукоятку 1 переводят в верхнее положение и тем самым выводят её
из шлицевого зацепления с корпусом. После настройки рукоятку
возвращают в прежнее положение. Давление настройки регулятора
контролируется манометром, подключенным к выходному каналу
через отверстие 6.
Трёхлинейный клапан (рис. 7, б) отличается по конструкции
от двухлинейного только тем, что в центральной части мембраны
выполнен дополнительный канал 9, корпус которого образует в совокупности с толкателем пилотный клапан сброса избыточного давления.
Функционирует трёхлинейный регулятор аналогично двухлинейному. Отличие заключается в том, что при повышении давления
на выходе сверх давления настройки мембранный узел перемещается
вверх до тех пор, пока не откроется клапан сброса.
В результате часть сжатого воздуха (избыточное давление) через
пилотный клапан сброса и отверстие 8 в верхней части корпуса выводится в атмосферу, и давление на выходе регулятора снижается до величины, определяемой настройкой нагрузочной пружины в механизме настройки клапана.
Дополнительные функциональные возможности трёхлинейного
клапана по сравнению с двухлинейным отражены в его условном обозначении. Двусторонняя стрелка указывает на то, что сжатый воздух
может протекать через клапан в обоих направлениях, причём в обратном направлении – через дополнительный канал выхлопа (третья линия).
Таким образом, в блок подготовки воздуха должны входить как
минимум два устройства: фильтр-регулятор и регулятор давления,
установленные последовательно.
Очень часто на практике для сокращения числа сборочных компонентов блоков подготовки воздуха вместо отдельного фильтравлагоотделителя и отдельного регулятора давления используют
устройства, которые получили название фильтры-регуляторы.
27
Фильтры-регуляторы (рис. 8) представляют собой объединение
этих двух устройств в одной конструкции (корпусе). Это ведёт к значительному сокращению денежных затрат и уменьшению массогабаритных показателей на данный компонент пневматической системы
управления без ухудшения технических и эксплуатационных параметров и характеристик блоков подготовки воздуха.
Рис. 8. Фильтр-регулятор
Условные обозначения различных видов регуляторов давления
и фильтров-регуляторов на пневматических принципиальных схемах
управления приведены в соответствующем разделе прил. Б.
Маслораспылитель. Если подвижные части пневматических
цилиндров, пневматических моторов или иных пневматических
элементов нуждаются в постоянной внешней дополнительной смазке,
то к трущимся поверхностям наиболее просто подавать смазывающий
материал с потоками поступающего в них воздуха.
Устройства, обеспечивающие ввод масла в поток воздуха, называют маслораспылителями. Устанавливают их, как правило, в блоке
28
подготовки воздуха за фильтром-влагоотделителем и регулятором
давления.
Чтобы масло переносилось потоком сжатого воздуха по трубопроводам на значительные расстояния, его вводят в виде аэрозоля
(масляного тумана).
Маслораспылители делят по особенностям функционирования
и качеству получаемого таким способом масляного тумана на два типа
(однократного и двухкратного распыления) (рис. 9).
а
б
Рис. 9. Маслораспылители:
а – однократного распыления; б – двухкратного распыления:
1 – колпачок-капельница; 2 – регулировочный винт;
3 – обратный клапан; 4 – стакан; 5 – маслозаборная трубка;
6 – эжектирующая трубка
Маслораспылители однократного распыления (рис. 9, а) рекомендуется устанавливать непосредственного перед смазываемым
пневматическим аппаратом или выше него, чтобы масло, смочившее
внутренние стенки трубопровода и осевшее на расстоянии 1,5…2 м от
маслораспылителя в виде масляной пленки на стенках могло поступать самотёком к трущимся поверхностям пневматического аппарата.
В маслораспылителях однократного распыления поток сжатого
воздуха направляется со входа аппарата непосредственно на выход.
29
Часть воздуха через обратный клапан 3 попадает в стакан 4 и начинает вытеснять масло по маслозаборной трубке 5 в смотровой колпачоккапельницу 1, через который осуществляется визуальный контроль за
подачей масла. Расход масла регулируется винтом 2, вращение которого сопровождается изменением проходного сечения маслоподающего канала.
По эжектирующей трубке (каналу) 6 происходит подсос масла
из колпачка в основной поток, при попадании в который оно распыляется до состояния масляного тумана.
При транспортировке масла на расстояние до 30 метров применяют маслораспылители двухкратного распыления (рис. 9, б). В данных
маслораспылителях распылённое масло не попадает сразу на выход,
а поступает сначала опять в стакан с маслом, из которого только мелкие частицы масла размером менее 3 мкм попадают на выход маслораспылителя. Более крупные частицы (благодаря своему весу
и размерам) оседают в стакане с маслом и повторно подаются через
обратный клапан на капельницу и эжектор распылителя.
В каталогах элементов промышленной пневмоавтоматики приводятся следующие данные маслораспылителей:
– номинальный расход (номинальный расход указан в виде графиков, связывающих расход, рабочее давление, присоединительный
размер и перепад давления на маслораспылителе);
– диапазон рабочих давлений;
– диапазон рабочих температур;
– объём масла или ёмкости для масла;
– габаритные и присоединительные размеры;
– материалы конструктивных элементов.
Марки и количество вносимых смазочных материалов указываются в руководстве по эксплуатации для данного конкретного пневматического устройства, каталогах или справочной литературе.
Если такая информация отсутствует, рекомендуется заправлять
маслораспылители минеральными маслами, вязкость которых составляет от 28 до 35 мм2/с (сСт) при температуре от +40 до +50 оС.
Обычно для смазки трущихся поверхностей пневматических аппаратов требуется от 1 до 10 капель масла на 1 м3 сжатого воздуха.
Запрещается для смазки пневматических аппаратов в маслораспылителях использовать любые компрессорные масла.
Для пневматических приводов, эксплуатируемых в тяжёлых условиях и с высокой цикличностью работы при жёстких требованиях
30
к надёжности, применяют более сложные системы смазки с регенерацией и циркуляцией масла. В таких случаях используют фильтрымаслоотделители, которые устанавливают на общей линии сброса
отработавшего сжатого воздуха (линии выхлопа).
Отделённое от воздуха масло с помощью специальных насосов
вновь подают в маслораспылители, что позволяет снизить его расход
в 7–10 раз.
Условные обозначения маслораспылителей на пневматических
принципиальных схемах управления приведены в соответствующем
разделе прил. Б.
Проблему подачи внешней смазки к пневматическим устройствам можно решить тем или иным способом, но гораздо удобнее и выгоднее применять пневматическую аппаратуру, способную работать
на воздухе, не содержащую масло.
Для нормального функционирования подобных устройств в течение всего их жизненного цикла достаточно внести в них консистентную смазку при сборке.
Такое техническое решение стало возможным благодаря применению новых материалов с низким коэффициентом трения для изготовления корпусных и подвижных деталей, а также специальных
полимеров (витон, пербутан, фторкаучук), используемых в качестве
материалов уплотнений.
Консистентные смазки по сравнению с жидкими обладают
улучшенными (повышенными) адгезионными и когезионными свойствами.
Пневматические приводы, в которых используются упомянутые
аппараты, имеют ряд существенных преимуществ:
– не требуются специальные смазывающие устройства;
– окружающая среда не загрязняется парами минеральных масел, попадающих в неё при сбросе отработавшего сжатого воздуха;
– эксплуатация и обслуживание не представляют дополнительных затруднений.
Использование сжатого воздуха с распылённым маслом в этих
пневматических приводах (системах) не рекомендуется, поскольку
в таком случае жидкая смазка вымывает (растворяет) консистентную
смазку.
После работы на воздухе, содержащем жидкое масло, эксплуатация таких устройств на сухом воздухе не допускается!
Если некоторые элементы пневматического привода нуждаются
во внешней смазке (чаще всего это исполнительные механизмы),
31
а некоторые не нуждаются (например, аппараты системы управления
и регулирования), то в блок подготовки воздуха встраивают модуль
отвода сжатого воздуха, который располагают перед маслораспылителем.
Вывод: блок подготовки воздуха – это совокупность устройств
кондиционирования воздуха, которые должны располагаться на каждой автономной рабочей машине или на каждом механизме в составе
сложного технологического оборудования, потребляющего сжатый
воздух.
Пневматический привод конкретной машины начинается собственно с блока подготовки воздуха. Поскольку правильная подготовка
сжатого воздуха представляет собой необходимое условие надёжного
функционирования и долговечности пневматических систем, важным
требованием является технически грамотная эксплуатация и обслуживание блоков подготовки воздуха.
Приведем основные правила монтажа, эксплуатации и обслуживания блоков подготовки воздуха (БПВ):
– компоненты БПВ должны располагаться вертикально (допустимое отклонение от вертикали не более 5о);
– при отсутствии автоматического конденсатоотводчика недопустимо, чтобы уровень конденсата в фильтрах-влагоотделителях
превышал допустимый уровень (норму);
– при наличии нескольких фильтров с разной тонкостью фильтрации первым по направлению движения сжатого воздуха должен
быть установлен фильтр с низкой тонкостью фильтрации (25 мкм),
затем фильтр с тонкой степенью фильтрации (5 мкм), а затем, если
имеется эксплуатационная необходимость, фильтры со степенью
фильтрации 1 и 0, 01 мкм (коалесцентные фильтры);
– давление настройки регулятора давления не должно превышать требуемый уровень рабочего давления пневматического привода;
– в маслораспылители должны заправляться масла, отвечающие
техническим требованиям (вязкость, плотность, рабочая температура
и т. п.) и обеспечивающие оптимальные условия смазки трущихся поверхностей;
– необходимо периодически промывать внутренние поверхности
(полости) от накапливающихся отложений;
– своевременно производить замену (или промывку) сменных
фильтрующих картриджей в фильтрах согласно рекомендациям
фирм-производителей;
32
– соблюдать правильный порядок расположения (компоновку)
устройств (элементов) в составе БПВ или применять готовые технические решения конфигурации БПВ, которые учитывают конструктивные особенности пневматических приводов и коммуникаций,
условия эксплуатации и т. д.
2.2. ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА
Воздействие системы автоматического управления непосредственно на какой-либо технологический объект (процесс) осуществляется исполнительными механизмами, которые и составляют исполнительную подсистему САУ (см. рис. 4).
Энергия давления сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию исполнительных механизмов (приводов) при воздействии воздуха на их рабочие органы, которыми могу служить поршень,
лопатка или мембрана.
Очевидно, что при этом усилие, развиваемое исполнительным
механизмом, пропорционально давлению в нём, а скорость движения
выходного звена определяется расходом сжатого воздуха. Таким
образом, исполнительные механизмы осуществляют необходимые
технологические операции, обеспечивая требуемые усилия и скорости.
Широкая гамма конструктивных решений исполнительных
механизмов и приводов даёт возможность осуществлять множество
разнообразных операций в различных технологических процессах.
Фиксация и зажим, тиснение и прессование деталей, их перемещение и ориентирование в пространстве обеспечиваются соответствующими исполнительными механизмами, которые могут выполнять
следующие виды движения:
– линейное (возвратно-поступательное);
– поворотное (в ограниченном угловом диапазоне, как правило,
в пределах от 0 до 360о);
– вращательное.
По реализуемому виду движения исполнительные механизмы
подразделяются на три основных типа:
1) линейные пневматические двигатели – пневматические цилиндры;
2) поворотные пневматические двигатели;
3) пневматические двигатели вращательного действия – пневматические моторы.
33
В отдельную группу можно выделить специальные пневматические исполнительные механизмы, такие как вакуумные захваты, цанговые зажимы, трехкулачковые зажимы, схваты и т. п.).
Все перечисленные типы исполнительных механизмов и каждая
из существующих конструкций определённого типа имеют свои преимущества и недостатки, а следовательно, все они характеризуются
некоторой предпочтительной областью применения.
Исполнительный механизм выбирают исходя из его соответствия определённому набору критериев, например:
– вид движения – вращательное, поворотное или линейное;
– направление движения – реверсивное или нереверсивное;
– развиваемая выходным звеном скорость вращения (угловая)
или перемещения (линейная);
– создаваемый момент или усилие;
– эргономические показатели.
2.2.1. Пневматические цилиндры
Среди множества исполнительных механизмов пневматические
цилиндры выделяются большим разнообразием конструкций и широким диапазоном основных параметров:
– диаметр поршня – от 2,5 до 320 мм;
– рабочий ход – 1 до 2 000 мм (в бесштоковых конструкциях –
до 6–10 м);
– развиваемое усилие – от 2 до 70 00 Н;
– скорость движения выходного звена – от 0,01 до 1,5 м/с.
Пневматические цилиндры (ПЦ) различаются также по таким
показателям, как значения допустимых величин давления и нагрузки,
наличие или отсутствие специальных элементов конструкции и т. д.
Разработаны и выпускаются пневматические цилиндры для особых случаев эксплуатации: с увеличенной коррозионной стойкостью;
с повышенной защитой от агрессивных сред; для нестандартных температурных условий; для работы в системах с давлением рабочей среды
до 2 МПа; с усиленным и квадратным штоком, с наличием встроенных направляющих, тормозных и фиксирующих устройств и т. д.
По функциональным возможностям пневматические цилиндры
подразделяются на два базовых типа: пневматические цилиндры одностороннего действия: подача воздуха в них осуществляется для выполнения рабочего хода в одном направлении, и пневматические цилиндры двустороннего действия: полезная работа совершается ими
как при прямом, так и при обратном ходе поршня.
34
2.2.2. Стандартные конструкции пневмоцилиндров
Пневматические цилиндры одностороннего действия. Пневматические цилиндры (ПЦ) одностороннего действия применяются
в качестве приводов в выталкивателях, кантователях, отсекателях,
в зажимных, маркировочных и других подобных устройствах.
Рабочий ход в таких ПЦ осуществляется под действием сжатого
воздуха, а в исходную позицию цилиндр возвращается встроенной
пружиной либо под действием внешней нагрузки (рис. 10).
Рис. 10. Пневматический цилиндр одностороннего действия:
1 – задняя глухая крышка с резьбой крепления; 2 – поршень;
3 – манжета уплотнения поршня; 4 – шток;
5 – гильза пневматического цилиндра; 6 – возвратная пружина;
7 – фильтрующий элемент (пневматический глушитель);
8 – передняя проходная крышка с резьбой крепления;
9 – направляющая втулка передней крышки
В данной конструкции гильза цилиндра 5 с обеих сторон закрыта крышками 1 и 8, причём в задней крышке 1 выполнено отверстие
для подвода сжатого воздуха, а передняя крышка 8 имеет декомпрессионное отверстие с вмонтированным фильтрующим элементом 7.
