5. Потребители пневматической энергии 5. 1.

5. Потребители пневматической энергии 5. 1. Общие сведения о пневмоприводе Пневмоприводом называются устройства, предназначенные для приведения в движение машин и механизмов посредством пневматической энергии. При этом используется сжатый воздух давлением 0, 5. . . 0, 7 МПа. Основным элементом пневмопривода является пневмодвигатель, преобразующий энергию сжатого воздуха в механическую работу. Аппаратура управления обеспечивает распределение потоков воздуха, регулирование, защиту и другие операции в зависимости внешних воздействующих сигналов. При несложной схеме аппаратуры управления понятия пневмопривод и пневмодвигатель отождествляются.

В качестве пневмодвигателей используются объемные (поршневые, пластинчатые, шестеренные, винтовые и др. ) и турбинные машины. Пневмодвигатели турбинного принципа действия предназначены для получения вращательного движения выходного звена и эффективны лишь при высоких угловых скоростях. Они применяются для привода осевых вентиляторов местного проветривания, небольших насосов и электрогенераторов местного освещения. Объемные пневмодвигатели могут обеспечивать наряду с вращательным, поступательное и поворотное движение выходного элемента. Поэтому они более широко применяются для привода различных машин: комбайнов, выемочных комплексов, породопогрузочных машин, бурильных и отбойных молотков, лебедок и т. д.

Преимущества и недостатки пневмопривода Преимущества пневмопривода: пожаробезопасность и взрывобезопасность, надежная работа в пыльной и влажной атмосфере, простота конструкции и управления, способность переносить длительные перегрузки, хорошая компенсация ударных нагрузок, отсутствие отводящих трубопроводов. Основные недостатки пневмопривода: низкий коэффициент полезного действия, трудность обеспечения точности и плавности движения выходного звена, высокий уровень аэродинамического шума.

5. 2. Объемные пневмодвигатели

5. 2. 1. Теоретический рабочий процесс Рассмотрим принцип действия пневмодвигателя по индикаторной диаграмме идеальной машины, под которой понимается пневмодвигатель, не имеющий вредного пространства, запаздывания в работе воздухораспределителей и работающий по теоретическому циклу. Который ограничен следующими условностями: отсутствуют утечки и рассеивание энергии вследствие аэродинамических, механических и других потерь, расширение сжатого воздуха в полости является полным и происходит при постоянном показателе процесса, воздух подчиняется законам идеального газа.

Диаграмма рабочего процесса

Так как вредное пространство отсутствует, объем в конце фазы расширения (V 2) равен полезному объему камеры, описанному поршнем (Vn). Отметим, что в данном случае Р 1 = Рп ; Р 2 = Ро ; = ; где Р 1 21 и Р 2 - давление воздуха в рабочей полости при наполнении и выталкивании соответственно; Рп и Ра - давление воздуха в питающей сети и окружающей среде соответственно; = Р 2 / Р 1 ; = Ра / Рп. 21 Наполнение рабочей полости сжатым воздухом производится до объема V 1 и характеризуется коэффициентом наполнения = V 1 / V 2 , который н определяет для теоретического процесса отношением конечного и начального давлений при процессе расширения: = = р2 / р1 =( V 1 / V 2 )к = к. 21 н (1. 49)

С учетом общих закономерностей наиболее характерного для пневмопривода адиабатного процесса, получим некоторые соотношения между параметрами характерных точек цикла: Р 2 = Р 1 к; н (1. 50)

Индикаторная работа, совершаемая воздухом в идеальном объемном пневмодвигателе за цикл, определяется по аналогии с энергией, затрачиваемой на сжатие воздуха в поршневом компрессоре: Здесь G - масса воздуха, поступившая за цикл в рабочую камеру, G = 1 V 1 , где 1 - плотность поступающего воздуха.

При изотермическом процессе расширения:

Удельная индикаторная работа, совершаемая единицей массы воздуха в идеальном пневмодвигателе. С учетом известных термодинамических зависимостей получим: для адиабатного процесса для изотермического процесса

Очевидно, что в идеальном пневмодвигателе при данном термодинамическом процессе совершается максимальная работа. Поэтому величина удельной индикаторной работы применяется для оценки наибольшей механической работы, которую теоретически можно получить от потока сжатого воздуха при данном термодинамическом процессе расширения. Для шахтных пневмодвигателей Tn = To (температура подводимого сжатого воздуха равна температуре окружающей среды) и удельная работоспособность (эксергия) потока определяется его изотермической работой в теоретическом цикле:

Индикаторную диаграмму пневмодвигателей характеризуют среднеиндикаторным давлением, являющимся среднеинтегральным значением давления за цикл по объему, описываемому поршнем: (1. 59) Геометрически эта величина является высотой прямоугольника площадью, равной (в координатах Р - V ) индикаторной работе Ln за цикл, при основании Vn.

