Распределители
На поршне и на каретке размещены постоянные магниты, взаимодействующие между собой, т.е. передача усилия для перемещения нагрузки от поршня к каретке осуществляется с помощью магнитной муфты. После подачи воздуха в полость цилиндра синхронно с поршнем перемещается каретка.
Полость цилиндра выполнена герметичной и не имеет никаких подвижных уплотнений, граничащих с окружающей средой, что полностью исключает возможность утечек воздуха из цилиндра.
Рис. 3.13. Цилиндр с магнитной муфтой
Устройство цилиндра
Цилиндр состоит из корпуса, глухой и сквозной крышек, поршня с уплотнениями, штока, уплотнения штока (сальник или манжета в сквозной крышке), направляющей втулки, грязесъемного кольца и соединительных деталей.
Корпус цилиндра (1) обычно изготавливается из цельнотянутой стальной трубы. Чтобы продлить срок службы уплотнений поршня, внутреннюю поверхность трубы подвергают механической обработке с достаточно высокой чистотой поверхности.
В отдельных случаях корпус цилиндра может быть изготовлен из алюминия, бронзы или стали с хромированием внутренней поверхности. Такие цилиндры применяются при нерегулярном режиме работы и в тех случаях, когда есть опасность коррозии.
Глухая (2) и сквозная (3) крышки цилиндра обычно изготавливаются литьем из алюминия или ковкого чугуна с последующей механической обработкой. Присоединяются они к корпусу с помощью резьбовых шпилек, фланцев или просто резьбы.
Шток (4) чаще всего изготавливается из закаленной стали с добавлением небольшого количества хрома против коррозии. Резьба на конце штока обычно накатывается во избежание появления трещин и изломов.
Для уплотнения по штоку в сквозной крышке цилиндра устанавливается манжета (5) из упругого материала. Втулка (6), служащая направляющей для штока, может быть изготовлена из бронзы или металла с пластиковым покрытием.
Перед втулкой в сквозную крышку вставлено грязесъемное кольцо (7), которое предотвращает попадание внутрь цилиндра пыли и мелких твердых частиц. Складывающийся защитный кожух в промышленных пневмоцилиндрах общего назначения обычно не используется.
Рис. 3.14. Устройство пневматического цилиндра
В качестве материала для двойной манжеты (8) поршня применяются:
- пербунан от-20С до+ 80 С,
- витон от-20С до+ 150С,
- тефлон от-80С до + 200С.
Для уплотнения неподвижных соединений используются О-образные кольца (9) из упругого или мягкого материала.
Рис. 3.15. Виды уплотнений цилиндра
Способы крепления цилиндров
На лапах Резьбовое
Шарнирное, сзади
Рис. 3.16. Способы крепления цилиндров
Способ крепления цилиндра зависит от места его размещения в конструкции машины или установки. Цилиндр может иметь постоянное крепление, если нет необходимости изменять его в ходе эксплуатации. Но оно может быть выполнено и по модульному принципу, позволяющему в случае необходимости изменять способ крепления. Это в значительной степени облегчает складирование и хранение цилиндров, особенно когда они необходимы в больших количествах.
При этом используется базовая конструкция цилиндра и все детали его крепления.
Установка цилиндра и присоединение нагрузки к штоку должны производиться в полном соответствии с условиями его применения, поскольку нагружать цилиндр можно только в осевом направлении.
При передаче усилия от цилиндра к машине или другой установке возникают напряжения в корпусе и штоке цилиндра, которые обычно рассчитывают без учета несоосности деталей. При плохом сопряжении деталей цилиндра или их несоосности могут возникнуть нагрузки нерасчетного характера, которые вызывают:
- ускорение износа кромок направляющей втулки из-за возрастания контактных напряжений,
- увеличение контактных напряжений в направляющих штока,
- увеличение и неравномерное распределение напряжений на уплотнениях поршня и штока,
- увеличение изгибающих напряжений в штоке, особенно в цилиндрах с большим ходом.
