1.1. Пневматичні приводи і їх основні елементи

Пневматичні приводи отримали широке розповсюдження в різноманітних галузях промисловості і сільського господарства: у верстатному будівництві, транспортному машинобудуванні, ливарному і ковальському виробництві, поліграфічному машинобудуванні, будівництві і автомобілебудуванні, літакобудуванні, в ракетобудуванні, в шкіряній і харчовій промисловості. Що стосується машинобудування: вони використовуються в якості приводів затискувальних і транспортних механізмів з метою дистанційного керування і регулювання, в системах гальмування і автоматизації, в якості контрольно-вимірювальних приладів.

Широке застосування пневматичних приводів пояснюється їх надійністю, а також пожежо- і вибухобезпечністю. Хоча пневматичні приводи поступаються електричним за швидкодією, однак для більшості систем автоматизації виробничих процесів швидкість їх спрацьовування виявляється цілком достатньою. Великі перспективи у відношенні підвищення швидкодії має струминна техніка - «пневмоніка». У порівнянні з гідравлічними пневматичні приводи мають більші швидкості спрацьовування і більш прості конструкції. У пневматичних приводів значно коротші лінії повернення; до них предявляють менші вимоги у відношенні герметичності. Внаслідок особливостей фізичних властивостей повітря робота пневматичної системи меншою мірою залежить від коливань температури, ніж у гідравлічних систем

До недоліків пневматичних приводів відносяться більші їх габарити у порівнянні із гідравлічними, а при рівних габаритах – менші зусилля, що розвиваються. Це пояснюється високим тиском масла у порівнянні із тиском стисненого повітря. Внаслідок стисненості повітря пневматичні силові системи не завжди забезпечують необхідну плавність ходу і не можуть бути використаними в тих випадках, коли вимагається точно здійснити заданий закон руху. Неминучі витоки повітря із системи значно знижують її ККД. Не дивлячись на названі недоліки пневматичні приводи можуть з успіхом застосовуватись в тих випадках, коли недоліки не мають істотного значення або коли можуть бути частково або повністю усунені.

В більшості пристроїв тиск стисненого повітря коливається від 3 до 6МПа і вище.

Основним елементом пневматичного привода є пневматичний пристрій - пристрій, в якому використовуються фізичні властивості стисненого повітря як енергоносія. Вказані властивості повітря можуть проявлятись у вигляді тиску на поверхню механічного елемента (поршень, мембрану) або у вигляді аеродинамічного ефекту в струминних елементах.

Звичайно в пневматичних пристроях є механічні частини, які переміщуються в процесі роботи: поршні, клапани, мембрани, сильфони. В деяких пристроях механічні рухомі частини відсутні, наприклад, в струминних елементах різноманітних типів. Є також пневматичні пристрої, які містять рухомі механічні частини, що настроюються до початку робочого циклу і залишаються нерухомими під час роботи. До них можна віднести, наприклад, регульовані дроселі різноманітних типів.

Пневматичний привод являє собою сукупність взаємозвязаних пневматичних пристроїв, що забезпечують заданий рух робочих органів машини-автомата. Дані пневматичні пристрої за своїм функціональним призначенням діляться на виконавчі, розподільні і керуючі. Виконавчі пристрої (пневмодвигуни) призначені для перетворення енергії стисненого повітря в механічну енергію руху робочих органів машини, що виконують задану технологічну операцію. Розподільні пристрої (пневморозподільники) призначені для направлення потоків стисненого повітря з магістралі в робочі циліндри виконавчих пристроїв і з робочих циліндрів в атмосферу. Керуючі пристрої (аппаратура контролю, регулювання і керування) призначені для забезпечення заданої послідовності переміщення робочих органів машини у відповідності із законом їх руху, що вимагається. Таке ділення пристроїв має умовний характер, оскільки в деяких випадках розподільні або виконавчі пристрої можуть виконувати і функції керування. Приводи включають також апаратуру системи підготовки повітря, систему трубопроводів (пневмолінії), різноманітні допоміжні пристрої: індикатори, глушники шумів, захисні і запобіжні клапани і інші.

В залежності від виду енергії повітря, що використовується розрізняють пневматичні пристрої динамічного і обємного типу: динамічні перетворюють кінетичну енергію потоку, обємні – потенційну енергію тиску повітря.

В пневматичній системі з автоматичним керуванням двома пневмоциліндрами (рис. 1.1) пневмоциліндри 1 і 6 виконують такий замкнений цикл рухів: хід вперед поршня пневмоциліндра 1 – хід вперед поршня пневмоциліндра 6 – хід назад поршня пневмоциліндра 1 – хід назад поршня пневмоциліндра 6. В схемі використані двопозиційні розподільники 2 і 7 з двостороннім пневмокеруванням. Контроль виконання рухів, що вимагаються за циклом і керування розподільниками здійснюється за допомогою кінцевих вимикачів 3, 5, 8 і 9. Стиснене повітря від джерела живлення 10 через фільтр – вологовідокремлювач 11, редукційний клапан 12 і маслорозпилювач 13 надходить на входи пневморозподільників і вимикачів. Тиск повітря контролюється манометром 14.

