Материал: Гидропневмопривод специальных технических систем. Учебное пособие. Бородкин В.В., Болдырев А.И

Преимуществами винтовых машин являются малая неравномерность подачи, отсутствие пульсаций давления в запертых объемах и, следовательно, бесшумность работы. Это объясняется тем, что несмотря на дискретный характер переноса жидкости, благодаря разделению камер линиями контакта, а не протяженными щелями, вытеснение жидкости в область давления р₂ производится непрерывно. Перечисленные преимущества, малые утечки и компактность, делают винтовые насосы с циклоидальным зацеплением, предпочтительными для случаев применения, когда нерегулируемость, а равномерность и бесшумность подачи является решающим условием выбора.

3.7. Компрессоры.

В пневматических приводах и системах управления используют свойства сжатого газа (воздуха) для совершения заданной машине (станку) работы.

В пневматических сетях в машиностроении применяют сжатый воздух с давлением до 1 МПа. Для выработки сжатого воздуха применяют компрессоры различных типов. Практика эксплуатации компрессоров показала, что для машиностроительных производств, в том числе и станкостроительных, с потребностью в сжатом воздухе до 15000 - 20000 м^з/ч и давлением до 0,7 МПа рациональным является применение поршневых компрессоров. На рис. 3.16 представлена схема работы поршневого компрессора, где показан цикл, при котором линия сжатия располагается над линией расширения.

Рис. 3.16. Рабочий цикл поршневого компрессора

При работе компрессора расходуется энергия, вызывающая сжатие воздуха и его нагревание. Рассматривая сжатие воздуха в компрессоре как политропный процесс, можно записать зависимость температуры и давления в конце цикла сжатия

. (3.14)

Возрастающую конечную температуру сжатого воздуха снижают применением охлаждения при постоянном давлении, используя зависимость

. (3.15)

При движении поршня из крайнего правого положения влево в правой полости цилиндра создается разрежение с давлением и при этом через клапан 2 из атмосферы в правую полость засасывается воздух. Одновременно в левой полости цилиндра воздух сжимается до давления и в конце сжатия через клапан 4 он поступает в нагнетательный трубопровод к потребителю. При обратном движении поршня в левой полости цилиндра создается разрежение с давлением , вследствие чего закрывается клапан 4 и открывается клапан 1, через который засасывается воздух. Одновременно в правой полости цилиндра воздух сжимается, и при достижении давления закрывается клапан 2 и открывается клапан 3. Сжатый воздух из правой полости поступает в нагнетательный трубопровод. Изображенная в PV координатах диаграмма относится к левой полости цилиндра. Линия ВС представляет собой линию сжатия, линия CD - нагнетания, а линия DA - падения давления.

Процесс, характеризующий сущность явлений, имеющих место при работе компрессора, можно представить следующим образом: располагаемая внешняя работа Wo складывается из работ всасывания , сжатия и нагнетания .

. (3.16)

Графически работу всасывания можно определить как площадь или , аналогично и . Вся работа на диаграмме может быть представлена площадью ABCD ( ). Кривая сжатия в компрессоре может идти по изотерме ВС", политропе ВС и адиабате ВС', вследствие чего внешняя работа Wo в каждом из этих случаев будет различной. Теоретически, чтобы работа сжатия была наименьшей, желательно использовать изотермический процесс, происходящий при постоянной температуре. Такой процесс можно было бы осуществить при наличии медленно двигающегося поршня и обильном охлаждении цилиндра (например холодной водой).

В связи с этим были попытки строить так называемые «мокрые» компрессоры, где в течение всего процесса теплота отводилась холодной водой. Но такие компрессоры оказались неудовлетворительными из-за их низкой производительности, быстрого износа и большого расхода энергии на охлаждение. Теоретически выгодный изотермический процесс сжатия оказался практически трудно осуществимым. Адиабатический процесс, протекающий без охлаждения сжимаемого воздуха, представлял, с одной стороны, эксплуатационные удобства, но, с другой стороны, требовал затраты наибольшего количества энергии, подводимой для выработки сжатого воздуха. Кроме того, конечная температура сжимаемого воздуха получалась настолько высокой, что эксплуатация компрессоров становилась опасной.

