Условные обозначения и стандарты в области пневмоавтоматики
Скорости выдвижения и втягивания штока поршня в общем случае будут неодинаковыми. Причиной этого является то, что объем поршневой полости цилиндра больше, чем объем штоковой полости.
При выдвижении штока в цилиндр необходимо подать больше воздуха, чем при его втягивании. Поэтому скорость втягивания выше, чем скорость выдвижения при одинаковых нагрузках на шток.
Глава 3Условные обозначения и стандарты в области пневмоавтоматики
Условные графические обозначения пневмоэлементов
Проектирование пневматических систем требует применения единых норм изображения конструкций и схем. Условные обозначения отражают следующие свойства пневмоэлементов:
- тип управления и возврата в исходное положение,
- число линий (присоединений) и их обозначения,
- число позиций переключения,
- принцип действия,
- упрощенное представление проточной части.
Конструкторское решение не должно отражаться в условном обозначении.
Условные обозначения, которые находят применение в пневмоавтоматике, выполняются в соответствии с ДИН ИСО 1219 Гидравлические и пневматические системы и приборы - обозначение схем (DIN ISO 1219 Fluidtechnische Systeme und Geraete - Schaltzeichen). Ниже представлены наиболее важные условные обозначения.
Полный перечень условных обозначений дан в учебнике ТР102.
Стандарты, необходимые для конструирования, испытания и оформления пневматических систем управления, приведены в списке литературы части С данной книги.
Энергоснабжение сжатым воздухом
Условные обозначения подсистемы снабжения сжатым воздухом могут представлять как отдельные элементы, так и комбинации нескольких элементов. Если применяется присоединение линии питания общее для всех пневмоэлементов, то тогда возможно обозначение источника сжатого воздуха в виде упрощенного символа.
Питание
Компрессор с постоянным рабочим объемом
Пневмоаккумулятор с Т-соединением
Источник давления
Подготовка воздуха
Фильтр. Сепарация и фильтрация твердых частиц
Влагоотделитель с ручным управлением
Влагоотделитель автоматический
Маслораспылитель. Дозированное количество масла примешивается к воздуху
Регулятор давления с разгрузочным вентиляционным каналом, регулируемый
Условные обозначения комбинации элементов
Блок подготовки воздуха, состоящий из воздушного фильтра, регулятора давления, манометра и маслораспылителя
Упрощенное обозначение блока подготовки воздуха
Упрощенное обозначение | j Q
блока подготовки воздуха
без маслораспылителя
Рис. 3.1. Условное обозначение элементов подсистемы энергоснабжения
Обозначение позиций распределителей
Позиции переключения изображаются в виде квадрата
Чиспо квадратов соответствует числу позиций переключения
Линия обозначает проточную часть, стрелка показывает направление течения
Закрытое присоединение изображается в виде буквы Т (нормальной или повернутой на 180 )
J_L
7~Г
Присоединенные линии для подвода и отвода воздуха обозначаются вне квадрата
Рис. 3.2. Условное обозначение позиций переключения распределителей Распределители
Распределители характеризуются числом присоединений, числом позиций переключения и проточной частью. Для того, чтобы избежать ошибок при монтаже, все входы и выходы распределителя необходимо маркировать.
- Число линий присоединения
I- Число позиций переключения
2/2 - распределитель нормально открытый
3/2-распределитель нормально закрытый
3/2 -распределитель нормально открытый
4/2 - распределитель с протоками от 1 (Р) к 2В) и от 4(A) к 3(B)
5/2 - распределитель с протоками от 1 (Р) к 2(B) и от 4(A) к 5(R)
5/3 - распределитель, перекрытый ? средней позиции
Рис. 3.3. Линии (каналы) присоединения и позиции переключения распределителей
Линии присоединения распределителей могут обозначаться буквами или цифрами по DIN ISO 5599-3. Обе возможности представлены в табл.3.1.
Рабочие линии
Замечание
В этом учебнике все линии присоединения обозначаются цифрами и буквами.
Рис. 3.4. Примеры обозначений Виды управления
В зависимости от системных требований к виду управления пневматическими распределителями применяют:
- мускульное управление,
- механическое управление,
- пневматическое управление,
- электрическое управление,
- комбинированное управление.
Условные обозначения способов управления должны соответствовать DIN ISO 1219. Основные способы управления распределителем и возврата его в исходное состояние должны изображаться вместе с распределителем.
