Расходные характеристики распределителя
Она выполнена таким образом, что канал питания 1(Р) и канал выхлопа 3(R) можно поменять местами, а управляющая головка с каналом 12(Z) может быть повернута на 180.
Распределитель с управлением от ломающегося рычага с роликом
Распределитель с управлением от ломающегося рычага включается только в том случае, если переключающий толкатель воздействует на ролик в одном определенном направлении. Распределитель устанавливается в качестве конечного выключателя для опроса положения втягивающегося и выдвигающегося штока цилиндра.
При этом необходимо обратить внимание на то, что клапан при монтаже должен быть сориентирован таким образом, чтобы он включался только при желаемом направлении движения.
Конструкция этого распределителя также позволяет применять его как в качестве нормально закрытого, так и в качестве нормально открытого распределителя. Она выполнена таким образом, что канал питания 1(Р) и канал выхлопа 3(R) можно поменять местами, а управляющая головка с каналом 12(Z) может быть повернута на 180 .
Рис. 4.15. 3/2-распределитель с непрямым управлением от рычага с роликом, нормально открытый
4/2-распределители
4/2-распределитель имеет 4 канала подвода/отвода воздуха и 2 позиции переключения.
Рис. 4.16. 4/2-распределитель с тарельчатым запорным элементом, позиция Выключено
4/2-распределитель выполняет такие же функции, как и комбинация двух 3/2-распределителей, один из которых должен быть нормально открытым, а другой - нормально закрытым.
Рис. 4.17. 4/2-распределитель с тарельчатым запорным элементом, позиция Включено
При одновременном воздействии на оба толкателя сначала перекрываются проходы между каналами 1(Р) и 2(B) и между каналами 4(A) и 3(R). По мере дальнейшего перемещения толкателей уже вместе с клапанными запорными элементами против силы действия пружин открываются проходы между каналами 1(Р) и 4(A) и между каналами 2(B) и 3(R).
После снятия управляющего воздействия на толкатели распределитель возвращается в исходное положение под действием возвратной пружины. 4/2-распределители используются для управления цилиндрами двустороннего действия.
Имеются также 4/2-распределители с односторонним пневматическим управлением и возвратной пружиной, с двусторонним пневматическим управлением, с непрямым управлением от рычага с роликом. В качестве органа распределения в них могут использоваться плоские или цилиндрические золотники.
Как правило, 4/2-распределители выполняют такие же функции, как и 5/2-распределители.
Рис. 4.18. Принципиальная схема: прямое управление цилиндром двустороннего действия
В распределителях с плоским золотником коммутация каналов подвода/отвода воздуха осуществляется на плоской поверхности с помощью скользящего по ней плоского запорного элемента. Запорный элемент приводится в движение управляющим поршнем, жестко соединенным с ним.
Рис. 4.19. 4/2-распределитель с двусторонним пневматическим управлением и плоским золотником
Рассматриваемый распределитель имеет прямое двустороннее пневматическое управление. При снятии давления управления управляющий поршень вместе с запорным элементом остается в занятой им позиции до тех пор, пока новый сигнал управления не поступит с противоположного канала управления.
4/3-распределители
4/3-распределитель имеет 4 канала подвода/отвода воздуха и 3 позиции переключения. Примером такого распределителя может служить распределитель с плоским краном, оснащенным ручным или ножным (педальным) управлением.
При повороте плоского крана с выполненными в нем проточками происходит соединение входных и выходных каналов между собой.
с ручным управлением, в нейтральном положении закрыт
Рис. 4.20. 4/3-распределитель
Рис. 4.21. 4/3-распределитель с ручным управлением, поперечное сечение
На конструктивной схеме (рис. 4.21) показан 4/3-распределитель, у которого в средней позиции все каналы перекрыты и не соединяются между собой.
Это позволяет останавливать шток цилиндра двустороннего действия в любом положении по ходу его движения, хотя такое промежуточное положение нельзя обеспечить с достаточной точностью. Из-за сжимаемости воздуха при изменении нагрузки на шток поршень каждый раз будет останавливаться в разных положениях.
Рис. 4.22. Принципиальная схема: прямое управление цилиндром двустороннего действия
5/2-распределители
5/2-распределитель имеет 5 каналов подвода/отвода воздуха и 2 позиции переключения.
Он используется в основном как управляющий элемент пневмосистем управления с цилиндрами двустороннего действия. Примером такого распределителя может служить распределитель с цилиндрическим золотником в качестве подвижного запорного элемента.