Основные характеристики цилиндра
Внешние характеристики цилиндра могут рассчитываться теоретически или на основании технических данных изготовителя. Возможно применение обоих методов, но в общем случае для некоторых исполнений цилиндров и условий их применения расчет по техническим данным изготовителя предпочтительнее.
Развиваемое цилиндром усилие зависит от давления сжатого воздуха, подаваемого в его полости, диаметра поршня и сил трения в элементах уплотнения. Теоретически это усилие рассчитывается по формуле:
Усилие на поршне F, = А.р, где
Fт - теоретическое усилие на поршне (Н), А - полезная площадь поршня (м2), р - рабочее давление (Па).
На практике важно знать эффективную силу на штоке цилиндра. При ее расчете принимается во внимание сопротивление силы трения.
При нормальных эксплуатационных условиях - давление питания в диапазоне 400 ... 800 кПа (4 ...
8 бар) - сила трения может приниматься в размере около 10% от теоретической силы на поршне.
Для цилиндра одностороннего действия:
Рэфф = (A-P)-(Ftp+ Fnp).
Для цилиндра двустороннего действия: -при прямом ходе
Рэфф (А. р) - Ftp,
-при обратном ходе Рэфф = (А. р) - Ftp,
FЭФФ - эффективная сила на штоке поршня (Н), А - эффективная площадь поршня (м2), которая
определяется по формуле:
А-.
4
р - давление питания (Па),
Ftp - сила трения (Н),
Fnp - сила действия возвратной пружины (Н), D - диаметр цилиндра (м), d - диаметр штока (м).
Рис. 3.17. Диаграмма зависимости диаметра поршня от давления питания и силы на штоке поршня
Длина хода штока
Длина хода штока обычных пневмоцилиндров, как правило, не превышает 2 м, а у бесштоковых цилиндров длина хода каретки достигает 10м,
При значительном ходе штока возникающие в нем и его направляющей втулке напряжения могут оказаться слишком большими. Чтобы избежать опасности продольного изгиба штока, следует для больших ходов выбирать и больший диаметр штока. Расчет диаметра штока на продольный изгиб может осуществляться с помощью диаграммы (рис.
3.18).
Рис .3.18. Диаграмма зависимости диаметра поршня от его хода и нагрузки на штоке Скорость поршня
Скорость движения поршня в пневматическом цилиндре зависит от нагрузки, давления сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр, длины и эффективного сечения трубопроводов между цилиндром и управляющим распределителем, а также от расхода воздуха, поступающего от распределителя. Кроме того, на скорость поршня влияет демпфирование в конце хода.
Средняя скорость поршня стандартных цилиндров колеблется в пределах 0,1 ... 1,5 м/с.
В специальных цилиндрах (ударных) она может достигать 10 м/с. Скорость поршня при необходимости можно уменьшить с помощью пневмодросселей за счет снижения расхода воздуха, вытекающего из полости цилиндра, а увеличить - за счет применения клапанов быстрого выхлопа.
Рис. 3.19. Средняя скорость ненагруженного поршня Потребление воздуха
Для того, чтобы правильно выбрать систему подготовки сжатого воздуха и определить стоимость получения энергии, важно знать расход воздуха, потребляемого пневмосистемой. Величина относительного расхода определяется через объемный расход (л/мин), приведенный, приведенный к атмосферным условиям. Потребление сжатого воздуха определяется по выбранным значениям рабочего давления, диаметра поршня, хода поршня и числа его ходов в минуту по формуле: Потребление воздуха =
Степень сжатия воздуха * Площадь поршня * Ход * Число ходов в минуту, где
Рис. 3.20. Диаграмма расхода потребляемого воздуха
Для расчета расхода потребляемого воздуха можно также воспользоваться диаграммой,
приведенной на рис. 3.20, совместно с формулами: для цилиндра одностороннего действия -qn = s-n.qx,
для цилиндра двустороннего действия -qn = 2-s-n.qx, где
qn - потребляемый расход (л/мин), s - ход(см),
п - число ходов в минуту (мин-1 ),
qx - расход воздуха на единицу хода (л/см).
