Текст
                    

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ в машиностроении СПРАВОЧНИК Под общей редакцией д-ра техн, наук Е. В. ГЕРЦ МОСКВА ’’МАШИНОСТРОЕНИЕ'' 1981
ББК 32.965.2 ПИ УДК 62.85 Рецензент д-р техн, наук О. Н. Трифонов П11 Пневматические устройства и системы в машинострое- нии: Справочник/Е. В. Герц, А. И. Кудрявцев, О. В. Лож- кин и др. Под общ. ред. Е. В. Герц — М.: Машинострое- ние, 1981. — 408 с., ил. В пер.: 2 р. 20 к. В справочнике приведены классификация, конструкции, основные тех- нические данные пневматических устройств, изготовляемых отечественными предприятиями. Рассмотрены типовые схемы пневматических систем управле- ния станками, прессами, манипуляторами и другими машинами, а также спо- собы и схемы очистки сжатого воздуха и смазки пневматических устройств. Приведены методы динамических расчетов и проектирования пневматических приводов и устройств. Для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией пневматических приводов и систем управления. ББК 32.965.2 6П5.7 © Издательство «Машииостроеиие», 1981 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ С ростом темпа технического прогресса все большее внимание уделяется проблеме энергетики. Поэтому создание новых видов высоко экономичных машин имеет особое значение. В этой связи выбор оптимальных по энергозатратам типов при" водов требует точных аналитических исследований и количественных оценок. При проектировании и расчете приводов и систем управления справочные материалы помогают инженерам правильно выбрать структурные схемы н кон- струкции приводов и элементов систем управления, а также их рациональные параметры из условий энергоемкости и обеспечения заданного быстродействия. В справочнике приведено большое число конструкций пневматических устройств различных типов, выпускаемых нашей промышленностью, даны све- дения о рациональных областях их применения, а также показаны в виде примеров некоторые типы приводов зарубежных фирм. Предложены методы динамического расчета времени рабочего цикла различных пневматических устройств и выбора нх параметров по сводным графикам и справочным материалам, полученным с помощью ЭЦВМ. Графики представлены в безразмерных параметрах, что позволяет охватить широкий диапазон используемых па практике устройств. Для случаев, когда параметры проектируемого привода выходят за рамки пара- метров указанных графиков, в справочнике приведены расчетные уравнения, по которым инженер сможет составить программу расчета на ЭЦВМ для решения конкретно поставленной задачи. В справочнике изложены современные методы проектирования систем управ- ления, разработанные на основе общих методов кибернетики, применительно к классу пневматических устройств с учетом особенностей последних. Описаны схемы и элементы пневмоавтоматики, изготовляемые в нашей стране и за рубежом. Чл. корр. АН СССР К. В. Фролов 1»
ВВЕДЕНИЕ Пневматические системы управления (ПСУ) наряду с электрнческнмн и гидравли- ческими системами являются одним из наиболее эффективных средств автомати- зации и механизации производственных процессов. Достаточно сказать, что в наиболее развитых капиталистических странах около 30% всех автоматизиро- ванных процессов оснащено ПСУ. Оснащение ПСУ машин и оборудования составляет (от общего выпуска): упаковочных машин до 90%; сварочных и литейных машин до 70%; автоматиче- ских манипуляторов до 50%; кузнечно-прессовых машин более 40%; угледобы- вающих машин более 30%; прачечного оборудования до 40%; текстильных и обувных машин, деревообрабатывающего и пищевого оборудования 20% [42]. Преимущества ПСУ особенно проявляются при механизации и автоматизации следующих наиболее массовых операций: зажима деталей, их фиксации, канто- вании, сборке, контроле линейных размеров, транспортировании, упаковке н других, что позволяет исключить или свести до минимума участие человека в тяжелых н монотонных работах, при этом производительность труда на этих операциях возрастает в 1,5—4 раза. Широкому внедрению ПСУ в машиностроении способствуют их положитель- ные качества: относительная простота конструкции н эксплуатационного обслу- живания, а следовательно, низкая стоимость и быстрая окупаемость затрат; надежность работы в широком диапазоне температуры, высокой влажности и за- пыленности окружающей среды; пожаро- и взрывобезопасность; большой срок службы, достигающий 10 000—20 000 ч (10—50 млн. циклов); высокая скорость перемещения выходного звена пневматических исполнительных устройств (ли- нейного до 15 м/с, вращательного до 100 000 об/мин); легкость получения и отно- сительная простота передачи энергоносителя (сжатого воздуха), возможность снабжения им большого количества потребителей от одного источника; отсут- ствие необходимости в защитных устройствах при перегрузке (пневмодвигатели могут быть заторможены до полной остановки без опасности повреждения и могут оставаться под нагрузкой практически без потребления энергии). К основным недостаткам ПСУ следует отнести сравнительно малую скорость передачи сигнала на значительные расстояния, сложность обеспечения плавного перемещения рабочих органов пневматических исполнительных устройств при колебаниях нагрузки н относительно высокую стоимость энергоносителя (сжа- того воздуха). Однако для большинства автоматизируемых объектов в машино- строении параметры ПСУ приемлемы, кроме того, указанные недостатки могут быть частично или полностью устранены путем применения комбинированных пневмоэлектрнческих или пневмогидравлических систем управления. В отечественном машиностроении используются системы, реализованные на пневматической технике трех уровней давления: высокого 0,2—1,6 МПа, среднего 0,1—0,25 МПа и низкого 0,001—0,01 МПа. Характерной чертой развития ПСУ в современном машиностроении является использование пневматических устройств не только в силовых приводах, но 4
н в системах управления для программирования, контроля н управления рабо- чими процессами в автоматических линиях, манипуляторах и других машинах. Поэтому важно, чтобы широкий круг работников, занимающихся проектирова- нием и эксплуатацией автоматических систем, имел четкое представление о вы- пускаемом отечественными предприятиями пневмооборудовании н о методах расчета и проектирования его основных элементов. Вместе с тем, несмотря на то что публикуется большое число статен и монографий, посвященных описанию отдельных пневматических устройств, их применению н расчету [1—4, 13, 20, 23, 27, 32—42], почти полностью отсутствуют справочники, необходимые кон- структору в его работе. Цель настоящей работы — ознакомить инженерно- технических н научных работников, занимающихся вопросами автоматизации в машиностроении, с пневматическими устройствами н приводами, с их возмож- ностями решать задачи автоматизации производственных процессов. Авторы стремились снабдить инженеров-конструкторов практическими дан- ными по выбору и эксплуатации схем н конструкций пневматических устройств, их расчету и проектированию, т. е. такими материалами, которые они могли бы использовать непосредственно в повседневной работе. Поэтому из всего много- образия разработанных и опубликованных методов расчета пневмоприводов [2, 10, 12, 21, 30, 31, 40] были выбраны такие, результаты которых оформлены в виде различного рода справочных материалов, графиков и номограмм. Одиако и в этом случае при описании методов расчета авторы старались избежать повто- рения уже опубликованных данных. Так в гл. 11 помещены новые расчеты, гра- фики, таблицы и другие материалы, а на опубликованные работы со справочными материалами даны ссылки [6, 9]. Этим обстоятельством объясняется некоторая неравномерность распределения материала между описаниями методов расчета различных пневматических устройств: новые сведения изложены в большем объеме, чем уже известные. Приведено много расчетных графиков времени сра- батывания пневматических устройств с пневмовозвратом, которые ранее совсем не рассматривались. Вместе с тем не описаны методы расчета пневмоприводов и линий нх связи, рассмотренные в работах [7, 11, 15, 16] с учетом протекающих в них волновых процессов, т. е. как системы с распределенными параметрами. Это объясняется тем, что указанные методы, в результате использования которых разработан пакет программ расчета на ЭЦВМ, пока еще сложно применить в повседневной работе обычного КБ. В справочнике не изложены методы расчета высокоскорост- ных ударных пневмоприводов [5, 8, 22, 35, 39] и приводов вращательного движе- ния [18, 19, 28], что объясняется отсутствием в указанных работах справочных материалов, охватывающих широкий диапазон параметров применяемых устройств. Вопросами теории и расчета дискретных пневмоприводов и систем управле- ния занимаются сотрудники Института машиноведения им. А. А. Благонравова, ВНИИГидропривода и др. [3, 7—9]. Теоретическим и экспериментальным иссле- дованиям следящих пневмоприводов и автоматизации процессов проектирования и динамического расчета систем управления посвящены работы ученых Тульского политехнического института, МАИ, МВТУ им. Баумана и др. [12, 26, 28]. Про- ектированием систем управления низкого и среднего уровня давлений, разработ- кой оригинальных схем и конструкций элементов струйной н мембранной тех- ники занимаются Институт проблем управления, ЭНИМС, НИИТеплоприбор [14, 17, 28, 29, 33] и др. Поскольку пневматические системы управления являются одним из много- численных видов систем управления (электрических, электронных, механических, гидравлических н т. п.) при структурном синтезе этих систем используют общие методы теории управления [17, 24, 25, 37, 42]. Вместе с тем специфические осо- бенности элементов пневмоавтоматики позволяют выделить нх в отдельный класс, для которого на базе общих методов разработаны методы структурного синтеза. Эти методы изложены здесь только применительно к этому классу систем управления. Справочник состоит нз двенадцати глав, в которых описаны пиевматнческне устройства, являющиеся составными элементами пневмоприводов современных машин. Пневматические устройства делят на следующие основные группы. 5
Исполнительные устройства, предназначенные для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую энергию выходного звена привода, воздейству- ющего на рабочий орган машины. В машиностроении исполнительными устрой- ствами в большинстве случаев являются пневмодвигатели. Конструкции пневмо- двигателей и их технические характеристики описаны в гл. 2 (гл. 1 посвящена общим сведениям о рабочем теле, пневмоприводах и их составных элементах). Методы динамического расчета пневмодвигателей изложены в гл. 11. Эти методы могут быть применены также и для расчета ряда элементов привода, например распределителей, управляющих устройств и др. Распределительные устройства, предназначенные для изменения направле- ния потоков сжатого воздуха в линиях (трубопроводах и каналах), соединяющих устройства в приводе. Различные типы распределительной и направляющей аппаратуры описаны в гл. 4 и 5, а пневмолинии — в гл. 7. Управляющие устройства, предназначенные для обеспечения заданной последовательности перемещения исполнительных устройств в соответствии с за- данным законом их движения. Совокупность управляющих устройств, т. е. логи- ческих элементов и элементов обратной связи (ЭОС) составляет пневматическую систему. Описанию систем элементов пневмоавтоматики среднего и низкого уров- ней давления посвящены гл. 8 и 9, а вопросам структурного синтеза ПСУ — гл. 10. Так как системы управления реализуют на элементах автоматики различных типов (электрических, гидравлических и пневматических), то необходимыми эле- ментами в некоторых системах являются преобразователи (см. гл. 3). Для герме- тизации элементов привода применяют уплотнительные устройства (см. гл. 6). Вопросам очистки сжатого воздуха, смазывания подвижных деталей и сни- жения шума систем посвящена гл. 12. В справочнике применены единицы Международной системы единиц (СИ). Так как ряд приборов (манометры, барометры и др.), используемых при эксплуа- тации пневмоприводов, выпускают со шкалой в единицах устаревших систем (МКГСС и др.), в справочнике приведены таблицы перевода некоторых наиболее употребляемых единиц. Государственные стандарты приведены по состоянию на 1.01.1981 г. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алимов О. Д., Гохберг М. М. Пневмопривод и пневмоавтоматика с нестандарт- ными схемами. Фрунзе: Илим, 1970. 264 с. 2. Анализ конструкций самоходных буровых агрегатов. Фрунзе; Илим, 1975. 217 с. 3. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике. Пневмогидравлические механизмы. Т. 5. М.: Наука, 1976. 848 с. 4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975. 638 с. 5. Ашавский А. М., Вольперт А. Я., Шейнбаум В. С. Силовые импульсные системы. М.: Машиностроение, 1978. 200 с. 6. Герц Е. В. Пневматические приводы. М.: Машиностроение, 1969. 359 с. 7. Герц Е. В., Гогричиани Г. В. Динамика пневматических систем машин с развет- вленными линиями. — Механика машин, 1978, № 54, с. 53 — 58. 8. Герц Е. В., Долженков Б. С. Выбор параметров быстродействующего пневмопри- вода. — Станки и инструмент, 1977, № 4, с. 15 — 17. 9. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. 272 с. 10. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. Киев; Техника. 1971—79. Вып. 1 — 12. 1000 с. И. Гогричиани Г. В. Динамика пневматических систем машин. — В кн.: Механика машин. Наука. 1978, № 53, с. 58 — 66. 12. Динамика и долговечность машин. Томск, 1979. 173 с. (Труды Томского универ- ситета). 13. Динамика и, точность функционирования тепломеханических систем. Тула.: ТПП, 1971 — 1978. 800 с. 14. Дмитриев В. Н., Градецкнй В. Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машинострое- ние, 1973. 360 с. 15. Елимелех И. М. Струйные устройства ввода информации. Л.: Судостроение. 1972. 219 с. 16. Залманзон Л. А. Теория элементов пневмоиики. М.: Наука, 1969. 507 с. 17. Залманзон Л. А. Специализированные аэрогидродинамические системы автома- тического управления. М.: Наука, 1978. 464 с. 18. Зеленецкий С. Б., Рябков Е. Д., Микеров А. г» Ротационные пневматические двигатели. Л.: Машиностроение. 1978. 239 с. 6
19. Зиневич В. Д., Ярмолейко Г. 3., Калита Е. Г. Пневматические двигатели гориык машин. М.: Недра, 1975. 344 с. 20. Казинер Ю. Я., Слободкин М. С. Пневматические исполнительные устройства в системах автоматического управления. М.: Энергия, 1972. 72 с. 21. Кожевников С. Н., Пешат В. Ф. Гидравлический и пневматический приводы металлургических машин. М.: Машиностроение, 1973. 359 с. 22. Крейнин Г. В., Матвиенко И. В. Выбор параметров пневматической встряхиваю- щей машины с амортизацией ударов. — Литейное производство, 1978, № 5, с. 10—13. 23. Козловский А. А., Эйдермаи Б. А. Пневмоприводы конвейеров и вспомогатель- ных механизмов. М.: Машиностроение, 1971. 167 с. 24. Лазарев В. Г., Пийль Е. И. Синтез управляющих автоматов. М.: Энергия, 1970. 400 с. 25. Левитская О. Н., Левитский Н. И. Курс теории механизмов и машин. М.; Выс- шая школа, 1978. 269 с. 26. Мамонтов М. А. Трехконтактная термодинамика. Тула; ТПИ, 1976. 307 с. 27. Петрокас Л. В. Производительность машин-автоматов и синтез их систем. М.: МИХМ, 1979. 80 с. 28. Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. М.: Машинострое- ние, 1979. Вып. 1—8. 2000 с. 29. Пневматические приводы и системы управления. М.; Наука, 1971. 298 с. 30. Погорелов В. И. Газодинамические расчеты пневматических приводов. Л.: Машиностроение, 1977. 183 с. 31. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гндро- и пневмосистем, М.; Машино- строение, 1977. 278 с. 32. Юдицкий С. А., Тагаевская А. А., Ефремова Т. К. Проектирование дискретных систем автоматики. М.: Машиностроение, 1980. 232 с. 33. Симкин Е. Л. Пневматические ручные машины в судостроении. М.; Судострое- ние, 1970. 394 с. 34. Andersen В. W. The analysis and design of pneumatic system N. I. Wiley, 1967. 363 S. 35. Artobolevski I. I., Herz E. V. Analysis and syntesis of a High Speed Pneumatic machine Drive Mechanism and Machine Theory. Print in Great Britain, 1978, v. 13, p. 293 — 300. .. 36. Entwiklung fluidlscher Antriebe und Sleueruiigen Berikte von der Pachtagung Olhydraulik und Pneumatik. Mainz, Krauskopf-Verl, 1971. 205 S. 37. Halm L., Marton I. Pneumatishe Logikelelemente. Budapest Akad. Klado, 1970. 120 S. 38. Multrus V. Pneumatische Logikelelemente und Sleuerumgsystcme. Mainz, Kraus- kopf-Verl.. 1970. 247 S. 39. Pneumatik handbook. 2 ed. Morden, England Trade and Techn. Press. 1968. 616 p. 40. Principles and theory of penumatics. Dublin, England. Trade and Techn. Press, 109 p. 41. Zoebl H. Angewandte Stromungslehre in Olhydraulik und Pneumatik. Mainz, Krauskopf, 1970. 200 S. 42. Hydraulics and Pneumatics, 1972 — 1980.
Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ------ О ПНЕВМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ И СИСТЕМАХ 1.1. СВОЙСТВА ВОЗДУХА Рабочим телом в пневматических системах управления является сжатый воздух, представляющий собой механическую смесь азота, кислорода (по объему при- мерно 78 и 21% соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом коли- честве (аргон, углекислый газ и т. д.), а также водяного пара. Воздух, содержащий водяные пары, характеризуется абсолютной и относи- тельной влажностью. Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в единице объема воздуха. Отношение абсолютной влажности к максималь- ному количеству пара, которое могло бы содержаться в единице объема воздуха при тех же температуре и давлении, называют относительной влажностью. На практике при термодинамических расчетах используют параметры сухого воз- духа. Поправку на влажность вносят только при особых требованиях к точности. Основными и наиболее распространенными параметрами, характеризующими состояние сжатого воздуха, являются давление, температура и удельный объем (или плотность). Давление р представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела н отнесенную к единице площади этой поверхности. Атмосферным давлением условно принято считать давление, которое уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм, что соответствует среднему давлению атмосферы на уровне моря. Давление, отсчитываемое от величины атмосферного давления, называют избы- точным или манометрическим. Его измеряют манометрами и указывают в техни- ческих характеристиках пневматических устройств. В теоретические зависимости всегда подставляют абсолютное давление, которое равно сумме избыточного и атмосферного (барометрического) давлений и является параметром состояния газа. В системе СИ единицей измерения давления служит паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой в 1 Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2. 1 Па = 1 Н/мг. Соотношение между основными единицами давления приведены в табл. 1.1 [1]. Параметром состояния газа является также абсолютная температура Т, отсчет которой ведут от абсолютного нуля, лежащего на 273° ниже нуля по шкале Цельсия, т. е. Т = 1° + 273°, где t° — температура в градусах Цельсия. Абсо- лютную температуру Т измеряют в кельвинах (К). Эта величина входит во все термо- и газодинамические зависимости. Для измерения температуры наибольшее распространение получила между- народная стоградусная шкала — шкала Цельсия (в которой 0 °C — точка плав- ления льда, а 100 °C — точка кипения воды при атмосферном давлении), приме- няют н другие шкалы (см. табл. 1.2) [3]. Удельный объем представляет собой объем, занимаемый единицей массы вещества (м3/кг) v = Vim, где V и m — соответственно объем и масса газа 8
Таблица 1.1 Соотношение между единицами измерения давления Единица измерения Единица измерения Па КГС/СМ2 бар psi мм рт. ст. ММ вод. ст. 1 Па (Н/м2) . . . 1 1,02 • 10"’ 10~5 1.45-Ю”* 7.5-10-’ 0,102 1 кгс/см2 ... 9,81 • 1 (У* 1 0,98 14.22 ?35.6 104 1 бар 106 1,02 1 14,5 750 1,02-10* 1 psi (фунт-сил а/кв. дюйм) 6,9-10s 0,07 0,069 1 51,71 703 1 'мм рт. ст. . . 133,3 1,36-10-’ 1,33-10-’ 19,34-10-’ 1 13,6 1 мм вод. ст. . , 9,81 10~4 9,81 • 10-» 1,42-10“3 7,36* 10“2 1 Величину, обратную удельному объему, называют плотностью р = 1/v = m/V. Иногда используют понятие удельного веса, под которым понимают вес вещества в единице его объема 7= РЯ- где g—ускорение свободного падения. Параметры состояния газа р, v, Т однозначно связаны между собой уравие» нием состояния, вид которого в общем случае зависит от свойств газа:-. F (р, р, Т) = 0. Законы идеального газа. Сжатый воздух обычно рассматривают как идеаль- ный газ, т. е. газ, у которого отсутствуют силы сцепления между молекулами, а молекулы являются материальными точками, не имеющими объема. Идеальный газ подчиняется следующим законам. Закон Бойля—Мариотта: при постоянной температуре газа pV = const. Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении V/T — const. Закон Шарля: при постоянном объеме газа р/Т ~ const. Все эти уравнения объединены в одно, которое является уравнением состоя- ния идеального газа и называется уравнением Клайрпеона pV — mRT, или для единицы массы газа pv = RT. Таблица 1.2 Соотношения между температурными шкалами Шкала Шкала Кельвина, К Цельсия, °C Фаренгейта, °F Реомюра, ®R Кельвина, К 1 t °С4-273 ^ + 273 1.25/ °R +273 Цельсия, °C t °К —273 1 / °F—32 м 1,25/ °R Фаренгейта, °F 1.8/ °К—459 1,8/ °С4-32 1 q 4- / OR 4- 32 4 Реомюра, °R 0,8/ °К—218 0,8/ °C 9 — (/ °F—32) 1 9
*!':W Коэффициент пропорциональности 7? называется удельной газовой посто- янной идеального газа массой 1 кг, совершающего работу 1 Дж при повышении температуры на 1 К. Его значение зависит только от свойств газа. Для сухого воздуха 7? = 287 Дж/(кг-К). Реальный газ отличается от идеального в основном наличием сил внутрен- него трения. Чем выше плотность реального газа, тем более он отличается от иде- ального. Динамический коэффициент вязкости т]д, Па-с, который определяется силами внутреннего трения, связан с кинематическим коэффициентом вязкости vK, м2/с, следующей зависимостью: VK = Лд/р- Вязкость воздуха зависит от температуры следующим образом: где г|д1 — динамический коэффициент вязкости при температуре 273 К (О °C). 1.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Термодинамическим процессом называют последовательное изменение параметров газа при переходе его из одного состояния в другое. При описании термодинамических процессов используют такие величины, как теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Теплоемкость (Дж/К) есть количество теплоты, необходимое для нагревания тела на 1 °C. Удельная теплоемкость — теплоемкость единицы массы или объема вещества. Теплоемкость зависит от характера процесса. Различают удельную теплоемкость при постоянном давлении (ср) и при постоянном объеме (сг,), при этом ср — со + R ®Дж/(кг-К). Отношение теплоемкостей представляет собой показатель степени адиаба- тического процесса Й Ср/Су. Теплоемкость зависит также от температуры, однако в пневмоприводах колебания температуры относительно невелики и теплоемкость приближенно можно считать величиной постоянной. Внутренняя энергия U представляет собой сумму кинетической и потенциаль- ной энергий молекул (атомов, ионов,'электронов). В термодинамических расчетах используют не абсолютное значение внутренней энергии, а изменение этого значения в различных процессах. Внутреннюю энергию единицы массы вещества и называют удельной внутренней энергией. Внутренняя энергия идеального газа состоит только из кинетической энергии его молекул и зависит”от "температуры dU = CvdT. В системе СИ единицей измерения внутренней энергии является джоуль (Дж). Энтальпией I системы называют термодинамическую функцию, равную сумме внутреиией энергии и произведения давления иа объем газа 7 = U+ pV или для единицы массы газа i = и + pv. Энтальпию измеряют в джоулях. Энтропия 'S системы есть функция ее состояния. Изменение энтропии яв- ляется признаком обмена энергией системы с окружающей средой в форме теплоты dS = d<b/T, где QT — теплота. Энтропию измеряют в джоулях на градус Кельвина. Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и превра- щения энергии применительно к термодинамическим процессам и формулируется следующим образом: подведенная к системе теплота Q (или отведенная от нее) 10
Характеристика термодинамических процессов Изменение энтропии As = с0 !п As = ср In -Ь- As = R In i 0 = SV J н ьЪ i c c II < 7 e O 4 Уравнения первого закона термодина- мики | dq — du | j dq — du dl S и du = — dl j dq = du -j- dl Теплота <N II sT 1 11 II <3- О II •4 X (T„ ~ Ti) Внешняя работа о II S 1 QJ 11 D 1 «5. II I = R'l In plOl In = ₽2 P2 , =2,3P1O1lg~ Pi II I ' 1 ° "U ~ a *1 ь 1 777? 1 a b 1 ~ 7 —- * 1 । и * “ > 1 II II ~ II l = <Pi°i ~ Рг0»> = Г «-11 i II “1 c 2 1 ^1^ ь T J? - —1 e dT ii ex|e 11 । Зависимость 1 между параметрами 1 Ф II el| й ь^|ьС II a ] a -1« »I a II а] Й II D|“ i‘|a « V J Л V' 55 » Т О ОТ — 00 [ до 4-00 Процесс Изохорический V — const Изобарический p = const Изотермический pv ~ const Адиабатический b , pv = const Политропиче- ский pvn = const 11
расходуется на изменение внутренней энергии U системы и на Совершение ра- боты L dQi == dU dL или в удельных величинах dq = du + dl Дж/кг, где dl = pdv; I — внешняя работа газа. Из уравнения первого закона термодинамики как частные случаи могут быть получены уравнения всех основных элементарных процессов, харак- теристика которых приведена в табл; 1.3. Эти процессы протекают при постоян- ном значении теплоемкости, причем наиболее общим случаем является политро- пический процесс, характеризуемый постоянным показателем политропы п = (ср — с)/(си — с). В уравнении адиабаты pok = const показатель адиабаты для воздуха k « 1,4. В уравнении политропы pvn = const показатель политропы п для различных процессов может принимать любые числовые значения, но в каждом конкретном процессе является постоянной величиной. В большинство приведенных зависимостей входят величины, отнесенные к единице массы газа, при этом предполагается, что в ходе процесса масса не меняется. Это необходимо иметь в виду, так как в пневматических системах имеют место процессы с переменной массой воздуха и при их рассмотрении необходимо ее учитывать так же, как и энергию, которая подводится (отводится) с поступа- ющим (вытекающим) воздухом. 1.3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ Уравнение неразрывности потока: при установившемся движении газа массовый расход одинаков во всех сечениях канала G = pwf = const, где w — скорость течения газа; f — площадь поперечного сечения канала. Уравнение Бернулли: для любых сечений потока при установившемся движе- нии сохраняется сумма напоров — скоростного ш2/2, пьезометрического р/р, статического gz и потерянного на трение hTP, т. е. w'j , г», wi , р, , , , z l’i z 1’2 где zt и г2 высота центра тяжести поперечного сечения потока в сечениях 1 и 2. Ввиду малой плотности воздуха статический напор обычно не учитывается. Если пренебречь теплообменом газа с окружающей средой, трением между стенками канала и газом и внутри газа, то получим адиабатическое движение, в котором отсутствуют внешний теплообмен и внутреннее тепловыделение. В этом случае энтропия не меняется и движение называют изоэнтропическим. Истечение газа из неограниченного объема. При изоэнтропическом движе- нии газа при условии истечения из неограниченного объема (начальная скорость равна нулю) массовый расход воздуха определяют по формуле, которой часто пользуются при расчетах пневмосистем, / г т ~k+r~' 7гЛ«Т7.(7г)*-(^-) ' .• где Pi и р2 — давление газа в неограниченном объеме и в некотором сечении ко- роткого канала, куда истекает газ; р — коэффициент расхода. Коэффициент расхода представляет собой отношение действительного рас- хода воздуха к теоретическому. Он учитывает изменение расхода вследствие при- нятых допущений, и обычно определяется экспериментально. 12
( 2 \~ U + 1 / При k = 1,4 достигает максимального значения При определенном отношении давлений, называемом критическим, расход Ра \ Pi /. (для воздуха) 0.528. Процесс истечения газа при отношении давлений, большем чем критическое, называют подкритическим, и расход определяют по приведенной выше формуле. Если отношение давлений меньше критического, то процесс называют надкрити- ческим и расход определяют по формуле 6-=>1'(тттГ7Г ’ Для воздуха G* = 0,0404р./р1//7\, 1/____ К (k+l}RT где G — в кг/с, f — в м2, pt — в Па, Tt — в К. Различают два вида течения: ламинарное (слои потока движутся равномерно, не смешиваясь) и турбулентное (частицы движутся в поперечном направлении, приводя к перемешиванию потока). Переход от одного вида течения к другому наступает при определенных условиях, характеризуемых числом Рейнольдса Re = 2300 D 4ггш 4ггшр Ко --------—---------, *к Пд где w — средняя по сечению канала скорость течения; г, — гидравлический ра- диус, т. е. отношение площади поперечного сечения канала к его периметру. Для каналов круглого сечения Re = te>pd/r]Tj, где d — диаметр канала. При Re < 2300 имеет место ламинарный вид течения, при Re> 2300 — турбулентный. Числовые значения основных параметров воздуха приведены в табл. 1.4. и 1.5. Числовые значения основных параметров воздуха Таблица 1.4 Параметр Условия Числовые значения Плотность р, кг/м3 Удельный вес у, Удельный объем и, м3/кг р ~ 1,013-105 Па (760 мм рт. ст.), t = 20 °C 1,207 11,82 0,83 Газовая постоянная Я,Дж/(кг«Ю Сухой воздух Влажный воздух, относительная влажность 80 % 287 289 Коэффициент динамической вяз- кости Лд Н • с/м2 t = 20 °C 18,4-10~6 Теплоемкость Ср при постоянном давлении, Дж/(кг-К) При температуре 0—100 °C тепло- емкость практически постоянна 1,01-10s Теплоемкость cv при постоянном объеме, Дж/(кг-К) 0,72-10’ 13
Таблица 1.5 Плотность р воздуха при различных давлении и температуре Давле- ние Плотность воздуха, кг/м3, прн температуре, °C р. 10s, Па 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,98 1,25 1,21 1,17 1,13 1,09 1,06 1,03 1,00 0,97 0,94 0,92 1,96 2,51 2,42 2,33 2,26 2,19 2,12 2,05 1,99 1,94 1,88 1,83 2,94 3,76 3,62 3,50 3,38 3,27 3,18 3,08 2,99 2,91 2,83 2,75 3,43 4,39 4,23 4,08 3,95 3,83 3,71 3,60 3,49 3,39 3,30 3,21 3,92 5,01 4,83 4.67 4,51 4,37 4,24 4,11 3,99 3,88 3,77 3,67 4,41 5,64 5,44 5,25 5,07 4,92 4,77 4,62 4,49 4,36 4,24 4,13 4,90 6,26 6,04 5,84 5,64 5,46 5,30 5,14 4,99 4,85 4,71 4,59 5,39 6,89 6,64 6,42 6,20 6,01 5,82 5,65 5,49 5,33 5,18 5,04 5,88 7,52 7,25 7,00 6,77 6,56 6,35 6,16 5,98 5,81 5,65 5,50 6,37 8,14 7,85 7,59 7,33 7,10 6,88 6,68 6,48 6,30 6,13 5,96 6,86 8,77 8,46 8,17 7,90 7,65 7,51 7,19 6,98 6,78 6,60 6,42 7,35 9,40 9,06 8,75 8,46 8,20 7,94 7,70 7,48 7,28 7,07 6,88 7,85 10,02 9,66 9,34 9,02 8,74 8,47 8,22 7,98 7,75 7,54 7,34 8,33 10,55 10,27 9,92 9,60 9,29 9,00 8,73 8,48 8,24 8,00 7.80 8,83 11,28 10,88 10,51 10,46 9,84 9,53 9,25 8,98 8,72 8,48 8,25 9,32 11,90 11,48 11,09 10,72 10,38 10,06 9,76 9,47 9,21 8,95 8,71 9,81 12,53 12,09 11,67 11,29 10,93 10,59 10,27 9,97 9,69 9,47 9,17 1.4. СТРУКТУРА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ В соответствии с ГОСТ 17752—72 пневматическая система — это техническая система, состоящая нз устройств, находящихся в непосредственном контакте с рабочим газом (воздухом). Энергию сжатого воздуха промышленных пневматических систем используют для приведения в движение механизмов и машин, автоматического управления технологическими процессами, пескоструйной очистки, перемешивания растворов, распыления красок, транспортирования сыпучих материалов, дутья в доменные печн н т. п. Наибольшее применение энергия сжатого воздуха получила в пневмо- приводах. Классификация промышленных пневмоприводов по различным признакам приведена на рис. 1.1. В компрессорном пневмоприводе сжатый воздух подается Рис. 1.1. Классификация пневмоприводов 14
Рис. 1.2. Основные элементы пневмопривода 15
в пневмодвигатель компрессором, В аккумуляторном приводе сжатый воздух поступает в пневмодвигатели из пневмоаккумулятора, предварительно заряжен- ного от внешнего источника, не входящего в состав привода. Наиболее широкое 1 распространение в промышленности нашлн магистральные пневмоприводы, I в которых сжатый воздух подается в пневмодвигатели от пневмомагистрали I (заводской, цеховой и т. п.), не входящей в состав привода. Пневмоприводы, | в которых сжатый воздух из пневмодвигателя поступает в атмосферу, называют ( приводами с разомкнутой циркуляцией. В пневмоприводах с замкнутой циркуля- цией сжатый воздух из пневмодвигателя поступает во всасывающую пневмолинию. Основные элементы, входящие в состав пневмоприводов, приведены на рис. 1.2. 1.5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ К основным параметрам пневматических устройств относятся условный проход, ? диапазон давления, расходная характеристика, параметры управляющего воз- действия, параметры выхода, утечки, время срабатывания, допускаемая частота включений, показатели надежности, размер, масса. f Условный проход характеризует внутреннее проходное сечение пневматиче- ского устройства. Ряды условных проходов и соотношение между условными про- ходами и внутренними проходными сечениями устанавливаются СТ СЭВ 522—77. ( В пневмоприводах наиболее широко применяют устройства с условными проходами 2,5—40 мм. При этом по СТ СЭВ 522—77 числовой ряд следующий, мм: 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40. Для базовых моделей, как правило, условный проход выбирают из ограниченного ряда, мм: 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40. Условный проход — параметр, удобный для выбора размера пневмоаппара- тов различного функционального назначения из имеющихся размерных рядов. Для пневмоаппаратуры многих зарубежных фирм основным размерным пара- метром является размер присоединительной резьбы. Отметим, что условный про- ход и размер присоединительной резьбы — понятия неоднозначные: при одина- > ковой присоединительной резьбе аппараты могут иметь разные условные проходы. | Условный проход аппарата неоднозначно определяет его расходную харак- теристику, которая в зависимости от вида и величины местных внутренних сопро- тивлений может быть различной при одинаковых условных проходах. Диапазон давлении определяется минимальным и номинальным (максималь- ным) значениями. Ряд значений и понятие номинального давления определены в ГОСТ 12445—80. Под номинальным давлением понимают наибольшее мано- метрическое давление, при котором оборудование должно работать в течение установленного срока службы с сохранением параметров в пределах установлен- ных норм. Устройства высокого давления общепромышленного назначения рассчитаны в основном на номинальное давление 0,63 и 1 МПа. Минимальное давление зави- сит от конструктивного исполнения устройств. В устройствах могут применять эластичные уплотнения, для герметизации которых требуется определенный перепад давления или усилие прижатия к уплотняемой поверхности. Определен- ное минимальное давление требуется также для преодоления сил трения при перемещении распределительного элемента, преодоления усилия возвратных упругих элементов и т. п. Для пневматических устройств высокого давления минимальное давление составляет 0,05—0,35 МПа. Расходная характеристика проточного пневматического устройства опреде- ляет количество (массу илн объем) воздуха, проходящего через него в единицу времени в зависимости от величины и соотношения давлений на входе и выходе устройства. Расходная характеристика пневматических устройств является одним из основных параметров, определяющих быстродействие и величину потерь давления в пневмосистемах. В настоящее время применяют три способа задания расходных характе- ристик: 16
1) величиной расхода при определенном перепаде давления и давлении на входе или перепадом давления при определенных величинах расхода и давлении на входе; 2) графиком, выражающим зависимость расхода от перепада давления при определенном давлении на входе, илн серией графиков для различных значений давления на входе; 3) параметром, характеризующим гидравлическое сопротивление устройства. При первом способе определяют расходную характеристику только в одной точке, причем обычно для разных устройств при различных условиях, что затруд- няет сравнение и выбор устройств. При втором способе расходную характеристику устройства определяют достаточно полно, но при этом требуется большой объем экспериментальных работ и данные получают в неудобной для практических расчетов форме. При третьем способе параметр, задающий расходную характеристику, удобен при выборе н сравнении пневматических устройств, пересчете величины расхода для любых условий по простым формулам и определяется эксперимен- тально достаточно простыми способами. В качестве такого параметра принимается пропускная способность Ко, представляющая собой расход жидкости, м3/ч, с плотностью, равной 1000 кг/м3, прн перепаде давления на устройстве 0,098 МПа (ГОСТ 14691—69). Зарубежные фирмы задают расходную характеристику параметрами Cv । и fv, которые являются аналогами пропускной способности Ко, но выражены в американской и британской системах единиц соответственно. Правила экспериментального определения пропускной ‘способности Ко регламентированы ГОСТ 14768—69 н в части требований к определению Ко полностью открытых устройств применимы для проточных пневматических эле- ментов (аппаратуры, трубопроводов и т. п.). В соответствии с ГОСТ 14768—69 Ко = Qs/V"Kp, где Qb — объемный расход воды, м3/ч; Ар — перепад давления, Па. ! Существуют следующие зависимости между пропускной способностью Ко, перепадом давления и объемным расходом воздуха, приведенным к нормальным условиям по СТ СЭВ 521—77, т. е. к температуре 293 К (20 °C) н давлению 101 325 Па: для подкритического режима течения < Q = СКо V(Рг — р2) р2, для надкритического режима течения Q = СКо pj^, где Pi и р2 — абсолютное давление сжатого воздуха соответственно на входе и выходе, Па; С— постоянная (С = 4,70 при Q в м3/мин н Kv в м3/ч; С= 284 при Q и Ко в л/мин). Приведенные значения С определены при допущении, что температура на входе в устройство равна 293 К. При изменении температуры на 10 °C ошибка t расчетов не превышает 2%. ’ Этот способ определения расходной характеристики позволяет находить любую величину из четырех Q, Kv, Pi, р2. Например, на практике часто возникает задача определения падения давления (рх—р2) на устройстве прн заданных давле- нии р2 на выходе н расходе Q. Если известно Ко устройства, то Pi-P2 = Q2C2/(^2)- Другой типовой задачей является выбор пневмоаппарата, например распре- делителя, с требуемой пропускной способностью, если известны Q, pt н р2. В этом случае определяют 1г Q 1\у ----- . с V (Pi — р2) р2 17
и выбирают аппарат с требуемым значением Kv. Последнее выражение может быть использовано для экспериментального определения путем измерения величин расхода Q воздуха и давления рх и р2. Пропускная способность Kv цепи, состоящей из проточных устройств (уча- стков, каждое из которых характеризуется пропускной способностью Kvt (i = = 1, 2, .... п), определяется следующим образом: при параллельном соединении Kv — Kvi + KV2 + • • • + К,.п и при последовательном соединении Величины С„ и fv характеризуют расход воды через устройство соответственно в галлонах США и английских галлонах в 1 мин при перепаде давления В 1 фунт-сила на кв. дюйм. Соотношение между Ко, Cv и fv приведены в таблице 1.6. В расчетах пневматических устройств расходную характеристику выражают также через эффективную площадь проходного сечення устройства f3 = [if, где р, — коэффициент расхода устройства; f— геометрическая площадь проход- ного сечения устройства. Эффективную площадь, м2, обычно определяют экспериментально гЭ_________Q_______ ~ О,454р,(р (р^) ’ где Q— объемный расход воздуха, приведенного к нормальным условиям (м3/мин); Pi и р2 — абсолютное давление на входе и выходе устройства, Па; (р (pjpi) — расходная функция, значения которой приведены на рис. 11.4 и в приложении работы [2]. Числовой коэффициент в выражении для f3 определен при допущении, что температура на входе в устройство равна 293 К (20 °C). При изменении темпе- ратуры на 10 °C погрешность расчетов не превышает 2%. Если при работе устройства отношение p2/pi изменяется в широких пределах, то для уменьшения погрешности расчетов с использованием расходной функции <р (p2/pi) данного вида рекомендуется [2] вводить поправочный коэффициент 0,95 сэ______0>95Qmax ~ 0,454p1<p (p2/pj) ’ где Ушах — наибольшее прн данном р, значение расхода (соответствующее над- критическому режиму течения); ф (Р2У1) = 0,2588. Выражения для определения эффективной площади f проходного сечения цепи последовательно и параллельно соединенных устройств аналогичны при- веденным выше выражениям для пропускной способности Kv. Пропускная спо- собность, м3/ч, и эффективная площадь, м2, связаны между собой выражением Таблица I. Соотношение между Kv, Cv и fv Пара- метр Мэ/Ч CV галло- нов США в минуту англий- ских галло- нов в минуту 1 0,85 1,03 Cv 1,17 1 1,20 fv 0,97 0,83 1 К» = 5- Ю4Л Иногда расходные характери- стики задают длиной эквивалентного трубопровода, т. е. длиной трубопро- вода, эквивалентного по пропускной способности данному устройству. Для приведения объемного рас- хода сжатого воздуха к заданным условиям по давлению и температуре используют зависимости Qu — Q Р/Рн или QH = Q , Рп> 18
где Qa, ри, рн и Та — объемный расход, плотность, абсолютное давление и тем- пература воздуха при заданных условиях; Q, р, р и Т — то же при рабочих условиях. Объемный расход воздуха, который указывается в технических данных пневматических устройств (при отсутствии специальных оговорок) представляет собой объем, который заняла бы данная масса воздуха при нормальных условиях. Под параметрами управляющего воздействия понимают: минимальную вели- чину усилия, необходимого для переключения устройства при механическом управлении и управлении от оператора; величину давления управления при пнев- матическом управлении; параметры электрического тока и мощность электро- магнита при электромагнитном и электропневматическом управлении. Величина минимального усилия переключения распределительного элемента (минимального давления управления) складывается из усилия, необходимого для преодоления трения, и усилия, вызванного действием давления на нераз- груженные площади распределительного элемента. В частности, в распредели- телях с пневматическим возвратом давление управления должно преодолеть действие давления питания, подведенного к противоположной, меньшей по пло- щади стороне поршня привода распределительного элемента. В этом случае в технических данных указывается, что давление управления не должно быть меньше давления питания, или приводится зависимость первого от второго. Параметры управляющего воздействия можно выразить также в виде допу- скаемого диапазона или номинальных значений давления, расхода, перемеще- ния, длительности входного сигнала и др. Параметры выхода определяют состояние выходного сигнала в зависимости от состояния входов, изменения давления питания, настройки и т. п. (например, изменение давления на выходе при изменении давления на входе или расхода воздуха для редукционных пневмоклапанов; задержка пневматического сигнала для пневмоклапанов выдержки времени, длительность выходного импульса для импульсатора и др.). Утечки воздуха в пневматических устройствах в соответствии с ГОСТ 18460—73 допускаются только в подвижных соединениях, например, где уплотнение осуществляется за счет малого зазора (в притертых золотниковых парах). Величину утечек (расход через уплотнительные устройства) можно выра- жать в единицах расхода воздуха (в случае непосредственного измерения коли- чества вытекаемого воздуха) или характеризовать величиной падения давления (в случае, когда утечку воздуха определяют косвенным методом по падению его давления в определенном объеме). Под временем срабатывания пневматических устройств обычно понимают промежуток времени от момента приложения управляющего воздействия (напри- мер, начала роста давления в полости управления) до момента полного переклю- чения рабочего органа или до достижения заданного давления в определенном объеме, подсоединенном к выходу пневматического устройства. Время срабаты- вания устройства зависит от многих факторов (конструкции, размера, нагрузки, длины и сопротивления линий управления, давления и др.) и в зависимости от них может иметь значения от тысячных долей до нескольких секунд. Время срабатывания пневматических устройств, как и их расходная харак- теристика, имеет большое значение, особенно для высокопроизводительного оборудования (манипуляторов, прессов, машин точечной сварки и др.). Частота включений обычно связана с временем срабатывания (зависит от тех же факторов) и может достигать 40 Гц. Надежность привода — это свойство привода выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение тре- буемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность привода обусловливается безотказностью, ремонтопригодностью, соохраняемостью, дол- говечностью. Показателями безотказности привода являются: вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа или на отказ, параметр потока отказов, интенсивность отказов. Основным показателем ремонтопригодности привода слу- жит вероятность восстановления в заданный период времени или среднее время восстановления. Основным показателем сохраняемости привода является гамма- 19
процентный срок сохраняемости, основными показателями долговечности — средний срок службы, средний ресурс, гамма-процентный ресурс. Определения этих показателей даны в ГОСТ 13377—75 и СТ СЭВ 878—78. Надежность пневматических устройств высокого давления обычно выра- жается двумя показателями: гамма-процентной наработкой до отказа и гамма- процентным ресурсом. В зависимости от принципа действия пневматических устройств, имеющих циклический (например, у распределителей, логических элементов) или нециклический (у фильтров, редукционных клапанов) характер работы, наработка на отказ и ресурс выражается в циклах и часах соответственно. Для пневматических устройств циклического действия ресур обычно находится в пределах от 3—5 до 10—20 млн. циклов в зависимости от назначения и кон- струкции; для устройств нециклического действия — от 5000 до 12 000 ч. Размеры и масса для большинства пневматических устройств являются одними из наиболее общепринятых показателей качества. На практике часто оценивают не абсолютные их значения, а удельные показатели, представляющие собой отношение объема (массы) устройства к основному параметру (расходной характеристике, развиваемому усилию н т. п.). 1.6. РАБОЧЕЕ ДАВЛЕНИЕ И РАСХОД СЖАТОГО ВОЗДУХА Давление. Выбор оптимального рабочего давления сжатого воздуха для пневма- тических устройств и систем является одним из важнейших условий их эффектив- ной эксплуатации. Повышение уровня давления позволяет уменьшить размер силовых исполнительных устройств при неизменном развиваемом усилии, что в некоторых случаях имеет решающее значение. Однако, при повышении давле- ния увеличивается расход сжатого воздуха в системах управления и возрастает шум. На основании опыта эксплуатации и технических характеристик пневмати- ческих устройств рекомендуются следующие значения давления на входе: для пневмоприводов различных машин и систем механизации станков, прессов и т. д. 0,6—1 МПа и выше, если размер исполнительных механизмов играет решающую роль (например, у пневмоприводов многоэлектродных сварочных машин); для пневматических систем автоматического управления (построенных на устройствах высокого давления) 0,4—0,6 МПа; для ручного инструмента, трамбовок, вибра- торов 0,4—0,6 АШа; для форсунок, пескоструйных аппаратов, краскораспыли- телей, обдувочных сопел, распушающих устройств 0,2—0,4 МПа. При значительном количестве потребителей воздуха с разным уровнем давле- ния целесообразно иметь сети высокого 0,7—1 МПа и выше, и низкого 0,2— 0,4 МПа давлений, что дает экономию энергетических затрат на производство сжатого воздуха. Для снабжения потребителей сжатого воздуха давлением свыше 0,8 МПа обычно применяют индивидуальные или дожимающие компрессоры. При выборе давления необходимо принимать во внимание возможные его колебания в заводской сети при одновременном подключении большого числа потребителей и потери давления при транспортировании воздуха по трубопро- воду от компрессорной до потребителя. В правильно построенных пневмосетях предприятий колебания давления обычно не превышают 0,05 МПа, а потери давле- ния 5—10% от рабочего давления. Расход. При определении расхода сжатого воздуха обычно применяют сле- дующий порядок расчета. По каталожным или расчетным данным определяют расход воздуха для единицы оборудования каждого типа и размера. Для практи- ческих целей можно пользоваться средними значениями расхода воздуха для различных потребителей, приведенными в табл. 1.7 [6] и учитывающими увеличе- ние утечек в процессе эксплуатации, которое может привести к увеличению первоначального расхода воздуха на 20—30% и более. Расход воздуха, потребляе- мый пневмоцилиндром, определяют по данным, приведенным в гл. 2. Для каждой группы однотипных потребителей определяют коэффициент использования 7%: = ^оп/^к> 20
Где ton— оперативное время работы оборудования; tK — календарное время за учетный период (за смену, сутки и т. п.), состоящее из оперативного времени н времени простоев и пауз в рабочее время. Общий расход воздуха по цеху или участку определяют за календарное время /к 1=1 где Zi — число потребителей одного типа и размера; qi — номинальный расход воздуха на единицу однотипного оборудования (см. табл. 1.7) за время /к; ф; — коэффициент, учитывающий непроизводительные расходы в результате утечек, периодического заполнения и опорожнения трубопроводов и т. п. (обычно ф(- = = 1,1 — 1,3); п—число различных потребителей. Таблица 1 7 Средние значения расхода воздуха и коэффициента использования для различных потребителей Потребитель Характеристика Давле- ние, МПа Расход воздуха, м3/мин Коэффи- циент использо- вания к и Ковочные и штам- повочные молоты Усилие, кН: 7 10 15 20 30 50 100 120 150 0,6 10,0 13,0 16,5 20,0 24,0 30,0 40,0 55,0 60,0 65,0 0,65 — 0,75 0,60 — 0,70 0,60 — 0,70 0,60 — 0,70 0,60 — 0,70 0,60 — 0,70 0,50 — 0,65 0,40 — 0,50 0,40 — 0,50 0,40 — 0,50 Молотки: рубилъио-че- канные клепальные Мощность, кВт: 0,37 — 0,51 0,12 — 0,74 0,5 —0,6 0,6—0,8 0,7 —1,5 0,40 — 0,50 0,30 — 0,45 Сверлильные ма- шины Наибольший диаметр сверления, мм: 8 10 13 22 0,5 —0,6 0,5 —0,8 0,6 —0,9 0,7—1,0 0,9 —1,7 0,50 — 0,60 0,50 — 0,60 0,50 — 0,60 0,30 — 0,50 Шлифовальные машины Наибольший диаметр круга, мм: 25 50 125 150 0,5-0,6 0,6 —0,8 1,0—1,3 1,6-2,1 1,7 —2,2 0,40 — 0.80 Гайковерты и клю- чи Наибольший диаметр резьбы, мм: 12 — 14 20 — 22 28 — 32 0,5 —0,6 0,3 —0,7 1,2—1.5 1,3 —2,5 0,30 — 0,60 Напильники Мощность 0,15 кВт 0,5 —0,6 0,2 —0,3 0,30 — 0,60 21
Продолжение табл. 1.7 Потребитель Характеристика Давле- ние, МПа Расход воздуха, м3/мии Коэффи- циент использо- вания Ки Вибраторы 0,5 —0,6 До 5,0 0,30 — 0,40 Трамбовки — 0,5 —0,6 0,50 — 1,3 0,20 — 0,40 Формовочные машины 0,5 —0,6 0,2 —0,8 м3 на одну опоку 0,10 — 0,30 Моторы Мощность, кВт: 0,37 0,37—0,74 0,74—1,10 1,20—2,20 2,20 м3/кВт: 1,7—1,8 1,6—1,7 1,5—1,65 1,0—1,5 0,8—1,0 0,10—1,00 Подъемники Грузоподъемность, кН: 10,0 20,0 50,0 100,0 0,6 м8 на 1 м высоты подъема: 0,3 —0,4 0,6 —0,7 1,5—1,8 3,0 —3,5 0,04 — 0,40 Пистолеты-краско- распылители Производительность 0,5 — 2 м2 окрашенной поверхности в час 0,3 —0,4 0,1 —0,8 0,50 — 0,80 Пескоструйные машины Диаметр сопла, мм: 5 8 10 12 0,3 —0,4 0,8 2,0 3,3 5,0 0,40 — 0,80 Обдувочные сопла Диаметр сопла, мм: 4 8 0,3 —0,4 0,6 2,3 0,10 — 0,20 При определении расхода воздуха для большого числа потребителей, работа которых связана определенной последовательностью в соответствии с заданным циклом, следует найти для каждого потребителя количество воздуха на одно срабатывание и на цикл, а затем суммировать полученные результаты. Подсчи- танный таким образом расход за цикл надо умножить на число циклов за время /к- Для определения производительности компрессора или диаметра питающих воздухопроводов необходимо знать величину максимального одновременного расхода воздуха QP для группы снабжаемых потребителей 1=п Qp = £ Г=1 где Koi — коэффициент одновременности требителей: Число потребителей 1 2 — 3 4 — 6 Ко[ ..................... 1 0,9 0.8 для каждой группы однотипных по- 7 — 8 10 12 15 — 20 30 — 50 0,76 0,7 0,67 0,6 0,5 22
Таблица 1.3 Удельный расход энергии на валу компрессора при рабочем давлении 0,6 МПа для производства 10 м3 воздуха, приведенного к нормальным условиям Компрессор Удельный расход энергии, кВт*' компрессора , прн производительности м3/ч 100 200 500 1000 2000 5000 10 000 20 000 50 000 Поршневой . . Турбокомпрес- 0,98 0,91 0,86 0,83 0,8 0,78 0,77 0,76 — сорный .... — — — 1,77 1,26 1,02 0,91 0,86 0,82 К групповому расходу воздуха следует добавить расход на утечки воздуха в магистральных и цеховых воздухопроводах. Утечки воздуха во внешних (ма- гистральных) воздухопроводах обычно невелики и составляют не более 1—2% общего расхода, в цеховых воздухопроводах потери от утечек составляют 8—10% . Энергетические затраты на производство сжатого воздуха зависят от многих факторов и могут быть оценены по данным, приведенным в табл. 1.8. Стоимость сжатого воздуха, приведенного к нормальным условиям, состав- ляет, коп.: Производительность компрессора, м3/ч.......................... 50 000 — 20 000 20 000—10 000 Менее 10 000 Стоимость 1 м3 сжатого воздуха 0,2 —0,5 0,4 —0,7 0,7—1,2 Стоимость 1 м3 воздуха, получаемого от источников питания вентиляторного типа давлением до 104 Па и используемого для питания струйных систем управле- ния, составляет 0,01—0,02 коп. Энергетические затраты могут быть снижены за счет: замены пневмоцилин- дров двухстороннего действия цилиндрами одностороннего действия с возвратом под действием силы тяжести или пружины; применения пониженного давления в центральной части системы управления и для холостых ходов цилиндров; организации сетей с различными уровнями давления и др. 1.7. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПРЕССОРАХ И ВОЗДУХОСБОРНИКАХ Компрессоры. Основные типы и техническая характеристика промышленных компрессоров приведены в табл. 1.9 [6], а конструктивные схемы на рис. 1.3. По применению компрессоры могут быть стационарные (установленные на не- подвижном фундаменте или раме) и передвижные (установленные на транспорт- ные средства — автоприцепы, локомотивы, специальные тележки и др.). На оте- чественных предприятиях применяют преимущественно поршневые и центробеж- ные компрессоры, вырабатывающие сжатый воздух давлением 0,4—0,8 МПа. Однако находят применение в ряде случаев и другие компрессоры. Мембранные компрессоры применяют, как правило, для пневматических систем с небольшим расходом воздуха, в которых не допускается наличие масла в сжатом воздухе. Для предприятий со значительным расходом воздуха в качестве базовых реко- мендуется использовать нерегулируемые осевые компрессоры. В последнее время находят применение также винтовые компрессоры как для передвижных, так и для стационарных компрессорных установок. Воздухосборники (ресиверы) обычно устанавливают между компрессором и воздухопроводной сетью. Они служат для сглаживания пульсации потока воздуха, поступающего из компрессора, создания запаса сжатого воздуха для использования в моменты пиковых нагрузок, для отделения воды и масла, содер- жащихся в сжатом воздухе. Воздухосборники особенно необходимы для поршне- вых компрессоров, у которых выходной поток сжатого воздуха имеет большую пульсацию. Воздухосборники могут быть вертикального и горизонтального 23
Основные типы и технические характеристики промышленных компрессоров Недостатки ioo’So О-5Н iron о Е £ «а-Й о ° я хх« >- 5 о о-в с » a S о g я «а оЗк » '§=|| sS O«g £Й= Л я», r?sh - 1^ IsiOl h'a§ P рЛ* xF» As S&SaS И 2 <y S в о H a ef о Л x x x О f- X c cv Й s £ X Ч’ Преимущества о « я о _ i ф д s s Ь 5 я с 6 6 я 6 2 х ef 5! <□ A « к ej X к § 'О X го S Ф Ч 5 X к о. К =Г о 5 X о О 5.® 5 X rf ll 40 ч 03 X Ь. * О Ф св X о X 3 X з х 3J«oS « 528 £ = £g §s25§s §S;L “ . я «ggSgSg S - й 2s =* 'О В с?,<и я ® IS С J3 Е $ 2 ° 2 о 5 О J3 л n о ° j£ J3 н о. sSg'gETS ф5§£ Sgggg Sgsg £«й wS gggw Sgg&s Шум «« » sssSo “« e?§s s л® О £555*5 д S = =-&s s —> “ f i л Ф X св я я X £ Ь* св 58 з 5 й.® & 2. Z ' « х 8 S * Ж 5 S’®н н О ° “ ° О ’о® i Вибрация । Высокая » Низкая при сбал ансиро- ванном роторе Низкая при сбалансиро- ванном роторе То же Низкая при сбалансиро- ванном роторе Стоимость к 0» к х к X св СК л св Я g Я £ £ < ет еС О л О Ф S Ф О о &• *г- сь S 3 О х О Щ и 1 I Произво- 1 дитель - ность, I м8/мин ! До 100 До 1 | 2—1 000 । 16 — 560 16 — 30 000 Св. 400 на любую про- изводитель- ность 1 Давление, МПа 1 о £ 3 5 ь- о о Ч Т° Т.°5® «=> и 2 o' o'о’o' О—Г О«—Гч<*3 -ч* ’'-'£ О О m О О - о 0 О о S о <=>см о 2 2 « «3 адЗ «ч чч=« 4 о 5 Компрессоры (в О) <х> 5 > <1> о) й> з <у <х> з о> ф о) о) q о> св з 3 2 ь 3 3 н 3 3 S3 'л (-• f“ 1- Н св t- t- t- f- Ф fr« X св Св св . . Св Св 3" £ св св ГО ГО >5 ЗГОФу • • • у pr S Фз-ЕяЛуй. «Т ST S s S' Е к ф я s ф 2 х я ф а я х .. я я f £Я>»ф 2 ф Ф С ЯФФС «ФФ d) Ф Ф X ?, ф н с ЙЕ Е>> X с с >> я с с 3 С с ’S £с° >> ££ &S £.&но S&& §&’Ё’5й °_&S S а ди со Л, <j о о ^>фо 2 ф о го ® P-ось о 2 ~ О К 5 О X и га о и 5 О X 2 “ Ь о 3 и Д р- X >. ° Я X X О 5 X Е S >, 3 Е S Й Ф О ф г2 < ик £ < и Я ДеГад 5 е* и 5 Д < ф 3 Я ф Со fits <ot(2 Сс< CQ О е£ О X Cosi-2 О 24
Рис. 1,3. Конструктивные схемы компрессоров: а, б — поршневого одноступенчатого одностороннего и двустороннего действия; в — рота- ционного пластинчатого («в, «с и — углы всасывания, сжатия, нагнетания); г — ступеней центробежного; д — многоступенчатого осевого (I—-VII — ступени) исполнения. Наибольшее распространение получили вертикальные, так как они зани- мают меньшую площадь и более эффективно удаляют загрязнения. Для лучшей сепарации масла и влаги обычно ввод воздуха делают в средней части воздухосборника (рис. 1.4), а вывод в верхней части (при этом входной трубопровод внутри сборника загибается книзу). Внутри воз- духосборника устанавливают перегородки или отбойные щиты, заставляющие воздух изменять направление движения. Объем воз- духосборника определяют в зависимости от типа и производительности компрессора, допускаемого колебания давления, способа регулирования производительности компрес- сорной установки и характеристики потре- бителей. Для сглаживания пульсации воздуха, подаваемого из компрессора, достаточно Рис. 1.4. Типовая конструкция воздухосборника 25
Таблица 1.10 Сравнительные данные для выбора системы управления Критерий сравнения Система пневматическая гидравлическая электрическая Общий КПД силовой си- стемы Потерн энергии при пе- редаче Максимальная скорость передачи сигнала Размер систем: логическ нх силовых Скорость исполнительных механизмов Плавность перемещений н точность останова в любом положении Удары в конце хода Чувствительность к пе- регрузкам исполнитель- ных механизмов Логические элементы: частотные х ар акте- ристики, Гц срок службы, цикл Редко превышает 30 % Меньше, чем в гидравли- ческой До 360 м/с Меньше чем у гидравли- ческой, сравнимы с размером эл ектр оконта ктно й Как правило, больше, чем гидравлической Высокая Практически ие обеспечи- вается без применения спе- циальных устройств Сравнительно большой удар. Обычно демпфирующие уст- ройства встроены в цилиндры При значительных перегруз- ках останавливаются без по- ломок Высокого давления до 40, среднего до 18, низкого до 250 Высокого давления (10—20) 10*. среднего (1 — 10) 10е, низкого св. 10® Менее 70 % Большие 1000 м/с Большой Наименьший при высоком давлении Ниже, чем у пневматических и электрических Высокая и легко регули- руемая Практически отсутствуют То же, что и у пневмати- ческой, но перегрузки вызы- вают повышенный нагрев жидкости и расход энергии До 100 До 5-10® Менее 90 % Наименьшие 300 000 м/с Наименьший при электронных Большой по сравнению с гидравлической и пневматической Ниже, чем у пневматической Лучше по сравнению с пневматической, но хуже, чем у гидравлической Сравнительно большой удар. Необходима установка демпфирующих устройств Чувствительна. Длительные перегрузки вы- водят из строя двигатели Электроконтактиая до 200, электронная до 10? Электроконтактиая 5• 10*—2*10®, электрон- ная — практически неограничен Продолжение табл. 1.10 Критерий сравнения Система пневматическая гидравлическая электрическая стоимость, руб. Высокого давления 4-—12, среднего 1—4, низкого 1 — 2,5 8 — 20 Э лектроконтактная 1,5—17, электронная 0,5—12 размер Низкого давления меньше по сравнению с системами среднего и высокого давле- ния Больше по сравнению с пневматической Электроконтактиая сравнима с пневмати- ческой, наименьший у электронной Время срабатывания вы- ходных устройств 0,02—0,1 0,06 — 0,1 0,05—0,15 Пожаро- и взрывоопас- ность Применима для работы в по- жаро- и взрывоопасных условиях Пожаро- и взрывобезопасна при использовании в качест- ве рабочей среды негорючих жидкостей Требуется применение устройств в пожаро- и взрывобезопасном исполнении, что увели- чивает стоимость в 2 — 3 раза Влияние запыленности и влажности окружающей среды Практически ие влияют на р аб ото спо со бн о сть Приводят к загрязнению ра- бочей жидкости при разгер- метизации бака. Требуется периодическая замена рабо- чей жидкости Влияет на работоспособность. Требуется специальное исполнение аппаратуры Влияние магнитных по- лей Не влияют иа работоспособность Могут в ызвать ложные срабатывания Влияние концентрирую- щего излучения Может вывести из строя устройства, содержащие резинотехни- ческие изделия Выводит из строя элементы, нарушает свойства изоляционных материалов Накопление энергии Обеспечивается установкой простых емкостей Обеспечивается установкой достаточно сложных и гро- моздких гидропневмоаккуму- ляторов Обеспечивается установкой громоздких электрических аккумуляторов Монтаж, демонтаж и эксплуатация линий пе- редачи энергии Не вызывает трудностей. Возвратные трубопроводы обычно не требуются Гораздо сложнее, чем пневмосистем, так как при негерметичности вытекшее масло загрязняет рабочее по- мещение и создает опасность взрыва. Возвратные трубопро- воды необходимы Не вызывает трудностей, однако имеется опасность поражения током при поврежде- нии изоляции
установить воздухосборник, объем которого в 25—40 раз превышает объем цилиндра компрессора. Для компенсации пиковых расходов в момент одновремен- ной работы наибольшего числа потребителей объем воздухосборника необходимо принимать'болыпим, от 1/120 до 1/60 часовой производительности компрессора. Приведенные данные являются ориентировочными. Более точно, применительно к конкретным условиям, объем воздухосборника можно определить расчетом [5]. Назначение, технические требования, основные параметры и размеры воз- духосборников приведены в ГОСТ 9028—76 и в работе [4]. 1.8. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ И ДРУГИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ При автоматизации технологических процессов и оборудования проектировщик часто сталкивается с проблемой выбора оптимальной — по заданным условиям — системы управления (СУ) и устройств для ее реализации. Для выбора СУ можно использовать данные табл. 1.10. Пневматические СУ значительно уступают по скорости передачи сигналов электрическим и гидравлическим СУ, но превосходят по сроку службы электро- контактные и электрогидравлические. Гидравлические СУ превосходят электри- ческие и пневматические по точности и диапазону регулирования скорости испол- нительных механизмов. Для более полного использования достоинств различных устройств автоматики в СУ целесообразно в ряде случаев сочетать пневматические устройства с гидравлическими или электрическими. Так, недостаточные плавность перемещения пневматических исполнительных механизмов и уровень передавае- мой мощности могут быть устранены применением пневмогидравлического при- вода, а недостаточную скорость передачи пневматического сигнала, особенно при большой протяженности цепей управления, можно при необходимости ком- пенсировать использованием электропневматических и электронных СУ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бурдун Г. Д. Справочник по Международной системе единиц. М.: Издательство стандартов. 1977. 232 с. 2. Герц Е. В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. 272 с. 3. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1974. 447 с. 4. Правила устройства и безопасной работы сосудов, работающих под давлением. М.: Металлургия, 1971. 80 с. 5. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проек- тирования. Л.: Машиностроение, 1969. 744 с. 6. Pneumatic Handbook. 4 th edition. Trade and Technical Press Ltd., Morden, Surrey, England, 564 p.