Поршень 2 делит пространство гильзы на две полости: штоковую полость, в которой находится жёстко связанный с ним шток 4,
и поршневую. Полости разграничены герметичным уплотнением 3
(например, манжетой), расположенным в кольцевой проточке на наружной цилиндрической поверхности поршня.
Передняя (проходная) крышка 8 снабжена направляющей втулкой 9, которая является опорой скольжения штока, передающего усилие
от поршня на внешний объект. Возвратная пружина 6 смонтирована
внутри цилиндра и охватывает шток.
Рабочий ход пневматического цилиндра (полезная работа) выполняется при подаче сжатого воздуха в поршневую полость; обратный
35
ход происходит под действием встроенной пружины, что обусловливает меньшее потребление воздуха по сравнению с пневматическими
цилиндрами двустороннего действия аналогичных размеров.
Кроме того, пневматические цилиндры одностороннего действия несколько проще по конструктивному исполнению, так как в них
не требуется полная герметизация штоковой полости, постоянно
связанной с атмосферой, а отсутствие дополнительного уплотнения
в передней крышке снижает потери на трение.
Следует также знать и недостатки рассмотренной конструкции,
так как их наличие ограничивает в некоторых случаях область ее применения:
– рабочее усилие на штоке снижено вследствие противодействия
пружины (примерно на 10…15 %) и зависит как от размерности цилиндра, так и от величины хода поршня (штока);
– малое и неравномерное развиваемое усилие при обратном ходе
(примерно 10 % от рабочего значения усилия);
– ограниченное перемещение штока (обычно рабочий ход штоков ПЦ одностороннего действия не превышает 100 мм);
– увеличенные продольные размеры (к стандартным размерам
пневматического цилиндра необходимо прибавить длину пружины
в сжатом состоянии).
Таким образом, пневматические цилиндры одностороннего действия применяются в тех случаях, когда требуется передача усилия
только в одном направлении, а возврат происходит беспрепятственно
(т. е. при отсутствии противодействующей нагрузки), а также тогда,
когда из соображений безопасности должно обеспечиваться втянутое
положение штока при отключении питания (падении давления сжатого воздуха в пневматической сети).
Несмотря на простое устройство ПЦ одностороннего действия,
существует большое количество их конструктивных исполнений, например мембранные ПЦ (рис. 11).
Принцип функционирования мембранного ПЦ аналогичен вышеописанному принципу работы поршневого ПЦ одностороннего
действия.
Конструктивные отличия заключаются в том, что подвижный
поршень заменён на жёстко защемлённую упругую мембрану 1, которая изготавливается из резины, прорезиненной ткани или пластика.
Благодаря большой площади мембраны такие ПЦ развивают
усилия до 20 000…25 000 Н, но при этом ход штока 2 ограничен и составляет от 1 до 10 мм.
36
В связи с особенностями конструкции мембранные ПЦ характеризуются существенно меньшими продольными габаритами и простотой монтажа; они недороги, и в них отсутствуют подвижные
уплотнения и трущиеся элементы конструкции.
Рис. 11. Мембранные ПЦ одностороннего действия:
1 – упругая мембрана; 2 – шток
Пневматические цилиндры двухстороннего действия. Пневматические цилиндры двухстороннего действия применяются в тех
случаях, когда требуется передавать рабочее усилие при линейных
перемещениях в обоих направлениях, например при транспортировании, сортировании, установке, механической обработке, подъёме
и опускании грузов и других технологических операциях.
Принципиальное отличие ПЦ двухстороннего действия от рассмотренных выше конструкций ПЦ одностороннего действия заключается в том, что в них как прямой, так и обратный ходы поршня
осуществляются под действием сжатого воздуха при попеременной
подаче в одну из полостей, в то время как другая соединена с атмосферой (рис. 12).
Очевидно, что перемещение в любом направлении является
рабочим и может осуществляться под нагрузкой. При обратном ходе
поршня штоковая полость находится под избыточным рабочим давлением, что связано с необходимостью установки дополнительных
уплотнений на поршне и в передней крышке для предотвращения
утечек воздуха в зазоре между штоком и направляющей втулкой,
установленной в передней крышке.
Таким образом, в поршневых ПЦ одностороннего и двухстороннего действия практически все элементы, а также способы их крепления одинаковы.
37
Конструктивное исполнение ПЦ может быть различным в зависимости от их типоразмера и области применения (рис. 13).
Рис. 12. Пневматический цилиндр двухстороннего действия
а
б
в
Рис. 13. Способы крепления крышек ПЦ
38
Так, наиболее распространённым способом крепления (соединения) корпусных деталей ПЦ с диаметром поршня до 25 мм (редко –
до 63 мм) является запрессовка и последующая завальцовка гильзы
в крышках (рис. 13, а).
Очевидная простота конструкции, обусловленная отсутствием
крепёжных элементов, оборачивается существенным недостатком –
невозможностью ремонта цилиндров в процессе эксплуатации.
Если диаметр поршня свыше 32 мм, то традиционным способом
крепления остаётся стягивание крышек и гильзы шпильками (рис. 13, б).
Удобны в эксплуатации и фактически не имеют ограничений по
диаметру поршня пневматические цилиндры, крышки которых присоединены болтами к цельнотянутой (экструдированной) профилированной гильзе (рис. 13, в).
Технология производства цельнотянутых профилированных
гильз-корпусов позволяет при необходимости выполнять в них каналы для подвода воздуха, пазы для размещения датчиков положения
поршня; придавать конфигурацию пазам, удобную с точки зрения
монтажа, обслуживания, улучшения условий охлаждения гильзы.
Пневматические цилиндры с демпфированием (торможением) в конце хода. Одним из неоспоримых преимуществ пневматических цилиндров является высокая – до 1,5 м/с (в ударных цилиндрах
до 10 м/с) – скорость движения выходного звена (штока).
При достижении конечного положения, когда поршень «садится» на крышки, развиваются значительные ударные усилия, что сопровождается характерным стуком.
Такие удары не только являются причиной возникновения шума, но и приводят к преждевременному износу и даже поломке элементов конструкции.
Избежать преждевременного выхода из строя пневматического
цилиндра можно путём установки на торцевых поверхностях поршня
эластичных прокладок (например, резиновых или полимерных),
выполняющих роль демпферов. Данные демпферы можно увидеть
на рис. 10.
Однако способ демпфирования оказывается недостаточно эффективным, если имеют место значительные инерционные нагрузки
или высокие скорости движения штока. В таких случаях применяют
пневматические цилиндры двустороннего действия с воздушным
демпфированием (торможением) в конце хода (рис. 14).
Расширение функциональных возможностей таких цилиндров
достигается путём введения в традиционную конструкцию дополнительных элементов.
39
По обе стороны поршня устанавливают втулки демпфера 2,
а в крышках цилиндра – дополнительные демпферные камеры (полости) с уплотнительными манжетами 1 и дроссели 5 с обратным
клапаном 6.
Рис. 14. Пневматический цилиндр с регулируемым
демпфированием (торможением) в конце хода:
1 – уплотнительные манжеты демпферной камеры;
2 – демпфирующие втулки; 3 – кольцевой постоянный магнит;
4 – грязесъёмное кольцо; 5 – регулировочный дроссель;
6 – обратный клапан
Сжатый воздух, подводимый к цилиндру, свободно поступает
в соответствующую полость, в том числе и через встроенный обратный клапан 6. Поршень движется к удалённой от него в данный
момент крышке с максимальной скоростью до тех пор, пока втулка
демпфера 2 не дойдёт до уплотнительных манжет 1.
При этом происходит «отсекание» некоторого объёма отводимого от цилиндра воздуха в полости, которая только что была соединена с атмосферой.
Теперь воздух из этой полости может вытесняться в атмосферу
лишь через отверстие малого диаметра в дросселе 5, величину
проходного сечения которого можно изменять. Между крышкой
и поршнем образуется «воздушная подушка».
При дальнейшем движении поршня воздух в запертом объёме
начинается сжиматься, давление возрастает, что приводит к торможению поршня, степень которого тем больше, чем меньше проходное
сечение дросселя. В конечном итоге поршень упирается в крышку
плавно, без удара.
40
При изменении направления движения сжатый воздух свободно
поступает под поршень через обратный клапан 6, составляющий вместе с дросселем 5 единый узел, что обеспечивает быстрое трогание
поршня цилиндра с места.
При очень больших инерционных нагрузках или высоких скоростях движения поршня (штока) дополнительно устанавливают внешние гидравлические амортизаторы или пружины.
Следует отметить, что пневматический цилиндр, показанный
на рис. 14, существенно отличается от рассмотренных ранее конструкций тем, что в нём помимо установленных регулируемых демпферов смонтирован на поршне кольцевой постоянный магнит 3, магнитное
поле которого распространяется за пределами гильзы и может регистрироваться с помощью специальных датчиков.
Таким образом, наличие магнита и соответствующего датчика
обеспечивает возможность контроля определённых функционально
важных положений выходного звена пневматического цилиндра.
Для защиты штока от внешних загрязнителей в проходной (передней) крышке практически всех пневматических цилиндров устанавливают грязесъёмное кольцо 4.
Наличие в ПЦ регулируемых демпфирующих устройств и постоянных магнитов отображается в условных графических обозначениях (прил. Б).
Пневматическим цилиндрам двухстороннего действия присущ
и ряд недостатков, ограничивающих область их применения:
– усилия при прямом и обратном ходах поршня различны вследствие неодинаковости его площадей в штоковой и поршневой полостях;
– шток расположен консольно, причём размер консоли различен
во втянутом и выдвинутом положении;
– шток хорошо воспринимает (компенсирует) только осевую нагрузку, тогда как радиальную нагрузку – очень плохо.
Пневматические цилиндры с проходным штоком. В пневматических цилиндрах с проходным, или двусторонним, штоком
(рис. 15) обе полости штоковые, а площади поршня равны с обеих
сторон.
Шток опирается не на одну опору (направляющую втулку)
в крышке, как в ранее рассмотренных конструкциях, а на две – в каждой из крышек.
Подобная конструкция имеет ряд преимуществ:
– возможность осуществления рабочих перемещений со стороны обоих торцов пневматического цилиндра;
41
– нагрузка на шток воспринимается двумя опорами, что увеличивает срок службы цилиндра;
– равенство площадей поршня в обеих полостях, что обеспечивает равные рабочие усилия при движении его в любом направлении.
Рис. 15. Пневматический цилиндр с проходным штоком
К недостаткам пневматических цилиндров с проходным штоком
относят увеличенный почти вдвое по сравнению с традиционной конструкцией продольный габарит пневматического цилиндра за счёт
увеличения длины штока.
Широко применяют пневматические цилиндры, в которых
проходной шток выполнен полым, что позволяет использовать его как
часть трубопровода, например при работе с краскопультами, пескоструйными устройствами, вакуумными захватами и другими рабочими органами, которые крепят к штоку.
Пневматические тандем-цилиндры. В случаях, когда требуется получение значительных усилий, а поперечный (радиальный)
размер монтажного пространства на технологическом оборудовании
недостаточен для установки цилиндра соответствующего диаметра,
применяют тандем-цилиндры (рис. 16).
Тандем-цилиндр, или сдвоенный пневматический цилиндр, –
это, по существу, два пневматических цилиндра двустороннего действия, объединённые в одном корпусе и имеющие общий шток.
По сравнению с традиционными пневматическими цилиндрами
того же диаметра усилия, развиваемые тандем-цилиндрами, фактически в 1,8 раза больше вследствие суммирования усилий, получаемых
одновременно на двух поршнях.
Если необходимо увеличить развиваемое пневматическим цилиндром толкающее усилие в три-четыре раза, применяют секционные пневматические цилиндры, которые последовательно стыкуются
42
между собой. Наличие в их корпусах распределительных каналов позволяет подводить сжатый воздух в полости всех пневматических цилиндров всего через два внешних подсоединения (фитинга).
Рис. 16. Пневматический тандем-цилиндр
Продольный габарит тандем-цилиндров как минимум в два раза
больше, чем у традиционных конструкций цилиндров.
В конструкции, представленной на рис. 17, этот недостаток отсутствует.
Рис. 17. Компактный пневматический тандем-цилиндр:
1 – внешний торец штока-плунжера; 2 – внутренний торец штока-плунжера;
3 – шток-плунжер
В таком пневматическом цилиндре развиваемое усилие увеличивается в два раза только при выдвижении штока-плунжера 3, так
как при этом сжатый воздух воздействует на один внешний 1 и один
внутренний 2 его торцы. При втягивании же штока цилиндр развивает
незначительные усилия.
Следует понимать, что в реальной конструкции пневматического тандем-цилиндра, показанного на рис. 17, неподвижная централь43
ная часть цилиндра, где расположены два канала подачи сжатого воздуха, должна иметь как можно меньшие радиальные размеры.
Только в этом случае можно говорить об увеличении усилия на
штоке в два раза. Чем больше будет площадь внешнего торца 1 штокплунжера, тем больше будет суммарное усилие на шток-плунжере 3.
Следует отметить, что радиальная устойчивость штока конструкции тандем-цилиндра, показанной на рис. 17, гораздо ниже, чем
в стандартной конструкции (рис. 16).
Традиционные конструкции ПЦ позволяют обеспечить две точки позиционирования связанных с ними технологических объектов.
Эти две точки соответствуют положениям «шток втянут» и «шток
выдвинут».
Область эффективного применения ПЦ значительно расширяется, если реализуются останов и удержание их выходных звеньев в некоторых заданных промежуточных точках с допустимыми позиционными ошибками (погрешностями, неточностями позиционирования).
В зависимости от предъявляемых требований: числа точек
позиционирования выходного звена, частоты их смены (режима работы), необходимой точности отработки приводом заданного перемещения – используют пневматические механизмы различной структуры и с различными принципами управления движением выходного
звена.
Чтобы обеспечить некоторое ограниченное число точек позиционирования (более двух), например в сортировочных, разделительных устройствах, применяют многопозиционные пневматические
цилиндры, состоящие из двух или более пневматических цилиндров
с различными рабочими ходами.