Коммутация и перекрытие соответствующих каналов происходит при осевом смещении золотника. В отличие от распределителей с шариковыми и тарельчатыми запорными элементами, управляющее усилие в них, действующее на торец золотника со стороны сжатого воздуха или возвратной пружины, невелико из-
за небольших сил сопротивления. Для управления распределителем с цилиндрическим золотником могут применяться все виды управления - ручное, механическое, пневматическое или электрическое.
Для возвращения распределителя в исходное положение используются те же виды управления.
Рис. 4.23. 5/2-распределитель с двусторонним пневматическим управлением
Управляющее перемещение у золотниковых распределителей больше, чем у клапанных. Кроме того, в цилиндрических золотниках осложнено решение задачи уплотнения.
Как говорят, уплотнение типа металл по металлу требует точной подгонки цилиндрического золотника к отверстию в корпусе или гильзе.
Зазор между золотником и корпусом должен быть в пневматическом распределителе, по возможности, меньше, так как иначе возможны слишком большие утечки. Фактическое значение радиального зазора находится в диапазоне 0,002...0,004 мм. Чтобы как-то снизить стоимость производства золотниковых пар, допустимый зазор несколько увеличивают, а золотник или корпус снабжают уплотнительными кольцами из упругого материала. Уплотнения в виде круглых колец или чашечных манжет могут устанавливаться на золотник, а круглые кольца ¦в корпус.
Во избежание повреждения уплотнений каналы распределителя располагают по окружности золотниковой втулки (корпуса).
Рис. 4.25.
Принципиальная схема: непрямое управление цилиндром двустороннего действия 5/2-распределители обычно устанавливаются в систему вместо 4/2-распределителей. 5/2-распределитель позволяет удалять воздух из рабочих полостей цилиндра по различным каналам выхлопа при выдвижении и втягивании штока.
Функции управления 4/2- и 5/2-распределителей, в основном, одинаковые.
Распределитель с двусторонним пневматическим управлением золотникового типа может быть оснащен уплотняющим элементом в виде тарельчатого седельного клапана, имеющего относительно малый ход переключения. Тарельчатые седельные клапаны, размещенные на золотнике, соединяют канал 1(Р) с каналом 2(B) или 4(A). А клапаны, размещенные на поршеньках, открывают или закрывают соответственно каналы выхлопа.
Кроме того, рассматриваемый распределитель с обеих сторон имеет ручное управление.
Рис. 4.25. 5/2-распределитель с двусторонним пневматическим управлением и вспомогательным ручным управлением, с запорным элементом тарельчатого типа; открыт проток воздуха от канала 1 к каналу 2
5/2-распределитель с двусторонним пневматическим управлением обладает свойством памяти. Распределитель управляется путем попеременной подачи пневматического сигнала в каналы управления 14(Z) и 12(Y).
Позиция переключения сохраняется и после снятия сигнала управления до тех пор, пока не будет подан сигнал управления с противоположной стороны распределителя.
Рис. 4.26. 5/2-распределитель с двусторонним пневматическим управлением и вспомогательным ручным управлением, с запорным элементом тарельчатого типа; открыт проток воздуха от канала 1 к каналу 4
5/3-распределители
5/3-распределитель имеет пять рабочих каналов подвода/отвода воздуха и три позиции переключения. С помощью таких распределителей можно останавливать поршень цилиндра двустороннего действия в любом месте по ходу штока.
При этом в нейтральной позиции распределителя поршень цилиндра останавливается под действием кратковременного повышения давления, а движение поршня начинается со сброса давления в соответствующей полости цилиндра. Если сигнал управления отсутствует в обоих управляющих каналах, то золотник удерживается в нейтральной позиции с помощью центрирующих пружин.
Рис. 4.27. 5/3-распределитель с двусторонним пневматическим управлением; в нейтральном положении все каналы перекрыты
Расходные характеристики распределителя
При выборе распределителя пользователь прежде всего должен обратить внимание на потери давления и расход воздуха, пропускаемый пневматическим распределителем. Выбор распределителя определяется:
- объемом и скоростью поршня цилиндра,
- требуемой частотой переключений,
- допустимыми потерями давления.
Пневмораспределители характеризуются их номинальным расходом.
При расчете величины расхода принимаются во внимание следующие переменные:
p1 - давление на входе распределителя (кПа или бар), р2 - давление на выходе распределителя (кПа или бар),
Ар- перепад давлений (p1 - р2) (кПа или бар),
T1 - температура (К),
qn - номинальный расход (л/мин).
Распределитель испытывается путем прогона через него воздуха в определенных направлениях. При этом измеряются входное и выходное давление воздуха.
По измерениям массы прошедшего через распределитель воздуха определяют номинальный расход.
Сведения о номинальном расходе распределителей можно найти также в каталогах изготовителей.