Глава 2 ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ В пневмодвигателях энергия сжатого воздуха преобразуется в энергию движения выходного звена. Они предназначены для приведения в движение рабочих орга- нов машин, выполнения различных вспомогательных операций и т. п. Различают пневмодвигатели с поступательным движением выходного звена; поворотные с ограниченным углом поворота выходного звена; пневмодвигатели с неограни- ченным вращательным движением выходного звена (пневмомоторы). Основные типы пневмодвигателей, их назначение и области применения при- ведены в табл. 2.1 [1—13]. Пневмодвигатели с поступательным движением выходного звена разделяют на поршневые, мембранные, сильфонные, камерные и шланговые. Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели, которые называют также пневмоцилиндрами. Различают двухпозиционные и многопозиционные двигатели. Поворотные пневмодвигатели могут быть поршневыми или пластинчатыми. Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на поршневые, мембран- ные, пластинчатые, винтовые и турбинные (см. табл. 2.1). Остановимся подробнее на некоторых наиболее распространенных типах двигателей. 2.1. ПОРШНЕВЫЕ ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ В пневмоцилиндрах происходит преобразование потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую энергию поршня. В пиевмоцилиидрах одностороннего действия давление сжатого воздуха действует на поршень только в одном направлении, в другую сторону поршень со штоком перемещается под действием внешних сил (рис. 2.1) или пружины (рис. 2.2). Такие пневмоцилиндры с пружинным возвратом обычно используют для выполнения небольших перемещений (0,8—1,5) D, так как встроенная пру- жина, сжимаясь, значительно снижает усилие, развиваемое поршнем. В пиевмоцилиидрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком под действием сжатого воздуха происходит в двух противоположных направле- ниях. Пневмоцилиндры этого типа нашли наибольшее применение в промышлен- ности. В зависимости от предъявляемых требований их различают как по кон- структивным параметрам, так и по схемам соединения с пневматической системой и атмосферой. Пневмоцилиндры двустороннего действия изготовляют с ходом поршня от нескольких миллиметров до 6—7 м. Ход поршня следует принимать из ряда по ГОСТ 6540—68. Пневмоцилиндры с ходом поршня более (8—10) D обычно изго- товляют по индивидуальным заказам, так как для обработки гильз цилиндров и штоков необходимо специальное оборудование. На пиевмоцилиндры двустороннего действия без торможения (рис. 2.3, а) и с торможением (рис. 2.3, б) диаметром 25—400 мм разработан и утвержден 29
Таблица 1.1 Основные типы пневмодвигателей, их назначение и области применения Двигатели Схема двигателя Область применения 1. Пневмодвигатели с поступательным движением выход- ного звена Поршневые (пиев- моцилиндры) Одностороннего действия t Подъемники и механизмы, в ко- торых движение в одну из сто- рон производится под дейст- вием внешних снл или собствен- ного веса. Величина перемеще- ний до (8 — 10) D и усилий до 30 кН 1 -Г-1 Одностороннего действия с пру- жинным возвра- том —1 Зажимные, фиксирующие, пе- реключающие и другие устрой- ства. Величина перемещений до (0,8 —1,5) D и усилий 0,04 — 6 кН Дву сторон него действия с одно- сторонним штоком _J 1 Транспортирующие, погрузоч- но-разгрузочные, зажимные и другие устройства. Величина перемещений до (8 — 10) D н усилий до 45 кН .... 1, Двустороннего действия с дву- сторонним штоком 1 L_ Устройства с требованиями ра- венства развиваемых усилий в обе стороны или управления конечными выключателями с нерабочей стороны штока. Ве- личина перемещений до (8 — 10) D и усилий до 30 кН 1 1 Сдвоенные (одно- илн двустороннего действия) Зажимные устройства с ограни- чением радиального размера цилиндров. Величина переме- щений до (0,8 —1,5) D и усилий до 60 кН 1 —-*- Телескопические (одно- нли двусто- роннего действия) 1 J7I , Устройства со значительной ве- личиной перемещения рабочего органа при ограниченном осе- вом размере цилиндра в исход- ном положении 30
Продолжение табл. 2.1 Двигатели Схема двигателя Область применения М ногопозиционные пневмоцнлиндры: двухпоршне- вые у1"-1 1 1 Устройства позиционирования, переключения передач и дру- гие. Обеспечивают несколько фиксированных положений ра- бочего органа однопоршневые с отверстиями в гильзе 1 L 1 1 1 Y n 1 I миогопоршие- вые 1 J 5 MI л Ф Пневмоцилиндры со встроенным ре- сивером L _JZ_ Прошивочные, штамповочные, маркировочные, чеканочные и другие устройства. Обеспе- чивают высокую скорость в одном или обоих направлениях Пневмоцилиндры с гибким штоком _J L_ Транспортирующие устройства со значительными перемеще- ниями и требованиями к мини- мальному размеру цилиндра. Величина перемещений до 20D и усилий до 45 кН. Трудно обе- спечить уплотнения гибкого штока. Z к Вращающиеся пиевмоцилиндры одно- нли двусто- роннего действия: с полым и сплошным штоком Зажимные устройства станков для обработки пруткового ма- териала и штучных заготовок сдвоенные То же, при необходимости обе- спечения усилий зажима свы- ше 45 кН или ограничении раз- мера по диаметру цилиндров 1 Мембранные (одно- i или двустороннего £ действия) [ Устройства зажимные, фикси- рующие и другие с ограничен- ной величиной перемещения 0,1£>м для плоских мембран и 0,25£>м для мембран с гофром. Величина усилий до 30 кН 31
Продолжение табл. 2J Двигатели Схема двигателя Область применения Сильфонные 1лл В датчиках и специальных устройствах с небольшой вели- чиной хода и усилий Камерные Для зажима деталей в несколь- ких точках. Обеспечивают по- стоянное усилие зажима при изменении размера деталей Шланговые ✓ Транспортирующие устройства со значительной величиной пе- ремещения (до 10 м н более, при небольших перемещаемых мас- сах) 2. Поворотные пневмодвигатели Двухпозиционные поршневые Автоматические манипуляторы и загрузочные устройства; угол поворота обычно до 360° (в спе- циальном исполнении до 1800°), крутящий момент до 20 кН*м 1 шиберные Угол поворота до 300°; крутя- щий момент до 500 Н-м М но го позиционные (поршневые н пла- стинчатые) * Устройства позиционирования станков и манипуляторов при небольших углах поворота 3. Пиевмомоторы Шестеренные ннг 1 1 Приводы транспортеров, лебе- док, комбайнов, сверлильных машин в угольной и горноруд- ной промышленности 32
Продолжение табл. 2.1 Двигатели Схема двигателя Область применения Аксиально-поршне- вые * Приводы ручного инструмента, сверлильных головок и других устройств Радиально-поршне- вые tl Приводы лебедок, конвейеров и других устройств во взрыво- опасных помещениях, а также сверлильных машин с относи- тельно высоким крутящим мо- ментом Мембранные н ' Приводы трубопроводной арма- туры клапанного типа Пластинчатые мОь ж /Ж\ Ручной инструмент, сверлиль- ные и резьбонарезные головки, гайковерты и другие устрой- ства Винтовые Приводы конвейеров, транспор- теров и других машин ITурбинные <Н" Приводы шлифовальных голо- вок II р и м е ч а иии 0,63 МПа; D - н и е. Усилие и крутящий момент указаны при рабочем давле- - диаметр поршня цилиндра; £>м — диаметр мембраны. 2 Е. В. Герц и др. 33
Рис. 2.1. Пневмоцилиндр одностороннего дей- ствия без пружины Рис. 2.2. Пневмоцилиидр одностороннего дей- ствия с пружинным возвратом ГОСТ 15608—70. Стандарт преду- сматривает изготовление пневмо- цилиндров со следующими видами крепления: на удлиненных стяж- ках, на лапах, на переднем и зад- нем фланцах, на проушине и на цапфах. Стандартом также преду- смотрено исполнение штоков с внут- ренней и наружной резьбой на конце и отверстий для подвода воз- духа с метрической и конической резьбой. Пневмоцилиндры по ГОСТ 15608—70 серийно изготовляют Орджоникидзевский опытный завод пневмооборудования и ряд заводов отраслей машиностроения. В по- мощь предприятиям, изготовля- ющим пневмоцилиндры, ВНИИГид- роприводом разработан альбом чертежей [15]. Основные параметры пневмо- цилиндров по ГОСТ 15608—70 приведены в табл. 2.2. Теоретиче- ское усилие на штоке определено как произведение избыточного дав- ления на площадь поршня (толка- ющее) или на разность площадей поршня и штока (тянущее). Конструкция поршневого пневмоцилиндра с двусторонним штоком приведена на рис. 2.3, в. Сдвоенные пневмоцилиндры. В том случае, когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из-за недостатка места, рекомендуют использовать два цилиндра или более последовательно соединенных между собой и работающих на один шток. В результате этого усилия сжатого воздуха, действующие на поршни, склады- Техническая характеристика пневмоцилиндров (ГОСТ 15608-70) Таблица 2.2 Диаметр, мм Усилие на штоке. -1 Теоретическое Действительное (не менее) Q а толка- тяну- толка- тяну- толка- тяну- толка- тяну- ющее щее Ющее щее ющее щее ющее щее Я го S я Давление, МПа s £ 3 0,63 | 1,0 0, 63 | 1,0 25 10 310 260 490 410 240 200 390 320 32 -Ю 500 450 800 720 400 360 640 570 40 12 790 720 1 260 1 140 630 570 1 000 910 50 16 1 250 1110 1 960 1 760 990 880 1 560 1 400 63 16 1 960 1 830 3110 2 910 1 560 1 460 2 480 2 320 80 25 3 170 2 860 5 030 4 540 2 780 2 510 4 420 3 990 100 25 4 950 4 640 7 850 7 360 4 350 4 080 6 900 6 470 125 32 7 730 7 230 12 270 1 1 470 6 800 6 360 10 790 10 090 160 40 12 670 И 870 20 1 10 18 850 11 650 10 920 18 500 17 340 200 50 19 790 18 560 31 420 28 460 18 200 17 070 28 900 27 100 250 63 30 920 28 960 49 090 45 970 28 440 26 640 45 160 42 290 320 80 50 660 47 500 80 420 75 390 46 600 43 700 73 980 69 350 360 80 64 120 60 960 101 780 96 760 60 910 57 910 96 690 91 920 400 90 79 160 75 150 125 660 1 19 300 75 200 71 390 119 370 1 13 330 34
Рис. 2.3. Пневмоцилиидры двустороннего действия: о — без торможения; б — с торможением; в — с двусторонним штоком; е -* сдвоенный 2* 35
Рис. 2.4. Пневмоцилиндры вращающиеся со сплошным (а) и полым (б) штоками ваются. Конструкция сдвоенного пневмоцнлиндра представлена на рис. 2.3, г. В этой конструкции могут быть использованы нормализованные детали цилиндров по ГОСТ 15608—70, кроме штока н промежуточной крышки. Недостатком сдвоен- ных пневмоцнлнндров является увеличение длины цилиндра приблизительно в том же соотношении, в каком увеличивается усилие. Вращающиеся пневмоцилиндры применяют в качестве силового привода патронов, оправок и других приспособлений, осуществляющих зажим штучных заготовок н пруткового материала на токарных, токарно-револьверных и других станках. Эти пневмоцилиндры подразделяют на следующие типы: одностороннего действия, двустороннего действия и сдвоенные. В зависимости от исполнения штока вращающиеся цилиндры бывают со сплошным или полым штоком. Вращающийся пневмоцилиндр со сплошным штоком (рис. 2.4, а) имеет муфту 1 подвода воздуха, предохранительное устройство 2 и собственно цилиндр 3. При сообщении через пневмораспределитель входного канала А с магистралью, а канала Б с атмосферой, сжатый воздух через канал Г, шариковый клапан 6 и канал Д поступает в штоковую полость цилиндра. Отработанный воздух из штоковой полости проходит по каналу Е, открытому штоком поршня 5 предохра- нительного устройства шариковому клапану 4, каналы Ж, Б и через распреде- литель выбрасывается в атмосферу. При подаче сжатого воздуха из магистрали к каналу 5 сжатый воздух по- ступает в бесштоковую полость. Штоковая полость через канал А и распредели- тель сообщается с атмосферой. Предохранительное устройство 2 обеспечивает автоматическое отсечение (запирание) штоковой и бесштоковой полостей при па- дении давления на входных каналах А н Б, что предотвращает разжим детали прн вращающемся шпинделе станка. Техническая характеристика отечественных конструкций одинарных П-ЦВ и сдвоенных П-ЦВС вращающихся цилиндров по ГОСТ 21821—76 приведена в табл. 2.3. Конструктивная схема вращающегося пневмоцилиндра с полым штоком приведена на рис. 2.4, б. В этой конструкции сжатый воздух в полости цилиндра также подводится через муфту 1 подвода воздуха, клапаны 2 и 4 предохранитель- ного устройства. Шток поршня 3 выполнен полым, что позволяет пропускать через цилиндр прутковый материал к зажимной цанге. Поршневые позиционеры. Пневмоцилиндры можно использовать в каче- стве позиционеров, если не требуется высокая точность отработки положения (позиции) и если число позиций невелико. На рис. 2.5, а—в показаны схемы соединения двух пиевмоцилиндров для по- лучения трех (I, II, III) и четырех (I, II, III, IV) фиксированных положений, причем, четыре позиции получают соединением двух пневмоцилиндров с различ- ной длиной хода (рис. 2.5, в). Конструкция трехпозициоииого пневмоцнлиндра, в котором могут быть использованы нормализованные детали цилиндров по ГОСТ 15608—70, показана 36
29 600 46 600 29 000 45 600 57 500 86 350 57 600 90 600 33>3 (2000) Техническая характеристика вращающихся пневмоцилиндров 37
Рис, 2.5. Поршневые позиционеры иа рис. 2.5, г. Шток цилиндра 1 закреплен, а шток цилиндра 2 является исполни- тельным. При подаче сжатого воздуха в бесштоковую полость цилиндра /, испол- нительный шток перемещается вместе с корпусом цилиндра 1, а при подаче сжа- того воздуха в бесштоковую полость цилиндра 2 исполнительный шток переме- щается в следующую позицию. Таким образом обеспечиваются три фиксированных положения исполнительного штока. Несколько иная конструкция позиционера (рис. 2.5, д), представляющего собой трехпозиционный пневмоцилиндр. Здесь среднее положение штока обеспечивается при подаче сжатого воздуха в оба воздухоподводящих отверстия 1 и 2, при соединении подводного отверстия 1 с атмосферой шток втягивается, а при соединении отверстия 2 с атмосферой и от- верстия 1 с источником давления шток выдвигается. Пиевмоцилиндры с гибким штоком. На рис. 2.6 показан пневмоцилиндр, в котором шток выполнен из стального троса 2 с нейлоновым покрытием. Ци- линдры этого типа позволяют получать большую длину хода, так как исключается деформация штока, свойственная цилиндрам с большими ходами. Трос 2 прикреп- лен к поршню ,3 цилиндра и переброшен через ролики /, установленные в крышках цилиндра. Для уплотнения поршня и троса служат манжеты V-образного типа. К концам троса прикреплена каретка 4, служащая для соединения с перемещае- мыми механизмами. Пневмоцилиндры с гибким штоком можно применять для различных операций перемещения, хонингования, шлифования, полирования ит. п., особенно в том случае, когда ограничено место для выдвижения длинного штока. Пневмогидравлические цилиндры. Для получения стабильной скорости перемещения штока, что особенно важно в приводах подач режущего инструмента станков, применяют пневмогидрав- лические цилиндры (рис. 2.7), со- стоящие из двух цилиндров: пнев- матического 1 и гидравлического 2. Сжатый воздух подается в пневмо- цилиндр, поршень которого через шток передает усилие на поршень Рис. 2.6. Поршневой пневмоцилиидр с гибким штоком 38
гидроцилиндра; последний, перемещаясь, выдавливает масло из одной полости в другую по трубопроводу 3. Скорость перемещения поршней регулируют дроссе- лем с обратным клапаном 4. Скорость регулируется только при прямом ходе. Для предотвращения перетечек воздуха в полость гидроцилиндра, а масла в по- лость пневмоцилиндра, в промежуточной общей крышке рекомендуется преду- сматривать дренажные отверстия, облегчающие выход воздуха и масла, перете- кающих через уплотнения штока, н позволяющие обнаружить утечки. Ударные пневмоцилиидры. В промышленности нашли применение следующие типы ударных пневмоцилиндров: одностороннего действия со встроенным ресивером (рис. 2.8, а), со встроен- ным ресивером, концентрично расположенным, и золотниковым распределением (рис. 2.8, б); двустороннего действия (рис. 2.8, в). Конструкция ударного пневмоцилиндра со встроенным ресивером [17] показана на рис. 2.8, г. Цилиндр имеет ресивер /, поршень 3 со встроенным клапа- ном, бесштоковую 2 и штоковую 4 полости. В исходном положении поршень давлением воздуха в штоковой полости прижат к седлу, закрывая доступ сжатого воздуха из ресивера в бесштоковую полость цилиндра. До начала хода поршня бесштоковая полость соединена с атмосферой через клапан. Для выполнения движения необходимо штоковую полость цилиндра соединить через клапан с атмо- сферой. В ресивере, предварительно соединенном с магистралью, давление равно магистральному. Движение поршня начнется тогда, когда давление в штоковой полости упадет до уровня, близкого к атмосферному. На начальном участке хода давление в бесштоковой полости поддерживается близким к магистральному, а в штоко- вой полости продолжает уменьшаться, приближаясь к атмосферному. На этом участке хода обеспечены нанлучшие условия для разгона поршня и связанных 39
е ним частей механизма: магистральное давление по одну сторону поршня и атмо- сферное по другую. Вследствие этого поршень быстро разгоняется до скорости 4—7 м/с. При дальнейшем движении поршня давление в ресивере и бесштоковой полости падает, а в штоковой начинает возрастать. Скорость поршня уменьшается, ход заканчивается сравнительно плавно, без удара о переднюю крышку. Для возврата поршня в исходное положение сжатый воздух подают в штоковую по- лость цилиндра, а ресивер соединяют с атмосферой. В пневмоцилиндре со встроенным концентрично расположенным ресивером (см. рис. 2.8, б) рабочая полость сообщается с резервуаром посредством кольцевой щели 1 в гильзе цилиндра. В исходном положении поступлению сжатого воздуха из ресивера в рабочую полость препятствует уплотнительное кольцо 2 и воздух поступает только через дроссель 3. Когда поршень сдвигается с места и открывает щель 1, то через нее поступает воздух и поршень.цилиндра разгоняется. Рассмотренные типы ударных пневмоцилиндров обеспечивают высокую скорость движения поршня только в одном направлении. Показанный на рис. 2.8, в ударный пневмоцилнндр имеет высокую скорость перемещения поршня в обоих направлениях. Но в отличие от пневмоцилиндра, изображенного на рис. 2.8, а, в нем нельзя обеспечить эффективное торможение в конце хода из-за большого объема вредного пространства выхлопной полости. Расчет пневмоцилиндров подразделяют на проектный и поверочный. При проектном расчете по заданной нагрузке, магистральному давлению, массе пере- мещаемых деталей, скорости перемещения поршня определяют диаметр поршня, штока и подводящих отверстий, расход воздуха и пропускную способность пневмо- линии [6]. При поверочном расчете [3, 6] определяют время срабатывания пневмоцнлиндра и возможность торможения поршня (для цилиндров с тормо- жением). Пневмоцилиндры в зависимости от характера применении условно разделяют на две группы: 1) зажимные цилиндры (подпружинивающие, фиксирующие, прижимные и др.), которые обеспечивают передачу заданного усилия после за- вершения хода или при весьма малых перемещения поршня с «ползучей» ско- ростью, и 2) транспортирующие цилиндры, развивающие требуемое усилие на всем пути перемещения поршня. Диаметр поршня зажимных цилиндров без учета их быстродействия опреде- ляют, исходя из заданного усилия Р2 (при зажиме или транспортировании). Результирующая сила, преодолеваемая силами давления, в общем случае равна сумме значений вредного Рг (сила трения), полезного Р2 сопротивления, веса Р3 поршня и перемещаемых частей привода (при вертикальном положении цилиндра), а также силы Ро предварительного натяжения пружины Р = Pi+ Р2+ Рз+ Р0. Диаметр зажимного цилиндра одностороннего действия без пружины в = 1,1з1/ Р*-+Рг + Рз , У 0,9Рм Ра где рм — минимальное абсолютное давление в магистрали или на выходе редук- ционного клапана; ра — атмосферное давление. Диаметр зажимного цилиндра одностороннего действия с пружинным воз- вратом D = 1,13 ]/ Р^р.Гз + Р° + ^ У 0,9ры — Ра где сп — жесткость пружины; s — ход поршня. Здесь для создания запаса при- нято, что усилие зажима создается при давлении 0,9рм. При вертикальном по- ложении зажимного цилиндра нужно учитывать вес Ра. Иногда силу трения учитывают посредством коэффициентов, как это пока- зано ниже, при расчете транспортирующих цилиндров. 40
Диаметр транспортирующего цилиндра определяют по следующим фор- мулам: для горизонтально расположенных цилиндров для вертикально расположенных цилиндров D = 1,13 l/ —> ’ ХРм 0 ^тр) где X — безразмерный параметр нагрузки; #ТР — коэффициент, учитывающий потери на трение в цилиндре. Ориентировочные значения feT[, для различных величин полезной нагрузки при уплотнении манжетами по ГОСТ 6678—72 и магистральном давлении 0,5— 0,6 МПа приведены ниже: Р2, кН...............До 0,60 0,60—6,0 6,0—25 25 — 60 *ТР................ 0,5 —0,2 0,2 — 0,12 0,12 — 0,08 0.08 — 0,05 Большие значения &тр принимают для меньших диаметров пневмоцилиндров. Безразмерный параметр нагрузки Р pMF ’ где F — площадь поршня. Для транспортирующих пневмоцилиндров оптимальное значение X = 0,4-8- -т-0,5, при Х> 0,5 время срабатывания цилиндра значительно возрастает, малые значения X (—0,1—0,2) свидетельствуют о неэффективном использовании пневмо- цилиндра, но могут быть необходимы для получения максимальной скорости срабатывания [3, 6]. Максимально допустимые значения Хпмх рм. МПа ..................... 0.3 0,4 0,5 0.6 —1,0 %п1ах ....................... 0,6 0,65 0,7 0,75 Расчетное значение диаметра поршня округляют до ближайшего по ГОСТ 6540—68 значения. Рекомендуется округлять в большую сторону, однако, если расчетный диаметр поршня отличается от стандартного не более чем на 5%, то можно принимать меньшее значение. По полученному расчетному диаметру и ГОСТ 15608—70 определяют основные конструктивные параметры пневмо- цилиндра. При расчете специальных пневмоцилиндров основные конструктивные параметры выбирают следующим образом. Ход поршня определяется в основном требуемым значениям перемещения рабочего органа, детали и т. п., но при выборе максимального хода следует учитывать технологичность изготовления гильзы и штока, устойчивость штока в максимально выдвинутом положении и др. Максимальное значение хода пневмоцилиидров двустороннего действия реко- мендуют ограничивать 8—10 диаметрами поршня. Если требуется ход, значение которою превышает десять диаметров поршня, то необходимо рассчитать шток на устойчивость, определяя по формуле Эйлера критическую силу, выводящую шток из устойч ивого положения р _ n2E/min' Кр (&)* ’ где Е — модуль упругости материала штока: /тщ — минимальный момент инер- ции сечения штока; I — максимальная длина выдвинутой части штока; р — коэффициент приведенной длины, зависящий от способа закрепления стержня и места приложения сжимающей нагрузки. 41
Если шток не соединен с нагрузкой, то он работает как стержень, жестко’ закрепленный одним концом, и ц = 2. При соединении штока с нагрузкой и пере- мещении нагрузки по направляющим допускаемая критическая сила возрастает, так как в этом случае шток работает как стержень, закрепленный с двух сторон, для которого ц имеет меньшее значение и лежит в пределах 0,5—2 в зависимости от способа закрепления конца штока и вида направляющих [14]. Диаметр штока £>ш определяется условиями его прочности в наиболее опас- ном сечении и возможным выходом его из устойчивого положения: где Р — максимально возможное усилие на штоке; ] — допускаемое напря- жение материала штока на разрыв. Определив диаметр штока в наиболее опасном сечении, конструктивно выби- рают способ крепления и посадочный диаметр под поршень. Искомый диаметр штока принимают несколько большим посадочного диаметра, округляя его до* ближайшего по ГОСТ 6540—68 значения. Диаметр присоединительных отверстий цилиндров определяется скоростью’ перемещения поршня, объемным расходом, размером крышек и т. п. Существуют рекомендации по выбору диаметра dn этих отверстий в зависимости от диаметра поршня D; для максимальной скорости поршня 0,3—0,5 м/с принимают da = = 0,10. Так как предельные скорости движения поршня на практике встречаются сравнительно редко, нет необходимости во всех случаях устанавливать трубо- проводы и соединения номинального размера. В некоторых случаях этот размер можно уменьшить, что даст экономию металла. Расход воздуха, приведенного к нормальным условиям, определяют по следующим формулам: для цилиндра одностороннего действия с бесштоковой рабочей полостью Q = 0,785D2s пя; Ра для цилиндра двустороннего действия Q = 0,785 (2D2 —D2 ) s. ' ' Ра где «д — число двойных ходов. Заданный закон движения поршня пневмоцилиндра (например, плавное нарастание скорости, безударный останов в конце хода, равномерное или равно- ускоренное движение и т. п.), заданное быстродействие или минимальные размеры цилиндра обеспечиваются выбором диаметра поршня, проходных сечений напор- ной и выхлопной линий, начального объема полостей пневмоцилиндра и др. Методика выбора параметров цилиндров двустороннего действия для без- ударного останова и высокой скорости перемещения поршня из условия обеспе- чения заданного или наибольшего быстродействия приведена в гл. 11 ив ра- боте [6]. Методика выбора параметров цилиндров одностороннего и двустороннего действия для обеспечения закона движения с плавным нарастанием скорости перемещения поршня до конца хода или для его движения с торможением в конце хода приведена в работах [3, 5, 6, 13]. Методика выбора параметров различных пневмоприводов с установившимся и неустановившимся движением поршня рассмотрена в работе [6]. Время срабатывания пневмоприводов с выбранными или заданными пара- метрами рассчитывают по методике, приведенной в работах [3, 6] и гл. 11. Методика расчета пневмоприводов с торможением (со встроенными в крышки или установленными на трубопроводах тормозными устройствами) приведена в работах [6, 12], а ударных пневмоцилиндров — в работах [5, 13]. 42
2.2. МЕМБРАННЫЕ ПНЁВМОДВИГАТЕЛИ Мембранные пневмодвигатели применяют в зажимных, фиксирующих, переклю- чающих, тормозных, прессующих устройствах станков, прессов, сварочных и других машин, в приводах арматуры с тяжелыми условиями работы, обуслов- ленными загрязненностью окружающей среды, низким качеством очистки сжа- того воздуха от механических частиц и влаги. Преимущества мембранных ци- линдров — малая трудоемкость при изготовлении, высокая герметичность ра- бочей полости, отсутствие необходимости в подаче распыленного масла и низкие эксплуатационные расходы; недостатки — малая величина хода, непостоянство усилия по ходу, относительно низкая долговечность мембран. Мембранные двигатели применяют преимущественно одностороннего дей- ствия с пружинным возвратом и без него, реже двустороннего действия. Мем- браны могут быть эластичные (из резины, резинотканевых и синтетических мате- риалов) и металлические (из специальных сортов стали, бронзы и латуни толщи- ной листа 0,2—1,5 мм). В пневмоприводах станков, прессов и других машин применяют, как правило, эластичные мембраны, которые в зависимости от формы поперечного сечения разделяют на плоские и фигурные. Плоские мембраны’при работе на поверхности не имеют изгибов сечения, достигающих 180°, а фигурные имеют, что дает им возможность сворачиваться при ходе штока с поверхности опорного диска на внутреннюю цилиндрическую поверхность камеры, при этом обеспечивается относительно больший ход с высо- ким механическим КПД. Конструкции мембранных цилиндров с плоской и фи- гурной мембраной приведены на рис. 2.9. Диаметр мембраны (в месте заделки) определяют по следующим формулам: при толкающем усилии DM = 1,95 I —-----------—у----> у + ₽1 + ₽1) Рм при тянущем уснлнн | / р + °’785Р«°2Ш У (14-₽г + Р?)Рм давление; Dm — диаметр штока (Р и Dm где Р — заданная сила сопротивления на штоке; рм — избыточное магистральное " - - определяют так же, как для поршневых Рис, 2.9. Мембранные пневмо- двигатели одностороннего дей- ствия с плоской мембраной (а) и двустороннего действия с фи- гурной мембраной (б) 43
Таблица 2. 4 Максимальный ход штока двигателей с плоскими мембранами Мембранный двигатель Ход штока при магистральном давлении, МПа 0,4 0,5 0,6 0,8 Одностороннего действия 0,08£>м о,юом 0,12Ом 0.15ОМ Двустороннего действия 0,06Рм 0,080м 0.1 ООм 0,12Ом цилиндров); Pi = DjD„—коэффициент; Do—диаметр опорного диска; DM— диаметр мембраны в месте заделки. Коэффициент обычно принимают в пределах 0,6—0,8. При меньших зна-. чениях рг усилие, развиваемое мембранным цилиндром, более равномерно в пре- делах хода штока, но эффективная площадь мембраны и развиваемое усилие на штоке уменьшаются. Не рекомендуется выбирать рх > 0,8, так как это приводит к уменьшению хода штока и увеличению нелинейности статической характеристики мембраны. Толщина плоских резиновых мембран без гофра [7] 6 = 0,175 [Тер] где [тСр] — допускаемое напряжение на срез. Для листовой резины с прочностью на разрыв 5 МПа при использовании ее с одной тканевой прокладкой можно принимать значения [тСР 1 в зависимости от толщины резиновых мембран, приведенные ниже: б, мм........................... 2,7 5,0 7,0 [т ], МПа ...................... 3,0 2,4 2,1 Величину хода штока определяют в зависимости от допустимого прогиба плоской мембраны. Чрезмерное увеличение прогиба приводит к снижению уси- лия, снимаемого со штока вследствие потерь давления на растяжение, и сниже- нию долговечности мембраны. В табл. 2.4 даны рекомендуемые значения максимального хода штока мем- бранных цилиндров с плоскими мембранами в зависимости от избыточного ма- гистрального давления. Для плоских штампованных мембран с гофром максимальное значение про- гиба рекомендуется принимать не более (0,20—0,25) DM. Камеры с фигурными мембранами можно рассчитывать по формулам, при- веденным для поршневых цилиндров со следующими дополнениями. Диаметр мембраны Рм = Рк + 2 (6 + г), где В к — активный диаметр мембраны; 6 — толщина мембраны; г — внутрен- ний радиус перегиба фигурной мембраны. Активный диаметр мембраны опре- деляют по формулам для диаметра D поршневого цилиндра. Толщина фигурных мембран с тканевой прослойкой из нейлона, дакрона, стекловолокна и других равных им по прочности материалов обычно равна 0,5—1 мм для давления до 1,0 МПа. Радиус г принимают 0,9—1 мм для мембран диаметром в месте заделки до 60 мм и толщиной 0,45 мм; г= 1,54-1,75 мм — для мембран диаметром заделки от 100 мм и более и толщиной 0,55—1,0 мм. Диаметр опорного диска Во = Рк - 2 (6 + г). 14
Максимальное значение хода штока устройства с фигурными мембранами приближенно определяют в соответствии с активной частью высоты мембраны по формуле h = Н — h3 — nr, где Н — общая высота мед<браны; h3 — часть высоты мембраны, находящаяся в заделке. Уточненные методы расчета мембранных двигателей приведены в работах 13, 6]. 2.3. СИЛЬФОННЫЕ ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ На рис. 2.10, а и б представлены конструктивные схемы сильфонных пневмо- двигателей с внешним и внутренним подводом сжатого воздуха. В пневмодвигате- лях первого типа (см. рис. 2.10, а) сжатый воздух через входной канал А корпуса цилиндра 1 поступает в полость Б, вызывая осевое перемещение сильфона за счет сжатия его гофрированной части. В пневмодвигателях второго типа (см. рис. 2.10, б) сжатый воздух через входной канал А опорного диска 1 цилиндра поступает во внутрь сильфона (полость 5), вызывая осевое перемещение за счет растяжения его гофрированной части. При соединении полости Б с атмосферой сильфоны возвращаются в исходное положение в результате упругих свойств материала, из которого они изготовлены. При использовании сильфонов, изго- товленных из материала с низкой упругостью (резины, пластиков и др.), для возврата сильфона в исходное положение требуется установка пружин. Сильфонные пневмодвигатели применяют для получения относительно не- больших перемещений при высокой герметичности. Они обладают значительной работоспособностью в сравнительно широком диапазоне температуры окружа- ющей среды. Рекомендуемая величина максимального перемещения в одну сто- рону: металлических сильфонов 5—15% его свободной длины, резиновых сильфо- нов — до 50%. При повышенных требованиях к долговечности изменение длины сильфонов должно быть в 2—2,5 раза меньше максимально допустимой дефор- мации. В сильфонах с внешним подводом сжатого воздуха допустимое давление на 25—30% выше, чем у сильфонов с внутренним нагружением [2]. Сильфоны из- готовляют из латуни, коррозионно-стойкой стали и других металлов, а также из резины и упругих синтетических материалов. В пневматических сильфонных двигателях нашли применение сильфоны с наружным диаметром от 16 до 100 мм. Усилие, которое может развить сильфон при своем перемещении, где гв и гн — внутренний и наружный ра- диусы сильфона; р — давление сжатого воздуха, воздействующее на сильфон; — жесткость сильфона; h — текущее значение перемещения сильфона. Жесткость сильфонов сх, выпуска- емых отечественной промышленностью, приведена в технических условиях. 2.4. ПОВОРОТНЫЕ ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ Поворотные пневмодвигатели предназна- чены для поворота на ограниченный угол рабочих органов автоматизируемых объек- тов [9, 10]. В зависимости от конструкции Рис. 2.10. Сильфонные пневмодвига- тели 45
Рис, 2.11. Двухпозиционный поворотный Пневмодвигатель типа ПДП1 рабочей камеры их подразделяют на поршневые и пластинчатые. По коли- честву фиксированных положений выходного вала они могут быть двух- или многопозиционными. Поршневые поворотные пневмодвигатели. В’отечественнон и зарубежной промышленности нашли применение поршневые пневмодвигатели с передаточ- ными механизмами следующих типов: реечными, рычажными, винтовыми и цеп- ными. На рис. 2.11 представлена конструкция двухпозиционного поршневого по- воротного двигателя типа ПДП, который состоит из двух пневмоцилиндров с рейкой 1 на штоке, находящейся в зацеплении с зубчатым колесом 2, установ- ленным в блоке 3. Поворотное движение колеса 2 осуществляется при подаче сжатого воздуха в поршневые полости. Наличие демпфирующих устройств исключает удары порш- ней о крышку цилиндров в конце хода. Техническая характеристика пневмо- двигателей типа ПДП приведены в табл. 2.5 (изготовитель — Симферопольское НПО «Пневматика»), В многопозицнонном поворотном двигателе (рис. 2.12) зубчато-реечная передача 1 приводится в движение многопозиционными цилиндрами 2 и 3, при этом обеспечивается поворот вала на заданный угол. Пневмодвигатели с передаточным механизмом рычажного типа по конструк- ции аналогичны двигателям с реечным механизмом, но реечное зацепление в них заменено поворотным рычагом, что делает пневмодвигатели этого типа проще и дешевле. Однако пневмодвигатели последнего типа не допускают углов по- ворота выходного вала свыше 90—100°. Рис. Я. 12. Многопозиционный поворотный пневмодвмгатель 46
Таблица 2.5 Техническая характеристика поворотных пневмодвигателей типа ПДП (номинальное давление 1,0 МПа) Параметр Крутящий момент на 10 20 32 63 80 80 160 160 250 250 400 400 валу двига- теля при номинальном давлении воздуха, Н • м Угол пово- 180 180 180 180 180 270 180 270 180 270 180 270 рота вала двигател я, град Масса, кг 4,5 11 8 18 12 18 28 32 20 25 35 42 Размеры, мм: длина 300 300 370 370 518 642 518 642 635 795 635 795 ширина 115 180 132 193 166 165 224 224 200 200 270 270 высота 55 65 70 80 80 80 90 90 118 118 128 128 На рис. 2.13 приведена конструкция пневмодвигателя с рычажным меха- низмом, предназначенного для дистанционного управления запорными и регу- лирующими механизмами. Он состоит из закрытого крышками 1 и 4 корпуса 6 с запрессованными гильзами 5, в которых перемещается поршень 7. Головки поршня уплотнены резиновыми манжетами 8. При подаче сжатого воздуха в ра- бочие камеры поршень приводит в движение рычаг 3, который вращает выход- ной вал 2. В пневмодвигателях с винтовым механизмом (рис. 2.14) поступательное дви- жение поршня 2 преобразуется во вращательное движение вала 1 посредством обычной ходовой винтовой пары. Угол поворота вала зависит от величины хода поршня и, как правило, не превышает 360°. Проворачивание поршня устра- няется установкой направляющих стержней 3. Имеются конструкции пневмодвигателей, в которых винтовая пара вынесена за рабочие камеры цилиндра, а трение скольжения заменено на трение качения. В пневмодвигателях с цепным механизмом (рис. 2.15) преобразование дви- жения поршня во вращение выходного вала происходит с помощью цепной пере- дачи. В корпусе пневмодвигателя помещены поршни 2 и 4, соединенные цепью ]. При подаче сжатого воздуха к отверстию А, поршень 2, имеющий большую площадь, чем поршень 4, движется вправо, перемещает цепь и вращает звез- дочку 5 с выходным валом по часовой стрелке. При реверсировании сжатый воздух подается к отверстию В, поршень 2 перемещается влево, проворачивая выходной вал против часовой стрелки. Поршень 4 предназначен для гермети- зации полостей А и В. Шиберные поворотные пневмодвигатели. На рис. 2.16 схематично представ- лен поворотный двигатель с одной пластиной. Вал, выполненный заодно с пласти- ной, установлен на двух опорах в крышках. Между крышками находится корпус, выполненный в виде кольца. В корпусе между крышками расположена неподвиж- ная перегородка, ограничивающая поворот лопасти, а следовательно, и выход- ного вала двигателя. В зазорах по контуру пластины выполнены специальные уплотнения. Конструкция пластинчатого пневмодвигателя с двумя пластинами приведена на рис. 2.17. Крутящий момент в конструкциях этого типа вдвое больше, чем 47
Рис. 2.13. Поршнерычажный поворотный пневмодвигатель Рис. 2.15. Поршнецепной поворотный пневмодвигатель Рис. 2.16, Схема пластинчатого поворотного двигателя с одной пластиной 48
Рис. 2.17. Пластинчатый поворотный дви- гатель с двумя пластинами в одношиберных, однако угол пово- рота выходного вала не превышает 130—140°. Шиберные пневмодвигатели имеют значительно меньшие размеры и массу по сравнению с поршневыми, но более сложны в изготовлении. Конструкция многопозиционного поворотного двигателя со специаль- ными шиберами показана на рис. 2.18. Шибер 2 соединен с цилиндром, а ши- бер 5 — с валом 1. Уплотнение ши- беров обеспечивается манжетами 6. В исходном положении сжатый воз- дух подводится через отверстие 7, при этом шибер 5 вместе с валом поворачивается против часовой стрелки до тех пор, пока не будет выбран зазор между шиберами. Для обеспечения поворота на заданный угол сжатый воздух подается к отверстиям 8, 9, 10. Например, при подаче рабочего давле- ния питания (его величина должна быть больше величины давления подпора) в отверстие,8 шибер 3, а вместе с ним шиберы 4, 5 и вал 1 повернутся по ча- совой стрелке на угол <рх; в отверстие 9 — на угол <р2, в отверстие 10 — на угол <р3; в отверстия 8, 9 и 10 одновременно — на угол равный + <р2 + <ps (такое положение изображено на рисунке) и т. д. В зависимости от конструкции максимальный угол поворота вала может быть равен 70—120°, при числе по- зиций до 32. 2.5. ПНЕВМОМОТОРЫ Пневмомоторы предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха во вращательное движение выходного вала. По виду рабочего элемента моторы под- разделяют на шестеренные, пластинчатые, поршневые, мембранные, винтовые и турбинные. В зависимости от возможности получения вращения выходного 49
Рис. 2.19. Схема шестеренного пнев- момотора вала в обе стороны или в одну моторы соот- ветственно разделяют на реверсивные и не- реверсивные. Шестеренные моторы. По способу зацепления зубьев шестеренные моторы под- разделяются на моторы с наружным зацеп- лением, с внутренним зацеплением и проме- жуточным серповидным элементом, с внут- ренним зацеплением без промежуточного элемента (героторные). Моторы последних двух типов встречаются крайне редко. В шестеренном моторе (рис. 2.19) сжа- тый воздух с давлением поступает через входной канал А к зубчатым колесам. Зубья колес, касаясь друг друга в точке Ь, не дают воздуху пройти в полость канала В. Давление сжатого воздуха воздействует на зубья колес, которые имеют два неуравнове- шенных участках ab и de, равные участку Ьс. На этих участках возникают неуравновешен- ные силы, равные произведению давления сжатого воздуха на площадь неуравновешен- ных участков зубьев. Эти силы создают крутящие моменты, вращающие колеса в направлениях, показанных стрелками. Отработанный воздух во впадинах между зубьями выходит в полость выхлоп- ного канала В с давлением р2. Поскольку площадь участков ab и Ьс постоянно меняется, крутящий момент, развиваемый мотором, является пульсирующим. На рис. 2.20 изображена типичная конструкция шестеренного пневмомотора без редуктора. Он состоит из корпуса 5, крышек 4 и 7 и коробки управления 8. В расточках корпуса на роликоподшипниках вращаются зубчатое колесо 1 с выходным валом 2 и колесо 3. В коробке управления находятся регулятор скорости, распределитель и автоматическая масленка 9, подающая в сжатый воздух распыленное масло для смазывания зубчатых колес. Центробежный регулятор 12 приводится во вращение от вала зубчатого колеса 1 и в зависимости от величины расхождения грузов перемещает поршневую заслонку И, умень- шая или увеличивая расход сжатого воздуха, поддерживая постоянной частоту вращения вала при изменении нагрузки на выходном валу мотора. Регулятор скорости обычно настроен на поддержание постоянной номинальной частоты вращения. Моторы выпускают с регуляторами скорости, обеспечивающие две различ- ных частоты, независимых от нагрузки. Вместо регулятора скорости может быть встроено автоматическое выключающее устройство, срабатывающее при нару- шениях в пневматических системах. Моторы можно снабжать встроенным остановочным тормозом, который при пуске автоматически отжимается под давлением сжатого воздуха, а при оста- нове тормозит вал усилием пружины. Наличие встроенного тормоза избавляет от необходимости устанавливать на транспортерах, лебедках и т. д. обычные тормоза. Распределительный золотник 13 обеспечивает реверсирование вала мотора путем изменения направления подачи сжатого воздуха. К коробке управления сжатый воздух подводится через патрубок 14. Воздух проходит через фильтру- ющую сетку 10, поршневую заслонку И, распределительный золотник 13 и по одному из каналов В поступает в полость рабочих колес мотора. Отработанный воздух через канал В, распределительный золотник, канал Б и далее по каналам, расположенным вдоль стенок мотора, через выхлопную трубу 6 отводится в атмо- сферу. Такое решение отвода выхлопного воздуха позволяет снижать шум без установки специальных глушителей. При необходимости дополнительного сни- жения уровня шума на моторе вместо выхлопной трубы устанавливают глуши- тель. Управление распределительным золотником может быть ручным или ди- станционным (пневматическим). 50
Рис. 2.20. Шестеренный пневмомотор без редуктора Моторы с наружным зацеплением изготовляют с прямыми, косыми и шеврон- ными зубьями. Моторы с прямыми и косыми зубьями работают без расширения сжатого воздуха и без обратного сжатия. Их реверсируют изменением направле- ния подачи сжатого воздуха или механическим путем. Моторы с шевронными зубьями работают с частичным расширением сжатого воздуха и без обратного сжатия. Реверсирование этих моторов выполняют, как правило, механическим путем, так как при воздушном реверсировании разви- вается противодавление во впадинах зубьев, что резко снижает КПД. Моторы с шевронными зубьями, работающие с расширением сжатого воздуха, имеют бо- лее высокий КПД, меньшие размеры (при равной мощности), чем моторы пре- дыдущих двух типов, и не имеют осевого усилия. Адиабатический КПД моторов с шевронными зубьями может быть поднят до 0,55—0,6 путем правильного вы- бора степени расширения сжатого воздуха, угла наклона'зубьев и окружной ско- рости колеса. Адиабатический КПД прямозубых и косозубых моторов не превы- шает 0,4. > Недостаток моторов с шевронными зубьями, не позволяющий им полностью вытеснить прямозубые и косозубые моторы, — относительная сложность их изготовления. 51
Таблица 2.6 Основные параметры шестеренных пневмомоторов Мотор Номинальная мощность (предельное отклонение + 12 %), кВт Номинальная частота вращения выходного вала, с'1 (об/мин) Номинальный удельный расход воздуха, м3/мнн кВт Условный проход при- соединяемой арматуры, мм Косозубый 2,2 50 (3000) 1,4 25 З.о 4,0 16,7 (1000); 25 (1500); 32 (1920) 1.3 40 5,5 7.5 1,2 50 10,0 11,0 15,0 1.13 18,5 22,0 1,1 63 30,0 Шевронный 15,0 12,5 (750); 16,7 (1000); 25 (1500); 50 (3000) 1,0 50 18,5 22,0 0,97 63 30,0 37,0 45,0 0,9 80 55,0 52
В табл. 2.6 приведены основные пара- метры шестеренных пневмомоторов по ГОСТ 10736—71 при давлении сжатого воздуха на входе в пневмомотор 0,4 МПа без глушителя шума на выхлопе. Для пневмомоторов со встроенным воз- духораспределителем реверса допускается снижение мощности до 8% и увеличение удельного расхода воздуха до 12%; для пневмомоторов с редукторами (кроме червяч- ных) допускается снижение мощности и уве- личение удельного расхода воздуха до 5% номинальных значений. Пластинчатые (ротационные) моторы работают с частичным расширением сжатого воздуха и частичным обратным сжатием. На рис. 2.21 показана схема самой рас- пространенной конструкции пластинчатого мотора. Он состоит из^ксцентрично располо- женных статора 1 и ротора 2. В продоль- ных пазах ротора перемещается несколько Рис. 2.21. Схема пластинчатого пневмомотора пластин 3. Статор с торцов закрывается крышками, в которых имеются отверстия для подвода и выхлопа воздуха. Участок ВВ' является впускным, а участок СС — выхлопным. При движении пластины а от точки А по направлению к впускному отверстию она преодолевает сопротивление сжатого воздуха. Как только пластина а пройдет кромку В, давление по обе ее стороны уравнивается и сохраняется до тех пор, пока она не пройдет кромку В'. Тогда давление сжатого воздуха на пластину с рабочей стороны (со стороны впускного отверстия) начинает превышать давле- ние с другой стороны, и усилие, возникшее вследствие разности давлений, соз- дает крутящий момент, направленный по часовой стрелке. На рис. 2.22 показана конструкция, а в табл. 2.7 приведены основные пара- метры нереверсивных пластинчатых пневмомоторов по ГОСТ 16850—71 при давлении сжатого воздуха на входе 0,4 МПа и выхлопе отработанного воздуха из мотора в атмосферу (без глушителя). Значения параметров моторов при дру- гих значениях давления на входе и противодавления на выхлопе указаны в табл. 2.8. Статор 3 пневмомотора (см. рис. 2.22) закрыт с торцов крышками 2 и 5, в которых установлены шарикоподшипники, являющиеся опорами ротора 1 с выходным валом. В пазах ротора перемещаются текстолитовые пластины 4. Принудительное поджатие пластин к статору обеспечивается центробежными Рис. 2.22. Нереверсивный пластинчатый пиевмомотор: I — начало впуска; II — конец впуска; III — начало выхлопа; IV — конец выхлопа 53
Таблица 2.7 Основные параметры нереверсивных пластинчатых пневмомоторов при давлении воздуха на входе 0,4 МПа Номи- нальная мощ- ность, кВт (предель- ное от- клонение -Ю %) Число плас- тин, шт. Частота враще- ния, с”1 (предель- ное от- клонение ±15 %) Расход воздуха, ма/мни (предель- ное от- клонение + 10 %) Номи- нальная мощ- ность, кВт (предель- ное от- клонение -ю %) Число плас- тин, шт. Частота враще- ния, с“* (предель- ное от- клонение ±15 %) Расход воздуха. м3/мин. (предель- ное от- клонение + 10 %) 0,09 284 0.2 4 150 0,12 2G7 0.3 1,10 5 133 1,4 0,18 4 250 0,4 6 117 0,25 234 0,5 4 133 4 216 1,50 5 117 1,7 0,37 о 200 0,6 6 100 4 192 4 117 0,55 5 175 0,8 1.80 5 100 1.9 4 167 6 83 0,75 150 1,0 4 100 6 133 2,20 5 92 2.1 4 158 6 4 83 83 0,9 о 142 1,2 2,65 5 75 2,4 6 125 6 67 силами и давлением сжатого воздуха, подводимым через специальные каналы, просверленные в роторе. Подвод воздуха к рабочей камере может быть боковым (в плоскости, перпендикулярной оси статора) и торцовым (канал со стороны торца мотора). Боковой подвод воздуха предпочтительнее, так как сечение впуск- ных каналов в этом случае больше, что значительно снижает потери давления при подаче сжатого воздуха в рабочую камеру [14]. Таблица 2.8 Основные параметры реверсивных пластинчатых пневмомоторов при разных значениях давления воздуха на входе Давление (ма- нометрическое) на входе, МПа Противодавле- ние (маноме- трическое) на выхлопе, МПа Мощ- ность Ча- стота вра- щения Рас- ход воз- духа * Противодавле- ние (маноме- трическое) на выхлопе, МПа Мощ- ность Ча- стота вра- щения Рас- ход воз- духа Давление нометриче I на входе, % н оминаль начени$ кого % И оминаль наченн? кого О.з 0 0,05 60 40 80 65 75 65 0.5 0 0,05 0,1 0,15 140 110 90 70 по 100 90 80 120 110 100 90 0.4 0 0,05 0.1 100 75 60 100 85 75 100 90 85 0,63 0 0,05 0.1 0,15 220 190 170 150 140 120 100 80 165 150 140 130 54
Рис. 2.23. Схема радиально-поршневого мотора Рис. 2.24. Пятицилиндровый поршневой мотор Пластинчатые моторы обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами моторов: высокой энергоемкостью (при одинаковой мощности пластинча- тые моторы имеют меньшую массу и меньшие размеры), простотой конструкции, плавностью крутящего момента. Недостатки пластинчатых моторов: значитель- ные утечки; повышенное трение, в связи с этим быстрый износ пластин; сильный шум и большой расход смазочного материала. Указанные качества четко определили область применения пластинчатых моторов: они выгодны лишь там, где крайне ограничены размеры и масса. По- этому наиболее широко их используют для привода ручного пневматического инструмента: сверлильных машин, ключей, гайковертов, щеток напильников, ножниц и др. Моторы применяют как с редуктором, так и без него, в зависимости от того, какая нужна выходная скорость инструмента. Пластинчатые моторы используют также для привода пневматических талей и других подъемных устройств. Поршневые моторы подразделяют на радиально-поршневые с поршнями, движущимися перпендикулярно оси выходного вала, и аксиально-поршневые с поршнями, движущимися параллельно оси выходного вала. Наибольшее рас- пространение получили радиально-поршневые моторы. Обычная схема радиально-поршневого мотора (рис. 2.23) представляет собой кривошипно-шатунный механизм с поршнем 2, движущимся в рабочем цилин- дре 1, шатуном 3 и коленчатым валом 4, являющимся выходным звеном. В рабо- чий цилиндр сжатый воздух подается распределительным золотниковым меха- низмом 8, который приводится в движение от выходного вала через шестерни 5, 6 и шатун 7. Сжатый воздух через золотник поступает в цилиндр и перемещает поршень вниз. Распределитель выполнен таким образом, что примерно на 5/8 длины полного хода поршня полость цилиндра разобщается с впускным кана- лом. После «отсечки» поршень перемещается вследствие расширения замкнутого объема воздуха. При обратном ходе поршня золотник сообщает рабочую полость с атмосферой. В момент, когда поршень находится на некотором расстоянии от конца хода, золотник перекрывает выходной канал и при дальнейшем движении поршня происходит сжатие оставшегося воздуха. Таким образом, поршневой мотор работает с частичным расширением сжатого воздуха и с частичным обрат- ным сжатием. Поршневой мотор можно изготовить с переменной степенью напол- нения, что позволяет регулировать величину крутящего момента. Это дости- гается изменением фазы распределения (подачи сжатого воздуха) в рабочую 55
камеру. В поршневых моторах приме- няют распределители двух типов — золотниковые и осевые (крановые). Поршневые моторы, как правило, изготовляют многоцилиндровыми. По способу расположения цилиндров они подразделяются на: звездообраз- ные — с расположением цилиндров по радиусам в одной плоскости; рядные — с расположением цилиндров парал- лельно друг другу; V-образные — с расположением цилиндров под углом друг к другу. Получили также рас- пространение моторы с поршнями дву- стороннего действия, в которых сжатый воздух подводится к обеим сторонам поршня. Одноцилиндровый мотор дву- стороннего действия можно рассмат- ривать как двухцилиндровый мотор одностороннего действия, у которого совмещены оба цилиндра и поршни. На рис. 2.24 приведена конструк- ция пятицилиндрового поршневого мотора. В радиальных расточках кор- пуса 9 установлены пять (в других моделях — четыре) рабочих цилиндра 7. Каждый поршень 6 имеет уплотни- тельные кольца и палец 10, на кото- ром смонтирована головка шатуна 5. Нижняя часть шатуна на роликах посажена на шейку кривошипа, Таблица 2.9 Основные параметры радиально- поршневых пневмомоторов при давлении сжатого воздуха на входе 0,4 МПа н номинальной частоте вращения выходного вала 750 с”1 Номинальная мощность (предельное отклонение + 12 %), кВт Номиналь- ный удель- ный расход воздуха, м3/мин кВт Услов- ный про- ход при- соедини- тельной армату- ры, мм 3,0 1,20 20 4,0 25 5,5 1,16 7, 5 40 11,0 15,0 50 18,5 22,0 1,08 63 остальные шатуны шарнирно связаны с шатуном 5. Коленчатый вал мотора состоит из кривошипа 11, выходного вала 12 и противовеса 2, соединенных с кривошипом сегментными шпонками. Опорами коленчатого вала служат три шарикоподшипника. С противовесом 2 с помощью штифта 3 соединена распределительная ось 4. Трущиеся поверхности мотора смазываются маслом, которое заливается в картер через отверстие, закрытое пробкой 1, и разбрызгивается вращающимся кольцом 8. В табл. 2.9 приведены основные параметры радиально-поршневых моторов по ГОСТ 10736—71 при давлении сжатого воздуха на входе 0,4 МПа без глуши- теля шума на выхлопе. Типичная конструкция аксиально-поршневого мотора с одноступенчатым редуктором представлена на рис. 2.25. В расточках блока цилиндров 2 поме- щены поршни 3, связанные шатунами 4 с наклонной шайбой 5. Распределитель- ная ось выполнена за одно целое с крышкой 1, имеющей отверстия подвода и отвода воздуха. Сжатый воздух по одному из каналов А подводится в рабочие цилиндры. Усилие от давления сжатого воздуха на поршни через шатун пере- дается на наклонную шайбу 5. Тангенциальная составляющая этого усилия за- ставляет шайбу и блок поворачиваться, при этом вращается вал 8, который свя- зан фланцем с блоком цилиндров и силовым карданом 9 с наклонной шайбой. Отработанный воздух из рабочих камер выходит через второй канал А в распре- делительной оси, а также через канал Б в блоке цилиндров. На конце вала 8 нарезаны зубья, находящиеся в зацеплении с зубчатыми колесами 6 планетар- ного редуктора. Водило 7 редуктора является выходным валом пневмо- мотора. Выпускаются также пневмомоторы с двуступенчатым редуктором. Поршневые моторы по сравнению с другими типами моторов обладают рядом достоинств: имеют малую утечку воздуха, легко реверсируются изменением направления потока сжатого воздуха, допускают перегрузку, позволяют изме- нять степень наполнения. 56
Поршневые моторы применяют для привода машин, лебедок, конвейеров во взрывоопасных цехах и участках, а также для привода сверлильных машин. Мембранные моторы (рис. 2.26). Сжатый воздух, подводимый к каналу А распределительного устройства 1 проходит через выточки золотника 2 в канал Б и поступает в рабочую камеру. Мембранный узел 3 перемещается, проворачивая при помощи храпового механизма 4 колесо 5. Водило 6, жестко связанное с мем- бранным узлом, в конце перемещения переключает золотник 2, сообщая рабо- чую камеру через канал В с атмосферой. Происходит выхлоп отработанного воздуха. Мембранный узел 3 усилием пружины 7 возвращается в исходное поло- жение, переключая золотник на подачу сжатого воздуха. Цикл повторяется. На рис. 2.27 представлена зависимость мощности Мо и крутящего момента Ма мембранного мотора от частоты вращения. Моторы этого типа тихоходны, но способны развивать высокий крутящий момент. Так, при одинаковом расходе сжатого воздуха мембранные моторы развивают крутящий момент примерно в 800 раз больший чем шиберные, и в 40 раз больший, чем радиально-поршневые моторы. Как и поршневые моторы, они могут быть выполнены с переменной сте- пенью наполнения. Имеются конструкции с двумя и тремя мембранными приводами, переда- ющими усилие на общий выходной вал. Высокий крутящий момент при низкой скорости вращения и резкое падение его при увеличении скорости вращения пре- допределили области использования моторов этого типа. Мембранные моторы Рис. 2.26. Мембранный мотор Рис. 2.27. Зависимость мощности No н крутящего момента Мо от частоты вращения л0 для мембранных моторов 57
5 Рис. 2.28. Элементы конструкции винтового мотора широко применяют в приводах клапанной арматуры, где максимальные усилия необходимы в начальный момент открытия клапана (затем усилие подъема зна- чительно снижается в результате выравнивания давления). Винтовые моторы представляют собой корпус с расточкой в виде «вось- мерки», двух торцовых крышек, двух (или более) находящихся в зацеплении винтов, оси которых расположены параллельно, н синхронизирующих шестерен. Винты установлены на подшипниках качения, смонтированных в крышках. В сечении, перпендикулярном оси, винты представляют собой находящиеся в зацеплении шестерни с зубьями специальных профилей. Однако если в шесте- ренных моторах сжатый воздух перемещается по окружности зубчатых колес, то в винтовых он движется в осевом направлении вдоль спиральных зубьев к по- лости выхлопа. Выступы одного винта плотно входят во впадины другого и в не- скольких местах (в зависимости от того, насколько длина винта больше его шага) отделяют полость давления от выхлопа. Давление сжатого воздуха воздействует иа зубья и создает крутящий момент. На рис. 2.28 показаны рабочие элементы одной из конструкций моторов этого типа. Винт 1 с выходным валом — четырехзаходный, профиль его зубьев образован выпуклыми полуокружностями; винт 2 имеет шесть зубьев, профиль которых выполнен в виде вогнутых полуокружностей. Синхронизирующие косо- зубые колеса 3 и 4 предохраняют от силового контакта между винтами, что пре- дотвращает их износ, при этом можно не предъявлять высоких требований к ка- честву их смазывания.Вследствие спирального расположения зубьев процесс взаимодействия винтов протекает непрерывно, поэтому развиваемый крутящий момент является плавным, без пульсаций. Вибрации при работе мотора отсут- ствуют . Винтовые моторы подобно шестеренным с шевронными зубьями работают с частичным расширением сжатого воздуха. Отсутствие силового контакта, отно- сительно малый диаметр винтов, применение подшипников качения обеспечи- вают частоту вращения до 250 с-1 (15 000 об/мин). Винтовые моторы долговечны, компактны, быстроходны, развивают плавный крутящий момент, имеют относи- тельно высокий КПД, не требуют смазывания при работе и высокой очистки сжатого воздуха, однако высокая сложность их изготовления и, как следствие, высокая стоимость, сдерживают широкое применение моторов этого типа в про- мышленности. Турбинные моторы отличаются от объемных тем, что в них кинетическая энергия потока воздуха непосредственно превращается в механическую работу. В турбинных моторах сжатый воздух входит в суживающееся сопло с начальным давлением, затем, расширяясь, выходит из сопла с большой скоростью прямо на рабочие лопатки мотора. Направление струи воздуха, проходящего по кана- лам между рабочими лопатками, изменяется, в результате чего развивается сила, приложенная к лопаткам и создающая крутящий момент, таким образом, сжатый воздух отдает часть своей энергии турбинному колесу. На рис. 2.29 изображен турбинный пневмомотор, предназначенный для встраивания в качестве привода в ручные шлифовальные машины и силовые 58
Рис. 2.29. Турбинный пневмомотор Рис. 2.30. Зависимость мощности Л;о и крутя- щего момента Мо от частоты вращения п9 для турбинных пневмомоторов головки. Рабочее колесо 4 с выходным валом 1 вращается на двух шарикопод- шипниках, встроенных в корпус 2. Лопатки рабочего колеса охватываются бан- дажным кольцом 5. Сжатый воздух поступает в полость А и через отверстия Б в сопловом аппарате 3 подается на лопатки рабочего колеса. Типичные кривые зависимости мощности и крутящего момента Мо от частоты вращения п0 для турбинных пневмомоторов показаны на рис. 2.30. Турбинные моторы могут быть одноступенчатыми — с одним рабочим коле- сом и одним венцом лопаток или двухступенчатыми — с одним рабочим колесом и двумя венцами лопаток. Двухступенчатые моторы обычно изготовляют как специальные на большие мощности. Достоинства турбинных моторов: малые масса на единицу мощности и раз- меры; высокая скорость выходного вала; возможность регулирования мощности изменением числа сопел. Недостатки этих моторов: низкий КПД при малой мощности; сложность реверсирования; понижение КПД при резком изменении режима работы; неустой- чивость работы при малой частоте вращения. Турбинные моторы можно применять там, где требуется высокая частота вращения и постоянный режим работы. Моторы используют для привода пнев- мошпинделей и ручного инструмента — малых высокоскоростных шлифоваль- ных машин для тонкой обработки. Выбор типа пневмомотора. Ни один из рассмотренных типов моторов не яв- ляется безукоризненным, пригодным для любого случая. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, и выбор типа мотора в каждом конкретном слу- чае должен сопровождаться всесторонней оценкой его особенностей. Не послед- нюю роль играет в этом экономический анализ: иногда бывает выгодно потерять в КПД, но выиграть в массе и размерах, или же проиграть в размерах, но вы- играть в долговечности и т. п. В табл. 2.10 представлены основные параметры пневмоторов различных типов. Рабочее давление для всех типов моторов примерно одинаково: 0,3— 0,6 МПа. Самую большую частоту вращения способны развивать турбинные моторы, меньшую пластинчатые, винтовые и шестеренные. Мембранные и радиально- поршневые моторы являются самыми тихоходными. Радиально-поршневые мо- торы рекомендуется применять при рабочих скоростях вращения ниже 25—30% скорости холостого вращения, так как при этой скорости вращения они лучше регулируются и меньше потребляют воздуха. Пластинчатые, винтовые и турбинные моторы развивают стабильный крутя- щий момент, а у мембранных, поршневых и шестеренных моторов момент пуль- сирующий. Наиболее высокий адиабатический КПД (наименьшие утечки сжатого воз- духа) имеют поршневые и мембранные моторы; КПД пластинчатых и шестеренных моторов гораздо ниже из-за значительных утечек. Снижает КПД также установка глушителей шума. КПД турбинных моторов высок лишь при больших мощностях. Расход воздуха на единицу мощности меньше у тех моторов, которые работают С частичным расширением сжатого воздуха, поэтому расход воздуха для прямо- 59
О Основные параметры пиевмомоторов различных типов винтовой турбинный 0,3 —0,6 3 — 50 0,03 — 2 До 250 До 2 000 (15 000) (120 000) 83—133 330 — 1 330 (5 000— (20 000 — 8 000) 80 000) 50 — 60 75 — 90 1,0—1,5 1,1 —1,4 1 6 — 12 2,5 — 6 । пластин- 1 чатый 0,05 — 15 До 330 (20 000) 33 — 250 (2 ODO- 15 000) 45 — 55 1,0 —2,0 1,5 — 4 Мотор мембранный . 1 9*0 — 50*0 До 1,7 (100) 0 — 0,3 (0 — 20) 20 — 25 СО 7 о 1,1-1,6 Свыше 20 I поршневой 1 радиальный аксиальный со I 0,2 — 25 0,1—3 1 До 50 До 100 (3000) (6000) 10 — 25 20 — 50 (600—1500) (1200 — 3000) 50 — 65 0,9 —2,0 1,1—2,0 । 91— 9 шестеренный 1 Прямо- зубые и Шеврон- косо- ные ше- зубые стерни шестерни 0,3 —0,6 2 — 60 До 50 (3000) 25 зз (1500 — 2000) 50 — 60 1,1 —1,4 0,8—1,2 1 8 — 15 параметр ' i Рабочее давление, МПа Мощность, кВт Частота вращения: максимальная (без на- грузки и редуктора), с-1 (об/мин) рабочий диапазон, с”1 (об/мин) соответствующая мак- симальной мощности, % максимальной Удельный расход воздуха, м8/мии иа 1 кВт Коэффициент расширения воздуха Относительная масса, кг/кВт
Рис. 2.31. Зависимость крутящего мо- мента /Ио (/) и мощности (2) от частоты вращения для двух различных давлений зубых и косозубых шестеренных моторов превышает расход для других типов. Велик расход воз- духа для турбинных моторов ма- лой мощности. Масса на единицу мощности наиболее низка у пластинчатых, турбинных и аксиально-поршне- вых моторов, вследствие чего они являются основными типами для привода ручного инструмента. Турбинные и пластинчатые моторы отличаются от мембранных, поршневых, шестеренных и винто- вых минимальными размерами. Регулирование крутящего момента можно осу- ществлять в мембранных, поршневых и турбинных моторах: в первых двух — изменением степени наполнения; в последнем — изменением числа сопел. Все типы моторов, кроме мембранных и шестеренных с шевронными зубьями, могут быть выполнены реверсивными путем перемены направления подачи воз- духа. Однако моторы с реверсированием менее мощны и потребляют больше воздуха, но характеризуются лучшим стартовым крутящим моментом и более быстрым достижением полной скорости. Так, реверсивный пластинчатый мотор, не соединенный с инерционными приводными механизмами, набирает полную скорость примерно за пол-оборота, а поршневой — за доли секунды. При выборе типа мотора следует знать также основные параметры его характери- стики. На рис. 2.31 показаны типичные кривые мощности No и крутящего момента Мо мотора для двух рабочих давлений. Мощность мотора при постоянном давлении на входе изменяется от нуля при остановленном моторе до максимума при частоте вращения, доведенной до определенного предела. Затем мощность снова умень- шается до нуля прн скорости холостого хода (ненагруженного мотора). Крутя- щий момент имеет максимальное значение при остановленном моторе (тормоз- ной крутящий момент) и уменьшается почти линейно до нуля при скорости хо- лостого хода. Стартовый крутящий момент (снимаемый с вала мотора) состав- ляет приблизительно 75% тормозного крутящего момента. Максимальная мощ- ность моторов, как правило, достигается при работе их на частоте вращения, составляющей приблизительно 50% скорости холостого хода для конструкций моторов без регулятора скорости и 80% — для конструкций с регуляторами скорости. При значительном изменении нагрузки на ведомом приводе применяют моторы с регуляторами скорости, что позволяет поддерживать частоту вращения, близкую к номинальной, снижая непроизводительный расход воздуха. Однако сложность конструкций и стоимость их выше, по сравнению с конструкциями регулятора скорости. Все моторы легко и просто регулируются изменением рабочего давления на входе. Каждое изменение давления дает изменение рабочих характеристик мотора — новую пару кривых мощности и крутящего момента. Так как в каталогах заводов-изготовителей мощность моторов может быть указана при разных давлениях, то для сравнения двух моторов по мощности их приводят к одной и той же величине рабочего давления, принимая, что изменение давления на 0,05 МПа дает приблизительно 10% изменения мощности. Моторы не имеют жесткой характеристики и при изменении нагрузки изменяют частоту вращения. Они могут быть остановлены под нагрузкой на любое время без опас- ности повреждения или нагрева их деталей. Часто применяют моторы с шестеренными редукторами, что повышает кру- тящий момент на величину передаточного отношения и уменьшает эффект влия- ния изменения нагрузки иа частоту вращения. 6J
Для прикидочных расчетов расход воздуха при давлении 0,6 МПа и работе двигателя на максимальной мощности может быть определен, исходя из эксплуа- тационных средних данных расхода на 1 кВт мощности, приведенных ниже: N, кВт................................ 1 1—3 Св. 3 Q, м*/мин на 1 кВт................ 1,5 — 2 1,2 —1,5 0,9 —1,2 Расход воздуха Q в режиме холостого хода двигателей без регулятора ско- рости составляет приблизительно 130%, а при 25%-ной скорости холостого хода — приблизительно 60% расхода воздуха в режиме максимальной мощности. Для определения расхода воздуха при любой промежуточной частоте вращения двигателя по указанным выше данным определяют расход при максимальной мощности, 25%-ной скорости и скорости холостого хода. Через эти точки про- водят плавную кривую в системе координат, где на одной оси указывается ча- стота вращения, а на другой — расход воздуха. По этой кривой определяют расход при любой частоте вращения. Пневмомоторы выбирают на основании механических характеристик, да- ющих зависимость движущего момента М на валу мотора, его мощности N и расхода Q сжатого воздуха от установившейся скорости w или частоты враще- ния п (см., например, рис. 2.31). Механические характеристики могут быть получены экспериментально или теоретически [4, 9, 10]. Точное определение расхода воздуха для моторов различного типа весьма сложно, поэтому для приближенных расчетов можно воспользоваться следующими упрощенными формулами. Для шестеренных моторов с двумя зубчатыми колесами Q — 6,5Онояг6/гмт]об , Ра где Duo — диаметр начальной окружности; т — модуль; b — ширина зубча- того колеса; пм — частота вращения вала мотора; т]об — объемный КПД; ра — абсолютное атмосферное давление. Для пластинчатых моторов [9]: < 2 =е21гямг]об (-J- + °>5) — 2 + 1) cos (<₽о + -у) sin“§- + + 4- cos (2<р0 + у) sin у] Ра , z J Ра где е — эксцентриситет ротора мотора; I — длина ротора; г — число пластин;.. у — угол между двумя соседними пластинами ротора, у = 2л/г = 360°/г; Го — радиус ротора; <р0 — угол поворота ротора, соответствующий концу зоны впуска (см. рис. 2.21). Для поршневых моторов: радиально-поршневых одноходовых Q = А ПЧгпПоб P1 tPa- > радиально-поршневых двухходовых < 2 = лО%гШ]об Pl Ра ; Ра аксиально-поршневых с односторонним расположением поршней < 2 = -г- D2znDa tg ух P1 * p& 62
аксиально-поршневых с двусторонним расположением поршней Q = -^-D2znDntg У1Л±^ , z Ра где D — диаметр поршней; z — число поршней; Da — диаметр окружности, на которой расположены оси цилиндров; — угол между осью цилиндрового блока и наклонной шайбой. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике. Т. 5. М.: Наука, 1976, с. 848. 2. Башта Т. М., Зайченко И. 3., Ермаков В. В., Хаймович Е.^М. Объемные гидрав- лические приводы. М.; Машиностроение, 1969. 628 с. 3. Герц Е. В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1969. 359 с. 4. Герц Е. В., Бозров В. М. Механические характеристики пластинчатых пневмо- моторов. — В кн.; Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Вып. 7. М.: Машиностроение, 1979, с. 241 —245. 5. Герц Е. В., Долженков Б. С. Выбор параметров быстродействующего пневмопри- вода. — Станки и инструмент, 1977, № 4, с. 15 — 17. 6. Герц Е. В., Крейнии Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. 272 с. 7. Гуревич Д. Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. Л.: Маши- ностроение, 1969. 887 с. 8. Дегтярев В. И», Мялковский В. И., Борисенко К- С. Шахтные пневмомоторы. М.: Недра, 1979. 190 с. 9. Зеленецкий С. Б., Рябков Е. Д., Микеров А. Г. Ротационные пневматические дви- гатели. Л.: Машиностроение, 1976. 239 с. 10. Зиневич В. Д., Ярмоленко Г. 3., Калита Е. Г. Пневматические двигатели горных машин. М.: Недра, 1975, 344 с. 11. Кожевников С. Н., Пешат В. Ф. Гидравлические и пневматические приводы металлургических машин. М.: Машиностроение, 1973. 359 с. 12. Крейнин Г. В., Солнцева К. С. Воспроизведение заданного закона движения ме- ханизмов с пневмоприводом. — Машиностроение, 1971, № 3, с. 35—41 13. Перельцвайг М. И. К расчету ударного пневматического поршневого привода. — В кн.: Теория машин-автоматов и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1966, с. 203 — 211. 14. Справочник металлиста. Том 1. М.; Машиностроение. 1976. 768 с. 15. Цилиндры пневматические на номинальное давление 10 кгс/см2 по ГОСТ 15608 — 70. Конструкция и исполнительные размеры. Ч. I и ч. II.. 2-е изд. Харьков: 1974, 150 с.; 149 с. (ВНИИГидропривод). 16. Pneumatlsche Steuerungsgerate. Martonair Druckluftsteuerungen GmBH, 1976, S. 2.3. 115.