В этих формулах не принимается во внимание различие расходов воздуха, потребляемого цилиндрами двустороннего действия при прямом и обратном ходе штока. Также не учитывается расход воздуха из-за его сжимаемости в объемах трубопроводов и в распределителей.
Кроме того, на общий расход воздуха оказывает влияние процесс наполнения вредного объема цилиндра, который может составить до 20% расхода воздуха, потребляемого исполнительным устройством. Вредным объемом цилиндра является часть объема цилиндра в конечном положении поршня и часть объема подводящего трубопровода, находящегося внутри цилиндра.
Пневмомоторы
Устройства, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую энергию непрерывного вращательного движения, называются пневматическими моторами. Пневмомотор с неограниченным углом поворота вала в настоящее время стал одним из широко используемых исполнительных устройств. В зависимости от типа конструкции различают:
- поршневые пневмомоторы,
- пластинчатые пневмомоторы,
- шестеренные пневмомоторы,
- динамические моторы (турбины).
Рис. 3.21. Пневмомотор
Поршневые пневмомоторы
Моторы этого типа подразделяются на радиально- и аксиально- поршневые. Выходной вал мотора приводится во вращение попеременно срабатывающими под действием сжатого воздуха поршнями.
Для получения равномерного вращения выходного вала пневмомотора необходимо иметь несколько поршней. Мощность пневмомотора зависит от входного давления сжатого воздуха, числа поршней, длины их хода и скорости их перемещения.
Принцип действия радиально- и аксиально-поршневых моторов одинаков, только в первом случае возвратно-поступательное перемещение радиально расположенных поршней передается на вал через штоки с шарнирами на концах, а во втором случае аксиально расположенные поршни передают движение на вал через наклонный диск. Обычно давление подводится одновременно к двум или более (зависит от их общего числа) поршням, что обеспечивает более плавное вращение вала. Направление вращения вала мотора может быть как по часовой стрелке, так и против.
Максимальная скорость составляет около 5000 об/мин; выходная мощность при нормальном уровне давления находится в пределах 1,5...19кВт(2...25л.с).
Пластинчатые пневмомоторы
Благодаря своей простой конструкции и малому весу пластинчатые пневмомоторы используются в ручных пневмоинструментах. Их принцип работы похож на принцип работы пластинчатого компрессора.
Ротор такого мотора установлен с эксцентриситетом на подшипниках в цилиндрической камере. В роторе выполнены щели, в которых размещаются лопасти с возможностью перемещения в радиальном направлении. При вращении ротора лопасти под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности цилиндрической камеры, за счет чего обеспечивается уплотнение рабочих объемов мотора друг относительно друга. Скорость вращения ротора составляет 3000...8500 об/мин.
Направление вращения также может быть как по, так и против часовой стрелки, то есть они имеют возможность реверсирования. Выходная мощность составляет 0,1 ...
17 кВт (0,14 ... 24 л.с).
Шестеренные пневмомоторы
В этих моторах крутящий момент на выходном валу создается за счет подачи воздуха под давлением в камеру с двумя находящимися в зацеплении зубчатыми колесами, одно из которых связано с выходным валом. Моторы такого типа используются там, где требуется высокая мощность (до 44 кВт = 60 л.с).
Если используются прямозубые цилиндрические или геликоидальные зубчатые предачи, шестеренные моторы также могут быть реверсивными.
Турбинные моторы
Турбинные моторы используются только там, где требуется небольшая мощность. Скорость вращения их вала очень высокая. Например, зубоврачебная бормашина, оснащенная турбиной, обеспечивает скорость вращения 500 000 об/мин.
Принцип работы турбинного мотора обратен принципу работы центробежного компрессора.
Характерными преимуществами пневмомоторов являются:
- непрерывная регулировка скорости и крутящего момента,
- небольшие размеры и вес,
- большой диапазон скоростей,
- защищенность от перегрузки,
- нечувствительность к загрязнениям, воде, высокой и низкой температуре,
- взрывобезопасность,
- простота обслуживания,
- реверсивность.