Многопозиционные пневматические цилиндры. Ниже представлены две конструкции многопозиционных (мультипозиционных)
ПЦ (рис. 18), одна из которых обеспечивает три точки позиционирования штока (рис. 18, а), а вторая – четыре точки позиционирования
штока (рис. 18, б).
Во время работы корпус четырёхпозиционного пневматического
цилиндра перемещается, следовательно, пневматический цилиндр
такой конструкции должен быть укомплектован при монтаже подвижными соединениями (фитингами) и подвижными гибкими воздухопроводами.
Число точек позиционирования можно увеличить, если увеличить число цилиндров в комбинации, взяв, например, не два, а большее число цилиндров.
44
При этом следует учитывать, что подобные конструкции могут
функционировать нестабильно, когда штоки разных цилиндров движутся в противоположных направлениях.
а
б
Рис. 18. Многопозиционные пневматические цилиндры:
а – с тремя точками позиционирования штока;
б – с четырьмя точками позиционирования штока
По рис. 18 видно, что штоки пневматических многопозиционных цилиндров не имеют соединения между собой, что является их
отличительной особенностью от конструкции тандем-цилиндра:
в стандартной конструкции тандем-цилиндров штоки отдельных цилиндров жёстко связаны (соединены) между собой.
2.2.3. Специальные конструкции пневмоцилиндров
Пневматические цилиндры с фиксатором штока. Путём механического удержания штока посредством специальных устройств
можно получить фактически неограниченное число точек позиционирования.
Одна из конструкций с фиксатором штока показана на рис. 19.
В представленной конструкции шток 6 удерживается разрезным тормозным башмаком 4, который обжимает его под действием встроенной пружины 1.
Разблокировка штока 6 осуществляется при подаче сжатого воздуха в рабочую полость 5 фиксатора, при этом поршень 2, сжимая
пружину 1, освобождает элементы конструкции 3, прижимающие
тормозной башмак 4 к штоку 6.
45
Фиксаторы позволяют надёжно удерживать шток пневматического цилиндра под нагрузкой даже при внезапном падении давления
в пневматической сети.
Рис. 19. Пневматический цилиндр с фиксатором штока:
1 – пружина; 2 – поршень фиксатора; 3 – рычаг; 4 – тормозной башмак;
5 – рабочая полость фиксатора; 6 – шток цилиндра
Бесштоковые пневматические цилиндры. Существует много
технологических операций, где требуются значительные (до нескольких метров) перемещения объектов, например, при транспортировке
упаковочной тары. Применение пневматических цилиндров традиционного исполнения в таких случаях не только затруднительно, но зачастую и невозможно.
Для обеспечения большого хода необходим шток соответствующей длины, что обусловливает резкое увеличение продольного
габарита цилиндра; кроме того, значительные размеры консольной
части штока в выдвинутом положении могут стать причиной потери
устойчивости (изгиба) под нагрузкой или под собственным весом.
Задачу осуществления значительных по величине перемещений
можно было бы решить посредством телескопических цилиндров, однако такие цилиндры, широко используемые в гидрофицированных
мобильных и подъёмно-транспортных машинах и установках (например, для подъёма кузовов грузовых машин), не нашли применения
в пневматических приводах общепромышленного назначения.
По существу, шток является «лишней» деталью в пневматическом цилиндре, и предназначен он для передачи усилия от поршня
к внешнему объекту.
Бесштоковые конструкции, в которых усилие передаётся непосредственно от поршня, имеет очевидные преимущества, главное из
которых заключается в как минимум двукратном уменьшении про46
дольного габарита по сравнению с пневматическим цилиндром традиционной конструкции с той же величиной хода (рис. 20).
а
б
Рис. 20. Сравнение габаритных размеров традиционных
и бесштоковых пневматических цилиндров:
а – штоковая (традиционная) конструкция цилиндра;
б – бесштоковая конструкция цилиндра
Изменение продольного габарита пневматического цилиндра
традиционного конструктивного исполнения до и после совершения
рабочего хода показано на рис. 20, а, а на рис. 20, б – то же самое
для цилиндра бесштоковой конструкции.
Очевидно, что преимущества бесштоковых пневматических
цилиндров проявляются в значительной степени при больших величинах рабочего хода.
Кроме того, в крышках бесштоковых цилиндров имеется возможность присоединения до четырёх фитингов, что очень удобно
с точки зрения монтажа пневматических коммуникаций (линий).
Пневматические цилиндры с гибким штоком. Одним из конструктивных решений, позволяющих отказаться от штока в его традиционном значении, является пневматический цилиндр с гибким
штоком (рис. 21).
Жёсткий цилиндрический шток в данной конструкции заменён
металлическим тросом 3, покрытым нейлоном (либо лентой из синтетического материала с металлическим армированием), охватывающим ролики 1, размещённые в крышках цилиндра.
Внутри гильзы 4 цилиндра трос 3 жёстко связан с поршнем 5,
а снаружи с кареткой 2, к которой и крепится перемещаемый объект.
47
Однако такое техническое решение, несмотря на свою простоту, не
получило широкого распространения.
Рис. 21. Пневматический цилиндр с гибким штоком:
1 – ролики; 2 – каретка; 3 – трос (лента); 4 – гильза; 5 – поршень
Пневматические цилиндры с магнитной муфтой. В пневматических цилиндрах с магнитной муфтой (рис. 22) усилия, развиваемые
поршнем, передаются на внешнюю каретку за счёт сил магнитного
взаимодействия.
Рис. 22. Пневматический цилиндр с магнитной муфтой:
1 – поршень; 2 – кольцевые постоянные магниты (на поршне);
3 – кольцевые постоянные магниты (на каретке); 4 – каретка; 5 – гильза
Поршень 1 имеет набор кольцевых постоянных магнитов 2, которые взаимодействуют с кольцевыми магнитами 3, расположенными
на каретке 4, охватывающей гильзу 5.
Если гильза выполнена из немагнитного материала (алюминий,
нержавеющая сталь) и является тонкостенной, то движение поршня
(первая полумуфта) сопровождается синхронным перемещением ка48
ретки (вторая полумуфта), к которой присоединён внешний объект
(нагрузка).
По сравнению с конструкциями, в которых усилие с поршня передаётся механическим путём, в пневматических цилиндрах с магнитной муфтой при равных значениях диаметра цилиндра и давления
питания развиваемое усилие приблизительно на 20 % меньше.
Кроме того, такие цилиндры чувствительны к случайным перегрузкам, которые могут привести к «разрыву» муфты.
Проблему с «разрывом» муфты принципиально решает установка дополнительных магнитных колец на поршне и каретке, но это ведёт к увеличению продольного габарита поршня и всей конструкции
в целом.
Особенности конструктивного исполнения пневматических цилиндров с магнитной муфтой (нежёсткая связь между поршнем и кареткой, эксцентричное (радиально смещённое) положение нагрузки
относительно оси поршня) накладывают ограничения на величины
осевых и радиальных нагрузок и местонахождение точек их приложения, а также на допустимое соотношение скорости и массы перемещаемых объектов.
Пневматические цилиндры с ленточным уплотнением. В настоящее время наиболее широко распространены бесштоковые пневматические цилиндры, в которых усилия механически передаются на
нагрузку непосредственно поршнем при помощи механического
штифта (рис. 23).
Гильза 2 цилиндра имеет узкий сквозной продольный паз (прорезь) по всей длине гильзы. Через этот паз поршень 3 механически
связан с внешней кареткой 1 (т. е. поршень выполнен с основанием
каретки как единый конструктивный элемент).
С целью герметизации гильзы паз с её внутренней стороны закрыт тонкой металлической или синтетической лентой 4, закреплённой концами в крышках.
Чтобы пропустить поршень сквозь паз, часть ленты, расположенную между уплотнениями поршня, проводят через тело поршня
под узкой частью.
При работе цилиндра лента, неподвижная относительно его
корпусных деталей, скользит в теле поршня, открывая паз в гильзе
только в месте нахождения поршня, между двумя упругими уплотнениями поршня.
Для предотвращения попадания загрязнителей из окружающей
среды внутрь гильзы 2 продольный паз закрыт с внешней стороны
защитной лентой 5, пропущенной через каретку 1.
49
При работе в условиях значительных радиальных нагрузок бесштоковые цилиндры с целью их разгрузки снабжают специальными
направляющими или выполняют каретку таким образом, что она передаёт нагрузку на гильзу-корпус (см. рис. 22).
Рис. 23. Бесштоковый ПЦ с ленточным уплотнением:
1 – каретка; 2 – гильза; 3 – поршень; 4 – внутренняя уплотнительная лента;
5 – внешняя защитная лента
В современных конструкциях таких цилиндров каретка через
подшипники качения или скольжения опирается на три внешних стороны (плоскости) профильной гильзы цилиндра, как показано на рис. 24.
Подобные конструктивные исполнения позволяют обеспечить
высокую точность направления движения каретки, защиту присоединённого объекта от проворота и некоторое возрастание значения полезной нагрузки на привод.
При возвратно-поступательном движении штока в стандартных
пневматических цилиндрах имеет место некоторый его проворот
(поворот) относительно оси движения, что обусловлено наличием
микронеровностей на поверхности самого штока, а также на направляющих и уплотнениях.
В связи с этим непосредственно на штоке цилиндра нельзя закреплять инструмент или оснастку, которые требуют строгой и точной
ориентации в пространстве. С целью устранения данного недостатка,
особенно когда к штоку прикладывается крутящий момент, применяются различные технические решения и конструкции, в которых шток
защищён от проворота (рис. 25).
Крутящий момент в таких конструкциях может восприниматься
встроенными направляющими цилиндров (рис. 25, а), внешними
направляющими цилиндров (рис. 25, б), штоками пневматических
цилиндров, что актуально для сдвоенных цилиндров (рис. 25, в).
50
Рис. 24. Пневматический цилиндр с внешней кареткой
а
б
в
Рис. 25. Конструкции ПЦ с непроворачивающимися штоками:
а – встроенные направляющие цилиндров; б – внешние направляющие цилиндров;
в – сдвоенные пневматические цилиндры
51
В данных конструктивных решениях пневматических цилиндров рабочий инструмент или оснастка крепится к монтажной платформе (площадке) которая имеет только одну степень свободы (вдоль
оси штока) при жёстком (неподвижном) способе крепления пневматического цилиндра.
Конструкции
пневматических
цилиндров,
приведённые
на рис. 25, а, б, применяют в тех случаях, когда на шток действуют
значительные по величине крутящие моменты.
Кроме данных решений, поворот штока может быть предотвращён изготовлением конструкции цилиндра со штоком квадратного
сечения либо конструкции с квадратным (овальным, прямоугольным)
поршнем, которые делают некоторые фирмы-производители.
При небольших значениях крутящих моментов могут использоваться конструкции с квадратным поршнем (рис. 26) либо конструкции с двумя штоками (рис. 27).
Рис. 26. Конструктивное исполнение ПЦ с квадратным поршнем:
1 – манжета штока; 2 – винт; 3 – передняя крышка; 4 – винт регулировки демпфера;
5 – манжета демпфера; 6 – уплотнительное кольцо; 7 – гильза; 8 – шток; 9 – передний
поршень демпфера; 10 – манжета поршня; 11 – поршень; 12 – уплотнительное кольцо;
13 – задний поршень демпфера; 14 – задняя крышка
52
Рис. 27. Конструктивное исполнение ПЦ с двумя параллельными штоками:
1 – винт; 2 – фланец; 3 – винт; 4 – манжета штока; 5 – передняя крышка;
6 – винт регулировки демпфера; 7 – уплотнительное кольцо; 8 – штоки; 9 – кольцо
демпфера; 10 – передний поршень демпфера; 11 – поршень; 12 – задний поршень
демпфера; 13 – гильза; 14 – манжета демпфера; 15 – задняя крышка
Монтаж пневматических цилиндров. Различные условия нагружения пневматических цилиндров обусловливают различные способы их монтажа на технологическом оборудовании.
Поскольку способ монтажа существенно влияет на эксплуатационные показатели пневматического привода и производственного механизма, его необходимо выбирать таким образом, чтобы:
– на штоке не возникали радиальные нагрузки;
– шток не терял устойчивость в полностью выдвинутом положении.
Производители пневматических цилиндров выпускают различные элементы крепежа для неподвижного и подвижного способов
монтажа (рис. 28).
Данные элементы в каталогах приведены в разделах, обычно
именуемых как «Принадлежности для монтажа и аксессуары».
В случаях неподвижного монтажа кроме варианта непосредственного крепления цилиндров на оборудовании применяют фланцы
(рис. 28, а) и лапы (рис. 28, б).
53
Для обеспечения подвижности пневматического цилиндра во
время работы используют цапфы (рис. 28, в), поворотные оси с проушинами, подвесками, опорами (рис. 28, г).
а
б
в
г
Рис. 28. Способы монтажа пневматических цилиндров:
а – передний фланец; б – лапы; в – цапфа; г – проушина (подвес)
Соединения штока с производственными механизмами также
выполняют различными способами, используя различные соединительные элементы (рис. 29).
а
б
в
г
Рис. 29. Элементы соединений штоков пневматических
цилиндров с производственными механизмами:
а – резьба на штоке с контргайкой; б – вилка на штоке с контргайкой;
в – сферический наконечник с контргайкой;
г – самоцентрирующийся шаровой шарнир с контргайкой
Неподвижные соединения реализуются с помощью наружной
(рис. 29, а) или внутренней резьбы на конце штока.
Данное резьбовое соединение штока всегда используется
с контргайкой.
54
Несовпадение траекторий движения конца штока и монтажного
звена производственного механизма приводит к появлению радиальных усилий на штоке и, следовательно, к ускоренному износу гильзы,
поршня, штока, направляющих втулок и уплотнений.
Если при жёстком способе крепления штока вследствие условий
эксплуатации или особенностей конструктивного исполнения оборудования невозможно предотвратить возникновение радиальных
нагрузок на шток, необходимо применять подвижные переходные
крепёжные элементы.
Такими подвижными переходными крепёжными элементами
являются вилкообразные головки (вилки) (рис. 29, б), сферические наконечники (рис. 29, в), шаровые шарниры и самоцентрирующиеся шаровые шарниры (рис. 29, г) или фланцы с плавающей
головкой.