Глава 3 ПНЕВМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Пневмопреобразователи предназначены для преобразования энергии потока сжатого воздуха в энергию потока рабочей жидкости, выдачи электрического командного сигнала по достижении в пневматической системе заданного давле- ния, сигнализации о наличии давления на различных участках системы. В эту группу устройств входят: пневмовытеснители, пневмогидропреобразователи, пневмогидронасосы, пневмогидроаккумуляторы, реле давления и пневмоэлектро- преобразователи, индикаторы давления. 3.1. ПНЕВМОВЫТЕСНИТЕЛИ Пневмовытеснители предназначены для передачи давления сжатого воздуха гидравлической жидкости без изменения величины давления. По конструктив- ному признаку пневмовытеснители могут быть: без разделителя сред и с порш- невым и мембранным разделителями. Пневмовытеснители без разделителя сред представляют собой закрытый сосуд, верхняя часть которого сообщена с пневма- тической системой через распределитель, а нижняя — с гидроциляндром. К не- достаткам пневмовытеснителей этого типа следует отнести растворение воздуха в жидкости; быстрое окисление масла; невозможность установки их в любом положении. Эти недостатки устранены в пневмовытеснителях с разделителями сред, лучшими из них являются те, в которых разделители сред выполнены в виде фигурной мембраны. Отсутствие перепада давления между рабочими средами позволяет применять тонкие эластичные фигурные мембраны, что практически исключает потери давления на деформацию мембраны при вытеснении рабочей жидкости. На рис. 3.1 представлена схема пневмовытеснителя 2 мембранного типа, применяемого для обеспечения перемещения поршня гидроцилиндра 3 одно- стороннего действия с пружинным возвратом. При включении распределителя 1 сжатый воздух подается в полость А и рабочая жидкость из полости Б вытес- няется в бесштоковую полость гидроцилиндра. Поршень цилиндра возвращается в исходное положение при сообщении полости А с атмосферой. Рне. 8Л. Схема пиевмоеы- тесяителя мембранного шва 64
Рис. 3.2. Пневмогидропреобразователи последовательного действия 3.2. ПНЕВМОГИДРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Пневмогидропреобразователи предназначены для преобразования энергии сжа- того воздуха в энергию рабочей жидкости с другими значениями давления. По принципу действия различают пневмогидропреобразователи прямого действия, передающие рабочей жидкости гидравлической системы высокое давление с мо- мента подачи сжатого воздуха в полость пневмоцилиндра, и последовательного действия, передающие в гидравлическую систему вначале низкое давление рабо- чей жидкости, а затем высокое. По конструктивному признаку пневмогидропре- образователи можно подразделить на поршневые, мембранные и комбинирован- ные. На рис. 3.2, а показан поршневой пневмогидропреобразователь последова- тельного действия. В корпусе 6 помещен поршень 7 пневмоцилиндра с плунжером 5 гидроцилиндра. В промежуточ- ной плите 8 и стакане 9 смон- тирован корпус 3 гидроцилиндра высокого давления. В верхней части корпуса 3 расположено клапанное устрой- ство 1. Сжатый воздух, подво- димый к каналу 4, по трубке 2 поступает в верхнюю полость камеры А. В ней создается дав- ление, под действием которого жидкость по трубке 10 посту- пает в клапанное устройство и затем в гидроцилиндр 11. Пор- шень гидроцилиндра переме- щается и создает усилие пред- варительного зажима. При по- даче сжатого воздуха в по- лость В пневмоцилиндра пор- шень 7 с плунжером 5 переме- Рис. 3.3. Пневмогидропреобразова- тели пр ямого^ действия поршневого типа (а), мембранного типа (7) 3 Е. В. Герц и др.
щается вверх, прижимая клапан к седлу, вытесняя жидкость в гидроцилиндр и^развивая необходимое усилие зажима на штоке гидроцилиндра. Для возврата поршня и плунжера в исходное положение сжатый воздух подается в полость Б. Недостаток этой конструкции — наличие непосредственного контакта сжатого воздуха с жидкостью (обычно минеральным маслом), что приводит к ее окислению и насыщению воздухом. На рис. 3.2, б приведена конструкция пневмогидропреобразователя ком- бинированного типа, в котором имеется разделительная мембрана, исключающая непосредственный контакт сжатого воздуха с рабочей жидкостью. Конструкция поршневого пневмогпдропреобразователя прямого действия фирмы «Мэкман» (Швеция) показана на рис. 3.3, а [5]. Он состоит из пневмо- цилиндра 1 и камеры 2 усиления давления. Жидкость в гидросистему подается при сообщении полости А пневмоцилиндра с магистралью, а возвращается в ис- ходное положение при подаче сжатого воздуха в полость 5. Пневмогидропре- образователь мембранного типа (рис. 3.3, б) состоит из корпуса 1, крышки 6, двух мембран 3 и 5, плунжера 2 и втулки 4. Сжатый воздух, подводимый в по- лость А, ограниченную фигурной мембраной 3, перемещает плунжер 2, который вытесняет жидкость из полости Б в гидроцилиндр. Основные достоинства конструкции — надежная герметичность и невысокие требования к очистке сжатого воздуха и рабочей жидкости. 3.3. ПНЕВМОГИДРОНАСОСЫ Пневмогидронасосы предназначены для нагнетания рабочей жидкости в гидро- систему. По конструктивному признаку различают пневмогидропасосы одно- стороннего и двустороннего действия. В насосе одностороннего действия (рис. 3.4, а) сжатый воздух от пневмо- распределителя 1 попеременно подается в поршневую и штоковую полости пнев- моцилиндра 2. При подаче сжатого воздуха в поршневую полость рабочая жид- кость из камеры нагнетания А вытесняется через нагнетательный клапан 3 в ги- дросистему. При обратном ходе поршня пневмоцилиндра рабочая жидкость из гидробака 4 через всасывающий клапан 5 поступает в камеру нагнетания — происходит цикл всасывания. Недостатками насосов этого типа являются значи- тельная пульсация подачи и большой расход сжатого воздуха. В пневмогидронасосах двустороннего действия (рис. 3.4, б) расход воздуха на единицу объема нагнетаемой жидкости уменьшается в 2 раза по сравнению с расходом воздуха в насосах одностороннего действия, так как подача рабочей жидкости в гидросистему происходит при перемещении поршня пневмоцилиндра в любую сторону. Это позволяет также значительно снизить и пульсацию подачи. В целях увеличения производительности пневмогидронасосов устройство автоматического реверса поршня пневмоцилиндра часто встраивают непосред- ственно в корпус цилиндра. Рис. 3.4. Пневмогидронасосы одностороннего (а) и двустороннего (5) действия 66
Рис. 3.5. Расчетные схемы пневмогид- роаккумулятора 3.4. ПНЕВМОГИДРО- АККУМУЛЯТОРЫ Пневмогидроаккумуляторы пред- назначены для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находя- щейся под давлением, и выдачи ее в гидросистему в период резкого увеличения расхода рабочей жид- кости. Аккумулирование энергии рабочей жидкости происходит в пе- риод отсутствия или незначительного потребления гидравлической энергии в гидросистеме. Из рис. 3.5, поясняющего принцип действия ппевмогидроаккумулятора, видно, что аккумулирование и возврат энергии рабочей жидкости происходят в результате сжатия и расширения газа. Пневмогидроаккумулятор представляет собой емкость, заполненную сжатым газом с начальным давлением зарядки Р] (см. рис. 3.5, а). При поступлении в ем- кость рабочей жидкости из гидросистемы происходит сжатие и повышение давления газа до максимального значения давления в гидросистеме р2 (см. рис. 3.5, б). При разрядке рабочая жидкость вытесняется из емкости вследствие расширения газа до давления р3 (см. рис. 3.5, в). Такие аккумуляторы обычно изготовляют с разделителями рабочей жидкости и газа, что исключает возмож- ность растворения газа в жидкости и полную разрядку при неработающей гидро- системе. Пневмогидроаккумуляторы объемом несколько сот литров изготовляют без разделителя сред с датчиками сигнализатора уровня рабочей жидкости. В зависимости от вида разделителя сред пневмогидроаккумуляторы могут быть поршневыми и мембранными. В конструкции поршневого типа (рис. 3.6, а) полость А аккумулятора заполняется газом, а полость Б — сообщается с гидро- системой. Герметизация полости А от полости Б обеспечивается эластичными уплотнениями поршня 1 и крышек 2 и 3. К недостаткам пневмогидроаккумуля- торов поршневого типа необходимо отнести значительные потери давления на преодоление сил трения уплотнений поршня и возможность утечек газа в местах уплотнений поршня и крышки 2. В конструкции мембранного пневмогидроаккумулятора (рис. 3.6, б) для разделения рабочих сред использована мембрана 1, периметр которой зажат между разъемными корпусными полусферами 2 и 3. Отверстие Б сообщает рабо- чую полость аккумулятора с гидросистемой, а отверстие А предназначено для подзарядки газовой полости сжатым воздухом или инертным газом. Конструкция Рис. 3.6. Пневмогидроаккумуляторы 3* 67
мембранного пневмогидроаккумулятора с разделителем рабочих сред в виде эластичного баллона представлена на рис. 3.6, в. Для изготовления мембран обычно применяют вулканизированную резину высокой плотности. При расчете пневмогидроаккумуляторов определяют полную емкость акку- мулятора Рк, полезную емкость рабочей жидкости Уп, работу, совершаемую при разрядке, а также проверяют на прочность детали аккумулятора [1]. Полная емкость аккумулятора равна начальному объему газа (Ёк = Vx) до заполнения аккумулятора рабочей жидкостью (см. рис. 3.5, а). При условии полного вытес- нения рабочей жидкости из аккумулятора при разрядке полезная емкость рабо- чей жидкости V'lI равна разности объемов газа до заполнения и в конце запол- нения V2 V'n-V1-V2 ИЛИ v'n = I/K (1 - -g-) . Если разрядку аккумулятора не доводят до конца в в нем остаетсянекоторый запас Е.з рабочей жидкости, а давление газа при этом будет р3, то полезная ем- кость Полученные выражения справедливы для изотермического режима расшире- ния и сжатия газа, т. е. при значении показателя политропы n~ 1. При политропическом процессе изменения состояния газа (n> 1) выраже- ния для Еп примут следующий вид: Показатель политропы процесса расширения и сжатия газа зависит от дли-' тельности протекания процесса и давления зарядки и разрядки аккумулятора. Значения показателя политропы п — 1 характерны для работы аккумулятора в режиме компенсации утечек в гидросистеме в случае длительной выдержки какого-либо изделия под давлением при отключенном насосе. При работе аккумулятора для покрытия мгновенных больших расходов ра- бочей жидкости в гидросистеме (длительность процесса менее 1 мин) показатель политропы принимают п= 1,3-5-1,4. Температурные изменения, происходящие при изменении состояния газа (п> 1), могут снизить полезную емкость аккуму- лятора. При разрядке аккумулятора вытесняемая рабочая жидкость совершает ра- боту, равную работе расширения газа от максимального давления р2 др давления газа р3 = в конце разрядки. Работу, совершаемую при разрядке аккумулятора, можно определить по выражениям: для изотермического цикла лп = Р1Ук In , Pi для политропического цикла Рассчитывать пневмогидроаккумулятор на прочность следует по следующим формулам. Толщина стенок цилиндра S __ Р Г 1 f М + Рг О — 2Р) __ | 2 [К [а]-р2(1+|х) 68
где D — внутренний диаметр цилиндра; [а] — допускаемое напряжение на разрыв; p-z — давление в конце зарядки; (х — коэффициент Пуассона (для стали (1 = 0,3, для латуни р. = 0,35). Толщина донышка (крышек) цилиндра: плоского б. 0,4050 1/ / [<И сферического S - P^D 1 41а] ’ По последней формуле можно рассчитать также толщину полусфер шарового аккумулятора. 3.5. РЕЛЕ ДАВЛЕНИЯ Реле давления предназначены для выдачи электрического командного сигнала при достижении в пневматической системе заданного давления (или разности давлений). Различают реле давления измерительного и дифференциального ти- пов. Первое реагирует на избыточное давление (разность между изменяющимся давлением в системе н атмосферным), второе — на разность между давлениями в двух частях пневматической системы (например, в штоковой и поршневой по- лостях пневмоцилиндра). Контролируемое давление, или разность давлений, воспринимается чувстви- тельным элементом (поршнем, мембраной, сильфоном, трубкой Бурдона). На- стройка реле давления на заданное значение контролируемого параметра осуще- ствляется изменением усилия нагрузочного элемента, обычно винтовой пружины. Когда контролируемый параметр достигнет заданного значения, перемещение чувствительного элемента достигнет значения, необходимого для замыкания или размыкания электрического контактного устройства. Электрические контактные устройства могут быть прямого или мгновенного действия. Контакты прямого действия при медленном нагружении чувствитель- ного элемента подвергаются сильному дугообразованиго, что приводит к их быстрому износу. Реле давления с контактами прямого действия применяют только как аварийные сигнальные устройства. На рис. 3.7, а изображено реле давления измерительного типа с сильфонным чувствительным элементом и ртутным контактным устройством. Газ под давле- нием подводится к штуцеру 8. Если величина давления ниже заданной, колба 2 с ртутью занимает положение, при кагором оба контакта 3 касаются ртути и замкнуты через нее (как показано на рисунке). При повышении давления тол- катель 7 сильфона 6 перемещается вверх и, растягивая пружину 5, через систему рычагов поворачивает колбу с ртутью в направлении, противоположном ходу часовой стрелки. При достижении заданного давления колба наклоняется влево настолько, что контакты размыкаются (не касаются поверхности ртути). На- стройка реле давления осуществляется изменением длины пружины 5 с помощью винта 1. Стрелка 4 показывает на шкале давление настройки. Диапазон изменения рабочего давления 0—0,1 МПа. Использование ртутного контактного устройства делает возможным приме- нение реле этой конструкции только в строго неизменном положении на стацио- нарных машинах при отсутствии вибрации. Кроме того, ртутные контакты, как и все контакты прямого действия, нс рекомендуется применять при пульсации давления газа, потому что их перемещение связано линейной зависимостью с пере- мещением чувствительного элемента. Ртутные контактны не обеспечивают при этом точности срабатывания из-за инерционности ртути, а контакты прямого дей- ствия, изготовленные из твердых металлов, быстро выходят из строя вследствие дугообразования. 69
1 г) На рис. 3.7, б представлена конструктивная схема пневматического реле давления с мембранным чувствительным элементом и электрическим контактным устройством мгновенного действия. Газ под давлением подводится к присоеди- нительному отверстию в крышке 5. Усилие от действия давления на мембрану 4 снизу уравновешивается усилием пружины 3. При определенном давлении, устанавливаемом с помощью регулировочного винта 1, толкатель 2, воздействуя на штифт электрического микропереключателя, переключает его контакты. На рис. 3.7, в изображено реле давления дифференциального типа с поршне- вым чувствительным элементом и с электрическим контактным устройством мгно- венного действия, выпускаемое фирмой «Барксдейл вэлвз» (США) (4]. Реле давления реагирует на разность давлений в двух полостях, связанных с отвер- стиями А и Б. К. отверстию А подводится газ низкого давления, к отверстию Б— высокого. При достижении заданной разности давлений поршень 6 сжимает пружину 5 и перемещается вверх, нажимая на штифт микропереключателя 4, связанного с пружинами / и 3. Разность давлений, при которой срабатывают элек- трические контакты, определяется положением микропереключателя, изменяе- мым с помощью винта 2. Реле давления поименяют для контполя разности давлений в диапазоне 0,035—1,0 МПа. На базе этой конструкции фирма выпускает реле давления измерительного типа (рис. 3.7, г), реагирующее на избыточное давление в пределах 0,1—2,1 МПа, отличающееся от предыдущего только устройством корпуса 7 и поршня 6 (см. рис. 3.7, в). Точность — в пределах 2%. Обе конструкции предназначены для работы на сжатом воздухе, газах, воде и масле. Важным достоинством поршневого чувствительного элемента являются его демпфирующие свойства (вследствие трения в уплотнении), в результате чего 70
снижается реакция контактного устройства на Пульсацию. В то же время, тре- ние, создаваемое уплотнением поршня, приводит к увеличению зоны нечувстви- тельности реле. Реле давления измерительного типа применяют, как правило, для выклю- чения машины в случае падения давления в воздушной сети ниже допустимого уровня. Применять реле давления измерительного типа для обеспечения работы исполнительных механизмов в определенной последовательности не рекомендуется по следующей причине. Реле давления дает команду на начало хода второго цилиндра, реагируя па повышение даления в рабочей полости первого цилиндра, когда его поршень доходит до упора в конце хода. Для надежной работы схемы с реле давления измерительного типа необходимо, чтобы повышение давления происходило лишь в конце хода поршня. Однако в связи с тем, что давление в выхлопной полости снижается не мгновенно, требуется довольно высокое дав- ление газа в рабочей полости, чтобы поршень стронулся с места; поэтому при небольшом запасе давления возможен ложный командный сигнал пуска второго цилиндра, отданный раньше, чем стронулся с места поршень первый. Если при- менить реле давления дифференциального типа, а в качестве сигнала о заверше- нии хода поршня первого цилиндра использовать увеличение разности между давлением в рабочей и выхлопной полостях цилиндра, то вероятность появле- ния ложного сигнала уменьшится, так как достаточная для переключения реле разность давления достигается лишь в конце хода поршня. Реле давления, в которых отсутствует возможность регулирования величины давления, при котором происходит переключение электрического контактного устройства, принято называть пневмоэлектропреобразователями. < Конструктивно пневмоэлектропреобразователи аналогичны реле давления с настраиваемых значением контролируемого давления, однако отсутствие ус- тройства для регулирования усилия нагрузочного элемента позволяет значительно упростить конструкцию и уменьшить размер пневмоэлектропреобразователей. 3.6. ИНДИКАТОРЫ ДАВЛЕНИЯ Индикаторы давления предназначены для визуального контроля наличия давле- ния воздуха на различных участках пневматических систем. Принцип действия индикаторов давления заключается в преобразовании энергии сжатого воздуха в механическое перемещение индицирующего элемента (поршня, мембраны, жидкости и т. д.). По способу индикации давления индикаторы можно разделить на штоковые, типа ламп и табло. У штоковых индикаторов типа В52-11 (рис. 3.8, а) признаком наличия давления является шток /, выдвинутый из корпуса на 4—6 мм. Индикатор этого типа представляет собой миниатюрный пневмоцилиндр одностороннего действия с подпружиненным поршнем 2. Наличие эластичных уплотнений поршня требует относительно высокого уровня переключающего давления, что ограничивает область применения штоковых индикаторов. Индикаторы типа ламп функционально аналогичны электрическим сигналь- ным лампам и поэтому должны обеспечивать четкую индикацию наличия и от- сутствия давления в системах, размещенных в помещениях с нормальной осве- щенностью без использования подсветки. Для этой цели в них используют подвиж- ные детали, окрашенные в цвета с высокой отражательной способностью, появ- ляющиеся в поле зрения при наличии давления. Применяют конструкции инди- каторов давления поршневого, мембранного и жидкостного типов. На рис. 3.8, б приведена конструкция индикатора давления типа П-ИДС, индицирующий элемент которого выполнен в виде поршня 1 с окрашенным кони- ческим углублением. Конфигурация линзы 2 и поршня обеспечивает четкую индикацию наличия и отсутствия давления в системах низкого давления. Для работы индикатора необходимо, чтобы его входы были подключены к двум взаим- ноинверсным выходам струйного элемента. В индикаторе типа РУС-1 с мембранным приводом (рис. 3.8, в) при подаче газа под давлением мембранный узел 1 перемещается совместно с шайбой, имеющей фигурный вырез, и приводит во вращение винтовой шток 2, поворачивая на 90° окрашенный флажок 3. 71
Рис. 3.8. Индикаторы давления В индикаторе типа ИП-1 (рис. 3.8, г) сжатый’воздух, поступающий на вход, растягивает окрашенную в яркие цвета эластичную мембрану 1. Мембрана раз- двигает секторные участки шторки 2, которые расходятся по окружности и ло- жатся на нижнюю часть стекла 3. Мембрана выкладывается по профилю стекла и изменяет его окраску. Цвет мембраны хорошо виден как с лицевой, так и с бо- ковой стороны индикатора. При снятии управляющего сигнала мембрана под действием сил упругости возвращается в исходное положение, и шторки схо- дятся. Индикатор типа ИПЗ-1 (рис. 3.8, д) обеспечивает сигнализацию и запоми- нание в течение 2 ч наличия давления. Это достигается с помощью обратного клапана 1. При подаче и последующем снятии сигнала мембрана не возвращается в исходное положение, так как в индикаторе давление будет сохраняться до тех пор, пока нажатием на кнопку 2 камера не будет соединена с атмосферой. В жидкостных индикаторах используют свойство жидкости точно повторять фигурные поверхности, что дает хороший визуальный эффект. На рис. 3.9, а приведена конструкция пневматического индикатора, в кото- ром использована непрозрачная жидкость в качестве шторки, изолирующей индицирующий элемент от прозрачного экрана. При подаче воздуха под давле- нием мембрана / перемещает поршень 4 и жидкость 3 вытесняется в кольцевую проточку 2. При соприкосновении поршня с прозрачным стеклом становится видимым индикационный знак на его торце. Окрашенная жидкость может быть использована и в качестве индицирующего элемента. В индикаторе давления (рис. 3.9, б) в полости между мембраной 1 72
Рис. 3.9. Индикаторы давления жидкост- ного типа и стеклом 2 в выточке находится жидкость ,3. При появлении пневмати- ческого сигнала мембрана вытесняет жидкость из выточки на поверхность линзы, в результате чего она окра- шивается в цвет жидкости. Аналогично электрической сиг- нальной арматуре в пневматических индикаторах давления’ используют красный и зеленый цвета, реже — желтый и голубой. В ряде случаев наносят знаки, цифры или надписи. Для удобства наблюдения и контроля на- личия командных сигналов, поступающих в систему, применяют групповые индикаторы. Каждый индицирующий элемент в них пронумерован и соответ- ствует определенной команде. 3.7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В пневмогидропреобразователе типа ПГП (рис. 3.10) камера низкого давле- ния / заполнена минеральным маслом до определенного уровня. В нижней части штока 7 встроен клапан 5. Камера высокого давления 4 через клапан 5 сообщена с камерой низкого давления, а через отводное отверстие — с рабочей полостью гидроцилиндра. Управление пневмогидропреобразователем производится с по- мощью кранового пневмораспределптеля последовательного действия типа В71-33. При подаче сжатого воздуха в камеру 1 происходит заполнение рабочей полости гидроцилиндра минеральным маслом под низким давлением. Затем после переключения пневмораспределителя 3 сжатый воздух подается в полость 8 пневмоцилиндра, что приводит к вытеснению рабочей жидкости из камеры вы- сокого давления 4 и заготовка окончательно зажимается гидроцилиндром. Кла- пан 5 при этом отсекает камеру 4 от камеры 1. Возврат поршня 2 в исходное положение и заполнение камер 4 и 1 рабочей жидкостью происходят при подаче сжатого воздуха в полость 6 пневмоцилиндра. Техническая характеристика пневмогидропреобразоват^лей типа ПГП Номинальное давление воздуха, МПа ...................... 0,63 Номинальное давление рабочей жидкости, МПа: при предварительном зажиме ...................... 0,63 при окончательном зажиме.............................. 16 Объем рабочей полости жидкости, низкого давления .................................... 1 000 высокого давления ............................... 63 Коэффициент усиления ............................... 25 90%-ный ресурс, цикл................................. 250 000 90%-ная наработка до первого отказа, цикл............ 50 000 Масса, кг, не более.................................. 36 Поршневой пневмогидроаккумулятор типа АР (рис. 3.11) состоит из цилин- дра 2, поршня 3 и крышек 1 и 4. Уплотнение поршня и крышек обеспечивается резиновыми кольцами. Заряжают аккумулятор через узел 5, отверстие Б ко- торого предназначено для подключения к источнику нагнетания газа при зарядке, а отверстие А —для подключения манометра, контролирующего давление газа. Крепление крышек к корпусу выполнено с помощью разрезных колец и винтов. Технические характеристики аккумуляторов типа АР приведены ниже, а полезные обьемы аккумуляторов различных типоразмеров в зависимости от изменения давления масла при отборе его из аккумулятора в)гидросистему могут быть определены по графикам, приведенным на рис. 3.12 и 3.13 [2]. Из 73
Рис. 3.10. Пневмогидропреобразова* тель типа ПГП Рис. 3.11. Поршневой пневмэгидроак* кумулятор типа АР двух точек на оси абсцисс, соответствующих максимальному и минимальному давлениям жидкости рж в гидросистеме, проводят вертикальные прямые до пере- сечения с кривой выбранного давления рг зарядки газа, затем из точек пересе- чения проводят горизонтальные прямые до пересечения с ординатами объемов V? и соответствующего типоразмера аккумулятора. Разность между двумя получен- ными значениями на оси ординат соответствует объему масла Рж, который будет подаваться гидроаккумулятором в гидросистему. Рис. 3.12. График для выбора полезного объема пиевмогидроаккумулятора при адиаба- т ическом процессе 74
Рис. 3.13. График для выбора полезного объема пиевмогидроаккумулятора при изотер- мическом процессе Техническая характеристика пиевмогидроаккумулятора типа АР Рабочая среда Полость газа — технический азот второго сорта (ГОСТ 9293 — 74) Номинальное давление Полость жидкости — минеральное масло Рекомендуемое давление за- рядки ...................... Перепад давления для страги- вания поршня ............... Диапазон температуры рабочей жидкости....................От Р1НОМ Р2И0М = 16 32 МПа МПа ОДЗрраб шах ^зар 0,94) Рраб min ^движ °’2 МПа — 30 до 4-90 °C (допустимая температура масла аккумуляторе) в Реле давления (ГОСТ 19486—74). Давление сжатого воздуха воздействует через ме.мбрану 1 и грибок 2 на толкатель 3 (рис. 3.14). Если усилие, развивае- мое давлением воздуха на грибок 2, станет больше усилия пружины 4 (пружина настраивается с помощью поводка 5, передающего вращение гайке 6), то толка- тель 3 переместится и через штифт 7 вызовет срабатывание микропереключателя 8. При понижении контролируемого давления пружина 4 возвращает толкатель 3 в исходное положение, а пружина микропереключателя вызывает его обратное переключение. 75
Техническая характеристика реле давления [3] Номинальное давление, МПа ........................................... 1,0 Диапазон контролируемых давлений (давление замыкания илн размыкания электрических контактов при изменении давления), МПа............... 0,15 — 1,0 Зона нечувствительности (разность между давлением срабатывания микро- переключателя н давлением возврата в исходное положение), МПа , . 0,03 — 0,06 Параметры микропереключателя: номинальный ток, А.............................................. 2,5 напряжение, В: переменного тока..................................................... До 380 постоянного тока..................................................... До 220 Долговечность, цикл ............................................’ 5* 10е Индикатор давления типа В52-11 (рис. 3.15) представляет собой миниатюр* иый пневмоцилиндр одностороннего действия с пружинным возвратом. В кор" пусе 7 перемещается поршень 2, уплотняемый манжетой. При отсутствии давле" ния на контролируемом участке пневматической системы поршень под действием пружины 3 удерживается во втянутом положении. При появлении давления пор- шень 2, сжимая пружину 3, перемещается влево. Выдвинутый шток сигнализи- рует о наличии давления на участке системы. Техническая характеристика индикатора давления типа В52-11 1*3 ] Давление, МПа: номинальное ............................................ 0,63 минимальное ............................................ 0,25 Наибольшее допустимое числи срабатываипГ.. j-пкл''мин . , . 230 Долговечность, цикл........................................... 10е Масса, кг ................................................. 0,020 Рис. 3.16. Индикатор давления типа п-ид Рис. 3.17. Малогабаритный индика- тор давления типа П-НД! Индикатор давления тина П-ИД (рис. 3.16) состоит из поршня 2 с возвратной пружиной 4, уплотненного в корпусе 3 резиновой манжетой, и линзы 1. Линза выполнена в виде конуса, обращенного вершиной внутрь корпуса, а поршень имеет соответствующее коническое углуб- ление под линзу, поверхность которого окрашена в нужный цвет. При отсутствии входного давления пружина удерживает поршень в исходном положении; при пода- че давления поршень перемещается к линзе и коническая (окрашенная) по- верхность его становится видимой. В малогабаритном индикаторе давле- ния типа П-ИД1 (рис. 3.17) в качестве индицирующего элемента используют выступающую при наличии входного давления часть штока поршня. Поршень
Рис. 3.18. Пневмоэлектро- преобразователь тина П-ПЭ-С уплотнен резиновым кольцом. Возврат поршня в исходное положение при отсут- ствии входного давления — пружинный. Техническая характеристика индикаторов давления [3 1 П-ИД П-ИД1 Давление входных сигналов. МПа .... 0,14 — 0,63 0,16 — 0,63 Угол обзора, град ..................... 140 180 Активный диаметр линзы, мм............. 16 — Размеры выступающей части индицирующе- го элемента, мм ............................. — 03X3 Долговечность, цикл........................ 5*10* 5* 10е Масса, кг .................................. 0,13 0,027 Пневмоэлектропреобразозатель типа П-ПЭ-С предназначен для преобразо- вания пневматического сигнала в дискретный электрический сигнал. Пневмо- электропреобразователь (рис. 3.18) состоит из основания 1, в котором располо- жен подпружиненный поршень 2 с манжетой, кронштейна 3, на котором крепится электрический конечный выключатель, и защитного кожуха 4. Переключение электрических контактов происходит при нажатии перемещающегося под дей- ствием входного давления поршня на толкатель конечного выключателя. Регулировка конечного выключателя относительно поршня обеспечивается за счет зазоров, образованных отверстиями в корпусе выключателя и винтами 5 крепления выключателя к кронштейну. Отверстие А в основании предназначено для подвода пневматического сигнала, отверстие 5 — для вывода электрических проводов конечного выключателя. Между кожухом и основанием предусмотрена прокладка для защиты электрических контактов от загрязнений. Техническая характеристика пневмоэлектропреобразователя типа П-ПЭ-С [3] Давление входных сигналов, МПа............. 0,14—0,63 Тип конечного выключателя..................... МП 1101 нсп, 1 Время, мс, не более; включения............................ 20 выключения ... •................. 25 Долговечность, цикл ....................... 10е Масса, кг................................ 0,35 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ I. Башта Т. М.. Зайченко Н. 3., Ермаков В. В.. Хаймович Е. М. Обьемпые гидрав- лические приводы. М.: Машиностроение, 1969. 628 с. 2. Гидропневмоаккумуляторы типа АР. М. 1972. 6 с. (НИИМАШ). .3 . Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. Каталог. М. 1978. 155 с. (НИИМАШ). 4. Fluid power Handbook Directory. 1968 —1969. Industrial publishing Co. Cleveland, 5. Mecman News, N. 42, November, 1969, 8 p.
Глава 4 НАПРАВЛЯЮЩАЯ ПНЕВМОАППАРАТУРА Направляющая пневмоаппаратура предназначена для изменения направления потока сжатого воздуха путем полного открытия пли закрытия рабочего про- ходного сечения. К этой группе ппевмоустройств относятся пневмораспределители, обратные пневмоклапаны, пневмоклапаны быстрого выхлопа, последовательности, вы- держки времени, логические (ИЛИ; И). 4.1. ПНЕВМОРАСПРЕДЕЛИТЕЛИ Пневмораспределители предназначены для изменения направления или пуска и останова потоков сжатого воздуха в двух или более внешних пневмолиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. Под внешними пневмо- линиями понимают воздухопроводы и каналы для течения воздуха (в том числе и отверстия для связи с атмосферой), соединяемые в определенных сочетаниях при различных положениях распределительного органа. Число внешних линий определяет линейность распределителя. Применяют в основном двух-, трех-, четырех- и пятилинейные распределители. Распреде- лители для специальных целей, а также крановые применяют и с большим числом линий. По числу фиксированных положений распределительного органа различают двух-, трех- и миогопозиционные распределители. Последний тип (за исключе- нием крановых распределителей) применяют редко и его относят к специальным. Наибольшее применение получили двухпозиционные распределители, распре- делительный орган которых может занимать одно из двух крайних положений. Распределительный орган трехпозиционных пневмораспределителей при отсут- ствии управляющего воздействия занимает среднее положение. Иногда исполь- зуют распределители, состоящие из двух двухпозиционных пневмораспредели- телей. Такие распределители относятся к четырехпозиционным, хотя могут вы- полнять функции трехпозициоиных, если не используется одна позиция. Двухпозиционные пневмораспределители могут иметь одностороннее и дву- стороннее управление (трехпозиционные — только двустороннее). Под односторон- ним понимают такой вид управления, при котором для переключения распреде- лительного элемента управляющее воздействие прикладывается только к одному чувствительному элементу и в одном направлении, а возврат в исходное положе- ние происходит после снятия управляющего воздействия под действием сил механической или пневматической пружины. При двустороннем управлении, чтобы распределительный элемент привести в заданное состояние, необходимо управляющее воздействие приложить к соответствующему чувствительному элементу (если их два) или изменить направление действия. На рис. 4.1 приведена схема пятилинейного двухпозиционного распредели- теля с односторонним управлением. Управляющее отверстие обозначается двумя 78
2 2 Рис. 4.1. Схема пятплииейиого двухпозиционного распределителя с односторонним уп- равлением цифрами. Вторая цифра указывает отверстие, которое будет соединено с отвер- стием 1 при подаче единичного сигнала к управляющему отверстию. К двух- и трехлинейным распределителям с односторонним управлением относятся «нормально закрытые» (при отсутствии управляющего воздействия питание «закрыто», т. е. сжатый воздух не проходит к выходному каналу распре- делителя) и «нормально открытые» (при отсутствии управляющего воздействия питание «открыто»). Двухпозиционные распределители с двусторонним управлением можно использовать как устройства памяти. Число внешних линий и позиций, а также характер управления (односторон- нее или двустороннее) определяют схему исполнения пневмораспределителя. Наибольшее применение в промышленности получили схемы исполнения, приве- денные в табл. 4.1 и 4.2 [1]. Крановые распределители применяют также со специальными схемами ис- полнений по числу позиций и линейности, в частности трехпозиционный шести- линейный распределитель — для последовательного управления двумя цилин- драми (рис. 4.2, а), шестипозиционный восьмилинейный распределитель (шести- позиционный переключатель, рис. 4.2, б) — для обеспечения подачи давления поочередно к каждому из шести выходных каналов, при этом остальные выход- ные каналы соединяются с атмосферой. Важным функциональным признаком распределителей является вид управ- ления. Схема классификации основных видов управления изображена на рис. 4.3. Условные обозначения видов управления соответствуют ГОСТ 2.721—74. Известны также механическое управление с малым усилием (рычаг управ- ляет вспомогательным клапаном, приводящим в действие обычный механизм пневматического управления, рис. 4.4, а) и механическое бесконтактное управ- ление, достигаемое обычно механическим воздействием на струю сжатого воздуха (рис. 4.4, б). Наиболее широкое распространение в промышленной практике полу- чили следующие конструкции распределительных устройств: клапанные, с ци- линдрическим золотником, с плоским золотником и крановые. Принцип клапанного распределения без «короткого замыкания» ясен из рис. 4.5. Обозначение присоединительных отверстий: 1 — вход (питание); 2 — выход (к потребителю); 3— выход в атмосферу. Обозначение управляющего отверстия содержит две цифры, указывающие сообщаемые при подаче управля- ющего сигнала присоединительные отверстия; цифра 0 показывает, что присо- единительное отверстие перекрыто. В исходном положении, обеспечиваемом двумя возвратными пружинами, выходное отверстие 2 через полый толкатель сообщено с выходом в атмосферу. При подаче управляющего сигнала к от- верстию 12 вначале выходное отверстие 2 разобщается с отверстием 3, а затем сообщается с входным отверстием. а) л) Рис. 4.2. Примеры схем исполнения крановых распределителей 79
Таблица 4,{ Основные пневматические схемы двухлинейных и трехлинейных распределителей Число позиций распредели- тельного элемента Управление Схема соеди- нения пиевмо- линии в исход- ной позиции Число внешних пневмо- лииий Условное графи- ческое обозначение по ГОСТ 2.781 — 68 2 Односто- роннее Нормально открытая 2 2 7 3 Z !А1Д} 3 1 Нормально закрытая 2 тс> 7 3 2 S д L л 1 1 J 7 Двустороннее — 2 2 f 1 / 3 Z £ ( J / . 3 То же С закрытым центром 3 2 1 1 1 К | ± 1 } 1 т— 1 3 7 : 80
Таблица 4.2 Основные пневматические схемы четырехлинейных и пятилинейных распределителей Число позиций распредели- тельного эле- мента Управление Возврат в исходное поло/кение Число внешних пиевмо- линнй Условное графи- ческое обозначение по ГОСТ 9.781— 68 2 Односто- роннее Пружинный 4 3 2 4 7 5 24 Ш J7 Пневматический 4 5 2 У1 I □-1 5 .24 Двустороннее — 4 2 J 5 24 3 7 5 3 То же — 4 2 4 ЮТ 3 7 5 2 4 ио ' J ’ .7 81
Виды управления пневморо спреде лит елями с механическим управлением Рис. 4.5. Трехлинейный клапан- ный распределитель без «корот- кого замыкания» Рис. 4.4. Распределители Рис. 4.G. Трехлинейный клапан- ный распределитель с «коротким замыканием» 82
Как видно из рис. 4.5, трехлинейный клапанный пневмораспределитель образуется комбинацией двух пар клапан—седло. Для двухлинейного распреде- лителя достаточно одной пары, а для четырех- или пятилинейного необходимы четыре пары; обычно четырехлинейные клапанные распределители образуются из двух (нормально открытого и нормально закрытого) трехлинейных распреде- лителей, размещенных в общем корпусе параллельно или соосно. В распределителях клапанных с «коротким замыканием» (рис. 4.6) в мо- мент переключения (перемещения клапанного узла из одного крайнего положения в другое) все каналы (питания, выхода и атмосферный) соединены между собой. Такие распределители несколько проще, но при их переключении возникает колебание давления, возможно появление ложных сигналов в системе управ- ления, увеличивается расход воздуха. Кроме того, такая схема не применима при ручном и механическом управлении, когда перемещение клапанного узла мо- жет быть медленным. Распределители с цилиндрическим золотником наряду с клапанными широко применяют в промышленности вследствие простой и технологичной конструк- ции, широким функциональным возможностям и удобной компоновке. Распределители этого типа в качестве распределительного элемента имеют цилиндрический золотник, перемещающийся вдоль оси в корпусе или во втул- ках, помещенных в корпусе. Проточки (пояски) золотника в разных фиксирован- ных положениях сообщают или запирают разные проточки (отверстия) корпуса (втулок). Основная проблема при конструировании — уплотнение золотника — решается путем использования эластичных уплотнений или малого зазора. Эла- стичные уплотнения работают в тяжелых условиях, так как при каждом ходе золотника проходят кромки проточек или отверстии, и тем не менее они должны удовлетворять требованиям герметичности в течение длительного срока службы, измеряемого миллионами и даже десятками миллионов циклов. Поэтому в распре- делителях с эластичными уплотнениями применяют уплотнения повышенной точности или особой конструкции, используя при этом специальные способы их установки. Распределители с малым зазором требуют изготовления прецизион- ной пары. Эластичные уплотнения можно устанавливать в корпусе или на золотнике. Обычно применяют такие конструкции, в которых зазор между корпусом и зо- лотником уплотняется за счет не столько предварительного натяга уплотнитель- ного кольца, сколько его прижатия к уплотнительным поверхностям под дей- ствием давления воздуха. Поэтому при проходе кольцевой канавки на уплот- няемой цилиндрической поверхности возможно выдавливание уплотнительного кольца из своего гнезда. Чтобы избежать этого, в конструкциях распределите- лей с кольцевыми проточками применяют уплотнительные кольца и посадочные места такой геометрической формы, которая исключает выдавливание кольца. Вместо кольцевой проточки, например, во втулке, помещенной в корпус, по окружности делают ряд отверстий небольшого диаметра или ряд продольных пазов на торцах втулок или на золотнике, суммарное сечение которых обеспечи- вает необходимый проход, а взаимное расположение позволяет сохранить по окружности часть цилиндрической поверхности, которая обеспечивает нормаль- ное перемещение уплотнительных колец. Примеры конструкций уплотнительных устройств приведены на рис. 4.7. На рис. 4.8 показана конструкция пятилинейного пневмораспределителя с цилиндрическим золотником и пневматическим управлением. Золотник уплот- нен специальными Т-образными уплотнениями, которые монтируют с помощью набора втулок. Две крайние втулки являются направляющими и имеют дрос- сели в виде отверстий малого диаметра для создания воздушной подушки в це- лях демпфирования ударов в конце хода золотника. Обозначение присоедини- тельных отверстий: 1 — питание; 2 и 4 — выходы (к пневмоцилиндрам); 3 и 5 — выходы в атмосферу. Обозначение управляющего отверстия содержит две цифры, указывающие сообщаемые при подаче управляющего сигнала присоеди- нительные отверстия. На основе цилиндрического золотника легко получить распределители с различными функциональными схемами и модификациями по способу монтажа. Так, трехпозиционные пятилинейные распределители с закры- тым центром (в нейтральной позиции все пневмолинии закрыты) получаются наи- 83
Рис. 4.7. Примеры конструкций уплотнительных узлов более просто; для реализации этой же схемы с клапанным распределением тре- буются два трехлинейных и два двухлинейных распределителя. Трехлинейный распределитель с цилиндрическим золотником без каких-либо изменений в кон- струкции может быть нормально открытым или нормально закрытым; для измене- ния схемы достаточно поменять местами трубопроводы питания и выхлопа. Пяти- лииейные распределители с цилиндрическим золотником обеспечивают раздель- ный выхлоп каждой полости пиевмоцилиндра, что позволяет применять весьма простые дроссельные устройства. Для получения четырехлинейного распреде- лителя из пятилинейного достаточно объединить выхлопные линии. В распределителях с плоским золотником (рис. 4.9) потоки сжатого воздуха распределяются парой плоский золотник—плита, причем отверстия для про- хода воздуха выведены на плоскую.тщательно обработанную поверхность плиты, по которой перемещается золотник с канавкой, попарно сообщающей между собой упомянутые отверстия. Золотник перемещается относительно плоскости с отвер- стиями с помощью привода, наиболее часто — пневматического, хотя для распре- делителей малых размеров используют ручное, механическое и другие виды управ- ления. При пневматическом приводе давление управления действует на поршне- вое или плунжерное устройство. Обозначение распределительных отверстий то же, что и на рис. 4.8. Среди крановых распределительных элементов наибольшее распространение получил плоский поворотный золотник (рис. 4.10). Обычно крановые распре- делители имеют ручное управление. Клапанные и золотниковые распределители применяют с различным управ- лением: ручным, механическим, пневматическим, электромагнитным или элек- тропневматическим. Причем обычно различные виды управления достигают уста- новкой разных видов приводов на базовую модель распределителей при макси- мальной возможной унификации деталей. Выбор и расчет пиевмораспределителей. Наибольшую сложность при проек- тировании пневматических систем представляет выбор распределителей с тре- буемыми расходными характеристиками и быстродействием. 2 4 Рис. 4.8. Пятилинейный распределитель с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями 84
Определение требуемой расходной характеристики распределителя — слож- ная задача, так как необходимо учесть (применительно к пневмоприводу возврат- но-поступательного действия) размер цилиндра, внешнюю нагрузку, перемещае- мую массу, закон изменения скорости перемещения и его время, а также сопро- тивление подводящей и выхлопной пневмолиний, в которые входит распредели- тель. Эту задачу решают методами динамического анализа и синтеза, которые достаточно полно изложены в справочном пособии [1]. Для приближенного выбора требуемой пропускной способности распреде- лителя, управляющего работой пневмоцилиндра при постоянном коэффициенте нагрузки на штоке и минимальном сопротивлении потоку в трубопроводах и их соединениях, можно воспользоваться формулой к = 127Fsp V ts 1ЛДр (р — &р) где Л'а— пропускная способность распределителя, м3/ч; F— площадь поршня, м2; s— ход поршня, м; ts — заданное время перемещения поршня, с; р — абсо- лютное рабочее давление, МПа; Др — перепад давления на распределителе, МПа. Предполагается, что площадь поршня выбрана из условия % = Pl pF = 0,5, гДе X — безразмерная нагрузка на штоке; Р — постоянная сила сопротивления перемещению поршня. Значение Др для определения Л',. рекомендуется выбирать из следующих соображений: в большинстве случаев следует принимать Др = 0,03 МПа; если уменьшение размера и массы имеет первостепенное значение, можно увеличить Др до 0,08 МПа, а когда Ка выбирают с запасом — уменьшить до 0,015 МПа. Обычно пропускную способность распределителя выбирают с некоторым запасом, особенно при высоких средних скоростях перемещения поршня, когда требуется его торможение в конце хода, и при длинных трубопроводах. Расходные характеристики распределителей отечественных конструкций приведены в табл. 4.3, где кроме пропускной способности Kv 11 эффективной 85
Таблица 4.3 Расходная характеристика пиевмораспределителей Распреде- литель 1 Условный проход Dy, мм 1 Проп\скная способность, A v, М3/ч Эффективная площадь проход- ного сечения f3, мм2 Длина эквивалент- ного трубопровода (при dT = Dy) '-=> м Пита- ние- выход Выход— атмо- сфера Пита- ние- выход Выход- атмо- сфера Пита- ние— выход Вы> од— атмо- сфера П-РОЗП 2,5 0,11 0,12 2,28 2,56 0,46 0,33 П-Р515П 2,5 0,12 0,11 2,40 2,20 0,39 0,48 В63-11 4,0 0,20 0,21 4,00 4,20 2,10 1,90 В76-21 4,0 0,33 0,18 6,60 3,60 0,50 2,10 п-эпк 4,0 0,19 0,19 3,80 3,80 2,40 2,40 В63-13 12,0 1.30 1,30 26,00 26,00 10,30 10,30 В63-23М 12,0 1,30 1,20 26,20 24,00 10,30 12,40 В63-14М 16,0 2,24 2,00 44,80 41,00 15,00 18,00 В63-24 16,0 2,15 2,11 43,00 42,00 16,50 16,50 Б В64-14М 16,0 2,54 2,39 50,80 48,00 11,50 12,40 В64-24М 16,0 2,36 2,15 47.20 43,00 13.80 16.50 В63-15М 20,0 4,90 4,76 98,40 95,00 9 10 9,70 В63-25 415255 0080 20,0 4,30 5,41 86,20 108,00 12, 10 7,30 415255 0081 415255 0082 8 1,22 1,27 24,0 25,0 1,3 1.1 415255 0083 10 1,23 1,28 25,0 24,0 4.5 3,9 415255 0100 415255 0101 12 2,65 2,60 53,0 51,8 2,1 2,2 415255 0102 16 3,20 3,20 63,0 64,6 6,8 6,8 415255 0103 415255 0120 20 3,50 3,80 70,2 76,8 25,3 15,5 415255 0121 25 11,70 11,50 233,0 230,0 4,1 4,8 415255 0122 32 13,60 13,00 271,0 259,0 11,7 13,7 415255 0123 40 14,30 13,40 285,0 269,0 34,4 41,3 площади указана длина эквивалентных трубопроводов L.. удобная для опре- деления общей расходной характеристики цепи последовательно соединенных элементов [1]. Расходные характеристики, приведенные в табл. 4.3, получены во ВНИИГидроприводе экспериментально путем проливки водой и продувки сжатым воздухом. Задача определения времени срабатывания на практике возникает чаще всего применительно к распределителям с пневматическим, электромагнитным и электропневматическим управлением; при ручном, ножном и механическом управлении время срабатывания зависит ог скорости воздействия на механизм управления. Наибольший интерес представляет определение времени срабатывания распределителей с пневматическим управлением, так как они могут приводиться в действие пневматическими сигналами от распределителей малого проходного сечения (называемых в этом разделе управляющими устройствами) с ручным, ножным, механическим, пневматическим и электромагнитным управлением, причем распределители с электропневматическим управлением удобно рассма- тривать как распределители с пневматическим управлением и встроенным управ- ляющим устройством, имеющим электромагнитное управление. Расчет времени срабатывания пиевмораспределителей приведен в гл. 11. Экспериментальные данные ВНИИГидропривода о времени срабатывания для некоторых типов пиевмораспределителей приведены в табл. 4.4 и 4.5. 86
Таблица 4.4 Время срабатывания распределителей с электрическим и электропневматическим управлением Распреде- литель Время, мс Р,п опреде- литель Время, мс включе- ния выключения включе- ния выключения Давление п ит.ания. МПа Давление п итания, МПа 0,4 0,63 0,4 0.63 0.4 0,63 0.4 0,63 П-ЭПК 18 20 12 12 415255 0090 40 36 — — БВ64-13М БВ64-14М 80 75 — — 415255 415255 0110 0130 50 125 40 110 — — БВ64-15М 200 200 — — 4(5255 415255 415255 0091 45 40 60 100 340 63 110 350 В64-23М В64-24М 115 110 160 160 0111 0131 80 240 75 210 Таблица 4.5 Время срабатывания распределителей с пневматическим управлением Распреде- литель Время, мс вклю- выклю- чения чения Давление питания, МПа 0,4 0,63 МВ76-21 1 16 12 3 34 28 10 136 105 В63-13М 1 60 45 В63-14М 3 76 72 10 175 170 В63-15М I 95 100 3 145 150 10 300 310 В63-23М 1 83 80 0.4 0,63 28 32 В63-24М 160 180 590 686 В63-25М — — — — — 415255 0100 — — 415255 0101 86 90 Распреде- литель на трубопровода в ии управления /т, м Вгемя, мс вклю- чения выклк- чения Давление питания, МПа 5 = X я ч 0.4 0,63 0.4 0,63 3 10 1 3 10 1 3 10 1 3 10 110 275 92 140 290 72 100 200 90 125 260 120 280 85 140 300 65 80 175 90 120 250 145 405 140 215 480 90 140 350 150 440 158 215 500 95 150 380 Примечание. Время измеряли при следующих условиях: 1) давление питания управляющего устройства равно давлению питания распределителя; 2) внутренний диаметр трубопровода в линии управления dT ~ 4 мм; 3) в качестве управляющего устройства для МВ76-21 использован П-ЭПК, для остальных — МВ76-21, управляемый от П-ЭПК. 4.2. ПНЕВМОКЛАПАНЫ ОБРАТНЫЕ Обратные пневмоклапаны предназначены для пропускания сжатого воздуха только в одном направлении. По исполнению запорного элемента пневмоклапаны выпускают с конусным, плоским и сферическим элементами (рис. 4.11, а, б, в). Обратные пневмоклапаны с конусным и сферическим запорными элементами обеспечивают меньшее гидравлическое сопротивление потоку сжатого воздуха, но более трудоемки в изготовлении по сравнению с пневмоклапанами с плоским 87
Рис. 4.11. Обратные клапаны с конусным (а), плоским (б) и сферическим (в) запорными элементами запорным элементом. Подъем запорного элемента обычно выполняют в пределах, обеспечивающих (0,6 —• 1) FT, где Ft — площадь сечения подсоединяемого трубопровода. Обратные пневмоклапаны без пружины обычно изготовляют для больших проходных сечений (Оу > 25 мм) в целях уменьшения гидравлического сопротивления. Пневмоклапаны без пружины рекомендуется устанавливать вертикально, седлом запорного элемента вниз, что повышает герметичность и сокращает время закрытия клапана. Иногда обратные пиевмоклапаны изготов- ляют без пружин для небольших типоразмеров (с малыми проходными сечениями), что позволяет уменьшить их размеры. Запорные элементы в этих конструкциях выполняют из резинового шарика или мембраны. Для обеспечения надежной герметичности уплотнения в пневмоклапанах этого типа необходимо давление ие менее 0,05—0,07 МПа. 4 .3. ПНЕВМОКЛАПАНЫ БЫСТРОГО ВЫХЛОПА Пневмоклапаны быстрого выхлопа служат для повышения быстродействия пнев- моприводов путем уменьшения сопротивления выхлопной линии. Схема применения клапана быстрого выхлопа, приведенная на рис. 4.12, а, обеспечивает увеличение скорости втягивания штока пневмоцилиндра 1 под действием пружины. При включении пневмораспределителя 5 сжатый воздух проходит через клапан быстрого выхлопа 3, который беспрепятственно пропу- скает его в поршневую полость цилиндра по трубопроводу 2, обеспечивая перемещение поршня вправо. Прн выключении пневмораспределителя 5 дав- ление в трубопроводе 4 падает, клапан быстрого выхлопа 3 переключается, обеспечивая быстрый выпуск воздуха из полости пневмоцилнндра непосред- ственно в атмосферу, минуя трубопровод 4 и пневмораспределитель 5. Применение клапанов быстрого выхлопа (при условии установки их в не- посредственной близости от опорожняемой полости) позволяет увеличивать Рис. 4.12. Клапан быстрого выхлопа: а — схема применения; б — пример конструкции 88
Рис. 4.13. Клапан быстрого выхлопа с летающей мембраной н резьбовым атмосферным отверстием скорость срабатывания иневмоцилиндров (особенно значительно, если объем опорож- няемой полости существенно превышает объем сокращаемой части выхлопной линии) или же (при определенных соотношениях параметров схемы) дает возможность исполь- зовать трубопроводы и распределители с уменьшенным проходным сечением, что способствует уменьшению массы и размера привода и сокращает потери сжатого воз- духа- Как правило, размер резьбы клапана быстрого выхлопа для соединения с пневмораспределителем соответствует размеру резьбы распределителя. Размер проходных сечений отверстий для присоединения к цилиндру и для выхода в атмо- сферу, а также проходные сечения внутри клапана быстрого выхлопа обычно делают на одну-две ступени выше (в 1,5—2 раза больше) для уменьшения сопро- тивления потоку воздуха, выходящего в атмосферу. Соответственно длина трубо- провода, соединяющего клапан с опорожняемой полостью, должна быть мини- мальной. На рис. 4.12, б изображена конструкция клапана быстрого выхлопа : за- щемленной мембраной. Отверстие А служит для соединения с распределителем, отверстие Б — с цилиндром, а ряд сверлений В — для выхода воздуха в атмо- сферу. В этой конструкции не предусмотрена возможность присоединения глу- шителя. В некоторых случаях применение глушителей является обязательным, и тогда необходимо применять клапаны быстрого выхлопа, конструкция которых обеспечивает резьбовое присоединение глушителя к атмосферному отверстию (рис. 4.13). Сжатый воздух от распределителя подводится к отверстию А корпуса 2. Под давлением сжатого воздуха перемещается н прижимается летающая мем- брана 3 к атмосферному каналу В крышки /, сообщая полость цилиндра через отверстие Б с распределителем. При снятии давления мембрана потоком воздуха, выходящего из полости цилиндра, отбрасывается вниз и воздух через канал В и глушитель выходит в атмосферу. 4.4. ПНЕВМОКЛАПАНЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Пневмоклапан последовательности предназначен для контроля рабочего цикла по давлению (разности давлений) в пневматических системах управления путем выдачи пневматического сигнала при возрастании контролируемого давления (разности давлений) до заданной величины. Такие пневмоклапаны применяют также для переключения пневматически управляемых узлов в системах в тех слу- чаях, когда нельзя использовать для этой цели конечные выключатели (напри- мер, при переменной длине хода поршня). На рис. 4.14, а приведена конструкция активного клапана последователь- ности типа В62-21. Чтобы избежать ложного сигнала до начала и в процессе дви- жения поршня цилиндра, предусмотрен дифференциальный поршень /, полости которого сообщаются с напорной (отверстие //н) и выхлопной (отверстие Ца) полостями цилиндра. Так как до начала движения и в процессе движения порш- ня цилиндра разность давлений в его полостях меньше, чем после окончания хода, дифференциальный поршень 1 надежно удерживается в верхнем положении пружиной 2, настраиваемой с помощью винта 3, и давлением в выхлопной по- лости, действующим на большую площадь поршня /. После прихода поршня цилиндра в крайнее положение и его останова дав- ление в напорной полости становится равным давлению в магистрали, а в выхлоп- ной полости — атмосферному. Вследствие этого поршень 1, преодолевая действие 89
Рис. 4.14. Активный (а) и пассивный (б) клапаны последовательности пружины 2, перемещается вниз и через толкатель 4 перемещает клапан 5, тем самым соединяя его выход 0 с каналом питания П. На выходе образуется пнев- матический сигнал, который может использоваться либо для реверсирования этого же пневмоцилиндра, либо для управления работой других элементов схемы. После реверсирования пневмоцилиндра поршень / под действием пружины 2 и разности давлений в полостях перемещается вверх, и выход сообщается с ат- мосферой через отверстие А. Пневмоклапан последовательности пассивного типа изображен на рис. 4.14, б. В положении, показанном на рисунке, конический клапан 4 уси- лием пружины / прижат к седлу. Выходное отверстие Б сообщается с атмосферой через отверстие А. Когда усилие от давления сжатого воздуха, подведенного к каналу Г, на площадь конического клапана преодолеет усилие пружины /, клапан оторвется , от седла, и давление начнет действовать на большую площадь, так как выходу воздуха из полости В препятствует пружина 6, при- жимающая втулку 5 к поверх- ности клапана 3. Вследствие этого обеспечивается быстрый и четкий прижим уплотнения 2 к седлу, и отверстие Б отсе- Рис. 4.15. Схема автоматического управления цилиндром с использо- ванием клапанов последовательно- сти 90
кается от атмосферы. Под действием давления в полости В втулка опускается, и сжатый воздух проходит к отверстию Б. На рис. 4.15 показан пример схемы управления цилиндром с использова- нием клапанов последовательности. 4.5. ЛОГИЧЕСКИЕ ПНЕВМОКЛАПАНЫ Логический клапан ИЛИ предназначен для выдачи выходного пневматического сигнала при подаче одного или двух входных сигналов. Логический клапан И предназначен для выдачи входного пневматического сигнала только при наличии двух входных сигналов. В промышленности нашли применение пневмоклапаны с распределительными элементами шарикового, клапанного, золотникового и мембранного типов. На рис. 4.16, а показана конструкция пневмоклапана ИЛИ с шариковым рас- пределительным элементом, выполненным нз резины. При подаче сжатого воздуха к отверстию В, шарик прижимается к седлу, отсекая отверстие А от выхода (от- верстия 5), который сообщается с пневмолннией В, находящейся под давлением. При подаче сжатого воздуха к отверстию А и сообщении отверстия В с атмо- сферой шарик займет правое крайнее положение, отсекая атмосферу, а сжатый воздух пройдет к отверстию Б. На рис. 4.16, б показан пневмоклапан ИЛИ с клапанным распределитель- ным элементом, а на рис. 4.16, в с золотниковым. На рис. 4.17 показан пневмоклапан И с клапанным распределительным элементом. При подаче сжатого воздуха к отверстию А и сообщении отверстия В с атмосферой сжатый воздух не может пройти к выходному отверстию Б, так как распределительный элемент отсекает его от давления. То же самое произойдет при подаче давления к отверстию В и сообщении отверстия А с атмосферой. При подаче сжатого воздуха к отверстиям А и В поток сжатого воздуха пройдет к выходному отверстию Б, так как распределительный элемент выполнен таким образом, что он не может одновременно перекрыть выход от входных отверстий А и В. 91
a) Рис. 4.18. Пневмоклапаны выдержки вре- мени с регулируемой емкостью (а) и с регулируемым дросселем (б) 4.6. ПНЕВМОКЛАПАНЫ ВЫДЕРЖКИ ВРЕМЕНИ Пневмоклапаны выдержки времени предназначены для изменения направ- ления или пуска и останова потока сжатого воздуха через заданный про- межуток времени после подачи управ- ляющего сигнала. Современные кон- струкции таких пневмоклапанов со- держат инерционное звено, состоящее из пневмоемкости и пневмодросселя, пневмоклапан последовательности и пиевмораспределитель, встроенные в корпус. Имеются конструкции, в ко- торых пневмоклапан последователь- ности или распределитель отсутствует. Инерционное звено позволяет ре- гулировать темп изменения давления путем настройки проходного сечения дросселя или объема пневмоемкости. Пневмоклапан последовательности по достижении заданного уровня давления в емкости формирует дискретный пневматический сигнал, который используется для переключения распределителя или как выходной сигнал устройства. На рис. 4.18, а представлен клапан выдержки времени конструкции ЗИЛа. , Сигнал управления подается к отверстию А. Под действием давления сжатого воздуха дифференциальный золотник 2 пятилинейного распределителя переме- щается вправо, изменяя направление проходящих через него потоков воздуха, что соответствует началу отсчета времени. Сжатый воздух проходит через отвер- стие малого диаметра в детали I и заполняет емкость Б. Так как площадь правого торца золотника 2 больше площади левого торца, возрастание давления в ем- кости Б приводит к переключению золотника в исходное положение и выдаче в систему сигнала об окончании времени выдержки. Время выдержки настраи- вается изменением объема емкости Б, определяемого положением поршня 3. Пневмоклапан выдержки времени конструкции ЭНИМС показан на рис. 4.18, б. Пневматический входной сигнал подается к отверстию У, располо- женному в плите 1, поступает в полость б и проходит по каналу Г к мембране 9. Под давлением сжатого воздуха мембрана 9 прижимается к седлу корпуса 8 и закрывает выход в атмосферу. Одновременно сжатый воздух через металло- керамический фильтр 4 и дроссель 7 поступает в надпоршневую полость в. В на- чальный момент давление под поршнем 6 превышает давление над ним вследствие 92
потери давления на дросселе 7. При увеличении давления в полости в над порш- нем до определенного значения поршень 6 начинает движение вниз. Как только клапан 12 отрывается от седла И, подпоршневая полость сообщается с атмосфе- рой, давление в ней резко падает, что обеспечивает быстрое перемещение поршня вниз. При этом связанный с поршнем 6 толкатель 10 закрывает выхлопной канал (центральное отверстие внутри толкателя 10) н перемещает клапан 2, открыв проход сжатому воздуху из отверстия из П к отверстию 0. Время от подачи входного сигнала до момента появления выходного сиг- нала является временем выдержки, которое определяется настройкой дросселя и объемом дополнительной емкости, подсоединяемой к отверстию D. В нижнем положении вкладыш 5 отсекает подпоршневую полость от атмо- сферы, упираясь в седло 11. В этом положении пневмоклапан выдержки оста- ется до момента снятия входного сигнала. При снятии входного сигнала мем- брана 9 отжимается от седла корпуса и сообщает надпоршневую полость с ат- мосферой через отверстие Xj. Под действием пружины 13 и остаточного давления в подпоршневой полости поршень 6 возвращается в исходное положение. Пру- жина 14 и давление возвращают клапан 2 в первоначальное положение и при- жимают его к седлу 3. При этом отверстие 0 разобщается с отверстием П и сооб- щается с отверстием А. 4.7. КОНСТРУКЦИЯ и ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СЕРИЙНОЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ПНЕВМОАППАРАТУРЫ Пневмораспределители типа В76-2 представляют собой двухпозиционные трех- линейные клапанные нормально закрытые распределители. По виду привода вы- пускают следующие конструкции. С путевым управлением: В76-21 (с роликом), БВ76-21 (с толкателем), ИВ76-21 (со штифтом), КВ76-21 (с ломающимся рычагом). С ручным управлением: ГВ76-21 и ГВ76-22 (с кнопкой), ДВ76-21 (с ру- кояткой, имеющей два фиксированных положения). С пневматическим управлением: МВ76-21. В пневмораспределителе толкатель 1 при отсутствии воздействия на ро- лик 2 под действием пружины 3 находится в положении, показанном на рис. 4.19. При этом клапан 4 прижимается к седлу усилием пружины 5 и давлением сжатого воздуха. Канал П перекрывается, выход 0 соединяется с атмосферным кана- лом А. При нажатии на ролик 2 толкатель 1 вначале упирается в клапан 4 и от- деляет выход 0 от канала А, а затем при дальнейшем движении открывает клапан 4 от седла и соединяет выход 0 с каналом П. При освобождении ролика 2 подвижные части возвращаются в исходное положение под действием пружин 3 и 5. Штифт 6 служит для ограничения хода рычага. На рис. 4.20 показаны исполнения пневмораспределителей с другими видами управления. В пневмораспределителе исполнения МВ76-21 с пневматическим управлением (см. рис. 4.20, е) на толкатель 1 воздействует поршень 2, переме- щающийся под действием давления сжатого воздуха, подводимого через резь- бовое отверстие в крышке 3. Пневмораспределитель типа ГВ76-22 (рис. 4.21), в отличие от ГВ76-21 имеет присоедини- тельную резьбу в отверстии для выхода в атмосферу и больший условный проход. Техническая характери- стика пневмораспределителей приведена в табл. 4.6 [2], Рис. 4.19. Пневмораспределитель i z 4 5 типа В76-21 ' и 93
Рис. 4.20. Исполнения пиевмораспределигелей типа В76-2 по видам управления: а — с толкателем; б — со штифтом;в — с ломающимся рычагом; г — с кнопкой;^ — с ру- кояткой; с. — с пневматическим управлением Пневмораспределители типа П-ЭПК (клапаны электропневматические) представляют собой трехлинейные двухпозиционные пневмораспределители с электромагнитным управлением. К отверстию П (рис. 4.22) присоединяют линию питания, к отверстию 0— линию потребителя, к отверстию А — атмо- сферную линию. При обесточенной катушке 1 электромагнита якорь-клапан 2 усилием пружин 3 прижимается к седлу 4, перекрывая отверстие П и соединяя 0 отверстие А с 0. При подаче напряжения на катушку 1 якорь-клапан 2, преодолевая усилие пружин 3, подни- мается, перекрывает отвер- стие А и соединяет отверстия /7 и 0. Пневмораспредели- тель имеет специальное ус- тройство 5 для ручного пере- ключения при обесточенной катушке электромагнита. Рис. 4.21. Пиевмораспределитель типа ГВ76-22
Предусмотрены исполнения пневмораспределителей с нормально открытой схемой и для различного напряжения. Техническая характеристика пневмораспределителей типа П-ЭПК Условный проход, мм .............................. 4 Номинальное давление, МПа ................... 1,0 Пропускная способность, Л^( л/мин .... 3 Режим работы..............................Длительный и по- вторно-кратковре- менный Наибольшее число включений, цикл/мин........... 1500 Время срабатывания, с, не более при включении..........................• .... 0,020 при выключении................................. 0,012 Род тока.......................................Постоянный Напряжение, В....................................... 24 Долговечность, цикл ............................. 22,5-10® Maccaf кг, не более................................. 0,6 95
Таблица 4.6 Техническая характеристика пневмораспределителей Параметры Условный проход, мм Номинальное давление, МПа.................. Диапазон давления управления, МПа . . Расход воздуха при дав- лении 0,4 МПа, м3/мии Потеря давления при указанном расходе, не более, МПа .......... Пропускная способ- ность К л/мин . . . Наибольшее допускае- мое число включений, цикл/мин ............ Усилие, необходимое для открытия клапана при номинальном дав- лении, Н, не более . . Долговечность, цикл Масса, кг.............. 8 0,63 0,25 0,03 10 30 1 • 10е 0,16 Пневмораспределитель типа В74-21. Сжатый воздух подводится к присоеди- нительному отверстию П (рис. 4.23) и поступает под плоский золотник /, который вместе с плунжером 2 может занимать одно из двух крайних положений. Одно положение обеспечивается воздействием усилия на ролик 3, а другое после сня- тия усилия с ролика — подачей в отверстие У пневматического сигнала, воз- действующего на плунжер 2. В левом крайнем положении золотника отверстие Цг сообщается с отверстием П подвода сжатого воздуха, а отверстие Ц2 — с атмо- сферным отверстием А; в правом крайнем положении сообщаются отверстия Ц2 с П, а Цг — с А. Техническая характеристика пневмораспределителя типа В74-21 [2] Условный проход, мм .................................. Давление, МПа: номинальное ...................................... минимальное ...................................... Диапазон давления управления, МПа .................... Расход воздуха при давлении 0,4 МПа, м3/мин........... Потеря давления при указанном расходе, МПа, не более Пропускная способность К , л/мии...................... Утечки воздуха из-под золотника при номинальном давле- нии, не более, см3/мин............................ Наибольшее допустимое число срабатываний, цикл/мин Усилие, необходимое для перемещения ролика при номи- нальном давлении, Н, не более ........................ Долговечность, цикл................................... Масса, кг............................................. 4 0,63 0,25 0,25 — 0,63 0,063 0,015 3,5 21 1 • 10е 0,62 Пневмораспределитель типа В79-11. Сжатый воздух подводится к присоеди- нительному отверстию П в плите 1 (рис. 4.24), попадает в полость а корпуса и далее через дроссель 9 в полость в корпуса. В положении, изображенном на рисунке, клапан 2 перекрывает сопло 10 и вследствие равенства давлений с обеих сторон поршня 3 пружина 4 удерживает поршень с плоским золотником в край- нем правом положении. При этом соединяются отверстия: Ц± и П1г а Ц2 с А. 96
