5) Исполнительные устройства на основе гидро- и пневмо- двигателей. Достоинства и недостатки.

В первую очередь рассказать что есть исполнительное устройство!!!

Пневмопривод представляет собой систему взаимосвязанных пневмоустройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов машин или рабочих звеньев механизмов.

К основным преимуществам пневмоприводов по сравнению с гидроприводами относятся:

- большие допускаемые скорости потоков сжатого воздуха;

- относительно небольшие потери в пневмосети;

- сжатый воздух не образует горючих и взрывоопасных смесей;

- сжатый воздух не загрязняет окружающую среду.

Преимущества пневматики особенно проявляются при механизации и автоматизации наиболее часто встречающихся операций: зажима деталей, их фиксации, транспортирования, упаковки и др. Применение пневматики позволяет исключить или свести до минимума участие человека в тяжелых и монотонных работах. Широкому внедрению пневматики способствует относительная простота конструкции и эксплуатационного обслуживания; надежность работы в широком диапазоне температур, высокой влажности и запыленности окружающей среды

К недостаткам пневматики следует отнести:

- сравнительно малую скорость передачи сигнала по пневматическим линиям на большие расстояния;

- сложность обеспечения плавного перемещения рабочих органов при колебаниях нагрузки и высокая стоимость выработки сжатого воздуха;

- обязательное наличие смазочных систем.

2. Пневмоустройства как составные элементы привода по функциональному назначению делятся на следующие группы: исполнительные, распределительные и управляющие.

Исполнительные устройства предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в энергию движения рабочих органов машины. Исполнительные устройства в приводах всегда являются приводными устройствами. К ним относятся пневмодвигатели: поршневые пневмоцилиндры, поворотные пневмодвигатели, пневмомоторы.

По типу исполнительных устройств приводы относят к пневмоприводам возвратно-поступательного действия и вращательного движения. Пневмоустройства поступательного движения бывают двустороннего и одностороннего действия по перемещению твердого звена.

Распределительные устройства предназначены для изменения направления потоков сжатого воздуха в линиях, соединяющих устройства в приводе.

Распределители могут быть с различным управлением: ручным, механическим, пневматическим, электрическим и гидравлическим. В качестве распределительного органа могут применяться золотники (плоские и цилиндрические), клапаны, краны и др.

Управляющие устройства предназначены для обеспечения заданной последовательности перемещения исполнительных устройств соответствии с требуемым законом их движения. Управление может быть выполнено посредством электрических, гидравлических и пневматических устройств. К устройствам управления относят конечные выключатели, дроссели, обратные клапаны, регуляторы скорости и давления. К управляющим устройствам также относят датчики состояния, с помощью которых в систему вводится информация о состоянии исполнительных устройств и о состоянии внешней среды.

Гидропривод

Трудно назвать отрасль современной промышленности, где бы ни применялся гидропривод. Высокая эффективность, большие технические возможности делают его почти универсальным средством, используемым в различных технологических процессах.

Гидроприводы применяются в металлургии и энергетике, в металлообработке и производстве изделий из пластмасс, в подъемно-транспортном и деревообрабатывающем оборудовании, в строительстве, производстве сельскохозяйственной техники и автомобилестроении и т. д. Они используются при переработке металлолома, макулатуры и твердых бытовых отходов.

Обычно к основным преимуществам гидропривода относят:

1) высокие усилия и большую передаваемую мощность на единицу массы привода;

2) широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена;

3) точность позиционирования деталей;

4) простоту управления и автоматизации;

5) простоту предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок;

6) надежную смазку трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.

А к недостаткам:

1) утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления;

2) нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты;

3) необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха;

4) пожароопасность - в случае применения горючей рабочей жидкости.

Впрочем, при правильном выборе конструировании узлов привода и грамотной его эксплуатации некоторые из перечисленных недостатков можно устранить или значительно уменьшить их негативное влияние.

2. В гидропривод входят различные гидроустройства (машины, механизмы, аппараты и т. д.), выполняющие определенные самостоятельные функции путем взаимодействия с рабочей жидкостью.

Основным гидроустройством является объемный гидродвигатель. В зависимости от вида движения выходного звена гидродвигатели разделяют на гидроцилиндры (поступательное движение выходного звена), гидромоторы (вращательное движение), поворотные, гидродвигатели (поворот звена).

Кроме насоса и гидродвигателя в состав гидропривода входят и другие гидроустройства. В состав гидропередач может входить гидроаккумулятор (емкость, предназначенная для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением), позволяющий использовать эту энергию по мере необходимости. Кроме того, в гидропередачу могут включаться также гидропреобразователи устройства для изменения уровня давления и расхода рабочей жидкости.