Индикаторы
Пневматические индикаторы позволяют визуально определить операционное состояние пневмосистемы и служат для целей диагностики.
Ниже перечислены некоторые устройства визуальной информации:
- счетчики циклов,
- манометры с индикацией уровня давления,
- таймеры с визуальной индикацией выдержки времени,
- оптические индикаторы.
Оптические индикаторы
Каждый цвет оптического индикатора несет определенную информацию о состоянии системы управления. Оптические индикаторы устанавливаются на панели управления, они показывают состояние и фактическую последовательность выполнения функций системой управления.
Цвета оптических индикаторов должны соответствовать DIN VDE 0113.
Глава 4Распределители
Основные типы распределителей
Распределители - это устройства, предназначенные для пуска, останова и изменения направления движения потока сжатого воздуха. Условное обозначение распределителя дает информацию о числе линий (каналов) для прохода воздуха, числе позиций переключения и виде управления.
Это изображение, однако, не дает представление о конструкции распределителя, а указывает только на его функциональные возможности.
За позицию покоя принимается позиция переключения распределителя с самодействующим возвратным устройством, например пружиной, которую занимают подвижные части распределителя, если он не находится под воздействием сигнала управления. Исходной позицией называется позиция переключения, которую принимают подвижные части распределителя после его монтажа на установке и включения источников энергии (питания сжатым воздухом и (или) электрическим током) и с которой начинается выполнение предусмотренной программы (последовательности) переключений.
Конструкция распределителя оказывает существенное влияние на такие его характеристики, как срок службы, время переключения, усилие переключения, способ управления, виды присоединения к трубопроводам и размеры.
По конструктивному исполнению различают распределители с запорными элементами:
- клапанного(седельного)типа:
- шариковые,
- тарельчатые (плоские);
- золотникового типа:
- с цилиндрическим золотником,
- с плоским золотником,
- с торцевым золотником.
Распределители клапанного (седельного)типа
В этих распределителях каналы прохода сжатого воздуха открываются и закрываются посредством шариковых, тарельчатых, дисковых или конических запорных элементов, которые взаимодействуют с седлами соответствующей формы. Уплотнение по площади контакта запорного элемента с седлом обычно достигается за счет применения эластичных материалов в месте контакта. В клапанных (седельных) распределителях почти нет деталей, подверженных износу (отсутствуют пары трения), поэтому они имеют большой срок службы.
Кроме того, они также нечувствительны к загрязнениям и могут работать в неблагоприятных условиях. Однако для переключения таких распределителей необходимо значительное усилие, чтобы преодолеть действие возвратной пружины или возвратного давления.
Распределители золотникового типа
В этих распределителях отдельные каналы соединяются или разъединяются посредством цилиндрических, плоских или торцевых золотников.
2/2-распределители
2/2-распределитель имеет две линии подвода/отвода воздуха и две позиции переключения. В основном он используется как отсечной (запорный) распределитель, так как реализует только функцию перекрытия или открытия прохода воздуха через себя, не имея возможности в закрытом положении отводить воздух в атмосферу (в отличие от 3/2-распределителя).
3/2-распределители
С помощью 3/2-распределителя можно включать и выключать поток воздуха. 3/2-распределитель имеет три линии подвода/отвода воздуха и две позиции переключения. Дополнительный, по сравнению с 2/2-распределителем, выхлопной канал 3(R) позволяет отключать сигнал на выходе распределителя, соединяя его с атмосферой. В нормально закрытом распределителе в исходной позиции шариковый клапан под воздействием пружины перекрывает проток воздуха из линии питания 1(Р) к выходному каналу 2(A).
Канал 2(A) соединяется через отверстие в толкателе и канал 3(R) с атмосферой.
Рис. 4.1. 3/2-распределитель, нормально закрытый, с шариковым запорным элементом
Под действием внешней силы толкатель нажимает на шарик клапана, преодолевая силу возвратной пружины и противодействующее давление сжатого воздуха.