При воздействии на ролик 5 рычаг 6, преодолевая усилие пружины 7, открывает клапан 2. Сжатый воздух из полости в через сопло 10 выходит в атмосферу, дав- ление в полости падает, и поршень 3 с плоским золотником 8 под действием дав- ления с правой стороны перемещается влево. В этом положении золотника со- общаются отверстия: Ц2 с П, а Ц± с А. После прекращения воздействия на ролик клапан 2 перекрывает сопло 10, давление сжатого воздуха с обеих сторон поршня выравнивается, и поршень с золотником под действием пружины 4 воз- вращается в исходное крайнее правое положение. Техническая характеристика пневмораспределитсл.ч типа В79-11 [2 ] Условный проход, мм ................................. 4 Давление, МПа: номинальное....................................................... 0,63 минимальное......................................................... 0,25 Расход воздуха при давлении 0,4 МПа, м3/мин ......................... 0,063 Потеря давления при указанном расходе, МПа, не более .................. 0,025 Пропускная способность, л/мии ....................................... 2 Утечка воздуха из-под золотинка при номинальном давлении, см’/мин, не бо- лее ....................................................................... 100 Наибольшее допустимое число срабатываний, цнкл/мии ........................ 250 Усилие, необходимое для перемещения ролика при номинальном давлении, Н, не более................................................................ 2 Долговечность, цикл....................................................... 1 • 10е Масса, кг............................................................... 0,66 Пневмораспределители типов 4152550100 и 4152550101 представляют собой пятилинейные распределители с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями с двусторонним (рис. 4.25) и односторонним (рис. 4.26) пиевмо- управлением. Распределители имеют пять отверстий 1, 2, 3, 4 и 5 для присо- единения внешних линий и отверстия 12 и 14 для присоединения линий управ- ления. Все резьбовые присоединительные отверстия выполнены в монтажной плите, на которой устанавливается распределитель, уплотняемый с плитой Со- образными кольцами. Распределитель содержит золотник с набором уплотнений и втулок, размещенных в корпусе, закрытом крышками или управляющими уст- ройствами в виде цилиндра с поршнем. Сжатый воздух подводится к отверстию /. 4 Е. В. Герц и др. 97
98
Таблица 4.7 Техническая характеристика распределителей типов 4152550100 и 4152550101 Параметр 4152550... ...100—01 ...100 — 03 ...101 — 01 ...101 — 03 Условный проход, мм Присоединительная резьба по ГОСТ 6111—52 Номинальное давление, МПа Рабочее давление минимальное, МПа Вид управления 12 К 3/8" 0,( Двустс 16 К 1/2" 0, )5 роииее 12 К 3/8" 10 0 Одиост 16 К 1/2" 25 ороииее Давление управления минимальное, МПа Пропускная способность Kv: м3/ч л/мии Время срабатывания, с; включения выключения Наибольшая допускаемая частота вклю- чений, вкл/мии Масса, кг 0,25 2,36 I 2,8 40 1 46 0,063 2 3,3 | 3,2 0,1 + 0,6р 2,36 I 2,8 40 | 46 0,125 0,080 )0 3,7 | 3,6 К отверстиям 2 и 4 присоединяются линии, ведущие к исполнительным устрой- ствам, а отверстия 3 и 5 сообщаются с атмосферой. При подаче управляющего сигнала к отверстию 12 соединяются отверстия 1 и 2 (4 и 5). При подаче управляющего сигнала к отверстию 14 соединяются от- верстия 1 и 4 (2 и 3). В распределителях с односторонним управлением исходное положение зо- лотника поддерживается постоянным подпором давления под его торцом; при этом соединены отверстия 1 и 4 (2 и 3). Техническая характеристика распределителей приведена в табл. 4.7, она соответствует ГОСТ 21251—75. Пневмораспределители типов 4152550110 и 4152550111 представляют собой пятилинейные распределители с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями с двусторонним (рис. 4.27) и односторонним (рис. 4.28) электро- пневматическим управлением. Распределители имеют пять отверстий 1, 2, 3, 4 и 5 для присоединения внешних линий. Присоединительные отверстия выпол- 4' 99
££ Д-Д Рис. 4.28. Пмевмораспределнтель типа 41525501'1 йены в монтажной плите, на которую устанавливают распределитель, уплотня- емый с плитой О-образными кольцами. Распределитель содержит золотник с на- бором уплотнений и втулок, размещенных в корпусе, закрытом крышками, или управляющими устройствами в виде цилиндра с поршнем. На распределителе устанавливают управляющие трехлинейные пиевмораспределители с электро- магнитным управлением типа П-ЭПК. Сжатый воздух подводится к отверстию 1. Отверстия 2 и 4 соединяются с ис- полнительными устройствами, отверстия 3 и 5 —с атмосферой. При подаче напряжения на электромагнит, расположенный со стороны отверстия 3, соеди- няются отверстия 1 и 2 (4 и 5). При подаче напряжения на электромагнит, расположенный со стороны отверстия 5, соединяются отверстия 1 и 4 (2 и 3). В распределителях с односторонним управлением исходное положение золотника поддерживается постоянным подпором давления под его торцом, при этом соеди- нены отверстия 1 и 4 (2 и 3). Пневмораспределители можно выполнить с выводом проводов через саль- ник или со штепсельным разъемом. Пневмораспределители с условным проходом 12—20 мм комплектуют плитой с резьбовыми присоединительными отверстиями, а с условным проходом 20 мм — также плитой (рис. 4.29) для стыкового монтажа с цилиндрическими отверсти- ями 1—5, расположенными в шахматном порядке н уплотняемыми О-образными резиновыми кольцами. Техническая характеристика распределителей приведена в табл. 4.8 (ГОСТ 21251—75), параметры электромагнитов — в табл. 4.9. Пиевмораспределители типов В63-1 и ПВ63-1 изготовляют соответственно с резьбовым и стыковым присоединениями. Рис. 4.29. Плита делителей типов и 4152550111-0 6 пневмораспре- 4152550110-06 100
Таблица 4. 8 Техническая характеристика распределителей типов 4152550110 и 4152550111 Параметры 4152550... ...110-03 ...110—06 ...111-03 ...111-06 Условный проход, мм 16 20 16 20 Присоединительная резьба К 1/2" — К 1/2" — (ГОСТ 6111—52) Номинальное давление, МПа 1.0 Рабочее давление минимальное, МПа 0,25 Вид управления Двустороннее Одностороннее Пропускная способность К : м’/ч 2,80 3,15 2,80 3,15 л/мин 46 53 46 53 Время срабатывания, с: включения 0,063 0,100 выключения 0,125 Наибольшая допустимая частота включе- 200 ний, вкл/мин Масса, кг 4,6 4,4 4,5 4,3 Таблица 4.9 Параметры электромагнитов Параметры Значения пара- метров при токе постоян- ном пере- менном Напряжение, В Частота, Гц Мощность, не более 24 12 Вт 220 50 15 В-А Поршень 1 (рис. 4.30 и 4.31) вместе с плоским золотником 2 может заниглать одно из двух крайних поло- жений. Золотник из одного крайнего положения в другое перемещается под давлением сжатого воздуха, подводи- мого поочередно под торцы поршня 1 через отверстие У. В одном из край- них положений золотника сообщаются отверстия: Цг с 77, а Ц« с А, в дру- гом крайнем положении золотника — Цг с А, а Ц2 с П. Распределитель со стыковым при- соединением показан на рис. 4.32. Техническая характеристика распре- делителей приведена в табл. 4.10 [2]. Пиевмораспределители типов В63-2 и ПВ63-2 изготовляют соответственно с резьбовым и стыковым присоединением. Рис. 4.30. Пиевмораспределитель тира В63-11 А А П 101;
и,цг Рис. 4.31. Пневмораспределнтель типа В63-1 Таблица 4 10 Техническая характеристика пневмораспределнтелей типов ВбЗ-1 и ПВ63-1 Параметры 1 1 В63-11 1 В63-13М ПВ63-13М В63-14М ПВ63-14М В63-15М ПВ63-15М Условный проход, мм . . Присоединительная резьба Давление, МПа: номинальное минимальное Диапазон давления управ- ления, МПа ....... Расход воздуха при давле- нии 0,4 МПа, м3/мин . . Потеря давления прн ука- занном расходе, не более, МПа Пропускная способность Kv, л/мин Утечка воздуха из-под зо- лотника при номинальном давлении, не более, см3/мин Время срабатывания при давлении 0,4 МПа, не бо- лее, с Наиб ольшее допустимое чи- сло срабатываний, цикл/мин . . Долговечность, цикл . , Масса, кг 4 К 1/8" 0,2 0,2 — 0.63 0,063 0,015 3,0 200 10е 0,72 12 К 3/8 "1 0,4 20 2,75 | 5 О'1 2.5 16 К 1/2"| 0,63 0,25 0,25 — 0 0,8 0,02 36 00 250 5 10е 3,2 | ,63 3,1 К 3/4 6,3 20 "1 1,6 80 1000 0,2 6,3 Рис. 4.32. Пневмораспределитель типа ПВ63-1 102 Видк
Рнс. 4.33. Пневмораспределитель типа В63-2 При подаче сжатого воздуха к отверстию /7 и соответственно в полость б дифференциальный поршень 1 вместе с плоским золотником 2 займет положе- ние, показанное на рис. 4.33, и соединит отверстия Цл с П, а Ц2 через отверстие А с атмосферой. При подаче сжатого воздуха через отверстие У под торец поршня 1 последний с золотником 2 переместится влево и соединит отверстия: Цг с А, а Ц2 с П. При сообщении отверстия У с атмосферой поршень с золотником под давлением сжатого воздуха, находящегося в полости б, возвратится в исходное положение. Техническая характеристика пневмораспределителей приведена в табл. 4.11 [2]. Пневмораспределители типов БВ64-1 и ПБВ64-1 изготовляют соответственно с резьбовым и стыковым присоединениями. Сжатый воздух подводится (рис. 4.34) через отверстие П к внутренней по- лости а и далее через дроссельные отверстия б поступает в полости в и г под торцы поршня 3. Положение поршня с плоским золотником определяется состо- янием клапанов, управляемых электромагнитами 6 и 1. На рисунке правый электромагнит 6 включен, а левый электромагнит 1 выключен. При включении Рис. 4.84. Пневмораспрсделнтель типа БВ64-1 и ПББ61-'. 103
Таблица 4.11 Техническая характеристика пневмораспределителей типов В63-2 и ПВ63-2 Условный проход, мм . . Присоединительная резьба Давление, МПа: номинальное ............. минимальное . . . . Диапазон давления управ- ления, МПа............... Расход воздуха при давле- нии 0,4 МПа, м8/мнн . . Потеря давления при ука- занном расходе, не более МПа ..................... Пропускная способность ' Kv, л/мин................ Утечка воздуха из-под зо- лотника прн номинальном давлении, не более, сма/мин Время срабатывания прн давлении 0,4 МПа, не бо- лее, с................... Наибольшее допустимое число срабатываний, цикл /мии................ Долговечность, цикл . . . Масса, кг................ 12 К 3/8" | — 0,4 20 | 500 0,1 3,0 I 2,9 I 16 К 1/2" | - 0,63 0,25 0,25-0,63 0,8 0,02 36 250 5-10» 20 К 3/4" | - 1,6 80 1000 0,2 6,5 I 6,3 якорь электромагнита 6 нажимает на стержень 5 клапана управления 4, который отодвигается влево и выпускает в атмосферу из полости г сжатый воздух через отверстие д. Это вызывает уменьшение давления в полости г, перемещение пор- шня 3 с золотником 2 в правое положение и соединение отверстий: Ц1 с П, а Ц2 с А. Поршень 3 кольцевым выступом упирается в резиновый вкладыш 7 и закрывает выход сжатому воздуху через отверстие д в атмосферу в течение всего времени, пока электромагнит включен. При выключении электромагнита клапан 4 возвращается в исходное положение. Если включить левый электро- магнит 1, то аналогичным образом полость в соединится с атмосферой, поршень с золотником переместится влево, соединив отверстия Ц2 с 77, а Ц-i с А. Техническая характеристика распределителей приведена в табл. 4.12 [2]. ‘ Пневмораспределители типов В64-2 и ПВ64-2 изготовляют соответственно с резьбовым и стыковым присоединениями. На рис. 4.35 электромагнит 1 изображен в выключенном положении, по- лость б соединяется с атмосферой. Вследствие наличия результирующей силы, направленной вправо, дифференциальный поршень 2 с золотником 3 занимает правое крайнее положение и соединяет отверстия: Ц± с П, а Ц2 с А. При включении электромагнита 1 его якорь втягивается, открывает клапан 4, сооб- щает полость б с давлением и отсекает выход в атмосферу. Изменяется направле- ние результирующей силы, действующей на поршень, который вместе с золот- ником 3 переместится влево и соединит отверстия: Ц1 с А, а Ц2 с П. Техническая характеристика распределителей приведена в табл. 4.13 [2]. Пневмораспределнтели крановые (ГОСТ 18467—73) представляют собой двух- позиционные четырехлинейные пневмораспределители с плоским поворотным зо- лотником с ручным управлением. Распределители выпускают двух исполнений: с присоединительными отверстиями на торце основания и с присоединительными отверстиями на боковых сторонах основания. Сжатый воздух подается через от- верстие 77 (рис. 4.36) во внутреннюю полость а н по пазу б в золотнике 1 прохо- дит к одному из отверстий Цг или Ц2, другое из них в это время по другому пазу 104
Таблица 412 Техническая характеристика пневмораспределителей типов БВ64-1 и ПБВ64-1 Параметры Условный проход, мм , . Присоединительная резьба Давление, МПа: номинальное ......... минимальное . . . . Расход воздуха прн давле- нии 0,4 МПа, м’/мин . . Потеря давления при ука- занном расходе, МПа, не более ................... Пропускная способность К , л/мин ........ Утечка нз-под золотника при номинальном давлении, м3/м.нн, не более........ Время срабатывания при давлении 0,4 МПа, с, не бо- лее . . ................. Наибольшее допустимое число срабатываний, цикл/мин ................ Напряжение катушки электромагнита, В ... . Потребляемая мощность, Вт ....................... Д' лговечность, никл . . . Масса, кг................. 16 К 1/2" | 0.63 0,25 0,8 500 о,1 -127 -220 -380 20 К 3/4" | - I 1,6 80 1000 0,2 7,6 Рис. 4.35. Пневмораспределитель типа В64-2 и ПВ64«2 105
Таблица 4.13 Техническая характеристика пиевмораспределителей типов В64-2 и ПВ64-2 Параметры j В64-23М 1 В64- м j ПВ64-24М В64-25М ПВ64-25М Условный проход, мм . . Присоединительная резьба 12 К 3/8" | - К 1/2" 6 20 К 3/4" | - Давление, МПа: номинальное минимальное .... Расход воздуха при давле- нии 0,4 МПа, м3/мин . . Потеря давления при ука- занном расходе, МПа, не более Пропускная способность Kv, л/мин Утечка воздуха из-под зо- лотника при номинальном давлении, ие более, см3/мин Время срабатывания при давлении 0,4 МПа, не бо- лее, с Наибольшее допустимое число срабатываний, цикл/мин Напряжение катушки электромагнита, В . . . . Потребляемая мощность, Вт Долговечность, цикл . . . Масса, кг 0,63 0,25 0,4 | 0,8 0,02 20 36 500 0,1 80 — 127 -220 -380 45 3- 10е 3,5 | 3,7 | 4,25 | 3,7 1,6 80 1000 0,2 7,1 Таблица 4 /4 Техническая характеристика крановых распределителей Параметры 08—11, 08—21 12—11, 12 — 21 16—11, 16—21 Условный проход, мм 8 12 16 Присоединительная резьба К 1/4" К 3/8" К 1/2" Номинальное давление, МПа 1,0 Расход воздуха при давлении 0,4 МПа, м3/мии Потеря давления при указанном расходе, МПа, не 0,2j 0.63 1,0 более ... 0,02 Пропускная способность л/мин, не менее Утечка воздуха из-под золотника при номинальном 10 25 40 давлении, ие более, см3/мии Усилие переключения при номинальном давлении, 350 500 500 ие более, Н . . 30 Долговечность, цикл 9.J0» в золотнике сообщается с атмосферой через отверстие Д. Золотник поворачивают рукояткой 2. Техническая характеристика приведена в табл. 4.14. Пиевмораспределители крановые последовательного включения типа В71-33 представляют собой трехпозиционные шестилинейные распределители с ручным управлением. Сжатый воздух подводится через отверстие П (рис. 4.37) к вну- тренней полости крана. Плоский поворотный золотник 3 прижимается к зеркалу крышки давлением сжатого воздуха и пружиной 4. Золотник 3 поворачивается 106
Рис. 4.36, Пневмораспределитель крановый по’ГОСТ 18467 — 73 с помощью валика 5 и рукоятки 6, имеющих три фиксированных положения, которые обеспечивают сообщение отверстий Ц^, Ц2, Ц3 и с И или с атмо- сферным отверстием А в порядке, указанном на рис. 4.37. Такие распределители служат для изменения направления потоков сжатого воздуха в пневмоприводах и могут быть использованы для управления последо- вательной работой двух пневмоцилиндров двустороннего действия. Техническая характеристика кранового распределителя типа В71-33 [2 ] Условный проход, мм...................................... 12 Присоединительная резьба ................................ К 3/8" Номинальное давление, МПа ............................... 0,63 Расход воздуха прн давлении 0,4 МПа, м3/мнн.............. 0,4 Потеря давления при указанном расходе, МПа, не более . . 0,02 Пропускная способность К , л/мин......................... 14 Утечка воздуха из-под золотника при номинальном давлении, см3/мин, не более........................................... 500 Усилие переключения, Н, ие более............................ 30 Долговечность, цикл...................................... 1 • 1 0* Масса, кг ................................................... 2,5 Пневмораспределитель крановый (переключатель многопозиционный) типа ППМ. Переключатель представляет собой шестипозиционный восьмилиней- ный распределитель с ручным управлением. Давление питания подается к центральному отверстию корпуса 1 (рис. 4.38) и по каналам в распределителе 2 поступает в одно из шести выходных отверстий. Распределитель 2 поворачивают рукояткой 3, при этом фиксируется в определен- ной позиции с помощью шарика 4 и пружины 5. Уплотнение подвижного соеди- нения обеспечивается плоским золотником 6, который прижимается к плоскости 107
«о чэ Рис.; 4.37. Пневморгспределитель крановый последователь* Рис. 4.38. Пневморзспределители крановые (переключатели многопози- ного включения типа В71-33 ционные) типа ППМ: а — с присоединительной резьбой Мб: б — с присоединительной резь- . . бой К 1/8"; в — условное обозначение 108
корпуса J пружиной 7. Выходные отверстия, кроме того, в которое подводится сжатый воздух в данной позиции, через зазоры между корпусом 1 и распредели- телем 2, распределителем 2 и проставкой 8 и через отверстия в проставке соеди- няются с атмосферой. Техническая характеристика переключателя типа ППМ Условный проход, мм ............................ 4 Максимальное число позиций...................... 6 Число выходов .................................. 6 Давление питания, МПа: номинальное............................... 1,0 минимальное........................... 0,002 Пропускная способность, К , м*/ч .... 0,18 Утечка воздуха, м’/мин, ие более............ 2-Ю-1 Момент переключения, Н-см ............... 63 Долговечность, цикл . .............. 1-10е Масса, кг .................................... 0,36 Пневмораспределители типов П-РОЗ, П-Р515 с пневматическим управлением предназначены для построения центральной (логической) части пневматических систем управления. Пневмораспределители с ручным управлением (пневмокнопки и пневмо- тумблеры) предназначены для ручного ввода в системы управления пневматиче- ских сигналов — кратковременных с помощью пневмокнопок и длительных с помощью пневмотумблеров. Пневмораспределители с механическим управлением предназначены для выдачи пневматического сигнала при достижении подвижным органом объекта управления заданного положения. Указанные пневмораспреде- лители предназначены также для непосредственного управления небольшими по расходу исполнительными механизмами. Номенклатура пневмораспределителей типов П-РОЗ и П-Р515 приведена в табл. 4.15. Распределители типов П-РОЗ и П-Р515 являются частью комплекса устройств миниаппаратуры, объединенных едиными монтажпокоммуникацион- ными параметрами, и предназначены для построения пневматических систем управления. На рис. 4.39 показан трехлинейный пневмораспределитель с односторонним пневматическим управлением типа П-Р03П1-С. Распределительным органом Рис. 4.39. Пневморас- пределитель типа П-Р03П1-С 109
Таблица 4.1 S Номенмятура пневмораспределителей типов П-РОЗ; П-Р515 Пневмораспределители Шифр Условное обозначение по ГОСТ 2.781-68 Трехли- нейные С односторонним пневма- тическим управлением П-Р03П1-С - L Ah N С двусторонним пневмати- ческим управлением П-Р03П2-С - L А С нормальным толкателем П-Р03Р13 С утопленным толкателем П-Р03Р14 (t= С грибовидным толкателем П-Р03Р15 L тА С защищенным толкате- лем П-Р03Р16 С управлением рычагом П-РОЗФ С управлением толкателем П-РОЗМИ С управлением роликом П-Р03М12 АЛ _L С управлением ломающим- ся рычагом П-Р03М13 д А. С бесконтактным управле- нием П-Р03М16 W/xL 1 о- г Пятили- нейные С односторонним пневма- тическим управлением П-Р515П1-С Г//|\ & С двусторонним пневмати- ческим управлением П-Р515П2-С -L.LJ L! а ж НО
Продолжение табл. 4.15 Пневмораспределнтели Шифр Условное обозначение п© ГОСТ 2.781—68 С нормальным толкателем П-Р515Р13 С утопленным толкателем П-Р515Р14 С грибовидным толкателем П-Р515Р15 С защищенным толкателем П-Р515Р16 С управлением рычагом П-Р515Ф Пятили- иейиые С управлением штоком П-Р515МИ С управлением роликом П-Р515М12 “О С управлением ломающим- ся рычагом П-Р515М13 <1 служит цилиндрический золотиик 3 диаметром 8 мм, расположенный в корпусе 4 с зазором 2—6 мкм. В корпусе выполнены кольцевые проточки, с которыми соединены отверстия для подвода и отвода воздуха.В крышке 1 и втулке 2 выпол- нены каналы для управляющего сигнала, а в крышке 5 — канал, соединяющий полость пружины с атмосферой через фильтр 6, который установлен для предо- твращения попадания загрязнений из окружающей среды внутрь распределителя. Каналы в полости управления задросселированы, что позволяет исключить жесткие удары золотника о крышку. Распределитель установлен на унифици- рованной плате 7 (отверстие 10 в данном случае не используется) и уплотняется кольцами 8. Распределитель может работать как в нормально открытом, так и в нормально закрытом режиме. Трехлинейный распределитель с двусторонним пневматическим управлением типа П-Р03П2-С (рис. 4.40) отличается от распределителя с односторонним пне- вматическим управлением наличием устройства удержания золотника в оп- ределенном положении при отсутствии управляющих сигналов. Устройство вклю- чает хвостовик 2, закрепленный в золотнике 1, и эластичное кольцо 3. Сила тре- ния, возникающая из-за предварительного натяга между наружной поверхно- стью хвостовика 2 и внутренней поверхностью кольца 3, удерживает золотник в определенном положении. 111
Рнс. 4.40. Пмевмораспределитель типа П-Р03П2-С Конструкция пятилинейных распределителей с пневматическим управлением типов П-Р515П1-С и П-Р515П2-С аналогична трехлинейным н отличается только числом каналов и проточек в золотнике. Трех- и пятилинейные пиевмораспределители с ручным управлением по- строены на базе распределителей с односторонним пневматическим управлением. На рис. 4.41, а и б показана конструкция трех- и пятилинейной кнопки (рас- пределителя) с нормальным толкателем. Резьбовые отверстия для присоединения гибких трубок выведены на торец платы 1, Другие виды ручного управления (утопленным толкателем, грибовидным толкателем, защищенным толкателем и рычагом) приведены на рис. 4.42, при- чем одни и те же механизмы управления используются для трех- и пятилинейных распределителей. В кнопке с защищенным толкателем (см. рис. 4.42, в) рези- новая мембрана / предохраняет полость нажимного устройства от попадания за- грязнений, что позволяет использовать ее в тяжелых условиях. Для обеспечения четкого функционирования тумблера необходимо обеспе- чить перебег нажимной детали 2 (см. рис. 4.42, а), что достигается соединением последней с золотником через компенсирующее устройство 3. На рис. 4.43 приведена конструкция трехлинейного пневмораспределителя управляемого толкателем /. В конструкции использованы корпус 6, золотник 5, крышка 7 трехлинейного пневмораспределителя с односторонним пневматиче- ским управлением и компенсирующее устройство 4 тумблера, плата 8 пневмо- распределителей с ручным управлением. Оригинальными деталями являются крышка 3 и резиновый защитный колпачок 2, предохраняющий внутренние по- лости распределителя от загрязнений. Компенсирующее устройство 4 обеспе- чивает дополнительный ход толкателя на 1,5 мм. Принцип построения н конструкция трехлинейного и пятплинейного рас- пределителей с механическим управлением аналогичны. Схемы механического управления распределителей представлены на рис. 4.44. На рис. 4.45 показан трехлинейный пиевмораспределнтель с бескон- тактным механическим управлением, для переключения которого, в отличие от 112
Рис. 4.41. Трехлинейные (а) и пятилинейные (б) пиевмораспределители с ручным управ- лением Рис. 4.42. Схемы ручного управления пневмораспределителей. а — утопленным толкателем; б — грибовидным толкателем; в — защищенным толкателем; г — рычагом (тумблер) Рис. 4.43. Пневмораслределнтель типа П-РОЗМН Риг. 4.44. Схемы механического управления рас- пределителей: а — штоком; б — роликом; в — ломающимся ры- чагом из
а 5 д Рнс. 4.45. Пневмораспределитель типа П-Р03М1Б других распределителей с механическим управлением, не требуется непосред- ственного механического контакта под- вижного органа объекта управления с на- жимным механизмом распределителя. Для этой цели служит бесконтактный струйный пневматический конечный вы- ключатель 1, который управляет пнев- мораспределителем с односторонним пнев- матическим управлением и пружинным возвратом. Между конечным выключате- лем и распределителем установлена пли- та 2, через которую проходят толкатель мембранного привода золотника и канал питания выключателя. Все коммуника- ционные каналы выполнены в плате 4, имеющей стыковую плоскость, общую для корпуса 3 и плиты 2. Принцип действия выключателя 1 состоит в следующем. Сжатый воздух подается к питающему соплу а и к прием- ному соплу в. При отсутствии заслонки в пазу б поток воздуха из сопла а про- ходит через паз б, блокирует приемное со- пло в и выход г в атмосферу; давление в полости над мембраной возрастает, и золотник распределителя перемещается вниз. Если же заслонка прерывает поток воздуха от сопла а к соплу в, то воздух из камеры над мембраной выходит в атмо- сферу через канал г и сопло в. Принцип действия струйного выключателя и его конструктивные особенности существенно уменьшают засорение сопла в и позволяют при необходимости про- чищать его без демонтажа и разборки устройства. Конечный выключатель пред- назначен для работы в нормально открытом режиме. Техническая характеристика распределителей приведена в табл. 4.16. Пневмоклапаны обратные типа В51-1 и по ГОСТ 21324—75. В обратном кла- пане типа В51-1 клапан 1 (рис. 4.46) усилием слабой пружины 2 прижимается к коническому седлу в штуцере 3. Стык уплотнен резиновым кольцом 4. Сжатый воздух, подводимый к присоединительному отверстию в штуцере 3 преодолевает усилие пружины 2 и, отжимая от седла клапан 1, проходит по его каналам Б к отверстию в корпусе 5. При изменении направления движения потока воз- духа на обратное клапан 1 прижимается к седлу усилием пружины 2, давле- нием сжатого воздуха и перекрывает путь потоку в обратном направлении. Обратные пневмоклапаны по ГОСТ 21324—75 (рис. 4.47) отличаются от клапанов В51-1 тем, что для увеличения пропускной способности направлиющий Рис. 4.46. Обратный пневмоклапан типа В51*1 114
Техническая характеристика пневмораспределителей типов П-РОЗ и П-Р515 aiweod-u 0,25—0,63 0,035 1,1 0.127 * 0,32 ElWSISd-U £IW£0d-U to |<A 1 1 I °! Л. o Io о SlW91Sd-U SIW£0d-U 1 - 1 1 : 0,25 1 0,35 I IWSISd-lI IIW£0d-U 1 16 i 0,22 1 0,32 1 OSISd-LI Феосрц 325 ,3 3- ю6 I 0,26 । 0,35 ггеля. [инейного. 9ldSlSd-LI 9IdS0d-d 0,63 0,04 0,( 1 Ю07 ! 25 1 0,25 0,32 ) ВЫКЛЮЧс е — пятил SldSlSd-H SId£0d-U 2 0 — 0,0 : 0,26 । 0,34 струйногс 1аменател1 HdSISd-U Hd£0d-LI 8 1 0,25 1 । 0,33 ;ез сопло теля, в зь EldSISd-n £Id£0d-U 1 0,25 1 0,33 1схода чер а определи Э-ZUSISd-U Э-ZUEOd-U 14 32 45 ! 10 107 1 _0'24 0,30 нику и рг нейного р Э-IUSISd-U O-IU£0d-U 0, о,1 1,- 10 15 I __ 2 • 0,22 0,28 ! 1 К ПО ЗОЛОТ1 сса трехли Параметры Условный проход, мм . . Давление питания, МПа . . . Минимальное давление управ- ления, МПа Расход воздуха при давлении 0,4 МПа, м3/мин Потеря давления прн расходе воздуха 0,04 м3/мин, МПа, не более Пропускная способность К&, л/мин, не менее Утечки воздуха при давлении 0,4 МПа, м3/мин, не более Время включения, мс, не более Время выключения, мс, не бо- лее Усилие переключения, И, не более Долговечность, цикл .... Масса, кг ** * Приведена сумма утече ** В числителе указана ма 115
Рис» 4.47. Обратный пневмо- клапан по ГОСТ 21324 — 75 хвостовик клапана выполнен в виде цилиндрического хвостовика 1 небольшого диаметра. Центрирование клапана выполняется с помощью хвостовика 1, про- ходящего через проставку 2, имеющую каналы А для прохода воздуха. Технические характеристики обратных пневмоклапанов приведены в табл. 4.17. Пневмоклапаны последовательности типов В62-21 н П-КМ. Конструкция клапана последовательности типа В62-21 описана выше (с.м. рис. 4.14, а). На рис. 4.48 показан клапан последовательности типа ГТ-KM, входящей в в комплекс устройств миниаппаратуры. В исходном положении сжатый воздух подводится к присоединительному отверстию А, которое закрыто клапаном 10. Канал выходного отверстия Б через паз и отверстие в клапане 6 и через паз в кры- шке 4 соединен с атмосферой. Заданное давление срабатывания настраивают вращением винта 3, при этом гайка /, перемещаясь в осевом направлении, изменяет усилие пружины 2. Сжатый воздух под контролируемым давлением подается через канал при- соединительного отверстия в в камеру а, где вследствие разности эффективных площадей мембран создается усилие, которое при достижении заданного дав- ления, преодолевая сопротивление пружины 2, перемещает мембранный узел. Под действием давления сжатого воздуха клапан 10 открывается, и воздух по- ступает в выходной канал, а также, создавая дополнительное усилие на мем- брану 0, обеспечивает скачкообразный эффект включения, при этом выход в ат- мосферу перекрывается уплотнением 5 клапана 6. При использовании клапана Техническая характеристика обратных пневмоклапанов Таблица 4.17 Параметры см ео U5 08-1К 12-1К 16-1К 20-1К 25-1К В51 CQ В51 1 В51 по ГОСТ 21324-75 Условный про- код, мм 8 10 16 20 8 12 16 20 25 Присоединитель- ная резьба Номинальное Давление, МПа К 1/4" К 3/8" 0, К 1/2" 33 К 3/4" К 1/4" К 3/8" К 1/2" 1,0 К 3/4" К 1" Расход воздуха при давлении 0,63 МПа, м’/мия Потеря давле- ния при ука- занном расходе воздуха, МПа, не более 0,36 0 0,58 06 1,16 0 2,3 05 0.4 0,04 0,8 1,6 0, 2,5 03 4,0 Пропускная спо- собность Kv, л/мин Долговечность, ч 7 11 5( 23 00 46 9 20 104 (8 40 । 60 млн. цикл.) 100 Масса, кг 0,13 0,22 0,45 0,5 0,17 0,35 0,33 0,32 0.54 116
последовательности в дифференциальном режиме второй поток сжатого воздуха подается через канал присоединительного отверстия Г в камеру б, при этом из-за разности эффективных площадей мембран 7 и 8 возникает усилие, препятству- ющее включению клапана последовательности. При применении клапана последовательности для контроля по давлению ци- кла работы системы управления сжатый воздух из рабочей и выхлопной полостей цилиндра подводится к присоединительным отверстиям В и Г соответственно. Пневмоклапан последовательности устанавливают на унифицированную плату. Техническая характеристика пневмоклапанов последовательности приведена в табл. 4.18. Техническая характеристика пневмоклапаиов последовательности Таблица 4.18 Параметры В62-21 п-км Условный проход, мм Давление, МПа: 4 2,5 номинальное 0,63 0,63 минимальное . . 0,3 0,14 Колебание давления срабатывания. МПа, не более . . ±0,01 0,008 Расход воздуха при давлении 0,4 .МПа, м8/мии , . . 0.063 0.04 Потеря давления при указанном расходе, МПа . , 0.02 0,02 Пропускная способность, л/мнн Утечка воздуха в выходной канал при номинальном 2.2 1,45 давлении, см’/мин, не более 500 — Долговечность, цикл 10е 3- 10s Масса, кг 1,26 0,22 Пиевмоклапаны ИЛИ типов В67-11 и П-КЧ. На рис. 4.49 показан пневмо- клапан ИЛИ типа В67-11. При подаче пневматического сигнала к отверстию Пг или П2 поршень перемещается в крайнее правое или крайнее левое положение. В этом случае отверстие, которое в данный момент сообщено с атмосферой, пере- крывается, а пневматический сигнал поступает к отверстию 0. Таким образом, 117
о Рис. 4.40. Пневмоклапан ИЛИ типа В67-11 клапан позволяет питать линию, присоединенную к отверстию 0, от двух источ- ников питания. На рис. 4.50 показана конструкция пневмоклапана ИЛИ типа П-КЧ. При подаче сжатого воздуха в одной из двух входных отверстий клапана ИЛИ (на рисунке входные отверстия крайние) клапан с резиновыми кольцами перемеща- ется, закрывая противоположный вход и обеспечивая прохождение сигнала к выходному отверстию (центральное на рисунке) непосредственно или через лыски на наружной цилиндрической поверхности клапана. При наличии одно- временно двух входных сигналов на выход проходит больший по величине сигнал (клапан закрывает входное отверстие со стороны меньшего сигнала), при их равенстве — частично оба (клапан находится в нейтральном состоянии). Техническая характеристика пневмоклапанов ИЛИ приведена в табл. 4.19. Таблица 4.19 Техническая характеристика пневмоклапанов ИЛИ Параметры В67-11 п-кч Условный проход, мм Давление, МПа: 4 2,5 номинальное 0,63 0,63 минимальное 0,25 0,14 Расход воздуха при давлении 0,4 МПа, м8/мин . . . Потеря давления при указанном расходе, МПа, не более 0,032 0,04 0,02 0,025 Пропускная способность Kv, л/мин 1,2 1,3 Долговечность, цикл 10е 2 * 107 Масса, кг 0,16 0.025 Пневмоклапан И типа П-КИ-4/10. На рис. 4.51, а показана конструкция пневмоклапана И резьбового исполнения типа П-КИ-4/10. Клапанный узел со- состоит из двух клапанов, которые своими хвостовиками свободно входят в на- правляющую, имеющую иа наружной поверхности лыски для прохода воздуха. Линейные размеры деталей клапанного узла таковы, что при подаче сжатого воздуха в оба входных канала оба клапана закрыться не смогут. При сбросе дав- ления воздух из выходного канала проходит к входным каналам, при этом клапаны расходятся и упираются в крышки, иа поверхности которых располо- жены пазы для прохода воздуха. На рис. 4.51, б показана конструкция пиевмоклапана И стыкового испол- нения типа П-КИ-4/10-С, который можно комплектовать монтажной плитой 118
S) Рис. 4.51. Пневмоклапан И резьбового исполнения типа П-КИ-4/10 (а) и стыкового ис- полнения типа П-КИ-4/10-С (б) Рис. 4.52. Пневмоклапав выдержки времени типа П-КВВ с резьбовыми присоединительными отверстиями иа нижней плоскости платы (тип П-КИ-4/10-1С) или иа боковых поверхностях (тип П-К.И-4/10-2С). Техническая характеристика приведена в табл. 4.20. 119
Техническая характеристика пневмоклапаиов И Таблица 4.2 0 Таблица 4.2 1 Техническая характеристика пневмоклапаиов выдержки времени Параметры В61-21 П-КВВ-4/10 ПП-КВВ-4/10 Условный проход, мм Давление, МПа: номинальное минимальное Минимальное давление управления, МПа Пропускная способность, л/мин Время выдержки, с Изменение времени выдержки при постоянном давлении на входе (колебания давления не более 0,002 МПа), %, не более Долговечность, цикл Масса, кг 4 0,63 0,25 0,3 1,12 0,5-6 ±2 5- 10s 1,42 4 1,0 0,25 0,25 4 0,5-15 ±2 3 - 10е 0,7/1,0 Пневмоклапаны выдержки времени типов П-КВВ и В61-21. Конструкция пневмоклапана типа П-К.ВВ-4/10 резьбового исполнения показана на рис. 4.52. Пневматический входной сигнал подводится к поршню 1 в левую от мембраны 2 полость и через дроссель 3 (настройка которого определяет время выдержки) в правую полость, которая отсекается от атмосферы поршнем 1. При определе- нном соотношении давления в правой и левой полостях поршень 4, перемещаясь влево, соединяет левую полость с атмосферой, открывает клапан 5, и на выходе появляется сигнал. На базе резьбового исполнения построен клапан выдержки времени стыко- вого исполнения типа ПП-КВВ-4/10. Принципиальная конструкция пневмоклапана выдержки времени типа В61-21 описана выше (см. рис. 4.18, б). Техническая характеристика пневмоклапаиов выдержки времени приведена в табл. 4.21, СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Герц Г. В., Крейннн Г. В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975. 272 с. 2. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. Каталог. М.: 197S. 155 с. (НИИМАШ).
Глава 5 РЕГУЛИРУЮЩАЯ ПНЕВМОАППАРАТУРА Регулирующая пневмоаппаратура предназначена для изменения давления и расхода сжатого воздуха путем регулирования величины открытия проходного сечения. К этой группе пневмоаппаратуры относятся: пневмодроссели, редукци- онные и предохранительные пневмоклапаны. 5.1. ПНЕВМОДРОССЕЛИ Пневмодроссели предназначены для изменения расхода путем создания местного гидравлического сопротивления потоку сжатого воздуха. Различают дроссели постоянные (нерегулируемые), сопротивление которых (величина проходного сечения, форма или длина канала) не может быть изменено в процессе эксплуата- ции, и переменные (регулируемые), сопротивление которых можно изменять настройкой. Дроссели используют главным образом для регулирования скорости пневмодвигателей и скорости заполнения или опорожнения емкостей в целях создания временных задержек. Дроссели обычно выполняют в виде отдельных регулируемых устройств и часто снабжают обратным клапаном, устанавливаемым параллельно дроссе- лирующему узлу. В последнем случае эти устройства называют дросселями с об- ратным клапаном; они дросселируют поток воздуха только в одном направлении, а поток воздуха противоположного направления пропускают с небольшим сопро- тивлением, создаваемым обратным клапаном. Разновидностью пневмодросселей являются выхлопные дроссели, характер- ная особенность которых заключается в том, что их ввертывают непосредственно в присоединительное отверстие распределителя, из которого воздух выходит в атмосферу. Выходное отверстие выхлопного дросселя может быть без присоеди- нительной резьбы или с резьбой для ввертывания глушителя. При этом полость между дросселирующим узлом и резьбой под глушитель в выхлопном дросселе может быть негерметичной. Регулируемые дроссели применяют с ручным и механическим управлением. В дросселях с ручным управлением расход воздуха (сопротивление дросселя) устанавливают в период наладки оборудования и он остается неизменным при рабочем цикле. В дросселях с механическим управлением (называемых также тормозными дросселями) расход воздуха зависит от величины перемещения уп- равляющего элемента (штока, ролика), определяемого обычно профилем копира или кулачка, установленного на выходном звеие пневмодвигателя, или на под- вижной части автоматизируемого объекта. Таким образом, выбирая необходи- мый профиль копира, можно изменять сопротивление пневмодросселя на всей длине перемещения выходного звена пневмодвигателя (например, штока цилин- дра), обеспечивая заданный закон движения, т. е. требуемую зависимость между скоростью и перемещением выходного звена. Нерегулируемые дроссели, как правило, являются частью других устройств. Когда необходимо точно обеспечить заданную величину сопротивления, дроссели 121
Рис. 5.1. Пневмодроссели без обратного (а) и с обратным (б) клапанами выполняют в виде калиброванных отверстий в деталях простой формы типа вту- лок или шайб, которые при необходимости можно легко заменить. В пневмоавтоматике, использующей устройства малых проходных сечений (Оу < 2 мм), широко применяют цилиндрические и щелевые дроссели. Первые из них имеют канал цилиндрической формы и, как правило, не регулируются. Под щелевыми дросселями понимают переменные дроссели, канал которых об- разован двумя концентрически расположенными цилиндрическими или кониче- скими поверхностями. Их называют соответственно щелевыми цилиндрическими или щелевыми коническими дросселями. В приводах применяют также дроссели типа конус—отверстие, шарик —от- верстие и др. На рис. 5.1, а представлена типичная конструкция дросселя, а на рис. 5.1, б— дросселя с обратным клапаном, причем конструктивно обратный клапан и дрос- селирующий элемент совмещены. Для обеспечения плавности и точности регули- рования игла дросселя имеет угол конуса 10—15°, резьбу выполняют с мелким Рис. 5.1, Тормозной пневмодроссель шагом и соосно с дросселирующим от- верстием. На рис. 5.2 показана конструкция тормозного дросселя. Принцип работы дросселя при торможении цилиндра за- ключается в следующем. Отверстия А и Б сообщаются соответственно с по- лостью цилиндра и с распределителем. При ненажатом ролике (как показано на рисунке) воздух из выхлопной по- лости цилиндра свободно проходит через зазор между проточкой золотника 1 и втулкой 4. При нажатии на ролик этот путь перекрывается и воздух проходит к распределителю через только дрос- сель 3. При противоположном направле- нии потока воздуха открывается обрат- ный клапан 2. Основными параметрами дросселя являются расходная и настроечная харак- теристики. Расходной характеристикой дросселя называют зависимость между 122
расходом сжатого воздуха через дроссель и соотношением давлений до дросселя и после него. Расходная характеристика дросселей, как и других пневматических устройств, существенно зависит от режима течения — ламинарного или турбу- лентного. Ламинарный режим характеризуется прямолинейностью траекторий частиц жидкости, которая может существовать лишь на достаточном удалении от входного сечения; ламинарный режим имеет место при малых значениях числа Рейнольдса Re < Rerp. При турбулентном режиме движение частиц имеет не- упорядоченный характер и Re> Rerp. Число Рейнольдса можно определить по формуле Re = 4ггшр'т]д, гДе гг — гидравлический радиус сечения канала (отношение площади попереч- ного сечения к его периметру); w — средняя по сечению канала скорость течения сжатого воздуха; р — его плотность; г|д — коэффициент динамической вязкости, определяемый по диаграмме (рис. 5.3, а). Формулы для определения г и w, а также коэффициента сопротивления £тр для ламинарного режима течения воздуха через дроссели с различной формой сечения канала приведены в табл. 5.1 [1], где I — длина канала дросселя; 6, Ь и h — указаны на чертежах. Расход воздуха через щелевой конический дроссель с малым углом конуса можно определить по формулам для щелевого цилиндрического дросселя, если вместо D использовать среднее и по длине значение среднего диаметра щели. Массовый расход G можно получить умножением объемного расхода Q на плотность сжатого воздуха при среднем давлении, определяемом как рСР = = р2 + Ар/2, где р2 — давление на выходе из дросселя. При равных площадях проходного сечения отношение массовых расходов Сщ 26 через щелевой цилиндрический и через цилиндрический дроссели -д— ~ -дд- [3]. Так как обычно D 2> 6, то практически расход через цилиндрический дрос- сель может быть в десятки раз больше, чем через щелевой дроссель. Засоряемость щелевых дросселей при этом больше, чем засоряемость цилиндрических, так как поперечный размер проходного сечения (щели, имеющей большой периметр) меньше. Это относится к дросселям типов конус—отверстие, шарик—отверстие и другим с аналогичной формой проходного сечения. Применение дросселей с ма- лыми проходными сечениями требует тщательной очистки воздуха не только от твердых загрязнений, но и от влаги. Из условия обеспечения постоянства расходной характеристики во времени, по данным харьковского завода ОКБ «Теплоавтомат»,целесообразно применять по- стоянные дроссели с поперечным размером канала не менее 0,3—0,4 мм. 123
Параметры ламинарного течения воздуха в прямом осесимметричном канале 124
Переменные дроссели могут иметь каналы меньших поперечных размеров так как их можно поднастраивать и прочищать перемещением подвижного эле- мента без разборки. Особенностью щелевых дросселей является^ более высокий, чем у цилиндри- ческих дросселей, граничный перепад давления АрГР, при котором в дросселе происходит переход ламинарного режима течения в турбулентный. В этом со- стоит одно из преимуществ щелевых дросселей, когда требуется получить лами- нарный режим при сравнительно высоком значении Ар. Для турбулентного режима течение воздуха по гладким каналам [1] сред- няя по сечению скорость w = Q/f, где Q — объемный расход воздуха; f — пло- щадь поперечного сечения; потеря давления где гг — гидравлический радиус (см. табл. 5.1). Коэффициент сопротивления £ТР, характеризующий потери на трение при движении жидкости, при Rerp <С Re < 105 определяют по формуле Блазиуса £тр =0,314 Re'0’25, а при 105 <Re < 108 по формуле Никурадзе £тр = 0,00332 + 0,221 Re'0,237 ; полный коэффициент сопротивления дросселя , . £ = + ^TTpl/d, где £вх — коэффициент местных потерь на входе в дроссель, определяемый по графикам (рис. 5.4); d — диаметр канала. Массовый расход воздуха определяется по приближенным формулам для докритического истечения г *\ 1 2 125
Рис. 5.5. Расчетные схемы регулируемых дросселей: а — щелевого цилиндрического; б — щелевого конического и для надкритического истечения г ° ]^RT2 ’ где [I — коэффициент расхода воздуха, определяемый из выражения р = = 1/К1 + $ или по графику (рис. 5.3, б); f — площадь поперечного сечения ка- нала дросселя; pj и р2 — абсолютное давление воздуха на входе и выходе дрос- селя; R— газовая постоянная; Т2— температура воздуха на выходе из дрос- селя. Граничное число Rerp для каналов круглого и прямоугольного сечений различных размеров лежит в пределах 800—1200 (уменьшается с уменьшением размера сечения) [1], а для щелевых цилиндрических и щелевых конических — 1100 [2, 3]. Для дросселей с ламинарным течением воздуха характерны небольшие размеры поперечного сечения, большая длина каналов (lid > 10) и докритические перепады давления. При большом значении lid и малом Re преобладающее зна- чение имеют потери на трение в канале дросселя, а сопротивлением на входе в канал можно пренебречь и считать t, = £тр. К таким типам дросселей можно отнести щелевые цилиндрические, щелевые конические, цилиндрические дрос- сели (капилляры), дроссели с винтовыми каналами и др. Дроссели с турбулентным течением воздуха имеют относительно большой раз- мер сечения канала при его малой длине. Поэтому преобладающее значение имеет сопротивление на входе в канал, т. е. можно принять $ = $вх. К этим дросселям можно отнести дроссели типа конус—отверстие, шарик—отверстие, отверстия с малым значением lid и др. Настроечная характеристика дросселя представляет собой зависимость расхода от перемещения дросселирующего элемента. Настроечная характеристика щелевого цилиндрического дросселя (рис. 5.5, a) G—C^l, где Сх =——— Др— коэффициент пропорциональ- 12т1д иости. Настроечная характеристика щелевого конического дросселя [3] с малым , - - л „ s3 _ лОра3 . „ углом конуса (рис. 5.5, о) G = С2 , где С2 = —— Др; и — сред- не—s 1д11д иее значение среднего диаметра щели; а — угол наклона образующей к оси конуса, s и 10 — указаны на чертеже. Для дросселей типа конус—отверстие настроечная характеристика имеет вид G = С3 (Do — s cos a sin a) s, где Do — диаметр отверстия; С3 = рл sin а х । / До _ . Pi X у RT~ДЛЯ докРитического режима и С3 = рл sm a для над- критического режима истечения через дроссель. Характеристики пневматических дросселей различных типов подробно рас- смотрены в работах [1, 2, 3]. 126
5.2. РЕДУКЦИОННЫЕ ПНЕВМОКЛАПАНЫ Применяемые в пневмоприводах редукционные пневмоклапаны (регуляторы дав- ления), различают по следующим основным признакам: по типу нагрузочного элемента (пружина, давление — с управлением от вспомогательного регулятора); по степени разгружеиности редуцирующего клапана (со сбалансированной и не- сбалансированной площадью клапана); по возможности сброса избыточного вы- ходного давления воздуха (с клапаном сброса и без клапана сброса); по виду уплотнения редуцирующего клапана по седлу (с эластичным уплотнением, с ме- таллическими уплотняющими поверхностями); по типу чувствительного элемента (мембранные и поршневые). Схемы редукционных пневмоклапаиов основных типов приведены на рис. 5.6. При выборе типа редукционного клапана следует учитывать давление воз- духа в сети, необходимый диапазон регулирования выходного давления воздуха и его допустимые колебания; диапазон изменения расхода воздуха; возможность превышения давления воздуха сверх заданного и необходимость перенастройки с большего давления на меньшее путем сброса сжатого воздуха через редукцион- ный пневмоклапан; необходимость дистанционного управления. Наибольшее применение получили редукционные пневмоклапаны с пружин- ным нагрузочным элементом. Так как с увеличением условного прохода размер редукционных пневмоклапаиов, площадь чувствительного элемента, а следо- вательно, и усилие пружины возрастают, пружинные редукционные пиевмокла- паны с условным проходом более 25 мм применяют редко. Увеличение усилия, а следовательно, и жесткости пружины (при сохранении приемлемого размера), отрицательно влияет на точность редукционного клапана. Это объясняется тем, что при изменении параметров потока воздуха на входе или выходе редукцион- ного клапана (по сравнению с теми, которые были в момент настройки) чувстви- тельный элемент, реагируя на изменение, обеспечивает соответствующее пере- мещение редукцирующего клапана. При этом изменяется длина пружины и, следовательно, в новом установившемся состоянии усилие, развиваемое пружиной, будет отличаться от усилия в условиях настройки на величину, определяемую ходом редуцирующего клапана и жесткостью пружины, что вызовет соответству- ющее изменение выходных параметров потока воздуха. Редукционные пневмоклапаны с нагрузкой давлением сжатого воздуха (при дистанционном управлении от вспомогательного редукционного клапана малого условного прохода) имеют условные проходы 16— 40 мм и более, и обе- спечивают лучшую стабилизацию давления, чем клапаны с пружинным нагру- зочным элементом. Редукционные клапаны с несбалансированным редуцирующим клапаном наиболее просты и их применяют при относительно постоянном давлении в воз- душной сети или при сравнительно невысоких требованиях к точности стабили- зации выходного давления. Редукционные клапаны со сбалансированным реду- Рис. 5.6. Схемы редукционных клапанов основных типов: а — с пружинной нагрузкой, с несбалансированной площадью клапана, без клапана сброса; б — с пружинной нагрузкой, с несбалансированной площадью клапана, с кла- паном сброса; в — с пружинной нагрузкой, со сбалансированной площадью клапана, с клапаном сброса; г — с нагрузкой давлением сжатого воздуха;со сбалансированной пло- щадью клапана, с клапаном сброса 127
Рем, МПа Рис. 5.7. Регулировочные характеристики редукционного клапана при различном давлении настройки и расхода Рис. 5.8. Расходные характеристики редукционного клапана цирующим клапаном обеспечивают большую (в сравнении с указанными выше клапанами) точность поддержания выходного давления при изменении входного давления сжатого воздуха. Показателями точности редукционных пневмоклапанов являются изменение выходного давления при изменении входного давления сжатого воздуха (регули- ровочная характеристика) и изменение выходного давления при изменении рас- хода воздуха через пневмоклапан (расходная характеристика). Типичные регулировочные характеристики приведены на рис. 5.7, расходные характеристики — на рис. 5.8. 5.3. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ ПНЕВМОКЛАПАНЫ Превышение давления в пневмосети выше допустимого может нарушить нор- мальную работу пневмоприводов и систем управления или привести к аварии. Обычно пневмосеть предприятий предохраняют путем установки необходимых устройств на компрессорных станциях, однако в ряде случаев это требуется и на отдельных участках сети. Устройство, открывающееся для сброса сжатого воздуха в атмосферу при превышении установленного давления воздуха и закрывающееся при восстанов- лении его до величины, близкой к заданной, называется предохранительным кла- паном. Принцип действия клапана основан на уровновешивании усилием пру- жины (или весом груза) давления воздуха, действующего на запорно-чувствитель- ный элемент. Применяемые в пневмосистемах предохранительные клапаны различают по следующим основным признакам: по виду нагрузочного элемента — пружин- ного типа и грузового типа; по исполнению запорно-чувствительного элемента — с шариковым, коническим, плоским, мембранным элементом; по характеру уп- равления открытием клапана для сброса избыточного давления воздуха—клапаны прямого действия, в которых запорный элемент выполняет также роль чувстви- тельного элемента, и клапаны с сервоуправлением, в которых основной клапан открывается по сигналу от вспомогательного клапана, воспринимающего давление в пневмосистеме. Принято также подразделять предохранительные клапаны по высоте подъ- ема запорного элемента и ряду других конструктивных признаков. В промышлен- ных пиевмосистемах нашли применение предохранительные клапананы пря- 128
0) Рис. 5.9. Предохранительные клапаны: а — с плоским запорным элементом н эластичным уплотнением; б —t с коническим запор- ным элементом н металлическими уплотняющими поверхностями; в — со сферическим за- порным элементом; г — с мембранным запорным элементом мого действия пружинного типа (здесь не рассматриваются предохранительные клапаны для компрессорных установок) с условным проходом до 25 мм. На рис. 5.9, а изображен предохранительный клапан с плоским запорно- чувствительным элементом, имеющим эластичное уплотнение 4. нагру- женным пружиной 2. Когда давление воздуха в системе достигает пре- дельного значения, запорно-чувствительный элемент отрывается от седла, и воздух выпускается через отверстие А в колпачковой гайке 1. При понижении давления воздуха в системе пружина прижимает клапан к седлу. Регулируют давление в системе гайкой 1, которую затем стопорят контргайкой 3. Конструкция предохранительного клапана, изображенного на рис. 5.9, б, отличается от предыдущей только конической формой запорно-чувствительного элемента 1 и отсутствием эластичного уплотнения. Для обеспечения надежного уплотнения элемент 1 направляется по цилиндрической поверхности в корпусе 2. Элемент 1 изготовлен из коррозионно-стойкой стали, а корпус 2 — из бронзы. На рис. 5.9, в показан предохранительный клапан со сферическим запорным элементом — стальным шариком 5, центрируемым с помощью штампованного поршня 4. Заданное давление воздуха в системе настраивают с помощью разрез- ной гайки 2, которую стопорят винтом 1. В предохранительном клапане с мембранным запорно-чувствительным эле- ментом (рис. 5.9, е) сжатый воздух подводится в полость Б под мембраной 3. При достижении заданного давления воздуха пружина 2, усилие которой настра- ивают с помощью винта /.сжимается, мембрана отрывается от седла, и сжатый воздух через отверстие А сбрасывается в атмосферу. К предохранительным клапанам предъявляются следующие основные тре- бования [4]. 1. При достижении предельного давления воздуха клапан должен безот- казно открываться. 2. В открытом состоянии клапан, при установленном давлении воздуха должен обеспечивать сброс сжатого воздуха в количестве, равном производитель- ности источника питания. 3. Клапан должен закрываться прн давлении воздуха, минимально отлича- ющемся от рабочего. 5 Е. В. Герц н др. 129
4. В закрытом состоянии клапана утечка воздуха должна быть мини- мальной. Высокая надежность срабатывания является обязательным условием при оценке пригодности предохранительного клапана. Величину настройки предохранительного клапана устанавливают в соответ- ствии с правилами [5] на максимальное избыточное давление для сосудов: при рабочем давлении до 0,3 МПа ртах < р + 0,05 МПа; свыше 0,3 до 6 МПа ршах С С 1,15р; при рабочем давлении свыше 6 МПа ртах с 1,1 р. 5.4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРИЙНОЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ПНЕВМОАППАРАТУРЫ Редукционные пиевмоклапаны. На рис. 5.10 представлен редукционный пневмо- клапан типа В57-16. Сжатый воздух подводится к присоединительному отверстию П, стабилизированный по давлению воздух отводится через отверстие 0. Настра- ивают пневмоклапан с помощью винта 1, действующего через пружину 2 и тол- катель 3 на редуцирующий клапан 4. Выходное давление воздуха, действующее на мембрану 5 снизу, уравновешивается усилием пружины 2. При понижении выходного давления воздуха указанное равновесие нарушается, мембрана 5 прогибается и через толкатель 3 отжимает редуцирующий клапан 4, увеличивая проход для воздуха и, тем самым, расход и давление. При повышении давления воздуха на выходе пружина 2 сжимается, редуцирующий клапан 4 прикрыва- ется, что приводит к уменьшению расхода и давления. Пневмоклапаны типа БВ57-1 (рис. 5.11) имеют дополнительный клапан сброса воздуха в .атмосферу. При повышении давления воздуха на выходе выше настройки сжатый воздух поступает в подмембранную полость и вызывает подъем мембраны 1 с клапаном 2. В результате сжатый воздух через отверстие в клапане 2 и отверстие А выпускается в атмосферу, снижая давление на выходе до величины, определяемой настройкой пружины 3. Наличие клапана сброса позволяет обеспечивать перестройку пневмоклапана с высокого давления воздуха на выходе на низкое прн отсутствии расхода воздуха через редуцирующий клапан. В пневмоклапанах типа БВ57-3 (рис. 5.12) редуцирующий клапан выполнен разгруженным от действия давления воздуха на входе (сбалансированный реду- Рис. 5.10. Редукционный пневмоклапан ти- па В57-16 Рис. 5.11. Редукционный пневмоклапан ти- на БВ57-1 130
Рис. 5.13. Редукционный пневмоклапаи ти- па П-КР (ГОСТ 18468—79) цирующий клапан). Подклапанная полость А изолирована от входного отверстия П и соединена отверстиями в теле редуцирующего клапана с надклапанной полостью Б. Редукционные клапаны со сбалансированным редуцирующим кла- паном обеспечивают большую точность поддержания давления воздуха на выходе по сравнению с пневмоклапанами с несбалансированным редуцирующим кла- паном. Редукционные пневмоклапаны типа П-КР обладают всеми конструктивными особенностями описанных выше клапанов и имеют аналогичную конструкцию. На рис. 5.13 приведена конструкция пиевмоклапана типа П-КР со сбаланси- рованным редуцирующим клапаном и с клапаном сброса. Для получения мидификации с несбалансированным редуцирующим клапаном удаляют уплотнительное кольцо 3 и не вы- полняют отверстий в толкателе 4 для связи подклапанной А и надклапанной Б полостей. Модифика- ция без клапана сброса обеспечивается заменой клапана сброса 1 обычным упором. У пневмоклапанов типа П-КРК (рис. 5.14) настроечное усилие на мем- брану 1 обеспечивается давлением сжа- того воздуха, подаваемого в камеру управления Г через отверстие У. Кла- пан сброса 2 установлен между толка- телем 3 и клапаном 4. Воздух от кла- пана сброса 2 отводится через отвер- стие в редуцирующем клапане. Рис. 5.14. Редукционный пневмоклапан типа П-КРК 5* 131
Таблица 6.2 Техническая характеристика редукционных пневмоклапанов типов БВ57-1, В57-16 и типа БВ57-3 [2] Параметры БВ57-13 БВ57-33 БВ57-Ы БВ57-34 В57-16 БВ57-36 Условный проход, мм 12 16 25 Присоединительная резьба К 3/8" К 1/2" К 1" Номинальное давление, МПа Диапазон регулирования дав- ления на выходе (давление на- 0,63 1,0 0,63 1,0 0,63 1,0 стройки), МПа Номинальный расход при дав- лении на выходе 0,4 МПа, 0,1-0,5 0,1-0,9 0,1-0,5 0,1-0,9 0,1—0,5 0,1—0,9 м8/мин Снижение давления на выходе прн изменении расхода возду- ха от нуля до поминальной 0,4 0,63 0,8 1,0 2,5 величины, МПа, не более . . Увеличение давления на выхо- де при снижении давления на входе от номинального значе- ния до давления настройки, 0,03 0,05 0,07 МПа, не более Превышение давления на вы- ходе над давлением настройки, при котором открывается кла- 0,04 0,015 0,05 0,025 0,07 0,035 пан сброса, МПа, не более Долговечность, ч 0,18 0,06 0,18 0,06 — 0,06 . 5000 6000 5000 6000 5000 6000 | Масса, кг 1,4 1,7 1,4 1,7 2,1 2,5 Редукционные пневмоклапаны типа П-КРП так же, как и клапаны типа П-КРК, имеют дистанционную настройку. Технические характеристики редукционных пневмоклапанов приведены в табл. 5.2—5.4 [6]. Пневмодроссели с обратным клапаном. На рис. 5.15 представлена конструк- ция пневмодросселя с обратным клапаном типа В77-1. При подводе сжатого воз- духа к присоединительному отверстию в штуцере 1 клапан 2, преодолевая усилие слабой пружины 3, отжимается от конического седла в штуцере 1 и пропускает сжатый воздух к присоединительному отверстию в корпусе 4. При изменении Рнс. б. 16. Пиевмодроссели с обратным клапаном типа В77-1 132
Техническая характеристика редукционных пиевмоклапаиов типа П-КР (ГОСТ 18468—79) >5 I" X2,0 | 0,02 — 0,4 50 0,07 0,1 1 I J-SZd'M-U к мзз I 0,05 — 0.9 1 2, 0,06 0,03 0,06 | 0,084 2,70 д/1б-ог<пгц !0 3/4" I X2,0 | ' 1 | 0,02 — 0,4 60 0,07 • 1 1 1 ll-0Sd31-U 2 к ; М2 7 0.05—0,9 J 1, 0,06 0,03 0,06 0,084 1 1 Z/SS-91d'M-n 1/2" 1 X 1,5 | ,0 0,02 — 0,4 00 0,05 i 0,07 I 1,50 | п-эиу-ц 1 К M22 t 0,05 — 0,9 | 1, 0,04 0,02 1 0,06 1 0.084 8000 i 1л5 ! Мъъ-ъ Id5i-U 2 3/8" X1.5 0,02 — 0,4 ,63 0,04 0,07 1,50 1 I l-Zld>I-U 1 К MIS 0,05 — 0,9 | 0, ! 0,02 0,015 0,06 0,084 i M5 1 д/гг-eodX-u 1/4" X1.5 । 0,02—0,4 ,25 0,03 0,03 1 - 1 !’35 1 Jl-aoO-U ( К 1 M14 I 0,05—0,9 °' 0,015 0,01 0,06 0,084 1,30 Параметры i 5 i 5 S 6 6 ж И s « к f- я r; 5 я x • « •• (5 ’ ш X X •В<Я2Х^’КХО<-'’о2д=--» s ft . .g • <я <я О . •K^O^SSP- ч я ® ‘ • • tig • a 'SS-go = • • s‘ и Й -Ss S E.S “ 5 5 a ? “S»“S«5$c • • °5 я £ o . аз « s § g н § g «в о g: я «g s g к з «S . Sa® .g -p »g •SbsS£c»£«;s Sgg. = ®-r “ - s о я xg « 2 5 a g-o 3 g-c,^ я Oto H o> ° J 133
Техническая характеристика редукционных клапанов типа П-КРП и П-КРК-40/10 I i 134
Рис. 5.16. Пневмодроссель с обратным кла- паном типа В77-26 Рис. 5.17. Пневмодроссель с обратным кла- паном по ГОСТ 19485 — 74 направления потока клапан 2 запирается усилием пружины 3 и сжатого воздуха. В этом случае сжатый воздух проходит через канал в корпусе 4, эксцентричную расточку и кольцевую проточку в гильзе 5 и отверстия в штуцере 1. Расход сжа- того воздуха через аппарат зависит от взаимного расположения фрезеровки в кор- пусе 4 и эксцентричной расточки в гильзе 5 и регулируется поворотом гильзы. Для более плавного регулирования расхода воздуха при малом проходном се- чении на поверхности корпуса 4 в конце канала выполнена эксцентричная ка- навка треугольного сечения (усик). Конструкция пневмодросселя с обратным клапаном типа В77-26 показана на рис. 5.16. При подводе сжатого воздуха к левому присоединительному от- верстию в корпусе 1 клапан 2, преодолевая сопротивление слабой пружины 3, отжимается от конического седла, и поток сжатого воздуха свободно проходит через аппарат. При изменении направления потока сжатого воздуха клапан 2 прижимается к седлу пружиной 3 и давлением сжатого воздуха. Для обеспечения возможности прохода сжатого воздуха через аппарат в этом направлении не- обходимо вывинчивать маховиком 4 шпиндель 5. Шпиндель 5, перемещаясь вверх, первоначально открывает проход для воздуха по каналу треугольного сечения, обеспечивая тонкую регулировку малого расхода, а при дальнейшем вывинчи- вании поднимает клапан 2 над седлом. Конструкция пневмодросселей с обратным клапаном по ГОСТ 19485—74 (рис. 5.17) отличается от рассмотренных выше наличием отдельного дроссельного устройства, состоящего из игольчатого дросселя 1, перемещающегося по резьбе во втулке 2, которая закреплена вин- тами на корпусе 3. Расход воздуха ре- гулируется вращением маховичка 4. Для фиксирования определенного поло- жения дросселя 1 служит контргайка 5. Пневмодроссель с обратным кла- паном типа П-ДК-С (рис. 5.18) со- стоит из параллельно соединенных обратного клапана 1 и дроссельной пары, включающей цилиндрическое отверстие в корпусе 2 и конус регу- лировочного винта 3. При подаче сжатого воздуха в центральное при- соединительное отверстие обратный клапан под действием пружины и дав- ления воздуха перекрывает свободный проход в боковое присоединительное отверстие, в которое воздух попадает Рис. 5.18. Пневмодроссель с обрШтиым кла паном типа П-ДК-С 135
Техническая характеристика пневмодросселей с обратным клапаном 136
через регулируемый зазор в дроссельной паре. При обратном направлении дви- жения потока воздуха обратный клапан под действием давления воздуха, прео- долевая сопротивлением слабой пружины, открывается и пропускает основ- ной поток воздуха к центральному отверстию (при этом небольшое количество воздуха проходит также и через зазор в дроссельной паре). Пневмодроссель с обратным клапаном входит в комплекс пневматической миниаппаратуры и монтируется на унифицированной плате. Ниже и в табл. 5.5 приведены технические характеристики пневмодросселей с обратным клапаном. Техническая характеристика пневмодросселя с обратным клапаном типа П-ДК-С [6 ] Условный проход, мм .................................................... 2,5 Давление, МПа: номинальное......................................................... ОЛЗ минимальное......................................................... 0,14 Расход воздуха при р — 0,4 МПа, м8/мин.................................. 0,04 Потеря давления при расходе воздуха 0,04 м3/мин через открытый обратный клапан (дроссель полностью закрыт), МПа, не более...................... 0,035 Потеря давления при расходе воздуха 0,04 м3/мии, пропускаемого через пол- ностью открытый дроссель при закрытом обратном клапане, МПа, не более 0,055 Долговечность, цикл .................................................. Ю’ Масса, кг ............................................................ 0,15 Тормозные пневмодроссели типа П-ДТ. При ненажатом ролике 3 (рис. 5.19) воздух из опорожняемой полости цилиндра через отверстие П в корпусе 1 и от- крытый клапан 5 проходит в полость б, через отверстие 0 и основной пневморас- пределитель в атмосферу. Шток цилиндра перемещается со скоростью, определя- емой начальным положением клапана 5, настраиваемым с помощью винта 6. Нажатие на ролик 3 вызывает перемещение клапана 5, что приводит к уменьшению проходного сечения и к плавному торможению поршня цилиндра. Плавность торможения и его продолжительность определяются длиной и профилем упора, воздействующего на ролик 3. При полностью закрытом клапане 5 воздух из опо- рожняемой полости цилиндра вытесняется только через регулируемый дроссель 2. При переключении основного пневмо- распределителя сжатый воздух из ма- гистрали подается через отверстие 0 в по- лость б. Преодолевая усилие пружины 4, сжатый воздух открывает клапан 5 и про- ходит в полость а, откуда через отвер- стие П по трубопроводу поступает в ци- линдр. Таким образом, обеспечивается беспрепятственное наполнение полости цилиндра сжатым воздухом, несмотря на то что ролик 3 еще остается в тече- ние некоторого времени нажатым. Тормозные пневмодроссели целесооб- разно применять вместо тормозных уст- ройств, встроенных в крышки цилинд- ров, когда требуется значительная длина торможения. Техническая характеристика тор- мозных пневмодросселей приведена в табл. 5.6 [6]. Предохранительные пневмоклапаны по OCT 2.В58-1—78. При превышении заданного давления, определяемого на- стройкой пружины 7 (рис. 5.20), клапан 2 отходит от седла 3, обеспечивая свобод- ный выход воздуха в атмосферу. При- способление для принудительного откры- тие. 5.19. Тормозной пневмодроссель типа П-ДТ 137
Таблица 5.6 Рис. 5.20. Предохранитель- ный пневмоклапан по OCT 2.В58-1— 78 Техническая характеристика тормозных пневмодросселей типа П-ДТ Параметры П-ДТ8/10 1 К П-ДТ16/10 > । П-ДТ25/10 Условный проход, мм Присоединительная резьба 8 16 25 К 1/4" К V2" К 1” Давление, МПа: номинальное минимальное Расход воздуха при давлении 0,63 МПа, м’/мии 0,4 1,0 0,2 Потеря давления прн указанном рас- ходе воздуха через обратный клапан при полностью за- крытом дросселе, МПа, не более Пропускная спо- собность Kv, л/мин 8 0,04 32 80 Утечка воздуха при номинальном дав- лении через обрат- ный клапан при полностью закры- том дросселе и на- жатом рычаге, м8/мин 0,0005 0,0010 0,0030 Усилие, необходи- мое для перемеще- ния ролика при но- минальном давле- нии, Я, не более Долговечность, цикл Масса, кг .... 0,5 100 5-10’ 0,6 1,5 Техническая характеристика предохранительных пневмоклапаиов по ОСТ 2. В58-1—78 Таблица 5-7 Параметры 16-11 16-21 16-31 25-13 25-23 25-33 Условный проход, мм , . Присоединительная резьба Номинальное давление, МПа 0,4 16 5424X 1,5 0,63 1,0 0,4 25 5433X2,0 0,63 1.0 Пределы настройки давле- ния воздуха, МПа .... 0,2 —0,5 0,5-0,7 0,7-1,0 0,2 —0,5 0,5 —0,7 0,7—1,0 Расход воздуха при номи- нальном давлении. м*/мин 0,8 2,5 4,0 2,5 6,3 10 Долговечность, Масса, кг 6 000 ч 0.350 (25 000 . рабатываннй) 0,900 138
тия дает возможность проверить продувкой исправность клапана. При прило- жении усилия к кольцу 4 пружина 1 сжимается и клапан 2 освобождается от ее воздействия. Если клапан не заклинен, то он отходит от седла, обеспечивая выход сжатому воздуху. Для исключения возможности перенастройки клапана без нарушения пломбы применен защитный колпачок 5. Исполнения пневмоклапаиов на различные номинальные давления при одних н тех же условных проходах обеспечивается сменными пружинами. Техническая характеристика предохранительных пневмоклапаиов приведена в табл. 5.7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ , 1. Богачева А. В. Пневматические элементы систем автоматического управления. М.: Машиностроение. 1966. 240 с. 2. Дмитриев В. Н., Градецкий В. Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение. 1973. 360 с. 3. Залмаизон Л. А. Теория элементов пиевмоннки. М.: Наука, 1969. 507 с. 4. Кондратьева Т. Ф. Предохранительные клапаны для компрессорных установок. М. — Л.: Машгнз, 1963. 179 с. 5. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давле- нием. М.: Металлургия, 1976. 104 с. 6. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. Каталог. М.: 1978. 155 с. (НИИМАШ).