Надежность работы распределителей
Надежность управления системой в определенной мере зависит от способа крепления концевых выключателей. Концевые выключатели должны конструироваться таким образом, чтобы обеспечивались их простая установка и присоединение.
Это важно для точного определения положения штока цилиндра.
Установка распределителей
Кроме правильного выбора типа распределителей, на надежность работы системы влияет и их монтаж, от которого зависят характеристики переключения, безаварийная работа и возможность доступа для ремонта и обслуживания. Это относится как к распределителям, подводящим питание к цилиндрам, так и к распределителям, выполняющим логико-вычислительные или информационные функции.
Облегчению работ по обслуживанию и ремонту способствуют:
- нумерация элементов системы,
- установка оптических индикаторов,
- наличие полного комплекта документации.
Монтаж распределителей с управлением от рычага с роликом Обычно распределители с ручным управлением, используемые для ввода сигналов, устанавливаются на пульте или панели управления. Поэтому удобно использовать сменные управляющие головки на корпусе базовой конструкции распределителя.
Для выполнения широкого разнообразия вариантов ввода сигналов имеются самые различные конструкции управляющих головок.
Распределители в качестве управляющих элементов (усилителей мощности) определяют рабочие процессы пневматических исполнительных устройств. Основным требованием к управляющим распределителям, которые используются для управления исполнительными устройствами, является обеспечение быстрого реверса последних при подаче нового управляющего сигнала.
Поэтому такие распределители должны располагаться, по возможности, вблизи исполнительных устройств, чтобы сократить длину трубопроводов, а следовательно, и время переключения самих устройств. В идеальном случае распределитель должен устанавливаться непосредственно на исполнительном устройстве, перемещениями которого он управляет, в результате чего сокращаются число промежуточных соединений и длина трубопроводов, а также значительно снижается время монтажа системы.
Глава 5Пневмоаппараты: обратные клапаны, регуляторы расхода, клапаны давления, комбинированные клапаны
Обратные клапаны
Обратные клапаны - это устройства, позволяющие свободно протекать воздуху в одном направлении и закрывающие проход его в противоположном направлении. Конструкция обратного клапана такова, что давление за запорным элементом клапана действует в сторону, противоположную его рабочему перемещению, что увеличивает герметичность пары запорный элемент-седло*.
* В Германии, Австрии и ряде других стран клапаны такого типа называют запорными клапанами. К этому типу клапанов относят (по терминологии, принятой в России) обратные клапаны, логические клапаны, клапаны быстрого выхлопа и запорные краны.
В настоящем переводе, ориентированном на российского читателя и читателей стран СНГ, принята российская терминология. Поэтому в этом разделе учебника базовый элемент клапанов данного типа будет называться собственно обратным клапаном
Собственно обратные клапаны
Собственно обратные клапаны полностью перекрывают проток воздуха в одном из направлений. В противоположном направлении воздух протекает с минимальной потерей давления, то есть сопротивление клапана в этом направлении минимально.
В качестве подвижного запорного элемента могут применяться шарики, мембраны, конические или плоские (тарельчатые, дисковые) запорные элементы.
-CW-
Рис. 5.1. Обратный клапан Логико-вычислительные элементы
Элементы, обладающие свойствами обратного клапана, могут выполнять логические операции над двумя входными сигналами, формируя выходной сигнал управления. В качестве элементов, осуществляющих логические операции, рассмотрим два типа клапанов, имеющих один выходной и два входных канала. Клапан двух давлений, реализующий логическую функцию И, вырабатывает на выходе сигнал только при наличии обоих входных сигналов, а перекидной клапан, реализующий логическую функцию ИЛИ, для получения выходного сигнала требует присутствия на входе хотя бы одного из двух сигналов.
По функциональному назначению эти клапаны относятся к логиковычислительным элементам системы управления.
Клапан двух давлений: логическая И-функция
Этот клапан имеет два входных и один выходной каналы. Сжатый воздух проходит через клапан только в случае подачи сигнала на оба его входа. При подаче одного входного сигнала проход воздуха через клапан блокируется.
Если сигналы появляются на обоих входах X и Y клапана, то последний из поданных сигналов проходит на выход. Если давление входных сигналов различно, то большее по значению давление прижимает подвижный элемент к упору, а на выход проходит сигнал с меньшим давлением.
Клапан двух давлений используется главным образом для блокировки сигналов, реализации условий безопасности, контрольных функций и логических операций.