Политропный процесс, занимая промежуточное положение между изотермическим и адиабатическим, является основным процессом сжатия. Компрессорный цилиндр при этом должен иметь промежуточное охлаждение или охлаждение водяной рубашкой. Таким образом, внешняя работа, совершаемая при политропном процессе в компрессоре, описывается уравнением

, (3.17)

где ; ; .

Температура в конце сжатия при политропном процессе получится ниже, чем при адиабатическом, так как п < k. При работе компрессора п принимают равным 1,2 - 1,3, тогда как k = 1.4.

Область применения сжатого воздуха обширна. Поэтому многообразны конструкции и типы существующих поршневых компрессоров. Их можно разделить на стационарные и передвижные, которые, в свою очередь, подразделяют по целому ряду признаков (например, вертикальные и горизонтальные, простого и двойного действия и т.д.).

Первая группа (наиболее распространена в машиностроительных производствах) - стационарные одноступенчатые поршневые компрессоры, могут быть горизонтального и вертикального типов. Горизонтальные типы компрессоров требуют большей установочной площади и обладают большой устойчивостью по сравнению с вертикальными. Последние легче, рассчитаны на малую или среднюю производительность, быстроходнее. Одноступенчатые компрессоры рассчитаны на давление 0,6 - 0,7 МПа.

Вторая группа - передвижные компрессоры. Эта группа компрессоров нашла распространение в строительных, земляных, дорожных и др. работах. Передвижные компрессоры, как правило, изготавливают одноступенчатыми, простого действия (рис. 3.17, а). Они бывают горизонтальными и вертикальными и приводятся часто от двигателей внутреннего сгорания, а также от электродвигателей.

а - поршневой одностороннего действия; б поршневой двустороннего действия; в - ротационный; г - воздухосборник

Рис. 3.17. Схемы компрессоров

Третья группа - многоступенчатые компрессоры. В этой группе компрессоров воздух до конечного давления сжимается, проходя через ряд промежуточных ступеней сжатия. Многоступенчатые компрессоры в зависимости от производительности могут подавать сжатый воздух с давлением 1 - 10 МПа. Наибольшее распространение из указанных выше групп получили компрессоры горизонтальные одноступенчатые двойного действия (рис. 3.17, б). Находят применение компрессоры ротационные (пластинчатые, рис. 3.17, в), винтовые, центробежные (турбокомпрессоры), осевые и мембранные. Для расходов меньше 20000 м³/ч целесообразно применять поршневые компрессоры, а при больших расходах - центробежные.

Сжатый воздух после компрессора может достигать температуры 100°С и более. При такой температуре сжатый воздух не должен подаваться в магистральный воздухопровод. Для снижения его температуры на выходе из компрессора устанавливают концевые холодильники. Охлаждение в холодильнике осуществляется водой, подаваемой из водопровода. Охлаждение сжатого воздуха проводят до температуры окружающей среды.

Воздухосборники (ресиверы) устанавливают между концевыми холодильниками компрессоров и воздухопроводной сетью. Они служат для сглаживания пульсации потока воздуха, поступающего из компрессора, создания запаса сжатого воздуха для использования в моменты пиковых нагрузок и отделения воды и масла, содержащихся в сжатом воздухе. Воздухосборники особенно необходимы для поршневых компрессоров, у которых выходной поток сжатого воздуха имеет большую пульсацию. Воздухосборники могут быть вертикального и горизонтального исполнения. Наибольшее распространение получили вертикальные, так как они занимают меньшую площадь и более эффективно удаляют загрязнения.