Глава 6 УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА Надежность работы, потери энергии и другие эксплуатационные характеристики пневмоустройств в значительной мере зависят от качества применяемых в них уплотнительных устройств. Уплотнительные устройства обеспечивают герметич- ность пневмоустройств. Под герметичностью пневмоустройств понимают непро- ницаемость сжатого воздуха через соединения деталей, находящихся в состоянии движения или покоя относительно друг друга. В зависимости от требований уплотнительные устройства должны обеспе- чивать полную герметизацию пневмоустройств или значительно уменьшать утечку сжатого воздуха. Как правило, утечка сжатого воздуха не допускается в неподвижных соединениях деталей пневмоустройств и ряда ответственных уплот- нительных соединений подвижных деталей, где утечка может привести к аварии или несчастным случаям. Для большинства уплотнительных устройств, разделя- ющих полости пневмоустронств, находящихся под разным давлением, а также для уплотнительных устройств подвижных соединений допускается незначитель- ная утечка сжатого воздуха. Герметичность пневматических устройств обеспечивается устранением за- зора или созданием малого зазора между поверхностями соединяемых деталей. По характеру уплотняемых соединений уплотнительные устройства подразделяют на следующие виды: для соединений неподвижных деталей; для соединений де- талей, имеющих относительное возвратно-поступательное движение; для соеди- нений деталей, имеющих относительное вращательное движение. 6.1. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Герметизация неподвижных соединений пневматических устройств обеспечи- вается: неразборных — сваркой, пайкой, склеиванием, заливкой эпоксидными смолами, герметиками и красками, развальцовкой; разборных — кольцами и манжетами, прокладками, лентой ФУМ, набивками. В табл. 6.1 приведены основные виды герметизации неразборных соединений [1 ] и области применения их в пневматических устройствах. Примеры конструк- тивных схем герметизации неразборных соединений устройств приведены на рис. 6.1. Разборные неподвижные соединения пневматических устройств чаще всего уплотняют резиновыми кольцами круглого сечения по ГОСТ 9833—73 илн ре- зиновыми и синтетическими прокладками. Набивки и металлические прокладки, как правило, применяют для пневматических устройств, работающих при высо- ких давлениях, в широком диапазоне температур или при агрессивном воздействии окружающей среды. Ленту ФУМ применяют для уплотнения резьбовых соеди- нений. Резиновые кольца круглого сечения. На рис. 6.2 приведены способы установки резиновых колец в неподвижных соединениях пневматических устройств. При 140
Таблица 6.1 Неразборные соединения пневматических устройств Метод соединения Соединяе- мые мате- риалы Рабочее давление, МПа Рабочая темпе- ратура, °C Область применения в устройствах Сварка (электродуго- вая, аргоииая, атомио- водородная) Металлы 30-150 500 Фланцевые соедине- ния, трубопроводы, корпусные детали и т. п. Сварка (электросты- ковая, точечная, шов- ная) 10 Сварка (игнитронная, газовая) 30 — 50 Сварка тепловоздуш- ная Синтетиче- ские мате- риалы 1-2 75 Трубопроводы и де- тали из синтетических материалов Пайка с припоем (серебряным, медно-цинковым, оловянно-свннцовым) Металлы 30 20 10 500 250 100 Фланцевые соедине- ния, трубопроводы и детали из цветных ме- таллов Склеивание клеем БФ-2, БФ-4, № 88, карбин ал ьным, баке- литовым, эпоксидным Металлы и пласт- массы 0,5 —0,8 80 — 200 Изготовление комму- тационных плат, струй- ных элементов н моду- лей, деталей из орг- стекла Склеивание клеем ВС-ЮТ, ИП-9, Д1 200 — 250 Заливка эпоксидных смол ЭД-5, ЭД-6 и герметиков КГ-206, КГ-207 1 — 2 100—150 Исправление литей- ного брака корпусных деталей Комбинированный (резьбы со склеива- нием, резьбы с за- ливкой суриком или шеллаком, растворен- ным в спирте) 2 100 Резьбовые соединения пневмоустройств с вы- сокими требованиями по герметичности и ра- боте при высоких тем- пературах Комбинированный (резьбы с пайкой и сваркой) Металлы 30 — 50 150 — 450 Завальцовка Металлы и синтети- ческие ма- териалы 0,5 —1,0 1 00-“ 200 Трубопроводные сое- динения 141
д) е) Рис. 6.1. Конструктивные схемы герметизации неразборных соединений: а — сварка трубопроводов,* б — сварка фланцевого соединения; в — сварка корпусных деталей; г — пайка сильфонных уплотнений; д — склеивание коммутационных плат; е — склеивание струйных элементов; ж — комбинированная (резьба со сваркой); з — заваль- цовка конструировании и изготовлении неподвижных соединений с использованием резиновых колец круглого сечения рекомендуется обеспечивать следующие ос- новные требования. Предельные отклонения диаметров сопрягаемых деталей не- подвижных соединений не должны превышать значений, указанных в табл. 6.2 (ГОСТ 9833—73). Шероховатость рабочих поверхностей под уплотнение должна быть не ниже указанной на рис. 6.3. При давлении более 10 МПа кольца следует предохранять от выдавливания в уплотняемый зазор защитными шайбами, устанавливаемыми со стороны, про- тивоположной направлению давления, а при двустороннем давлении — с обеих сторон кольца (см. рис. 6.2). В качестве материала для защитных шайб и колец рекомендуется использовать: капролон BL; фторопласт 4 марки Н для работы при температуре не более 70°С и давлении до 10МПа; текстолит ПТК, полиамидную Рис. 6.2. Герметизация неподвижных соединений кольцами круглого сечеиня: а — д — торцовые соединения; е, ж — цилиндрические соединения без защитных шайб* з — с защитными шайбами 142
Таблица 6.2 Предельные отклонения диаметров сопрягаемых деталей для неподвижных соединений Уплотняемый диаметр, мм Допускаемые отклонения уплотняемых диаметров при давлении, МПа до 5 5—10 10 Отвер- стие Вал Отвер- стие Вал Отвер- стие Вал 3-6 6 — 10 10—18 18 — 30 30 — 50 50 — 80 80 — 120 120—180 Свыше 180 НЮ е9 ню е9 ню «9 Н8 Н8 Н8 hS (7 А8 118 смолу 68Н или 68С „о ГОСТ 10589—73. Толщина цельных защитных шайб из фторопласта должна быть не менее 1_0 t мм. Наружный диаметр защитных шайб выполняют равным диаметру уплотняемых поверхностей с предельным'отклоне- нием по наружному диаметру Н8 и внутреннему — /18. Для любой конструкции посадочного места величина деформации кольца рекомендуется в пределах 17— 35%. При ремонтных работах группу резины колец для изготовления в зависи- мости от фактического зазора в сопрягаемых деталях рекомендуется выбирать по табл. 6.3. Манжеты. В ряде случаев неподвижные соединения пневмоустройств реко- мендуется уплотнять манжетами. Так, если имеется опасность раскрытия стыка сопрягаемых поверхностей в значительных пределах, кольца круглого сечения не обеспечивают надежной герметизации соединений. В этом случае применяют уплотнения манжетного типа. На рис. 6.4 приведены конструкция манжеты П-образного сечения и рекомендации по ее установке. Размеры резиновых ман- жет П-образиого сечения приведены в табл. 6.4. Ширину канавки в деталях (см. рис. 6.4) рекомендуется выполнять на 0,3—0,5 мм меньше ширины Ь манжеты [11- Прокладки. Герметичность соединения при применении прокладок обеспе- чивается заполнением поверхностей сопрягаемых деталей легко деформируемым прокладочным материалом. При этом контактное давление в соединении должно превышать давление уплотняемой среды. В качестве прокладок используют различные эластичные материалы. Материал прокладок выбирают с учетом дав- Таблица 6.3 Рекомендуемые группы резины для уплотнительных колец Давление, МПа Величина зазора на сторону (мм) для резины группы 2 3 4 0-5 0,15 — 0,10 0,20 — 0,10 0,25 — 0,15 5 — 10 0,10 —0,06 0,15 — 0,08 0,15 — 0,10 10— 1G 0,06 — 0,03 0,08 — 0,06 0,08 — 0,01 16 — 20 0,03 — 0,02 0,03 — 0,02 0,08 — 0,05 Рис. 6.3. Шероховатость рабо- чих поверхностей под уплотне ния: а — цилиндрическое неподвиж- ное |соедииение; б — торцовое соединение 143
Рис. 6.4. Конструкция и способы ус- тановки уплотнительных манжет П-образного сечення: а — уплотнительная манжета П-об- разного сечения; б — конструктив- ная схема установки манжеты во фланцевом соединении; в — конст- руктивная схема установки манже- ты для пневмоустройств стыкового исполнения ления и температуры уплотня- емой среды. Рекомендуется при pt < 102 (где р — давление уплотняемой среды, МПа и t — температура, °C) применять неметаллические прокладки, а при более высоких значениях pt—металлические [4]. Из неметаллических прокладок в пневмоустройствах нашли применение резина по ГОСТ 7338—77, полихлорвиниловый пластикат, фторопласты 3 и 4, паронит по ГОСТ 481—80. капрон; из металлических—медные прокладок марки Ml и М3 по ГОСТ 859—78, алюминиевые по ГОСТ 11069—74, стальные. К недостаткам металлических прокладок относятся: необходимость высоких контактных давлений для обеспечения герметизации; высокие требования к ше- роховатости обработки уплотняемых поверхностей; высокие, по сравнению с ана- Размер уплотнительных манжет П-образного сечения, мм Таблица 6.4 d D Ь Номиналь- ный I Предельное отклонение Номиналь- ный _ _ 1 Предельное ' отклонение । Номииаль- । иый | Предельное отклонение 1 Номииаль* ный Предельное отклонение 1 Номиналь- ный 1 Предельное отклонение 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 34 38 40 42 46 48 50 52 + 0,20 15 18 20 22 24 28 30 32 36 40 42 45 48 52 54 56 60 62 64 70 — 0.10 — 0,15 11 14 16 18 20 23 25 27 30 33 35 38 40 44 46 48 52 54 56 60 + 0,24 4 + 0,20 0,7 — 0.10 + 0,24 —0,15 — 0,30 + 0,28 + 0,28 -0,20 -0,35 б 1,0 — 0,20 + 0,34 + 0,34 + 0,40 6 + 0,40 7 + 0,30 1,5 II Риме ч а н и е. Буквенные обозначения см. на рис. 6.4. i 144
Рис. 6.5. Конструктивные схемы применения прокладок в пневмоустройствах логичными неметаллическими прокладками, требования к точности изготовления уплотнения. Для снижения контактного давления в последнее время применяют смазку контактных поверхностей герметиками. Конструктивные схемы применения прокладок приведены на рис. 6.5. При расчете прокладочных уплотнений определяют контактное давление NK0, достаточное для внедрения материала прокладки в микронеровности уплотня- емых поверхностей на величину, при которой обеспечивается герметичность при малых значениях (близких к нулю) давления в рабочих полостях, и контактное давление УКР, при котором обеспечивается герметичность под давлением рабочей среды [1, 3]. Так как NKP может быть меньше или больше NK„, необходимое уси- лие затяжки прокладок производят по большему из них. Для неметаллических, а также плоских, овальных, восьмигранных и гребенчатых металлических про- кладок (рис. 6.6) усилие обжатия при их установке определяют по формуле Уо ' 3iDY[Bq0, где Da — средний диаметр прокладки; В — ширина прокладки; qo — удельное давление на прокладку. Удельное давление зависит от материала, размеров и формы прокладки. Для прокладок из паронита, картона и фторопласта <7о = ?уС/У26/В; для прокладок из резин твердых и средней твердости, пластиката <?о = ?УС/К 26; 145
Рис. 6.6. Типы прокладок: а — плоские; б — линзовые; в — гребенчатые; г — оъълъ- иые; о — восьмигранные д) для плоских, гребенчатых и овальных металлических прокладок 4о — где 6 — толщина прокладки, мм; В в см; qy и С — коэффициенты, рекомендуе- мые значения которых приведены в табл. 6.5 и 6.6. Усилие обжатия, обеспечи- вающее герметичность в рабочих условиях определяют по формуле #р=лРпЛ7р + (1 — где qP — удельное давление на прокладку в рабочих условиях; т] — коэффициент разуплотнения (для металлических прокладок т] = 0, для неметаллических про- Таблица 6.5 Значения коэффициентов q^, С и m для соединений металлическими прокладками 146
Таблица'’S. I Значения коэффициентов qu< С, m н ц для соединений неметаллическими прокладками при В > 4 мм, в < 4 мм Параметр Пароиит Капрой Резина Пласти- кат Фторо- пласт мягкая средней твердо- сти <7у, 10~5 Па 200 100 20 40 40 100 — 350 С 1+ол У m 4,5 3 1,5 — 2 и 0,10 — 0,15 — 0,95 — 0,9 0,05 Примечание. Dn в см. кладок значения т] указаны в табл. 6.6); N — pnD^/4 — усилие, возникающее от действия давления рабочей среды; р — давление рабочей среды. Для неметаллических прокладок qp =mpl ИдУ В где 6 — в мм, В — в см; для плоских и гребенчатых металлических прокладок <7р = mpiV В; для овальных и восьмигранных прокладок qP = tnp. Для линзовых прокладок усилие обжатия определяют по формуле Np = lOKD2a, Н, где Dn — диаметр окружности соприкасания прокладки с фланцем, см; К — коэффициент, зависящий от давления рабочей среды (при р = 0,6 МПа К = = 240; при р = 10 МПа А = 290; при р ~ 32 МПа К = 450; при р — 70 МПа Л = 750). Герметизирующие замазки. Для герметизации неразборных соединений пневматических устройств иногда используют замазки. Основным материалом замазок являются резина, синтетические смолы, продукты дистиляции дегтя и асфальта; пластификатором — вода, керосин или высыхающие масла, наполни- телем — порошковый асбест, бумага, текстильные отходы, металлические поро- шки [7]. Имеются замазки, изготовленные из синтетических смол. Для работы в широком диапазоне температур применяют замазки из силикона и фторсили- кона. 6,2. УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ С ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ Для герметизации соединений деталей пневматических устройств, имеющих относительное возвратно-поступательное движение (поршней, штоков, золот- ников, толкателей, клапанов), используют контактные и щелевые уплотнительные 147
Рис. в. 7. Разновидности уплотнительных колец: а — круглые; б — прямоугольные; » — Х-образные устройства и устройства с гибкими раздели- телями. Контактные уплотнительные устрой- ства подразделяют на следующие основные типы: кольцевые, манжетные и сальниковые. Герметизация кольцами. Уплотнения этого типа обеспечивают наименьший размер уплот- нительного узла. В зависимости [от профиля . а л поперечного сечения различают следующие разновидности уплотнительных колец: круг- лые, прямоугольные и Х-сбразные (рис. 6.7). Материалом для изготовления колец служат резиновые смеси, металлы, ком- бинации резины с пластмассами. В пневматических устройствах нашли применение резиновые кольца двух типов: с созданием натяга по уплотняемому диаметру при сборке и без натяга. Герметизация рабочей среды в соединениях с кольцами первого типа обеспечи- вается при нулевом давлении обжатием его поперечного сечения по высоте, ко- торое затем повышается под действием давления рабочей среды (рис. 6.8). Круглые кольца второго типа («плавающие» кольца) при сборке практически не подвергаются поперечному сжатию по высоте (рис. 6.9), вследствие чего они не обеспечивают полной герметизации при нулевом и малом (до 0,02 МПа) давлении рабочей среды. Герметизация этими кольцами обеспечивается только при пре- вышении определенного значения давления. Уплотнение кольцами круглого сечения с созданием натяга по уплотняемому диаметру наиболее распространены в пневматических устройствах. На рис. 6.10 приведены конструктивные схемы установки уплотнительных колец круглого сечения по ГОСТ 9833—73 в устройствах. При применении ука- занных колец необходимо обеспечить выполнение следующих основных требо- ваний. Допускаемые отклонения диаметров уплотняемых устройств должны соот- ветствовать данным табл. 6.7. Деформация колец круглого сечения по ГОСТ 9833—73 независимо от кон- струкции посадочного места рекомендуется в пределах 12—25%. Для предохра- нения уплотнений от выдавливания в зазор при давлении свыше 10 МПа необхо- димо применять защитные шайбы. Шероховатость поверхности сопрягаемых де- талей с учетом покрытий должна быть не ниже указанной на рис. 6.11. На по- верхности не допускаются забоины, риски и другие повреждения. Для повышения долговечности резиновых колец рекомендуется покрытие поверхностей штоков и гильз цилиндров: стальных — твердое хромирование; из алюминиевых спла- вов — хромово-кислое анодирование или другие методы поверхностного упрочне- ния. К трущимся поверхностям уплотнительного соединения с круглыми коль- цами необходимо обеспечивать подачу смазочного материала. Уплотнение плавающими» кольцами круглого сечения. Кольца этого типа уста- навливают в канавку (см. рис. 6.9) с зазором по торцам и дну уплотнительной канавки, т. е. кольцо может перемещаться («плавать») в осевом направлении под действием давления рабочей среды. Наружный диаметр кольца несколько Рис. 6.8. Схема, поясняющая действие резиновых колец круглого сечения с радиальным обжатием Рис. 6.9. Схема, поясняющая действие «плавающих» резиновых колец круглого сечения 148
Рис. 6.10. Конструктивные схемы установки уплотнительных колен круглого сечения: а — без защитных колец; б — с защитными кольцами больше внутренней расточки уплотняемого устройства, что вызывает внешнее об- жатие кольца при его сборке в уплотнительном узле. Плавающие кольца обеспе- чивают снижение трения покоя и движения, повышают срок службы по сравне- нию с уплотнительными кольцами по ГОСТ 9833—73. Высокие требования к точ- ности и качеству изготовления плавающих колец ограничивают их применение в отечественной практике. К недостаткам колец этого типа относится также потеря герметичности при давлении рабочей среды ниже 0,015—0,025 МПа. Уплотнение кольцами прямоугольного сечения. Герметизация соединения кольцами прямоугольного сечения при малом давлении рабочей среды обеспечи- вается за счет предварительного сжатия кольца при сборке уплотнительного узла. Рекомендуется радиальное обжатие кольца принимать равным 0,Г—0,2 мм. При наличии давления рабочей среды на одной из сторон кольца оно смещается Таблица 6.7 Допускаемые отклонения диаметров уплотняемых устройств Диаметр, мм Допускаемые отклонения прн давлении, МПа ДО 5 5—10 10 — 20 Отвер- стие Вал Отвер- стие Вал Отвер- стие Вал 4 — 6 Н8 е9 Н8 е9 ню е9 6-10 10—18 18-30 30 — 50 f 7 f 7 50 — 80 Н7 80—120 f 7 g 6 120—180 180 — 400 i 6 Н7 h 8 149
Рис. 6.11. Шероховатость рабочих поверхностей'^под кольца в подвижных соединениях Рис. 6.12. Схема, поясняющая действие резиновых колец прямоугольного сечения к боковой стенке канавки, обеспечивая герметичность соединения плотным кон- тактом по трем поверхностям (рис. 6.12). Размеры колец, используемых в пнев- матических устройствах, обычно равны: ширина 3—6 мм, высота 5—8 мм. Раз- мер колец и канавок выбирают из расчета обеспечения бокового зазора в пределах 0,2—0,25 мм при сборке кольца (без обжатия). Для снижения силы трения колец в ряде конструкций уменьшают ширину пояска, контактирующего с уплотняемой поверхностью, снятием фасок. Это позволяет значительно повысить долговечность колец при рабочем давлении до 1,0 МПа. Требования к точности и качеству сопрягаемых поверхностей, смазы- ванию трущихся поверхностей в основном аналогичны приведенным для колец круглого сечения. Уплотнение кольцами А-образного сечения. Кольщ. этого типа (см. рис. 6.7) по своим характеристикам превосходят кольца круглого и прямоугольного сечений. Они меньше, чем круглые кольца, подвержены спиральному скручива- нию, имеют меньшее трение, чем кольца круглого и прямоугольного сечения, обеспечивают надежную герметизацию при меньшем значении поперечного об- жатия кольца. Полость кольца между его двумя контактными кольцевыми полос- ками способна удерживать смазочный материал, что снижает трение при трога- нии и движении кольца по уплотняемой поверхности. Требования к точности и шероховатости сопрягаемых поверхностей для колец этого типа ие отличаются от требований, приведенных для колец круглого сечения. К недостаткам колец Х-образного сечения относится технологическая слож- ность изготовления прессформ^ для их производства. Однако высокая долговеч- ность и другие преимущества, указанные выше, свидетельствуют о перспектив- ности применения колец этого типа. Уплотнение кольцами из металла и пластических^материалов. Герметиза- ция соединения кольцами этого типа обеспечивается плотным контактом их с поверхностью цилиндра и стенками канавок поршня, а также лабиринтным действием набора колец. Контактное давление на уплотняемые поверхности кольца создается за счет деформации его при установке в уплотняемое соединение и давления рабочей среды (рис. 6.13). В свободном состоянии кольца имеют раз- мер, больший размера диаметра уплотняемого цилиндра и прорези (замки). В канавку поршня кольцо устанавливают с торцовым зазором. Число поршневых колец в соединении рекомендуется выбирать с учетом разности давлений, воспри- нимаемой уплотнением поршня [8]: Число колец............................ 2 2 — 3 3 3 — 4 4 — 5 5 — 6 Разность давлений, МПа . До 0,4 0,4 — 0,63 0,63—1,0 1,0 —1,6 1,6 —2,5 2,5 —4,0 Число колец............................ 6 — 7 7 — 8 8—10 10 — 12 12 — 15 Разность давлений, МПа.................................. 4,0 —6,3 6,3—10 10 — 16 16 — 25 25—40 Прорези в кольцах выполняют прямой формы при давлении до 5 МПа, ко- сой — при давлении до 20 МПа, ступенчатой — при давлении свыше 20 МПа (рис. 6.14) [1]. Долговечность колец определяется выбором материала для их изготовления и условиями эксплуатации. Материалом для изготовления колец служат сплавы чугуна, бронзы, гетинакс, текстолит и пластмассы. Лучшими ма- 150
Рнс. 6.13. Схема, поясняю- щая действие колец из ме- талла н пластмасс териалами для колец являются, как правило, пластмассы, срок службы которых превышает 25 000 ч, при этом значительно уменьшается износ уплотняемой по- верхности цилиндра, [8]. К недостаткам колец этого типа необходимо отнести следующие: невозмож- ность обеспечения полной герметичности; высокие требования к точности и ка- честву изготовления рабочих поверхностей уплотняемого соединения и самих колец; относительно большой осевой размер поршня для высокого давления ра- бочей среды. Размеры и основные характеристики стандартных поршневых колец регла- ментированы OCT 2А54-1-72. Уплотнение кольцами комбинированного типа. Одной из основных тенден- ций повышения качества уплотнительных устройств является применение колец комбинированного типа. На рис. 6.15 приведена конструкция, а в табл. 6.8 — размеры применяемого в отечественной промышленности резино-фторопласто- вого уплотнения. В этом уплотнении круглое резиновое кольцо обеспечивает необходимое контактное давление по уплотняемым поверхностям соединения, а П-образная манжета из фторопласта-4 — снижение сил трения. В пневмати- ческих устройствах резино-фторопластовые уплотнения снижают силы трения в 4—6 раз [1] и обеспечивают надежную работу в условиях иедостаточиого смазывания трущихся поверхностей. Так, при испытании пневмоцилиндров с диаметром поршня до 40 мм во ВНИИГидроприводе (г. Харьков) уплотнения этого типа обеспечивали надежную работу до 200 тыс, цикл, без дополнительной подачи смазочного материала (поверхности смазывали пластичной смазкой только при сборке цилиндров). К недостаткам резино-фторопластового уплотнения относятся сложность обеспечения высокой герметичности из-за жесткости фторопластовой манжеты (особенно при малом давлении рабочей среды) и повышение трудоемкости изго- товления уплотнения. Герметизация манжетными уплотнениями. В уплотнениях манжетного типа первоначальная (при малом давлении) герметизация обеспечивается контактной поверхностью за счет ее деформации при сборке уплотнительного узла. При повышении давления рабочей среды в уплотняемом узле контактное давление и площадь контакта увеличиваются (рис. 6.16). Манжетные уплотнения получили наиболее широкое применение в пневма- тических устройствах вследствие их высокой долговечности и герметичности, а”также менее’жестких требований „к точности и качеству обработки уплотняемых поверхностей по сравнению с резиновыми кольцами. К недостаткам манжетных уплотнений относятся их относительная сложность изготовления и большой размер уплотнительного узла. Рис. 6.14. Формы прорезей уплотнительных колец из металла и пластмасс: а — прямая; б — косая; в, г — ступенчатая 151
Рис. 6.15. Резино-фторопластовые уплотнения Таблица 6.8 Размеры резино-фторопластовых уплотнений, мм Диаметр уплот- няемых поверх- ностей с предель- ным отклонением Диаметр сечения кольца ^2 Манжета Канавка D (Н7) Г) ш (f7) S 4- 0,1 ^спр С 4-0,1 Е wcnp Ъ ±0,2 10-15 6—11 1.9 0,15 0,95 2,5 0,1 1,65 2,5 16 — 25 12 — 20 2,5 1,15 3,2 2,15 3,2 26 — 45 21 — 38 3,6 0,25 1,55 4,5 0,2 3,25 4,5 46—70 40—60 4,6 0,3 1,8 5,7 4,3 5,7 72—100 62 — 88 5,8 7,0 5,3 7,0 102-145 90 — 130 7,5 1,83 9,0 6,8 9,0 150 — 250 135 — 245 8,5 2,4 10,0 7,8 10,0 Примечание. Буквенные обозначения см. рис. 6.15. 152
Рис. 6.16. Схема, поясняющая действие ман- жетных уплотнений U-образного профиля: Q ь а — манжета до монтажа; б — манжета при монтаже; в — манжета под давлением В табл. 6.9 приведены основные типы, области применения и характери- стики манжетных уплотнений, применя- емых в отечественной и зарубежной прак- тике. На рис. 6.17 показаны конструктив- ные схемы установки манжет для уплот- ... нения по наружному диаметру, а на Я) ' 0) О) рис. 6.18— по внутреннему диаметру по- движных соединений устройств. Уплотнение манжетами V-образного профиля. В отечественной практике наиболее распространены манжеты по ГОСТ 6678—72, предназначенные для эксплуатации в условиях, указанных в табл. 6.10. Технические требования к сопряженным деталям уплотнительного узла должны соответствовать требованиям, приведенным ниже: Шероховатость поверхности трения Ra ................................. 1,25 Шероховатость посадочного места Ra.................................... 2,5 Допускаемые отклонения уплотняемых диаметров ...........................НИ; ЛИ Поверхность уплотняемого цилиндра или штока должна быть изготовлена из коррозионно-стойкого материала или иметь антикоррозийное покрытие. К тру- щимся поверхностям необходимо обеспечить подачу смазочного материала. Уплотнение манжетами других профилей. На рис. 6.19, а изображена ман- жета чашечного типа, применяемая для уплотнения поршней пневмоцилиндров. Для обеспечения хорошей герметичности при низком давлении рекомендуется применять распорные пружинящие кольца (рис. 6.19, б, в), изготовляемые из листовой пружинной стали или жесткой латуни. Материалом для изготовления манжет чашечного типа может быть резина, прорезиненная ткань и кожа. Раз- меры манжет этого типа [7]: высота при диаметре до 50 мм— 12—15 мм, при диаметре от 50 до 100 мм — не более 16 мм, при диаметре от 100 до 150 мм — 18 мм и при диаметре от 150 до 250 мм — 25 мм. В устройствах обычно уста- навливают по одной мантеже с каждой стороны поршня. На рис. 6.20 изображена манжета уголкового типа, используемая для уплот- нения штоков пневмоцилиндров. С целью повышения герметичности и надежности уплотнительного узла в оте- чественной и зарубежной практике все шире применяют манжеты специальных Рис. 6.17. Конструктивные схемы установки манжет для уплотнения по наружному диа- метру подвижных соединений 153
Характеристика и область применения манжетных уплотнений, используемых в пневматических устройствах общепромышленного применения Область применения Пневмоцилиндры и пневмоаппара- тура Пневмоцнлнндры (уплотиенне поршня) Пневмоцилиндры (уплотнение што- ка) 1 Пневмоцилиндры | и пневмоаппара- тура Пневмоаппаратура Пневмоцилиндры и пневмоаппара- тура Пневмоаппаратура Трудоем- кость изго- товления манжеты Средняя Низкая * о 1 Относительно । высокая О То же Средняя Уплот- няющее действие Односто- роннее То же То же о к >> X со о То же То же То же Скорость переме- щения уплотняе- мой поверхности, м/с Для диаметров до 160 мм — до 1,0; свыше 160 мм — до 0,5 До 0,5 До 0,5 До 0,5 ! До 2 Не оговорено i До 2 1 Диапазон диаме- тров уплотняемых поверхностей, мм Золотников н што- ков 5 — 200, ци- линдров 10 — 400 Цилиндров до 200 Штоков до 50 Золотников н што- ков 5 — 360, ци- ; линдров 16 — 400 ! 6 а Я я s ~ Ч ~ я §aS gS 1 s°°a 5 ® о O O Q. со « к Золотников н што- ков до 50, цилин- дров до 200 Золотников и што- ков 5—16 Рабочая температура. От —65 до Н-100 ОЭ + о к ю ОЭ От —45 до 4 1 00 От —30 до +120 Не оговорено То же О Рабочее давление, МПа До 1,0 До 1,0 До 1,0 До 1,0 До 1.0 о До 0,5 Тип манжеты U-образного профиля Чашечный Уголковый S-образного профиля Т-образного профиля Л-образного профиля Ф-образного профиля 154
Рис. 6.18. Конструктивные схемы установки манжет для уплотнения по внутреннему диа- метру подвижных соединений профилей (рис. 6.21). К преимуществам этих манжет необходимо отнести высокую долговечность, небольшую величину трения, малогабаритность; к недостаткам — повышенную сложность изготовления. Сальниковые уплотнения, предназначенные для герметизации рабочей среды в соединениях с возвратно-поступательным движением, изготовляют с ручным регулированием усилия затяжки набивки уплотнения (рис. 6.22, а) и автомати- ческим при помощи пружины (рис. 6.22, б, в). К недостаткам сальниковых уплот- нений без пружин относятся: большие потери на трение и сложность обеспечения надежной герметичности из-за трудности контроля усилия затяжки; необходи- мость частой подтяжки в процессе работы; малый срок службы. Установка пружины в сальниковом уплотнении позволяет частично устра- нить указанные недостатки. Пружина может быть смонтирована как со стороны давления, так и с противоположной стороны (см. рис. 6.22). Сальниковые уплот- нения с пружиной, установленной со стороны набивки, противоположной давле- нию, рекомендуется применять при рабочем давлении до 1,0 МПа, а с пружиной со стороны давления — свыше 1,0 МПа [6]. Высокую надежность в работе показали сальники с коническими элемен- тами, изготовленными нз композиций на основе фторопласта-4 с различными на- полнителями: графитом, стекловолокном, коксом [8]. Для повышения анти- фрикционных качеств вводят в состав идвухсернистый молибден. На рис. 6.23 показана конструкция сальникового уплотнения завода «Борец» (г. Москва) с коническими уплотняющими кольцами /, изготовленными из композиций на основе фторопласта-4. Каждый элемент уплотнения состоит из двух уплотня- ющих колец /, помещенных между на- жимными кольцами 2, промежуток между [Таблица 6.10 Эксплуатационные условия для манжет по ГОСТ 6678—72 Группа резины манжет по ГОСТ 6678—72 Рабочее давление, МПа Темпера- тура, *С 1 2 0,005—1,0 От — 27 до +70 От —55 ДО +70 Примечание. Мак- симальная скорость возвратно- поступательного движения уплотняемой поверхности для цилиндров с диаметром до 150 мм — до 1 м/с, свыше 150 мм — до 0,5 м/с. Рис. 6.19. Конструктивная схема установки ча- шечной манжеты с распорной пружиной: а — чашечная манжета; б — схема установки; в — распорная пружина 155
Рнс. 6.20. Манжета уголкового типа Рис. 6.21. Манжетные уплотнения специального профиля: а S-образные; б — Т-образные; в — Л-образные; г — Ф-образные Рис. 6.22. Конструктивные схемы сальниковых уплотнений: а — с ручной затяжкой набивки; б — с подтяжкой набивки пружиной со стороны, про- тивоположной давлению; в — с подтяжкой набнвки пружиной со стороны давления Рис. 6.23. Сальник с уплотняющими элементами, изготовленными иэ комноэицми на основе фторопласта-4 156
которыми перекрыт кольцом 4 нз маслостойкой резины. Первоначальное уплот- нение обеспечивается поджатием колец 1 пружинами 3, затем к этому усилию добавляется усилие от давления рабочей среды на неразгруженную часть саль- никового уплотнения. Число уплотняющих элементов зависит от давления рабо- чей среды. Сальниковые уплотнения этого типа применяют в компрессорах для давления до 60 МПа и обеспечивают ресурс до 5000 ч. В качестве материала для изготовления колец сальниковых уплотнений используют также графитовые, асбестовые и полуметаллические материалы. Значительные габариты, относительно низкая долговечность и большие потери энергии на трение ограничивают область применения этого типа уплотнений в устройствах (поршневых компрессорах, пневмоцилиндрах для работы в усло- виях высоких температуры и давления). Уплотнения щелевого типа (за счет малых зазоров) в основном применяют для герметизации золотниковых пар пневмораспределителей. На рис. 6.24 при- ведена конструктивная схема уплотнения этого типа для пневмораспределителей с плоским золотником, а на рис. 6.25 — с круглым (цилиндрическим) золотни- ком. Щелевые уплотнения не обеспечивают полной герметичности. Обеспечение приемлемой для практики герметичности достигается высокой точностью и малой шероховатостью обработки сопрягаемых золотниковых пар. Для плоских золот- ников — неплоскостность поверхности не более 0,005 мм (только вогнутость), шероховатость поверхности 7?а=0,16мкм. Для цилиндрических золотников необходимо обеспечить диаметральный зазор между золотником и корпусом (втулкой) в пределах 0,002—0,006 мм при шероховатости поверхности Ra = = 0,08 мкм. Герметизация гибкими разделителями. Гибкие разделители применяют при необходимости создания высокой герметичности. Эти разделители могут быть мембранного или сильфонного типов. Материалом для изготовления гибких разделителей служат резины, резиноткани, синтетические материалы и металлы. Мембраны. В пневматических устройствах нашли применение мембраны плоского (рис. 6.26, а), плоского с гофрами (рис. 6.26, б) и фигурного (рис. 6.26, е) типов. По исполнению полей под заделку мембраны изготовляют: с плоскими по- лями; с плоскими полями и утолщением под заделку (рис. 6.27). Диапазон применяемости мембран в устройствах: плоских без гофра — для Цилиндров диаметром 10—630 мм (при толщине мембран 0,2—10 мм); плоских с гофром — для цилиндров диаметром 16—500 мм (при толщине мембран 0,2— 6 мм и высоте изгиба поперечного сечения 1,5—90мм), фигурных мембран—для цилиндров диаметром 25—200 м.м (при толщине мембран 0,2—1мм и высоте Ю—150 мм). Максимальный ход мембран обычно рекомендуется принимать: плоских без гофра — не более 7—15% диаметра заделки мембраны; плоских Рнс. 6.24. Конструктивная схема щелевого уплотнения с плоским золотником Рнс. 6.25. Конструктивная схема щелевого уплотнения с круглым золотником 157
Рнс. 6.26. Мембраны: а — плоские; б — плоские с гофром; в — фигурные с гофром—до 20—25% диаметра заделки мембраны, но не более двойной высоты гофра; фигурных мембран — на 20—25% меньше удвоенной высоты мембраны. Тканевую прослойку мембран выполняют из найлона, дакрона, тефлона, стекловолокна и хлопчатобумажных Рис. 6.27. Конструктивные схемы за- делки мембран тканей, пропитанных акриловой или сили- коновой резиной, бутил-каучуком. Металлические мембраны изготов- ляют из тонких (0,1—0,5 мм) листов спе- циальных сортов коррозионно-стойкой стали и бронзы. Металлические мембраны применяют для устройств, работающих при низкой и высокой 'температурах или агрессивном воздействии окружа- ющей среды. На рис. 6.28 изображены конструк- тивные схемы установки незащемленной мембраны. Эффективная площадь мембраны приближенно определяют по формуле FK = 0,9£)з, где Do — диаметр опорного диска. Рабочий ход мембраны sc 0,8 (Я—6), где Н — высота расточки; 6 — толщина мембраны. Угол расточки а не должен превышать 60° для ! приводов двусторон- него действия; 90° для приводов одно- стороннего действия. Отношение диаметров расточки Dj/D = 0,75-5-0,8 (D и Г)1 см. рис. 6.28). При отношении диаметром менее 0,75 расточка должна образовываться двумя отдельными деталями, что значительно облегчает монтаж мембраны. Диаметр опорных шайб d выполняют иа 2—3 мм меньше внутреннего диаметра расточки Dt. 158
a) Рис. 6.28. Конструктивные схемы установки незащемленных мембран: а — двустороннего действия; б — одностороннего действия Наружный диаметр мембраны изготовляют примерно на 1% больше наружного диаметра расточки D. Угол заострения кромки мембраны принимают (см. рис. 6.28) Р = (0,554-0,65) а. Край кромки мембраны должен иметь скругление радиусом 0,5—1 мм. На рис. 6.28, б приведена конструктивная схема установки мембраны этого типа в пневмоприводах типа В26-4. Сильфоны. В пневматических системах сильфоны нашли применение как силовой элемент ряда приборов (манометров, датчиков, регуляторов); уплотни- тельное устройство штоков и толкателей; сальник для гибкого соединения труб. Сильфоны, как и мембраны, обеспечивают высокую герметичность, однако вели- чина осевого перемещения их незначительна. Сильфоны изготовляют из томпака, латуни, фосфористой и бериллиевой бронзы, антикоррозионных сортов стали, резины и синтетических материалов. Наибольшее перемещение обеспечивают сильфоны из резины — до 50% полной его длины в свободном состоянии в каж- дую сторону. Рекомендуемая максимальная величина перемещения металличе- ского сильфона составляет 25% его свободной длины (15% иа сжатие и 10% на растяжение) [7]. При высоких требованиях к долговечности величина переме- щений сильфона не должна превышать 7—12%. Долговечность сильфона из коррозионно-стойкой стали в циклах до раз- рушения может быть определена из выражения [7]: N = (11 200/s/)3’5, где N — число циклов (деформаций до разрушения); st — амплитуда колебания напряжения, МПа. Металлические сильфоны изготовляют однослойными и многослойными с наружным диаметром от 5 до 250 мм. Номинальное давление сильфонов зависит от конструктивных параметров и материала, из которого они изготовлены. Так, допускаемое давление для однослойных сильфонов малого диаметра составляет до 3 МПа, большого диаметра — до 0,2 МПа. Многослойные сильфоны исполь- зуют в пневматических системах с более высоким рабочим давлением. fl) - 5) Q Рис. 6.29. Конструктивные схемы заделки сильфонов; а резиновый сильфон для защиты штока; б — металлический сильфон для мщнты штока; в — металлический сильфон в роли силового элемента 159
На рис. 6.29 приведены конструктивные схемы заделки сильфонов. К преимуществам металлических сильфонов следует отнести работоспособ- ность в широком диапазоне температур окружающей и рабочей среды. Так, сильфоны из специальных сортов коррозионно-стойкой стали работают при тем- пературе от —240 до +650 °C [7]. 6.3. УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ СОЕДИНЕНИЙ Герметизацию вращающихся соединений пневматических устройств обеспечи- вают контактными и бесконтактными уплотнительными устройствами. К кон- тактным устройствам относятся: радиальные кольцевые, манжетные, сальнико- вые и торцовые уплотнения. К. бесконтактным — щелевые, лабиринтные и не- которые типы других специальных уплотнений. В пневматических устройствах общепромышленного применения наибольшее распространение получили кон- тактные уплотнительные устройства. Бесконтактные уплотнительные устройства нашли применение в компрессорах, пневмотурбинках и специальных пневмати- ческих устройствах. Однако они не обеспечивают полной герметизации соеди- нения. Контактные уплотнения радиального типа. Резиновые кольца круглого сечения рекомендуют для герметизации вращающихся соединений (поворотных пневмодвигателей и соединений) пневматических устройств кратковременного действия с небольшой окружной скоростью. На рис. 6.30 показано поворотное соединение с резиновыми кольцами. При более высоких окружных скоростях (выше 0,5 м/с) или длительной работе на кон- тактной поверхности развиваются высокие температуры, что приводит к выводу уплотнения из строя. Рекомендуемая величина радиального сжатия кольца не должна превышать 5—6% при размещении кольца в канавке, расположенной перпендикулярно оси вращения, и 9—11% при расположении колец в канавке под некоторым углом к плоскости, перпендикулярной к оси вращения [2, 6]. Угол а, (рис. 6.31) обычно принимают равным 3—4°. Наклонное расположение кольца по отношению к оси вращения значительно улучшает отвод теплоты от поверхности трения и подвод смазочного материала, что снижает коэффициент трения и повышает надежность работы уплотнительного узла. Рекомендуется [2] размеры кольца и вала подбирать так, чтобы кольцо можно было монтировать на вал без растяжения, для чего наружный диаметр кольца в свободном состо- янии должен быть на 5—8% больше диаметра донышка канавки. Это обеспечивает контакт кольца с уплотняемой поверхностью вала только за счет окружного и поперечного сжатия кольца без его растяжения. Шероховатость поверхности вала должна быть не выше Ra= 0,25—0,1 мкм, овальность не более 0,01 мм, радиальное биение вала не более 0,05 мм и осевое биение не более 0,3—0,5 мм. Для поворотных пневмодвигателей и соединений не предъявляются высокие требования к долговечности уплотнений, поэтому требования к точности и шеро- ховатости обработки менее жесткие. Манжеты. Герметизацию вращающихся соединений устройств манжетами в основном применяют при давлении рабочей среды до 0,6 МПа. Как и для уплот- Рис. 6.30. Поворотное соеди- нение Рис. 6.31. Конструктивная схема установки круглого кольца в канавке под углом к плоскости, перпендику- лярной к осн вращения 160
Рис. 6.32. Конструктивные схемы уста- новки манжет по ГОСТ 8752—79 без ко- нусного (а) н с конусным (б) упорами скорости вращения вала. Сложность обеспе- нительных соединений с кольцами круглого сечения, основной причи- ной выхода из строя уплотнитель- ных соединений манжетного типа является высокая температура в месте контакта манжеты с по- верхностью вала. Эта температура повышается при увеличении давле- ния рабочей среды и окружной чения подачи смазочного материала к месту контакта манжеты с поверхностью вала и отвода теплоты ограничивают использование манжет для герметизации устройств с высокой окружной скоростью (как правило, не выше 10 м/с). Конструктивная схема установки манжет по ГОСТ 8752—79 приведена на рис. 6.32. При давлении рабочей среды выше 0,05 МПа рекомендуется уста- новка конусного упора (см. рис. 6.32, б) для предохранения рабочей кромки манжеты от выворачивания. Манжету следует устанавливать на вал с натяже- нием, при котором внутренний диаметр уплотняющих кромок увеличивается на 5—8% [2]. На практике внутренний диаметр манжеты в свободном состоянии обычно выбирают на 1—2 мм меньше диаметра вала. Материалом для изгото- вления манжет служат различные сорта резин и кожа. Технические требования к деталям, сопряженным с уплотнениями манжет- ного типа приведены в табл. 6.11 [5]. Перед монтажом необходимо правильно собрать и смонтировать пружину на манжетах по ГОСТ 8752—79. Пружина, свернутая в кольцо, должна ложиться на плоскость, при этом допускаемый просвет не должен быть более 2 мм. Смонтированная на манжете пружина должна равномерно облегать сжимаемую кромку манжеты. Манжета должна быть плотно установлена в корпусе, исключающем ее проворачивание или осевое переме- щение. Сальниковые уплотнения. Этот тип уплотнений применяют для защиты вну- тренних полостей устройств от пыли и влаги, герметизации рабочей среды, а также предотвращения утечки смазочного материала из подшипниковых узлов пневматических устройств. На рис. 6.33 приведены основные конструктивные схемы сальниковых уплотнений. Наиболее просты сальниковые уплотнения, предназначенные для защиты внутренних полостей устройств от попадания пыли н влаги (см. рис. 6.33, а). Это уплотнение не обеспечивает герметизацию избыточ- ного давления. Материалом для набивки сальникового уплотнения этого типа Таблица 6.11 Технические требования к деталям, сопряженным с уплотнениями манжетного типа Показатели Вал Отверстие Шероховатость поверхности Твердость поверхности трения для стали НЯС, не менее Квалитет по СТ СЭВ 145 — 75 Радиальное биение (мм, не более) при ча- стоте вращения вала, с-1 (об/мин): до 8,3 (до 500) св. 8,3 до 25 (св. 500 до 1500) . . Несоосность посадочного места относи- тельно оси вала (мм, ие более) при диа- метре посадочного гнезда: до 80 се. 80 до 150 Ra ~ 0,63 — 0,16 мкм 30 10 0,20 0,15 На = 2,5 — 1,25 мкм 8 0,12 0,15 6 Е. В. Герц и др. 161
Рнс. 6.33. Конструктивные схемы сальниковых уплот- нений для соединений с вра- щательным движением служат фетровые и войлочные кольца. Аналогично сальниковым уплотнениям для соединений с возвратно-поступательным движением, их разделяют на уплот- нения с ручной и пружинной затяжкой набивки (см. рис. 6.33, б, в). Повышение надежности и герметичности сальниковых уплотнений дости- гается подбором материалов с хорошими антифрикционными свойствами и тепло- проводностью. Наиболее полно этим требованиям отвечают графитовые и полу- металлические набивки. Для обеспечения самосмазывания сальникового уплот- нения в набивках используют графит, баббит и другие антифрикционные мате- риалы. В устройствах сальниковые уплотнения применяют, как правило, во вра- щающихся соединениях с рабочим давлением до 1,0 МПа и окружной скорости вращения вала до 10 м/с. Из-за малой долговечности и значительных размеров этот тип уплотнений не нашел широкого применения в пневматических устрой- ствах общемашиностроительного применения. Вопросы расчета сальниковых уплотнений подробно освещены в работе [6]. Торцовые уплотнения в последнее время все шире используют для гермети- зации вращающихся соединений пневматических устройств. К их преимуществам относятся высокая долговечность, надежная герметизация при работе (враще- нии) соединения, работоспособность в широком диапазоне температуры, возмож- ность работы без дополнительной подачи смазочного материала и незначительные потери мощности на трение. На рис. 6.34 показаны конструктивные схемы не- разгруженного и разгруженного торцового уплотнения. У неразгруженных торцовых уплотнений на запирающих поверхностях устанавливается отношение давлений р'/р > 1, у разгруженных р'/р < 1 [6], где р' — среднее контактное давление на запирающих поверхностях от усилий поджатия; р — давление ра- бочей среды. Торцовое уплотнение состоит из уплотнительного кольца 1, поджимаемого пружиной 2 к торцу опорного кольца 3. Уплотнительное кольцо 1 имеет свободу перемещения в осевом направлении, что дает возможность пружине 2 создать на контактных поверхностях уплотнительного узла давление, достаточное для обеспечения герметичности при давлении рабочей среды, близком к нулю. При возрастании давления к усилию пружины 2 добавляется усилие давления рабо- чей среды иа неразгруженную площадь уплотнительного кольца. Это приводит к возрастанию контактного давления. С целью исключения вращения уплотни- тельного кольца в конструкции должна быть предусмотрена механическая связь Рнс. 6.34. Конструктивные схемы торцовых уплотнений: а — неразгруженного типа; б — разгруженного типа 162
Рис. 6.35. Конструкции торцовых уплотнений: а —с сильфоном; б —с эксцентричным расположением уплотнительного кольца; » — со свободно плавающим графитовым уплотнительным кольцом его с корпусом (шпонкой, штифтом, пайкой к сильфону и т. п.). Герметизация зазора между корпусом и валом обеспечивается установкой резиновых колец, манжет или сильфонами. У разгруженного торцового уплотнения снижение контактного давления на площадь уплотнительного кольца 1 достигается частич- ной разгрузкой его от давления рабочей среды. Площадь кольца f = -j- № — as)> на которую действует давление рабочей среды (см. рис. 6.34, б), выбирают меньше площади контакта пары F = (d^ — d|). Отношение f/F — называют коэффи- циентом уравновешивания [3]. Подбором отношения f/F можно обеспечить пол- ную разгрузку уплотнительного кольца от давления рабочей среды. На прак- тике всегда производят только частичную разгрузку, что повышает герметичность соединения при хороших показателях долговечности. Отсутствие или недостаточ- ная подача смазочного материала к поверхностям контакта торцового уплотне- ния, характерная для пневматических устройств, приводит к необходимости применять разгруженные торцовые уплотнения даже при рабочем давлении 0,6—1,0 МПа. При высоких требованиях к герметичности соединения торцовые уплот- нения применяют в сочетании с сильфонами (рис. 6.35, а, в). При высоких да- влениях рабочей среды применяют двойное торцовое уплотнение с принудитель- ной циркуляцией жидкости для подачи смазочного материала к поверхностям трения и отвода теплоты, возникающей при трении [7]. Давление жидкости принимают на 0,1—0,2 МПа выше давления запираемой рабочей среды. Не ре- комендуется применение торцовых уплотнений для высоких давлений газа без принудительной подачи смазочного материала и отвода теплоты от контактных поверхностей. На рис. 6.35, б показано оригинальное торцовое уплотнение, которое со- стоит из неподвижного уплотнительного кольца 1, эксцентрично установленного относительно вала 2. Это значительно улучшает условия подачи смазочного материала и отвода теплоты от мест контакта трущихся деталей [6]. Уплотня- ющая кромка имеет очень малую ширину (0,125 мм) й является частью гибкой мембраны, что обеспечивает малую силу трения и предохраняет место контакта от загрязнений. Данное уплотнение показало высокую работоспособность при высоких давлениях рабочей среды и больших скоростях вращения, хорошую температуроустойчивость, коррозиоииостойкость и долговечность. На рис. 6.35, в приведена конструкция торцового уплотнения со свободно плавающим кольцом, что позволяет уменьшить скорость скольжения уплотняемого кольца в месте контакта [2]. Плавающее кольцо в этом уплотнении изготовляют из графита или пластмассы, а сопряженные с ним кольца из стали. На рис. 6.36, а изображена головка подвода воздуха с одним подводом и с торцовым уплотнением. Стальной шпиндель 1 установлен в корпусе 2 на двух 6* 163
Рис. 6.36. Головки подвода воздуха радиальных шарикоподшипниках. Уплотнение вращающегося шпинделя дости- гается применением втулки 3 из графитовой бронзы, поджимаемой к торцу шпин- деля усилием пружины и давлением сжатого воздуха. На рис. 6.36, б изображена головка с двумя подводами воздуха и торцовыми уплотнениями 1 и 3 из графи- товой бронзы, поджатыми пружиной 2. Значительное влияние на работоспособ- ность торцового уплотнения оказывает выбор ширины пояска уплотнительного кольца. Исследования различных материалов уплотнительного соединения (сталь — бронза, сталь — фторопласт, сталь — бронзографит, сталь — же- лезографит, сталь — графит, сталь — текстолит различных марок) для муфт подвода воздуха к вращающимся пневмоцилиндрам станков, проведенные во ВНИИГидроприводе, показали, что лучшие результаты обеспечивает пара сталь— текстолит марки ПТК. При диаметрах уплотнительного кольца до 50 мм и ши- рине пояска 1,5—2 мм торцовое уплотнение с этой парой обеспечивало надежную работу при давлении сжатого воздуха до 1,0 МПа и частоте вращения 50 с-1 (3000 об/мин). Для обеспечения высокой надежности работы торцовых уплотне- ний необходимо обеспечить определенные требования при изготовлении уплот- няемого и опорного колец. Величина торцового биения для колец с диаметром до 50 мм и частоте вра- щения вала до 50 с-1 (3000 об/мии) не должна превышать 0,02 мм. Неперпенди- кулярность плоскости уплотнительного пояска кольца к оси вала, при указан- ных выше значениях диаметра кольца и частоте вращения вала, не должна пре- вышать 0,01—0,02 мм. Неплоскостность уплотняющих поверхностей колец не должна превышать 1—2 мкм. Малые значения неплоскостности улучшают гер- метичность, однако условия отвода теплоты ухудшаются. Допуски на точность изготовления уплотняемого и опорного колец могут быть снижены при примене- нии уплотнительных колец со сферическими контактными поверхностями [2]. Рнс. 6.37. Муфта подвода воздуха с щелевым уплотнением 164
Рис. 6.38. Разновидности ла- биринтного уплотнения с расположением гребней: a — односторонним; б — двусторонним Шероховатость рабочих поверхностей уплотнительного и опорного колец должна быть Ra = 0,160—0,080 мкм. Бесконтактные уплотнительные устройства. Из существующих типов бескон- тактных уплотнительных устройств в пневматических устройствах нашли при- менение уплотнения щелевого и лабиринтного типов. Уплотнения щелевого типа не обеспечивают полной герметичности. Величина утечек через уплотнение зависит от давления рабочей среды, геометрических размеров щели и режима истечения воздуха. С целью снижения утечек зазор в сопрягаемых деталях стараются делать возможно меньшим, а длину щелевого зазора большей. Изображенная на рис. 6.37 муфта подвода воздуха к вращающимся пневмо- цилиндрам по МН 3453—62 с использованием щелевого уплотнения (между вра- щающимся шпинделем 1 и втулкой 2) предназначена для работы при давлении сжатого воздуха до 0,6 МПа и частоте вращения 20 с'1 (1200 об/мин). Известны конструкции муфт, обеспечивающие работу при частоте вращения 67 с-1 (4000 об/мин). Втулка 2 муфты изготовлена из материала с высокими антифрик- ционными свойствами. Смазочный материал подается через масленку, которая ввинчивается в отверстие А. Кольцевые проточки на втулке служат для сбора загрязнений, попавших в кольцевой зазор, что предохраняет вращающее соеди- нение от заклинивания. Щелевые уплотнения имеют незначительные потери энергии от трения, однако высокие требования к их изготовлению, утечка рабочей среды, чувствительность к наличию загрязнений и температурным деформациям ограничивают области их применения в устройствах. В уплотнениях лабиринтного типа рабочая среда герметизируется за счет дросселирования ее при движении через последовательно расположенные суже- ния. Как и щелевые уплотнения, они не обеспечивают полной герметичности. По виду движения потока рабочей среды в лабиринтном уплотнении их разделяют на уплотнения с односторонним расположением гребней (рис. 6.38, а), в которых движение потока прямолинейное, и с двусторонним (рис. 6.38, б) — с поворотом потока на 180°. Рис. 6.39. Варианты кольцевых выточек лабиринтного уплотнения 165
Таблица 6. ]2 Физико-механические свойства материалов уплотнения Материал Модуль упругости Е. 10'5, Па Предел прочности, а. 10“5, Па Твердость Относительное удлинение при разрыве, % Теплостойкость по Мартенсу, °C Теплопровод- ность. кДж/(м. ч • К) Коэффициент линейного рас- ширения Коэффициент трения по стали Коэффициент Пуассона Пористость. % по отноше- нию к массе Предельная рабочая тем- пература. °C на сжатие на рас- тяжение на изгиб без смазки при смазке Резниа 30 — 70 — 100—140 — 55-70 (по ТМ-2) 140 — 300 __ 0,42 — 0,84 12-Ю-5 0,8 0,02 — 0,08 0,45 — 8—120 Фторопласт-4 1700 120 160 110 — 140 НВ 3 — 4 250 — 500 — 0,84 (8—21) 10“5 0,07 — 0,1 0,06 — 195—250 Полнкапро- лактам (капрон) 8000 600 — 650 700 — 800 900 НВ 10—12 150 — 200 i 50 — 55 0,924 (11-14) 10-» 0,106 0,092 80 — 90 Графит (4,7 —7,5) 10’ 1 260 — 2 590 70—210 260 — 910 HSh 30 — 100 — — 336 — 672 (2,7 —3,6) 10-’ 0,23 0,04 — 4 — 20 * 315 — 340 Сталь 2,1 •10е 4 000 — 10 000 — НВ 100 — 300 17 — 40 — 168 — 210 1210-“ 0,18—0,5 0,09 0,25 — 0,3 — 480 Бронза (0,63—1,05) 10' — 4 600 — — 20 — 30 1 — 231 18-10-“ 0,18 0,1 0,32 — 0,35 — 260 Чугун (0,7 — 1,25) 10’ 6 DOO- 14 000 1 400 — 2 500 — — — — — (10,8—14,4) 10-“ 0,15 — 0,18 0,1 0,23 — 0,27 — 340 — 370 Полиэтилен нд (5-8) 10s — 200 — 400 200 — 380 70—120 (по Джонсону) 150 — 800 125 1,43 ю-‘ 0,045 0,032 — — — Полиамид П-68 12 000 400 — 500 800 — 1 000 800 — 850 НВ 14 — 15 100 60 (11 — 12) 10-* 0,098 0,091 — — 120 — 160 Текстолит птк (4-6,5) 10’ 1 500- 2 500 1 000 1 600 НВ 35 1 125 0,63 (2 — 4) 10-’ 0,25 — 0,4 0,Ol- О. 05 — — — * Для непропнтаиных графитов. 166 167
0,2-DJMM Рис. 6.40. Конструктивная схема установки лабиринт- ного уплотнения Размеры канавок и зазоры лабиринтных уплотнений рекомендуется подбирать методом, изложенным в работе [6]. Форма кольцевых выточек лабиринтного уплотнения оказывает малое влияние на качество герметичности уплот- нения этого типа. Из различных вариантов форм выточек для сжатого воздуха рекомен- дуется вариант, изображенный на рис. 6.39, д, обеспечивающий лучшие результаты по герме- тичности и технологичности изготовления [6]. Лабиринтные уплотнения обла- дают высокой надежностью, имеют небольшие потери энергии на трение в уплотнительном узле, однако утечка рабочей среды в них относительно ве- лика. Конструктивная схема установки лабиринтного уплотнения приведена на рис. 6.40. 6.4. МАТЕРИАЛЫ УПЛОТНЕНИЙ Материал уплотнений выбирают с учетом следующих факторов: характера уплот- няемого соединения (неподвижное, возвратно-поступательное или вращательное); режима работы (скорости и интенсивности рабочих движений); давления рабочей среды; температуры окружающей и рабочей среды, требований к герметичности и долговечности; конструктивных параметров соединения и др. В табл. 6.12 приведены физико-механические свойства различных матери- алов уплотнений [6]. Ниже приведен ряд рекомендаций, составленный на основании работ [1, 2, 6, 7, 8], которые необходимо учитывать при выборе материала уплотнений. Резиновые уплотнения обеспечивают надежную работоспособность в отно- сительно узком интервале температуры. Их долговечность снижается при по- вышенных давлениях рабочей среды и недостаточном смазывании трущихся поверхностей. Быстрому выходу из строя резиновых уплотнений способствует прилипание их к поверхности металлических изделий, при этом значительно воз- растает усилие, необходимое для страгиваиия подвижных частей пневматиче- ских устройств, и повреждаются рабочие кромки уплотнений. Наиболее эффек- тивным методом борьбы с прилипанием является создание на резиновых деталях уплотнений защитных покрытий из фторопласта или других материалов, не склонных к прилипанию, применение комбинированных кольцевых уплот- нений или покрытие металлических поверхностей. Фторопласт-4 рекомендуется применять в пневматических устройствах, где от материала уплотнений требуется высокая тепловая и химическая стойкость. При этом следует иметь в виду увеличение его мягкости с повышением темпера- туры и текучесть на холоде. Недостаток эластичности фторопласта обычно компенсируют комбинацией его установки с резиной или поджатием пружиной. Из-за этого недостатка фторо- пласт-4 ие рекомендуется для изготовления самоуплотняющихся уплотнений при невысоких давлениях. Уплотнения из фторопласта при сборке рекомендуется смазывать, что снижает коэффициент трения. Как правило, уплотнения из фторо- пласта-4 не обеспечивают надежной герметизации при длительной эксплуатации из-за нарушения геометрических размеров. К недостаткам фторопластовых уплотнений относится также плохой отвод теплоты от места контакта (это особенно характерно для пневматических уст- ройств с вращательным движением уплотнительного узла), что приводит к пере- греву трущейся поверхности уплотнения и быстрому износу. Графит можно применять как в чистом виде, так и после его пропитки мас- лами, синтетическими смолами, медью, свинцом, баббитом и другими легкоплав- кими сплавами металлов. Вследствие того что графит является инертным матери- алом, хорошо рассеивает теплоту, выдерживает термические напряжения и обла- 168
дает самосмазывающими свойствами, уплотнения иа его основе нашли приме- нение для особо тяжелых условий работы (высокие давления и скорости, широкий диапазон рабочих температур окружающей или рабочей среды). Для изготовления манжет обычно используют кожу, обработанную дубиль- ными веществами и пропитанную воском или синтетическими резинами. Уплот- нения из кожи рекомендуется применять при температуре не выше 80—85 °C. Кожа обладает свойством фитильной смазки, что снижает коэффициент трения. Однако при хорошей подаче смазочного материала, коэффициент трения уплот- нений, изготовленных из-кожи, выше коэффициента трения уплотнений, изгото- вленных из резины. Композиционные материалы рекомендуются для режимов работы с высокими требованиями к надежности герметизации и долговечности. В настоящее время стали применять композиционные материалы на основе фторопласта и наполни- телей из графита. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абрамов Е. И., Колесниченко К. А., Маслов В. Т. Элементы гидропривода. Киев: Техника, 1977. 320 с. 2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М.: Маши- ностроение, 1971. 664 с. 3. Гуревич Д. Ф. Расчет н конструирование трубопроводной арматуры. Л.: Машино- строение. 1969. 887 с. 4. Детали машин. Расчет и конструирование. Под ред. Н. С. Ачеркана. Т. 2. М.: Машиностроение, 1969. 432 с. 5. Кисельников в. Б. Пневматические приводы и аппаратура электросварочного оборудования. Л.: Машиностроение, 1978. 200 с. 6. Макаров Г. В. Уплотнительные устройства. Л.: Машиностроение, 1973. 232 с. 7. Башта Т. М., Зайченко И. 3., Ермаков В. В., Хаймович Е. М. Объемные гидравли- ческие приводы. М.: Машиностроение, 1969. 628 с. 8. Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проекти- рования. Л.: Машиностроение. 1969. 743 с.