Собственно для управления изменением или поддержанием на нужном уровне давления и расхода, а также изменением направления движения потока рабочей жидкости служат такие устройства, как: гидрораспределители, регуляторы давления (предохранительный, редукционный, переливной и другие клапаны), регуляторы расхода (делители и сумматоры потоков, дроссели и регуляторы потока, направляющие клапаны), гидравлические усилители мощности сигналов управления.

В состав гидропривода могут входить электротехнические изделия, например, электромагниты распределителей, электрические устройства обратной связи гидроусилителей, а также средства измерения и контроля.

Устройство, принцип действия, основные расчетные параметры и условно-графические обозначения гидроустройств, входящих в состав объемного гидропривода были рассмотрены в разделе 4.

3. В общем виде любой гидропривод можно представить в виде схемы

Рисунок 61 - Структурная схема насосного гидропривода

Эта схема упрощенно показывает основные элементы, входящие в состав гидропривода, их взаимосвязь, назначение и выходные рабочие параметры. Так по схеме можно проследить преобразование энергии приводного электродвигателя в выполненную работу при движении рабочего органа станка.

(отдельно можно рассмотреть сравнительную характеристику пневмопривода относительно гидро и электро, но это на крайняк)

Область и масштабы применения пневматического привода обусловлены его достоинствами и недостатками, вытекающими из особенностей свойств воздуха. В отличие от жидкостей, применяемых в гидроприводах, воздух, как и все газы, обладает высокой сжимаемостью и малой плотностью в исходном атмосферном состоянии (около 1,25 кг/м ³), значительно меньшей вязкостью и большей текучестью, причем его вязкость существенно возрастает при повышении температуры и давления. Отсутствие смазочных свойств воздуха и наличие некоторого количества водяного пара, который при интенсивных термодинамических процессах в изменяющихся объемах рабочих камер пневмомашин может конденсироваться на их рабочих поверхностях, препятствует использованию воздуха без придания ему дополнительных смазочных свойств и влагопонижения. В связи с этим в пневмоприводах имеется потребность кондиционирования воздуха, т.е. придания ему свойств, обеспечивающих работоспособность и продляющих срок службы элементов привода.

С учетом вышеописанных отличительных особенностей воздуха рассмотрим достоинства пневмопривода в сравнении с его конкурентами - гидро- и электроприводом.

1. Простота конструкции и технического обслуживания. Изготовление деталей пневмомашин и пневмоаппаратов не требует такой высокой точности изготовления и герметизации соединений, как в гидроприводе, т.к. возможные утечки воздуха не столь существенно снижают эффективность работы и КПД системы. Внешние утечки воздуха экологически безвредны и относительно легко устраняются. Затраты на монтаж и обслуживание пневмопривода несколько меньше из-за отсутствия возвратных пневмолиний и применения в ряде случаев более гибких и дешевых пластмассовых или резиновых (резинотканевых) труб. В этом отношении пневмопривод не уступает электроприводу. Кроме того, пневмопривод не требует специальных материалов для изготовления деталей, таких как медь, алюминий и т.п., хотя в ряде случаев они используются исключительно для снижения веса или трения в подвижных элементах.

2. Пожаро- и взрывобезопасность. Благодаря этому достоинству пневмопривод не имеет конкурентов для механизации работ в условиях, опасных по воспламенению и взрыву газа и пыли, например в шахтах с обильным выделением метана, в некоторых химических производствах, на мукомольных предприятиях, т.е. там, где недопустимо искрообразование. Применение гидропривода в этих условиях возможно только при наличии централизованного источника питания с передачей гидроэнергии на относительно большое расстояние, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

3. Надежность работы в широком диапазоне температур, в условиях пыльной и влажной окружающей среды. В таких условиях гидро- и электропривод требуют значительно больших затрат на эксплуатацию, т.к. при температурных перепадах нарушается герметичность гидросистем из-за изменения зазоров и изолирующих свойств электротехнических материалов, что в совокупности с пыльной, влажной и нередко агрессивной окружающей средой приводит к частым отказам. По этой причине пневмопривод является единственным надежным источником энергии для механизации работ в литейном и сварочном производстве, в кузнечнопрессовых цехах, в некоторых производствах по добыче и переработке сырья и др. Благодаря высокой надежности пневмопривод часто используется в тормозных системах мобильных и стационарных машин.

4. Значительно больший срок службы, чем гидро- и электропривода. Срок службы оценивают двумя показателями надежности: гамма-процентной наработкой на отказ и гамма-процентным ресурсом. Для пневматических устройств циклического действия ресурс составляет от 5 до 20 млн. циклов в зависимости от назначения и конструкции, а для устройств нециклического действия около 10-20 тыс. часов. Это в 2 - 4 раза больше, чем у гидропривода, и в 10-20 раз больше, чем у электропривода.