Соединения штока, содержащие шаровой элемент, позволяют
осуществлять поворот оси присоединительного отверстия на несколько
градусов (приблизительно до 7…10 градусов), а фланцы с плавающей
головкой обеспечивают радиальное смещение штока и оси присоединяемого элемента на несколько миллиметров.
Следует иметь в виду, что предельно допустимые осевые нагрузки на шток зависят от способа монтажа. Хотя напряжения на
штоке от чистого сжатия невелики, при больших рабочих ходах возможна потеря устойчивости штока вследствие продольного изгиба.
Устойчивость штока проверяется по обобщённой формуле Эйлера:
2  E  J
,
FКР 
( l ) 2
(1)
где FКР – критическая сила, приводящая к изгибу штока; Е – модуль
упругости материала штока; J – момент инерции сечения штока
(≈ 0, 05d4); l – длина нагруженного участка цилиндра; λ – коэффициент приведения длины; d – диаметр штока.
При монтаже, кроме того что пневматические цилиндры должны быть правильно установлены на технологическом оборудовании,
необходимо соблюсти меры, исключающие возможность повреждения цилиндров (в особенности штоков) и попадания загрязнителей
в их внутренние полости. Места установки пневматических цилиндров должны быть доступны для их обслуживания в процессе эксплуатации.
55
2.2.4. Поворотные пневматические двигатели
В технике существует довольно широкий круг задач, в которых
требуется не линейное перемещение выходного звена исполнительного механизма, а поворот его на заданный угол. Угол поворота,
как правило, ограничен, и значение его находится в диапазоне от 0
до 360 градусов (т. е. в пределе одного оборота вала).
Для решения указанных задач применяются поворотные пневматические двигатели, чаще всего поршневые или шиберные.
Поршневой поворотный пневматический двигатель с реечной
передачей (рис. 30) выполняют на базе передачи «шестерня – зубчатая рейка». Шестерня 3 устанавливается на выходном валу 4, входит
в зацепление со штоком – зубчатой рейкой 2, который жёстко связан
с поршнями 1 двух разнонаправленных цилиндров одностороннего
действия.
Рис. 30. Поршневой поворотный пневматический
двигатель с реечной передачей:
1 – поршень; 2 – шток – зубчатая рейка; 3 – шестерня;
4 – выходной вал
При подаче сжатого воздуха в рабочую полость одного из пневматических цилиндров поршни вместе со штоком – зубчатой рейкой
совершают прямолинейное движение, которое посредством реечной
передачи преобразуется во вращательное (в пределах одного оборота)
движение вала. Вал связан с технологическим объектом, который
необходимо повернуть на некоторый угол (например, захватное
устройство промышленного робота или вал трубопроводной запорной
арматуры).
56
Очевидно, что поршневые пневматические двигатели можно
выполнить таким образом, чтобы в конце рабочего хода происходило
демпфирование, а поршни были снабжены магнитными вставками
с целью обеспечения возможности бесконтактного опроса их положения. В некоторых конструкциях предусматривается также регулирование (настройка, коррекция) угла поворота.
Максимальный крутящий момент, развиваемый поршневыми
поворотными пневматическими двигателями, составляет 500 Нм при
размере цилиндра 125 мм и давлении питания 10 бар.
Некоторыми фирмами выпускаются поворотные двигатели данного типа размерностью цилиндра до 400 мм с крутящим моментов на
выходном валу до 4 800 Нм.
Шиберный поворотный пневматический двигатель (рис. 31)
устроен таким образом, что сжатый воздух воздействует на шибер 1 –
жёстко закреплённую на выходном валу 2 пластину, расположенную
внутри цилиндрической расточки 3 в корпусе 4.
Рис. 31. Шиберный поворотный пневматический двигатель:
1 – шибер; 2 – выходной вал; 3 – цилиндрическая расточка корпуса;
4 – корпус; 5 – ограничитель поворота шибера
Чтобы предотвратить перетекание воздуха из одной полости
двигателя в другую, пластину выполняют с резиновым либо пластиковым покрытием.
Угол поворота шибера зависит от размеров корпусного ограничителя 5 и в стандартных конструкциях составляет 90, 180 или 270 градусов. Для установки произвольного угла поворота шиберные пнев57
матические двигатели снабжают внешними передвижными упорами.
Такого типа двигатели развивают крутящий момент до 300 Нм.
Поскольку останов вращающейся массы без демпфирования при
наличии перегрузок создаёт опасность повреждения шестерни или
лопасти, то, выбирая подходящий поворотный двигатель, очень важно правильно учесть моменты инерции приводимых во вращательное
движение технологических объектов.
Значения их должны быть меньше указываемых в промышленных каталогах предельно допустимых значений для выбранного
типоразмера пневматического двигателя.
2.3. НАПРАВЛЯЮЩАЯ И РЕГУЛИРУЮЩАЯ ПОДСИСТЕМА
Функциональное назначение пневматических элементов, образующих направляющую и регулирующую подсистему пневматического привода, заключается в управлении энергией сжатого воздуха,
поступающего от источника (компрессорной станции) к потребителю
(исполнительным приводам и механизмам).
Чтобы исполнительные механизмы и приводы совершили
полезную работу в нужном месте, в требуемом объёме и в нужный
момент времени (или в течение какого-то промежутка времени),
следует обеспечить движение потока сжатого воздуха в соответствующем направлении и отрегулировать до необходимого уровня его
параметры (давление и расход).
В направляющих и регулирующих устройствах воздействие
на поток сжатого воздуха осуществляется посредством подвижных
запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ).
Назначение запорно-регулирующего элемента, вне зависимости
от конструктивного исполнения, состоит в изменении величины проходного сечения канала, через который движется воздушный поток;
при этом данное изменение может быть как дискретным (канал открыт – канал закрыт), так и плавно-непрерывным.
Дискретный режим работы характерен для направляющей и запорной аппаратуры, а в регулирующей аппаратуре запорнорегулирующий элемент постоянно находится в «плавающем» режиме.
В зависимости от способа воздействия запорно-регулирующего
элемента на поток сжатого воздуха практически все устройства, входящие в направляющую и регулирующую подсистему пневматических приводов, подразделяются на два больших класса:
– аппаратура клапанного типа;
– аппаратура золотникового типа.
58
Конструкции аппаратуры данных типов приведены на рис. 32.
а
б
Рис. 32. Конструкции аппаратов
а – клапанного типа; б – золотникового типа
От типа конструктивного исполнения аппарата (клапанный или
золотниковый) зависят характеристики процесса его переключения
(усилие, длина хода ЗРЭ), степень герметичности, уровень требований к чистоте рабочей среды и необходимость смазки.
В аппаратуре клапанного типа ЗРЭ перемещается вдоль осевой
линии потока.
Достоинства такого конструктивного решения очевидны:
– обеспечение полной герметичности при отсечении одной
пневматической линии от другой;
– пониженная чувствительность к воздействию загрязнителей;
– возможность работы без смазки;
– высокое быстродействие (незначительное перемещение ЗРЭ
приводит к существенному изменению площади проходного сечения).
К недостаткам аппаратуры клапанного типа можно отнести следующие:
– высокая жёсткость возвратной пружины;
– значительные усилия для перемещения ЗРЭ (связано с необходимостью преодоления сил, возникающих от давления сжатого воздуха на ЗРЭ или сил сопротивления пружин, прижимающих ЗРЭ
к седлу клапана);
– значительный коэффициент сопротивления;
– ограниченная пропускная способность (расход).
Иногда такую аппаратуру называют аппаратурой седельного типа.
В аппаратуре золотникового типа ЗРЭ перемещается перпендикулярно осевой линии потока.
В подобной конструкции усилие, обусловленное давлением
сжатого воздуха на ЗРЭ, не приводит к какому-либо его смещению,
59
так как направлено перпендикулярно оси движения золотника (силы
давления сжатого воздуха на поверхности уравновешены, золотник
гидравлически разгружен).
Для перемещения ЗРЭ в золотниковых конструкциях необходимо преодолеть только силы трения между золотником и корпусом,
что, безусловно, является неоспоримым достоинством такого конструктивного решения.
Также к достоинствам данной конструкции следует отнести следующие:
– управление положением ЗРЭ маломощными сигналами;
– незначительный коэффициент сопротивления (малая потеря
давления);
– большая пропускная способность;
– малый коэффициент трения.
Кроме указанных достоинств следует отметить также недостатки золотниковой конструкции аппаратов:
– для обеспечения полного открытия рабочего канала золотник
необходимо переместить как минимум на величину диаметра канала
(на что потребуется определённое время);
– наличие нормированных зазоров между золотником и корпусом;
– повышенная чувствительность к воздействию загрязнителей;
– необходимость наличия смазки;
– значительное перемещение ЗРЭ;
– невысокое быстродействие;
– пониженная герметичность ЗРЭ;
– возможность засорения зазоров и заклинивания ЗРЭ.
Вывод из всего вышеизложенного следующий: для управления
небольшими по величине расхода потоками сжатого воздуха следует
использовать преимущественно аппаратуру клапанного типа, тогда
как аппаратуру золотникового типа – для управления потоками
сжатого воздуха с большим расходом.
2.3.1. Пневматические распределители
Пневматические распределители – это группа устройств, которые можно назвать основными управляющими элементами любого
пневматического привода.
Пневматические распределители относятся к направляющей аппаратуре и предназначены для управления потоками подводимого
к ним сжатого воздуха.
60
Управление потоками сжатого воздуха осуществляется путём
изменения (при переключении) схемы соединения внутренних каналов распределителя с входными и выходными присоединительными
отверстиями.
Функциональные возможности распределителей характеризуются рядом параметров:
– количество рабочих каналов;
– количество позиций переключения;
– нормальная позиция (позиция на «складе»);
– способ управления;
– способ монтажа;
– пропускная способность (расход).
Все эти параметры, за исключением пропускной способности,
отражаются в условном графическом обозначении любого распределителя.
Каждая позиция распределителя (т. е. возможная схема внутренних соединений) обозначается квадратом (или прямоугольником),
в котором показаны пути движения потока сжатого воздуха (рис. 33).
Рис. 33. Принцип формирования условного графического
обозначения пневматического распределителя
В представленной модели простейшего пневматического
распределителя подвижный запорный элемент может занимать две
дискретные позиции, соответствующие двум состояниям пневматического распределителя:
1) «проход воздуха закрыт»;
2) «проход воздуха открыт».
При этом запорный элемент может коммутировать между собой
две линии: линию питания (вход); линию потребителя (выход).
61
Соответственно, данный распределитель можно назвать двухлинейным и двухпозиционным, что наглядно отражается в его условном
обозначении.
Чтобы кратко охарактеризовать возможности распределителей
по коммутации подведённых к ним рабочих каналов, применяют
дробное цифровое обозначение, где в числителе указывают количество коммутируемых линий (каналов), а в знаменателе – количество
возможных позиций.
В соответствии с этим принципом рассмотренный выше аппарат
будет называться 2/2 пневматическим распределителем (при этом пока не указывается способ управления распределителем).
На принципиальных пневматических схемах распределители
изображают таким образом, чтобы линии связи (внешние пневматические линии) были подведены к тому квадрату (позиции), который
обозначает исходную позицию распределителя.
Чтобы получить представление о работе распределителя, следует
мысленно передвинуть относительно линий связи соответствующий
квадрат в условном графическом обозначении на то место, которое на
схеме занимает квадрат, изображающий исходную позицию распределителя.
Исходя из того что основное назначение пневматического распределителя состоит в подаче сжатого воздуха в рабочие полости
исполнительных механизмов, сделаем попытку применить уже описанный 2/2 пневматический распределитель для управления пневматическим цилиндром одностороннего действия (рис. 34).
а
б
в
Рис. 34. 2/2 пневматический распределитель на линии
управления пневматическим цилиндром одностороннего действия:
а – стадия исходного положения распределителя; б – стадия переключения
распределителя; в – стадия возврата распределителя в исходное положение
62
Из рис. 34 следует, что 2/2 пневматический распределитель
нормально выполняет функции по управлению данным цилиндром
только на первых двух стадиях:
– исходное положение – подвод сжатого воздуха к ПЦ перекрыт,
шток втянут под действием встроенной пружины (рис. 34, а);
– рабочий ход штока цилиндра – сжатый воздух подаётся
в поршневую полость ПЦ, шток выдвигается (рис. 34, б).
Заключительный этап – возврат штока в исходное положение –
оказывается невыполнимым, поскольку при переключении пневматического распределителя в исходную позицию отработавший сжатый
воздух не имеет возможности выхода из пневматического цилиндра
(рис. 34, в).
Возникшую проблему можно решить путём использования двух
параллельно работающих (условно связанных между собой) 2/2 пневматических распределителей. Через один из них осуществляется
подача сжатого воздуха в пневматический цилиндр, а через другой
производится сброс отработавшего воздуха из полости цилиндра (рис. 35).
Рис. 35. Управление пневматическим цилиндром одностороннего
действия двумя 2/2 пневматическими распределителями
В связи с тем что в пневматических приводах, в отличие от гидравлических, не требуется наличие возвратной сливной магистрали,
отработавший воздух можно сбрасывать непосредственно в атмосферу.
На практике для управления пневматическими цилиндрами
одностороннего действия применяют не два 2/2 пневматических
распределителя, а один, более сложный по конструктивному исполнению, который имеет возможность коммутировать линии питания,
потребителя и выхлопа.
Очевидно, что такой распределитель будет называться 3/2 пневматическим распределителем (рис. 36).
63
3/2 пневматический распределитель коммутирует между собой
три рабочих линии (рис. 37):
1 – линию питания;
2 – линию потребителя;
3 – линию выхлопа.
Рис. 36. Модель и условное графическое обозначение
3/2 пневматического распределителя
Рис. 37. Управление пневматическим цилиндром одностороннего
действия при помощи 3/2 пневматического распределителя
При этом сам распределитель может занимать две позиции:
1) питание перекрыто, потребитель связан с выхлопом;
2) сжатый воздух поступает к потребителю, выхлоп перекрыт.
Очевидно, что для управления пневматическими цилиндрами
двустороннего действия потребуются ещё более сложные распределители, так как в этом случае распределители должны обеспечить
перераспределение потока сжатого воздуха между двумя рабочими
64
полостями исполнительного механизма и сброс из них отработавшего
воздуха (рис. 38).