Глава 7 ПНЕВМОЛИНИИ Пневмолинин предназначены для транспортирования сжатого воздуха в пневма- тических системах. В состав пневмолиний входят трубопроводы и соединения, обеспечивающие разветвление пневмолиний, присоединение трубопроводов к аг- регатам, устройствам и элементам пневматических систем, соединения участков трубопроводов между собой. 7.1. ТРУБОПРОВОДЫ Выбор типа и материала трубопровода зависит от рабочего давления, темпера- туры и агрессивности окружающей и рабочей сред, вида соединений труб, усло- вий гибки и монтажа, массы и стоимости труб. Трубопроводы могут быть гибкими и жесткими. Необходимость в применении гибких трубопроводов возникает в тех случаях, когда нужно подвести сжатый воздух к пневматическим устройствам, закрепленным на узлах и механизмах, имеющих относительное перемещение, или поочередно к различным потребителям от одного источника. Гибкие трубо- проводы удобнее для монтажа, особенно в труднодоступных местах. В качестве жестких трубопроводов применяют обычно металлические трубы. Трубы из меди, медных сплавов, латуни и алюминиевых сплавов отличаются высокой гибкостью, удобны для применения на коротких участках со сложными изгибами и при необходимости подгонки в процессе монтажа. Эти преимущества в наибольшей степени проявляются при небольших диаметрах, поэтому такие трубы применяют большей частью до диаметров 20—25 мм. Трубы из цветных металлов не требуют специальных покрытий против коррозии, однако стоимость их достаточно высока. Стальные трубы применяют обычно для больших диаме- тров. Трубы из углеродистой стали необходимо предохранять от коррозии по- крытием цинком, медью и т. д. В качестве гибких трубопроводов применяют резинотканевые рукава, трубки из синтетических материалов (полиэтилена, полихлорвинила и др.), пневмати- ческие кабели, содержащие определенное число синтетических трубок. Преиму- ществом гибких трубопроводов из синтетических материалов является их высо- кая стойкость против коррозии, небольшая стоимость, малая масса и удобство монтажа. Расчет трубопроводов. Размер трубопроводов в определенной мере определяет качественные характеристики пневматических систем, особенно в части непроиз- водительных потерь (потерь давления), быстродействия и т. п. Трубопроводы следует рассчитывать в такой последовательности: а) опре- делить ориентировочную величину внутреннего размера трубопровода по задан- ному расходу; б) определить потери давления по длине трубы и потери давления на местных сопротивлениях; в) суммарные потери давления сравнить с допусти- мыми, при значительном расхождении соответственно изменить диаметр трубы и сделать перерасчет (выбранный диаметр трубопровода корректируют по сорта- менту); г) рассчитать (проверить) на прочность. 170
Внутренний диаметр трубопровода определяют по формуле: Г ям р ’ где Q — расход воздуха; ш — скорость воздуха; р0; р — плотность воздуха соот- ветственно при нормальном атмосферном давлении и при давлении в трубопро- воде. Оптимальная скорость движения воздуха в трубопроводах зависит от многих факторов, в том числе от их размеров и назначения. В магистральных трубопроводах в зависимости от их протяженности, рабо- чего давления и расхода воздуха скорость воздуха рекомендуется принимать от 6 до 12 м/с. Для предприятий с относительно малой протяженностью маги- стральных трубопроводов (до 300 м) при давлении до 0,6—0,7 МПа скорость воздуха допускается принимать выше 10—15 м/с. Величина потерь давления в магистральных трубопроводах при прохождении сжатого воздуха от компрес- сора до потребителя не должна превышать 5—10% рабочего давления. Для подводящих трубопроводах, соединяющих элементы пневмопривода, рекомендуемые максимальные скорости движения воздуха составляют 16—40 м/с. Меньшие значения скорости принимают при более высоких рабочих давлениях. Уменьшение скорости воздуха при тех же величинах расходов может привести к увеличению проходных сечений трубопроводов, пневмоаппаратуры и устройств и неоправданному увеличению размеров и массы всей системы. Приближенно потери давления в жестких трубопроводах и в резиновых рукавах можно определить по номограммам (рис. 7.1, 7.2) [4]. Пример пользования номограм- мой на рис. 7.1 показан штриховой линией. Если расход Q = 2 м3/мин, а давле- ние р = 0,4 МПа, то при внутреннем диаметре трубопровода dr = 19 мм потеря давления составит 0,002 МПа. В правой части номограммы на рис. 7.2 даны по- тери давления на 1 м длины резиновых руковов при давлении воздуха 0,4 МПа. Левая часть номограммы дает возможность определить потерю давления для рукавов длиной 1—30 м при давлении воздуха 0,1—0,8 МПа. Например, если при давлении 0,4 МПа расход воздуха Q = 2 м3/мин, а внутренний диаметр рукава с/т = 19 мм, то потеря давления на 1 м длины рукава составит примерно 0,0018 МПа (см. штриховую линию на рис. 7.2). Перенеся точку, определяющую потерю давления, в левую часть номограммы до вертикальной линии, соответ- ствующей давлению р — 0,4 МПа, и перемещаясь по наклонной линии, можно определить потерю давления для других условий (для р = 0,6 МПа Ар = = 0,0011 МПа). При длине рукава I = 20 м и давлении 0,7 МПа Ар = 0,02 МПа. Потери давления на местных сопротивлениях можно приближенно опре- делить по номограмме на рис. 7.1, если пользуясь данными табл. 7.1 заменить каждое из местных сопротивлений длиной трубопровода, эквивалентной ему по сопротивлению. Таблица 7.1 Длина трубопроводов, эквивалентная величине местных сопротивлений Вид местного сопротивления Длина трубопровода (м) при условном проходе трубопровода, мм 8 10 12 16 20 25 32 40 50 100 150 200 Нормальное ко- лено г -- 4d Тройник Задвижка Вентиль нор- мальный: угловой проходной 2 3,5 3 4 3,5 4,5 4 5 4,5 5,5 0,2 2 0,3 6 0,3 2,6 0,4 6,5 9,0 0,35 3,2 0,5 8,0 12,0 0,4 4 0.7 10 15 1,0 10 1,5 20 35 1,7 17 32 60 2,4 24 3,5 45 65 171
Рис. 7.1. Номограмма для определения потери давления на 1 м длины жестких воздухо- проводов Общая величина потерь давления равна сумме потерь давления на прямых участках трубопроводов и в местных сопротивлениях Др Дрт Дрм. При выборе труб по прочностным характеристикам следует исходить не только из величины передаваемого давления, но и из возможности механического повреждения труб, условий гибки, конструкции соединений и т. п. В основном применяют трубы, для которых отношение наружного диаметра трубы D к тол- щине стенки 6 менее 16. В этом случае прочность прямых отрезков трубопрово- дов, нагруженных внутренним статическим давлением, может быть определена следующим образом [2]. 172
0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 173
Таблица 7.2 Характеристика металлических трубопроводов Внд трубопроводов | Размер, мм Давление Материал Примечание Трубы стальные во- Условный проход 6—150; Г ндравлнческое давление Сталь по ГОСТ 380 — 71 Трубы можно изготовлять догазопроводные (ГОСТ 3262—75): наружный диаметр 10,2 — 165 Толщина стенкн: испытания, МПа: без покрытия илн с цин- ковым покрытием наруж- ной и внутренней по- с резьбой н в комплекте с муфтами; без резьбы и муфт; без резьбы в ком- легкие обыкновенные усиленные 1,8—4,0 2,0—4,5 2,5—5,5 2,5 2,5 3,2 5 — по заказу по- требителя верхностен трубы плекте с муфтами Трубы стальные бес- Наружный диаметр 25 и Давление прн нспыта- Сталь Ст2сп; Ст4сп; По заказу потребителя шовные горячек ата- выше ниях без осевого подпо- Ст5сп, Стбсп; 10, 20, 35, трубы можно поставлять ные, ГОСТ 8732 — 78 Толщина стенки не ме- нее 2,5 ра определяют по фор- муле где d и б — внутренний диаметр и минимальная толщина стенкн; R^ — допускаемое напряжение при испытаниях 45, 10Г2, 20Х, 40Х, ЗОХГСА, 15ХМ, ЗОХМА, 12ХН2 термически обработан- ными Трубы из нержавею- Наружный диаметр 8— Гидравлическое давление Сталь 04Х18Н10, Трубы поставляют в тер- щей стали электро- 102 испытания р — 6 МПа, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, мнчески обработанном со- сварные (ГОСТ 11068—64) Толщина стенкн 1—4 но не более: 2бЯ„ р _ - (7?н равно 40 % времен- ного сопротивления раз- рыву). По требованию потребителя давление можно увеличить, но не выше полученного по формуле 08Х18Н12Т, 12Х18Н12Т, 10Х17Н13М2Т, 10X17H13M3T, 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 06ХН28МДТ стояния По требованию потребителя трубы можно поставлять без термиче- ской обработки Трубы бесшовные хо- лодно- и теплодефор- мнрованные из кор- розионно-стойкой ста- ли (ГОСТ 9941—72) Наружный диаметр 5 — 250, толщина стенки 0,2 — 22 Сталь 08Х17Т, 08X13, 12X17, 15Х25Т, 04Х18Н10, 08Х20Н14С2, 08Х17Н13М2Т, 08Х18Н12Б, 10Х23Н18, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х17Н16МЗТ, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, То же Трубы бесшовные го- рячедеформированные из коррозионно-стой- кой стали (ГОСТ 9940—72) Трубы бесшовные осо- ботонкостеиные из коррозионно-стойкой стали (ГОСТ 10498—63) Трубы стальные пре- цизионные (ГОСТ 9567—75) Горячекатаные Холоднокатаные и хо- лоднотянутые Трубы стальные элек- тросварные холодно- тянутые и холодно- катаные (ГОСТ 10707 — 73) Трубы стальные бес- шовные холоднодефор- мнрованные (ГОСТ 8734—75) Наружный диаметр 325, толщина стенки 3,5 — 32 Наружный диаметр 4 — 120, толщина стенкн 0,2 — 1 Наружный диаметр 25 — 325, толщина стенки 2,5—50 Наружный диаметр 5 — 710, толщина стенкн 0,2 — 32 Гидравлическое давление испытания 2б«н равно 40 % времен- ного сопротивления раз- рыву) Гидравлическое нлн пневматическое давление прн испытаниях: для труб диаметром до 20 мм — не менее 0,5 МПа; для труб диа- метром более 20 мм — не менее 1,0 МПа Давление при испыта- ниях без осевого под- пора 2б*н Наружный диаметр 5 — 110, толщина стенкн 0,5 — 5 Давление ниях без при осевого испыта- подпора Наружный диаметр 5 — 250, толщина стенкн для особотонкостенных 0,3 — 4; для тонкостенных 0,6—16; для толстостен- ных 1.6 — 24 Р d 09Х14Н18В2БР, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х22Н5Т Сталь 08X13, 08Х17Т, 12X13, 12X17, 15X28, 15Х25Т, 04Х18Н10, 10Х23Н18, 08Х17Н15МЗТ, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т. 12Х18Н9. 12Х18Н10Т. 12Х18Н12Т, 09Х14Н19В2БР, 17Х18Н9. 08Х22Н6Т Сталь 06Х18Н10Т, 09Х18Н10Т, 13Х13С2М2, 06Х16Н15МЗБ, 04Х16Н15МЗБ, ОЗХ16Н15МЗБ Сталь Ст2сп, Ст4сп, Ст5сп, Стбсп, 10, 20, 35, 45, 10Г2, 20Х, 40Х, ЗОХГСА, 15ХМ, ЗОХМА, 12ХН2 Сталь 10. 20. 35. 45. 10Г2, 15Х, 20Х, 40Х, ЗОХГСА, 15ХМ Сталь 10, 20, 35, 45, 10Г2, 15Х, 20Х, 40Х. ЗОХГСА. 15ХМ Сталь 10, 20, 35, 45, 10Г2, 15Х, 20Х, 40Х, ЗОХГСА, 15ХМ Термообработку труб про- водят по требованию по- требителя В зависимости от заказа трубы можно поставлять с травленной, шлифован- ной, полированной или электрополированной на- ружной поверхностью, а также с травленной или электрополированной внутренней поверхностью Трубы поставляют в тер- мически обработанном со- стоянии По заказу потребителя трубы можно поставлять термически обработан- ными Трубы изготовляют тер- мически обработанными. Без термообработки изго- товляют трубы, у кото- рых отношение наружно- го диаметра к толщине стенкн 50 и более, и по за- казу потребителя То же
Продолжение табл. 7.2 Примечание 1 * Трубы изготовляют мяг- кими (отожженными) (М); । полутвердыми (ПТ), твер- j ! ДЫМИ ( 1 ) 1 Трубы изготовляют мяг- кими (М) и полутверды- 1 ми (ПТ) Трубы изготовляют отож- женными, закаленными и естественно состаренны- ми (Т), закаленными и искусственно состарен- ными (Т1), нагартованны- ми (Н) । Трубы изготовляют зака- ленными и естественно со- старенными, отожженны- ми, без термообработки Материал 1 J Медь Ml, М1Р, М2, М2Р, , М3, МЗР, томпак Л96 1 Латунь Л63, Л68 I Латунь Л60, Л63, ЛС-59-1, 1 ЛЖМЦ59-М Алюминий АДО, АД1, алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, । АМго, АМгб, АВ, Д1, 1 Д16 Алюминий АДО, АД1, АД, алюминиевые спла- 1 вы АМц. АМг2, АМгЗ, АМгб, АМгб, АД31, АВ, Д1, Д16, АК6, В95, | 1915, 1925 Давление j 1 Гидравлическое давление испытания 03 с S §|-о II а. Испытания на герметнч- i ность проводят прн гид- равлнческом давлении | 5 МПа 1 Временное сопротивление разрыву 60 — 520 МН/м2 в зависимости от марки материала, термообработ- ки и размеров 3 — генкн 2 'енки 1 = > * X <и 1 ем генки 6— генкн 18 — генки Размер, мм жный диаметр толщина ci 7жный диаметр о К! X X е» О гжный диаметр толщина ci 10 сх О S X 3 X я X X сч <жный диаметр толщина сп •10 гжнын диаметр толщина сп 40 7 Ь. сх О 1 1 «о о X 00 х2о X —Г Х2О- , Нг I 34i : U 1 Вид трубопроводов 1 Трубы медные (ГОСТ 617—72) Тянутые и холоднока- таные трубы Прессованные трубы j Трубы латунные (ГОСТ 494 — 76) Тянутые и холодно- катаные 1 Прессованные Трубы алюминиевые (ГОСТ 18475 — 73) 1 п- Трубы прессованные 1 из алюминия и алю- миниевых сплавов (ГОСТ 18482 — 79) 176
Таблица 7.3 Характеристика рукавов и трубок резиновых Вид трубопроводов Размер, мм Давление Примечание Рукава резино- вые напорные с нитяным уси- лением неармн- рованные (ГОСТ 10362 — 76) Внутренний диаметр 4—25 Предельное ра- бочее давление 0,1 —2,5 МПа Рукава работоспособны в рай- онах умеренного и тропиче- ского климата при температу- ре от —50 до +90 °C, в райо- нах с холодным климатом — при температуре от —60 до +90 °C. Температура рабо- чей среды (воздух, нейтраль- ные газы) от —50 до +60 °C Рукава резино- вые напорные с текстильным каркасом (ГОСТ 18698 — 79) Внутренний диаметр 10—63 Рабочее давле- ние (стати- ческое) 1,0 МПа Рукава работоспособны в рай- онах умеренного (температу- ра от —35 до + 50 °C) н тропи- ческого климата (температура от —20 до +55 °C), а также в районах с холодным клима- том при температуре от —50 до +50 °C. Температура рабо- чей среды (воздух и инертные газы) от —35 до +50 °C Рукава резино- вые напорно- всасывающие с текстильным каркасом неарми- рованяые, ГОСТ 5398 — 76 Внутренний диаметр 16—325 Рабочее давле- ние 0,3 — 0,5 МПа Рабочий вакуум 0,08 МПа Температура работоспособ- ности в районах с умеренным климатом от —35 до +90 °C, с тропическим климатом от — 10 до +90 °C, с холодным климатом от —50 до +70 °C Трубки резино- вые технические, ГОСТ 5496-78 Внутренний диаметр 2 — 40, толщина стенки 1,3 — 8 Условная проч- ность прн рас- тяжении 4 — 5 МПа Температура от —45 до + 90 °C Пластмассовые трубопроводы Таблица 7.4 Внд трубопроводов Размер, мм Давление Примечание Трубы напорные из полиэтилена (ГОСТ 18599 — 73) Наружный диа- метр 10 — 630, толщина стенки 2 — 25 для труб из полиэтилена высо- кой плотности; на- ружный диаметр 10—160, толщина стенки 2 — 20 для труб нз полиэти- лена низкой плот- ности Максимальное дав- ление воды, МПа, прн температуре 20 °C для труб ти- па: Л — легкого — 0,25 СЛ — среднелег- кого — 0,4 С — среднего — 0,6 Т — тяжелого — 1,0 Предел текучести при растяжении не менее 20 МН/м2 для труб из полиэтиле- на высокой плот- ности; 9,5 МН/м2 для труб нз поли- этилена низкой плотности 177
Продолжение табл. 7.4 Вид трубопроводов Размер, мм Давление Примечание Трубки из поливи- нилхлорида ПБ-2 ТУ6-05-021-204-73 Внутренний диа- метр 2 — 50, тол- щина стенки 0,8— 5,3 Номинальное дав- ление эксплуата- ции для трубок с внутренним дна- метро.м до 12 мм — 0,6 МПа, свыше 12 мм — 0,2 МПа. Допу- скается кратковре- менное повышение в 1,5 раза номи- нального давления трубок при экс- плуатации Внутреннее дав- ление при разры- ве при 20 °C для трубок с номиналь- ным давлением 0,6 МПа — 4 МПа, для трубок с номи- нальным давле- нием 0,2 МПа— 1,4 МПа Трубки предназна- чены для смазоч- ных и смазочно- охлаждающих си- стем металлорежу- щих станков, рабо- тающих в климати- ческих зонах СССР и в районах с тро- пическим клима- том Характеристика пневмокабеля Таблица 7.5 Марка Пневмокабель Наруж- ный диа- метр и толщина стенки труб, мм Применение тпо Из полиэтиленовых труб в поливинилхлоридной обо- лочке 6X1 8X1 8Х 1,6 В условиях повышенной влажности, механических ко- лебаний и вибраций тпоп Из полиэтиленовых труб в поливинилхлоридной обо- лочке в оплетке из сталь- ных оцинкованных проволок 6X1 8X1 8Х 1,6 В условиях повышенной влажности, при наличии лег- ких механических воздействий ТПОБ Из полиэтиленовых труб в поливинилхлоридной обо- лочке, в броне из стальных лент с противокоррозионной защитой 6X1 8X1 8Х 1,6 Для виутреииих и наружных открытых проводок на трассах с большим числом мест воз- можных механических воздей- ствий и при отсутствии в окру- жающей среде веществ, раз- рушающих броню ТПОБО Из полиэтиленовых труб в поливинилхлоридной обо- лочке, в броне из стальных лент в поливинилхлоридной оболочке 6X1 8X1 8Х 1,6 В условиях вредных сред, по- вышенной влажности, при на- личии большого числа мест возможных механических воз- действий ТПББГ Из полиэтиленовых труб, обмотанных лентами из ка- бельной бумаги, в броне из стальных лент с противо- коррозионной защитой 8Х 1,6 Для внутренних и наружных проводок, в местах возможных механических воздействий и при отсутствии в окружающей среде веществ, разрушающих броню ТПВБГ Из полиэтиленовых труб, обмотанных поливинилхло- ридными лентами, в броне из стальных лент с противо- коррозионной защитой 8Х 1,6 Для внутренних и наружных проводок, во взрыво- и пожа- роопасных помещениях, в ме- стах возможных механических воздействий, при отсутствии в окружающей среде веществ, разрушающих броню Примечание. В пиевмокабеле ТПВБГ 7 труб, в остальных 7, 12. 178
Минимальное разрушающее давление в трубе Ств(т+1) 2 \ 6 ) + 6 + где d — внутренний диаметр трубопровода; ов — временное сопротивление разрыву. Рабочее давление Рраб = Рф/Ч-й’ где рр — минимальное разрушающее давление; па — запас прочности. Запас прочности выбирают в зависимости от назначения трубопровода (обычно в пределах 3—6) [1]. Для тонкостенных труб (0/6 16) минимальное разрушающее давление __ 26св Рр~ d • Основные данные, характеризующие трубопроводы, приведены в табл. 7.2—7.5. 7.2. СОЕДИНЕНИЯ Неразъемные соединения имеют преимущества для трубопроводов, не требующих демонтажа. Их выполняют сваркой встык (газовой для стальных труб с толщиной стенки менее 3,5 мм и электросваркой для стальных труб с толщиной стенки более 3,5 мм) и пайкой (для медных и латунных труб). Применяют также соеди- нения со специальными втулками с прямым и косым обрезом, с раздачей конца 'Одной трубы на двойную толщину стенки трубы (рис. 7.3). Использование втулок с косым обрезом предпочтительнее вследствие понижения напряжения в поверх- ностном слое трубы за счет распределения их на большую длину. Трубы монти- руют во втулке с зазором между торцами, равным толщине стенки трубы. Длина втулки обычно равна 50—80 мм, длина раструба при раздаче трубы примерно 50—60 мм. На рис. 7.3, г показана схема одного из возможных соединений труб пайкой с применением самофлюсующегося припоя в среде аргона. В конусных концах муфты выполнены отверстия, против которых на внутренней цилиндрической поверхности муфты проточены кольцевые канавки, в которые закладывается припой. Диаметральный зазор между муфтой и трубой выбирают в пределах 0,05—0,1 мм. Подлежащие пайке концы труб зачищают и вводят в муфту, затем место соединения нагревают в среде аргона до температуры плавления припоя. Для этого применяют индукционный нагрев в высокочастотном поле, вследствие чего зона нагрева может быть сведена к минимальной величине. Для замены уча- стка трубопровода в эксплуатационных условиях соответствующие муфты нагре- вают до расплавления припоя, после чего поврежденную секцию удаляют и впа- ивают новую, используя те же муфты. Применение неразъемных соединений позволяет значительно уменьшить массу трубопроводов в сравнении с разъемными соединениями. Рис. 7.3. Схемы неразъемных соединений труб: • а, б — со втулкой с обрезом соответственно прямым и косым; в — с раздачей одного конца трубы; г — с применением самофлюсующегося припоя 179
40 мм. С увеличением диаметоа повышаются силы Рис. 7.4. Соединение фланцевое по ГОСТ 18535 — 74 (тип I — соединение концевое, тип 2 — соединение промежуточное) Разъемные соединения трубопроводов различают по типу применяемого соеди- нения (резьбовые и фланце- вые), крепления трубопро- вода к деталям соединения (с механическим креплением, с использованием сварки или пайки) и по способу герме- тизации разъема (обжатием трубы, обжатием деталей со- единений, с использованием прокладки). Соединения резьбового типа обычно применяют для труб с диаметром до 30— I, необходимые для затяжки (особенно при соединении по наружному конусу и с торцовым уплотнением), поэтому для труб большего диаметра используют фланцевые соединения, которые просты в изготовлении и монтаже, а также не требуют высокого класса точности и чистоты поверхностей. Сменные уплотнительные прокладки позволяют делать практически неограниченное число переборок. Для жесткой связи трубы с флан- цем применяют фланцы плоские приварные и приварные встык. Если при монтаже необходим разворот фланцев нли труб, то используют фланцы свободные на при- варном кольце или с буртом. Все виды фланцевых соединений требуют применения прокладок, уплотия-. ющих место соединения. Материал и конструкцию прокладок выбирают в зависи- мости от давления и температуры сжатого воздуха. Обычно для фланцевых со- единений пневматических систем используют мягкие прокладки из паронита, резины или картона. Толщину картона для прокладок берут в пределах 1— 3 мм, резины в пределах 3—5 мм. Качество картонных прокладок повышается, если картон, предварительно вымоченный в воде и высушенный, пропитывают олифой. При установке таких прокладок утечка значительно уменьшается. При использовании паронитовых прокладок их необходимо предварительно выдер- жать в горячей воде, а затем смазать поверхность прокладки смесью из графита и масла. При изготовлении прокладок их внутренний диаметр необходимо делать на 2—3 мм больше внутреннего диаметра трубы, а внешний — равным диаметру прижимного кольца для возможности контроля правильности установки про- кладки. На рис. 7.4 показано фланцевое соединение по ГОСТ 19535—74. Для уплот- нения трубопроводов могут быть использованы также фланцы стальные с шейкой на резьбе на давление 0,1—1,6 МПа по ГОСТ 12826—67, ГОСТ 1245—67; плоские приварные на давление 0,1—2,5 МПа по ГОСТ 12827—67, ГОСТ 1255—67, ГОСТ 12828—67; стальные приварные встык на максимальное давление 4, 10, 20 МПа по ГОСТ 12829—67—12835—67; стальные свободные на приварном кольце на давление 0,1—2,5 МПа по ГОСТ 1268—67, ГОСТ 12834—67; стальные свободные на отбортованной трубе на давление 0,1; 0,25; 0,6 МПа по ГОСТ 1272—67. На концах трубопроводов могут быть установлены фланцевые заглушки по ГОСТ 12836—67—12839—67. При необходимости продолжения трубопровода заглушки снимают и устанавливают на глухой конец нового участка трубопро- вода. Фланцевые замковые соединения (рис. 7.5) удобны для переносных трубо- проводов, подвергающихся частому демонтажу. Их применяют для труб диа- метром до 150 мм. Конструкция этих соединений позволяет не отворачивать 180
гайки полностью, а только ослаблять их с тем, чтобы можно было повернуть фланец с прорезями. Наиболее простым резьбовым соединением является муфтовое (рис. 7.6). Этот вид соединений требует применения уплотняющих материалов, например в виде пеньки, смазанной свинцовым суриком или белилами. На рис. 7.7 приведена конструкция шаровой соединительной муфты, которую применяют в тех случаях, когда трубопроводы не могут быть проложены по пря- мой линии с необходимым числом опор или подвесок. Шаровые муфты допускают угловое смещение соединяемых труб до 15° без нарушения уплотнения и без дополнительного напряжения от изгиба в стыках. Соединения по наружному конусу с развальцовкой трубы (рис. 7.8) при- меняют в широком диапазоне давления, они хорошо работают в условиях вибра- ции, компактны, легки. Такие соединения используют для труб, изготовленных из различных материалов, их можно многократно демонтировать. Так как для развальцовки пригодны только тонкостенные бесшовные трубы, то рабочее давле- ние ограничивается прочностью трубы и с увеличением диаметра трубы сни- жается. Развальцовку трубы можно выполнять с помощью переносного приспо- собления, что позволяет делать стыковку непосредственно на изделии и облег- чает ремонт трубопроводов. Соединения по внутреннему конусу (рис. 7.9) применяют для тонкостенных и толстостенных труб с использованием сварки или пайки. Требования к точности монтажа соединений по внутреннему конусу значительно ниже, чем по наруж- ному. При сферическом ниппеле допускается перекос соединяемых трубопрово- дов до 5°. Моменты затяжки соединений по внутреннему конусу в 1,5—2 раза меньше моментов затяжки соединений по наружному конусу. Соединения с врезающимся кольцом (рис. 7.10, а) не требуют сварки или пайки. При стягивании соединения врезающееся кольцо обжимается и его кромка внедряется в трубу. При применении такого соединения предъявляются повы- шенные требования к точности диаметра и шероховатости поверхности трубы. Соединение с врезающимся кольцом и радиальным монтажом (рис. 7.10, б) совмещает в себе принципы соединения с врезающимся кольцом и соединения с торцовым уплотнением. В отличие от остальных резьбовых соединений, в кото- рых обязательным является осевое смещение деталей при сборке, это соединение выполняют без осевого смещения, что позволяет производить радиальный мон- таж жестких трубопроводов. Такое соединение является более сложным и состоит из большего числа деталей, чем остальные рассматриваемые соединения. Труба закрепляется в соединении в результате внедрения в нее кромки врезающегося кольца, которое осаживается на корпусе штуцера или нажимного кольца при за- тяжке гайки. При первой сборке для нормального врезания кольца соединение рекомендуется затянуть полностью, затем разобрать, проверить закромку на трубе и собрать вновь, сделав, когда кольцо сядет на место, от г/е до V3 оборота. При соединении тонкостенных труб следует применять оправку, которая вста- вляется внутрь трубы и препятствует ее смятию в месте врезания кольца. Раз- борка и сборка соединения не влияют на его качество. Соединения с торцовым уплотнением (рис. 7.11) выполняют по государствен- ным стандартам — ниппельные по ГОСТ 4340—77, ГОСТ 4341—77 и штуцерио- торцовые по ГОСТ 5890—78. Прокладки обычно применяют медные или паро- нитовые. В условиях повышенной вибрации более надежными являются про- кладки из резиновых колец. Для выполнения соединений требуется строгая соосность труб. На рис. 7.12 показано соединение с конусными муфтами. Характеристика стандартизованных и нормализованных соединений для металлических труб приведена в табл, 7.6. Для пластмассовых трубопроводов применяют соединения, конструкция которых учитывает механические свойства пластических масс. Для пластмассовых трубопроводов применяются соединения по наружному конусу с наконечником (рис. 7.13, а), с уплотняющей гайкой (рис. 7.13, б) на давление до 0,6 МПа; с обжимным кольцом па давление 0,14 МПа (рис. 7.13, в); безрезьбовое соединение для резиновых труб на давление 0,14 МПа (рис. 7.13, г). Этот вид соединения можно использовать не только для резиновых трубок, по . - 181
Рис. 7.5. Фланцевое замковое соединение Рис. 7.6. Муфтовые соединения труб: а — без контргайки; б — с контргайкой Рис. 7.7. Шаровая соединительная муфта Рис. 7.8. Соединение труб по наружному конусу с развальцовкой конца трубы: а —- с проходником ввертным; б — с угольником ввертным; в — с тройником Рис. 7.9. Соединения по внутреннему конусу: а — концевое; б — проходное Рис. 7.10. Соединение с врезающимся кольцом (л) и врезающимся кольцом и радиальным монтажом (б) Рис. 7.11. Соединение с торцовым уплотнением 182
Рис. 7.12. Соединение с конусными муфтами Рис. 7.13. Соединения для эластичных трубопроводов: а — по наружному конусу с наконечни- ком; б — по наружному конусу с уплот- няющей гайкой; в — с обжимным кольцом; г — безрезьбовое и для других эластичных трубопроводов при небольших давлениях. Конфигура- ция уплотнительной поверхности при этом может быть различной. Известны и другие конструкции соединений для пластмассовых трубопро- водов (рис. 7.14). Оригинальным является бесштуцерное соединение (см. рис. 7.14, в), в котором эластичная труба уплотняется резиновым кольцом и удерживается в отверстии кольцевым выступом цанги. При демонтаже цангу необходимо подать вглубь отверстия и вынуть трубу. Монтаж рукавов в зависимости от геометрических размеров рукава, рабо- чего давления и других условий эксплуатации может быть выполнен в каждом конкретном случае различными способами. Для небольших давлений (до 0,3 МПа) рукава монтируют на ниппеле с коль- цевыми проточками и обжимают хомутами (рис. 7.15, а). Рукава, рассчитанные на давление до 10 МПа, зажимаются между ниппелем и резьбовой муфтой (рис. 7.15, б). Для систем с рабочими давлениями свыше 10 МПа рукав зажимают между ниппелем и муфтой, которая обжимается в специальном приспособлении (рис. 7.15, в). Быстроразъемные соединения позволяют быстро и легко сообщать и раз- общать рабочие полости потребителей с магистралью сжатого воздуха. Соедине- ния содержат замковые устройства, которые обеспечивают механическое соеди- нение частей трубопроводов и уплотнение стыка. Соединения могут быть без перекрытия потока при разъеме, с односторонним или двусторонним перекры- тием. На рис. 7.16, а показано быстроразъемное соединение без перекрытия по- тока. Фиксация осуществляется с помощью шариков, уплотнение — с помощью Рис. 7.14. Соединения для эластичных трубопроводов: а — с фигурным ниппелем и уплотнительной гайкой; б — с ниппелем и торцовым уплот- нением; в — с цаигой 183
Оо Таблица 7.6 Характеристика соединений | Вид соединения ГОСТ, нормаль Размер Материал Примечание По наружному ко- нусу ГОСТ 13954 — 74 — ГОСТ 13974 — 74, ГОСТ 13976—74 — ГОСТ 13977—74 ГОСТ 20188—74 — ГОСТ 20200 — 74 Наружный диаметр присое- диняемых труб 3 — 38 мм. Присоединительная резьба коническая от К 1/10" до К 1 1/2", метрическая от Мб до М45 X 1,5 Сталь 45, ЗОХГСА, 14Х17Н2, 12Х18Н9Т, 15Х12Н2ВМФ, алю- миниевый сплав Д16Т, АК6, бронза БрАЖМц 10-3-1,5 Угол развальцовки трубы 74°. Детали соединений должны быть термообработаны. В но- менклатуру входят проходим- ки прямые, ввертные; пере- ходники прямые, ввертные; угольники проходные, вверт- ные переходные; тройники и крестовины проходные, пере- ходные, ввертные; заглушки. Температура от —60 до 4-500 °C, давление до 106 МПа в зависимости от материалов труб и арматуры Нормаль станкострое- ния С91-С92 Наружный диаметр присое- диняемых труб 4 — 28 мм. Присоединительная резьба трубная 1/8 — 1", коническая 1/8 — 1" Сталь 35, А12 Угол развальцовки трубы 68°. В номенклатуру входят соединения прямые концевые и промежуточные; угловые концевые; тройниковые кон- цевые и промежуточные. Дав- ление для медных труб до 6,3 МПа, для стальных до 12,5 МПа С конусными муфтами ГОСТ 9112 — 67 — 9122 — 67 Наружный диаметр присое- диняемых трубопроводов 3— 20 мм. Присоединительная резьба коническая К 1/16 — К 3/4" Сталь А12, латунь ЛС59-1, Л62 В номенклатуру входят сое- динения с ввертным н про- ходным штуцерами, с вверт- ным и проходным угольника- ми, с ввертным и проходным тройниками. Максимальное давление 6,4 МПа С врезающимся коль- цом с радиальным монтажом ГОСТ 18544 — 79 — ГОСТ 18560 — 79 Наружный диаметр присое- диняемых труб 10 — 38 мм. При соеди н ител ьн а я р езь ба трубная 3/8—1 1/2", метри- ческая от М16Х1.5 до М48Х 2 Сталь 35, А12, 45, АЗО, 40Х, 12ХНЗА, 1 Окп В номенклатуру входят сое- динения проходные, переход- ные, концевые. Угловые про- ходные и концевые; тройни- ковые проходные, переходные и концевые; крестовины про- ходные, переходные, конце- вые. Давление до 25 МПа. Температура от —40 до 4-120 °C Ниппельное ГОСТ 4340 — 77 ГОСТ 4341 — 77 Условный проход 3—20 мм. Наружный диаметр присое- диняемых труб 8—30 мм Материал деталей сое- динений по ГОСТ 4361—77 В номенклатуру входят сое- динительные муфты, тройни- ки, крестовины. Максималь- ное давление 25 МПа, темпе- ратура от —50 до 4~50 °C С врезающимся коль- цом ГОСТ 15764 — 70— — ГОСТ 15781 — 70; ГОСТ 15802 — 76; ГОСТ 15803 — 76 Условный проход 3—25 мм. Наружный диаметр присое- диняемой трубы 6 — 38 мм. Присоединительная резьба метрическая от М12Х1.5 до М48Х2, трубная от 1/4" до 1 1/2" Сталь 35, 45, А12, АЗО, 40Х, 12ХНЗА, Юкп В номенклатуру входят сое- динения проходные, переход- ные, концевые; угловые про- ходные, концевые; тройнико- вые проходные, переходные, концевые; крестовые проход- ные, переходные, концевые. Давление 40 МПа. Темпера- тура от —40 до 4-120 °C По внутреннему ко- нусу с шаровым нип- пелем ГОСТ 20969 — 75 — ГОСТ 20986 — 75; ГОСТ 15763—75 Условный проход 3—25 мм. Присоединительная резьба метрическая от М12Х1.5 до М48Х2, трубная 1/4—1 1/2" То же То же Нормаль станкострое- ния Г91 Условный проход 8—40 мм. Присоединительная резьба трубная 1/4—1 1/2", кони- ческая К 1/4— К 1 1/2" Сталь 35, А12 В номенклатуру входят сое- динения прямые концевые, промежуточные, угловые кон- цевые, проходные, тройнико- вые. Предусмотрены исполне- ния на давление до 20 и до 32 МПа
Продолжение табл. 7.6 Примечание В номенклатуру входят про- ходиики, переходники; уголь- ники проходные, ввертные; тройники проходные, пере- ходные, ввертные; крестови- ны проходные, переходные; заглушки. Температура от — 60 до 4-500 °C. Давление до 65 МПа в зависимости от применяемых материалов ' В номенклатуру входят шту- церы проходные и ввертные. Давление до 10 МПа. Темпе- ратура до 400 °C ' Соединения изготовляют двух типов: концевые и промежу- точные. Давление 6,3— 32 МПа. Температура от —40 до 4-100 °C Температура проводимой сре- ды не выше 175 °C. Давление 1,6 МПа прн условных про- ходах не более 40 мм и 1,0 МПа при условных проходах 50 — 100 мм. В номенклатуру вхо- дят угольники, тройники, кресты прямые и переходные, муфты короткие, длинные, пе- реходные, ниппели, гайки, пробки Температура до 175 °C. Дав- ление 1,6 МПа. В номенкла- туру входят муфты, ниппели, контргайки, сгоны 1 Материал Сталь 25, 45, 38ХА, 12Х18Н9Т, 13Х11Н2В2МФ 1 Сталь 25, 08Х18Н10Т, латунь ЛМц58-2, , бронза АМц9-2 1 i g 6 3 S 6 5 S £ § CJ G5 X ffl ® 3* s X s x С О s GJ ?. Л и» S ° s S л S 1 Л ДЭ 2d. 5 a 2 £ e g'go x y? x •>, л 2u ® ® x u s 2 ЭРиозЗ 5S-3S Размер Наружный диаметр присое- диняемых труб 6 — 38 мм. Присоединительная резьба от М10 до М48Х 1,5 1 Условный проход 3 — 32 мм. Присоединительная резьба от Ml 8x1,5 до М56Х2 Условный проход 25 — 200 мм Условный проход 8—100 мм, резьба трубная цилиндриче- ская 1 Условный проход 8 — 150 мм. Резьба трубная цилиндри- ческая ГОСТ, нормаль ГОСТ 16039 — 70 — 16078 — 70 1 ГОСТ 5890—78 ГОСТ 19535—74 .... 1 1 Ю lb Ю Ю Ю Ю 777"! 77 со -Г СО со Ю О -Г -Г <О СО СО о о ОО СО СО СО 00 со hhHh hh UUUU UU OOOO OO Вид соединения 1 По внутреннему ко- нусу со сферически- ми и полусфериче- скими ниппелями Штуцерно-торцовые фланцевые с уплот- нением резиновыми кольцами Муфтовые: Соединительные ча- сти нз ковкого чу- гуна Соединительные ча- сти стальные 186
Рис. 7.15. Присоединение рукавов: а — с ниппелем н хомутом; б — с резьбовой муфтой; в — с обжимной муфтой эластичной прокладки. Для рассоединения трубопроводов необходимо пере- мещать втулку, преодолевая сопротивление пружины, до тех пор, пока шарики получат возможность выйти в кольцевую выточку во втулке. На рис. 7.16, б показано соединение с односторонним перекрытием потока. При рассоединении трубопроводов клапан с эластичным уплотнением под дей- ствием пружины и давления воздуха перекрывает выход воздуха из трубопро- вода в атмосферу. На рис. 7.16, в показано соединение с двусторонним перекрытием потока, имеющее два клапана с эластичными уплотнениями. Поворотные соединения предназначены для подвода сжатого воздуха к кача- ющимся пневматическим механизмам. Во многих случаях они могут заменить гибкие рукава. На рис. 7.17 показаны прямое и угловое поворотные соединения, они не рассчитаны на большую скорость вращения. Так, соединение, приведенное на рис. 7.17, б, допускает максимальную частоту вращения до 10 об/мин [3]. Вращающиеся соединения применяют для подвода воздуха к вращающимся пневмоцилиндрам, мембранным камерам, пневматическим муфтам. Такие соеди- нения обычно называют муфтами (головками) подвода воздуха. Их подразделяют: по числу подводов — с одним (для цилиндров и камер одностороннего действия) и с двумя (для цилиндров и камер двустороннего действия)подводами; по типу уплотнительного элемента — с мягкими уплотнениями, с уплотнением за счет малой величины зазора, с торцовым уплотнением. На рис. 7.18, а изображена муфта с одним подводом. Уплотнение враща- ющегося шпинделя достигается применением втулки из графитовой бронзы, под- жимаемой к торцу шпинделя усилием пружины и давлением сжатого воздуха. Муфта, показанная на рис. 7.18,6, имеет два подвода и торцовое уплотнение. Вращающиеся уплотнительные текстолитовые втулки, посаженные на резиновых кольцах, своими торцовыми уплотнительными поверхностями обеспечивают Рис. 7.16. Быстроразъемные соединения: а — без перекрытия потока; б — с односторонним пере- крытием потока; а — с дву- сторонним перекрытием по- тока Рис. 7.17. Прямое (а) н угло- вое (б) поворотные соедине- ния 187
Рис. 7.18. Муфты подвода воздуха: а — с одним подводом; б с двумя подводами герметизацию полостей муфты в месте контакта с неподвижными стальными дисками. На рис. 7.19 приведена воздухоподводящая головка по ОСТ 2КП92-1—72, предназначенная для подачи сжатого воздуха в полость вращающихся пневмо- Рис. 7.19. Воздухоподводящая головка по ОСТ 2КП92-1 — 72 муфт при включении н быстрого вы- броса воздуха из полости пневмомуфт в атмосферу прн отключении, для чего в головку встроен клапан быстрого выхлопа. При включении сжатый воздух по центральному каналу через отвер- стия в металлическом диске поступает на диафрагму, отгибает ее, закрывая отверстия во фланце, и через отвер- стия в диафрагме поступает в полость пневмомуфты. При отключении воз- дух, выходя из полости муфты, при- жимает диафрагму к диску, закрывая входные отверстия в нем и проходит через открытые отверстия во фланце в выточку, затем через отверстия (на рисунке не показаны) в полость под кожух и через сетку кожуха в атмо- сферу, минуя центральный канал, под- водящий трубопровод и распредели- те
тельное устройство. Сопротивление выхлопной линии через клапан быстрого выхлопа существенно меньше сопротивления выхлопу через линию подвода и следовательно меньше время опорожнения полости пневмомуфты. Пневморазъемы служат для одновременного соединения механическим путем и герметизации пневматических контактов определенного числа трубопроводов. В пневморазъемах типа РПУ (рис. 7.20, а) на давление до 0,4 МПа пневма- тические контакты уплотняют введением конических поверхностей штуцеров в цилиндрические отверстия в резиновой прокладке. Металлические втулки, помещенные в отверстия резиновой прокладки, ограничивают перемещение шту- церов при соединении частей пневморазъема, предотвращая повреждение резины. Пневморазъем снабжен цангой и муфтой для закрепления пневмокабеля. В пневморазъемах типа П-ШРК для струйных систем управления (рис. 7.20, б) пневматические контакты уплотняют поджатием части штуцера, выполненной в виде цилиндрического сопла, к резиновой проставке при соеди- нении разъема. Для предотвращения самоотвинчивания гайки предусмотрено стопорное пружинное кольцо. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абрамов Е. И., Колесниченко К. А., Маслов В. Т. Элементы гидропривода. Киев: Техника, 1977. 320 с. 2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М.: Машино- строение, 1971. 671 с. 3. Савин И. Ф. Гидравлический привод строительных машин. М.: Стройиздат, 1974. 240 с. 4. Элементы и устройства пневмоавтоматики высокого давления. Каталог. М.; 1978. 155 с. (НИИМАШ).