Обычно условные обозначения способов управления изображаются с обеих сторон позиций переключения. Дополнительные способы управления, как, например, ручное управление, показываются отдельно.
Мускульное управление: общее обозначение
с помощью кнопки
с помощью рычага
с помощью рычага с фиксацией
с помощью педали Механическое управление: с помощью толкателя
с помощью роликового рычага
с помощью ломающегося ролика, срабатывающего только в одном направлении
с помощью пружины
с помощью центрирующих пружин
Пневматическое управление:
прямое управление, путем подачи давления
непрямое управление (с предварительным усилением), путем подачи давления
Электромагнитное управление: с помощью электромагнита с помощью двух электромагнитов
Комбинированное управление:
непрямое электрическое и вспомогательное ручное управление с пневматическим усилением
Рис. 3.5. Способы управления распределителями
Обратные клапаны
Обратные клапаны служат в качестве базового элемента в целом ряде устройств. Известны обратные клапаны как с возвратной пружиной, так и без нее.
Для того, чтобы поток воздуха мог проходить в прямом направлении в обратном клапане с пружиной, сила от давления газа должна быть больше, чем сила от пружины.
Обратный клапан
Перекидной клапан (ИЛИ-элемент)
Клапан двух давлений (И"-элемент)
Клапан быстрого выхлопа
Рис. 3.6. Обратный клапан и клапаны, построенные на его основе Дроссели
Как правило, дроссели являются регулируемыми с возможностью дросселирования в обоих направлениях. Если дроссель изображен со стрелкой, то это означает, что дроссель является регулируемым.
Стрелка не указывает на направление прохождения воздуха. В дросселе с обратным клапаном последний включается параллельно дросселю.
В этом случае дросселирование осуществляется только в одном направлении.
дроссель
Дроссель с обратным клапаном
Рис. 3.7. Дроссели Клапаны давления
Клапаны давления предназначены для поддержания давления в пневматической системе или в отдельных ее частях. Клапаны давления являются обычно регулируемыми за счет изменения усилия предварительного сжатия пружины. В зависимости от назначения различают следующие типы клапанов:
- редукционный клапан без разгрузки,
- редукционный клапан с разгрузкой,
- предохранительные клапаны.
Условное обозначение представляет собой клапан давления с проточной частью, которая в исходном состоянии является или открытой, или закрытой. У редукционных клапанов проточная часть всегда открыта.
У предохранительных клапанов проточная часть остается закрытой так долго, пока сила давления не достигнет настроенного значения силы предварительного натяжения пружины.
Линейные исполнительные устройства
Линейные исполнительные устройства или цилиндры изображаются в виде, близком к их конструктивной форме.
Цилиндры одностороннего действия, двустороннего действия и бес-штоковые служат основой других вариантов конструкций. Применение демпфирования в конце хода способствует увеличению долговечности, что достигается за счет снижения нагрузки в конечном положении путем уменьшения скорости движения поршня.
Если условное обозначение цилиндра включает стрелку, то это означает, что демпфирование в конце хода является регулируемым.
Цилиндр одностороннего действия
Цилиндр двустороннего действия
Цилиндр двустороннего действия с проходным штоком
Цилиндр двустороннего действия с простым нерегулируемым демпфированием
Цилиндр двустороннего действия с простым регулируемым демпфированием
Цилиндр двустороннего действия с двусторонним регулируемым демпфированием
Бесштоковый цилиндр с магнитной муфтой
Рис. 3.9. Линейные исполнительные устройства
Вращательные приводы
Различают вращательные приводы в виде моторов с неограниченным углом поворота и поворотные приводы с ограниченным углом поворота.
Пневмомоторы вращаются обычно с очень большим числом оборотов, которое может быть постоянным или регулируемым. Поворотные цилиндры имеют или нерегулируемый, или регулируемый угол поворота, а также могут иметь демпфирование в зависимости от нагрузки или скорости вращения.
Пневмомотор с постоянным рабочим объемом и одним направлением течения воздуха
Пневмомотор с регулируемым рабочим объемом и одним направлением течения
Пневмомотор с регулируемым рабочим объемом и двумя направлениями течения воздуха
Пневматический поворотный цилиндр
Рис. 3.10. Исполнительные устройства вращательного действия Вспомогательные условные обозначения
Имеется целый ряд важных дополнительных узлов, которые применяются совместно с упомянутыми устройствами.
