2.1.3. Основные параметры пневматических систем

К основным параметрам элементов пневматических систем относятся услов­ный проход, диапазон давления, расходная характеристика, параметры управляю­щего воздействия, параметры выхода, утечки, время срабатывания, допускаемая частота включений, показатели надежности, размер, масса [36].

2.1.3.1. Условный проход

Условный проход характеризует "внутреннее проходное сечение пневматиче­ского элемента и является параметром, удобным для выбора размера пневмоаппа-ратов различного функционального назначения из имеющихся размерных рядов.

В пневмоприводах наиболее широко применяют пневмоэлементы с условны­ми проходами 2,5.. .40 мм.

Условный проход пневмоаппаратов неоднозначно определяет его расходную характеристику, которая в зависимости от вида и величины местных внутренних сопротивлений может быть различной при одинаковых условных проходах.

Для пневмоаппаратуры многих зарубежных фирм основным размерным па­раметром является размер присоединительной резьбы.

По ГОСТ 21251-95 установлен числовой ряд условных проходов в мм: 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40.

Однако условный проход и размер присоединительной резьбы - понятия не­однозначные: при одинаковой присоединительной резьбе пневмоэлементы могут иметь разные условные проходы.

Так, например, фирма "Festo" [35] рекомендует сочетания размеров пневмоцилиндров и пневмораспределителей, приведенные в таблице 2.1. Выполнение этих рекомендаций обеспечивает получение на практике требуемых скоростей перемещения штоков цилиндров.

Таблица 2.1 - Сочетания размеров пневмоцилиндров и пневмораспределителей

Цилиндр с поршнем 0 мм	Размер присоедине­ния распределителя	Условный проход Dy, мм приблизительно	Стандартный номинальный расход, л/мин приблизительно
до 12	МЗ*	1,5	до 80
от 12 до 25	М5	2,5	до 200
от 25 до 50	G	3,5	до 500
от 50 до 100	G	7,0	до 1140
от 150 до 200	G	12,0	до 3000
от 200 до 300	G G1 (, 1")	18,7	до 6000

*или распределители с монтажной плитой и ниппелями для трубопроводов 3 и 4 мм

2.1.3.2. Диапазон давлений

Как правило, он определяется минимальным и номинальным (максимальным) значениями. Под номинальным давлением понимают наибольшее мано­метрическое давление, при котором оборудование должно работать в течение ус­тановленного срока службы с сохранением параметров в пределах установленных норм.

Выбор оптимального рабочего давления сжатого воздуха для пневматических элементов и систем является одним из важнейших условий их эффективной экс­плуатации. Повышение уровня давления позволяет уменьшить размер силовых исполнительных устройств при неизменном развиваемом усилии, что в некоторых случаях имеет решающее значение. Однако при повышении давления увеличива­ется расход сжатого воздуха и возрастает шум.

В 1978 году международная система стандартов (СИ) определила Паскаль (Па) как единицу измерения давления: 1Па = 1 Н/м² =1 кг/м-с²; 10⁵Па = 0,1 МПа = 1 бар.

Соотношение между единицами измерения давления даны в таблице 2.2.

Различают следующие виды давления (рисунок 2.2) [15]:

1. атмосферное (барометрическое);

2. абсолютное давление (давление в сравнении с абсолютным вакуумом, принятым за 0);

3. дифференциальное давление (давление которое является разницей между двумя значениями абсолютного давления);

4. избыточное давление (превышение над атмосферным, которое для него принимается за 0);

5. вакуумметрическое давление (ниже атмосферного, которое для него при­нимается за 0);

6. давление потока (динамическое давление в расходном устройстве при проходе воздуха);

7. давление подпора (давление в линии питания, когда нет потребления воз­ духа).

При температуре 20°С атмосферное или абсолютное давление

р_а = 1,013 бар = 0,1013 МПа.