Глава 8 ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СРЕДНЕГО УРОВНЯ ДАВЛЕНИЯ Пневмоавтоматика среднего (нормального) уровня давления нашла широкое применение в отечественной промышленности в 60-х годах. Это стало возможным вследствие создания универсальной системы элементов промышленной пневмо- автоматики (УСЭППА), которая по своим функциональным и монтажно-комму- тационным данным близка к современной промышленной электротехнике. Но- менклатура УСЭППА состоит из устройств центральной части, входных, выход- ных, вспомогательных устройств и монтажно-коммутационных деталей. Информация через входные устройства — от рабочих органов объекта и дат- чиков, а также от устройств автоматического ввода программы — поступает в центральную часть системы. Центральная часть перерабатывает эту информа- цию и реализует заданную последовательность работы исполнительных механиз- мов автоматизируемого объекта, выдавая им команды и информацию оператору через выходные устройства. Номенклатура устройств УСЭППА является функ- ционально полной, что позволяет реализовать на ее базе релейные, аналоговые (непрерывные) и аналогово-релейные схемы. Важной особенностью устройств УСЭППА является высокая унификация деталей и стыковой монтаж элементов, при котором коммутация межэлементных входов и выходов обеспечивается при помощи каналов, выполненных в платах. В газовой промышленности широкое применение нашли элементы СКВ Газприборавтоматики, которые обеспечивают надежную работу при температуре окружающей среды от —40 до +50 °C и относительной влажности до 95% . Из других устройств пневмоавтоматики среднего давления следует отметить агрегатную унифицированную систему (АУС), АУС ЭДД Северодонецкого фи- лиала ОКБА, системы ЦИКЛ, ПЭРА и пневматические устройства для автома- тического измерения линейных размеров деталей завода «Калибр». В ГДР изготовляют систему Дрелоба, которая по основным параметрам, номенклатуре и функциональным возможностям является лучшей из устройств пневмоавтоматики среднего давления в зарубежной промышленности. Рассмотрим конструкции основных устройств пневмоавтоматики среднего давления, используемых в системах управления отечественной промышленности. 8.1. ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА Входные устройства предназначены для ввода в систему управления внешних заданий (команд), информации о состоянии и положении исполнительных меха- низмов или рабочих органов объекта управления, о величине параметров кон- тролируемых процессов и т. п. Ввод внешних заданий обеспечивается устрой- ствами ручного или автоматического ввода информации. Внешние сигналы, поступающие в систему в виде сигналов другого вида энергии, например элек- трические, преобразовываются в пневматические сигналы с помощью соответству- ющих преобразователей. Информация о состоянии параметров процесса и поло- 190
Рис. 8.1. Устройства ручного ввода информации: а — пневмокиопка; б — пиевмотумблер; в — переключатель жеиии исполнительных механизмов (сигналы обратной связи) поступает от ко- нечных выключателей и датчиков. Преобразование аналоговых сигналов обрат- ной связи в дискретные обеспечивается выключателями граничных значений (реле давления, элементами сравнения и т. п.). Устройства ручного и автоматического ввода информации. К устройствам ручного ввода информации в УСЭППА относятся пневмокнопки и пневмотум- блеры, обеспечивающие ввод в систему пневматических единичных или нулевых сигналов кратковременных (с помощью пиевмокнопок) и длительных (с помощью пневмотумблеров). Пневмокнопки и пневмотумблеры аналогичны по конструкции и отличаются только исполнением нажимного органа, который обеспечивает два положения распределительного элемента. На рис. 8.1, а показана конструкция пневмокнопки, которая состоит из корпуса 5, подвижного узла 4, пружины 6, клапана 2 и крышек 1 и 3. Между корпусом 5 и крышкой 3 защемлена мембрана подвижного узла. Сжатый воздух подводится в камеру А, которая в исходном положении не соединена с камерой выхода Б. При нажатии на кнопку стержень подвижного узла разъединяет ка- меры Б и В, открывает клапан 2 и соединяет систему с питанием через камеру Б. При отпускании кнопки клапан под действием пружины закрывается, а воздух из системы через камеры Б и В выходит в атмосферу. Пневмотумблер (рис. 8.1, б) состоит из рычага 1, гайки 2, мембранного узла 3, пружины 4. клапана 5, корпуса 7, крышек 6 и 8. Детали мембранного узла 3 имеют каналы для соединения системы с атмосферой (когда на узел не воздей- ствует рычаг /). Накидная гайка 2 предназначена для крепления тумблера на панели. При переводе рычага 1 тумблера влево мембранный узел перемещается вниз, открывая клапан 5. Сжатый воздух, подводимый в камеру А, поступает в камеру Б и далее в систему. Перевод рычага тумблера в исходное положение приводит к запиранию камеры питания и сообщению выхода, а следовательно, и системы с атмосферой. Для обеспечения последовательного включения групп каналов (одновремен- ной подачи нескольких сигналов в систему) используют многопозиционные пере- ключатели. В системе элементов СКВ Газприборавтоматикн эту роль выполняют переключатели со сменными кулачками типов ПП-4 и ПП-5. На рис. 8.1, в изоб- ражен переключатель типа ПП-4, который состоит из корпуса 3, конечных выклю- чателей 2, валика 1, снабженного съемными кулачками, и рукоятки 4. Программа замыкания контактов переключателя задается установкой кулачков соответству- ющего профиля. Поворотом рукоятки на фиксированные позиции включаются заданные контакты. Предусмотрена возможность установки кулачков с замыка- нием контактов трех типов: в одном фиксированном положении рукоятки; в двух соседних фиксированных положениях рукоятки; трех соседних фиксированных 191
Рис. 8.2. Командоаппарат с перфолентой и обратным контактным считыванием положениях рукоятки. Таким образом, переключатель является малогабаритным командоаппаратом с ручным приводом. Устройства автоматического ввода команд- ных сигналов (командоаппараты) обеспечивают последовательный автоматический ввод в систему управления программы, зафиксированный на программоносителе. Командоаппараты различаются по характеру движения программоносителя, типу программоносителя, способу управления командоаппаратом и др. (см. стр. 283). На рис. 8.2 показана конструктивная схема командоаппарата с перфолентой и контактным способом считывания, используемого в системах среднего уровня давления. Покадровое перемещение перфоленты осуществляется пневмоприводом 3 с зубчатым механизмом. В кадре может быть помещено информации до 200 бит (8 дорожек и 25 строк), считываемой и вводимой одновременно в систему. Счи- тывающее устройство состоит из неподвижной 1 и подвижной 2 головок, между которыми проложена перфолента. При считывании подвижная головка переме- щается и прижимает ленту к нижней головке. Сжатый воздух через дроссели 4 подводится к каналам нижней головки. При наличии отверстий в перфоленте на выходах сигналы отсутствуют (обратный метод считывания). Командоаппараты из универсальных блоков реализуются на базе логических элементов. Каждому такту последовательности работы в командоаппаратах этого типа соответствует универсальный блок, состоящий из элемента памяти и логи- ческих элементов. Последовательное соединение блоков позволяет строить ч командоаппарат на любое число выходов. В ка- честве элементов памяти в командоаппаратах применяют триггеры с раздельными вхо- дами. Функциональные схемы командоаппаратов из универсальных блоков приведены в гл. 10, с. 286, а реализация памяти на элементах УСЭППА — с. 297. Пневматические конечные выключатели обе- спечивают контроль положения исполнитель- ного механизма или рабочего органа машины и выдают командный сигнал по достижении ими заданного положения. На рис. 8.3 представлена конструкция одного из выключателей, входящих в систему элементов СКВ Газприборавтоматика. Выклю- чатель состоит из корпуса 1, клапана 2, пру- жин 3, 4 и 10, штока 5, подвижного узла 9, секций 6, 7 и 8. В подвижной узел входят Рис. 8.3. Конечный выключите» 192
Рис. 8.4. Датчики температуры (а) и уровня жидкости (6) две мембраны, соединенные жестким центром, имеющим канал, и защемленные между секциями. При подаче сжатого воздуха в камеру А на выходе сигнал отсутствует. Ме- ханическое воздействие на шток 5 перемещает через пружину 4 подвижной узел, который открывает клапан 2. На выходе (камера Б) появляется сигнал. При сня- тии механического воздействия на шток подвижной узел возвращается в исходное положение и выход сообщается с атмосферой. При подаче сжатого воздуха в ка- меру В воздух через канал в подвижном узле поступает в камеру Б и к выходу. Воздействие на шток приводит к перемещению мембранного узла и соединению выхода с атмосферой. При снятии механического воздействия на шток на выходе снова появляется сигнал. Пружина 4 обеспечивает дополнительный ход штока 5, вследствие чего значительно снижаются требования к точности положения по- движного элемента, воздействующего на шток 5. Датчики и преобразователи. Втдискретных системах управления величины параметров управляемого процесса контролируют с помощью датчиков, которые преобразуют входной изменяющийся параметр (давление, температуру, уровень жидкости и т. п.) в пневматический сигнал при достижении заданного значения параметра. В качестве чувствительного элемента в датчиках используют мемб- раны и сильфоны, нагруженные пружиной, а выходной элемент датчика обычно строят на базе конечных выключателей, на которые воздействует чувствительный элемент. Датчик температуры типа РТП-1 (рис. 8.4, а) предназначен для выдачи командного сигнала при достижении заданной температуры в контролируемой среде. Принцип действия датчика основан на зависимости изменения давления наполнителя, заключенного в термобаллоне 4, от изменения температуры контро- лируемой среды. Давление в термобаллоне, дей- ствующее на сильфон 3, уравновешивается пружи- ной 2. При изменении температуры давление в тер- мобаллоне также изменяется, что приводит к на- рушению равновесия, и шток сильфона 3, действуя на нажимной элемент переключателя 1, замыкает или размыкает пневматический контакт датчика, который подает сигнал на управление пневмореле. Датчик температуры настраивают регулированием Усилия пружины 2. Датчики уровня жидкости по принципу дей- ствия аналогичны датчикам давления мембран- ного типа. Принцип действия их заключается в следующем. При превышении заданного кон- тролируемого уровня жидкости в баке 3 (рис. 8.4, б) резинотканевая мембрана 2 прижимается к соплу 1, что приводит к возрастанию давления в канале А и появлению пневматического сигнала на выходе, который затем усиливается и подается в систему. Рис. 8.5. Электропиевмопре- образователь 7 Е. В. Герц и др. 193
При понижении уровня жидкости мембрана отделяется от седла и канал пита- ния сообщается с атмосферой, при этом пневматический сигнал на выходе исче- зает. Обычно датчики уровня изготовляют с возможностью настройки на сра- батывание при повышении или понижении контролируемого уровня жид- кости . Преобразование сигналов одного вида энергии в другой выполняется с по- мощью различного вида преобразователей, например электропневмопреобразова- телей. В корпусе 1 электропневмопреобразователя, входящего в УСЭППА (рис. 8.5) расположен клапан 2, соединенный с якорем 6. В корпусе 1 и крышке 4 выполнены седла, которые перекрываются клапаном 2. В исходном положении, когда катушка электромагнита обесточена, клапан 2 пружиной 3 прижат к седлу корпуса 1 и сжатый воздух, подводимый к каналу в крышке 4, проходит в выход- ной канал А. При подаче напряжения на электромагнит 5 якорь 6 перемещает клапан до упора в седло крышки 4. Выходной канал А при этом через зазор между корпусом 1 и штоком клапана сообщается с атмосферой. 8.2. УСТРОЙСТВА ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ Основным элементом дискретной части УСЭППА является трехмембранное реле, предназначенное для выполнения логических и счетных операций с дискретными сигналами. Пневмореле типа П1Р.1 (рис. 8.6, а) и П1Р.З (рис. 8.6, б) состоит из двух частей 1 и 5 корпуса, двух промежуточных секций 2 и 3 и мембранного узла 4, состоящего из трех мембран, соединенных с помощью жесткого центра. Торцы жесткого центра и сопла в корпусах 1 и' 5 образуют два пневматических контакта типа сопло—заслонка. Реле П1Р.З отличается от реле П1Р.1 наличием пру- жины 6, удерживающей мембранный блок в определенном положении, и поэтому носит название «реле с фиксированным нулем». Мембранный блок реле П1Р.1 при отсутствии командных сигналов находится в неопределенном положении, отчего реле носит название «реле с неопределенным нулем». Сигналы команды в виде воздуха под давлением подаются в камеры А и £ реле П1Р.1 (см. рис. 8.6, а). Обычно один из сигналов поддерживается постоян- ным (давление подпора), а другой принимает одно из двух дискретных значений О или 1, соответствующих избыточному давлению 0 или 0,14 МПа. При подаче командного сигнала в камеру А или Б мембранный блок под действием резуль- тирующего усилия от давления подпора в одной камере и давления воздуха в дру- гой перемещается вверх или вниз, открывая один контакт и закрывая другой. Значение давления подпора выбирают в зависимости от условий работы: если под действием подпора пневматический контакт должен быть закрыт, то Рис. 8.Й. Пиевмореле П1Р.1 (а) и П1Р(3 1 194
Рис. 8.7. Логический элемент И подпор устанавливают равным 0,6рпит, а если открыт-— 0,ЗрПит- В реле ГПР.З (см. рнс. 8.6, б) одновременно могут подаваться два командных сигнала, так как давление подпора в нем не требуется (роль подпора выполняет пружина).Схемы реализации основных логических функций с помощью реле П1Р.1 и П1Р.З при- ведены в п. 5, гл. 10. Логический элемент (рис. 8.7) предназначен для реализации функции «конъ- юнкция» (И) двух переменных. Элемент состоит из корпуса 1, двух одинаковых резиновых дисков 2 и 6, штока 3 и пробок 4 и 5. При подаче сигнала в камеру А резиновый диск перемещается вправо перекрывая выход воздуха в канал Б, и одновременно шток 3 перемещает диск 6. Сжатый воздух, подаваемый в камеру В по зазору между корпусом и диском, поступает в выходную камеру Б. Анало- гично работает элемент при подаче сжатого воздуха в камеру В, а затем в ка- меру А. Таким образом, выходной сигнал имеется лишь при наличии двух вход- ных сигналов. Клапан перекидной (логический элемент ИЛИ) системы элементов СКВ Газприборавтоматика, предназначенный для реализации логической функции ИЛИ, показан на рис. 8.8. Клапан состоит из корпуса 2, мембранного узла 3 и крышек 1 и 4. При подаче входного сигнала в камеру А или Б мембранный узел перемещается вверх или вниз и уплотнениями на тарелках жесткого центра перекрывает одно из сопел в корпусе 2. Через второе сопло сжатый воздух посту- пает на выход клапана. При одновременной подаче двух входных сигналов мемб- ранный блок находится в неопределенном положении, и на выход проходит один входной сигнал или оба одновременно. На рис. 8.9 приведена конструкция обратного клапана, состоящего из двух частей 1 и 4 корпуса, мембранного узла 3 и пружины 2. При наличии сжатого воздуха на входе мембранный узел преодолевает уси- лие пружины, и воздух из камеры А через канал в мембранном узле проходит в камеру Б. При подводе сжатого воздуха в обратном направлении, т. е. в ка- меру Б, клапан мембранного узла плотно прижимается к уплотнению в корпусе 4, перекрывая проход воздуха в камеру А. 8.3. ЭЛЕМЕНТЫ УСЭППА НЕПРЕРЫВНО-ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ Элементы этой группы предназначены для не- прерывно-дискретных преобразований, алгеб- раических и временных операций и ряда других операций. Группа элементов непрерывно-дискрет- ного действия состоит из двух- и четырехвхо- Рис. 8.9. обратный клапан 7' 195
Рис. 8.10. Элемент типа П2ЭС.1: а — конструкция; б, в — схема включения в режимах сравнения и повторителя довых усилителей (элементов сравнения), работающих в режиме сравнения двух и более величии, повторителей, пневмосопротивлеинй (пневмодросселей) и пиевмоемкостн. Усилители. На рис. 8.10, а приведена конструкция усилителя, обеспечиваю- щего сравнение двух непрерывных сигналов и получение на выходе дискретного сигнала при рассогласовании сравниваемых давлений. Элемент состоит из двух частей 3 и 7 корпуса, крышек 1 и 9, секций 5 и 6, мембранного узла 4. Мем- бранный узел собран из трех резинотканевых мембран, связанных с жестким центром, он имеет полированные торцы, которые вместе со втулками 2 и 8 обра- зуют две пары контактов типа сопло — заслонка. Положение сопел регулируют винтами 10 и 11, что обеспечивает высокую точность настройки. По схеме сравнения давлений (рис. 8.10, б) сжатый воздух из сети поступает в камеру А, а камера Г сообщается с атмосферой. Если давление в камере Б пре- высит давление в камере В, то на выходе появится сигнал. Камеры А п Г имеют внешнюю связь. Усилитель может быть включен также в режиме повто- рителя (рис. 8.10, в). На рис. 8.11 показана схема четырехвходового усилителя, обеспечивающего сравнение четырех непрерывных сигналов ръ рг, рл и pt. Повторители. Набор повторителей УСЭГША состоит из двух маломощных и двух мощных (низкой и высокой точности) повторителей. Маломощный повтори- тель П2П. 1 предназначен для выдачи мало- Рис. 8.11. Схема четырехвходового усилителя типа П2ЭС.З мощного сигнала, равного по давлению вход- ному сигналу. Повторитель П2П.1 (рнс. 8.12, а) состоит из корпуса 1, мембраны 2 (служащей заслонкой), выпускного сопла 3, сообщающегося с атмосферой, и крышки 4. Схема включения повторителя показана на рис. 8.12, б. Входной сигнал поступает в ка- меру А. При подаче в камеру Б через посто- янный дроссель (конструктивно ие входящий в П2П.1) сжатого воздуха в ней устанавли- вается давление, равное давлению в камере А. При изменении входного давления равновесие мембраны нарушается, н она устанавливается в новое положение равно- весия, а избыток сжатого воздуха через 196
Рис. 8.12. Повторитель типа П2П.1: а — конструкция; б — схема включения зазор в паре сопло — заслонка сбрасывается в атмосферу. Мощный повтори- тель-усилитель П2П.7 предназначен для усиления сигнала по мощности с коэф- фициентом усиления по давлению, равным единице. Корпус повторителя П2П.7 (рис. 8.13) состоит из четырех частей 1, 2, 3 и 4, между которыми защемлены две гибкие мембраны 9 и мембрана с жестким'центром 8. В части 1 корпуса смон- тирован клапан шарикового типа, состоящий из седла 6, шарика 7 и пружины 5. Сжатый воздух подается в камеру Е и через постоянный дроссель поступает в ка- меру Г, управляющую набором выходного давления. Под действием давления на входе в камеру Б мембраны 9 раздвигаются, перекрывая сопла в частях 2 и 4 корпуса. При этом давление в камере Г повышается, шариковый клапан откры- вается и на выходе появляется сигнал. При повышении давления на выходе верхняя мембрана 9 отжимается от сопла, открывая выход в атмосферу, и давле- ние на выходе падает. Камера А сообщается с атмосферой, а камеры В и Д обра- зуют проточную междроссельную камеру. Дроссели (сопротивления). На рис. 8.14, а приведена конструктивная схема постоянного дросселя, который состоит из корпуса 2 и винта 1 с капилляром 3. Корпус и винт уплотнены резиновым кольцом 4. Дроссель снабжен фильтром тон- кой очистки 5 для защиты капилляра от засорения. На рис. 8.14, б показан регулируемый дроссель. Сжатый воздух поступает в подмембраниую камеру и через регулируемый конический дроссель, состоящий из иглы 3 и втулки 2, проходит в систему. Зазор (т. е. сопротивление) между иг- лой 3 и втулкой 2 регулируют винтом 1. При ввинчивании винта зазор умепь- Рис. 8.13. Повторитель-усилитель мощ- ности типа П2П.7 Рис. 8.14. Дроссели: постоянный (а) и регулируемый (б) а) 197
Рис. 8.15. Пневмоемкость типа ПОЕ.50 шается (т. е. повышается сопротивление), при вы- винчивании винта игла 3 под действием пружины 4 перемещается вверх, увеличивая зазор (т. е. умень- шая сопротивление). Пневмоемкость типа ПОЕ.50. Пневмоемкость при- меняют в схемах автоматического управления для регулирования постоянных времени в дифференциру- ющих и интегрирующих приставках, инерционных звеньях н т. п. Пневмоемкость (рис. 8.15) представляет собой замкнутый объем, состоящий из двух стака- нов, которые соединены между собой с помощью резьбы на клею. В торце одного нз стаканов выпол- нены отверстия для крепления пневмоемкости и под- соединения ее к системе. В табл. 8.1 приведены примеры реализации ряда алгебраических операций на элементах УСЭППА [2]. 8.4. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА Выходные устройства предназначены для управления исполнительными меха- низмами и выдачи сигнала о событиях, происходящих в системе управления. К выходным устройствам в УСЭППА относятся усилители, пневмоэлектропре- образователи, индикаторы давления и т. п. Усилители. На рис. 8.16 приведена конструктивная схема усилителя типа УП-2 СКВ Газприборавтоматики, предназначенного для управления потоком газа высокого давления. Усилитель состоит из корпуса 1 с двумя седлами, кла- пана 2, пружины 5, мембранного узла 3 и крышки 4. Сжатый воздух подводится в камеру А. При подаче управляющего сигнала в камеру Г клапан под действием усилия на мембранный узел 3 перемещается, открывая выход сжатому воздуху из камеры А в канал Б. Снятие командного сигнала приводит к возврату плапана 2 под действием пружины 5 в исходное положение. Выходная линия через камеру В сообщается с атмосферой. Пневмоэлектропреобразователи. На рис. 8.17 показан пневмоэлектрический дискретный преобразователь П1ПР.4, входящий в УСЭППА, который состоит из корпуса 7, крышки 3, мембраны 6, микропереключателя 1, смонтированного на кронштейне 2, и гайки 4. С помощью гайки регулируют натяжение пружины 5, определяющей давление, прн котором срабатывает микропереключатель. Прн повышении давления мембрана, преодолевая сопротивление пружины, проги- бается и толкателем переключает контакты микропереключателя, замыкая элек- 198
Таблица 8.1 Примеры выполнения алгебраических операций иа элементах УСЭППА Операции Реализуемая формула Схема включения Алгебраическое сум- мирование: иа дросселях иа дросселях с по- вторением на мембранном че- тырехвходовом усилителе р = felpl + k2pt k а • k - р 1 а + ₽ • а + Р — ft Г—' 1 ft д / «|1| Л ф р Р ~ Pl — Р2 + Рз л=_£1±р». • ft ь nWn р РЛ> — р&—F I т р Повторение давления и усиление расхода и МОЩНОСТИ р = Pi д>- уз у О Ре ~р Умножение на посто- янный коэффициент: на двухвходовом усилителе с сумма- тором на дроссе- лях k > 1 на четырехвходо- вом усилителе с сумматором на дросселях + А if + r|w W ? -&1 'ИА ‘sAv т р + _ -и й|тв II -II + /Л ? Д Ys. у* П-Г-as- J р - Р — (1 4 (Р1 — Рг) 4' Рз 1 JL = k- k > 1 ‘ а л р,ъ—а At> !=!~ Рз* г г Lbz р Z Примечание. /? — коэффициент усиления; а, |3 — проводимость дросселя. 199
Рис. 8.18. Реле указательное с запомина- нием положения типа РУЗ-1 трическую цепь. При понижении дав- ления мембрана под действием пру- жины возвращается в исходное поло- жение и контакты микропереключателя размыкают электрическую цепь. Индикаторы давления. Индикатор ИП-1, входящий в УСЭППА, описан в гл. 3. Реле указательное с запомина- нием положения СКВ Газприборавто- матика (рис. 8.18) состоит из кор- пуса 10, ползуна 9, кнопки 3, мем- бранного узла 8 со штоком, пружин 7 и 4, шторки 2, экрана 1, фигурной пружинной скобы 5 и крышки 6. При подаче сжатого воздуха на вход реле мембранный узел 8 перемещается, вы- зывая выход головки штока из рас- ширения паза ползуна. Под действием пружины 4 ползун перемещается вме- сте со шторкой 2 вверх, выталкивая в исходное положение. При перемеще- прорезями на экране. На лицевой сто- i одновременно кнопку 3 возврата шторки нии шторки ее белые полосы совпадают с роне реле появляются чередующиеся черные и белые полосы, сигнализируя о на- личии давления. После снятия командного сигнала ползун удерживается в том же положении — сигнал «запоминается». Для приведения реле в исходное поло- жение следует нажать на кнопку 3. Тогда мембранный узел под действием воз- вратной пружины вернется в исходное положение, а головка штока войдет в про- резь на ползуне 9, удерживая экран во взведенном положении. Реле крепят на щите фигурной пружинной скобой 5. 8.5. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА К вспомогательным устройствам в УСЭППА относятся задатчики и фильтры. Задатчики. Устройства этого типа предназначены для создания стабильного давления, подаваемого в глухие камеры приборов. На рис. 8.19 приведена кон- струкция маломощного задатчика, который состоит из корпуса 6, крышки 2, мембранного узла 5, пружины 4, винта регулирования 1 и ползуна 3. Заданное давление устанавливают винтом 1, при вращении которого изменяется натяжение пружины 4. Мембранный узел устанавливается в положение равновесия при выходном давлении, пропорциональном силе сжатия пружины. Для подачи сигнала на значительное расстояние (до 150 м) в УСЭППА рекомендуется исполь-' зовать мощный задатчик П23Д.4. Рис. 8.20. Фильтр типа ПОФЛ Рис. 8.19. Задатчик мало- мощный типа П23Д.З 200
Таблица 9.2 Техническая характеристика серийно выпускаемых элементов УСЭППА Элемент (тип) Техническая характеристика Размеры, мм Емкость постоянная (ПОР. 50) 7 = 50 см3, масса 140 г 0 40, h — 60 Сопротивление: постоянное (П-1127) регулируемое со шка- лой (П2Д.1) регулируемое без шкалы (П2Д.2) 0 0,18 мм ) , , t _ 0 0,3 мм ) * - 11>5 мм» масса 15 г • Шкала в относительных единицах; масса 208 г Масса 70 г 22X9X21 36 X 45 X 50 24X24X49 Делитель (П2С. 1) Сопротивление постоянное и регулируе- мое без шкалы; масса 120 г 30X30X 49 Делитель (П2С.2) Сопротивление постоянное и регулируемое со шкалой, оцифрованной в относительных единицах, масса 225 г 36X45X50 Усилитель: двухвходовой (П2ЭС.1) двухвходовой грубый (ПЭС.2) четыре.кв ходовой (П2ЭС.З) Наибольшая разность давления в момент срабатывания 5*Ю2 Па; гарантийное чи- сло срабатываний 200 000 в течение 18 мес, масса 300 г Наибольшая разность давления в момент срабатывания 2«108 Па; масса 100 г Наибольшая разность давления в момент срабатывания не более 1 • 10® Па; гаран- тийное число срабатываний 25 000 в тече- ние 18 мес, масса 340 г 40X 40X74 30X30X60 40X40X84 Повторитель: маломощный (П2П. 1) маломощный со сдви- гом (П2П.2) мощный грубый (П2П.З) мощный точный (П2П.7) Класс точности 0,25; масса 40 г Класс точности 1,0 при сдвиге =*= 17 • 10s Па, масса 75 г Основная погрешность не более 3%; мас- са 230 г Погрешность повторения сигнала гыэ,5% от рВх max*’ максимальный собственный расход воздуха 100 л/ч; масса 140 г 30X30X34 30X30X51 40 X40X27 40X40X34 Пневмореле: универсальное (ГИР.1) с пружиной (ГНР.З) без короткого замы- кания (РУГММ) Петля гистерезиса (0,33—0,14) *рпит; га- рантийное число срабатываний 2 • 10е; мас- са 60 г Петля гистерезиса (0,33 — 0,14) • РПЙТ, га- рантийное число срабатываний 2 • 10е; мас- са 90 г Гарантийное число срабатываний 10е, мас- са 100 г 30X30X35 30X30X41 30X30X40 Элемент ИЛИ (КЗК.5) Масса 20 г 20Х20Х 16 Пневмоклапан (ПЗК.1) Гарантийное число срабатываний 5-10е; масса 55 г 30X30X30 Пневмокнопка (П1КН.З) Масса 60 г 20 X 20X 44 Пневмотумблер (П1Т.2) Гарантийное число срабатываний 15 000, масса 45 г 20 X 20X 60 Пневмоэлектропреобразо- ватель (П1ПР.4) Ток постоянный (0,5 — 4) А; нагрузка оми- ческая, номинальное напряжение 30 В; гарантийное число срабатываний 2-105; масса 60 г 24X24 X43 Электропневмопраобразо- ватель (П1ПР.5) ДО Рабочее напряжение 24jjj В постоянного тока; сопротивление катушки 220 Ом; га- рантийное число срабатываний 2 • 105 40 X40X76 201
Продолжение табл. 8.2 Элемент (тнп) Техническая характеристика Размеры, мм Задатчик: маломощный (П23Д.З) мощный (П23Д.4) Фильтр (П0Ф.2) Вентиль (П0В.1) Индикатор (ИП.1) Погрешность настройки не более =±=0,5% максимального выходного давления; мас- са 70 г Погрешность =±=0,5%; задатчик обеспечи- вает передачу сигнала на 150 м при диа- метре трассы 4 мм; масса 200 г Масса 37 г Масса 40 г 30X30 X 46 40X 40 X 117 24X20 ХЗО 24X24 X 46 0 24, h = 26 Примечание. Питание элементов — сжатый воздух р = 1,4• 105 Па (± Ю %). Элементы работают при температуре окружающей среды, изменяю- щейся от 4-10 до 4~50 °C, и относительной влажности до 80 %. Элементы пред- назначены для стыкового монтажа и имеют унифицированный ключ. В элементах непрерывного действия применяют резинотканевые мембраны толщиной б = — 0,2 мм. релейного действия — б == 0,3 мм. Диаметр подводящих каналов у большинства элементов 2 мм. Таблица 8.3 Техническая характеристика приборов системы СТАРТ Прибор Пределы измерения, настройка Расход воздуха, л/мин Позиционный регулятор (ПР1.5) То же, с настраиваемой зоной чувствительности (ПР1.6) Пропорциональный регу- лятор (ПР2.5) Пропорционально-инте- гральный регулятор (ПР3.21, ПР3.22) Пропорционально-инте- гральный регулятор со- отношения (ПР3.23, IIP3.24) Прибор прямого предва- рения (11Ф2.1) Прибор обратного предва- рения (ПФ3.1) Пропорционально-инте- грально-дифференциаль- ный регулятор ПР3.25 Пропорциональный регу- лятор с линейной стати- ческой характеристикой (ПР2.8) Пропорционально-инте- гральный регулятор с ли- нейной статической ха- рактеристикой (ПР3.31) Порог чувствительности 0,2* 10Б Па Зона возврата (0,05=0,8) 106 Па Пределы пропорциональности 5 < б < < 3000 %, = 100/6. 0,03 < Кр < 20 Пределы пропорциональности 5 < б < < 3000 % Время интегрирования Ти = — 0,05=100 мин Предел пропорциональности 5 < 6 < < 3000 % Время интегрирования Ти = — 0,05-мОО мин Коэффициент соотношения от 1 : 1 до 1 : 10 Время предварения 7'Пр = 0,05-f-l0 мин Время предварения TQ пр = 0,05=10 мин Пределы пропорциональности 5 < б < < 3000 %. Время интегрирования Ти = = 0,5—100 мин. Время предварения Trip — 0.05-г-Ю мин Предел пропорциональности 2 < 6 < < 100 % и 100 % < б < 3000 %. Нели- нейность статиче скнх характеристик — 1 % при 6 = 100 % н ±3 % при дру- гих значениях 6; 0,03 < Кр < 50 Предел пропорциональности 2 < 6 < <100 % и 100 % <6 < 3000 %. Время интегрирования Ти = 0,05=100 мин. Не- линейность статических характеристик — 1 % при 6 = 100 % и ==3 % при дру- гих значениях 6 3,0 4,2 3,6 4,0; 5,0 4,0; 5,0 2,0 1,8 5,0 7,0 7,0 202
Продолжение табл. 8.3 Прибор Пределы измерения, настройка Расход воздуха, л/мин Автоматический оптими- затор с запоминанием максимума (АРС-2-0) Автоматический шаговый оптимизатор (АРС-2-ОИ) Автоматический шаговый оптимизатор с недоходом до максимума (минимума) (АРС-1-ОН) Прибор простейших алгебраических операций (ПФ1.1) Прибор селактирования (ПФ4/5.1) Прибор ограничения (ПП11.1) Прибор умножения на постоянный коэффициент (ПФ1.9) Прибор извлечения квад- ратного корня ПФ1.17 Усилитель ( ПП1.5) Интегрирующий прибор (ПВ9.4П) Многоточечные обегаю- щие устройства с уско- рителем приема сигнала (УМО-8, УМО-16, БП-8) Пневматическая релейная управляющая машина РУМП Показывающий прибор (ПВ1.3, ПВ2.2) Показывающий прибор с датчиком (ПВ2.3) То же, со станцией управления (ПВ3.2) Прибор контроля: ПВ4.2П (Э) ПВ4.3П (Э) То же со станцией управления (ПВЮ.1П(Э) Зона нечувствительности б = 1,5-103± -4-6 • 103 Па. Время задержки импульса ре- верса 1 с — 30 мин; скорость поиска 2-102—6* 10* Па/мии Зона нечувствительности 6 = 1,5’10s— 6’103 Па. Диапазон длительности импуль- сов 1—60 мин; диапазон длительности сравнения 5—60 с. Приращение выходно- го давления за один шаг 2 • 103 —15 103 Па Зона нечувствительности 61 — 1,5 НО3 — 6-Ю3 Па; зона нечувствительности 62 = — 1-Ю3—6-Ю3 Па. Диапазон длитель- ности импульсов 1—60 мин; диапазон дли- тельности периода сравнения 10 — 60 с. Приращение давления за один шаг 2 103 — 15-103 Па Производная постоянная ±(0 —103) Па Ограничения по максимуму (0,5—1,0) X X 105 Па; ограничения по минимуму (0,7 —0,2) 10б Па Коэффициент усиления /< -- 0,2 — 0,95; 1,05 — 5,0 Диапазон входных сигналов (0,3—1) X X 105 Па; 0,3-Ю® < pt < 0,9-Ю6 Па; 0,2-Ю5 < р2 < 1,0 • 105 Па Время шага импульса от 30 до 300 с Число тактов 12; число рабочих каналов в такте 1 — 12: продолжительность тактов от 10 — 12 с до 2 ч Зона чувствительности сигнального уст- ройства (0,04 — 0,8) 106 Па 8,0 10 15 ' 3,6 5,0 3,6 9,0 3,6 1,8 7,2 5 (10)4-2 65 2,4 6,0 3,0 4.2 4.0 (2,0) 4.2 (2,4) 6,0 (4.0) Примечание. Приборы питаются сжатым воздухом давлением 1,4-16& Па ±10 %. Непрерывным сигналам соответствует давление, изменяю- щееся в диапазоне 2-Ю4 —1-105 Па. Дискретным двоичным сигналам со значе- ниями 0 н 1 соответствуют два уровня давления 0 н Рпнт. Приборы работают при температуре окружающей среды, изменяющейся от 4-5 до 4-50 °C. и относитель- ной влажности до 80 %. Привод диаграммы вторичных приборов от синхронного двигателя СД, напряжение 127/220 В. Скорость движения диаграммы 20 мм/ч. Вторичные приборы выпускают в прямоугольном корпусе с размером по фасаду 160x 200 мм. Погрешность всех приборов (кроме ПР1.6 и ПП1.5, для которых погрешность ±1,5%) составляет ±1 % при / — 20±5 °C. 203
Фильтры. В УСЭППА фильтры обеспечивают очистку сжатого воздуха иа отдельных линиях пневматической системы. На рис. 8.20 показан фильтр П0Ф.2, который состоит из корпуса 2, сменных войлочных дисков 3 и винта 1. Сжатый воздух, подаваемый к входному штуцеру, проходит через войлочные диски 3, очищается от загрязнений и поступает к выходному штуцеру. К. недостаткам указанного фильтра следует отнести низкую эффективность и пылеемкость, а также значительное сопротивление. В комплект монтажных деталей УСЭППА входят различные типы штуцеров, соединительных трубок, заглушек, прокладок и уплотнительных колец. Техни- ческие характеристики серийно выпускаемых элементов УСЭППА и типовых приборов системы СТАРТ приведены в табл. 8.2 и 8.3 [5]. Подробные сведения об устройстве УСЭППА, схемах типовых узлов, при- боров и систе?л пневмоавтоматики, а также о современных методах построения различных систем управления в промышленности на базе устройств среднего уровня давления можно найти в работах [1—4]. 8.6. АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА СРЕДСТВ ЦИКЛИЧЕСКОЙ АВТОМАТИКИ ЦИКЛ Система ЦИКЛ разработана институтом проблем управления (автоматики и телемеханики) и заводом «Тизприбор». Аппаратурно-элементная база системы ЦИКЛ состоит из логических струйных модулей, работающих в пассивном ре- жиме, и из активных мембранных элементов (усилителей), которые служат для повышения уровня сигналов. Входные сигналы логических ячеек имеют стандартный уровень давления — 0 либо (1,4+ 0,2) 10» Па. Так как для уменьшения расхода воздуха давление в самих струйных элементах существенно ниже стандартного уровня, то на вхо- дах в ячейки для понижения давления устанавливают нормализующие пневмо- сопротивления. Уровень выходных сигналов струйных модулей должен быть не ниже 3000 Па. Эти сигналы усиливаются по давлению (до стандартного уровня) и по мощности. Набор пассивных логических элементов и принципиальные схемы усилите- лей мощности и давления, применяемых в струйно-мембранной технике, при- ведены на рис. 8.21 [1]. Элемент, представленный на рис. 8.21, а, реализует логическую функцию И. На рис. 8.21, б приведен элемент, реализующий логи- ческую функцию ЗАПРЕТ, а на рис. 8.21, в— функцию ИЛИ. Рис. 8.21. Схемы струй- ных логических элемен- тов и усилителей мощ- ности и давления: а, б, в — элементы, реа- лизующие функции И, ЗАПРЕТ, ИЛИ; г, д — усилители, работающие по схеме повторения и отрицания 0) 204
Представленный на рис. 8.21, г усилитель работает по схеме повторения. При подаче на вход 1 усилителя сигнала низкого давления, с выхода 2 снимается сигнал, усиленный по мощности и давлению. Давление питания, равное (1,4 ± ± 0,2) 103 Па, подается через входы 3 и 4 соответственно к первому и второму каскаду усилителя. При сообщении входа 1 усилителя с атмосферой, давление в проточной камере 5 из-за наличия сопротивления 6, близко к нулю. В этом слу- чае жесткий центр 7 под действием давления сжатого воздуха и пружины 8 за- нимает верхнее положение, перекрывая сопло 9 и открывая сопло 10. При этом выход 2 сообщается с атмосферой. При подаче на вход 1 сигнала низкого давления мембрана 11 перемещается вниз и закрывает сопло 12. Давление в камере 5 воз- растает, и жесткий центр- перемещается вниз, перекрывая сопло 10 и открывая сопло 9. На выход 2 поступает сигнал стандартного уровня давления. Представленный на рис. 8.21, д усилитель, работающий по схеме отрицания, отличается расположением сопел на втором каскаде усиления (они расположены навстречу друг другу). При отсутствии давления на входе 1 жесткий центр 7 занимает верхнее положение и выход 2 сообщается с питанием через вход 4. Подача на вход сигнала низкого давления приводит к перемещению жесткого центра 7 вниз, что вызывает отсечение выхода от питания и сообщение его с атмо- сферой. Система ЦИКЛ состоит из восьми функциональных блоков. 1. Блок командно-циклический предназначен для реализации циклических последовательностей, содержащих до восьми тактов. Более сложные схемы ком- плектуют из нескольких блоков. 2. Блок обегания предназначен для преобразования последовательности им- пульсов в восьмиразрядное число в унитарном коде. Разрядность увеличивается в результате последовательного или каскадного соединения нескольких блоков. 3. Блок матрица предназначен для записи, хранения и выдачи восьми чисел, каждое из которых содержит восемь двоичных разрядов. 4. Блок отсчета времени предназначен для реализации четырех временных задержек. 5. Блок дешифратор предназначен для преобразования четырехразрядного числа в двоичном коде в унитарный код. 6. Блок универсальной логики предназначен для реализации восьми логи- ческих функций различной сложности; комплектуется восемью типовыми струй- ными модулями в любом сочетании. 7. Блок усилителей предназначен для реализации 16 двухвходовых логи- ческих функций (ДА, НЕ, И, ЗАПРЕТ). 8. Блок усилителей вспомогательного назначения используют для усиления пневматических сигналов по мощности в 16 каналах. Возможно инвертирование сигнала по любому каналу. К достоинствам системы ЦИКЛ необходимо отнести: относительно низкие требования к характеристикам струйных элементов; возможность применения стандартных датчиков, кнопок, тумблеров, аналоговой ветви УСЭППА и испол- нительных механизмов, работающих на стандартном уровне пневмоавтоматики; возможность применения агрегатно-модульного принципа построения систем управления циклическими процессами из типовых модулей. К недостаткам струйно-мембранной техники системы ЦИКЛ следует отнести: повышенный расход воздуха по сравнению с мембранной релейной техникой; низкое быстродействие по сравнению со струйной техникой и некоторую избы- точность при построении ряда схем. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ I. Агрегатное построение пневматических систем управления/ С. А. Юдицхий, А. А. Тагаевская, Т. К. Ефремова н др. М.: Энергия, 1973. 112 с. 2. Дмитриев В. Н., Градецкий В. Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машинострое- ние, 1973. 360 с. 3. Пневмоавтоматика. Под ред. А. А. Таля. М.: Наука, 1974. 241 с. 4. Построение дискретных управляющих устройств на базе аппаратуры ЦИКЛ/ т. К. Берендс. Т. К- Ефремова, А. А. Тагаевская и др. М.: 1973. 101 с. (Ин-т проблем управления). 5. Элементы и схемы пневмоавтоматики/Т. К. Берендс, Т. К- Ефремова, А. А. Та- гаевская, С. А. Юдицкий. М..^Машиностроение, 1976. 246 с.
Глава 9 ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ 9.1. СТРУЙНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В настоящее время во многих областях техники используют струйные системы управления (СУ). Появление струйной пневмоавтоматики, быстродействие эле- ментов которой превышает быстродействие пневматических элементов с подвиж- ными частями и электромагнитных релейных элементов, определило дальнейшее расширение областей применения элементов и устройств пневмоавтома- тики. Высокое быстродействие, надежность и малые размеры струйных элементов позволяют строить сложные комбинационные и цифровые устройства для управ- ления станками, промышленными роботами и другими машинами. Простота конструкции элементов, возможность изготовления их методом печатных плат из различных материалов, способность работы струйных СУ в условиях радиации, электромагнитных полей, вибрационных и ударных на- грузок, высоких и низких температур, а также в пожаро- и взрывоопасных условиях, отсутствие движущихся механических частей и возможность широкого выбора материалов для изготовления струйных элементов — все это приводит практически к неограниченно,му сроку службы струйных устройств и их ши- рокому применению. Для питания струйных элементов используют промышленную воду, мине- ральные масла, выхлопные газы двигателей. Однако наибольшее распростра- нение получили пневматические струйные элементы, что связано с рядом пре- имуществ, получаемых при использовании воздуха в качестве рабочей среды. В разработке и использовании струйных элементов и СУ в народном хозяй- стве СССР достигнуты значительные успехи. Областями применения струйной автоматики являются машиностроение, энергетика, нефтехимия, горнорудная, деревообрабатывающая и легкая промышленности и другие отрасли народного хозяйства. Особенно высокий экономический эффект (по сравнению с электри- ческими и другими системами управления) обеспечивается при использовании струйных систем для управления машинами, работающими в пожаро- и взрыво- опасных условиях и при наличии электромагнитных и радиационных полей. В станкостроении струйные системы целесообразно применять для управ- ления стайками, промышленными роботами, в которых в большей степени ис- пользуются пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. В этом случае эффект достигается в результате упрощения обслуживания, сок- ращения простоев и увеличения надежности. Использование струйной авто- матики целесообразно также в станках, прессах и промышленных роботах с на- пряженным циклом. В США фирмы SPEEDFAM и BURDON'S & OLIVER выпускают станки со струйными системами управления. В Италии струйные элементы фирмы IMPER- IAL—RIV используют в автомобилестроительной промышленности, и в част- ности в системах контроля на ВАЗе в г. Тольятти. В Японии струйные СУ при- меняют в станкостроении, роботостроении, судостроении, рыболовстве и дру- гих областях. 206
Высокая надежность и низкая стоимость струйных логических элементов определяют их широкое использование для построения сложных управляющих устройств, содержащих сотни и тысячи логических элементов. Ниже описан накопленный волжским филиалом ВНИИАШ значительный опыт по созданию и промышленному применению элементов и устройств струй- ной пневмоавтоматики, а также приведены данные о внешних и других устрой- ствах струйной автоматики, разработанных ЭНИМСом, ВНИИГидроприводом и другими организациями. Принцип действия основных элементов систем управления. В элементах струйных СУ используются в основном следующие гидромеханические явления: 1) изменение сопротивления истечению потока из канала (на рис. 9.1, а показан элемент типа сопло-заслонка, у которого выходное давление р& увели- чивается при уменьшении зазора s л уменьшается при увеличении зазора); 2) силовое воздействие рабочей среды (воздуха) на твердое тело, например на мембрану, поршень и др. (на рис. 9.1, б), сигнал рУПР) поступающий с выхода струйного логического элемента на вход усилителя мощности, воздействует иа верхнюю управляющую мембрану, заставляя ее прикрыть сопло; в резуль- тате давление в полости иад нижней (силовой) мембраной возрастает и обеспе- чивает переключение клапана усилителя; иа выход рв поступает сжатый воздух высокого давления; 207
3) прерывание струи (этот способ используется в элементах типа сопло— приемный канал, в элементах с встречными потоками; в путевом струйном вы- ключателе, схема которого приведена на рис. 9.1, в, выходной сигнал рв ста- новится равным нулю, когда заслонка прерывает струю; в выключателе, при- веденном на рис. 9.1, а, соударение встречных питающих потоков воздуха под давлением рп препятствует засорению выходных отверстий и паза выключателя твердыми частицами; когда заслонка опускается, соударение встречных потоков прекращается, давление рв на выходе выключателя понижается, в результате чего переключается присоединенный струйный логический элемент; при отводе ф заслонки в исходное положение давление рв повышается и элемент переключается в первоначальное состояние); 4) создание потоков в результате соударения истекающих струй и потоков (используется в струйных измерительных кольцевых датчиках (рис. 9.1,5) и элементах с несколькими соударяющимися под углом струями); 5) изменение режима течения среды (имеет место в акустических элементах и турбулентных усилителях; при отсутствии управляющего сигнала ру у турбу- летного усилителя, приведенного на рис. 9.1, е, ламинарная струя под давлением питания рп обеспечивает на выходе сигнал рв, поступающий на вход струйного дискретного или аналогового элемента; при наличии управляющего сигнала ру ламинарная струя турбулизуется и сигнал рв становится равным нулю); 6) отклонение струи вследствие соударения струй (рис. 9.1, ж) и в резуль- тате притяжения струи к стенке (см. рис. 9.1, з, и). Часто в одном и том же элементе струйной СУ используются несколько гидромеханических явлений. В путевом выключателе (рис. 9.1, к), например, используются эффекты соударения струй и прерывания струи твердым телом. Рабочий процесс струйных логических элементов системы «Волга» основан на эффектах соударения струй, притяжения струи к твердой стенке и внутренней обратной связи. . Принципы действия струйных дискретных и аналоговых элементов «Волга». Картина течений в рабочей камере струйного дискретного элемента изображена на рис. 9.2, а. Силовая струя, вытекая из канала питания 3 в камеру элемента, ограниченную стенками 1 и 2, эжектирует среду из окружающего пространства, поэтому в зоне между силовой струей и стенками давление ниже атмосферного. Положение струп становится неустойчивым и струя отклоняется к одной из1 стенок. При этом пространство для прохода эжектируемой среды по одну сто- рону от силовой струи уменьшается. Давление с этой стороны струи падает, что приводит к увеличению кривизны струи. Процесс искривления струи нарастает лавинообразно до тех пор, пока струя не притянется к стенке 1. Давление рг в полости у стенки 1 уменьшается, а давление р2 в полости у стенки 2 возрастает и струя удерживается у стенки 1 за счет поперечного перепада давлений /\р = р2 — рг. При этом часть силовой струи, называемая отражен- ным потоком, отсекается дефлектором 4 и направляется в область между струей и стенкой 2, в результате чего со стороны стенки 2 давление достигает величины, равной Pj + Ро. с, где р0. с—давление потока обратной связи, определяемое величиной отраженного потока и геометрическими параметрами камеры элемента. Увеличение расхода воздуха, подаваемого в управляющий канал 5, приводит к отклонению струи в сторону стенки 2. При этом отсекаемая дефлектором 4 208
часть струи растет, что приводит к увеличению в полости у стеики 2 давления, препятствующего отклонению струи, т. е. возникает отрицательная обратная связь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто крити- ческое взаимное положение струи и разделителя, при котором изменится режим обтекания дефлектора. При этом возникает отраженный поток с противополож- ной стороны дефлектора, обратная связь становится положительной и процесс переключения струи к стенке 2 происходит лавинообразно. Аналогично проте- кает процесс переключения струи от стенки 2 к стенке 1. Давления в управляю- щем канале, при которых происходит смена режимов обтекания дефлектора и переключение струи, называют давлением срабатывания и давлением отпускания. Работа струйных аналоговых усилителей основана на соударении управ- ляющей и силовой струй, направленных под углом друг к другу. В результате их соударения возникает результирующий поток, направление которого не совпадает с направлением взаимодействующих струй. Для двух струй, соуда- ряющихся под прямым углом (рис. 9.2, б) угол отклонения а результирующего потока в первом приближении 22 Рубу tg « = — - У-ТУ- , 2 1 Рп®п где Jlt J2 — количества движения соударяющихся струй, ру и рп — давление в управляющем и питающем каналах; Ьу и 6П — ширина управляющего и пи- тающего каналов. Требования, предъявляемые к элементам струйной техники. Для характери- стики элементов струйной техники основными являются следующие показа- тели: быстродействие; потребляемая мощность; логические возможности; поме- хоустойчивость; надежность; температурный диапазон; стоимость. Хорошие значения этих показателей у элементов струйной техники делают целесообразным применение струпных систем управления для автоматизации в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в машиностроении. Конструктивное оформление. В связи с тем, что функции и области приме- нения струйных систем управления различны, к настоящему времени выявлено несколько видов конструктивного оформления струйных элементов. 1. Функциональные модули, предназначенные для построения вычисли- тельных устройств, представляют собой платы, на которых выполнены несколько (два и более) логических элементов и коммуникационные каналы. Такое конструк- тивное решение обеспечивает максимальную плотность монтажа, т. е. наиболь- шее число элементов на единицу объема устройства. 2. Струйные элементы, предназначенные для сборки в пакеты. Плотность монтажа ниже, чем в первом случае, поскольку на каждой функциональной плате выполнен только один элемент. 3. Струйные элементы и модули, имеющие штуцеры и предназначенные для монтажа как гибкими шлангами, так и с помощью печатных плат. Преимущества таких элементов — простота технологического процесса их производства и, простота обслуживания построенных на их базе струйных СУ. Элементы данного типа являются основными в комплексе струйных элементов «Волга». Характеристики. Работу струйных дискретных и аналоговых элементов, а также внешних устройств струйной техники оценивают с помощью статических и динамических характеристик. К статическим характеристикам относятся: входная (рис. 9.3, а), представляющая собой зависимость входного рас- хода Qy от входного давления ру в управляющем канале; входная характери- стика позволяет оценить входные расходы элемента при различных режимах его работы и, следовательно, дает возможность правильно согласовать источник сигнала (струйный путевой выключатель, струйный элемент и др.) с управляю- щими входами элементов; выходная (рис. 9.3, б), представляющая собой зависимость расхода QB в выходном канале от давления рв в этом же канале; по выходной характери- стике определяют нагрузочную способность элемента (датчика, путевого выклю- чателя и т. п.) при работе его с логическими элементами или другими устрой- ствами; 209
Рис. 9.3. Характеристики дискретных элементов характеристика переключения (рис. 9.3, в), представляющая собой зави- симость давления (расхода) на выходе элемента от давления (расхода) на любом , из его входов. По характеристике переключения определяют порог срабатыва- ния элементов, помехоустойчивость при их совместной работе. На рис. 9.3, г приведена схема для снятия динамических характеристик элемента, к которым, в частности, относится показанная на рис. 9.3, д зави- симость пропускаемой частоты от давления на входе. Это давление зависит от <. нагрузки, т. е. от числа элементов, подключенных к выходу элемента, и от со- противления линий связи. Работа аналоговых усилителей описывается статической характеристикой (рис. 9.4, а, б), которая показывает зависимость разности давлений на выходах от разности давлений на управляющих входах . Отношение Руз Ру1 “Ру Рис* 9в4. Характеристики аналоговых усилителей 210 А, Л 0,7 0,0 0,5 0,0 Ц5 о.о VI Ф V/ 0,2 Pi, Л
разности выходных давлений к разности давлений управления называется ко- эффициентом усиления по давлению. Введение отрицательной обратной связи в аналоговом усилителе обеспечивает его работу в релейном режиме. Харак- теристика переключения и схема релейного усилителя, который часто называют триггером Шмитта, показаны на рис. 9.4, в, г. Быстродействие. Основным показателем быстродействия струйного эле- мента считают среднее время задержки распространения сигнала на один эле- мент при его включении и отключении, иначе говоря время от момента подачи сигнала «1» на вход до момента, когда выходной сигнал достигнет значения «1». Быстродействие устройств оценивается временем задержки и информации как в элементах, так и в линиях связи, а быстродействие счетных триггеров опре- деляется максимальной частотой счета входных импульсов. Наибольшее быстродействие имеют струйные элементы, построенные с ис- пользованием соударения струй: эффекта Коанда и эффекта внутренней обрат- ной связи. У турбулентных усилителей быстродействие ниже. Обычно время переключения струйных логических элементов не превышает одной миллисе- кунды и зависит от геометрических размеров струйных элементов, давления пи- тания и других факторов. Потребляемая мощность. Мощность, потребляемая одним струйным элемен- том, мала и обычно не превышает сотых или десятых долей ватта. Однако при построении больших управляющих устройств потребляемая мощность может оказаться значительной. Поэтому комплекс элементов «Волга» имеет в своей но- менклатуре как элементы большого размера, предназначенные для построения несложных устройств струйной автоматики, так и элементы малого размера с ма- лой потребляемой мощностью для более сложных управляющих устройств. Элементы первого типа отличаются большим сечением питающего и других кана- лов и поэтому они менее требовательны к очистке питающей среды. Уменьшение мощности, потребляемой элементами, достигается: снижением уровня давления питания струйных элементов при оптимальных проходных се- чениях каналов; у элементов «Волга» минимальное давление питания равно 1,5— 2 кПа; уменьшением проходного сечения канала питания струйных элементов; приемлемое минимальное сечение канала питания зависит как от технологиче- ских возможностей, так и от условий работы управляющих устройств (от сте- пени очистки питающей среды и ряда других факторов); кроме того, снижение потребляемой мощности может быть обеспечено при проектировании управляю- щего устройства путем определения минимального числа логических и других элементов, входящих в управляющее устройство, и выбора рационального источ- ника питания. Для струйных СУ с большим числом элементов чаще всего наиболее эконо- мичным источником питания является вентилятор. Но в качестве источника питания сети низкого давления можно использовать и обычную заводскую сеть сжатого воздуха. В этом случае необходимо обеспечить хорошую очистку воз- духа от влаги и механических частиц, а также использовать эжекторы, которые за счет подсоса воздуха из окружающей среды (точнее из выхлопного коллектора струйного управляющего устройства) позволяют существенно уменьшить потреб- ление сжатого воздуха. Логические возможности для систем струйных элементов определяются сле- дующими показателями: числом входов; нагрузочной способностью; наличием двух взаимно инверсных выходов, что позволяет снимать одновременно как прямое, так и инверсное значение логической функции; числом логических функ- ций, реализуемых одним элементом; возможностью объединения элементов в схемы для реализации различных логических функций и цифровых устройств; совме- стимостью по уровням сигналов с другими системами элементов; наличием эле- ментов, способных работать при длинных линиях связи, наличием индикатор- ных и других устройств. У системы струйных элементов «Волга» все перечисленные показатели на- ходятся на современном уровне. Помехоустойчивость характеризует максимально допустимые давление помехи на входе, при которых не нарушается работа элемента (не происходит изменение состояния элемента). Причинами возникновения давления помех 211
в струйных системах управления являются остаточные давления на выходах и входах логических элементов, выходах внешних устройств, перетечки в комму- никационных платах и др. Помехи могут возникать и при совместной работе элементов в схемах, что связано с некоторыми особенностями рабочего процесса, протекающего в струйных элементах. Величина давления помех должна быть обязательно ниже величины давления отпускания струйного моностабильного (имеющего одно устойчивое состояние) элемента. Наряду с помехами большой длительности (когда время действия помех больше времени переключения эле- мента) при соединении элементов в схемы возможно также возникновение помех, время действия которых равно или меньше времени переключения элемента. Струйные элементы с невысоким быстродействием менее подвержены влиянию таких помех. В системе струйных элементов «Волга» приняты все меры по устранению причин, приводящих к возникновению помех при соединении элементов в схемы. В струйных элементах «Волга» отсутствуют остаточные давления на выходах и сведены к минимуму остаточные давления на входах, которые являются одной из основных причин, определяющих величину помех. Помехи от входных устройств чаще всего являются следствием низкого качества изготовления или неправиль- ной эксплуатации их (например, когда заслонка конечного выключателя непол- ностью перекрывает струю). Температурный диапазон. Исследования показали, что в зависимости от материала, из которого изготовлены струйные элементы, они могут успешно работать при температуре окружающей среды от —100 °C до +1000 °C и более. Температурный диапазон работы элементов «Волга», изготовляемых из ударо- прочного полистирола, лежит в пределах —20 ч—р50 °C. При изготовлении эле- ментов из полиамида или стеклонаполненного полистирола диапазон шире —50< <+50 °C. Долговечность струйных элементов целиком определяется долговечностью материалов, из которых они изготовлены. В процессе работы элементы никаким механическим нагрузкам не подвергаются. Из принципа работы элемента сле- дует, что число переключений не может оказать какого-либо влияния на его долговечность. Авторам известны пластмассовые струйные элементы, сохранив- шие работоспособность после 12 лет непрерывной работы. Поэтому можно ут- верждать, что элементы, изготовленные из коррозионно-стойкой стали или из керамики, будут иметь практически неограниченную долговечность. Надежность струйных управляющих устройств определяется надежностью не только струйных логических элементов, но и внешних устройств, элементов монтажа и др. Таким образом, надежность устройств в целом будет зависеть от его сложности, качества изготовления, подготовки питающей среды и других факторов. Структура струйной системы управления, как правило, не отличается от структуры систем, реализованных на базе других технических средств. В со- став системы входят управляющее устройство, состоящее из струйных логиче- ских элементов и элементов монтажа (монтажных блоков, трубопроводов, ар- матуры), а также внешние устройства, к которым относятся: источник питания; элементы ввода информации (путевые выключатели, датчики и другие устройства контроля технологических операций, аппаратура ручного управления, устрой- ства задания программы и др.); входные н выходные преобразователи одного вида энергии в другой; усилители мощности; индикаторы. Таким образом, струйная СУ представляет собой комплекс, состоящий из управляющего устройства и внешних устройств. 9.2. ЭЛЕМЕНТЫ И КОНСТРУКЦИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Струйные дискретные и аналоговые элементы. Элементы комплекса «Волга» предназначены для построения логических и цифровых устройств струйных си- стем циклового и числового программного управления станками, промышленными роботами и другим оборудованием, а также для построения систем контроля и 212
Рис. 9.5. Рабочий профиль струйно- го дискретного элемента воздуха проходит в выходной автоматического регулирования. Наиболь- шее применение нашли струйные элементы однотипной конструкции двух размеров. Элементы первого (большого) размера имеют площадь сечения канала питания 1 мм2, эле- менты второго (малого) размера 0,25 мм2. Общим для элементов обоих размеров яв- ляется то, что монтируют их в управля- ющих устройствах способом штекерного разъема. Базовым для элементов большего размера является элемент ИЛИ—НЕ ИЛИ, типа СТ41, а для элементов малого раз- мера — элемент ИЛИ—НЕ ИЛИ типа СТ55. На рис. 9.5 показан рабочий профиль элемента типа СТ41. Как и у других элемен- тов большого размера, глубина этого про- филя равна 1,3 мм. У элементов малого размера глубина профиля равна 0,7 мм. Струя воздуха, вытекающая из канала питания 1 при отсутствии управляющих сигналов в ка- налах 2, 3 и 6 примыкает к стенке а и идет в выходной канал 4. При наличии управ- ляющих сигналов в канале 2 или 3 (или в обоих одновременно) струя питающего воз- духа отклоняется к стенке б и идет в вы- ходной канал 5. При одновременной подаче управляющего сигнала в один из каналов (2 или 3) и в канал 6 струя питающего канал 4. Рабочую плату элемента, на которой выполнен рабочий профиль, склеивают с крышкой, образуя функционально законченную единицу — струйный дискрет- ный элемент, или аналоговый усилитель. На крышке и плате элементов указы- вают цифровые обозначения входов и выходов, модель элемента и его условное обозначение в схемах. Для питания струйных элементов большого размера рекомендуется воздух, очищенный не грубее 5-го класса загрязненности по ГОСТ 17433—72, для эле- ментов малого размера — ие грубее 3-го класса. Показатели надежности для элементов: наработка на отказ 1-10® ч, средний срок службы 12 лет. В табл. 9.1 приведена характеристика дискретных элементов больших и малых размеров. Характеристики переключения, условные обозначения в схе- мах и другие сведения по отдельным элементам комплекса «Волга» приведены ниже. Струйный дискретный элемент типа СТ41. Взаимно инверсные выходы 4 и 5 элемента (рис. 9.6, а, в) могут быть подключены как к глухой камере, так и к входам других элементов. Возможно одновременное использование обоих выходов. Элемент не чувствителен к нагрузке на выходах. При работе в режиме «Запрет» давление на запрещающем входе 6 должно составлять не менее 150% давления на управляющем входе. Из приведенной на рис. 9.6, в характеристики переключения видно, что если выход элемента присоединен к глухой камере (Qb = 0), то давление на выходе элемента может достигнуть более 35% давления питания. Если к выходу элемента присоединяются управляющие входы двух элементов того же типа, то давление на выходе понижается примерно до 26% давления питания. Из характеристики переключения видно также, при каких значениях давления ру управляющего сигнала (в процентах от давления пита- ния ра) происходит как срабатывание элемента, так и его отпускание — возврат в исходное состояние. Триггер с раздельными входами типа СТ42 в отличие от элемента типа СТ41 имеет два устойчивых состояния. Элемент (рис. 9.6, а, г) предназначен для построения устройств, в которых требуется запоминание сигналов (память). Запоминание двух управляющих сигналов обеспечивается одним элементом СТ42, 213
Таблица 9.1 Техническая характеристика струйных дискретных элементов (давление питания 2,5 — 10 кПа, номинальное давление 4 кПа) Диск- ретные элементы Логические функции Расход воздуха прн номи- нальном давлении питания, м3/с Мощ- ность при но- миналь- ном дав- лени и питания, Вт Рекомен- дуемая нагру- зочная способ- ность элемен- тов того же типа, шт. Масса, кг СТ41 ИЛИ—НЕ ИЛИ на два входа с запретом по одному из входов 7,5-10-“ 0,32 2 0,01 СТ42 Память СТ43 И—НЕ И на два входа СТ44 ИЛИ —НЕ ИЛИ на три входа СТ45 ИЛИ—НЕ ИЛИ на два входа с кнопочным управлением по одному из входов (ключ) 10 -10-* 0,4 . СТ53 ИЛИ — НЕ ИЛИ на шесть входов 7,5 10~Б 0,32 1 0,02 GT54 ИЛИ на 12 входов (пас- сивный) 610~5 — — 0,01 СТ55 ИЛИ —НЕ ИЛИ на два входа с запретом по одно- му из входов 1,6-1О’В 0,05 2 0,004 СТоб Память СТ57 ИЛИ —НЕ ИЛИ на четы- ре входа 1 CTG0 ИЛИ — И на четыре входа 2 СТ67 Два элемента ИЛИ—НЕ ИЛИ на два входа в одной плате 0,002 214
Рис. 9.6. Струйные дискретные элементы больших размеров: а — размер и маркировка ножек (штуцеров) элементов СТ4(, СТ42, СТ43 и СТ45; б — размер и маркировка ножек элемента СТ44; в — ж — характеристики переключения и условные обозначения в схемах элементов СТ41; СТ42; СТ43; СТ44 н СТ45 соответственно в то время как для решения этой же задачи при использовании элементов СТ41 требуется схема, составленная из двух элементов СТ41. Элементы СТ43 (рис. 9.6, а, д) и СТ44 (рис. 9.6, б, е) так же, как и элемент СТ42, обеспечивают более экономное построение управляющих устройств. Реа- лизуемые ими логические функции можно выполнить и при использовании од- них лишь элементов типа СТ41, но общее число элементов в устройстве будет в этом случае большим. В целях сокращения номенклатуры элементов и облег- чения тем самым эксплуатации устройств относительно простые управляющие устройства целесообразно строить на одних лишь элементах типа СТ41, пренеб- регая некоторым увеличением общего числа элементов. Это же относится и к ба- зовому элементу малого размера СТ55. У элемента СТ45 (рис. 9.6, а, ж) вход 2 через дроссель соединен с каналом питания. Срабатывание элемента по входу 2 может быть обеспечено механиче- ским закрыванием его. Поэтому элемент удобен при работе с датчиком типа сопло-заслонка, например, в устройствах для контроля уровня. Датчик в этом случае — простейшее сопло, к которому не надо подводить внешнее питание, 215
Рис. 9.7. Струйные дискретные элементы: а — шестивходовый элемент ИЛИ — НЕ ИЛИ типа СТ53; б — пассивный элемент ИЛИ на 12 входов типа СТ54, в — универсальный модуль типа СТ67 (плата с двумя элементами ИЛИ —НЕ ИЛИ, пакет и характеристика переключения) а заслонкой служит контролируемый верхний уровень жидкости (или сыпучего материала) в резервуаре. Шестивходовый элемент ИЛИ—НЕ ИЛИ типа СТ53 (рис. 9.7, а) имеет боль- шую длину, чем элементы, описанные выше. Пассивный элемент типа СТ54 (рис. 9.7, б) реализует логическую функцию ИЛИ на 12 входов, ои предна- значен для считывания программы со стандартной перфокарты ПК-80 (ГОСТ 6198—75). Давление на выходе элемента составляет не менее 15% давле-' ння иа входе. Универсальный модуль типа СТ67 (рис. 9.7, в) состоит из функциональной и коммутационной плат. Каждая функциональная плата содержит два элемента ИЛИ—НЕ ИЛИ на два входа; коммутационная плата имеет отверстия, полу- чаемые при отливке плат. Модули монтируют в пакеты с помощью стяжек. Наи- большее число модулей СТ67 в одном пакете 10. Высота пакета Н в этом случае составит 32 мм. Такой пакет содержит 20 элементов ИЛИ—НЕ ИЛИ (так как в одной функциональной плате размещены два элемента). Элементы соединены каналами, фрезерованными в коммутационных платах, и отверстиями, которые создают при монтаже удалением (пробиванием) тонких перегородок. Модуль разработан совместно с НИИтеплоприбором. Струйные дискретные элементы и аналоговый усилитель малого размера. Размеры и маркировка иожек элементов этой серии приведены иа рис. 9.8, а. Элемент типа СТ55 является базовым в серии элементов системы «Волга», имею- щих площадь сечения канала питания 0,25 мм2; отличается от элемента типа СТ41 216
уменьшенными размерами. Элемент типа СТ56 (рис. 9.8, в) имеет четыре управ- ляющих входа в отличие от элемента СТ42 большого размера, что позволяет упростить выставку триггеров. Аналоговый усилитель СТ59 (рис. 9.8, г) пред- назначен для сравнения и усиления аналоговых и дискретных сигналов в системах управления, контроля и регулирования. Основные параметры технической ха- рактеристики приведены в табл. 9.2. Элемент СТ57 (рис. 9.8, д) реализует логическую функцию ИЛИ—НЕ ИЛИ на четыре входа и позволяет при проектировании схемы сократить общее число элементов. Элемент СТ60 (рис. 9.8, е) реализует логическую функцию ИЛИ — И на четыре входа. Струйные аналоговые усилители большого размера (рис. 9.9, табл. 9.2) предназначены для сравнения и усиления аналоговых и дискретных сигналов 0,3 ft Рч Hnsm ог Рис. 9.8. Струйные дискретные элементы и аналоговый усилитель малого размера: а — размер и маркировка ножек элементов СТ55, СТ56, СТ57, CTS9 и СТ60; б—е ____ха- рактеристики переключения и условные обозначения в схемах элемента СТ55 СТ56 СТ59, СТ57 и СТ60 соответственно 217
Рис, 9.9. Струйные аналого- вые усилители большого размера: а — размер и маркировка ножек, условные обозначе- ния и статическая характе- ристика элемента СТ46; б, в — то же для элементов СТ47 и СТ52 соответствен- но в системах управления, контроля и регулирования. Выходы усилителей СТ46 (рис. 9.9, а) и СТ47 (рис. 9.9, б) можно подключать как к глухой камере, так и к нагрузке. Размер, маркировка штуцеров условные обозначения и статиче- ская характеристика усилителя с инверсным выходом типа СТ52 даны иа рис. 9.9, в. Компоновка управляющих устройств. На рис. 9.10 приведена компоновка струйной системы управления, включающей в себя управляющее устройство /, входные устройства 2 (струйные путевые выключатели, различные датчики и др.) и выходные устройства 3 (пневматические усилители давления и мощности, пневмоэлектропреобразователи, электрические пускатели с пневматическим при- водом и др.). Система управляет работой в заданном режиме исполнительных механизмов 4, которыми могут быть гидро- и пневмоцилиндры, гидро- и пневмо- моторы, электродвигатели и др. Управляющие устройства монтируют в унифицированных стойках высотой 1200—2200 мм. В стойке размещают монтажные блоки СТ183 или СТ195 для монтажа, главным образом, струйных элементов, а также монтажные панели СТ198 для монтажа преобразователей и других устройств. Блоки и панели имеют одинаковые габариты и присоединительные размеры и вставляются в стойку по направляющим. В нижней части стойки располагают вентиляторный источник питания струйных элементов, сжатый воздух от которого через нагнетательный и всасывающий коллекторы и гибкие шланги поступает к монтажным блокам. При этом обеспечивается замкнутая система питания элементов, так как отра- ботанный воздух из элементов отсасывается из полостей блоков через всасываю- щий коллектор в вновь подается вентилятором в нагнетательный коллектор. 218
Таблица 9.2 Техническая характеристика аналоговых усилителей Параметры СТ46 СТ47 СТ52 СТ59 Диапазон давления питания, кПа 0 — 10 0 — 150 Потребляемый расход воздуха при номи- нальном давлении питания, м‘7с 5,3- 10-5 8-10-6 5,3-10-Б 2,6-10“6 Потребляемая мощность при номиналь- ном давлении питания, Вт 0,2 0,35 0,2 0,09 Пропускаемая частота при номинальном давлении питания, Гц 300 600 Максимальный коэффициент усиления по давлению: при работе на глухую камеру (Q3 = - 0) при нагрузке одним аналоговым эле- ментом 8 5 6 4 7 3 6 4 Масса, кг 0,01 0,004 Примечание. Номинальное давление питания 4 кПа. Стойка имеет двухстворчатую дверь, через которую ведется монтаж связей между блоками и панелями, а также подвод внешних связей с помощью разъемов. Гибкие шланги позволяют выдвигать блоки и панели из стойки без наруше- ния их работоспособности. Это обеспечивает свободный доступ к элементам в про- цессе наладки и проверки системы управления. При необходимости внутри стойки устанавливают блок питания типа СТ 199, предназначенный для питания усилителей. В нижней части стойки (в зоне вен- тилятора) может быть установлена дополнительная укороченная панель СТ198-01 для размещения преобразователей и других устройств. В блоке типа СТ183 можно разместить до 160 струйных элементов большого размера, в блоке типа СТ195 — до 480 элементов малого размера. Блок СТ195 имеет общий коллектор, заключенный в корпус с направляющими. Через съем- ные крышки монтируют схемы управления и устанавливают или снимают струй- ные элементы. На передней панели можно монтировать устройства управления и индикации. На задней стенке корпуса размещены до десяти пневморазъемов типа СТ 182 для коммутации внешних соединений. Блок по направляющим встав- ляют в стойку и фиксируют внутри нее с помощью рычажных фиксаторов. Для питания элементов блоке помощью гибких шлангов присоединяют к нагнетатель- ному и всасывающему коллекторам стойки. Коллектор для установки и питания элементов малого размера собирают из литых пластмассовых деталей. Элементы (8 шт.) устанавливают штуцерами в пластмассовую колодку, в которой имеется общий канал питания. Колодки (до 15 шт.) собирают в пакеты (рис. 9.11) и стягивают шпильками. В блоке СТ 195 размещают четыре таких пакета. Если на передней панели блока СТ195 монти- руют четыре устройства управления или индикации,то число колодок в пакете не должно превышать 12. При монтаже схемы с помощью пластмассовых трубок используют пластмассовые монтажные ниппели. Если серия выпуска одинаковых 219