Внешняя линия без узла для присоединения Внешняя линия с резьбой для присоединения Глушитель шума
Соединение трубопроводов
Пересечение трубопроводов
Манометр
Оптический индикатор
Рис. 3.11. Вспомогательные условные обозначения
Основные требования по технике безопасности
На сегодняшний день еще нет стандарта по технике безопасности при работе с пневматическими системами. Поэтому для обеспечения безопасности должны приниматься во внимание такие правила и рекомендации, которые используются в ряде других областей техники.
Ниже приводятся выдержки из правил N 3229 Немецкой ассоциации инженеров Правила технического проектирования станков и другого производственного оборудования, касающиеся вопросов техники безопасности.
Р4.5. Техника безопасности Р 4.5.1. Отказ системы управления
При отказе или выключении системы управления должна быть обеспечена безопасность обслуживающего персонала.
Р 4.5.2. Выключатель АВАРИЙНЫЙ ОСТАНОВ.
Пневматические установки с несколькими силовыми цилиндрами должны оборудоваться выключателями Аварийный останов. В зависимости от назначения установки и ее рабочих характеристик выключатель Аварийный останов может выполнять следующие функции:
- отключение давления питания,
- возврат всех исполнительных устройств в исходное положение или
- блокировка всех исполнительных устройств в текущем положении.
Возможна также комбинация перечисленных функций.
Т ребования по технике безопасности пневматических зажимных устройств
При производстве зажимных устройств должны соблюдаться следующие правила:
Элементы управления пневматических зажимных устройств должны быть спроектированы и расположены таким образом, чтобы они не могли случайно сработать. Этого можно достичь за счет:
- оборудования переключающих устройств с ручным управлением крышками или кожухами (козырьками),
- применения блокировки в системе управления.
Необходимо принять меры, исключающие попадание рук в рабочую часть зажимного устройства. Это достигается путем:
- размещения зажимного цилиндра вне области механизма подачи станка,
- применения безопасных зажимных цилиндров, которые развивают полное давление сжатия лишь на фиксируемой детали,
- применения управления, обеспечивающего защиту рук оператора.
Установки с пневматическими зажимными устройствами должны размещаться так, чтобы приводы шпинделя и подачи могли включаться только в том случае, если процесс фиксации детали уже завершен. Это достигается за счет применения:
- датчиков давления или
- клапанов последовательности.
Выход из строя источника питания сжатым воздухом не должен приводить к раскрытию зажимного устройства во время обработки зажатой в нем детали. Это достигается с помощью:
- механических фиксаторов,
- самосхватывающих зажимных устройств,
- пневматических аккумуляторов в системе питания.
Загрязнение окружающей среды
Пневмосистема может быть источником двух видов загрязнения окружающей среды:
- шума, возникающего при выбросе воздуха в атмосферу.
- масляного тумана, сбрасываемого в атмосферу из компрессора или маслораспылителя вместе с отработанным воздухом.
Шум
Должны применяться меры для снижения высокого уровня шума, возникающего при сбросе воздуха в окружающую среду. Это может достигаться за счет использования глушителя шума.
Гпушители шума служат для снижения шума при сбросе воздуха из распределителя. Они снижают скорость протекающего воздуха, что может привести к незначительному уменьшению скорости движения штока цилиндра.
Однако в случае применения дросселя с глушителем шума можно, регулируя его сопротивление, подбирать требуемую скорость поршня.
Уровень шума также можно снизить путем присоединения к выхлопным отверстиям распределителей трубопроводов, по которым воздух отводится к одному общему глушителю или в специальный резервуар.
Масляный туман
Сжатый воздух, сбрасываемый из пневмоустройств, содержит распыленное смазочное масло, которое в виде масляного тумана длительное время остается в окружающей среде и может вдыхаться обслуживающим персоналом. Загрязнение окружающей среды особенно высоко, когда установка содержит большое количество пневмомоторов и цилиндров большого размера.
В этом случае рекомендуется применение глушителей шума с фильтрами, благодаря которым большая часть масляной пыли отделяется и не попадает в окружающую среду.
Безопасность работы
При обслуживании пневматических систем следует быть осторожным при установке и демонтаже пневматических линий. Пневматическая энергия, накопленная в шлангах и трубах, при демонтаже внезапно высвобождается, что вызывает свободное неконтролируемое движение трубопровода и может привести к травме персонала.
Кроме того, если в воздухе содержатся частицы загрязнений, то они представляют опасность для глаз.
Глава 4Методы проектирования пневматических систем
Разработка пневматической системы управления
Процесс проектирования пневматической системы состоит из нескольких этапов. Для получения хороших результатов важно составить подробную документацию.