5. Высокое быстродействие. Здесь имеется в виду не скорость передачи сигнала (управляющего воздействия), а реализуемые скорости рабочих движений, обеспечиваемых высокими скоростями движения воздуха. Поступательное движение штока пневмоцилиндра возможно до 15 м/с и более, а частота вращения выходного вала некоторых пневмомоторов (пневмотурбин) до 100 000 об/мин. Это достоинство в полной мере реализуется в приводах циклического действия, особенно для высокопроизводительного оборудования, например в манипуляторах, прессах, машинах точечной сварки, в тормозных и фиксирующих устройствах, причем увеличение количества одновременно срабатывающих пневмоцилиндров (например в многоместных приспособлениях для зажима деталей) практически не снижает время срабатывания. Большая скорость вращательного движения используется в приводах сепараторов, центрифуг, шлифовальных машин, бормашин и др. Реализация больших скоростей в гидроприводе и электроприводе ограничивается их большей инерционностью (масса жидкости и инерция роторов) и отсутствием демпфирующего эффекта, которым обладает воздух.

6. Возможность передачи пневмоэнергии на относительно большие расстояния по магистральным трубопроводам и снабжение сжатым воздухом многих потребителей. В этом отношении пневмопривод уступает электроприводу, но значительно превосходит гидропривод, благодаря меньшим потерям напора в протяженных магистральных линиях. Электрическая энергия может передаваться по линиям электропередач на многие сотни и тысячи километров без ощутимых потерь, а расстояние передачи пневмоэнергии экономически целесообразно до нескольких десятков километров, что реализуется в пневмосистемах крупных горных и промышленных предприятий с централизованным питанием от компрессорной станции.

Известен опыт создания городской компрессорной станции в 1888 г. одним из промышленников в Париже. Она снабжала заводы и фабрики по магистралям протяженностью 48 км при давлении 0,6 МПа и имела мощность до 18500 кВт. С появлением надежных электропередач ее эксплуатация стала невыгодной.

Максимальная протяженность гидросистем составляет около 250-300 м в механизированных комплексах шахт для добычи угля, причем в них используется обычно менее вязкая водно-масляная эмульсия.

7. Отсутствие необходимости в защитных устройствах от перегрузки давлением у потребителей. Требуемый предел давления воздуха устанавливается общим предохранительным клапаном, находящимся на источниках пневмоэнергии. Пневмодвигатели могут быть полностью заторможены без опасности повреждения и находиться в этом состоянии длительное время.

8. Безопасность для обслуживающего персонала при соблюдении общих правил, исключающих механический травматизм. В гидро- и электроприводах возможно поражение электрическим током или жидкостью при нарушении изоляции или разгерметизации трубопроводов.

9. Улучшение проветривания рабочего пространства за счет отработанного воздуха. Это свойство особенно полезно в горных выработках и помещениях химических и металлообрабатывающих производств.

10. Нечувствительность к радиационному и электромагнитному излучению. В таких условиях электрогидравлические системы практически непригодны. Это достоинство широко используется в системах управления космической, военной техникой, в атомных реакторах и т.п.

Несмотря на вышеописанные достоинства, применяемость пневмопривода ограничивается в основном экономическими соображениями из-за больших потерь энергии в компрессорах и пневмодвигателях, а также других недостатков, описанных ниже.

1. Высокая стоимость пневмоэнергии. Если гидро- и электропривод имеют КПД, соответственно, около 70 % и 90 %, то КПД пневмопривода обычно 5-15 % и очень редко до 30 %. Во многих случаях КПД может быть 1 % и менее. По этой причине пневмопривод не применяется в машинах с длительным режимом работы и большой мощности, кроме условий, исключающих применение электроэнергии (например, горнодобывающие машины в шахтах, опасных по газу).

2. Относительно большой вес и габариты пневмомашин из-за низкого рабочего давления. Если удельный вес гидромашин, приходящийся на единицу мощности, в 5-10 раз меньше веса электромашин, то пневмомашины имеют примерно такой же вес и габариты, как последние.

3. Трудность обеспечения стабильной скорости движения выходного звена при переменной внешней нагрузке и его фиксации в промежуточном положении. Вместе с тем мягкие механические характеристики пневмопривода в некоторых случаях являются и его достоинством.

4. Высокий уровень шума, достигающий 95-130 дБ при отсутствии средств для его снижения. Наиболее шумными являются поршневые компрессоры и пневмодвигатели, особенно пневмомолоты и другие механизмы ударно- циклического действия. Наиболее шумные гидроприводы (к ним относятся приводы с шестеренными машинами) создают шум на уровне 85-104 дБ, а обычно уровень шума значительно ниже, примерно как у электромашин, что позволяет работать без специальных средств шумопонижения.

5. Малая скорость передачи сигнала (управляющего импульса), что приводит к запаздыванию выполнения операций. Скорость прохождения сигнала равна скорости звука и, в зависимости от давления воздуха, составляет примерно от 150 до 360 м/с. В гидроприводе и электроприводе, соответственно, около 1000 и 300 000 м/с.

Перечисленные недостатки могут быть устранены применением комбинированных пневмоэлектрических или пневмогидравлических приводов.