Рис. 9.10. Компоновка струйной системы управления управляющих устройств велика, то с целью резкого сокращения числа пластмас- совых трубок схемы можно монтировать с помощью модулей, собираемых из литых пластмассовых наборов (рис. 9.12). Набор содержит монтажную плату, прокладку и пластину. В монтажной плате предусмотрены сквозные каналы и отверстия, расположенные согласованно с отверстиями в колодке и разделенные между собой тонкими перемычками. При сборке модуля перемычки удаляются по трафаретам, соответствующим заданной схеме. Монтажные платы разделяют между собой тонкими пластмас- совыми прокладками, отверстия в которых также выполняют по трафаретам. Наборы склеивают вместе с пластинами, в которых имеются гнезда под монтаж- ные ниппели. Модули соединяют между собой пластмассовыми трубками. Панель монтажная типа СТ198 предназначена для монтажа пневмоэлектро- и электропневмопреобразователей и других устройств. На передней стенке панели монтируют электрические кнопки и другие устройства, на задней стенке размещают пневморазъемы СТ182 и электрические разъемы для подвода тока К преобразователям и другим устройствам. 9.3. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА СТРУЙНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ Связь управляющего устройства с исполнительными механизмами управляемой машины обеспечивается внешними устройствами, которые подразделяют на входные и выходные. Одни входные устройства — путевые выключатели, реле давления, реле температуры и другие реле физических величин — служат для ввода в управляющее устройство информации о состоянии исполнительных механизмов (положении, давлении, температуре и других параметрах). Другие входные устройства (аппаратура ручного управления — кнопки, тумблеры, переключатели, устройства задания программы и др.) обеспечивают ввод в управ- ляющее устройство информации (задания) от оператора. Выходные устройства формируют сигналы для приведения в действие испол- нительных механизмов управляемой машины, т. е. для изменения состояния этих механизмов. К выходным устройствам относятся различные преобразователи, усилители давления и мощности и др. К ним же следует отнести визуальные и звуковые индикаторы, которые обеспечивают оператора информацией о состоя- нии управляющего устройства и всей системы управления в целом. 221 220
9 Рис. 9.13. Струйный кольцевой путевой выключатель типа СТ135: 1 — dt = 6 мм; 2 — dt =12 мм; 3 — dt — 18 мм Струйные путевые выключатели и датчики размера. Путевые выключатели служат для ввода в управляющее устройство информации о состоянии исполни- тельных механизмов машины (например, о приходе механизма в заданное конеч- ное или промежуточное положение), а также для ввода информации о правиль- ности установки обрабатываемой детали в приспособлении или штампе. Будучи встроенными в различные реле, выключатели могут давать информацию о дру- гих технологических параметрах. Техническая характеристика путевых вы- ключателей приведена в табл. 9.3. Струйный кольцевой путевой выключатель СТ 135. В выключателе (рис. 9.13, а) кольцевой канал 1 является питающим, а канал 2 — выходным. На рис. 9.13, б приведена статическая характеристика для трех типоразмеров выключателя, показывающая изменение выходного давления рв в зависимости от расстояния s между торцом выключателя и заслонкой. Путевой выключатель СТ143 используют в оборудовании, работающем в тя- желых условиях, например, при высокой запыленности окружающей среды. Если в паз выключателя (рис. 9.14, а) шириной 5 мм заслонка не введена, то питающий воздух из верхнего штуцера свободно проходит в канал / и на выходе в канале 2 образуется разрежение — отрицательный сигнал. Это разрежение при нулевом расходе составляет «10% давления питания. Путевой выключатель СТ144 (рис. 9.14,6) выполняют склеенным из двух частей, отлитых из полистирола. Питание подводят к нижнему штуцеру. Если в паз шириной 5,5 мм заслонка ие введена, то в верхний штуцер поступает выход- ной сигнал «1». При вводе заслонки в паз выходной сигнал становится равным «0». Путевой выключатель СТ173 (рис. 9.14, в) в отличие от рассмотренных выше — выключатель контактного, клапанного типа. Здесь перемещение упора исполнительного механизма вызывает поворот на небольшой угол иглы выклю- чателя, что обеспечивает открытие клапана внутри корпуса выключателя и по- явление пневматического сигнала «1» иа выходе. Величина зацепления иглы упо- ром не должна превышать 5 мм. Выключатель отличается полной герметичностью и поэтому не подвержен воздействию загрязненной окружающей среды. На рис. 9,15 показаны различные способы подключения струйных путевых выключателей к системе управления. При коротких линиях связи выходной сиг- нал с путевого выключателя 1 можно подавать непосредственно на вход струй- ного дискретного элемента 2 (рис. 9.15, а), при длинных линиях связи рекомен- дуется выход выключателя соединять с входом триггера Шмитта 3 (рис. 9.15, б), чтобы усилить слабый выходной сигнал путевого выключателя. Схема подклю- чения струйного путевого выключателя СТ143 показана на рис. 9.15, в. Так как у этого выключателя сигналом «1» является разрежение на выходе (когда заслонка выведена из паза), то выход выключателя соединяется с каналом «запрет» струй- ного дискретного элемента. 222
Техническая характеристика струйных путевых выключателей СТ135-00 СТ135-01 СТ135-02 СТ135-03 СТ143 СТ144 | СТ173 1 0 — 1000 | 0 — 200 0 — 100 0 — 10 50 — 100 10—20 । 4—10 1,28-10-* 2,31-10-* 5,22-10-* 8,2-10-* 15-10“5 9-10“s 7,5-10—3 50 10 4 0 — 3,5 0 — 5,5 0—9 0 — 12 — f 10 000 5000 2000 1,5-10* пере- ключений 10 6 3 Металл (с защитой от коррозии) Полистирол Металл н 1 пластмасса От —50 до +80 От —20 От +5 до +50 до + 50 0,009 0,017 0,064 0,194 0,12 0,006 0,12 Параметры Диапазон давления питания, 1 кПа । Рекомендуемое давление пита- ния, кПа Потребляемый рас- мз/с 1 ХОД прн давлении пнта- _ । ния кИа Диапазон измерения, мм Наработка на отказ, ч Показатели надежности - * Срок служ- бы, лет Материал Температура окружающей сре- ды, °C Масса, кг Примечание. Класс загрязненности 1,3 и 5 по ГОСТ 17433 — 72. 223
20 Рис. 9.14. Струйные путевые выключатели типов СТ143 (а), СТ144 (б) и СТ173 (в) 0 5.5 Рис. 9.15. Схемы подключения струйных путевых выключателей 224
Рис. 9.16. Струйные датчики размера типов СТ140 (я) и СТ158 (-5) Струйные датчики размера СТ140 и СТ158 (рис. 9.16) предназначены для бесконтактного измерения размеров при активном и послеоперационном кон- троле деталей. Изменение измерительного зазора s — расстояния от измеряемой детали до сопла датчика — вызывает изменение давления в выходном канале датчика. Основные детали датчиков обоих типов выполняют из коррозионно- стойкой стали (или других металлов с надежной защитой от коррозии). Диапазон давления питания 0—100 кПа. Диапазон измерения для датчика СТ140 0—1,2мм, для датчика СТ158 0—4 мм. Реле физических величин. На базе струйных и измерительных элементов могут быть построены различные реле (датчики) физических величин. Типовая структурная схема реле показана на рис. 9.17, а. Физическая величина (ФВ) воспринимается первичным измерительным элементом 1. Им может служить из- мерительное сопло в устройствах измерения размеров, ламинарный или турбу- лентный дроссель в газовых анализаторах и устройствах контроля температуры, генератор колебаний в частотных измерителях и др. При помощи измерительного элемента ФВ преобразуется в пневматический сигнал, который при необходи- мости усиливается струйным аналоговым усилителем 2 и поступает на порого- вый элемент 3. Когда измерительный сигнал достигнет настроечного значения, пороговый элемент переключается и дискретный сигнал подается на сигнальное устройство 4 или в цепь управления исполнительным органом того или иного механизма. На рис. 9.17, б показана принципиальная схема струйного реле для кон- троля температуры жидкости, обтекающей полую спираль. В левый конец этой спирали через дроссель R подводится сжатый воздух постоянного давления р'. В левый входной канал аналогового усилителя 1 поступает сигнал давлением рг, 8 Е. В. Герц и др. 225
которое изменяется в зависимости от температуры жидкости, обтекающей спи- раль. В правый входной канал усилителя 1 подводится сигнал постоянного дав- ления р2. Давление на выходе усилителя рв пропорционально температуре Т жидкости, обтекающей спираль. Когда эта температура достигнет определенной величины, то на выходе порогового элемента 2 появится сигнал. Для изменения диапазона измерений и порога срабатывания служат дроссели и R2. Реле разности давлений показано на рис. 9.17, в. Сигналы с уровнями дав- ления Pbxi и Рвх2> разность которых надо измерить, подаются на входы анало- гового усилителя 1 через настроечные дроссели Rx и Р2. Давление выходного сигнала Арв этого усилителя пропорционально измеряемой разности давлений входных сигналов. Этот выходной сигнал усиливается аналоговым усилителем 2 и поступает на пороговый элемент 3, переключение которого регулируется с по- мощью дросселя Rs. На рис. 9.18, а показано струйное реле расхода с трубкой Вентури. Сиг- налы давлением рвх1 и рВх2 от трубки Вентури поступают на входы аналогового усилителя 2. Разность указанных входных давлений пропорциональна скорости потока в трубопроводе 1. Выходной сигнал усиливается аналоговым усилителем 3 и поступает на пороговый элемент 4, порог срабатывания которого регулируется дросселем R. На рис. 9.18, б приведена схема струйного реле уровня. Когда уровень (жидкости или сыпучего материала) приблизится к уровню h, давление на вы- ходе преобразователя 1 повысится. Усиленный сигнал от аналогового усили- теля 2 вызовет переключение порогового элемента 3. При постоянной высоте h уровень ft1( при котором произойдет переключение порогового элемента 3, может изменяться путем настройки дросселей Rx и R2. Рис. 9.18. Струйные реле расхода (а) и уровни (6) 226
Рис. ft. 19. Струйные реле ли- нейных измерений (а, б) н измерения плотности жид- кости (в) Струйное реле размера представлено на рис. 9.19, а. При изменении рас- стояния As изменяется сопротивление измерительного сопла датчика 1 и, сле- довательно, изменяется давление на левом входном канале аналогового усили- теля 2. Выходной сигнал с усилителя 2 поступает на вход порогового элемента 3, а с него — на дискретный элемент 4. Величина As и, следовательно, необходимый размер х настраиваются с помощью дросселей Rx и R2. Схема реле размера, приведенная на рис. 9.19, б отличается от рассмо- тренной схемы отсутствием аналогового усилителя. Здесь входной сигнал от из- мерительного сопла датчика 1 поступает непосредственно на вход порогового элемента 2, срабатывание которого регулируется с помощью дросселя R. Сигнал с порогового элемента 2 включает пневмоэлектропреобразователь 3. Для измерения плотности жидкости может быть использовано струйное реле (рис. 9.19, в). К двум погруженным на разную глубину трубкам 1 и 2 через постоянные дроссели 3 подводится сжатый воздух давлением рп. Погруженные в жидкость выходные концы трубок соединяются с входами аналогового усили- теля, выход которого соединен с входом порогового элемента. Плотность жидкости будет прямо пропорциональна давлению рв на выходе аналогового усилителя и обратно пропорциональна разности глубины погружения трубок 1 и 2 в жидкость. Подробная информация и сведения о заводах-изготовителях внешних устройств для струйных СУ приведены в литературе [6, 10]. К основным внеш- ним устройствам кроме описанных можно отнести: пневмокнопки типов П-ВЗР, П1КН, 3 (ПК); пневмотумблеры типов П-ВЗФ1, П1Т.2 (ПТ); переключатели типа П-В4Ф66, ППМ; электропневмопреобразователь типа Ф66-11; реле времени типа Ф61-21; элемент задержки типа П-ЗС; индикаторы давления типов СТ196, П-ИДС; усилитель давления типа ПФ67-21; пневмоэлектропреобразователь типа Ф62-21; пневмопривод для золотников (гидрораспределителей) типа В26-41. 9.4. ПОСТРОЕНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ НА ЭЛЕМЕНТАХ «ВОЛГА» Реализация логических функций. Проектирование логических схем основано на использовании законов алгебры логики или булевой алгебры. Основные опера ции алгебры логики, ее законы, аксиомы и теоремы см. в гл. 10 и в литературе [2, 4, 8]. Там же рассмотрены вопросы упрощения и минимизации логических функций. Поэтому перейдем сразу же к реализации логических функций посред- ством струйных элементов. Логические функции наиболее наглядно представляются в форме таблиц истинности, которыми и будем пользоваться в дальнейшем. В этих таблицах 8* ^27
Рис. 9.20. Реализация логических функций каждому из возможных наборов аргументов ставится значение функции «0» и «1». В струйных управляющих устройствах наибольшее применение получили логические элементы СТ41, СТ55, реализующие операцию ИЛИ—НЕ ИЛИ. На базе этих элементов иа рис. 9.20 показана реализация логических функций для одной, двух и более переменных. Логические функции могут быть реали- зованы и с помощью других элементов «Волга»: И — НЕ И, ИЛИ — НЕ ИЛИ на три входа. Комбинационные схемы. Логические схемы, сигналы на выходах которых в каждый момент времени однозначно определяются комбинацией сигналов на входах этой схемы в тот же момент времени, относятся к комбинационным. На- пример, комбинационной является схема, реализующая функцию неравнознач- ности. Эта схема находит широкое применение в программных управляющих устройствах под названием «сумматор по модулю 2». Рассмотрим построение схемы «сумматор по модулю 2» для трех переменных, Таблица истинности и построе- на
Наименование /функции Реализация Тад лица истинности S. Функция Шеффера И НЕ ' Xi ГД Хг ГЛ I 1—। Xi *г У 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 9. Обратная импликаиия ЕСЛИ ТО Х1 Х2 У 0 0 1 0 1 0 1 0 1 7 1 ~Г 10. Импликация ЕСЛИ ТО *1 ГЛ ГЛ^=х'-*хг Х1 Хг .V 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 7/. Равнознач- ность 7Z Неравнознач- ность (сумма по модулю 2) Исключительное ИЛИ Рис. 9.20 (Продолжение) иие этой схемы на элементах СТ41, СТ52, СТ55 приведены на рис. 9.21, а, О. Из таблицы истинности и работы схемы видно, что функция у = %] + х2 + х3 истинна, если истинно нечетное число ее аргументов, т. е. сигнал на выходе схемы появляется только в том случае, когда значение «1» принимает один из любых аргументов либо три одновременно. Схема для п аргументов может строиться как последовательным (рис. 9.21, в), так и параллельно-последова- тельным методами (рис. 9.21, г). Комбинационная схема — сумма по модулю 2 (неравнозначность) исполь- зуется для сравнения двоичных чисел при построении цикловых и числовых управляющих устройств токарными, сверлильными станками и другим обору- дованием. Во многих случаях достаточно установить равенство либо неравен- ство двух чисел. Рассмотрим построение схемы сравнения, вырабатывающей сигнал равенства при совпадении двух двоичных четырехзначных чисел А и В (см. рис. 9.20). Схему сравнения строим на элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ СТ41
Наименование функции Реализация Таблица истинности ИЛИ HE-ИЛИ И-ИЛИ К, Кг *з Хз у 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 В 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 ~Т ~Т т у=х!1-хг + *з +/4 /xs *4 *з х> кг Кз Хз ~ Xlf & ~Z У 1 — у = Z, +хг? Х3 > Х$ + XS *1 *2 к. *4 х5 У 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 >5 --- */ — Рис. 9.20. (Окончание) в инверсных аналоговых усилителях СТ52. На рис. 9.22, а, б приведены таб- лицы истинности и схема сравнения чисел Л и В. На входах b3, b2, b3, bt запи- сывается число (т. е. на эти входы с помощью каких-либо устройств подаются сигналы «1» и «0», например, запишем число В-0110). На входы alt а2, а3, а4 по- ступают сигналы от устройства, и если на этих входах появятся сигналы в по- следовательности ОНО, то на выходе у схемы появится сигнал «1». Значительное сокращение элементов в схемах сравнения дает использование модуля СТ60 [7]. На рис. 9.22, б показана схема последовательного действия, при совпаде- нии сигналов в младшем разряде сигнал от него должен пройти последовательно через все разряды, что снижает быстродействие данной схемы. В тех случаях, когда к быстродействию устройства предъявляются повышенные требования, целесообразно использовать параллельно-последовательную схему. Отличие этой схемы от рассмотренной выше состоит в том, что выходы всех разрядов соеди- нены с входами многовходового элемента ИЛИ — НЕ ИЛИ (рис. 9.22, в). При создании управляющих устройств промышленными роботами, станками и дру- 230
Рис. 9.21. Схема суммы по модулю 2 для трех переменных гим оборудованием необходимо не только установить равенство двоичных чисел А и В, но и решить задачи: А > В; А < В. Решение этих задач достигается с по- мощью ячейки сравнения (см. рис. 9.23, б), которая имеет два двухразрядных входа для сравниваемых чисел А и В и два, а иногда и три выхода. На рис. 9.23, а, б приведены таблица истинности и схема ячейки сравнения, построенная на эле- ментах ИЛИ—НЕ ИЛИ [8, 9]. Схема работает следующим образом (см. таб- лицу истинности): если А = В, то сигналы на выходах у и г равны между собой; когда у = z = 1; числа А и В — нечетные, а если у = г = 0, то числа А и В — четные. В случае неравенства чисел: А > В, у = 1; z = 0; если А < В, то у = = 0, г = 1. Для сравнения чисел, число разрядов которых больше двух, ячейки соби- рают в пирамидальную схему. На рис. 9.23, в изображена пирамидальная схема сравнения двух четырехразрядных чисел. Запрет ИЛИ. Функция у = хг «- х2 + х3 <- + xs <- х6 + х7 хй реали- зуется схемой, показанной на рис. 9.23, г. Здесь же приведена таблица истин- ности рассматриваемой логической операции. Эту схему часто используют для формирования тактовых импульсов в цикловых управляющих устройствах. сражения В А У iff в? “7 Cj я, А*в 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 к* 8 0 1 1 0 0 0 1 1 0 А^В 0 1 1 п D 7 0 0 0 А^В 0 1 0 0 1 0 1 0 А = В 0 1 1 0 0 7 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 A#S 0 1 1 0 I 1 0 I" 0 0 а) Рис. 9.22. Схемы сравнения двоичных чисел 231
Рис. 9.23. Таблица истинности и схемы сравнения двух двоичных чисел [больше (а), меньше (б), равно (в)]; схема реализации функции «запрет ИЛ И» для восьми переменных (г) Последовательностные схемы. В отличие от комбинационных схем в последо- вательностных (многотактных) схемах кроме внешних входных сигналов имеются внутренние входные сигналы, обусловленные наличием обратных связей. Состоя- ние последовательности схемы или цифрового автомата прн отсутствии внешних входных сигналов, определяется сигналами в линиях обратных связей. В резуль- тате этого выходные сигналы цифрового автомата зависят как от внешних вход- ных сигналов, так и от сигналов в цепях обратных связей. Простейшим цифровым автоматом является триггерная схема, которая имеет два устойчивых состояния: нулевое и единичное. В управляющих устройствах эту схему используют в качестве памяти. Рассмотрим работу триггерной схемы, которая имеет два входа R и S для внешних сигналов, два выхода Qn+1, Qn+1 и два входа и Qn для сигналов обратных связей. Первым внешним входным сиг- налом схема устанавливается в нулевое состояние, вторым входным сигналом в единичное, при отсутствии входных сигналов схема сохраняет прежнее состоя- ние. Работа схемы описывается таблицей истинности, которая для цифровых ав- томатов называется таблицей переходов, так как отражает процесс перехода схемы из одного состояния в другое. В таблице переходов (рис. 9.24, а) индексы п и п + 1 означают последовательные моменты времени. Индекс я + 1 соот- ветствует моменту, когда сигналы на выходе схемы под воздействием входных сигналов принимают значения, соответствующие последующему состоянию. 232
Триггер с раздельными входами в струйной технике может быть реализован на базе одного струйного элемента, в котором сигналы обратных связей образуются в результате аэродинамических эффектов. Так, в элементе, изображенном на рис. 9.23, б, сигналы обратных связей Qn и Qn возникают вследствие попереч- ного перепада давления, образуемого давлением внутренней обратной связи и давлением, возникающим вследствие эжекционных свойств струи, вытекающей из канала питания. Очевидно, что устойчивость струи после снятия внешнего входного сигнала будет Определяться величиной поперечного перепада давления, удерживающего струю у одной из стенок. Физическая модель, условное обо- значение и график работы триггера с раздельными входами приведены иа рис. 9.24, б, в, г. Задержка распространения сигнала обратной связи опреде- ляет время переключения триггера, т. е. чтобы сигнал, переключающий триггер, успевал получить подтверждение обратной связью, его длительность должна быть больше длительности переключения триггера. Другим типом триггерных схем являются триггеры с внешними входами для сигналов обратных связей. К этим триггерам с раздельными входами следует отнести триггеры, построенные иа элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ (СТ41 и СТ55), И — НЕ И (СТ43). Для триггеров данного типа необходимо, чтобы длительность входного сигнала была больше времени задержки распространения сигнала обратной связи в двух элементах. На рис. 9.24, д показана схема триггера на элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ с внешними обратными связями. Триггеры, со счетным входом имеют один счетный вход и два выхода. Для установки триггера в исходное состояние имеются один или большее число уста- новочных входов. Управляющий сигнал, поступающий на счетный вход, пере- ключает триггер из текущего состояния в противоположное. Таким образом, если иа счетный вход триггера поступает четное число импульсов, то схема при- нимает исходное состояние, а при нечетном числе импульсов схема изменяет первоначальное состояние, т. е. триггер со счетным входом представляет собой двоичный счетчик импульсов, поступающих на его вход. Работа струйных счет- ных триггеров рассмотрена в литературе [2, 7, 9, 10]. На рис. 9.25 приведены схемы счетных триггеров, построенных на дискрет- ных элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ: СТ41 (рис. 9.25, а); СТ55 и СТ56 (рис. 9.25, б); Рис, 9.24. Триггер с раздельными входами 233
Рис. 9.25. Триггер со счетным входом (рис. 9.25, г). Схема, построенная на базе триггеров с раздельными входами, отличается более высоким быстродействием, так как содержит меньшее число элементов в схеме, однако требует настройки с помощью дросселей. На этом же рисунке приведен график работы триггеров со счетным входом, реализованных на элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ СТ41, СТ55 и триггерах с раздельными входами. Пропускаемая частота при давлении питания 3,5 кПа составляет: для счетного триггера, построенного на элементах СТ41 50 Гц, для триггера на элементах СТ551 150 Гц, для триггера на элементах СТ55 и СТ56 (рис. 9.25,6) 350 Гц. Быстродействие счетных триггеров с повшением давления питания возрас- тает: так, для схемы счетного триггера (рис. 9.25, в), построенного на эле- ментах СТ56, СТ59, при давлении питания более 10 кПа, частота счета им- пульсов достигает 1000 Гц. Счетчик двоичного кода представляет собой цепочку последовательно со- единенных триггеров со счетным входом. Работа счетчика описывается графиком либо таблицей последовательных чисел. Состояния трехразрядного двоичного счетчика приведены на рис. 9.26, а. На вход счетчика поступают импульсы Тя. Младший разряд изменяет свое состояние при изменении значения счетного импульса с «1» на «0», а каждый последующий разряд счетчика изменяет свое состояние при изменении состояния предыдущего разряда с «1» на «0» (рис. 9.26, а, в). На рис. 9.26, б, в приведены схема трехразрядного двоичного счетчика и график его работы. Максимальная пропускаемая частота счетчика определяется быстродействием его младшего разряда. Числа, формируемые счетчиком, выводятся из него в параллельной форме путем одновременного опроса всех разрядов счетчика. Списывать числа можно только между сигналами счета, т. е. после завершения переходного про- цесса переключения триггеров счетчика. Поэтом}' минимальный период следо- вания счетных импульсов должен быть равен периоду времени, необходимому для переключения всех разрядов счетчика и времени опроса его состояния. Счетчик, схема которого показана на рис. 9.26, б, является суммирующим. Счетчик по схеме (рис. 9.26, г) выполняет вычитание или обратный счет. Из со- 234
стояния трехразрядного вычитающего счетчика (рис. 9.26, 5) следует, что ис- ходному состоянию счетчика соответствует единичное состояние всех его раз- рядов. Вычитающий счетчик, как суммирующий, образуется, посредством по- следовательного соединения счетных триггеров; отличие состоит в том, что ну- левые выходы разрядов соединяются с входами последующих разрядов. График работы трехразрядного вычитающего счетчика приведен на рис. 9.26, е. Наряду с рассмотренными счетчиками на элементах струйной техники могут быть по- строены реверсивные, двоично-десятичные и другие счетчики [8, 9]. Состояние счетчика в каждый момент времени определяется с помощью дешифратора, уста- новленного на выходах счетчика. Назначение дешифратора состоит в преобра- зовании разрядного двоичного кода в десятичный. Число выходов дешифратора должно соответствовать числу состояний счетчика; так, у дешифратора трех- разрядного счетчика число выходов равно восьми. Выходные сигналы дешифра- тора есть конъюнкции сигналов «1» или «О» выходов каждого из разрядов счет- чика. Состоянию трехразрядного счетчика 101 соответствует логическое произ- ведение и т. п. В результате неодновременного переключения разрядов счетчика на его выходах могут появляться промежуточные состояния, что в ряде случаев при- водит к появлению ложных сигналов на выходах дешифратора или других схем, работающих совместно со счетчиком. На рис. 9.27, а, б приведены схема двух- разрядного счетчика с дешифратором состояний, в которой показаны ложные сигналы работы этой схемы. Ложные сигналы, возникающие при работе счет- чика, исключены введением сигнала стробирования на входы дешифратора (штри- ховая линия на рис. 9.27, а). Командозадающие устройства, или распределители импульсов являются одним из основных узлов управляющего устройства; они обеспечивают последо- Рис. 9,26. Счетчики- суммирующий (а—в) и вычитающий (а—е) 235
Рис, 9.27. Двухразрядный счетчик с дешиф ратором вателыюсть выполнения операций, их часто используют для поэтапного ввода программы в цикловых системах управления. В общем случае командозадающие устройство представляют собой простейший сдвигающий регистр, в котором сдвиги происходят с частотой тактовых импульсов. Известно большое число различных схем командозадающих устройств [8, 9], которые могут быть применены при решении задач автоматизации производственных процессов. Четырехразрядное командозадающее устройство на элементах «Волга» и его условное обозначение в схемах приведены на рис. 9.28, а, график работы этого устройства — на рис. 9.28, б. На вход устройства поступают тактовые импульсы Та от генератора тактовых импульсов (временное командозадающее устройство) или от логических устройств, контролирующих окончание какой- либо операции. На выходах п±—п4 появляются сигналы с частотой поступления на вход устройства тактовых импульсов. Входным элементом командозадающего устройства является триггер со счетным входом, хотя могут быть реализованы схемы и без этого элемента. Регистры предназначены для хранения и выдачи при опросе отдельных ин- формационных слоев (чисел). Сдвигающие регистры (рис. 9.29) могут быть ис- пользованы для схем индикации, адресных схем в запоминающих устройствах систем управления станками, роботами и другими машинами. Сдвигающий ре- Рис, 9.28. Четырехразрядное ком ян** дозадающее устройство 236
Рис. 9.29. Сдвигающий регистр гистр строят на основе триггера с раздельными входами и логической схемой, выполняющей операцию «ЗАПРЕТ». Схема, образованная этими элементами, представляет собой устройство, в котором информация задерживается на полу- такт, и называется схемой, или ячейкой задержки на полутакт. Эта схема строится на элементах НЕ ИЛИ , И, равнозначность. Схема (рис. 9.29, а) работает сле- дующим образом: сигналы xlt х2, поступающие на входы триггера с раздельными входами, передаются на выходы или п2 только в том случае, если тактовый сигнал Тп = «О», при Ти — «1» сигналы на выходе схемы равны «О», потому что тактовый сигнал поступает на вход элементов НЕ ИЛИ. Таким образом, если иа вход триггера поступит сигнал при тактовом сигнале, равно «1», то этот сиг- нал будет храниться в ячейках до тех пор, пока тактовый сигнал не станет рав- ным «О». Разряд сдвигающего регистра образуется последовательным соединением двух ячеек задержки иа полутакт. Схема разряда сдвигающего регистра (рис. 9.29, б) работает следующим образом: тактовый сигнал Ти — «1», а Ти = — «О», на вход х схемы подается сигнал «1» в результате чего на выходе триг- гера устанавливается сигнал «1». Последующее переключение тактового сигнала Ли = «О», Та — «1» приводит к тому, что единица переписывается в следующий 237
Рис. 9.30. Сдвигающий регистр на модулях СТ60 триггер разряда. После смены уровней тактового сигнала записанная единица появляется на выходе регистра. В это же время на вход регистра может быть подан другой сигнал, который при подаче тактовых сигналов будет последова- тельно передан на выход разряда. Сдвигающий регистр на несколько разрядов п образуется соединением от- дельных разрядов в последовательную цепочку. Схема регистра приведена на рис. 9.29, в. Сдвиги в регистре производятся с частотой тактовых импульсов, т. е. сдвигающий регистр представляет собой линию задержки, в которой скорость перемещения информации определяется частотой тактовых импульсов. Для ввода чисел в струйные цифровые устройства используют кольцевой сдвигающий регистр, предназначенный для динамического хранения чисел (рис. 9.29, г). В рассматриваемой схеме через три такта первые сигналы запи- санные «0» или «1», появляются на выходах регистра. Начиная с этого момента, сигналы, записанные «0» или «1», один за другим появляются на выходах регистра синхронно с тактовыми сигналами. Это происходит потому, что схема заколь- цована и в ней циркулируют сигналы, записанные «0» или «1» Входная схема ре- гистра обычно имеет более сложную структуру, обусловленную условиями выбора чисел от различных источников информации. Для ввода чисел можно использовать несколько регистров, образующих групповой регистр. В этих регистрах информация, как правило, снимается с последнего разряда. Схема сдвигающего регистра на модулях СТ60 изображена рис. 9.30, а. На рис. 9.30, б изображена ячейка задержки на полутакт, построенная из модулей СТ60, а на рис. 9.30, в — ее условное обозначение. Эта схема представляет собой триггер с входными элементами И. Формирователи тактовых импульсов. В струйных системах управления ис- пользуют как однофазную систему тактовых импульсов (рис. 9.31), так и двух- фазную — с импульсами, находящимися в противофазе (см. рис. 9.31, б). (Здесь Т’и — длительность импульса; Т — длительность периода импульса.) Скваж- ностью импульсов называют отношение Q = Т/Тп. В двухфазной системе Q = 2. На рис. 9.31, в показаны основные параметры тактовых импульсов (ри — ам- плитуда основного импульса; р0 — остаточное давление в паузе между импуль- сами; p'j — амплитуды первого положительного и первого отрицательного выбросов; рт,, р~2 — амплитуды второго положительного и второго отрицатель- ного выбросов; Та — длительность основного импульса, определяемая на уровне 0,5ри, ?ф, 1ст> — длительности фронта и среза импульса). На надежность работы цифровых устройств струйной техники могут существенно влиять вторые и по- следующие положительные и отрицательные выбросы. Первые выбросы, как правило, не оказывают существенного влияния на работоспособность схем. Форму тактовых импульсов в реальных устройствах необходимо приблизить, насколько это возможно, к идеальной, т. е. длительность фронта и среза должна быть значительно меньше длительности импульса; амплитуда выбросов (вторых и последующих) должна быть минимальной. 238
Тактовые импульсы формируются при помощи струйных задающих генера- торов, которые, как правило, строят на базе струйных дискретных и усилитель- ных элементов. Они должны удовлетворять следующим основным требованиям: обеспечивать высокую стабильность частоты генерируемых колебаний и малые искажения формы импульсов при изменении окружающей температуры, давле- ния питания и др. Схемы струйных генераторов, удовлетворяющие указанным требованиям, изображены на рис. 9.31, г—е. Генератор (рис. 9.31, г) построен на аналого- вых усилителях. Триггер с раздельными входами, установленный на выходе (рис. 9.31, д) служит для исключения вторых и последующих выбросов импуль- сов, генерируемых элементом ИЛИ — НЕ ИЛИ с аналоговым усилителем в цепи обратной связи. Генератор (рис. 9.31, е) построена на триггере с раздельными входами. Генерируемая частота зависит от длины L соединительных трубок для генератора показана на рис. 9.31, г в пределах 10—1000 Гц; для генератора на рис. 9.31, д — в пределах 10—500 Гц; для генератора на рис. 9,31, е — в пре- делах 100—500 Гц. В ряде случаев при построении управляющих устройств необходимо полу- чить импульсы малой длительности. На рис. 9.32, а, б приведены схемы и гра- фики работы формирователей импульсов: при появлении сигнала «0» на входе (см. рис. 9.32, а) и при появлении сигнала «1» (см. рис. 9.32, б). На рис. 9.32, в показан формирователь импульсов, который формирует импульсы большей дли- тельности, чем сигналы, поступающие на его вход, и график его работы. На рис. 9.32, г показана схема счетного триггера, использующего в своей работе формирователь импульсов. Триггер с раздельными входами, установлен- Рис. 9.31. Системы такто- вых импульсов (а—б) и ге- нераторы тактовых импуль- сов (г—е) 239
Рис. 9.32. Формирователи импульсов ный на выходе формирователя, играет роль фильтрующего элемента, исклю- чающего влияние шумов, которые возникают при переключении дискретных эле- ментов, на работу счетного триггера. Такой счетный триггер часто называют импульсным. Триггер обеспечивает высокое быстродействие: так, при исполь- зовании в схеме элементов СТ55, СТ56 и СТ59 частота импульсов на входе дости- гает 400 Гц. Реле времени (рис. 9.33), построенное исключительно на струйных элементах, широко используют для построения струйных управляющих устройств. Назна- чение реле заключается в получении заданной выдержки времени при включении или выключении каких-либо элементов, управляющего устройства. В структур- ную схему реле (см. рис. 9.33, а) входят следующие основные части: восприни- мающая /, состоящая из струйных логических элементов, обеспечивающих за- пуск и сброс реле времени; задающая 2, представляющая собой генератор так- товых импульсов, частота работы которого определяет дискретность реле вре- мени; линия задержки сигнала 3, обеспечивающая заданную выдержку времени с момента подачи управляющего сигнала (линия задержки может быть построена на основе двоичного, кольцевого счетчика или простейшего сдвигающего ре- гистра); выходная 4, обеспечивающая формирование одного или нескольких выходных сигналов с задержками на заданную величину времени. На рис. 9.33, б показана схема реле времени, построенная на основе двоич- ного счетчика и схемы совпадения. Время выдержки задается числовым кодом alt а2, ая, at на входах схемы сравнения. Например, на реле, построенном на четырех- разрядном двоичном счетчике и генераторе тактовых импульсов, посылающем в схему реле импульсы через 0,1 с, могут быть получены задержки времени от 0,1 до 1,5 с дискретностью 0,1 с. Увеличение разрядов двоичного счетчика поз- волит получить выдержки времени сколь угодной длительности. Реле имеет один выход и обеспечивает получение 15 различных выдержек времени с дискрет- ностью 0,1 с. Ж
На рис. 9.33, в приведена схема реле времени, построенная на основе про- стейшего сдвигающего регистра (командозадающего устройства), показанного на рис. 9.28. В этом регистре непрерывно сдвигается только одна кодовая по- следовательность 00010 ... 0 с частотой тактовых импульсов задающего генера- тора. Максимальная задержка времени тактового реле определяется числом раз- рядов регистра, а дискретность зависит от частоты тактовых импульсов генера- тора. Число выходов реле равно числу разрядов регистра. Выходная часть схемы строится на основе коммутационного поля. Схема реле времени; использующая в своей работе групповой регистр, изоб- ражена на рис. 9.34. Регистр предназначен для динамического хранения четырехразрядных чисел и выдачи их в схему сравнения при поступлении тактового сигнала от управляю- щего устройства. Групповой регистр в данной схеме состоит из четырех регистров по три разряда в каждом и позволяет записать в него три четырехразрядных числа в двоичном коде. Прн записи чисел в регистр на его четыре входа подается первое число, например ОНО, ровно через один такт подается второе число — 1011 и еще через такт третье— 1110. Через три такта появляется на выходе ре- гистров первое записанное число, через четыре такта — второе, затем — третье и, начиная с этого момента, с каждым новым тактом записанные числа в задан- ной последовательности появляются иа выходах регистра и поступают на входы схемы сравнения. На входы схемы сравнения поступают сигналы от четырех- разрядного двоячного счетчика, работающего от генератора тактовых импульсов, посылающего на вход счетчика импульсы через 0,1 с. При совпадении чисел на выходах счетчика и выходах регистра иа выходе схемы сравнения появляется сигнал. Таким образом, первый сигнал от реле времени, соответствующий числу ОНО, появится на шестом импульсе и время выдержки будет соответствовать 0,6 с. После этого регистр сдвигается и на его выходах появляется второе за- писанное число 1011. Это число соответствует одиннадцати импульсам тактового генератора, т. е. сигнал на выходе реле времени появится через 1,1с после за- В) Рис. 9.33. Реле времени 84!
Запись bffxf °BxZ °ВхЗ Л 4 СЗВаг ГИ Рис, 9.34. Реле времени с групповым сдвигающим регистром пуска счетного триггера. Третий сигнал на выходе реле времени появится при поступлении четырнадцатого тактового импульса на вход счетчика и будет соот- ветствовать времени, равному 1,4 с. Очевидно, что для получения более длитель- ных задержек времени необходимо увеличить число разрядов двоичного счет- чика и сдвигающих регистров. Увеличение времени задержки может быть до- стигнуто увеличением дискретности реле времени. Например, если будем пода- вать тактовые импульсы через 0,2 с, то максимальная выдержка времени у реле составит 3 с, т. е. возрастет в 2 раза. Триггер с раздельными входами, установ- ленный на выходе генератора тактовых импульсов, является фильтром шумов. Усилительные и пороговые схемы. В тех случаях, когда мощность управ- ляющего сигнала недостаточна для приведения в действие какого-либо струйного устройства, используют схемы, которые строят на аналоговых усилителях СТ46, СТ59 и др. Последовательное соединение нескольких элементов образует много- каскадный струйный усилитель (рис. 9.35, а) с общим коэффициентом усиления k = krk2 ,..., kn, где k2, kn—коэффициенты усиления первого, второго и последующих каскадов. Пусть требуется переключить управляющим давлением, равным 20 Па, струйный дискретный элемент, давление срабатывания которого, с учетом запа- сов по надежности равно 600 Па. Коэффициент усиления струйного элемента одного каскада многокаскадного усилителя k — 4. Тогда коэффициент усиления трехкаскадного усилителя k « 4X4X4 = 64, а так как k = Арв/Арвх, то при Арвх = 20 Па будет Арв ~ k Арвх = 64 X 20 = 1280 Па. Сигнал с таким уровнем давления на выходе усилительной схемы более чем достаточен для сра- батывания дискретного элемента,! подающего сигнал в схему управляющего устройства. Для надежной работы многокаскадного усилителя целесообразно на вход первого каскада подавать давление смещения. Это давление обеспечи- вает надежное отключение схемы при уменьшении управляющего сигнала. Из- меняя величины давления смещения, можно регулировать порог срабатывания схемы в очень широких пределах — от отрицательных величин давления сраба- тывания до величин, равных давлению питания. Схемы этого типа можно ис- пользовать для построения реле физических величин, и в частном случае для реле контроля геометрических размеров обрабатываемых деталей. В литературе их называют пороговыми устройствами, или триггерами Шмитта. Простейшая схема триггера Шмитта и его характеристика переключения при- ведены на рис. 9.35, б, в. Триггер Шмитта может быть построен и на одном струй- ном элементе. Например, аналоговый усилитель, работающий в релейном режиме и изменяющий свой порог срабатывания вследствие изменения величины дав- 242 '
Рис. 9.35. Усилительные и пороговые схемы ления смещения дросселем, включенным в линию обратной связи, представ- ляет собой пороговый элемент — триггер Шмитта (рис. 9.35, г). Изменить порог срабатывания аналогового усилителя, работающего в ре- лейном режиме, можно также заданием давления смещения с помощью дрос- селя, соединяющего линию обратной связи с атмосферой (рис. 9.35, Э). Анало- гично этому могут быть построены пороговые схемы и иа дискретных элементах. Однако, как показали исследования и практика внедрения устройств контроля, триггеры Шмитта, построенные на аналоговых усилителях, имеют меньший раз- брос по давлению срабатывания и тем самым обеспечивают более высокую точ- ность устройств контроля. 9.5. ПОСТРОЕНИЕ СТРУЙНЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ Устройства управления последовательностью операций. Технологический про- цесс изготовления детали или изделия на машинах-автоматах (станках, прессах), как правило, подразделяется на ряд последовательных операций. Функциями струйного управляющего устройства являются: контроль выполнения операции и управления последовательностью и длительностью операций; обеспечение мер защиты и блокировок; обеспечение заданного режима работы — ручного, авто- матического; выдача оператору информации о работе управляющего устройства с помощью визуальной индикации. При проектировании управляющего устройства необходимо анализировать следующие факторы, характеризующие условия и технологический процесс изго- товления изделия: условия производства (пожаро- и взрывобезопасность, квалификация об- служивающего персонала, качество питающего воздуха в заводской сети и т. п.), тип и характер производства — мелкосерийное, серийное с редко меняющимся 243
ЦйкЛом работы, серийное с неизменным циклом работы станка (в зависимости от типа и характера производства определяется и тип управляющего устройства, т. е. с программным цикловым либо числовым управлением или же с фикси- рованной, т. е. неизменной программой); обеспечение режимов работы — ручной, полуавтоматический и автомати- ческий; функциональное назначение системы защиты и блокировок; характер окружающей среды и влияние ее на управляющее устройство; связь оператора с системой управления и машиной с помощью органов руч- ного управления и устройств индикации; надежность работы связывающих машину и систему управления устройств— струйных путевых выключателей, преобразователей, разъемов, трубопрово- дов и др.; напряженность цикла, длительность отдельных операций и цикла в целом (исходя нз этих данных можно выбрать управление переходом от одной операции к другой либо по путевым выключателям или же по временном сигналам); выбор устройств, управляющих исполнительными механизмами, и их связи с исполнительными механизмами; удобство обслуживания системы управления (этим определяется ее компо- новка, выбор средств и методов индикации правильности функционирования системы управления). Важным фактором при проектировании является выбор технологии изго- товления системы управления, ее элементной базы, логической структуры и источника питания (вентилятор, заводская сеть). Правильно принятые решения на основе оценки указанных факторов поз- волят создать экономичную и высоконадежную систему управления. Построение устройств управления последовательностью операций. Рассмо- трение этого вопроса начнем с простейших примеров, последовательно усложняя их. Пример 1. Автоматическое возвратно-поступательное движение рабочего органа осуществляется пневмо- или гидроцилиндром. Контроль выполнения операций обеспе- чивается нормально открытыми бесконтактными путевыми выключателями типа СТ144, у которых при отсутствии управляющего воздействия на выходе устанавливается сигнал «1». Начало и конец работы контролируются кнопками (нормально закрытыми) Кп — «Пуск» и Кс — «Стоп». Цикл работы запишем в виде А+, А-, А+, А“; знак «-}-» означает выдвижение штока цилиндра, знак «—» — возврат штока. Схему управляющего устройства составляют по таблице состояний входных уст- ройств — путевых включателей, кнопок и др. (табл. 9.4). На рис. 9.36, а приведена схема управляющего устройства, реализующая заданный цикл. Схема построена на струйных логических элементах ИЛИ — НЕ ИЛИ; для переключения распределителей используют усилители давления, в которых давление управляющих сигналов усиливается до 0,2 — 0,3 МПа. Пример 2. Схема управляющего устройства для двух цилиндров, работающих по циклу A-J-, В2; А—; В—, приведена на рис. 9.36, б. В табл. 9.5 дана таблица состояний входных устройств, на основании которой пост- роена схема. Управляющее устройство, построенное на основе этой схемы, не обеспечивает защиты исполнительных механизмов прн аварийных ситуациях. В нем отсутствует также ручное управление отдельными цилиндрами. В следующем примере введем соответствую- щие блокировки и ручное управление отдельными механизмами. Пример 3. Пресс форма с формовочной массой подается цилиндром А. Ци- линдр В прессует массу в пресс-форме до заданной высоты, контролируемой путевым выключателем Ь2 (рис. 9.36, в). Положение штоков контролируется нормально открытыми путевыми выключателями. Начало и окончание работы контролируется нормально закры- тыми кнопками «Пуск» и «Стоп». Управляющее устройство должно обеспечивать работу в наладочном, ручном и автоматическом режимах. Цикл работы А-Н В 4*; В—; А—. Составим таблицу состояний входных устройств путевых выключателей, кнопок (табл. 9.6). Состояние путевых выключателей в строках второй и четвертой совпадает. Это говорит о том, что в логической схеме необходимо ввести элемент памяти, чтобы разли- чать условия на выдвижение штока цилиндра В и на возврат штока цилиндра А. Элемент памяти — триггер с раздельными входами — запоминает сигнал выключателя Ь2, фикси- рующего нижнее положение штока цилиндра В. Введем в четвертую строку таблицы допол- нительное условие ПВ2 (сигнал от триггера), в результате чего получим в строках второй и четвертой различные условия на выдвижение штока цилиндра В и на возврат штока ци- линдра А. Схема устройства, реализующая заданный цикл работы, приведена на рис. 9.36, в. Ручной режим работы устройства обеспечивается кнопками (А“), Кн (В+), /<Н(В-) и тумблером — «автомат-наладка». В ручном режиме тумблер соединяет кнопки ручного управления с источником питания с помощью усилителя и распределителя. В автоматиче- ском режиме питание не подается к кнопкам и разрешается работа триггеров /, 2, 3. 244
Рис. 9.36. Простейшие схемы управления работой цилиндров 245
Таблица 9.4 Таблица состояний входных устройств к рис. 9. 36, а Таблица 9.5 Таблица состояний входных устройств к рис. 9.36, б Опе- рация Входы Выход У Опе- рация Входы Вы- ходы я. '<с ^2 bi ь, Ух У2 А+ А- А+ А- А+ 0 0 0 0 0 1 1 1 1 А+ в+ А“ в- 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 Схема перехода от ручного режима к автоматическому может быть решена и другими методами. Рассмотрим, в какой степени схема, приведенная иа рис. 9.36, в, отвечает требова- ниям защиты н блокировок, связи оператора с управляющим устройством. Предположим, что в результате нарушения уплотнений в цилиндре, отказов в работе распределителей или другой аппаратуры произойдет произвольное перемещение штоков цилиндров. Наибо- лее опасным будем считать произвольное перемещение штока цилиндра В вниз. Это дви- жение штока приводит к аварии — выходу из строя пресс-формы и других механизмов, приводимых штоком цилиндра Л. В схеме блокировки, предотвращающей указанную аварию, нет. Действительно, шток цилиндра А выдвигается по сигналам путевых выклю- чателей = 0, bi — 0 и перемещается в дальнейшем независимо от состояния путевого выключателя blt так как триггер 2 с раздельными входами, восприняв информацию, непо- средственно управляет распределителем цилиндра А. И если шток цилиндра В по каким- либо причинам начнет перемещаться во время движения штока цилиндра А, произойдет авария. Аналогичная ситуация возможна и при произвольном перемещении штока цилин- дра А. Рассматриваемая схема ие обеспечивает защиты от возможных аварийных ситуа- ций. При возникновении аварийной ситуации оператор должен остановить работу, нажав на кнопку «Стоп», ио схема ие гарантирует останов, так как кнопка «Стоп» — нормально закрытая и засорение каналов, обрыв трубопровода, связывающего кнопку и логические элементы, ие обеспечат прохождение сигнала на останов. Использование кнопки «Стоп» нормально открытого исполнения исключает подобные ситуации, так как засорение, обрыв трубопровода приведут к останову машины. Причинами аварий при работе машин часто являются ложные сигналы от путевых выключателей, которые могут возникнуть в результате их засорений, поломок, обрывов трубопроводов и др. В схеме, приведенной иа рис. 9.36, в, отсутствует защита системы от ложных сигналов путевых выключателей. Рассматриваемое управляющее устройство ие обеспечивает и связи оператора с машиной, так как отсутствует индикация выполнения операций, прохождения основных сигналов, отказов путевых выключателей и т. д. На рис. 9.37 показана схема управляющего устройства для того же цикла, но с изменениями, которые удовлетворяют требованиям базопасности работы и обеспечивают связь оператора с машиной и системой управления. Увеличение числа элементов в схеме вследствие их низкой стоимости и высокой надежности практически не отражается на стоимости и надежности устройства в целом, но значительно улучшает ее обслуживание и технические качества. Предотвращение аварийных ситуаций, возникающих в результате произ- вольных перемещений штоков цилиндров А и В, достигается установкой эле- ментов НЕ — ИЛИ 1 на выходе триггера с раздельными входами и введением Таблица состояний входных устройств к рис. 9.36, в Таблица 9. 6 Операция Входы Выходы <?2 Ьх У1 Уз Уа Уз А+ В+ в- А- 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 246
9 ИС. 9.37. Управляющее устройство с индикацией отказов путевых выключателей, вклю- чения усилителей я блокировками 247
механизмам Рис. 9.38. Структурная схема управляющего устройства из типовых функциональных узлов непосредственно на их входы сигналов от путевых выключателей bj и а2. Команда «Стоп» подается нормально открытой кноп- кой, что обеспечит прохождение команды в случае отказа кнопки или обрыва тру- бопровода. Схема, изображенная на рис. 9.37, предусматривает блокировку и индика- цию отказов путевых выключателей. Вероятной причиной отказа нормально открытых выключателей и подачи ими ложных сигналов является их засорение или обрыв трубопроводов; тогда в случае возникновения ложного сигнала на одном из выключателей одновременно подаются сигналы «О» путевыми вы- ключателями, установленными на одном исполнительном механизме. Блоки- ровка отказов путевых выключателей цилиндра А выполняется соединением входов элемента ИЛИ — НЕ ИЛИ 1 с выходами путевых выключателей аг и а2. Таким образом, при сигналах = 0, а2 = 0 сигнал «1» с выхода элемента / поступает на вход элемента 2. Далее сигнал, проходя через элементы 3, 4, пере- ключает триггер 5 и дает команду на останов, отключая распределитель 6. Одно- временно сигнал элемента 1 включает индикатор отказов 7. Аналогично прово- дятся блокировка и индикация отказов путевых выключателей цилиндра В. Эта защита обеспечивается элементом 8 и индикатором 9. Блокировки отказов нормально закрытых выключателей выполняются таким же образом, но с исполь- зованием струйных элементов, реализующих логическую операцию И. Схема дает информацию оператору о прохождении сигналов от устройства к распределителям с помощью индикаторов, подключенных к элементам 10, 11, 12, 13. Блокировки при работе в ручном режиме предусмотрены. Схема обеспе- чивает «нулевую защиту» и другие меры защиты введением блокировочных сиг- налов на вход элемента 3. Струйные управляющие устройства строятся и при помощи других методов, использование которых обусловлено стремлением раз- работчиков уйти от интуитивного способа построения схем управляющих устройств. Эти методы предусматривают использование для построения схем управляющих устройств отработанных логических структур отдельных блоков. На рис. 9.38 приведена структурная схема управляющего устройства, включающая в себя функциональные типовые блоки: питания и защиты 1; фор- мирования тактовых импульсов 2; командозадающего устройства 3; блокировок (логики) 4; входных устройств 5; индикации 6. Построим схему управляющего устройства, реализующего цикл А+; В+; Б—; А—, в отличие от рассмотренных выше на основе функциональных блоков в соответствии со структурой, приведенной на рис. 9.38. Разработку схемы начнем с анализа циклограммы, в которой работа ци- линдров разбита на отдельные такты (рис. 9.39, а). Первый такт -т- выдвижение штока цилиндра А; второй — выдвижение штока цилиндра В; третий — возврат штока цилиндра В; четвертый такт — возврат штока цилиндра А. В схеме управ- ляющего устройства используют типовые функциональные блоки (см. рис. 9.39, а). I. Питание и защита. Этот блок обеспечивает питание устройства, осуще- ствляет «нулевую защиту» и блокировки. II. Формирователь тактовых импульсов, предназначенный для выработки тактовых импульсов при изменении состояний путевых выключателей. III. Командозадающее устройство, последовательно сдвигающее импульсы в каждом такте. IV. Логические условия — блокировки. V. Входные устройства. VI. Индикация. 248
249
Одним из важных свойств этого управляющего устройства является то, что без каких-либо изменений его логической структуры возможно управлять работой двух цилиндров в любой последовательности. Для этого достаточно перекоммутировать трубопроводы, связывающие выходы элементов 1, 2, 3, 4 с входами элементов 9, 10. Пусть требуется обеспечить работу цилиндров в сле- дующей последовательности: В+; В—; А+; А.-—. Работа по этому циклу будет обеспечена соединением выходов^ элементовжНЕ ИЛИ 1, 2, 3 с входами элемен- тов 6, 7, 5 и введением требуемых блокировок на входы элементов 9, 10. Анало- гично можно управлять работой цилиндров и с другой последовательностью. Использование того или иног-о метода построения управляющих устройств в каждом конкретном случае следует определять как техническими, так и эконо- мическими соображениями. Пример 4. Управление последовательностью операций по времени. Когда нет возможности установить элементы, контролирующие выполнение операций на исполнительных органах машин, используют временное управление последователь- ностью операций. Простейшая схема управляющего устройства, обеспечивающего работу двух цилиндров в полуавтоматическом режиме по циклу А+; В+; В-; А-, показана на рис. 9.39, б. Схема включает в себя генератор временных тактовых импульсов 1, командо- задающее устройство 2, логические элементы ИЛИ 3, наладочные кнопки 4, блок пуска и нулевой защиты 5, кнопки «Пуск», «Стоп» 6. Пусть для выполнения технологических операций требуются следующие выдержки времени: выдвижение штоков цилиндров (А+) — 1 с, (В+) — 1 с, возврат Штоков (А-) —2 с, (В-) — 3 с. Исходя из того, что минимальная длительность операции 1 с, используем генератор с частотой следования тактовых импульсов, равной 1 Гц. Частота следования импульсов корректируется дросселем 7, установленным на входе усилителя 3. Длитель- ность цикла равна 7 с с наименьшим временным интервалом 1 с; таким образом, для построения схемы используем командозадающее устройство на семь разрядов, в кото- ром тактовые импульсы сдвигаются от разряда к разряду через 1 с. Сигналы длительностью 1 с на выдвижение штоков цилиндров А и В поступают на усилители распределителей с первого и второго разрядов комаидозадающего устройства. Сигнал длительностью 2 с на возврат штока цилиндра А поступает от четвертого и треть- его разрядов командозадающего устройства, через элемент 9, выполняющего операцию суммирования (ИЛИ). Сигнал иа возврат штока В обеспечивается суммированием сигна- лов пятого, шестого и седьмого разрядов регистра элементами 10, 11, т. е. на время возврата штока цилиндра В отводится 3 с. Струйные системы циклового программного управления (ЦПУ) применяют при автоматизации металлорежущих станков, промышленных роботов и других машин, используемых преимущественно в крупносерийном производстве. В си- стемах ЦПУ программируется только логическая и технологическая инфор- мации (последовательность выполнений операций, режимы обработки, время выполнения операций и др.), размерная информация выполняется с помощью регулируемых упоров или других устройств, предназначенных для подачи сиг- налов в логическое устройство при достижении механизмом заданной величины перемещения. Во временнйх системах ЦПУ эта величина перемещения задается продолжительностью операции (чаще в промышленных роботах). В связи с тем, что логическое устройство освобождено от переработки размерной информации, системы циклового программного управления отличаются простотой. В крупносерийном производстве при длительной обработке одной партии деталей, в промышленных роботах, обслуживающих станки, прессы и другие машины с редко меняющимся циклом системы ЦПУ нередко могут явиться пред- почтительными по сравнению с другими системами программного управления. Это связано с тем, что эти системы просты по структуре, более надежны в эксплуа-- тации и проще в обслуживании, чем системы с числовым программным управ- лением. Функциональная схема. На рис. 9.40, а изображена функциональная схема струйной системы ЦПУ, в которую входят следующие основные устройства: задания и ввода программы; переработки информации, нанесенной на программо- носителе; контроля отработки этапа — такта программы — (входные устрой- ства— путевые выключатели и др.); выходные и исполнительные устройства. Рассмотрим назначение и структуру основных устройств функциональной схемы. Устройство задания и ввода программы содержит информацию о цикле, которая отражена в программоносителе — перфокарте, перфоленте, штеккер- ной панели или наборном поле. Программоноситель является составной частью устройства задания программы. В устройстве поэтапного ввода программы вы- 250
Рис. 9.40. Функциональная схема струйной системы ЦПУ (а) и структурная схема уст- ройства задания и ввода программы (б) рабатываются тактовые импульсы, которые поступают в устройство задания программы. Тактовые команды последовательно выдаются с помощью сдвигаю- щего регистра (струйно-механического либо струйного). Тактовые импульсы, поступая в устройство задания программы, перерабатываются в соответствии с программой, заданной на программоносителе, и с помощью считывающих эле- ментов, направляются в устройство переработки информации. В логическом блоке устройства переработки информации выполняются блокировки, вырабатываются команды, которые поступают на усилители, преобразователи, а затем на пневмо-, гидрораспределители или же на другие исполнительные элементы н далее на ис- полнительные механизмы, осуществляющие технологические операции. Выпол- нение операций контролируется путевыми выключателями и другими датчиками, сигналы от которых поступают в устройство переработки информации, в блок логики и в блок формирования тактовых импульсов. Тактовые импульсы от формирователя поступают в устройство поэтапного ввода программы, в котором командозадающее устройство (сдвигающий регистр) сдвигает тактовые импульсы. Сдвигаемые в каждом такте импульсы поступают в устройство задания программы и затем в соответствии с программой, нанесенной на программоносителе, — в блок логики либо непосредственно на исполнительные элементы. Классификация струйных систем ЦПУ рассмотрена в работе [3]. Здесь ограничимся классификацией струйных систем ЦПУ по конструктивным призна- кам и способу получения тактового импульса на переход от одной операции к другой. Существует два способа получения тактовых импульсов: первый — выполнение предыдущей операции не контролируют путевыми выключателями 251
и другими устройствами, и тактовые импульсы на переход от одной операции к другой формируются в блоке логики по командам от путевых выключателей. Второй способ — контроль по времени — используют тогда, когда нельзя уста- новить путевые выключатели. В тех случаях, когда безопасность работы не обес- печена, вводят блокировки для защиты как отдельных механизмов, так и опера- тора с помощью путевых выключателей. В ряде случаев при проектировании струйной системы ЦПУ целесообразно использовать одновременно оба способа получения тактовых импульсов. В струйных системах ЦПУ получили распространение в основном три типа устройств поэтапного ввода программы, отличающиеся конструктивным испол- нением. Первый тип устройств состоит только из струйных логических элементов, образующих струйное счетно-командозадающее устройство. Второй тип выпол- нен в виде струйно-механнческого или пневмомеханического обегающего устрой- ства (шагового искателя). Третий тип состоит из струйного командозадающего устройства, каждый выход которого связан с мембранным усилителем, пред- назначенным для усиления сигналов от струйных элементов и их последующего размножения и ввода в устройство задания программы. Этот тип известен как струйно-мембранное командозадающее устройство. Конструкция устройства задания программы может быть выполнена в виде штекерной панели, наборного поля, клавишной или кнопочной панели и другого устройства с внутренней памятью, либо в виде механизма для считывания про- граммы с программоносителей (перфокарты, перфоленты и т. п.) — устройства задания программы с внешней памятью. Любое из этих устройств задания про- граммы может быть использовано в каждой из классифицированных нами систем ЦПУ. Выбор какого-то определенного устройства задания программы следует определять технологическим процессом изготовления детали на машине-авто- мате, экономичностью, удобством в эксплуатации и рядом других факторов, которые должны быть проанализированы в каждом конкретном случае отдельно. В струйных управляющих устройствах ЦПУ промышленными роботами и станками наибольшее распространение получили устройства задания программы, выполненные в виде наборного поля. Это объясняется их конструктивной просто- той и удобством в эксплуатации. Устройство задания и ввода программы. На рис. 9.40, б показана структур- ная схема струйного устройства задания и ввода программы системы ЦПУ, в ко- торой выполнение предыдущей операции контролируется путевыми выключа- телями, а устройство задания программы выполнено в виде наборного коммута- ционного поля. Тактовые импульсы от формирователя поступают на вход устройства поэтап- ного ввода программы, которое представляет собой струйное командозадающее устройство, где сдвиги происходят в соответствии с частотой тактовых импульсов. Другими словами, устройство поэтапного ввода представляет собой линию за- держки, где скорость распространения информации определяется частотой так- товых импульсов. Число разрядов регистра определяется числом тактов, необ- ходимых для выполнения всех операций в цикле. В устройстве задания и ввода программы предусмотрена индикация сдвига тактового импульса в каждом раз- ряде. Съем информации с выходов командозадающего устройства выполняется блоком размножения сигналов. Блок состоит из логических элементов, назначе- ние которых сводится к распределению сигналов с каждого разряда командо- задающего устройства по нескольким каналам (причем, уровень сигнала «1» по расходу и давлению должен сохраняться в любом из этих каналов). Размножен- ные в блоке сигналы поступают к наборному полю, которое представляет собой ряд тактовых трубок (штуцеров). Число трубок зависит от числа тактов и числа одновременно включаемых механизмов в одном такте. Другой ряд выходов, установленных на наборном поле, служит для приема размноженных сигналов от устройства поэтапного ввода программы. Этими труб- ками с наборным полем связаны многовходовые схемы ИЛИ илн многовходовые элементы ИЛИ, назначение которых состоит в обеспечении повторяемости одной и той же операции в цикле и формировании выходных команд, поступающие в блок логики либо непосредственно на усилители, 252 *
Рис. 9.41. Командозадающее устройство Соединяя гибкими шлангами тактовые трубки с выходными трубками, можно изменять последовательность выполнения отдельных операций в цикле, включать различное число механизмов в разных тактах, повторять одну и ту же операцию несколько раз в течение пикла (включать один и тот же исполнительный ме- ханизм). Использование в качестве устройства задания программы наборного поля обеспечивает: высокое быстродействие, низкую стоимость и экономичность ус- тройства, возможность корректировки программы для получения оптимальных режимов непосредственно во время наладки машины; высокую надежность, так как устройство задания и ввода программы построено на струйных элементах и не имеет подвижных частей. Рассмотрим работу отдельных элементов, входящих в устройство задания и ввода программы. Устройство поэтапного ввода программы представляет собой простейший сдвигающий регистр — командозадающее устройство, полная схема которого, график работы и условное обозначение показаны на рис. 9.41. Тактовые импульсы от формирователя импульсов поступают на вход триг- гера со счетным входом, являющегося составной частью командозадающего ус- тройства. Импульса у и у триггера со счетным входом являются сдвигающими. Каждый разряд состоит из триггера с раздельными входами, построенного на элементах ИЛИ—НЕ ИЛИ либо на основе триггеров с раздельными входами. 253
1 2 Yt Yz Y} Yy От разряда командозадаю- щего устройстда, О В Влок логики Размноженные сигналы командозадающего устройства Рис. 9,42, Схемы размножения сигналов (а), схема ИЛИ для устройства задания и ввода программы (б) и схема повторною включения исполнительных механизмов в одном такте (в) Исходное состояние регистра устанавливается подачей сигнала на вход е триггера с раздельными входами первого разряда и на установочный вход d триггера со счетным входом. Подача импульсов на входы е и d приводит к установке всех разрядов в нулевое состояние (на выходах п1 ... nlr появляются сигналы «О»), Это состояние соответствует исходному состоянию устройства поэтапного ввода программы. Подача тактового импульса Тп на счетный вход триггера приводит к его переключению из исходного (нулевого) состояния в единичное. При этом на выходе у получаем сигнал «О», в результате чего сигнал «1» с выхода элемента 1 поступает на вход первого разряда. Переключением триггера с раздельными вхо- дами этого разряда на его выходе i устанавливается сигнал «О». Следовательно, на выходе пх первого разряда появляется сигнал «1». Подача второго тактового импульса на счетный вход изменяет состояние триггера со счетным входом, в ре- зультате чего на выходе у возникает сигнал «1», а на выходец — сигнал «О», при этом происходит переключение триггера с раздельными входами во втором разряде и на выходе п2 устанавливается сигнал «1». Первый разряд устанавли- вается в нулевое состояние. Таким образом, в схеме командозадающего устрой- ства происходит сдвиг тактового импульса. Блок размножения сигналов. Струйная система ЦПУ, как правило, должна обеспечивать возможность включения нескольких механизмов в одном такте, поэтому при проектировании СУ необходимо на основе анализа технологиче- ского процесса определить максимальное число одновременно включаемых уси- лителей (выходов) в одном такте. Включение нескольких механизмов достигается размножением сигнала с выхода командозадающего устройства с помощью схемы, приведенной на рис. 9.42, а. Если, например, требуется получить в одном такте четыре команды, то схема, показанная на рисунке, должна распределить сигнал командозадающего устройства по четырем каналам. Сигнал с выхода командо- задающего устройства поступает на вход элемента 1 и с выхода ух этого элемента получаем сигнал «1», а второй инверсный выход у2 элемента связан со входом элемента 2, с инверсного выхода также получаем сигнал «1» и т. д. Выход ИЛИ элемента 2 соединен с входом следующего элемента, инверсный выход которого у3 также является размноженным сигналом. Таким образом, каждое повторение тактового сигнала требует дополнительного струйного элемента. 254
Выходы z/j, z/2, y:!, yi условно назовем тактовыми выходами. Эти выходы гибкими трубками соединяются с входами многовходовых элементов ИЛИ. Блок многовходовых элементов ИЛИ. Обеспечение многократного включения (повторяемости) одного и того же механизма в цикле достигается использова- нием схемы ИЛИ с большим числом входов. Число входов схемы ИЛИ, образу- ющей выходную команду устройства задания и ввода программы, определяет повторяемость, т. е. число входов схемы соответствует требуемому числу вклю- чений одного и того же механизма в течение цикла. Схема ИЛИ может быть построена на многовходовых элементах ИЛИ пассив- ных либо активных. Схема ИЛИ устройства задания и ввода программы пока- зана на рис. 9.42, б, в. На входы xlt х2.хп поступают размноженные сигналы от командозадающего устройства. Так, выходная команда может быть реали- зована в течение цикла 6 раз, так как число входов элемента ИЛИ, обеспечива- ющих отработку этой команды, равно шести. Повторяемость включения дости- гается коммутацией размноженных схемой тактовых импульсов с входами схемы ИЛИ. Входы схемы ИЛИ связаны с коммутационными штуцерами (выходами), установленными на наборном поле. Наборное поле представляет собой панель, на которой в определенном по- рядке размещены тактовые и выходные штуцера, которые связаны воздухо- проводами с выходами схемы размножения и с входами схемы ИЛИ. Выходные команды 21, z2..zn устройства задания и ввода программы включаются комму- тацией размноженных тактовых сигналов с соответствующими входами схемы ИЛИ. Как видно из рис. 9.42, в изменение числа включаемых механизмов в такте, последовательности и повторяемость их работы в течение цикла обеспечивается соединением коммутационными трубками надлежащих тактовых и выходных штуцеров. Так, на наборном поле (см. рис. 9.42, в) набрана программа, обеспе- чивающая включение в первом такте сигналом одновременно трех выходных команд 21, z2 и 2Л. Во втором такте сигналом п2 включаются команды Zj и z2 и в по- следнем такте сигналом регистра пп включается команда z2. Следовательно про- стой перекоммутацией трубок I легко изменить набранную программу. Формирователи тактовых импульсов. Сдвиги в комаидозадающем устройстве происходят с частотой тактовых импульсов ТИ. В струйных устройствах ЦПУ каждый сдвиг соответствует окончанию предыдущего такта и началу последу- ющего. Информация о завершении такта в СУ вводится путевыми выключате- лями либо другими элементами. В процессе работы станка или манипулятора любой из исполнительных механизмов может находиться в определенном поло- жении, взаимодействуя при этом с соответствующим путевым выключателем, сигнал от которого будет постоянно поступать в струйное управляющее устрой- ство. Если в это же время будут работать другие механизмы, то сигналы от дру- гих путевых выключателей будут подавлены сигналом первого выключателя, т. е. не приняв определенных мер, не получим импульсов для сдвига регистра после окончания такта. Вместе с тем, при работе станка в одном и том же такте могут работать несколько исполнительных механизмов, время прихода которых в крайние положения может быть различным. Эти исполнительные механизмы взаимодействуют со своими путевыми выключателями и выдают ко- манды. Необходимо получить тактовый импульс для сдвига командозадающего устройства независимо от числа работающих в такте исполнительных механиз- мов и времени их взаимодействия с путевыми выключателями, датчиками и дру- гими устройствами контроля. Итак, назначение формирователя тактовых импуль- сов состоит в формировании одного тактового импульса после отработки такта любым числом исполнительных механизмов независимо от длительности взаимо- действия этих механизмов с путевыми выключателями. На рис. 9.43 приведены схема формирования тактовых импульсов и график ее работы. Пусть в каком-либо такте работают два исполнительных механизма — цилиндры А и В, выдвижение штоков которых контролируется путевыми выклю- чателями а2, Ь2, а исходное положение — выключателями alt Ьг. Цилиндры А, В не одновременно достигают своих крайних положений, и в связи с этим путе- вые выключатели могут включаться не одновременно; так, в одном такте цикла 255
в А Рис. 9.43. Формирование тактовых импульсов цилиндр А может опередить цилиндр В, а в том же такте следующего цикла цилиндр В опередит цилиндр А. Действительно, тактовый импульс Та появ- ляется только тогда, когда цилиндры А и В достигают своих крайних положе- ний, при которых выключатели а2 и Ь2 выдают сигналы «О», а сигнал на возврат цилиндра А, формируемый этим импульсом, равен «1». Как только сигнал на возврат цилиндра А поступит в схему формирователя тактовых импульсов, тактовый импульс Та на выходе элемента исчезнет. Аналогично формируется тактовый импульс Та на возврат цилиндра В. Таким образом, с приходом сигнала на включение какого-либо механизма тактовый импульс Ти, формиру- ющий этот сигнал, исчезает, что, несомненно, является достоинством приведен- ной схемы. Система ЦПУ (рис. 9.44) обеспечивает работу управляемой машины в на- ладочном, операционном полуав