При этом должны приниматься во внимание все действующие нормы и обозначения. Конструкторская документация на пневмосистему должна включать:
- диаграмму перемещение - шаг или диаграмму
- перемещение-время,
- принципиальную схему,
- описание работы системы,
- технические данные на все элементы системы.
Дополнительно может прилагаться следующая документация:
- спецификация или перечень элементов системы,
- информация по обслуживанию системы и поиску неисправностей,
- список запасных или изнашивающихся частей.
Применяются в основном два метода разработки принципиальных схем системы:
- интуитивные методы проектирования,
- систематические методы проектирования по определенному алгоритму.
Если в первом случае от разработчика требуется большой опыт и хорошая интуиция, а также значительные затраты времени, то при использовании второго метода - выполнение определенной последовательности операций при соответствующем уровне теоретических знаний основ предмета. Целью любой разработки принципиальной схемы является обеспечение выполнения работающей системой заданных функций.
При выборе решения предпочтение отдается высокой надежности и простоте обслуживания даже за счет более значительных материальных затрат. Этому способствует систематическая разработка принципиальных схем.
Однако в большинстве случаев спроектированные систематическими методами системы, имеют большее число элементов, чем та же система, спроектированная при использовании интуитивного метода.
Обычно дополнительные затраты на элементную базу быстро компенсируются за счет сокращения времени проектирования, а позднее - за счет сокращения расходов на обслуживание системы. В целом, должна быть уверенность, что время, затраченное на проектирование и, особенно, на упрощение схемы, находится в разумном соответствии с общим временем, затраченным на создание системы.
Независимо от того, какой метод применяется и на какой элементной базе реализуется система, ее разработчику необходимы фундаментальные знания устройства, принципа действия и характеристик применяемых элементов.
Блок-схема цепи управления
Блок-схема цепи управления дает общее представление о структуре системы управления и последовательности прохождения сигнала.
При разработке схемы системы ее функции условно подразделяют на ввод (получение) сигнала, обработку сигнала, выдачу сигнала и исполнение команды. Практикам такая классификация хорошо известна.
Чаще всего в больших установках управляющая часть системы конструктивно отделяется от ее исполнительной (силовой)части.
По схеме прохождения сигнала можно проследить путь сигнала от его получения до исполнения.
На рис. 4.2 приведена структура системы управления.
Электротехника / Электроника
Пневмоавтоматика /Гидроавтоматика
Рис. 4.1. Классификация элементов цепи управления
На принципиальной схеме системы, представленной на рис. 4.3, в наглядной форме показана структура цепи управления.
- Информационные (входные) устройства - распределители с ручным управлением 1.2, 1.4 (распределители с кнопкой) и распределитель с механическим управлением 1.3 (с роликовым рычагом).
- Логико-вычислительное устройство (процессор) -перекидной клапан 1.6, выполняющий функции логического элемента ИЛИ.
- Усилитель мощности - управляющий распределитель 1.1.
- Исполнительное устройство - цилиндр 1.0.
Исполнительное устройство
Управляющий распределитель (Усилитель мощности)
Логико-вычислительное устройство (Процессор)
Информационное устройство
Производство сжатого воздуха (Распределение/подготовка)
Рис. 4.3. Принципиальная схема
Блок-схема и структура принципиальной схемы
Структура принципиальной схемы системы должна соответствовать ее блок-схеме, при этом последовательность прохождения сигнала должна изображаться снизу вверх.
На принципиальной схеме применяются упрощенные условные обозначения. При больших принципиальных схемах подсистема энергоснабжения (блок подготовки воздуха, запорный кран, различные присоединительные устройства) для упрощения изображается на чертеже отдельно.
Рис. 4.4. Блок-схема и элементы пневматической цепи управления
Изображение трубопроводов на принципиальной схеме системы не обязательно должно соответствовать действительной (монтажной) схеме прокладки трубопроводов на установке.
Составление принципиальной схемы
Постановка задачи.
Шток цилиндра двустороннего действия должен выдвигаться при кратковременном нажатии пневмокнопки или ножной педали.
После достижения крайнего положения шток цилиндра должен сразу вернуться в исходное положение, если кнопка и педаль к этому моменту будут уже отпущены.
Рис. 4.5.
Принципиальная схема Решение.
Распределитель 1.3, управляемый толкателем с роликом, установлен в том месте, куда перемещается полностью выдвинутый шток цилиндра. На принципиальной схеме этот элемент изображен на уровне ввода сигналов, а не там, где он расположен физически.
