Достоинства пневмопривода
- в отличие от гидропривода — отсутствие необходимости возвращать рабочее тело (воздух) назад к компрессору;
- меньший вес рабочего тела по сравнению с гидроприводом (актуально для ракетостроения);
- меньший вес исполнительных устройств по сравнению с электрическими;
- возможность упростить систему за счет использования в качестве источника энергии баллона со сжатым газом, такие системы иногда используют вместо пиропатронов, есть системы, где давление в баллоне достигает 500 МПа;
- простота и экономичность, обусловленные дешевизной рабочего газа;
- быстрота срабатывания и большие частоты вращения пневмомоторов (до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту);
- пожаробезопасность и нейтральность рабочей среды, обеспечивающая возможность применения пневмопривода в шахтах и на химических производствах;
- в сравнении с гидроприводом — способность передавать пневматическую энергию на большие расстояния (до нескольких километров), что позволяет использовать пневмопривод в качестве магистрального в шахтах и на рудниках;
- в отличие от гидропривода, пневмопривод менее чувствителен к изменению температуры окружающей среды вследствие меньшей зависимости КПД от утечек рабочей среды (рабочего газа), поэтому изменение зазоров между деталями пневмооборудования и вязкости рабочей среды не оказывают серьёзного влияния на рабочие параметры пневмопривода; это делает пневмопривод удобным для использования в горячих цехах металлургических предприятий.
Недостатки пневмопривода
- нагревание и охлаждение рабочего газа в процессе сжатия в компрессорах и расширения в пневмомоторах; этот недостаток обусловлен законами термодинамики, и приводит к следующим проблемам:
- возможность обмерзания пневмосистем;
- конденсация водяных паров из рабочего газа, и в связи с этим необходимость его осушения;
- высокая стоимость пневматической энергии по сравнению с электрической (примерно в 3-4 раза), что важно, например, при использовании пневмопривода в шахтах;
- ещё более низкий КПД, чем у гидропривода;
- низкие точность срабатывания и плавность хода;
- возможность взрывного разрыва трубопроводов или производственного травматизма, из-за чего в промышленном пневмоприводе применяются небольшие давления рабочего газа (обычно давление в пневмосистемах не превышает 1 МПа, хотя известны пневмосистемы с рабочим давлением до 7 МПа — например, на атомных электростанциях), и, как следствие, усилия на рабочих органах значительно ме́ньшие в сравнении с гидроприводом). Там, где такой проблемы нет (на ракетах и самолетах) или размеры систем небольшие, давления могут достигать 20 МПа и даже выше.
- для регулирования величины поворота штока привода необходимо использование дорогостоящих устройств — позиционеров.
Пневмодвигатель- (от греч. pnéuma — дуновение, воздух), пневматический двигатель, пневмомотор — энергосиловая машина, преобразующая энергию сжатого воздуха в механическую работу.
Рис.4.12. Поворотный пневмоцилиндр.
По принципу действия обычно различают объёмные и турбинные пневмодвигатели.
По направлению движения — линейные (поршневые, баллонные, мембранные и другие) и поворотные (поршневые и лопастные).
В объёмных пневмодвигателях механическая работа совершается в результате расширения сжатого воздуха в цилиндрах поршневой машины, в турбинных — в результате воздействия потока воздуха на лопатки турбины (в первом случае используется потенциальная энергия сжатого воздуха, во втором — кинетическая энергия).
Наибольшее распространение получили объёмные пневмодвигатели (поршневые, ротационные и камерные (баллонные)).
Пневмодвигатели применяются для привода различных инструментов (дрелей, гайковёртов, отбойных молотков, шлифовальных головок), обеспечивая безопасность работы во взрывоопасных местах (со скоплением газа, угольной пыли), в среде с повышенным содержанием влаги.