Рис. 38. Управление пневматическим цилиндром двустороннего
действия при помощи 4/2 пневматического распределителя
Четырёхлинейный двухпозиционный пневматический распределитель (4/2 распределитель) позволяет поочерёдно подавать сжатый
воздух из магистрали высокого давления 1 по рабочим каналам 2 или 4
в одну из полостей пневматического цилиндра с одновременным соединением другой с атмосферой 3.
На практике для управления пневматическими цилиндрами двустороннего действия наиболее широко используют 5/2 пневматические распределители (рис. 39).
Рис. 39. Управление ПЦ двустороннего действия
при помощи 5/2 пневматического распределителя
Хотя 5/2 пневматические распределители имеют более сложное
графическое обозначение, они проще по конструктивному исполнению и технологии изготовления, а их функциональные возможности
65
несколько шире, чем у 4/2 пневматических распределителей, что
обусловлено наличием не одного, а двух выхлопных каналов 3 и 5,
отдельных для каждой рабочей полости цилиндра.
Для решения более сложных задач управления пневматическими цилиндрами используют трёхпозиционные распределители,
имеющие ещё более широкие функциональные возможности. Такие
распределители позволяют осуществить не два, а три варианта коммутации пневматических линий.
Нумерация каналов, использованная на приведённых выше схемах,
не является случайной, а отвечает стандартам, в соответствии с которыми для обозначения рабочих и управляющих каналов пневматических аппаратов и устройств применяется определённая буквенная или
цифровая индексация (табл. 2).
Таблица 2
Индексация (маркировка) линий (присоединительных
отверстий) пневматических аппаратов
Наименование (назначение) линии
Линия питания (вход)
Линия потребителя (выход)
Линия выхлопа (сброс воздуха в атмосферу)
Линия управления
Буквенная
индексация
Р
А, В
R, S
X, Y, Z
Цифровая
индексация
1
2, 4
3, 5
10, 12, 14
Приведённая в табл. 2 индексация должна проставляться
на принципиальных пневматических схемах управления, но следует
особо подчеркнуть следующее: означенными индексами маркируют
присоединительные отверстия в корпусах пневматических аппаратов,
что позволяет правильно осуществить монтаж пневматических систем, не рискуя перепутать места подсоединения трубопроводов.
Переключение пневматических распределителей из одной позиции в другую осуществляется перемещением их ЗРЭ посредством
внешних управляющих воздействий.
В зависимости от природы этих воздействий различают следующие виды управления распределителями:
– ручное (мускульной силой человека);
– механическое;
– пневматическое;
– электрическое;
– комбинированное (электропневматическое и т. д.).
66
Стандартные условные графические обозначения наиболее распространённых устройств управления пневматическими распределителями и другими пневматическими аппаратами приведены в прил. Б.
Одна и та же базовая модель пневматического распределителя
может быть снабжена различными управляющими элементами, конструкция которых и определяет вид (способ) управления.
При чтении принципиальных пневматических схем управления
следует иметь в виду, что управляющий сигнал, подаваемый слева,
переключает распределитель в позицию, обозначенную в условном
графическом обозначении этого аппарата левым квадратом, а сигнал,
подаваемый справа, – в позицию, обозначенную правым квадратом.
В отличие от рабочих (силовых) пневматических линий, для которых используются одноразрядные (одноцифровые) индексы, линии
управления пневматическими аппаратами обозначаются двузначными
(двухразрядными) числами (рис. 40).
а
б
в
Рис. 40. Индексация линий управления пневматических
распределителей:
а – моностабильного 3/2 распределителя нормально-открытого исполнения;
б – моностабильного 3/2 распределителя нормально-закрытого исполнения;
в – бистабильного 5/2 распределителя
Первая цифра в подобном двузначном обозначении совпадает с
индексом линии питания, а вторая – с индексом линии потребителя, в
которую будет поступать сжатый воздух после подачи управляющего
сигнала.
Так, индекс 12 (рис. 40, б, в) на линии управления обозначает,
что при наличии в этой линии пневматического сигнала управления
сжатый воздух будет поступать к потребителю по рабочей линии 2.
Чтобы соединить линию потребителя 4 с линией питания 1,
управляющий сигнал надо подать в линию 14 (рис. 40, в).
Индекс 10 проставляется на линиях управления нормально открытых пневматических распределителей (рис. 40, а) и иных распре67
делителей с другими видами (способами) управления и обозначает,
что в случае поступления сигнала в эту линию сигнала управления
подача сжатого воздуха потребителю прекратится (обнулится).
2.3.2. Моностабильные пневматические распределители
Пневматические распределители, которые переключаются
в нормальную позицию посредством возвратных пружин, называются
моностабильными (одностабильными).
Такие распределители имеют единственное устойчивое состояние – нормальное для данной конструкции и определяющее состояние
аппарата «на складе» (т. е. при отсутствии управляющих воздействий
(сигналов)).
Можно утверждать, что на рис. 41, судя только по условному
графическому обозначению, представлена конструкция моностабильного нормально закрытого 2/2 пневматического распределителя
с механическим управлением.
Рис. 41. Нормально закрытый 2/2 пневматический
распределитель с механическим управлением
В исходной позиции запорно-регулирующий элемент 3 пневматического распределителя, выполненный в виде полусферы, под действием пружины 4 и давления питания прижат к седлу 2 и перекрывает тем самым подачу сжатого воздуха в канал потребителя А, т. е.
пневматический распределитель нормально закрыт.
При наличии внешнего управляющего воздействия, величина
которого должна быть достаточной для преодоления усилия от возвратных пружин и давления, действующего на клапан 3, толкатель 1
снимает клапан 3 с седла 2, и пневматический распределитель зани68
мает позицию, в которой каналы питания Р и потребителя А сообщаются между собой.
Два варианта конструктивного исполнения нормально закрытого 3/2 пневматического распределителя с механическим управлением
показаны на рис. 42. Отличие между ними заключается в том, что
в одном исполнении (рис. 42, б) заложена возможность подсоединения к линии выхлопа R (например, можно ввернуть пневматический
глушитель или фитинг, так как имеется резьба в присоединительном
отверстии корпуса).
В другом исполнении (рис. 42, а) это действие осуществить
нельзя, так как линия выхлопа R (отверстие) выполнена в виде проточного канала в толкателе.
Даже такое несущественное различие находит отражение в условном графическом обозначении пневматических распределителей:
если исключена возможность подсоединения к отверстию выхлопа, то
треугольник, указывающий на сброс воздуха в атмосферу, примыкает
вплотную к обозначению пневматического распределителя; в противном случае он отделяется от условного графического обозначения
корпуса вертикальной чертой (линией).
а
б
Рис. 42. Исполнения нормально закрытых 3/2 пневматических
распределителей с механическим управлением:
а – исполнение канала выхлопа R без возможности подключения элементов
и фитингов; б – исполнение канала выхлопа R с возможностью
подключения элементов и фитингов
Следует обратить внимание на то, что оба пневматических
распределителя срабатывают в два этапа: при движении толкателя
в момент его контакта с клапаном перекрывается выполненный в нём
канал выхлопа, и только при дальнейшем движении соединяются
каналы питания Р и потребителя А.
69
Примерно по такой же схеме работает и нормально открытый
3/2 пневматический распределитель (рис. 43).
Данная конструкция имеет два дисковых клапана, причём в исходном состоянии верхний отсекает канал выхлопа R, а через открытый нижний воздух протекает из канала питания Р к потребителю
через канал А.
а
б
Рис. 43. Нормально открытый 3/2 пневматический
распределитель с механическим управлением
Движение толкателя вниз сопровождается двухступенчатым
срабатыванием пневматического распределителя. На первой ступени
нижний клапан, жёстко связанный с толкателем, опускается на подпружиненное седло, перекрывая подачу сжатого воздуха.
Верхний клапан, в свою очередь, остаётся поджатым к своему
седлу вплоть до момента контакта с буртиком толкателя. Только после этого в результате дальнейшего совместного движения толкателя
с нижним клапаном и его седлом верхний клапан открывается, и устанавливается соединение потребителя с выхлопом (вторая ступень).
Альтернативой сложным по конструктивному исполнению распределителям клапанного типа являются золотниковые пневматические распределители.
Принадлежность к классу аппаратов клапанного или золотникового типа не находит отражения в условном графическом обозначении пневматических распределителей, хотя эти типы существенно
различаются по функциональным возможностям.
70
Так, 3/2 пневматический распределитель золотникового типа,
показанный на рис. 44, можно использовать и как нормально закрытый (индексация каналов, поясняющая схему коммутации, дана без
скобок), и как нормально открытый (индексация дана в скобках).
Рис. 44. Нормально закрытый 3/2 пневматический
распределитель с механическим управлением
Подача сжатого воздуха в каналы Р или R не приводит к возникновению на золотнике усилий, вызывающих его смещение
из нормальной позиции, так как и в том, и в другом случаях золотник
остаётся гидравлически разгруженным (т. е. неподвижным, и его положение определяется усилием и направлением действия пружины
на золотник).
Если попытаться использовать нормально закрытый распределитель клапанного типа (рис. 42, а) как нормально открытый (путём
подачи сжатого воздуха в канал R), то произойдёт самопроизвольное
открытие клапана и воздух начнёт поступать во все каналы одновременно.
Производители пневматического оборудования снабжают каждый аппарат этикеткой (биркой, шильдиком), на которой помимо
маркировки (серия, тип) и основных параметров приводится его
условное графическое обозначение и индексация линий (каналов).
Обычно пневматические распределители, в конструкции которых заложена возможность использования их в качестве нормально
открытых или нормально закрытых, имеют два альтернативных
обозначения (рис. 45).
71
Золотниковые распределители, как правило, позволяют пропускать через себя воздух и в обратном направлении – из канала А
в канал R или (при переключении) в Р.
Рис. 45. Двойная индексация линий распределителей
Когда на принципиальной пневматической схеме важно отразить данное свойство золотникового распределителя, стрелки на его
условном графическом обозначении, показывающие пути (направления) потока воздуха, изображаются двусторонними.
В тех случаях, когда сжатый воздух подаётся к исполнительным
механизмам непосредственно от пневматических распределителей
с механическим или мускульным управлением, говорят о прямом
управлении. Пример реализации прямого управления приведён
на рис. 46.
Рис. 46. Примеры реализации прямого управления ПЦ
Пневматические распределители, управляющие исполнительными механизмами, также называют исполнительными.
Пневматическое управление распределителями используют
в тех случаях, когда необходимо осуществить дистанционное управление их работой посредством пневматического сигнала.
Чтобы распределитель был с пневматическим управлением,
в конструкцию вводят поршень 1, перемещение которого и приводит
в движение запорный элемент 2 (рис. 47).
72
Схема управления пневматическим цилиндром одностороннего
действия с использованием пневматического распределителя с пневматическим управлением приведена на рис. 48.
В схеме управления, приведённой на рис. 48, пневматический
распределитель с ручным управлением (пневматическая кнопка)
управляет работой пневматического цилиндра путём подачи сигнала
на исполнительный распределитель с пневматическим управлением.
Рис. 47. Нормально закрытый 3/2 пневматический
распределитель с пневматическим управлением
Рис. 48. Пример реализации непрямого управления ПЦ
одностороннего действия (исполнительный
распределитель – нормально закрытого исполнения)
Следует напомнить, что аппаратура управления на принципиальных пневматических схемах изображается в исходной позиции:
давление питание подведено к распределителям, установка «ждёт»
управляющего сигнала.
73
В соответствии с этим принципом схема несколько видоизменится, если исполнительный распределитель будет нормально открытым (рис. 49).
В моностабильных пневматических распределителях возврат
запорно-регулирующего элемента в исходное положение может осуществляться не только посредством механических пружин, но и под
действием давления сжатого воздуха (пневматической пружины), как
показано на рис. 50.
Рис. 49. Пример реализации непрямого управления ПЦ
одностороннего действия (исполнительный
распределитель – нормально открытого исполнения)
Рис. 50. 5/2 пневматический распределитель
с пневматическим управлением и возвратом
В исходной позиции золотник 2 находится в крайнем левом положении, так как на его правый поршень 4 через специальный канал 3,
связанный с линией питания, подаётся сжатый воздух. При поступлении управляющего сигнала в канал Х золотник 2 сместится вправо,
74
поскольку площадь левого поршня 1 значительно больше площади
правого поршня 4.
В некоторых конструкциях возврат ЗРЭ в исходную позицию
осуществляется под действием одновременно и механической,
и пневматической пружин. Такое сочетание обеспечивает более высокую стабильность и надёжность переключения пневматических распределителей.
В тех случаях, когда имеются технологические ограничения на
величину управляющих сигналов, применяют распределители с пневматическим усилением управляющего сигнала (или, другими словами, –
пилотным управлением), как показано на рис. 51.
В таких конструкциях (в данном случае это распределитель, выполняющий роль путевого выключателя) усилие переключения прикладывается к небольшому вспомогательному (пилотному) распределителю 2.
Рис. 51. 3/2 пневматический распределитель
с пневматическим усилением управляющего сигнала:
1 – управляющая головка с роликом; 2 – вспомогательный (пилотный)
распределитель; 3 – основной пневматический распределитель
Функцией пилотного распределителя является подача пневматического сигнала управления на основной пневматический распределитель 3, непосредственно осуществляющий коммутацию внешних
пневматических линий.
Поскольку площадь клапана пилотного распределителя невелика, то и усилие, необходимое для его переключения, минимально.
75
Рассмотренная конструкция позволяет трансформировать нормально закрытый пневматический распределитель в нормально
открытый распределитель.
Для этого надо развернуть управляющую головку с роликом 1
на 180о и подавать сжатый воздух в канал R.
В тех случаях, когда требуется контролировать какой-либо объект при его движении только в определенном направлении, применяют распределители с управлением от «ломающего» рычага с роликом
(рис. 52).
Конструкция рычага выполнена таким образом, что он воздействует на толкатель пневматического распределителя только в том
случае, если движение штока пневматического цилиндра или другого
контролируемого объекта происходит только в определённом направлении (рис. 52, а).
Пневматический распределитель не срабатывает при движении
объекта в противоположном направлении, поскольку подпружиненное верхнее звено рычага с роликом поворачивается против часовой
стрелки на средней оси («ломается») и не передаёт управляющее
воздействие на толкатель (рис. 52, б).