Индикаторная мощность объемного пневмодвигателя определяется средней величиной индикаторной работы в единицу времени: Nn = Ln n = Pcu Vn n, (1. 60) где n - частота вращения вала. Мощность на валу объемного пневмодвигателя: Ne = Me = 2 Me n, (1. 61) где Me - момент на валу пневмодвигателя. Отсюда теоретический момент, развиваемый объемным идеальным пневмодвигателем: (1. 62)

Объемный расход воздуха идеального пневмодвигателя за цикл V 1 = Vп. Обычно этот объем приводят к н стандартным условиям, используя основное уравнение газового состояния: . (1. 63) Средний объемный расход воздуха за единицу времени: q = n V 1 = n Vп. н (1. 64) Средний объемный расход воздуха, приведенный к стандартным условиям, соответственно: . (1. 65)

Влияние неполноты расширения Для максимального использования энергии сжатого воздуха необходимо применять циклы с полным расширением сжатого воздуха. Однако такой цикл имеет следующие недостатки. Во- первых, такой цикл возможен только при постоянстве степени наполнения и, следовательно, подводимого давления. В противном случае будут иметь место потери энергии. Во- вторых, полное падение давления в рабочей камере приводит к сильному снижению температуры (до 175 К), что неприемлемо по условиям работы смазки. Минимально допустимая температура 233 К позволяет рассчитать максимальное допустимое относительное наполнение [ ]max н 0, 57. В-третьих, при полном расширении плохо используется объем рабочей камеры. Изложенное заставило отказаться от применения цикла с полным расширением в объемных пневмодвигателях.

Цикл с неполным расширением

Для максимального повышения средне- индикаторного давления (до значения Р 1) используют цикл 5 -8 -3 -4 -5 , без расширения воздуха в рабочей камере. Потерю работы цикла при этом, соответствующую площади 2 -6 -3 -2 диаграммы, можно определить как работу полного расширения воздуха с начальными параметрами точки начала выхлопа. Для адиабатного процесса :

Получаемая при этом индикаторная работа: (1. 67) Оценить потери энергии в этом цикле позволяет коэффициент неполноты расширения: нр = LН / Lи. (1. 68)

5. 2. 2 Действительные индикаторные диаграммы

Реальная диаграмма

5. 3. Турбинные пневмодвигатели

Основными элементами турбинного пневмодвигателя являются неподвижное сопло 1 и лопатки 2, расположенные на рабочем колесе 3. Сжатый воздух подводится к соплу, которое формирует и направляет поток на лопатки, взаимодействуя с которыми поток совершает работу вращения турбины. Существуют активные и реактивные турбинные пневмодвигатели. В реактивных - термодинамический процесс расширения сжатого воздуха происходит как в сопле, так и в межлопаточных каналах. Поэтому давление воздуха на выходе из сопла значительно выше давления окружающей среды, что способствует большим утечкам через конструктивные зазоры между соплом и турбиной, а так же значительным осевым усилиям, действующим на турбину.

Объемный расход двигателя: Qдо = нv r, (1. 69) где, - коэффициент расхода воздуха через насадок (сопло); н - площадь сечения насадка; v - действительная скорость истечения воздуха через насадок ( в выходном сечении); r - количество сопел в пневмодвигателе. Сила воздействия струи на лопатки: Рд = о Qдо (v-u) zm, (1. 70) где u - окружная скорость лопаток; z - число лопаток, воспринимающих натекание потока от сопла; m - коэффициент участия лопаток в восприятии силы. Момент на валу турбинного пневмодвигателя: Мд = Рд D / 2, (1. 71) где D - средний диаметр колеса пневмодвигателя. Мощность на валу пневмодвигателя: Nдв = Мд д =2 nд Мд. (1. 72)

Достоинства и недостатки турбинных пневмодвигателей Достоинства турбинных пневмодвигателей: малый вес и габариты на единицу мощности; высокая скорость вращения, позволяющая соединять непосредственно вал с быстроходной рабочей машиной (вентилятором, насосом); высокая долговечность благодаря отсутствию в рабочем пространстве трущихся частей; возможность изменения мощности без изменения габаритов путем установки различного числа сопел либо изменения их сечения. Недостатки: малый КПД при небольших мощностях; сложность реверсирования; сильный шум; зависимость экономичности работы от частоты вращения, нагрузки двигателя и подводимого давления.

5. 4. Механические характеристики пневмодвигателей Механическая характеристика пневмодвигателя представляет собой совокупность зависимостей момента, мощности на валу и адиабатного КПД ( ад ) от частоты вращения при постоянных давлении, температуре и влажности сжатого воздуха.

5. 4 Регулирование пневмодвигателей Регулирование сводится к изменению момента за счет изменения давления подводимого к двигателю сжатого воздуха: Рд = Р 1 - Рдр. (1. 73) Здесь Рдр - потери давления на дросселе - величина регулируемая