В состоянии включения канал 2(A) отсекается от выхлопного канала 3(R), сжимается возвратная пружина и шарик отходит от седла, открывая проток воздуха от канала питания 1(Р) к каналу 2(A), и на выходе распределителя появляется пневматический сигнал. Если устранить воздействие на толкатель, распределитель вернется в исходное положение. В данном случае распределитель имеет ручное или механическое управление.
Требуемое для переключения распределителя управляющее усилие зависит от значения давления питания, силы поджатия пружины и сил трения в распределителе. Это усилие ограничивает размеры распределителя, поскольку с ростом проходного сечения управляющее усилие также возрастает.
Конструкция распределителя со сферическим клапанным затвором очень проста и компактна.
На схеме (рис.4.2) 3/2-распределитель 1.1 управляет перемещением штока цилиндра одностороннего действия 1.0. В исходном положении канал подвода питания 1(Р) распределителя заблокирован, но при нажатии на кнопку распределитель переключается и канал подвода питания 1(Р) соединяется с каналом 2(A), к которому подсоединена полость цилиндра.
В нее начинает поступать сжатый воздух, заставляющий поршень перемещаться, сжимая возвратную пружину, установленную в штоковой полости цилиндра. Если кнопка отпускается, то под действием пружины распределитель возвращается в исходную позицию, при которой канал 2(A) соединяется через канал 3(R) с атмосферой, выпуская воздух из поршневой полости цилиндра.
Поршень цилиндра под действием возвратной пружины втягивается, занимая исходное положение.
Рис. 4.2. Принципиальная схема: управление цилиндром одностороннего действия
Рис. 4.3. 3/2-распределитель, нормально закрытый, с клапаном тарельчатого типа, в позиции Выключено
3/2-распределитель, представленный на рис. 4.3, выполнен на базе тарельчатого (дискового) клапана. Это обеспечивает простое и эффективное уплотнение между запорным элементом и седлом. Время переключения невелико, поскольку такой клапан при небольшом его перемещении обеспечивает большое проходное сечение.
Как и распределитель со сферическим запорным элементом, такой распределитель нечувствителен к загрязнениям и имеет длительный срок службы. 3/2-распределители используются в системах управления с цилиндрами одностороннего действия или для выработки входных сигналов управляющих распределителей.
Рис. 4.4. 3/2-распределитель, нормально закрытый, с клапаном тарельчатого типа, в позиции Включено
У нормально открытого 3/2-распределителя открыт проход сжатого воздуха из канала питания 1(Р) в канал 2(A). В этом положении каналы 1(Р) и 2(A) соединены между собой через канал в запорном элементе, тогда как последний, удерживаемый пружиной на седле, блокирует выхлопной канал 3(R). При воздействии на толкатель он сначала, вступая в контакт с запорным элементом, блокирует канал питания 1(Р), а затем, отрывая запорный элемент от седла против силы действия пружины, открывает проход от канала 2(A) к выхлопному каналу 3(R).
При снятии воздействия с толкателя сначала более мощная пружина запорного элемента без нарушения контакта его с толкателем сажает его на седло, блокируя канал 3(R), а затем пружина толкателя возвращает его висходное положение, открывая проход от канала питания 1(Р) к каналу 2(A).
Управление 3/2-распределителями может быть ручным, механическим или пневматическим. Вид управления зависит от требований системы управления.
Рис. 4.5. 3/2-распределитель, нормально открытый, с клапаном тарельчатого типа, в позиции Выключено
Рис. 4.6.3/2-распределитель, нормально открытый, с клапаном тарельчатого типа, в позиции Включено
На представленной схеме используется нормально открытый 3/2-распределитель, который в исходном положении подает сжатый воздух в полость цилиндра одностороннего действия 1.0. Поэтому шток цилиндра в исходном положении выдвинут. При воздействии на толкатель распределителя 1.1 рабочий объем цилиндра через каналы 2(A) и 3(R) соединяется с атмосферой.
