Пневматичне керування

1. Пневматичне керування

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Пневматичне керування
Перелік питань
1. Властивості пневматики.
2. Будова пневматичної установки.
3. Створення стисненого повітря.
4. Компресори.
5. Передавання стисненого повітря.
6. Приготування стисненого повітря.
7. Пневматичні приводи (пневмоприводи).
8. Пневматичні двигуни.
9. Двигуни з маятниковим рухом.
10.Параметри двигунів.
Основи мехатроніки

2.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Пневматика це технічне застосування стисненого, а в деяких випадках розрідженого
повітря. Пневматичні системи керування складаються з системи керування та
силової частини.
В системі керування створюються і перетворюються сигнали для керування.
В силовій частині ці сигнали після підсилення керують за допомогою регулювальних
елементів привідними елементами, які створюють зусилля та переміщення.
Основи мехатроніки

3.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Області застосування пневматики:
• обертові приводи (пневмодвигуни) для вкручування, свердлування,
шліфування;
• лінійні приводи (пневмопідсилювачі, пневмодвигуни) для подавання,
кріплення, переміщування, викидання;
• ударні приводи для долотних робіт, різання, пресування, штампування
та заклепування;
• сопла для обдування деталей і видування стружки;
• в техніці обробки поверхонь (піскоструминні апарати, пульверизатори);
• пневматичні вимірювальні та контрольні прилади в техніці контролю
вимірювань;
• для транспортування сипких матеріалів.
Основи мехатроніки

4.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Властивості пневматики.
Застосування пневматики зумовлюється такими її перевагами:
▪ стиснене повітря можна передавати трубопроводами і зберігати в резервуарах;
▪ рухомі компресори дозволяють застосовувати стиснене повітря в будь-якому місці;
▪ стиснене повітря майже нечутливе до змін температури і може бути використане
в вибухо- та вогненебезпечному середовищі;
▪ швидкості руху поршнів пневмодвигунів досягають значень до 4 м/с;
▪ можливість досягнення високих швидкостей - до 30000 об/хв в пневмодвигунах і
до 450 000 об/хв в малих турбінах;
▪ величини швидкостей і зусиль можуть бути змінені в будь-який момент;
▪ машини і пристрої з пневмоприводом нечутливі до перевантажень і мають
великий пусковий момент;
▪ пневматичні пристрої мають мале співвідношення маси до одиниці потужності, їх
нелегко пошкодити, але легко відремонтувати.
Основи мехатроніки

5.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Недоліки пневматики:
• витрати від витікання повітря збільшують вартість отримуваної енергії;
• шум компресорів та повітря, що випускається, вимагають великих витрат на захист
від шумів;
• масляна пара, яка разом з повітрям виділяється в атмосферу, забруднює
навколишнє середовище робочого місця;
• важко досягнути великих зусиль, бо робочий тиск, як правило, не перевищує 10
бар;
• параметри руху дуже залежать від навантаження;
• важко отримати низькі значення лінійних швидкостей поршнів та кутових
швидкостей двигунів, а також стабілізувати ці параметри.
Будова пневматичної установки. Пневматична установка складається з системи, яка виробляє
стиснене повітря, вузла приготування повітря та пневматичної системи керування.
В системі створення стисненого повітря компресор всмоктує повітря з атмосфери та стискає його.
Повітря, що нагрілося від стискування, охолоджується в радіаторі. Конденсат, який при цьому
утворюється, видаляється через сепаратор. Далі стиснене повітря надходить в резервуар,
звідки через мережу трубопроводів подається до кожної систем керування.
Основи мехатроніки

6.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Основи мехатроніки

7.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Створення стисненого повітря.
Компресори стискають всмоктуване з атмосфери повітря до заданого робочого тиску.
Всмоктувальний фільтр відділює від повітря пил та інші часточки. З точки зору способу
стиснення компресори поділяють на ротаційні напірні і турбінні.
Напірні компресори діють на основі засмоктування повітря в циліндр, який закривають, повітря
в ньому стискують і подають в резервуар для стисненого повітря.
Напірні поршневі одноступінчасті компресори використовуються для робочих тисків до 10 бар
та продуктивності 10 м3/год. Інформація щодо продуктивності компресорів завжди подається
значенням атмосферного тиску.
Для стандартних значень робочих тисків 7....10 бар, при яких працює більшість пневмосистем,
використовуються поршневі двоступінчасті компресори з охолодженням. При охолодженні
між ступенями нагріте в попередньому стисненні повітря охолоджується бажано до
температури всмоктування і тоді подається на другий, більший ступінь стиснення.
Напірні мембранні компресори стискають повітря за допомогою щільної, натягненої мембрани.
Вони особливо придатні для створення стисненого повітря без забруднень оливою,
наприклад, при застосуваннях в харчовій промисловості. Отримуваний робочий тиск – до 10
бар. В принципі, мембранні компресори можуть працювати без обслуги.
Ротаційні компресори працюють дуже тихо і при двоступеневому стисненні з охолодженням
між ступенями створюють робочий тиск до близько 7 бар. Якщо під час стиснення в камери
вводиться олива, то в одноступеневих та в багатокамерних ротаційних гвинтових
компресорах може створюватися тиск до 10 бар.
Основи мехатроніки

