Подготовка сжатого воздуха

Рабочей средой пневматических приводов является сжатый воз­дух. Как отмечалось выше, воздух отличается высокой сжимаемостью, что вносит в работу пневматических приводов свои особенности. И первая из них – это необходимость подготовки сжатого воздуха. Обычно в машиностроительных пневматических приводах давление рабочей среды (сжатого воздуха) не превышает 1 МПа. Сжатие возду­ха до значительно больших давлений требует немалых энергетических затрат и снижает коэффициент полезного действия пневматических систем. Для получения сжатого воздуха применяют специальные машины, называемыми компрессорами (от латинского слова компрессия – сжа­тие). Различают компрессоры поршневые, пластинчатые, мембранные, винтовые, турбинные. По принципу действия они аналогичны соответ­ствующим насосам. Наиболее широко применяют поршневые и пластинчатые комп­рессоры. Поршневые компрессоры могут быть одноступенчатого и многоступенчатого действия, когда воздух проходит несколько сту­пень сжатия. С помощью таких компрессоров можно получать сжатый воздух давлением более 10 МПа.

Принцип действия поршневого компрессора соответствует работе поршневого насоса кулачкового эксцентрикового типа и показан на рис.2.54а. При движении поршня 1 вправо в левой полости цилиндра создается разрежение. При этом клапан 3 закрыт, а клапан 2 открыва­ется и пропускает воздух из всасывающего патрубка А в цилиндр. При обратном движении поршня 1 начинается сжатие воздуха. Клапан 2 закрывается, а клапан3 открывается и пропускает воздух в пневмосистему по каналу Б.

Часто компрессоры поршневого типа могут быть двойного дейст­вия, когда для получения сжатого воздуха используются обе полости цилиндра, как это показано на рис.2.54б. При движении поршня 1 вправо в левой полости цилиндра происходит такт всасывания воздуха через клапан 2, а в правой – сжатия с выпуском воздуха через клапан нагнетания 4. При движении поршня влево в левой полости осуществ­ляется сжатие воздуха и выпуск его через клапан нагнетания 3, а в пра­вой полости – всасывание воздуха через клапан 5. Таким образом, при работе компрессора по этой схеме за один рабочий ход происходят два такта нагнетания и всасывания.

Для получения больших давлений сжатого воздуха (более 1 МПа) могут использоваться компрессоры многоступенчатого действия. На рис.2.54в представлен поршневой компрессор двухступенчатого дейст­вия. В левом цилиндре происходит предварительное сжатие воздуха, который вытесняется на вход первого цилиндра. При ходе поршня 1 вниз сжатый на первой ступени воздух проходит в полость цилиндра через всасывающий клапан 3, при обратном движении осуществляется дополнительное (вторичное) сжатие воздуха и его выпуск в пневмосистему через нагнетательный клапан 2.

Рис.2.54. Компрессоры: а - принцип действия поршневого компрессора одинарного действия; 6 - принцип действия поршневого компрессора двойного действия; в - поршневой двухступенчатый компрессор; г–пластинчатый компрессор

Поршневые компрессоры обычно обеспечивают подачу сжатого воздуха до 20000 м³/час. Для больших подач сжатого воздуха приме­няют другие типы компрессоров, в том числе и пластинчатые (рис.2.54г). Принцип его действия аналогичен работе пластинчатого насоса: при вращении ротора 1 по часовой стрелке всасываемый по каналу А воздух заполняет увеличивающийся объем между пластинами 2, ротором 1, статором 3 и торцевыми крышками и переносится на выход Á, пройдя такт сжатия при уменьшении указанного объема в правой половине статора 3.

При работе компрессоров происходит значительный нагрев сжа­того воздуха (до 100°С) и возникают колебания давления, особенно при работе поршневого компрессора, широко используемого в маши­ностроительных пневмоприводах. В таком виде сжатый воздух пода­вать к исполнительным органам пневмосистем нельзя. Поэтому перед подачей сжатого воздуха к пользователю необходимо его подгото­вить, что означает погасить колебания давления, понизить температу­ру, осушить его, профильтровать. Для этой цели применяются узлы (блоки) подготовки сжатого воздуха, включающие в себя ряд устройств, обеспечивающих выполнение указанных требований. На рис.2.55 пока­зана одна из возможных схем узла подготовки воздуха. Воздух поступа­ет в компрессор 3 из воздухозаборника 1, через фильтр 2. (Воздухозаборник рекомендуется устанавливать в местах, где нет источников заг­рязнения воздуха). Пройдя процесс сжатия в компрессоре, воздух пос­тупает в теплообменник (холодильник) 4, где охлаждается до темпера­туры окружающей среды. Из холодильника он идет во влагоотделитель 5, в котором осуществляется сушка воздуха (удаление воды, выделившейся при охлаждении сжатого воздуха), а далее в воздухос­борник 6, называемый ресивером. Он служит для создания запаса сжа­того воздуха и сглаживания пульсаций давления, создаваемых при ра­боте компрессора. К ресиверу 6 подключается предохранительный клапан 7, ограничивающий величину давления сжатого воздуха в ресивере, электроконтактный манометр 8, автоматически отключающий работу компрессора при достижении необходимого давления и вклю­чающий компрессор, если давление упадет ниже допустимого уровня. При включении распределителя 11 сжатый воздух начинает поступать из ресивера 6 к потребителю.