На схемі поршні пневмоциліндрів показані у вихідному положенні. Кулачки, установлені на їх штоках, впливають на вимикачі 3 і 8, на виходах яких утворюються командні сигнали. Вимикач 3 подає сигнал в праву порожнину керування розподільника 7, утримуючи його в переключеному ліворуч положені. Сигнал від кінцевого вимикача 8 перерваний пневмотумблером 4. При короткочасному вмиканні пневмотумблера даний сигнал перемикає розподільник 2 праворуч. Перемикання можливе, оскільки інша (права) порожнина керування розподільника звязана при цьому з атмосферою через вимикач 9. Наступне вмикання пневмотумблера знову перериває подачу командного сигналу, але розподільник залишається в переключеному положенні, механічно його “запамятовуючи”, і поршень пневмоциліндра 1 починає рух праворуч. На початку цього руху права порожнина керування розподільника 7 сполучається через вимикач 3 з атмосферою. Вимикач 5, що контролює спрацьовування пневмоциліндра 1, подає сигнал на перемикання розподільника 7 праворуч тільки наприкінці ходу поршня пневмоциліндра 1. Цим блокується подача наступної за циклом команди до виконання попередньої команди. В кінці ходу праворуч поршня пневмоциліндра 6 кінцевий вимикач 9 перемикає розподільник 2 ліворуч, що викликає зворотний хід пневмоциліндра 1. Після цього вимикач 3 вмикає останній рух циклу – зворотний хід пневмоциліндра 6. Після його виконання кінцевий вимикач 8 подає команду на перемикання розподільника 2 і початок нового циклу, але при вимкненому пневмотумблері 4 команда переривається і система зупиняється у вихідному положенні.

Якщо під час пуску пневмотумблер залишити включеним, пневмосистема буде відпрацьовувати цикл за циклом, зберігаючи задану послідовність роботи пневмоциліндрів. Виключити пневмотумблер можна в будь-який момент роботи системи, що призведе до її автоматичної зупинки у вихідному положенні після виконання всіх операцій поточного циклу.

Виконавчий пристрій є основним елементом в структурі пневматичних приводів. Від його типу, конструктивних розмірів і потрібних динамічних характеристик залежать вибір схеми керування, типаж апаратури контролю, регулювання і керування, розміри прохідних перерізів пневмоліній і пневмоапаратів. Виконавчі пристрої можна розділити на: поршневі і плунжерні (пневмоциліндри); з пружніми елементами: мембраною, шлангом, сильфоном; поворотні пневмодвигуни з обмеженим кутом повороту; роторні пристрої (пневмомотори). Пристрої перших двох типів здійснюють зворотно-поступальний рух, третього і четвертого – обертальний. Найбільше розповсюдження отримали поршневі пристрої.

Пневматичні пристрої бувають двосторонніми, в яких стиснене повітря подається в обидві порожнини і односторонніми, в яких робочою є тільки одна порожнина. Останні застосовують звичайно для переміщення робочих органів машин на невеликі відстані. Повернення у вихідне положення може здійснюватись також за рахунок зовнішніх по відношенню до пристрою сил (пружності, тяжіння). Останні пристрої використовують і при великій довжині ходу (підйомники). Крім цього, пристрої зі зворотно-поступальним рухом вихідної ланки класифікуються на двопозиційні і багатопозиційні, одноступінчасті і телескопічні. Поворотні пневмодвигуни можуть бути шиберними, поршневими або мембранними. Найбільш розпосюдженими пневмомоторами є шестеренні, поршневі і шиберні.

Розподільні пристрої пневмосистем можуть мати ручне, механічне, електричне, гідравлічне або пневматичне керування. В системах з силовими пневматичними виконавчими пристроями доцільно застосовувати пневматичне керування.

Крім функції розподілення повітря в пневматичних приводах, розподільники виконують також функції керування виконавчими пристроями. Розподільним органом може бути циліндричний або плоский золотник, клапан, кран і т.д. Відміна між окремими видами розподільників полягає в кількості зовнішніх сполучних каналів, в числі позицій розподільного органу, а також в способі перемикання. В деяких випадках розподільник обєднується в однієї конструкції з виконавчим пристроєм.

Керуючі пристрої повинні забезпечити перемикання розподільників у відповідності із заданими умовами роботи. Методи задання умов роботи привода можуть бути досить різноманітними. Найчастіше вони записуються у вигляді діаграми, яка представляє собою визначену послідовність переміщень робочих органів виконавчих пристроїв або, точніше, послідовність зміни станів виконавчих пристроїв.