8.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Гвинтові компресори складаються з двох
взаємозв’язаних валів, що мають
гвинтовий профіль. При обертанні обидва
профілі взаємно притискаються,
ущільнюються, і при цьому виштовхують
повітря вздовж стінок корпусу від
всмоктувальної до нагнітальної сторони.
Багатокамерні ротаційні компресори
всмоктують повітря через всмоктувальний
фільтр і всмоктувальний клапан. Під час
стиснення до камер компресора
впорскується олива для змащування і
охолодження. Перед передаванням повітря
в мережу олива відокремлюється від
повітря в повітряно-оливному резервуарі
та в оливному сепараторі. Вона знову після
фільтрації і охолодження впорскується в
компресор.
Основи мехатроніки

9.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Компресори з оборотним зубом всмоктують повітря
через вхідний отвір і передають після стиснення
в мережу через вихідний отвір. Обидва ротори
компресора, виготовлені у вигляді т.зв. зуба,
обертаються синхронно, не дотикаючись один до
одного. Всмоктування, стиснення і нагнітання
відбуваються за кожним обертом.
Проточні або турбінні компресори всмоктують і
розганяють атмосферне повітря за допомогою
дисків з пластинами або за допомогою
пропелерів. В приєднаному резервуарі кінетична
енергія потоку повітря перетворюється в
потенціальну енергію стисненого повітря.
Компресори проточної дії (динамічні) поділяються
на осьові та радіальні. Це компресори високої
продуктивності.
Основи мехатроніки

10.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Керування компресорами
Для малих і середніх компресорів застосовується переважно двопозиційне керування шляхом
вимкнення приводу. При досягненні в камері стисненого повітря високого тиску
електродвигун вимикається. Після зниження тиску до встановленого мінімального значення
(тиск 0.2...0.4 бара) привід компресора знову вмикається. Економічно доцільна частота
вмикань – до 20 вмикань за хвилину.
Для компресорів з високою продуктивністю, з огляду на їх пусковий момент, при досягненні
максимального тиску застосовується перемикання на неробочий хід, при якому компресор
працює з нульовою продуктивністю. Для цього закривають всмоктувальний вхід. У випадку
керування із запізненням компресор через певний час перемикається з неробочого ходу на
нетривалу роботу.
Відведення тепла. При стисненні енергія приводу компресора перетворюється не лише в енергію
стисненого повітря, але також і в теплову, і значна кількість тепла відводиться через
міжступеневий і вихідний холодильники (в теплових системах понад 90% цього тепла
використовується для опалення).
Видалення конденсату. В компресорах і холодильниках стан насичення стисненого повітря
водяною парою є перевищеним. Водяний конденсат, який при цьому виділяється, має бути
усунений через випускний пристрій. Але транспортоване далі стиснене повітря все ще
насичене водяною парою, тому прилеглим пристроям загрожує корозія.
Основи мехатроніки

11.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Резервуар стисненого повітря:
• накопичує стиснене повітря і забезпечує підтримання сталого робочого тиску в системах
керування;
• охолоджує стиснене повітря шляхом випромінювання тепла через стінки резервуара;
• забезпечує видалення і усування конденсату при перевищенні рівня насичення водяною
парою (точка роси).
Об’єм резервуару стисненого повітря вибирається в залежності від об’єму і потрібного виду
стисненого повітря. Він має відповідати щонайменше 10% від кількості повітря, яку створює
компресор за хвилину.
Осушувач стисненого повітря. В резервуарі стисненого повітря та в трубопроводах стиснене
повітря насичене до 10% водяною парою. Кожне зниження температури, наприклад, від
випромінювання тепла, викликає випадання конденсату. Водяний конденсат змиває в
устаткуванні оливну плівку, а це призводить до швидшого спрацювання устаткування і
викликає корозію. Тому сучасні пневматичні установки оснащуються осушувачами повітря.
Методи сушіння:
• шляхом охолодження;
• шляхом абсорбції;
• шляхом адсорбції.
В процесі сушіння шляхом охолодження повітря охолоджується за допомогою холодильного
агрегату до тиску точки роси +2°C.
Основи мехатроніки