Рис.2.55. Схема узла подготовки сжатого воздуха

Поскольку сжатый воздух имеет очень низкую смазывающую спо­собность, то в ответственных приводах с целью предотвращения воз­можного заклинивания подвижных элементов пневматических уст­ройств на пути сжатого воздуха из ресивера устанавливают маслораспылитель 9. В неответственных пневмоприводах он обычно не уста­навливается. Но обязательно в пневмопроводе сжатого воздуха уста­навливается редукционный клапан 12, который обеспечивает подачу к потребителю сжатого воздуха при постоянном давлении, понижен­ном по сравнению с давлением в ресивере. Манометр 10 служит для контроля настройки необходимого давления в пневмосети. При на­хождении сжатого воздуха в ресивере происходит осаждение на его дно влаги и загрязнений, которые можно удалить в емкость 14, открыв вентиль 13.

Рассмотрим некоторые устройства, входящие в узел подготовки воздуха.

Схема теплообменника показана на рис.2.56. Разогретый влаж­ный сжатый воздух из компрессора поступает внутрь теплообменни­ка 1, где охлаждается до требуемой температуры. При этом из него вы­деляется влага, собирающаяся на дне холодильника, которая периоди­чески удаляется из него через вентиль (или пробку) 2. Теплообменник

Рис.2.56. Принципиальная схема теплообменника

обеспечивает удаление 70–80% влаги. Поэтому дополнительно исполь­зуют влагоотделители, позволяющие еще больше осушить воздух. На рис.2.57а показан влагоотделитель объемного типа, принцип действия которого основан на расширении объема воздуха. Войдя по каналу А в крышке 1, сжатый воздух попадает внутрь корпуса 2, где он расширя­ется и выделяет влагу, которая осаждается на стенах корпуса и стекает в колпак 5, откуда может быть удалена через вентиль 6. Уровень воды в колпаке контролируется визуально через линзу 4. Пройдя фильтрую­щий элемент 3, на котором задерживаются частицы загрязнений, воз­дух выходит в канал Б.

Во влагоотделителе инерционного типа (рис.2.57б) вошедший по каналу А в крышке 1 поток сжатого воздуха закручивается крыльчат­кой 6. Под действием инерционных сил частицы влаги и возможных загрязнений осаждаются на стенах прозрачного корпуса 2 и стекают вниз к вентилю 4, через который периодически удаляются наружу. От­ражатель 5 предотвращает захват влаги со дна аппарата проходящим через фильтр 3 в канал Б воздухом.

Рис.2.57. Влагоотделители: а - объемного типа; б - инерционного типа; в - условное обозначение

Рис.2.58. Ресивер

Осушенный в холодильнике и влагоотделителе воздух посту­пает в ресивер (рис.2.58), в кото­ром он накапливается перед ухо­дом к потребителю. Благодаря большому объему (более 25–40 рабочих объемов компрессора) он обеспечивает демпфирова­ние пульсаций давления при ра­боте компрессора, питание сразу нескольких потребителей сжато­го воздуха, а также способствует очистке и сушке воздуха, благо­даря сбору отстоя влаги (конден­сата) и осаждающихся с течением времени частиц загрязнений.

Ресивер представляет собой резервуар обычно вертикального типа. Рекомендуется входную трубу устанавливать в нижней его части, а выходную – в верх­ней, что обеспечивает дополнительную очистку воздуха. На пути вхо­дящего воздуха ставят перегородки 4, которые обеспечивают разбие­ние струи воздуха и резкое изменение направления его движения, что тоже способствует очистке воздуха от частиц загрязнений, масла и вла­ги. Отвод конденсата из днища ресивера осуществляется через вен­тиль 5. Для предохранения ресивера от чрезмерного давления на нем устанавливается предохранительный клапан 1, а к штуцеру 3 подсоеди­няется электроконтактный манометр, управляющий включением и выключением двигателей компрессора. Штуцер 2 предназначен для подключения регулирующей аппаратуры.