а
б
Рис. 52. Принцип действия «ломающегося» рычага с роликом
На современном производстве управление сложными технологическими объектами с пневматическими приводами базируется преимущественно на электрических и электронных системах, имеющих
широкие возможности сбора, обработки информационных и формирования управляющих электрических сигналов, а главное – высокое
быстродействие.
Независимо от элементной базы управляющих систем (релейноконтактная или микропроцессорная техника), в силовой части привода применяют пневматические распределители с электромагнитным
управлением.
76
Работа подобных пневматических распределителей основывается на свойстве находящихся под напряжением электромагнитных катушек (соленоидов) втягивать расположенный в них якорь.
Запорно-регулирующий элемент в таких аппаратах располагают
непосредственно на торцах якоря, который помещается в гильзу,
ввинченную в корпус. Снаружи гильза охватывается приводной
(управляющей) электромагнитной катушкой (рис. 53).
Рис. 53. 3/2 пневматический распределитель
с электромагнитным управлением и ручным дублированием
Если электромагнитная катушка 7 обесточена, якорь 5 прижат
пружиной 4 к седлу клапана 3, перекрывая канал Р, по которому подводится сжатый воздух; выходной канал А соединён с атмосферой
через пазы на наружной поверхности якоря.
Напряжение на катушку 7 подается через присоединительный
элемент – коннектор 8, при этом якорь 5, преодолевая усилие пружи77
ны 4, поднимается до седла клапана 6, закрывая канал R выхода воздуха в атмосферу и открывая канал, соединённый с отверстием
для подведения сжатого воздуха. Сжатый воздух подаётся в линию
потребителя (канал А).
Пневматические распределители с электромагнитным приводом
(управлением) имеют, как правило, ручное дублирование, используемое обычно при пусконаладочных работах или при поиске причин
неисправности (если распределитель срабатывает от элемента ручного управления, а не срабатывает при дистанционном управлении, то
это свидетельствует об отказе катушки управления или нарушении
целостности электрической цепи управления катушки).
Ручное включение пневматического распределителя осуществляется нажатием или поворотом специального устройства механики
поднимающего якорь с седла клапана (рис. 53).
После ручной проверки работоспособности пневматического
распределителя элемент ручного управления (дублирования) обязательно необходимо установить в положение, не препятствующее
свободному перемещению якоря катушки управления.
Заканчивая рассмотрение моностабильных пневматических
распределителей, следует отметить, что к данному типу аппаратов
относится также большое число трёхпозиционных пневматических
распределителей.
Для трёхпозиционных распределителей обычно нормальной позицией является средняя позиция, в которую золотник выставляется
посредством двух пружин, центрирующих их запорно-регулирующий
элемент.
Например, используя, 5/3 пневматический распределитель
с двусторонним пневматическим управлением и закрытой центральной
позицией, можно обеспечить останов пневматического цилиндра
в любом промежуточном положении (рис. 54).
При нажатии на одну из пневматических кнопок, например 1.3,
шток цилиндра 1.0 начнёт перемещаться, а при её отпускании шток
остановится, поскольку исполнительный (главный) распределитель 1.1
займёт центральную позицию, в которой все линии перекрыты (при
этом точность позиционирования штока цилиндра будет достаточно
низкой).
На принципиальных пневматических схемах управления условному графическому обозначению (УГО) каждого пневматического
устройства (аппарата) присваивают буквенно-цифровое позиционное
обозначение по ГОСТ 2.704–2011 «ЕСКД. Правила выполнения
78
гидравлических и пневматических схем» или цифровой индекс, формируемый по определённым правилам.
Рис. 54. Использование 5/3 пневматического распределителя
с закрытой центральной позицией для останова
(позиционирования) штока ПЦ
В настоящее время на практике наиболее чаще используется
цифровая индексация УГО пневматических элементов (устройств)
на принципиальных пневматических схемах управления.
Цифровая индексация пневматических устройств и элементов
на принципиальных пневматических схемах управления приведена
в табл. 3.
Таблица 3
Цифровая индексация пневматических устройств
Наименование пневматического устройства
Цифровой индекс
Аппаратура подготовки воздуха
Исполнительные механизмы (приводы)
0.1, 0.2, 0.3, ……
1.0, 2.0, 3.0, ……
Исполнительные (силовые) распределители
Устройства, подающие сигналы на выдвижение штока
пневматического цилиндра (после точки – чётное число)
Устройства, подающие сигналы на втягивание штока
пневматического цилиндра (после точки – нечётное
число)
Регуляторы скорости (расхода) и устройства, расположенные между исполнительными механизмами и исполнительными распределителями
1.1, 2.1, 3.1, ……
1.2, 2.2, 3.2, ……
79
1.3, 2.3, 3.3, …..
1.01, 2.02, 3.03, …
2.01, 2.02, 3.03, …
Индексы упрощают чтение схем и помогают добиться однозначного соответствия между элементами, приводимыми в спецификации пневматического оборудования, и местом в системе каждого
из них.
Следует обратить внимание на то, что индексы всех элементов,
управляющих исполнительным механизмом (приводом) 1.0, начинаются с цифры 1, управляющих исполнительным механизмом (приводом) 2.0 – с цифры 2 и т. д.
Это означает, что где бы «территориально» на схеме ни был
расположен пневматический элемент или устройство, (например, 1.10),
он будет находиться в ветви управления соответствующим исполнительным механизмом (в данном случае – 1.0).
В тех случаях, когда невозможно придерживаться правила
использования чётных и нечётных цифр после точки в зависимости
от типа команды (втягивание или выдвижение штока цилиндра),
применяют сквозную индексацию.
2.3.3. Бистабильные пневматические распределители
Двухпозиционные пневматические распределители, которые после снятия внешнего управляющего воздействия остаются в позиции,
определяемой этим воздействием, называют бистабильными (с памятью позиции последнего сигнала переключения).
Возврат бистабильных пневматических распределителей в исходную позицию осуществляется после подачи противоположного
по значению управляющего сигнала.
В качестве примера рассмотрим отсечный нормально закрытый 3/2 пневматический распределитель с ручным управлением
(рис. 55), предназначенный для подачи сжатого воздуха в пневматическую систему и сброса сжатого воздуха из системы.
Рис. 55. Отсечный нормально закрытый 3/2 пневматический
распределитель с ручным управлением
80
Данный распределитель может находиться в одной из двух возможных позиций переключения сколь угодно долго, поскольку в его
конструкции отсутствуют элементы, однозначно определяющие
положение запорно-регулирующего элемента.
У бистабильных распределителей с пневматическим управлением, входящих в состав пневматического привода, исходная позиция
определяется не особенностями конструкции, а связями с элементами,
управляющими этими аппаратами.
Для пояснения сказанного рассмотрим, например, две схемы
управления воротами, снабжёнными пневматическим приводом
(рис. 56).
Несмотря на то что в схеме на рис. 56, а исходная позиция
бистабильного пневматического распределителя 1.1 обеспечивает
втянутое положение штока цилиндра, а в схеме на рис. 56, б – выдвинутое, мы рассматриваем, по существу, одну и ту же схему, но описывающую различные исходные состояния пневматического привода.
а
б
Рис. 56. Использование бистабильного 5/2 пневматического
распределителя для управления ПЦ
Причём эти исходные состояния определяются даже не особенностями схемы, а, скорее, «особенностями оператора». Так, оператор,
действующий по схеме на рис. 56, а, предпочитает работать в режиме
«закрыл – открыл», в то время как для его сменщика удобнее режим
«открыл – закрыл», показанный на рис. 56, б.
Очевидно, что после кратковременного нажатия на пневматическую кнопку 1.2 схема на рис. 56, а трансформируется в схему
рис. 56, б, а после кратковременного воздействия на кнопку 1.3 –
в схему рис. 56, а.
81
Можно сказать, что бистабильные пневматические распределители способны запоминать последний поданный сигнал управления
(рис. 57).
Действительно, и в 4/2 пневматическом распределителе с плоским золотником (рис. 57, а), и в 5/2 пневматическом распределителе
(рис. 57, б) даже после снятия сигнала в линии управления Х переключающий элемент остаётся в крайнем правом положении до тех
пор, пока не поступит команда в линию управления Y.
а
б
Рис. 57. Бистабильные 4/2 и 5/2 пневматические
распределители с пневматическим управлением
Так как площади управляющих поршней в бистабильных пневматических распределителях одинаковы, то в том случае, когда в обоих
каналах управления распределителя присутствуют сигналы, он будет
устанавливаться в позицию, определяемую сигналом, который пришёл первым.
Это свойство бистабильных пневматических распределителей
часто используют в пневматических системах управления пневматических приводов.
В случае пневматических распределителей, у которых органы
управления ЗРЭ удерживаются в рабочих позициях силами трения
и их устанавливают на производственных машинах с повышенным
уровнем вибрации, их положение должно быть строго горизонтальным.
В противном случае может произойти самопроизвольное переключение ЗРЭ в нижнюю позицию, если распределитель расположен
большой осью симметрии вертикально или под углом.
82
Бистабильные пневматические распределители с электропневматическим управлением (рис. 58) по существу представляют собой
комбинацию двух пилотных электроуправляемых 3/2 пневматических
распределителей 1 и базового распределителя 2 с двусторонним
пневматическим управлением.
Рис. 58. Бистабильный 5/2 пневматический распределитель
с электропневматическим управлением
Сжатый воздух подводится к пилотным распределителям, располагающимся, как правило, на торцах базового распределителя, по
специальным каналам 3, выполненным в корпусе базового распределителя и соединённым с каналом питания Р (рис. 58).
При подаче напряжения питания на одну из электромагнитных
катушек срабатывает (т. е. открывается) соответствующий пилотный
распределитель, пропуская сжатый воздух к торцу ЗРЭ основного
распределителя, что приводит к его переключению.
Иногда распределители такого типа в технической литературе
называют импульсными, поскольку для их срабатывания достаточно
подать кратковременный (импульсный) управляющий сигнал.
2.3.4. Монтаж пневматических распределителей
Способы монтажа пневматических распределителей обусловливаются их монтажно-коммуникационными параметрами, т. е. вариантами присоединения внешних пневматических линий, крепления
отдельных аппаратов и их компоновки в единую систему (рис. 59).
Монтаж может быть индивидуальным и групповым.
83
При индивидуальном монтаже каждый аппарат крепят и присоединяют к системе без общих коммуникационных и монтажных
деталей, трубопроводов или каналов в корпусных деталях машин,
узлов, приспособлений и т. п.
а
б
в
г
Рис. 59. Способы монтажа пневматических распределителей:
а – индивидуальный монтаж; б – стыковой индивидуальный плитный монтаж
на одиночную (одноместную) монтажную плиту; в – групповой плитный монтаж
на многоместную монтажную плиту; г – модульный монтаж
Индивидуальный монтаж может быть резьбовым (трубным) или
стыковым.
При резьбовом монтаже (рис. 59, а) пневматические распределители устанавливают на корпусных деталях машин и подключают
к пневматической системе посредством соединений (фитингов), ввинчиваемых непосредственно в резьбовые отверстия, которые предусмотрены в корпусе распределителя.
При стыковом монтаже (рис. 59, б) пневматические распределители, все присоединительные отверстия которых расположены с одной
стороны, устанавливают на специальные монтажные плиты, через которые осуществляются их коммутация с пневматической системой
и фиксация на технологической установке.
Такой способ монтажа позволяет заменять распределители без
демонтажа трубопроводов. На практике такой способ монтажа в среде
профессионалов часто называют плитным монтажом.
Если места установки пневматических распределителей не регламентированы, то размещают их как можно ближе к исполнительному механизму (приводу), что позволяет повысить быстродействие,
уменьшить непроизводительные потери сжатого воздуха и суммарную длину трубопроводов.
84
В частности, чем ближе распределитель установлен к пневматическому цилиндру двустороннего действия, тем на большее расстояние (от блока подготовки воздуха до пневматического распределителя) прокладывают один трубопровод, а не два (от распределителя
к цилиндру).
Пневматические распределители с ручным управлением, приводом которых является рычаг, рукоятка и т. п., монтируют таким образом, чтобы орган управления:
– перемещался в направлениях, совпадающих с соответствующими направлениями движения механизма, и в любой позиции был
в пределах досягаемости оператора в обычном рабочем положении
последнего;
– не создавал помех своими перемещениями рабочим движениям оператора;
– в связи с особенностями своего расположения не вынуждал
оператора совершать какие-либо действия в непосредственной близости от вращающихся или движущихся частей механизмов.
При групповом монтаже аппараты крепят и подсоединяют
к системе с помощью общих или унифицированных монтажных
и коммуникационных деталей.
Различают блочный и модульный групповой монтаж.
Так, блочный монтаж (рис. 59, в) осуществляют путём установки пневматических распределителей стыкового исполнения на общую
многоместную монтажную плиту, в которой выполнены каналы питания и выхлопа.
Если предполагается дальнейшее развитие пневматической системы, то устанавливают плиту с резервными посадочными местами,
которые закрывают специальными заглушками.
Для модульного монтажа (рис. 59, г) характерно формирование
общих каналов питания и выхлопа при состыковке боковых плоскостей распределителей или монтажных плит.
Отдельные модули соединяют в блоки с помощью стяжек либо
концевых плит.
Уплотнительные кольца круглого поперечного сечения, установленные в цилиндрических расточках присоединительных отверстий,
обеспечивают герметичность соединений подводящих и отводящих
каналов.
Преимущество такого способа монтажа состоит в том, что
в случае изменения конфигурации системы допускается увеличение
или сокращение числа модулей, составляющих блок, без нарушения
работы входящих в него компонентов.
85
Несмотря на очевидные преимущества пневматических распределителей непосредственно у исполнительных механизмов, наиболее
часто в сложных технологических системах с электропневматическими распределителями применяют блочный монтаж.
При этом пневматические распределители в совокупности
с электронными блоками управления объединяют в единые конструктивные сборки, которые получили наименование пневматических
островов (рис. 60), управляемых промышленными контроллерами или
функционирующих автономно.
Рис. 60. Пневматические острова
Компактность расположения пневматических распределителей
значительно упрощает пусконаладочные и ремонтные работы и облегчает их коммуникацию с электронной системой управления.