Шток цилиндра 1.0 под действием возвратной пружины втягивается.
Рис. 4.7. Принципиальная схема: управление цилиндром одностороннего действия
3/2-распределитель золотникового типа с двусторонним ручным управлением Конструкция распределителя очень проста и компактна. Распределитель имеет две фиксированные позиции - открытую и закрытую.
При смещении вручную золотника, имеющего вид втулки на трубопроводе, канал питания 1(Р) соединяется с выходным каналом 2(A). При обратном переключении канал 2(A) сообщается с атмосферой через канал 3(R), сжатый воздух удаляется из системы.
Такой распределитель используется для подключения питания пневмосистемы сжатым воздухом.
Рис. 4.8. 3/2-распределитель золотникового типа с ручным управлением, нормально закрытый 3/2-распределитель с пневматическим управлением
Распределитель имеет управляющий поршенек и возвратную пружину. В позиции покоя распределитель нормально закрыт, так как канал питания 1(Р) блокируется дисковым запорным элементом, а выходной канал 2(A) соединен посредством канала 3(R) с атмосферой. Распределитель переключается поступающим на его вход 12(Z) давлением сжатого воздуха, прилагаемым к управляющему поршеньку. При этом канал 1(Р) соединяется с каналом 2(A).
После снятия давления в управляющем канале 12(Z) распределитель возвращается под действием возвратной пружины в исходную позицию (позицию покоя). Клапан разъединяет каналы 1(Р) и 2(A). Выходной канал 2(A) соединяется через канал 3(R) с атмосферой.
3/2-распределитель с односторонним пневматическим управлением и возвратной пружиной выполняется нормально закрытым и нормально открытым.
Рис. 4.9. 3/2-распределитель, с пневматическим управлением и возвратной пружиной, в позиции Выключено
Рис. 4.10. 3/2-распределитель, с пневматическим управлением и возвратной пружиной, в позиции
Рис. 4.11. Принципиальная схема: непрямое управление цилиндром одностороннего действия
Распределитель с пневматическим управлением может применяться в качестве входного элемента при непрямом управлении цилиндром. Непрямой сигнал управления на выдвижение штока цилиндра 1.0 (рис.
4.11) подается 3/2-распределителем с ручным управлением 1.2 на управляющий распределитель 1.1, при включении которого выдвигается шток цилиндра 1.0.
Конструкция рассматриваемого распределителя выполнена таким образом, что для преобразования нормально закрытого 3/2-распределителя в распределитель нормально открытый необходимо лишь инверсировать (взаимно поменять местами) каналы 1(Р) и 3(R), a управляющую головку с каналом 12(Z) повернуть на 180. Следует также присвоить новое обозначение каналу управления: 10(Z).
Если нормально открытый распределитель установить в рассмотренную выше систему непрямого управления, то в исходной позиции шток поршня окажется выдвинутым. После нажатия пневматической кнопки 1.2 шток цилиндра втянется.
Рис. 4.12. Принципиальная схема: непрямое управление цилиндром одностороннего действия 3/2-распределитель с непрямым управлением от рычага с роликом
Распределители с предварительным каскадом усиления позволяют уменьшить усилие управления. Распределители, имеющие каскад непрямого управления, называют распределителями с непрямым управлением, а элемент управления, осуществляющий функцию предварительного каскада усиления, - пилотным клапаном (или пилотным золотником).
К пилотному клапану (рис. 4.14) подводится давление питания. Если нажать на рычаг с роликом, то открывается пилотный клапан.
Сжатый воздух воздействует на мембрану, которая перемещает тарельчатый запорный элемент главного клапана вниз. При этом происходит процесс последовательного переключения 3/2-распределителя: сначала прерывается соединение канала 2(A) с каналом 3(R), а затем канал 1 (Р) соединяется с каналом 2(A).
Рис. 4.14. 3/2-распределитель с непрямым управлением от рычага с роликом, нормально закрытый
Конструкция этого распределителя позволяет применять его как в качестве нормально закрытого, так и в качестве нормально открытого распределителя.