Предохранительный клапан (рис.2.59), предназначенный для ог­раничения наибольшего давления, работает следующим образом. По­даваемый в канал А сжатый воздух давит на затвор 1 и создает силу, противодействующую силе пружины 2. Когда давление вырастет до такой величины, что создаваемая им сила преодолеет силу пружины, зат­вор поднимется вверх и откроет выход сжатого воздуха по каналу Б, произведя выхлоп воздуха в атмосферу. Настройка ограничиваемого давления осуществляется путем изменения предварительного натяга пружины 2 регулировочным винтом 3.

Рис.2.59. Пневматический предохранительный клапан давления: а – устройство; б – условное обозначение

Рис.2.60. Пневматический редукционный клапан давления

Редукционный пневматический клапан давления (рис.2.60) пред­назначен для понижения давления сжатого воздуха и поддержания его постоянным на выходе аппарата. В его корпусе 7 установлены вход­ной 10 и выходной 5 штуцеры, по которым подается сжатый воздух при давлении P₀ и отводится при пониженном давлении P. При от­сутствии сжатого воздуха сила пружины 11 преодолевает силу пружины 6 и смещает затвор 4 вниз, создавая зазор между тор­цом втулки 9 и конической повер­хностью затвора 4. При подаче сжатого воздуха в канал А он про­ходит фильтрующий элемент в виде сетки 8, указанную щель и попадает в полость под поршнем 3, воздействуя на него и уменьшая размер щели. Из этой полости воздух идет на выход Б. При дав­лении Р создается равенство сил, действующих на поршень 3 сверху со стороны пружины 11 и снизу со стороны пружины 6 и давления сжатого воздуха Р. Поэтому будет справедливо следующее равенство: PS_кл +G_пр6 — G_пр11 = 0, где S_кл - площадь поршня 3, G_пр6, G_пр11 сила соответственно пружины 6 и 11. Отсюда нетрудно получить, что Р = G_пр11/S_кл — G_пр6 /S_кл , те. давле­ние на выходе аппарата Р зависит от настройки пружины 11 регулиро­вочным винтом 1, установленным в крышке 2, но не зависит от нагруз­ки на выходе аппарата. Любое изменение условий работы вызовет на­рушение равновесия сил на поршне 3, что приведет к изменению зазора (щели) и восстановлению равенства. Так, например, если по каким-ли­бо причинам начнет расти нагрузка на выходе аппарата, то увеличива­ющееся в связи с этим давление Р вызовет смещение поршня 3 вверх, уменьшение щели и увеличения дросселирования воздуха, что в свою очередь понизит давление Р и восстановит прежнее равенство сил. Та­ким образом, понижение выходного давления Р по сравнению с вход­ным P₀ происходит за счет преодоления сопротивления щели, а под­держание его постоянным путем управления его сопротивлением в со­ответствии с тенденцией изменения выходного давления: рост давле­ния Р ведет к увеличению сопротивления (размер щели уменьшается), падение давления Р – к уменьшению сопротивления (размер щели уве­личивается).

Для улучшения смазывающей способности сжатого воздуха и свя­занного с этим повышения надежности и долговечности пневматичес­кого оборудования проводят добавление в поток сжатого воздуха не­большого количества минерального масла, которое осуществляется маслораспылителями (рис.2.61). Маслораспылитель фитильного типа представляет собой стакан 2 с минеральным маслом, закрытый крыш­кой 1, в которой выполнены входной А и выходной Б каналы, а также закреплен фитиль 3, одним концом находящийся в масле, а другим - в канале с потоком воздуха. За счет капиллярных сил масло поднимается вверх и уносится потоком воздуха в пневмосистему. Несколько слож­нее, но более эффективнее устроен маслораспылитель эжекторного типа. Войдя в канал А одна часть потока идет по каналу К внутрь ста­кана 2, создавая над уровнем масла избыточное давление, что способс­твует вытеснению жидкости в трубку 4. Другая часть потока проходит сопло Ñ и идет на выход Б. При прохождении сопла увеличивается ско­рость движения масла, что создает в полости под колпачком 5 разреже­ние. Благодаря этому из трубки 6, соединенной с трубкой 4, поступает масло, которое, попадая в сопло, распыляется и уносится потоком воз­духа в пневмосистему. Таким образом масло попадает в зазоры пнев­матических устройств, смазывая их и уменьшая силы трения подвиж­ных элементов.

Рис.2.61. Маслораспылители: а – фитильного типа;  б – эжекторного типа;  в – условное обозначение

Для надежной и управляемой работы пневматических приводов необходимы не только узлы подготовки сжатого воздуха, но и другие устройства, обеспечивающие регулируемость и управляемость пневмосистем. .