Керування робочими органами може здійснюватись електричними, гідравлічними і пневматичними пристроями. Найбільш розповсюдженими для машинобудівних дискретних процесів в теперішній час є розподільники і пристрої керування, побудовані на базі універсальної системи елементів промислової пневмоавтоматики УСЕППА (мембранні реле, клапани з літаючою мембраною). Останнім часом в машинобудуванні широко використовуються струминні елементи.

В подальшому ми будемо називати системою керування сукупність керуючих пристроїв, що виконують логічні функції для здійснення заданої послідовності рухів виконавчих пристроїв. Таким чином, структурний синтез пневмоприводів машин-автоматів зводиться до структурного синтезу системи керування виконавчими і розподільними пристроями.

До керучих пристроїв відносяться також датчики стану, за допомогою яких в систему керування вводиться інформація про стан виконавчих пристроїв і зовнішнього середовища (наявність або відсутність оброблюваних деталей, справність інструмента, перехід на автоматичний або налагоджувальний режим і т.д.). Датчиками стану можуть бути кінцеві перемикачі (наприклад, триходові розподільники, пневматичні кнопки). Сигнали, що надходять на вхід датчика: механічні (від кулачка на штоці - на важіль кінцевого перемикача в кінці робочого ходу), електричні (від реле часу), - повинні перетворюватись в пневматичні сигнали на виході

До керуючих пристроїв відносяться і задатчики закону руху робочих органів виконавчого пристрою. В якості прикладу задатчика можна навести дросель, що установлюється в лінії підведення або вихлопу, за допомогою якого регулюється час переміщення поршня з одного крайнього положення в інше. Звичайно задатчик закону руху розташовується в одному корпусі зі зворотним клапаном, який вільно перепускає повітря лише в одному напрямку. В залежності від установки зворотного клапана розрізняють два способи керування швидкістю поршня виконавчого пристрою – дроселюванням на вході і дроселюванням на виході.

До пристроїв керування відносяться також пристрої для витримки часу (пневматичні реле), що застосовуються в тих випадках, коли сигнал на вхід певного пристрою необхідно подати через деякий проміжок часу.

За характером автоматичного керування пневмоприводи машин-автоматів розділяються на групи: приводи, керування якими здійснюється в функції часу (приводи з часовим керуванням); приводи, керування якими здійснюється в функції переміщення робочого органу (з шляховим керуванням); приводи з керуванням в функції тиску стисненого повітря.

В приводах з часовим керуванням керуючий пристрій являє собою командоапарат, що посилає сигнали на вхід розподільника через визначені проміжки часу. Даний пристрій звичайно містить вал із закріпленими на ньому регульованими кулачками. При обертанні вала з постійною швидкістю кулачки натискають на відповідні перемикачі, які подають сигнали розподільникам, що керують роботою виконавчих пристроїв у відповідності із заданою діаграмою послідовної дії. Інтервали часу між сигналами визначаються профілем кулачків. Перевагою подібних пристроїв керування є простота, недоліком – відсутність контролю виконання попередніх операцій, що викликає збільшення часу циклу і створює небезпеку порушення роботи автомата або навіть його аварії.

При шляховому керуванні перехід системи до кожного такту здійснюється після подачі сигналу про виконання операції попереднього такту. В цьому випадку можливі два види керування: централізоване – за допомогою крокового командоапарата з електричним або пневматичним приводом і децентралізоване – за допомогою певним чином спроектованої системи взаємозвязаних пневматичних пристроїв (системи керування). Як і при часовому керуванні, основною перевагою командоапаратів даних видів є простота застосування їх в готовому вигляді для потрібного циклу (без попереднього проектування). Недоліком їх є структурна складність, яка обумовлює порівняно високу вартість. Найбільш розповсюдженим в промисловості в наш час є децентралізоване шляхове керування пневмоприводами машин - автоматів.

При керуванні по тиску використовуються клапани послідовної дії, які спрацьовують після того, як тиск повітря в порожнині виконавчого пристрою досягає певного значення. Даний вид керування застосовується в тих випадках, коли неможливі два попередні види. Наприклад, в затискувальних пристроях, у яких величина робочого ходу значно змінюється внаслідок великого діапазону видхилень в розмірах деталей, що затискаються.

Аналізуючи пневматичні приводи (див. рис. 1.1), бачимо, що вони складаються з окремих пневматичних пристроїв, зєднаних між собою трубопроводами, причому всі вони працюють у визначеній послідовності. Для визначення часу робочого циклу усього привода, необхідно визначити час спрацьовування кожного пристрою окремо, а також час передачі сигналів у вигляді тиску стисненого повітря в процесі плину його по трубопроводах. Крім цього, час спрацьовування виконавчих і розподільних пристроїв включає тривалість передачі сигнала на їх входи від пристрою керування. Аналогічно можна розрахувати і час спрацьовування керуючих пристроїв. Таким чином, визначення часу робочого циклу пневмопривода зводиться до динамічного аналізу пристроїв, що входять до його складу.