2.3.5. Определение параметров пневмораспределителей
Выбор пневматического распределителя по промышленным
каталогам заключается в определении (выборе) модели, которая сочетает в себе множество требуемых параметров и характеристик:
– необходимую схему коммутаций рабочих каналов;
– вид управления;
– способ монтажа;
– габаритные размеры;
– пропускную способность (расходные характеристики);
– рабочее давление.
Правильный выбор пневматических распределителей, в особенности по расходным характеристикам, имеет огромное значение при
86
проектировании пневматических приводов с заданными выходными
параметрами.
Определение требуемой расходной характеристики распределителя представляет собой достаточно сложную задачу из-за необходимости учитывать размеры и скорости перемещения выходного звена
исполнительного механизма, внешнюю нагрузку, сопротивления подводящих и отводящих трубопроводов и другие факторы.
Чтобы упростить процедуру выбора пневматического распределителя из числа серийно выпускаемых, производители пневматического оборудования приводят в технической документации экспериментальные данные по их пропускной способности.
В настоящее время применяют три способа задания расходных
характеристик.
1. Расходная характеристика выражается величиной объёмного
расхода QН (Нл/мин) при технических нормальных условиях
(t = +20 оС, рН = 101,3 кПа). Схема установки для определения пропускной способности (расходной характеристики) пневматических
устройств представлена на рис. 61.
2. Расходная характеристика задаётся параметром, характеризующим сопротивление распределителя. В качестве такого параметра
применяют пропускную способность КV, представляющую собой
расход (м3/ч) жидкости с плотностью 1 кг/дм3 (например, воды), пропускаемой распределителем (или другим устройством) при перепаде
давления на нём 1 кгс/см2.
За рубежом в качестве характеризующего параметра, идентичного Кv, применяется параметр, называемый коэффициентом пропускной способности СV.
Рис. 61. Схема установки для определения пропускной
способности пневматических распределителей
Параметр представляет собой расход воды в американских
(1 американский галлон = 3,785 литра) или английских галлонах
87
(1 английский галлон = 4,546 литра) за одну минуту при перепаде
давления 1 psi (фунт-сила на квадратный дюйм), 1psi = 0,068 95 бар
или 1 бар = 14,5 psi.
Между параметрами Кv и Cv также имеются определённые соотношения: 1 Кv = 0,853 Сv и 1 Сv = 1,16 Кv.
3. Расходная характеристика представляется в виде графика, который отражает зависимость объёмного расхода воздуха через распределитель (при нормальных технических условиях) от перепада
давления на нём при определённом давлении на входе, или серией
графиков для различных давлений на входе.
Хотя размеры присоединительных отверстий не характеризуют
пропускную способность пневматических распределителей, для ориентировочного выбора необходимого типоразмера распределителя
можно пользоваться данными, приведёнными в табл. 4.
Таблица 4
Ориентировочное соотношение номинальных расходов
и размеров присоединительных отверстий
пневматических распределителей
Диаметр
цилиндра,
мм
до 12
12–25
25–50
50–100
150–200
200–320
Размер присоединительных отверстий
Условный
проход,
мм
1,5
2,5
3,5
7,0
12,0
18,7
М3
М5
G1/8
G1/4
G1/2
G3/4, G1
Нормальный
номинальный
расход, Нл/мин
до 80
до 200
до 500
до 1 140
до 3 000
до 6 000
Завершая рассмотрение пневматических распределителей, необходимо пояснить, почему они отнесены к основным управляющим
элементам пневматических САУ.
Теперь мы знаем, что при помощи пневматических распределителей в системах управления пневматического привода перераспределяются потоки сжатого воздуха и тем самым обеспечивается движение штока ПЦ.
Дело в том, что распределитель как конструктивный элемент
присутствует не только в направляющей и регулирующей подсистемах, но и в логико-вычислительной и информационной подсистемах.
88
При этом он может либо составлять конструктивную часть элемента любой из данных подсистем, либо сам является таким элементом.
Как бы то ни было, понимание принципов действия, и устройства распределителей служит основой представления о работе всей
пневматической системы управления в целом.
2.3.6. Запорные элементы
К запорным элементам в пневмоавтоматике относятся устройства, обеспечивающие полное перекрытие потока сжатого воздуха, –
обратные клапаны, пневматические замки, клапаны.
Обратные клапаны. Конструкция и принцип действия обратного клапана достаточно просты (рис. 62). Обратный клапан предназначен для пропускания потока сжатого воздуха только в одном
направлении и полного его перекрытия – в обратном направлении.
Рис. 62. Конструкция обратного клапана
Герметичное закрытие обратного клапана при движении потока
в обратном направлении обеспечивается не только встроенной
пружиной, но и воздействием давления сжатого воздуха на его запорно-регулирующий элемент.
Символ пружины включают в условное графическое обозначение обратных клапанов в том случае, когда необходимо подчеркнуть
следующее: клапан открывается при условии, что давление на входе
превышает давление на выходе и усилие (давление) пружины.
Следует также помнить о том, что обратные клапаны с пружиной вызывают большее падение давления при прямом направлении
подачи сжатого воздуха и обладают, как правило, большей герметичностью при обратной подаче воздуха.
Обратные клапаны, которые при подаче управляющего сигнала
на встроенный в их корпус приводной механизм могут быть принудительно открыты, называются блокирующими клапанами, или пневматическими замками (рис. 63).
89
Блокирующие клапаны бывают двух видов:
– однонаправленные;
– двунаправленные.
а
б
в
Рис. 63. Конструкция и принцип действия
однонаправленного блокирующего клапана
Однонаправленные блокирующие клапаны. Блокирующие
пневматические клапаны устанавливаются (вворачиваются) в крышки
пневматических цилиндров.
Клапан резьбой порта 2 ввернут в крышку полости ПЦ и при отсутствии управляющего пневматического сигнала на входе 21 находится в состоянии покоя (рис. 63, а).
В данном состоянии сжатый воздух может двигаться только
в направлении от порта 1 в полость порта 2, преодолевая сопротивление возвратной пружины, и далее в полость ПЦ (рис. 63, б).
В обратном направлении (из полости ПЦ) воздух двигаться не
может, так как клапан закрыт. На затвор клапана снизу действует
пружина и давление сжатого воздуха из полости.
Затвор клапана, таким образом, выполняет функцию однонаправленного клапана, поскольку позволяет проходить воздуху только
в одном направлении.
При подаче управляющего пневматического сигнала на вход 21
создаётся воздействие (усилие) на подвижный поршень, расположенный в верхней части клапана (рис. 63, в).
90
Требуемое усилие на поршне через шток передаётся на затвор,
вызывает его перемещение вниз, сжимая пружину и противодействуя
силе давления в полости порта 2.
При наличии управляющего сигнала на входе 21 позволяет двигаться воздуху в двух направлениях.
Запорные клапаны. В шаровых запорных клапанах (рис. 64)
поток сжатого воздуха полностью перекрывается при повороте запорно-регулирующего элемента (шара с выполненным в нём сквозным отверстием) на 900.
а
б
Рис. 64. Конструкция шарового клапана
а – с ручным управлением; б – с пневматическим управлением
Клапаны с пневматическим и электрическим управлением широко применяют в автоматизированных производствах, содержащих
разветвлённую сеть трубопроводов, например в пищевой, химической
и других отраслях промышленности.
2.3.7. Устройства регулирования расхода
Расход сжатого воздуха в пневматических приводах обычно регулируют с целью управления скоростями движения выходных звеньев исполнительных механизмов.
К примеру, чем больше расход воздуха, поступающего в полости пневматического цилиндра, тем выше скорость перемещения штока.
Простейшим пневматическим элементом, позволяющим регулировать расход воздуха, является дроссель (рис. 65).
Дроссель – это устройство, обеспечивающее существенное
уменьшение площади проходного сечения канала, по которому дви91
жется сжатый воздух. Установка дросселя в пневматической линии
приводит к возникновению дополнительного местного сопротивления
движению потока воздуха, что обусловливает снижение расхода.
По существу, дроссель представляет собой щель некоторой длины, имеющую определённые размеры проходного сечения.
При этом площадь проходного сечения в зависимости от конструктивного исполнения дросселя либо остаётся постоянной, либо
может изменяться путём вращения регулировочного винта. Соответственно дроссель называется либо нерегулируемым (постоянным)
(рис. 65, а), либо регулируемым (рис. 65, б).
Если длина щели превышает её диаметр, дроссель принято называть ламинарным, в противном случае – турбулентным.
а
б
Рис. 65. Конструкция пневматического дросселя
а – нерегулируемого; б – регулируемого
При установке дросселя в трубопроводе расход будет снижаться
при протекании потока в любом из возможных направлений.
Если возникает необходимость регулировать расход только
в одном направлении и обеспечить свободное протекание потока сжатого воздуха в обратном направлении, то в пневматическую линию
устанавливают дроссель с обратным клапаном (рис. 66).
В нормальном состоянии тарельчатый обратный клапан 5,
в центральной части которого выполнено дросселирующее отверстие 3,
прижат к седлу 4 пружиной 2.
В случае, когда сжатый воздух поступает из канала А в канал В,
он протекает только через это отверстие, проходное сечение которого
(а следовательно, и расход) можно изменять посредством регулировочного винта 1.
92
Движение воздуха в обратном направлении сопровождается
подъёмом обратного клапана с седла, что позволяет потоку беспрепятственно протекать из канала В в канал А с минимальными потерями давления.
Рис. 66. Пневматический дроссель с обратным клапаном
Таким образом, поток воздуха дросселируется при движении
через дроссель с обратным клапаном в одном направлении и свободно
протекает через обратный клапан при движении в противоположном
направлении.
Как правило, на корпусах пневматических дросселей с обратным клапаном присутствует условное графическое обозначение,
на котором расположение обратного клапана относительно присоединительных отверстий строго соответствует его позиции в реальной
конструкции. Иногда обозначение заменяют стрелкой, указывающей
направление дросселирования потока.
Это делается для предотвращения неправильной установки данного элемента в пневматической системе.
Примеры использования дросселей и дросселей с обратным клапаном для регулирования движения штока пневматического цилиндра
одностороннего действия приведены на рис. 67.
При установке регулируемого дросселя без обратного клапана
(рис. 67, а) скорости прямого и обратного ходов взаимосвязаны, поскольку и входящий в цилиндр, и исходящий из него потоки воздуха
проходят через одно и то же сечение дросселирующей щели.
С целью регулирования скорости выдвижения штока (рис. 67, б)
необходимо применять дроссель с обратным клапаном, причём
обратный клапан должен быть закрыт при поступлении воздуха в цилиндр.
93
Для регулирования скорости втягивания штока (рис. 67, в) дроссель необходимо устанавливать таким образом, чтобы сжатый воздух
свободно поступал в полость цилиндра через обратный клапан, а выходил из полости цилиндра через дроссель.
а
б
в
Рис. 67. Регулирование скорости движения штока ПЦ
одностороннего действия
Управлять скоростью выходного звена пневматических цилиндров двустороннего действия можно дросселированием воздуха в линии нагнетания (регулирование на входе) или линии выхлопа (регулирование на выходе) (рис. 68).
Для примера рассмотрим регулирование скорости прямого хода
(выдвижение) штока пневматического цилиндра двустороннего действия.
При дросселировании поступающего сжатого воздуха (регулирование на входе – рис. 68, а) рабочая полость цилиндра заполняется
медленно, столь же медленно возрастает и давление в ней.
В связи с этим давление в рабочей полости сильно зависит от
колебаний значений нагружающего усилия, а восприятие цилиндром
попутной нагрузки (направление действия которой совпадает с направлением движения штока) становится практически невозможным.
По этой причине скорость движения штока пневматического
цилиндра двустороннего действия регулируется преимущественно
дросселированием воздуха, вытесняемого из полости выхлопа цилиндра (регулирование на выходе – рис. 68, б).
Сжатый воздух при такой схеме включения дросселя с обратным клапаном свободно поступает в поршневую полость цилиндра,
94
тогда как в штоковой полости создаётся «подпор сжатым воздухом»,
тормозящий поршень.
а
б
в
Рис. 68. Регулирование скорости движения штока ПЦ
двустороннего действия
При этом в обеих полостях поддерживается высокий уровень
давления, что обеспечивает плавный ход поршня, практически не зависящий от колебаний значения нагружающего усилия на штоке.
Для независимого регулирования скоростей прямого и обратного ходов дроссели с обратными клапанами устанавливают в обеих
пневматических линиях, подсоединённых к полостям цилиндра
(рис. 68, в).
При такой схеме установки сжатый воздух свободно проходит
в рабочие полости цилиндра через обратные клапаны и вытесняется
из полостей через дроссели, создающие сопротивление отработавшему воздуху.
Часто дроссели как устройства регулирования скорости движения выходного звена исполнительного механизма устанавливают непосредственно на этом механизме либо на исполнительном (главном,
силовом) распределителе. В таких случаях применяют, конструкции,
которые получили название ввертных (рис. 69).
Дроссели с обратным клапаном (рис. 69, а) ввинчиваются в места установки пневматических соединений (фитингов) на исполнительных механизмах, а выхлопные дроссели (рис. 69, б), представляющие собой пневматические глушители с встроенной дроссельной
иглой, – в выхлопные отверстия (линии 3 и 5) пневматических распределителей.
Применение выхлопных дросселей становится малоэффективным, если линия подвода воздуха от пневматического цилиндра
до распределителя имеет значительную длину, и еще более неэффективным, если к этому добавляется такой фактор, как малые размеры
цилиндров (малые размеры хода и диаметр цилиндра).
95
При наличии данных факторов объёмы опорожняемых полостей
цилиндров незначительны и сопоставимы с внутренними объёмами
соединительных трубопроводов.
а
б
Рис. 69. Конструкции ввертных дросселей:
а – с обратным клапаном; б – без обратного клапана
(установка в линию выхлопа распределителя)
По этим причинам перемещение поршня цилиндра не вызывает
значительного повышения давления в выхлопном трубопроводе, какое требуется для обеспечения эффективного регулирования скорости
движения выходного звена.
Преимущество ввертных конструкций состоит в невозможности
их неправильной установки, поскольку единственное имеющееся
в них резьбовое соединение однозначно определяет коммутацию
с сопрягаемым устройством.
На принципиальных пневматических схемах при использовании
позиционных обозначений в виде цифровых индексов устройствам,
регулирующим скорость, присваиваются трехзначные индексы
(см. табл. 3).