Рисунок 2.2 — Диаграммное представление давлений

Таблица 2.2 - Соотношение между единицами измерения давления

Перевод	кГ/см2 (ат.)	мм рт.ст. (Тоор.)	мм рт.ст.	мбар	бар	МПа	П/м2 (Па)	кгс/см2	дюймы вод.ст.	дюймы рт.ст.	фунт/дюйм2 (psi)
в из
кГ/см2 (ат.)	1,0	736	104	980,665	0,9807	9,807х10-2	9,807х104	1,03322	393,7	28,94	14,22
мм рт.ст. (Тоор.)	1,36х10-3	1,0	13,6	1,33322	1,333х10-3	1,333х10-4	133,3	0,0013591	0,535	3,937х10-2	1,934х10-2
мм рт.ст.	10- 4	7,36х10-2	1,0	0,09807	9,81х10-6	9,81х10-6	9,81	0,999х10- 4	3,937х10-2	2,695х10-3	1,422х10-3
мбар	1,02х10-3	0,750062	10,197	1,0	0,001	10- 4	100	0,0010197	0,401463	0,02953	0,014504
бар	1,0197	750,06	1,02х104	103	1,0	0,1	105	1,0197	401,6	29,54	14,50
МПа	1,02	7500	1,02х105	104	10	1,0	106	10,1967	4016	295,3	145
П/м2 (Па)	1,02х10-5	7,5х10-3	0,102	10-2	10-5	10-5	1,0	1,019х10-5	4,016х10-3	2,953х10- 4	1,45х10- 4
кгс/см2	1,000278	735,559	10002,78	980,665	0,9807	9,807x10-2	98066,5	1,0	393,700	28,959	14,2233
дюймы вод.ст.	2,54х10-3	1,868	25,4	2,49089	2,49x10-3	2,49x10- 4	249	0,00254	1,0	7,36x10-2	3,513x10-2
дюймы рт.ст.	3,455х10-2	25,4	345,4	33,8039	3,387x10-2	3,387x10-3	3387	0,034532	13,6	1,0	0,491
фунт/дюйм2 (psi)	7,031х10-2	51,71	703,1	68,9476	6,895x10-2	6,895x10-3	6895	0,070307	27,68	2,035	1,0

При движении воздуха различают два вида давления: статическое £>_ст и дина­мическое р_дин.

Общее давление р_общ = р_ст + р_дин .

Зная скорость потока воздуха, динамическое давление (Н/м²) можно опреде­лить с помощью выражения

р_дин = ρV²/2 . (2.1)

где ρ = 1,29 кг/м² – плотность воздуха при 0°С и 101,3 кПа [26]; V – скорость пото­ка, м/с (при 20°С и 101,3 кПа плотность ρ = 1,99 кг/м³).

В таблице 2.3 приведены значения плотности воздуха при различных давле­ниях и температуре.

Таблица 2.3 - Плотность р воздуха при различных давлениях и температурах

Давле-ние р·105, Па	Плотность воздуха, кг/м3, при температуре, °С
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
0,98	1,25	1,21	1,17	1,13	1,09	1,06	1,03	1,00	0,97	0,94	0,92
1,96	2,51	2,42	2,33	2,26	2,19	2,12	2,05	1,99	1,94	1,88	1,83
2,94	3,76	3,62	3,50	3,38	3,27	3,18	3,08	2,99	2,91	2,83	2,75
3,43	4,39	4,23	4,08	3,95	3,83	3,71	3,60	3,49	3,39	3,30	3,21
3,92	5,01	4,83	4,67	4,51	4,37	4,24	4,11	3,99	3,88	3,77	3,67
4,41	5,64	5,44	5,25	5,07	4,92	4,77	4,62	4,49	4,36	4,24	4,13
4,90	6,26	6,04	5,84	5,64	5,46	5,30	5,14	4,99	4,85	4,71	4,59
5,39	6,89	6,64	6,42	6,20	6,01	5,82	5,65	5,49	5,33	5,18	5,04
5,88	7,52	7,25	7,00	6,77	6,56	6,35	6,16	5,98	5,81	5,65	5,50
6,37	8,14	7,85	7,59	7,33	7,10	6,88	6,68	6,48	6,30	6,13	5,96
6,86	8,77	8,46	8,17	7,90	7,65	7,51	7,19	6,98	6,78	6,60	6,42
7,35	9,40	9,06	8,75	8,46	8,20	7,94	7,70	7,48	7,28	7,07	6,88
7,85	10,02	9,66	9,34	9,02	8,74	8,47	8,22	7,98	7,75	7,54	7,34
8,33	10,55	10,27	9,92	9,60	9,29	9,00	8,73	8,48	8,24	8,00	7,80
8,83	11,28	10,88	10,51	10,16	9,84	9,53	9,25	8,98	8,72	8,48	8,25
9,32	11,90	11,48	11,09	10,72	10,38	10,06	9,76	9,47	9,21	8,95	8,71
9,81	12,53	12,09	11,67	11,29	10,93	10,59	10,27	9,97	9,69	9,47	9,17