Для лучшей сепарации масла и влаги ввод воздуха делают в средней части воздухосборника (рис. 3.17, г), а вывод - в верхней (при этом входной трубопровод внутри сборника загибается к низу). Внутри воздухосборника устанавливают перегородки или отбойные щиты, заставляющие воздух изменять направление движения. Объем воздухосборника определяют в зависимости от типа и производительности компрессора, допускаемого колебания давления, способа регулирования производительности компрессорной установки и технических требований потребителей.

Для сглаживания пульсации воздуха, подаваемого из компрессора, достаточно установить воздухосборник, объем которого в 25 - 40 раз превышает объем цилиндра компрессора. Для компенсации пиковых нагрузок в момент одновременной работы наибольшего числа потребителей объем воздухосборника необходимо принимать от 1/120 до 1/60 часовой производительности компрессора.

4. Конструктивные схемы и типовые рабочие характеристики гидро- и пневмодвигателей

Объемный гидродвигатель это объемная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена. По характеру движения выходного (ведомого) звена объемные гидродвигатели делят на три класса:

1) гидроцилиндры с возвратно-поступательным движением выходного звена;

2) гидромоторы с непрерывным вращательным движением выходного звена;

3) поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного звена.

4.1. Гидродвигатели возвратно-поступательного действия.

Гидродвигатели возвратно-поступательного действия (гидроцилиндры) широко применяют во всех отраслях техники и особенно часто в строительных, землеройных, подъемно-транспортных, дорожных машинах, а также в технологическом оборудовании - металлорежущих станках, кузнечно-прессовых машинах.

Гидроцилиндр одностороннего действия (рис. 4.1, а) имеет плунжер 1, перемещаемый силой давления жидкости в одну сторону.

а - одностороннего действия о возвратной пружиной; б - двустороннего действия с управлением по дифференциальной схеме

Рис. 4.1. Принципиальная схема гидроцилиндра

Обратный ход плунжера совершается под действием внешней силы F, если она действует непрерывно, или пружины 2. Единственное наружное уплотнение плунжера состоит из основного 3 и грязезащитного 3' уплотняющих элементов. Гидроцилиндр двустороннего действия (рис. 4.1, б) имеет поршень 4 со штоком 5, уплотненные внутренним 6 и наружным 7 уплотнителями. Разница полной S и кольцевой площадей поршня ведет к различию в используемом давлении р при перемещении влево и вправо, если преодолеваемая внешняя сила F одинакова. Если к цилиндру подводится постоянный расход Q, то разница площадей приводит в зависимости от направления перемещения к различию скоростей движения поршня.

Для устранения этих явлений, когда они нежелательны, такие гидроцилиндры включают при помощи золотника по дифференциальной схеме (см. позиции I и II, рис.4.1, б), при которой штоковая полость 8 непрерывно соединена с питающей линией 9. Если при этом S' = S/2, то при движении вправо (позиция золотника I, рис. 4.1, б) и влево (позиция золотника II, рис.4.1, б) скорость и сила F = pS’ будут одинаковы.

Для получения полной симметрии сил и скоростей применяют гидроцилиндры с двусторонним штоком (рис. 4.2) с одним внутренним 1 и двумя 2 и 3 наружными уплотнениями.

а - с закрепленным поршнем; б - с закрепленным цилиндром

и золотником управления

Рис. 4.2. Гидроцилиндр с двусторонним штоком

В этом случае конструкция с закрепленным штоком (рис. 4.2, а) в полтора раза короче, чем конструкция с закрепленным цилиндром (рис. 4.2, б). Количество уплотнений, являющихся источниками трения и местами наружных в внутренних утечек определяет объемный и механический КПД гидроцилиндра, а также его надежность. С этой точки зрения из рассмотренных меньший КПД ,при прочих равных условиях имеет гидроцилиндр с двусторонним штоком.

Схема трехскоростного гидроцилиндра с двумя уровнями развиваемой силы показана на рис. 4. 3.