Рис. 5.2. Клапан двух давлении: логическая И -функция
Рис. 5.3. Принципиальная схема: клапан двух давлений
Принципиальная схема пневматической цепи с клапаном И эквивалентна схеме с последовательным подключением двух информационных устройств (распределителей с управлением от кнопок), то есть -одно за другим (рис.5.4). Пневматический сигнал проходит к управляющему распределителю только при одновременном включении обоих информационных элементов 1.2 и 1.4.
Рис. 5.4. Принципиальная схема: альтернативная реализация И-функции
Недостатком этого варианта схемы является то, что на практике часто между двумя клапанами имеется длинный участок трубопровода, оказывающий сопротивление течению воздуха. Кроме того, сигнал клапана 1.4 не может быть использован в других логических операциях, так как он появляется только при включенном клапане 1.2.
Перекидной клапан: логическая ИЛИ-функция
Этот элемент имеет также два входа, X и Y, и один выход А. Если сжатый воздух подается на вход X, то подвижный элемент клапана прикрывает вход Y, позволяя воздуху проходить на выход А. Если воздух следует на выход А от входа Y, то запирается вход X. При обратном течении сжатого воздуха, то есть когда воздух из полости цилиндра или от распределителя выпускается в атмосферу, подвижный элемент остается в положении последнего переключения и удерживается в нем давлением протекающего через клапан воздуха. Этот клапан также называют клапаном ИЛИ.
Если необходимо управлять цилиндром или управляющим распределителем по двум или более каналам управления, то следует установить один или несколько перекидных клапанов. В представленном примере перемещением цилиндра
можно управлять с помощью любой из двух пневмокнопок, расположенных либо рядом с ним, либо на большом расстоянии от него. Если не устанавливать в схему перекидной клапан, то, например, при нажатии на кнопку 1.2 сжатый воздух главным образом будет поступать не в канал 14(Z) распределителя 1.1, а в канал сброса 3(R) клапана 1.4.
Рис. 5.5. Перекидной клапан: ИЛИ- функция
Рис. 5.6. Принципиальная схема: управление цилиндром от двух входных элементов
Для реализации ИЛИ- функции на три или большее число входов клапаны ИЛИ могут подключаться последовательно, как показано на рис.5.7. Тогда при нажатии на любую из трех пневмокнопок шток цилиндра 1.0 выдвигается.
Рис. 5.7. Принципиальная схема: управление цилиндром от трех входных элементов Клапан быстрого выхлопа
Клапан быстрого выхлопа используется для увеличения скорости перемещения поршня цилиндра при прямом или обратном ходе. Это сокращает время обратного хода цилиндра, что особенно важно для цилиндров одностороннего действия.
За счет снижения сопротивления пнев-молинии, в которой установлен клапан быстрого выхлопа, поршень цилиндра может двигаться практически с максимальной скоростью. При этом воздух сбрасывается в атмосферу через относительно большое выхлопное отверстие.
Клапан имеет поочередно перекрываемые канал давления 1(Р) и атмосферный канал 3(R), а также выходной канал 2(A).
Рис. 5.8. Клапан быстрого выхлопа, воздух протекает от 1(Р) к 2(A)
Если давление подается на вход 1 (Р), то подвижный запорный элемент закрывает выхлопной канал 3(R). Сжатый воздух протекает от 1(Р) к 2(A). Если давление в канале 1(Р) снято, то воздух, поступающий из канала 2(A), перемещает передвижной запорный элемент в сторону канала 1(Р) и закрывает его.
Удаляемый воздух может по кратчайшему пути свободно выходить в атмосферу. Линия сброса воздуха в атмосферу не должна иметь длинных или узких каналов.
Целесообразно клапан быстрого выхлопа устанавливать в непосредственной близости от цилиндра.
Рис. 5.9. Клапан быстрого выхлопа, воздух протекает от 2(A) к 3(R)
Рис. 5.10. Принципиальная схема: клапан быстрого выхлопа Запорный кран
Запорным краном называется устройство, которое непрерывно открывает или закрывает проток воздуха в обоих направлениях. В качестве запорных кранов широко используются вентили с шаровыми и дисковыми запорными элементами.
Рис. 5.11. Запорный кран
Регуляторы расхода
Регуляторы расхода предназначены для управления расходом сжатого воздуха. К регуляторам расхода в пневмоавтоматике относятся дроссели.
Дроссели
Дроссель дозирует расход сжатого воздуха в обоих направлениях течения потока. Дроссель, как правило, является регулируемым.
Он применяется для управления скоростью движения штоков цилиндров. При этом следует обратить внимание на то, что дроссель не должен полностью закрываться.
Рис. 5.12. Дроссель
В зависимости от конструктивного исполнения существует два типа дросселей:
* игольчатые (длина канала дросселя больше, чем его диаметр),
* дроссельная шайба (длина канала дросселя меньше, чем его диаметр).