Физическое же его расположение показано меткой, обозначенной также 1.3.
Если система управления сложная и содержит несколько исполнительных элементов, то схему удобно разбить на несколько отдельных цепей управления, которые могут быть сформированы для каждой функциональной группы.
Если это возможно, то цепи должны располагаться одна за другой соответственно последовательности выполнения операций.
Обозначения элементов схемы
Информационные устройства должны быть изображены на принципиальной схеме в невключенном состоянии. Если распределители в исходном положении находятся под воздействием сигнала управления, то это показывается изображением воздействия кулачка на толкатель распределителя.
В этом случае распределитель показывается во включенном состоянии.
Рис. 4.6. Распределитель в исходном положении под действием сигнала Цифровое обозначение
При цифровом обозначении нумерация отдельных элементов группы 0 охватывает элементы энергоснабжения, группы 1,2,... отдельные управляющие цепи. Каждому управления цилиндру присваивается обычно номер группы.
Буквенное обозначение применяется прежде всего при систематическом проектировании принципиальных схем. Обозначение конечных выключателей взаимосвязано с обозначением цилиндров, с помощью которых они управляются.
Жизненный цикл пневматической системы
Разработка пневматической системы должна проводиться с помощью алгоритмического процесса проектирования. Жизненный цикл - процесс, охватывающий все этапы от постановки проблемы до ее модернизации.
АНАЛИЗ
Постановка задачи
*
ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ Разработка технического решения пневматической системы
*
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА Изготовление, монтаж, испытание и ввод в эксплуатацию системы
Ж
ОЦЕНКА СИСТЕМЫ Проверка соответствия системы совокупности технических _ __ требований _
¦
ОБСЛУЖИВАНИЕ Обслуживание системы для обеспечения надежной работы __ объекта управления____
~~ * Z
МОДЕРНИЗАЦИЯ
Изменение или улучшение системы в случае необходимости
Рис. 4.7. Жизненный цикл пневматической системы
На рисунке показаны различные этапы разработки пневматической системы, составляющие весь цикл ее существования.
Анализ
Первым шагом является определение функционального назначения системы. При этом следует помнить, что проектирование или модернизация решения не являются частью этапа анализа.
Последовательность общего плана проектирования может корректироваться.
Проектирование
Разработка проекта включает два этапа:
На первом этапе разрабатывается эскизный проект системы, в рамках которого выбираются основные компоненты системы и источники энергоснабжения. Здесь же могут быть рассмотрены и альтернативные решения.
На втором этапе проектирования разрабатывается технический проект, в рамках которого ведется:
- разработка пневматической системы, включая определение параметров и выбор аппаратуры,
- разработка документации,
- уточнение дополнительных требований к системе,
- составление плана реализации проекта,
- составление перечня элементов и спецификации,
- проведение расчетов стоимости.
Реализация проекта
Перед монтажом системы на объекте управления должно быть полностью проверено функционирование системы. После окончательного монтажа установки необходимо еще раз провести функциональное тестирование системы.
Для того чтобы быть уверенным в полной работоспособности системы, необходимо проверить все ожидаемые режимы работы, такие как ручное управление, автоматическое управление, аварийное выключение, блокировка частей системы и т.д.
Оценка системы
После завершения процесса наладки и пуска системы сравниваются ее фактические параметры с данными технического задания.
Обслуживание
Регулярное и тщательное обслуживание системы позволяет сократить время простоев, повысить надежность и снизить эксплуатационные расходы.
После отработки системой определенного числа циклов некоторые из входящих в нее элементов могут проявить признаки преждевременного износа, причиной которого являются:
- их неправильный выбор;
- изменение условий работы.
Безусловно, можно констатировать, что при регулярном обслуживании системы уменьшается опасность выхода ее из строя.
Модернизация системы
Обобщенные данные по опыту производства, обслуживания и ремонта позволяют дать рекомендации для повышения надежности системы при ее возможной модернизации.
Глава 5Схемы с одним исполнительным устройством
Прямое управление пневматическим цилиндром
Простейшим управлением цилиндрами одностороннего и двустороннего действия является прямое управление. При этом управление цилиндром осуществляется непосредственно (прямо) с помощью распределителя, приводимого в движение мускульной или механической силой без дополнительного усиления сигнала управления.
Ориентировочные границы применения прямого управления пневматическим цилиндром:
