Основы пневматики: ключевые концепции и применение систем

Базовые принципы пневматики и пневматических систем

Пневматика давно играет важную роль как технология выполнения механической работы, а также применяется в разработке решений для автоматизации. Пневматические системы похожи на гидравлические, но в качестве рабочей среды используют сжатый воздух вместо гидравлической жидкости.

Пневматическая система — это система, использующая сжатый воздух для передачи и управления энергией. Такие системы широко применяются в различных отраслях промышленности. Большинство пневматических систем требуют постоянного suministра сжатого воздуха, который обеспечивается компрессором. Компрессор засасывает атмосферный воздух и накапливает его в высоконапорном накопителе (ресивере). Затем сжатый воздух поступает в систему через сети трубопроводов и арматуру.

Термин «пневматика» происходит от греческого «пневма» — воздух. Суть пневматики — использование сжатого воздуха для выполнения работы. Сжатый воздух — это атмосферный воздух, объем которого уменьшен за счет сжатия, что повышает его давление. В качестве рабочей среды он обычно используется при давлении 0,6–0,8 МПа (6–8 кгс/см²). Пневматические системы позволяют развивать усилие до 50 кН. Управление может быть ручным, пневматическим или электрическим. Сжатый воздух выполняет работу, действуя на поршень или лопатку. Эта энергия находит применение во многих областях сталелитейной промышленности.

Преимущества пневматических систем

Пневматические системы широко используются для привода автоматических машин и обладают рядом существенных преимуществ:

• Высокая эффективность — в атмосфере неограниченный запас воздуха для производства сжатого воздуха, его легко хранить в больших объемах. Транспортировка по трубопроводам не ограничена расстоянием. После использования сжатый воздух можно выпускать в атмосферу без дополнительной очистки.
• Долговечность и надежность — компоненты пневматических систем крайне износостойки и не повреждаются легко. По сравнению с электродвигателями, пневматических компоненты более долговечны и надежны.
• Простота конструкции — узлы пневматических систем имеют относительно простую конструкцию, что делает их подходящими для простых систем автоматического управления. Обеспечивается выбор типа движения: прямолинейное или угловое вращательное со плавно регулируемой скоростью.
• Адаптивность к суровым условиям — по сравнению с элементами других систем, сжатый воздух меньше подвержен влиянию высоких температур, пыли, коррозионных сред. Поэтому пневматические системы лучше подходят для работы в агрессивных условиях.
• Безопасность — пневматические системы безопаснее электрических, так как могут работать в пожароопасных средах без риска возгорания или взрыва. Перегрузка в пневматической системе приводит лишь к скольжению или остановке, в отличие от электрических компонентов, которые могут сгореть или перегреться.
• Простота регулировки скорости и давления — скорости прямолинейного и колебательного движений легко регулируются с минимальными ограничениями. Давление и объем сжатого воздуха легко настраиваются редуктором давления.
• Экологичность — работа пневматических систем не загрязняет окружающую среду. При соответствующей подготовке выходящего воздуха системы могут соответствовать стандартам чистых комнат, например, на линиях производства интегральных схем.
• Экономичность — компоненты пневматических систем недороги, сами системы стоят дешево. Благодаря высокой долговечности затраты на обслуживание значительно ниже, чем у других систем.

Ограничения пневматических систем

Несмотря на множество преимуществ, пневматические системы имеют и ограничения:

• Относительно низкая точность — работа зависит от объема сжатого воздуха, который меняется при сжатии или нагреве, что снижает общую точность системы.
• Ограниченная нагрузка — из-за невеликих размеров цилиндров пневматические системы не могут приводить в движение слишком тяжелые нагрузки.
• Необходимость подготовки воздуха — сжатый воздух должен быть очищен от влаги и пыли, иначе подвижные части быстро изнашиваются от трения.
• Неровная скорость движения — из-за сжимаемости воздуха скорость поршней нестабильна.
• Шум — при сбросе сжатого воздуха из пневматических компонентов возникает шум.

Компоненты пневматических систем

Пневматические цилиндры, ротативные приводы и пневмодвигатели создают усилие и движение для захвата, перемещения, формовки и обработки материалов. Для управления этими исполнительными механизмами нужны: узлы подготовки сжатого воздуха и клапаны управления давлением, расходом и направлением движения. Базовая пневматическая система состоит из двух основных разделов:

• Система производства, транспортировки и распределения сжатого воздуха
• Система потребления сжатого воздуха

К основным компонентам первой группы относятся: воздушный компрессор, электродвигатель и центр управления двигателем, датчик давления, обратный клапан, накопитель (ресивер), манометр, автоматический осушитель, воздухосушитель, фильтры, масляная туманка, трубопроводы, различные типы клапанов. Ко второй группе: всасывающий фильтр, компрессор, клапан отбора воздуха, автоматический осушитель, воздухоподготовительный блок, распределительный клапан, исполнительные механизмы, регуляторы скорости. Основные компоненты показаны на рис. 1.