Рис. 4.13.Локомотив, работающий на сжатом воздухе
Пневмомоторы — это пневмодвигатели с вращательным движением выходного звена, т. е. вала. Их применяют очень широко в приводах ручных сверлильных, шлифовальных машин, резьбонарезных головок, гайковертов. Различают пластинчатые (шиберные), шестеренные, аксиально-поршневые, радиально-поршневые и турбинные пневмомоторы с частотой вращения до 100 000 об/мин. Принцип действия этих пневмодвигателей (кроме турбинных) отличается от принципа действия одноименных с ними гидродвигателей тем, что расширение поступающего к ним сжатого воздуха вызывает вращение ротора, шестерен или движение поршней, которое преобразуется во вращение выходного звена. В турбинныхпневмомоторах рабочее колесо с лопатками вращается под действием струи сжатого воздуха.
Поворотные пневмодвигатели предназначены для изменения положения рабочих органов ведомых механизмов на ограниченный угол. В зависимости от конструкции рабочей камеры различают поршневые и шиберные (лопастные) пневмодвигатели.
Типовая схема пневмопривода с поршневым цилиндром в качестве пневмодвигателя. Запорный вентиль предназначен для отключения привода от цехового или заводского трубопровода сжатого воздуха. В фильтре-влагоотделителе твердые частицы и влага отделяются от сжатого воздуха. Редукционныйпневмоклапан снижает давление воздуха, поступающего из трубопровода, до необходимого уровня и поддерживает заданное давление. В маслораспылителе воздух насыщается мельчайшими частицами тонко распыленного масла, необходимого для смазывания поверхностей трения деталей пневмоцилиндра. Затем сжатый воздух поступает в пневмораспределитель — устройство, которое поочередно соединяет одну из полостей цилиндра с воздухопроводом, а другую — с атмосферой. Отработавший воздух выходит в атмосферу через глушитель 6, снижающий уровень шума, возникающего при выхлопе.
Для пневмопривода с мембраннымпневмоцилиндром не нужен маслораспылитель, в схемах привода с пневмомоторами ротационного типа нет пневмораспределителей и маслораспылителей.
Рис. 4.14. Поворотные пневмодвигатели
Поршневой поворотный пневмодвигатель с реечной передачей (рис. 4.14, а) выполняют на базе передачи «шестерня — рейка». Шестерня 3 устанавливается на выходном валу 4, входит в зацепление со штоком-рейкой 2, который жестко связан с поршнями 1 двух разнонаправленных цилиндров одностороннего действия.
При подаче сжатого воздуха в рабочую полость одного из пневмоцилиндров поршни вместе со штоком-рейкой совершают прямолинейное движение, которое посредством реечной передачи преобразуется во вращательное (в пределах одного оборота) движение вала. Вал связан с объектом, который необходимо повернуть на некоторый угол (например, с захватным устройством промышленного робота).
Очевидно, что поршневые пневмодвигатели 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 угла поворота.
Максимальный крутящий момент, развиваемый поршневыми поворотными пневмодвигателями, кака правило не превышает 150 Н-м (при диаметре поршней 100 мм).
Пластинчатый (шиберный) поворотный пневмодвигатель (рис. 4.14, б) устроен таким образом, что сжатый воздух воздействует на жестко закрепленную на выходном валу 2 пластину 1 (шибер), расположенную внутри цилиндрической расточки 3 в корпусе 4. Чтобы предотвратить перетекание воздуха из одной рабочей полости двигателя в другую пластину выполняют с резиновым либо пластмассовым 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 такие пневмодвигатели снабжают внешними передвижными упорами. Они развивают крутящий момент до 250 Н-м. На принципиальных пневматических схемах поршневые и пластинчатые (шиберные) пневмодвигатели обозначаются одинаковыми символами (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Условное графическое обозначение поворотных пневмодвигателей: а — общее; б — с демпфированием в конце хода
Поскольку остановка вращающейся массы без демпфирования или при наличии перегрузок создает 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 пневмодвигателя.