12.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
В процесі абсорбційного сушіння
стиснене повітря проходить через
шар сушильного засобу. Цей засіб
поглинає (абсорбує) розчинені в
повітрі вологу і оливу. В процесі
адсорбційного сушіння в першій
частині осушувача туман оливи
відфільтровується за допомогою
активованого вугілля. В другій
частині відбувається
відсмоктування (адсорбція) водяної
пари гелевою прокладкою (гель
силікатний, алюмінієвий,
кремнієвий) – в капілярах цього
гелю.
Основи мехатроніки

13.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Схема вироблення стисненого повітря
Основи мехатроніки

14.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Передавання стисненого повітря
Стиснене повітря подається з резервуара до споживачів через мережу трубопроводів. Для цього
використовуються безшовні сталеві труби, мідні або з ПВХ. Спад тиску в трубах при
звичайному експлуатаційному робочому тискові не повинен перевищувати 0.1 бар.
Діаметр магістрального трубопроводу можна визначити за допомогою номограми:
Основи мехатроніки

15.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Приготування стисненого
повітря. Часточки іржі,
які транспортуються
трубопроводом, можуть
викликати збої в роботі
устаткування, тому їх
потрібно відфільтрувати.
Крім того, магістральний
тиск має бути знижений
до рівня робочого тиску
даного споживача. Також,
при необхідності
змащування деталей
системи, стиснене повітря
потрібно наситити
оливним туманом.
Основи мехатроніки

16.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
В повітряному фільтрі повітря, що втягується, завихрюється. Більші забруднення, наприклад,
частинки іржі, краплини води або оливи під впливом відцентрової сили відкидаються на
стінки резервуару та на роздільну пластину і можуть бути видалені через випускний вентиль
в нижній частині резервуару.
Редукційний клапан призначений для забезпечення споживача стисненим повітрям постійного
тиску. Редукційна дія отримується завдяки мембрані, на яку з одного боку діє робочий тиск, з
другого – зусилля пружини, яке регулюється гвинтовим упором.
Основи мехатроніки

17.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Пневматичні приводи
Поршневі двигуни бувають осьові і
радіальні.
Осьові поршневі двигуни мають чотири або
п’ять циліндрів, які встановлені паралельно до
привідного вала двигуна. Лінійні рухи
поршнів перетворюються в обертовий рух за
допомогою похилого щита. Напрямок
обертання можна змінювати. Керувальний
клапан підводить повітря завжди до двох
циліндрів, завдяки чому отримується
рівномірний привідний момент, потрібний для
отримання плавного руху та постійної
швидкості обертання. Швидкість обертання
досягає 6000 об/хв. Нижчі швидкості
отримуються завдяки використанню
планетарної коробки швидкостей –
ступінчасте зниження, або шляхом зменшення
споживаного повітря – безступінчасте
зниження.
Основи мехатроніки

18.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Радіальні поршневі двигуни мають
від чотирьох до шести циліндрів, які
розташовані зіркою і поршні яких
приводять в рух колінчастий вал через
шатуни. Вентиль керування обертається
разом з колінчастим валом і розподіляє
повітря до циліндрів в такій
послідовності, що робочий рух
виконують завжди два поршні.
Радіальні двигуни розвивають нижчі
швидкості, ніж осьові, але
забезпечують більші потужності
(приблизно до 10 кВт). Проте їх робота
супроводжується великим шумом, тому
області їх застосування звужуються.
Основи мехатроніки

19.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Пластинчасті двигуни використовуються для приводів інструментів для
свердлування, нарізування різей, шліфування, вкручування. В автоматичних
свердлувальних та різенарізувальних комплексах вони забезпечують обертовий
рух, тоді як лінійні рухи реалізовуються за допомогою пневмогідравлічних систем
поступального руху.
Основи мехатроніки

20.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
В пневматичному гайковому ключі з пластинчастим двигуном двигун
керується за допомогою роздільного клапана 2/2. Для зменшення
швидкості обертання служить планетарна передача. Муфта максимального
моменту обмежує привідний момент. Для кріплення інструменту служить
зубчаста муфта.
Основи мехатроніки