Рис. 1 Основные компоненты пневматической системы

Всасывающий фильтр (воздушный фильтр) удаляет загрязнения из атмосферного воздуха.

Воздушный компрессор преобразует механическую энергию электрического или ДВС в потенциальную энергию сжатого воздуха. Существует несколько типов компрессоров: поршневые (одно- и двухстадийные, мембранные), роторные (лопастные, винтовые), центробежные и осевые. Выбор зависит от требуемого давления и производительности.

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую для привода компрессора.

Сжатый воздух от компрессора поступает в ресивер, который сглаживает пульсирующий поток, способствует охлаждению и конденсации влаги. Объем ресивера должен вмещать весь воздух, подаваемый компрессором. Давление в ресивере поддерживается выше рабочего для компенсации потерь в трубопроводах. Большая площадь поверхности ресивера улучшает теплоотдачу.

Для надежной работы пневматической системы сжатый воздух должен быть очищен и сушен. Атмосферный воздух содержит пыль, дым и влагу, вызывающие износ и коррозию. При сжатии температура воздуха растет, поэтому используется охладитель. Влага отделяется сепаратором или воздухосушителем.

Обработка воздуха делится на три стадии:

1. Первичная (на всасывании) — крупнодисперсные частицы задерживает всасывающий фильтр.
2. Вторичная (после компрессора) — охлаждение и сушка воздуха. Сушка может быть адсорбционной, абсорбционной, холодильной или с полупроницаемыми мембранами. Устанавливается встроенный фильтр для удаления остаточных загрязнений.
3. Третичная (тонкая очистка) — дополнительная фильтрация перед подачей к потребителям.

Смазка подвижных частей цилиндров и клапанов критически важна. Для этого используются пневматические масляные туманки, вносимые в поток сжатого воздуха. Они создают тонкую масляную аэрозольную дымку для смазки подвижных компонентов. Оптимальная кинематическая вязкость масла — 20–50 сСт.

Управляющие клапаны регулируют направление потока, давление и другие параметры. Главная задача редуктора — поддерживать постоянное давление за клапаном при колебаниях входного давления. Из-за высокой скорости потока возникает перепад давления между ресивером и потребителем, поэтому давление в ресивере всегда выше рабочего. На месте потребления давление стабилизируется. Существует три способа локального регулирования давления:

• Необратные редукторы — потребитель постоянно сбрасывает воздух в атмосферу. Редуктор дросселирует поток. Если потребление нулевое (тупиковая нагрузка), давление поднимается до коллекторного.
• Обратные редукторы — при тупиковой нагрузке редуктор сам сбрасывает излишки воздуха в атмосферу для снижения давления.
• Системы с контуром управления — для крупных потребителей используется датчик давления, контроллер и сбросной клапан. При превышении критического давления датчик фиксирует аварию, контроллер открывает клапан для сброса воздуха. Применяется также при удаленном расположении точки регулирования.

Воздушные цилиндры и двигатели — исполнительные механизмы, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическое движение. Классификация: линейные (прямолинейное движение), ротативные (вращательное), приводы регулирующих клапанов (управление потоком газов, пара, жидкостей). Конструкция гидравлических и пневматических линейных приводов похожа, но рабочие давления отличаются: гидравлические цилиндры — ~100 кгс/мм², пневматические — ~10 кгс/мм².

Распределение сжатого воздуха

Правильная организация сети распределения критична для производительности. Основные требования:

• Схема трубопроводов (открытый или замкнутый контур) с достаточным числом сливных клапанов в диагонально противоположных углах
• Расчет диаметра труб по расходу, перепаду давления, числу и типу фитингов, абсолютному давлению
• Уклон главной горизонтальной магистрали от компрессора — обычно 1:20
• Отводы от верха горизонтальных магистралей — с U-образным коленом или под 45°
• Наличие конденсатосборников с сливными краном внизу всех вертикальных стояков
• Воздухоподготовительные блоки подключаются перпендикулярно вертикальным стоякам

Все основные пневматические компоненты обозначаются условными графическими символами, отражающими только функцию, а не конструкцию. Комбинация символов образует пневматические схемы, описывающие структуру системы. Типичная схема показана на рис. 2.

Рис. 2 Типичная схема пневматической системы

При анализе или проектировании пневматической схемы необходимо учитывать четыре ключевых фактора:

• Безопасность эксплуатации
• Выполнение требуемых функций
• Эффективность работы
• Экономическая целесообразность

Применение пневматических систем

Область применения широка: пневматические прессы, сверла, управление системными клапанами (воздух, вода, химикаты), разгрузка бункеров и силосов, станки, пневматические тараны, подъем и перемещение грузов, распылительная покраска, закрепление в приспособлениях и тисках, удержание при пайке или сварке, формовка, заклёпывание, управление процессным оборудованием и др.