Дроссель с обратным клапаном
Дроссель с обратным клапаном осуществляет дросселирование воздуха только в одном направлении. Обратный клапан закрывает проток воздуха в этом направлении и воздух может протекать лишь через регулируемое поперечное сечение дросселя.
В обратном направлении воздух имеет свободный проход через открывающийся обратный клапан. Дроссели с обратным клапаном применяются для регулирования скорости поршней пневматических цилиндров.
Они должны устанавливаться в непосредственной близости от цилиндров.
Рис. 5.13. Дроссель с обратным клапаном
Дросселирование в напорной линии
Различают два вида дросселирования при управлении цилиндрами:
- дросселирование в напорной линии,
- дросселирование в линии выхлопа.
При дросселировании в напорной линии дроссель с обратным клапаном устанавливается таким образом, что в цилиндр попадает дросселированный воздух. Удаление воздуха из цилиндра осуществляется свободно через обратный клапан, находящийся в линии выхлопа.
При этом виде дросселирования даже при малых изменениях нагрузки на штоке, например при срабатывании концевого выключателя, возникают значительные изменения скорости перемещения поршня.
Снижение нагрузки в подвижных частях цилиндра (например, нагрузки от возвратной пружины в цилиндре одностороннего действия) вызывает ускорение поршня цилиндра. Поэтому дросселирование в напорной линии применяется при управлении цилиндрами одностороннего действия и цилиндрами малых объемов.
Рис. 5.14. Дросселирование в напорной линии Дросселирование в линии выхлопа
При таком способе регулирования скорости движения поршня воздух свободно проходит в полость цилиндра через обратные клапаны, а вытекает из полости через дроссели, создающие сопротивление протекающему воздуху. В данном случае поршень как бы находится между двумя пневматическими амортизаторами. Первый такой амортизатор формируется за счет сжатого воздуха, втекающего в одну из полостей под давлением, а второй - за счет ограничения расхода воздуха, вытекающего из другой полости в атмосферу. Этот способ дросселирования оказывается более предпочтительным, т.к. скорость поршня менее восприимчива к изменениям нагрузки по ходу движения, и поэтому он используется при управлении цилиндрами двустороннего действия.
Для малых цилиндров из-за незначительного расхода воздуха применяется дросселирование и в напорной линии, и в линии выхлопа.
Рис. 5.15. Дросселирование в линии выхлопа Механически регулируемые дроссели с обратным клапаном
Применяя механически регулируемые дроссели с обратным клапаном, можно изменять скорость поршня цилиндра по ходу его движения. Регулируемым винтом настраивается основная скорость, а с помощью кулачка, который воздействует на роликовый рычаг механически регулируемого дросселя с обратным клапаном, изменяется поперечное сечение дросселя по ходу штока.
Клапаны давления
Клапаны давления - это пневматические элементы, предназначенные для поддержания давления. Различаются следующие три типа клапанов давления:
- регуляторы давления (или редукционные клапаны),
- предохранительные клапаны,
- клапаны последовательности (или реле давления).
Регуляторы давления
Регуляторы давления подробно описаны в разделе В 2.6 Оборудование для подготовки воздуха. Задачей этих устройств является поддержание постоянного давления на выходе, несмотря на колебания давления на входе.
При этом входное давление всегда должно быть больше требуемого выходного.
Рис. 5.16. Механически регулируемый дроссель с обратным клапаном
Рис. 5.17. Регулятор давления Предохранительные клапаны
Эти клапаны используются главным образом как устройства безопасности, защищающие пневмосистему от чрезмерного повышения давления. При достижении заданного максимального уровня давления на входе клапана он открывается и сбрасывает излишки сжатого воздуха в атмосферу.
Клапан остается открытым до тех пор, пока давление не упадет до установленного значения, после чего он под действием пружины закрывается.
Клапаны последовательности
Этот клапан действует по тому же принципу, что и предохранительный клапан, то есть при достижении на входе заданного значения давления, которое определяется настройкой пружины, клапан открывается.
Воздух проходит через клапан от канала 1(Р) к выходу 2(A), который открывается только после достижения заданного значения давления в канале управления 12(Z). Давление входного сигнала, воздействуя через мембрану, открывает пилотный клапан, который открывает проход воздуху из линии питания к основной мембране, связанной с главным клапаном.
При перемещении главного клапана происходит соединение линии питания 1(Р) с выходом 2(A).
Рис. 5.18. Клапан последовательности, регулируемый
Клапан последовательности устанавливается в пневматической системе, в которой необходимо управление по давлению, т.е.