21.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Механічна характеристика нерегульованого
пневматичного двигуна є приблизно
лінійною. При швидкості обертання
неробочого ходу nL потужність є нульовою,
а споживання повітря – максимальним.
Пусковий момент, з урахуванням можливих
змін умов ущільнення та змащування,
лежить між Mmin i Mmax. Зміна моменту
викликає пропорційну зміну швидкості
обертання.
Чим крутішою є характеристика моменту, тим
менше змінюється швидкість при змінах
навантаження. Крутизну можна збільшити,
приєднавши до двигуна редукторну
передачу, наприклад, з передатним числом
9:1.
Для отримання крутої характеристики з малими
змінами швидкості на високих швидкостях
на двигуни ставлять регулятори кутової
швидкості.
Основи мехатроніки

22.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
У випадку комбінованого регулятора повітря, яке витікає
з регулятора, скеровується до двигуна. Частина
повітря впливає через звуження на лівий бік поршня
керувального вентиля і утримує його в показаному на
рисунку положенні, зрівноважуючи силу пружини.
Щілина, через яку проходить повітря, відкрита. Коли
швидкість обертання досягає критичного значення,
вантажі відцентрового регулятора переміщуються
назовні, утворюючи всередині щілину, через яку ліва
сторона поршня керувального вентиля може бути
з’єднана з атмосферою. Повзунок вентиля
пересувається вліво, від чого зменшується або
перекривається доплив повітря з магістралі. Після
досягнення потрібної швидкості обертання
керувальний вентиль повертається до попередньо
описаного стану.
У випадку двигуна з регулятором швидкість обертання
на неробочому ході є близькою до швидкості
обертання при максимальній потужності.
Характеристика привідного моменту є дуже крутою,
дозволяючи навантаженню змінюватися в широких
межах при малих змінах швидкості обертання.
Основи мехатроніки

23.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Двигуни з маятниковим рухом, або обертові
пневмодвигуни мають обмежений кут повороту.
Вони можуть використовуватися для
відкривання та закривання клапанів, для
приводів обертових вентилів, пристроїв
відхилення та повороту. Обертовий момент
можна збільшити вдвоє, якщо застосувати два
паралельні поршні, які працюють на одне
зубчасте колесо.
Розрізняють пневмодвигуни односторонньої та
двосторонньої дії.
Двигуни односторонньої дії – в мембранних
двигунах стиснене повітря деформує мембрану.
Тому що в цих рушіях стиснене повітря діє тільки
на один бік поршня чи мембрани, то виконувати
роботу вони можуть при русі лише в одному
напрямку. Вони використовуються для
кріплення, подавання, викидання та пресування.
Основи мехатроніки

24.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Якщо до поршневого двигуна ввести повітря з боку задньої накривки, то
шток висунеться. Зворотний рух поршня може бути викликаний
внутрішньою силою або зворотною пружиною. Довжина самої зворотної
пружини обмежує крок приблизно до 100 мм.
Основи мехатроніки

25.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Двигуни двосторонньої дії. В двигуні
двосторонньої дії стисненим повітрям
живляться по черзі камери по обидва
боки поршня. Завдяки цьому двигун
може виконувати робочі рухи в двох
напрямках.
Двигуни з двостороннім штоком,
завдяки двосторонньому натискові на
шток, можуть витримувати більші
поперечні зусилля.
Основи мехатроніки

26.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Спеціальні двигуни
Багатопозиційний двигун
Двокамерні двигуни
В ударному двигуні тиск у
вхідній камері
спричинює відкривання
гнізда, після чого
стиснене повітря вдаряє
на цілу поверхню
поршня.
В безштоковому двигуні
циліндр на всій довжині
кроку має щілину.
Стрічковий двигун
Двигун, пристосований до
безконтактних давачів
(сенсорів) крайніх
положень
Основи мехатроніки

27.

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Параметри двигунів
Характеристиками двигуна є його конструкція,
спосіб кріплення, елементи кріплення, розміри
(діаметр і хід) а також об’єм споживаного
повітря. Вибір типу двигуна та його
конструктивного виконання залежать від
способу та місця його застосування.
Вид кріплення двигунів залежить від функцій
та можливостей монтажу в установці або
машині. Двигун може бути виготовлений на
один або кілька варіантів кріплення.
Розрізняють жорстке кріплення, наприклад,
фланцеве, на лапах, болтове, а також
нежорстке, наприклад, нежорстке заднє
кріплення (фланець з вухом), нежорстке
переднє кріплення (чоповий шарнір),
нежорстке кріплення з чоповим шарніром
посередині.
Основи мехатроніки

28. Лекцію завершено. Дякую за увагу !

Національний університет “Львівська політехніка”
Кафедра “Електричні машини та апарати”
Лекцію завершено.
Дякую за увагу !
Які будуть запитання ?
Тема наступної лекції:
Пневматичні вентилі
Основи мехатроніки