Рис. 4.3. Трехскоростной гидроцилиндр

Такие гидроцилиндры распространены в прессовом оборудовании. Быстрый ход сближения со скоростью ( - площадь внутреннего цилиндра 4) осуществляется заполнением полости через подвод 1 при линиях 2 и 3, соединенных с областью слива. Рабочий ход с малой скоростью на коротком пути осуществляется при питании полостей 4 и 6 через подводы 1 и 2. При этом цилиндр, используемый при максимальной рабочей площади, развивает максимальную силу при наименьшем давлении р. Быстрый возвратный ход со скоростью производится при заполнении полости 5 через линию 3, линии 1 и 2 при этом соединены с областью слива.

Телескопические гидроцилиндры (рис. 4.4) применяют в случаях, когда желаемый ход превышает допустимую установочную длину гидроцилиндра. Выдвижение секций цилиндра, если он питается через линию 1 от источника постоянного расхода Q (например, объемный насос) будет происходить с разными скоростями и, если преодолеваемая сила F постоянна, при разных давлениях.

Рис. 4.4. Телескопический гидроцилиндр

При выдвижении первым смещается до упора поршень 2 с малой скоростью при меньшем давлении . После полного выдвижения поршня 2 начинает перемещаться до полного выдвижения поршень 3, площадь которого S₂. При этом скорость увеличивается до , а давление возрастает до р₂ = . Вдвигание секций производится либо под действием силы F, либо путем подачи расхода Q через линию 4 в полости 6 и 7 через рукав 5. Известно применение телескопических цилиндров, имеющих до шести секций.

Во многих случаях гидроцилиндры работают в тяжелых условиях при внезапно изменяющихся нагрузках и при неблагоприятных климатических условиях. Для защиты от попадания влаги и грязи предусматривают двойные наружные уплотнения (например, 2 и 3) с грязесъемными кольцами 2' и 3' (рис. 4.2), а иногда и резиновые сильфоны (8, см. рис. 4.5), целиком закрывающие шток при выдвижении.

Рис. 4.5. Гидроцилиндр с концевыми дроссельными тормозами

и защищенным штоком

Для защиты ударов поршня о крышку цилиндра в конце хода устанавливают концевые тормозные устройства (рис. 4.5). В крышках гидроцилиндра выполнены гнезда 7 и 2, а на поршне соответствующие им цилиндрические выступы 6 и 7, образующие с гнездами малые зазоры. В конце хода кольцевой объем 5 будет выдавливаться через дроссель 3 и кольцевую щель, сопротивление которых велико, и скорость поршня уменьшится. Для быстрого заполнения цилиндра в начале хода в обход дросселя 3 и щели предусмотрены обратные клапаны 4.

Частым требованием к гидроцилиндрам является способность удерживать нагрузку при неподвижном поршне без подачи жидкости от насоса. Схема фиксирующего устройства на поршне 5 представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Поршень гидроцилиндра с фиксирующими

устройствами

При равенстве давления в обеих полостях 6 и 7 цилиндра пружины 7 смещают шарики 2 на коническую поверхность 3, и шарики заклинивают поршень. При подаче жидкости от насоса в одну из полостей в ней повышается давление и скользящий уплотняющий элемент 4 смещается. Таким образом, перед началом движения поршня шарики выталкиваются из кольцевой конусной щели и не препятствуют движению поршня. Такая система из-за износа стенок цилиндров применима только при малых нагрузках. При больших нагрузках положение поршня фиксируется гидравлическими замками, представляющими управляемые обратные клапаны.

Эффективность работы гидроцилиндров, их КПД зависят в основном от работы уплотнений поршней и штоков (рис. 4.7). Уплотнение, показанное на рис. 4.7, а, состоит из резинового кольца 3 с пластиковым упорным кольцом 2 и защитного кольца 7, предохраняющего основное уплотнение от попадания грязи. Конструкция, изображенная на рис. 4.7, б, представляет пакет V-образных манжет: уплотняющих 6 из резины и разделительных 5 из пластика. Гайкой 4 пакет может сжиматься для компенсации износа.