Разделённые точкой первые две цифры этих индексов указывают на исполнительный механизм, скорость движения которого регулируется (рис. 70). Следует напомнить, что в индексе чётная цифра
после точки означает, что устройство задействуется в процессе выдвижения штока цилиндра, а нечетная – в процессе втягивания.
На первый взгляд, можно сделать вывод о том, что исполнительный механизм будет двигаться с максимально возможной скоростью, если в его выхлопной магистрали отсутствуют дросселирующие
устройства. Однако нельзя забывать, что пневматические линии
96
представляют собой гидравлические сопротивления на пути сжатого
воздуха.
Рис. 70. Регулирование скорости движения штока ПЦ
Чтобы отработавший воздух был сброшен в атмосферу, его необходимо «продавить» как минимум через трубопроводы и каналы
распределителя. Поэтому очевидно следующее: максимально возможную скорость исполнительный механизм разовьёт лишь в том
случае, если сброс воздуха в атмосферу будет осуществляться непосредственно за его рабочей полостью.
Реализовать этот вариант можно путём применения клапана
быстрого выхлопа (рис. 71), который, с одной стороны, свободно пропускает сжатый воздух к исполнительному механизму, а с другой –
сбрасывает отработавший воздух непосредственно в атмосферу.
Рис. 71. Конструкция клапана быстрого выхлопа
При подаче сжатого воздуха в канал А запорный элемент смещается в сторону отверстия выхлопа R и перекрывает его, освобождая
97
путь в канал В. Подача воздуха в канал В сопровождается перекрытием канала А (т. е. отсечением присоединённых пневматических линий) и сбросом отработавшего воздуха в атмосферу через канал R.
Условное графическое обозначение клапана быстрого выхлопа
чётко и достоверно отражает принцип его функционирования.
Клапаны быстрого выхлопа на пневматических принципиальных схемах управления также обозначают трёхзначными цифровыми
индексами (рис. 72).
Рис. 72. Принципиальная пневматическая схема
управления с клапанами быстрого выхлопа
Регулирование скорости движения исполнительных механизмов
не ограничивается только использованием дросселей и клапанов
быстрого выхлопа.
Существует множество схемных решений с применением
клапанов давления, дополнительных ёмкостей, внешних тормозных
устройств и др.
Все указанные способы регулирования, как правило, связаны
с необходимостью размещения дополнительных устройств и вследствие этого обусловливают увеличение размеров, массы и стоимости
привода.
2.3.8. Устройства регулирования давления
Необходимость регулирования давления в пневматических системах обусловлена рядом причин.
Так, при работе оборудования на малых давлениях резко снижается КПД, и в то же время давление выше оптимального приводит
98
к интенсивному его износу при незначительном повышении производительности.
Кроме того, поддержание заданного давления в рабочих полостях исполнительных механизмов обеспечивает постоянство развиваемого ими усилия либо скорости движения выходного звена, что является обязательным требованием при создании многих технологических установок.
Задача регулирования давления в пневматических системах решается посредством клапанов давления: предохранительных и редукционных (регуляторов давления) (рис. 73).
а
б
в
Рис. 73. Пневматические клапаны давления:
а – предохранительный; б – редукционный двухлинейный;
в – редукционный трёхлинейный
Пневматические клапаны давления. Назначение предохранительных клапанов (рис. 73, а) заключается в предотвращении повышения давления в контролируемых точках сверх заданного уровня
путём автоматического сброса части сжатого воздуха в атмосферу.
Предохранительные клапаны устанавливают на специальных
патрубках, присоединительных трубопроводах или непосредственно
на пневматических ёмкостях в местах, удобных для осмотра, монтажа
и эксплуатации.
При установке в пневматических системах предохранительные
клапаны настраивают на заданное давление срабатывания и затем
пломбируют.
Назначение редукционных клапанов (рис. 73, б, в) – поддерживать относительно стабильный уровень давления на выходе (ниже величины давления питания на входе) независимо от колебаний давления, имеющих место в системе подачи воздуха перед клапаном,
а также при изменении расхода воздуха после клапана.
Редукционные клапаны монтируют, как правило, в конкретных
точках пневматических систем производственных установок, либо
они входят в состав блоков подготовки воздуха.
99
Принципиальные отличия между двумя рассмотренными типами клапанов состоят в следующем:
– предохранительные клапаны контролируют давление «до себя»
(«перед собой»), а редукционные клапаны – «после себя» («за собой»);
– предохранительные клапаны являются нормально закрытыми
клапанами, а редукционные клапаны – нормально открытыми клапанами.
При выборе клапанов давления следует принимать во внимание
следующие характеристики:
– диапазон рабочих давлений;
– диапазон рабочих температур;
– номинальный расход;
– размеры присоединительных отверстий.
Традиционные варианты использования клапанов давления
в пневматических системах представлены на рис. 74.
Рис. 74. Пример использования пневматических
клапанов давления
Предохранительный клапан 0.4 ограничивает уровень давления
в ресивере 0.1, а клапаны 2.01 и 2.02 создают «подпор» в рабочих полостях пневматического цилиндра 2.0. Посредством этих клапанов
фактически регулируется скорость движения штока цилиндра 2.0.
100
Подобная схема регулирования обеспечивает стабильность скоростных характеристик при изменении величины нагрузки на штоке цилиндра.
Редукционный клапан 1.02 поддерживает на постоянном уровне
усилие, развиваемое пневматическим цилиндром 1.0 при прямом
ходе.
Чтобы обеспечить свободный возврат пневматического цилиндра 1.0 в исходную позицию, параллельно редукционному клапану 1.02
устанавливают обратный клапан 1.01.
Следует обратить внимание, что предохранительные клапаны 2.01 и 2.02 отличаются по конструктивному исполнению от клапана 0.4, поскольку к их выхлопному отверстию можно присоединить
резьбовые соединения либо пневматические глушители (рис. 75),
и они являются регулируемыми.
Предохранительный клапан ограничивает уровень давления
сжатого воздуха, подводимого к каналу Р и воздействующего на подпружиненную мембрану 1 (рис. 75), в жёстком центре которой установлен тарельчатый клапан 2, перекрывающий проход к каналу А.
Когда давление становится достаточным для преодоления усилия
пружины, клапан открывается, пропуская сжатый воздух в канал А.
Рис. 75. Пневматический предохранительный
клапан
Кроме описанных клапанов с ручной настройкой уровня контролируемого давления существуют также клапаны давления с внешним
дистанционным управлением (рис. 76).
101
Внешнее дистанционное управление может быть:
– механическим – уровень давления зависит от положения некоторого технологического объекта, с которым орган управления клапаном связан кинематической связью (рис. 76, а);
– пневматическим – уровень контролируемого давления задаётся значением давления в некоторой точке пневматической системы
(рис. 76, б);
– пропорциональным – клапан регулирует давление пропорционально заданной силе тока или напряжения соленоида управления
(рис. 76, в).
а
б
в
Рис. 76. Пневматические клапаны давления
с внешним управлением:
а – механическим; б – пневматическим;
в – пропорциональным
Клапаны с пропорциональным управлением являются наиболее
универсальными с точки зрения возможностей автоматизации управления сложными технологическими объектами, поскольку в соответствующий аналоговый электрический сигнал можно преобразовать
и перемещение, и давление (а также другие физические величины).
Кроме того, применение клапанов давления с пропорциональным управлением позволяет осуществлять программное управление
уровнем давления в пневматической системе с помощью промышленных контроллеров.
2.4. ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДСИСТЕМА
Пневматические элементы, входящие в информационную (сенсорную) подсистему управляющей части пневматического привода,
предназначены для пуска и останова технологического процесса,
102
а также для сбора информации о ходе его выполнения. Полученная
информация в виде пневматических сигналов при необходимости обрабатывается в логико-вычислительной (процессорной) подсистеме
и передаётся в направляющую и регулирующую подсистему силовой
части привода для управления исполнительными механизмами.
Рассмотренные ранее пневматические распределители с механическим управлением в большинстве своём входят в состав информационной подсистемы.
Действительно, пневматические распределители, управляемые
мускульной силой человека, вводят в систему команды оператора,
а пневматические распределители с управлением от толкателей и роликов – команды от контролируемых объектов технологической установки.
Поскольку в ходе выполнения технологических операций происходит постоянное перемещение выходных звеньев исполнительных
механизмов, пневматические распределители, контролирующие
положение выходных звеньев исполнительных механизмов, часто называют пневматическими путевыми (или конечными) выключателями.
Контрольные вопросы и задания
1. Охарактеризуйте составные части конструкции пневматических цилиндров.
2. Приведите классификационные признаки классификации ПЦ.
3. Какие способы и принадлежности для креплений ПЦ к опорным поверхностям существуют?
4. Какие способы и принадлежности для соединений штоков
пневматических цилиндров с объектами управления вы знаете?
5. Какими исходными данными необходимо располагать для
расчёта и выбора пневматических цилиндров?
6. Какое устройство называют пневматическим распределителем?
7. Что означает термин «структура пневматического распределителя»?
8. Какие стандартные структуры пневматических распределителей применяются для реализации принципиальных пневматических
схем управления пневматических приводов?
9. В чём разница между прямым и непрямым способами управления пневматическими цилиндрами?
103
10. Опишите цифровую маркировку (индикацию) присоединительных каналов пневматических аппаратов.
11. Охарактеризуйте буквенную маркировку (индикацию) присоединительных каналов пневматических аппаратов.
12. Какими пневматическими устройствами обеспечивают регулирование скорости пневматических цилиндров?
13. Какими способами и пневматическими устройствами можно
обеспечить блокировку штока пневматических цилиндров в промежуточных положениях хода штока?
14. Для каких целей в пневматических схемах управления пневматических цилиндров применяют регуляторы давления?
15. Для какой цели в пневматических схемах управления пневматических приводов применяют клапаны быстрого выхлопа?
104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Первая часть данного учебного пособия содержит сведения
о современных пневматических средствах автоматизации, которые
применяются для решения вопросов механизации и автоматизации
технологических процессов.
В данной части пособия рассмотрены конструкции, параметры
и характеристики основных технических устройств и компонентов,
входящих в состав основнополагающих подсистем пневматического
привода. Приведены условия и критерия их выбора в пневматические
системы управления технологических процессов.
Вторая часть учебного пособия предполагает рассмотрение
вопросов правильной компоновки и элементного состава логиковычислительной (процессорной) подсистемы пневматического привода,
различных методик проектирования пневматических принципиальных схем управления пневматическими приводами технологического
оборудования, знакомство с различными формами представления
хода технологического процесса и реализации сервисных функций
в пневматических системах управления.
С учетом того, что качественные параметры сжатого воздуха
предопределяют надёжность и долговечность функционирования
пневматических систем управления, во второй части учебного пособия будут также изложены вопросы правильного расчёта и выбора
основных компонентов компрессорной станции и магистральной
очистки сжатого воздуха, даны рекомендации студентам, на что следует обращать внимание при решении данных вопросов.
Пособие может быть использовано как при изучении лекционного материала, так и при курсовом и дипломном проектировании
студентами направлений подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 27.03.04 «Управление в технических системах».
Кроме указанных направлений подготовки данное пособие
может быть полезным и рекомендуется при изучении отдельных разделов и тем дисциплин (курсов) «Электропривод и автоматизация
оборудования лесного комплекса» и «Автоматика и автоматизация
производственных процессов» для студентов направления подготовки
15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профили подготовки «Машины и оборудование лесного комплекса» и «Проектирование машин и оборудования лесного комплекса».
105
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наземцев, А. С. Гидравлические и пневматические системы.
Ч. 1. Пневматические приводы и средства автоматизации : учеб. пособие / А. С. Наземцев. – М. : Форум, 2004. – 240 с.
2. Пневматика для всех. От теоретических основ к практическим навыкам : пособие для студентов колледжей и вузов, изучающих
приводы и системы, гидропневмоавтоматику, АПП, робототехнику,
мехатронику. – Чашниково : Камоцци Пневматика, 2017. – 254 с.
3. Пневматическая аппаратура, 2018–2019 = Camozzi : большой
каталог. Версия 8.7. – [Чашниково?] : Камоцци Пневматика, [2018?]. –
1207 с.
4. Пневматическая аппаратура, 2019–2020 = Camozzi : большой
каталог. Версия 8.8 [Электронный ресурс]. – [Чашниково?] : Камоцци
Пневматика, [2019?]. – 1207 с. // Catalog.camozzi.ru. : сайт. – URL:
http://catalog.camozzi.ru/# (дата обращения: 23.01.2020).
5. Схиртладзе, А. Г. Гидравлические и пневматические системы :
учебник для сред. проф. учебных заведений / А. Г. Схиртладзе,
В. А. Иванов, В. Н. Кареев ; под ред. Ю. М. Соломенцева. – М. :
Высш. шк., 2006. – 534 с.
106
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А
Перечень ключевых слов
Автоматизация
Бистабильный распределитель
Датчик
Золотник
Клапан
Маслораспылитель
Моностабильный распределитель
Пневматические коммуникации
Пневматический привод
Пневматический распределитель
Пневматическая схема управления
Пневматический цилиндр
Позиционирование
Регулятор давления
Системы автоматизации
Средства автоматизации
Шток
Фильтр
Фитинг
107
Приложение Б
(справочное)
Пневматические символы и обозначения пневматических элементов
и устройств на пневматических принципиальных схемах управления
систем автоматизации
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
Учебно-теоретическое издание
Драчёв Валерий Андреевич
ЭЛЕМЕНТЫ И СХЕМЫ
ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
Учебное пособие
123
Редактор Т. Л. Патюкова
Оригинал-макет и верстка М. А. Светлаковой
Подписано в печать 18.03.2021. Формат 60×84/16. Бумага офисная.
Печать плоская. Усл. печ. л. 7,2. Уч.-изд. л. 8,4. Тираж 50 экз.
Заказ
. С 57/21.
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№ 24.49.04.953.П.000032.01.03 от 29.01.2003 г.
Редакционно-издательский отдел СибГУ им. М. Ф. Решетнева.
660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.
E-mail: rio@mail.sibsau.ru. Тел. (391) 201-50-99.
Отпечатано в редакционно-издательском центре
СибГУ им. М. Ф. Решетнева.
660049, г. Красноярск, просп. Мира, 82.
Тел. (391) 227-69-90.
124