На основании опыта эксплуатации и технических характеристик пневматиче­ских элементов рекомендуются следующие значения на входе: для приводов и систем механизации различного технического оборудования - 0,7... 1,0 МПа и выше, если размер исполнительного механизма играет решающую роль в получе­нии необходимого для реализации техпроцесса рабочего усилия; для пневматиче- ских систем автоматического управления приводами - 0,4...0,6 МПа; для форсу­нок, обдувочных сопел, пескоструйных аппаратов, краскораспылителей, распу­шающих устройств - 0,2...0,4 МПа.

При значительном количестве потребителей сжатого воздуха с разным уров­нем давления целесообразно иметь сети высокого (0,7... 1,0 МПа и выше) и низко­го (0,2...0,6 МПа) давлений, что дает экономию энергетических затрат на произ­водство сжатого воздуха.

Для получения разных уровней давления предназначены специальные бата­реи регуляторов давления типа LRB-K (Фесто) с одним входным давлением р] и несколькими выходными р₂ (от 2 до 5).

Представителем данного вида устройств для подготовки сжатого воздуха яв­ляется представленная на рисунке 2.3 батарея регуляторов типа LRB-1/4-D-7-0-K4-MINI, имеющая присоединительные отверстия GV4, серии D, с диапазоном регули­рования давления от 0,05 до 0,7 МПа (от 5 до 7 bar), без манометра (0), насчиты­вающая 4 регулятора и имеющая минимальные размерные параметры (монтажная ширина 40 мм).

Каждый входящий в состав батареи регулятор давления (рисунок 2.3, б) име­ет два входных отверстия Р(1) и два выходных Р(2), причем вторые расположены на передней и задней стенках сборного корпуса 10 (верхняя, надмембранная часть - из алюминия; нижняя - из цинка).

Настройка требуемой величины давления осуществляется с помощью махо­вика 6 из полиацетала с винтом 8, при вращении которых происходит перемеще­ние вдоль оси регулятора зафиксированной от проворота гайки 7, вызывающей изменение напряженного состояния пружины 9 и перемещение мембраны 11 с центральным перепускным отверстием 4 и штока 13 с чашечным клапаном, в ре­зультате чего происходит изменение величины зазора между клапаном и седлом 2 в сборном корпусе 10 регулятора.

При увеличении давления р₂ в выходном канале Р(2) сжатый воздух через от­верстие 12 в сборном корпусе 10 поступает под мембрану 11, вызывая ее прогиб в направлении сжатия пружины 9. Мембрана отрывается от штока 13, в результате чего открывается центральное отверстие 4 и избыточное давление в канале Р(2) сбрасывается через него и выхлопное отверстие 5 в атмосферу.

Пружиной 15 шток 13 с клапаном вновь поджимается к мембране, перекры­вая центральное отверстие 4 и уменьшая зазор между клапаном и седлом 2, что приводит к уменьшению давления р₂ в канале Р(2) до требуемой настроенной ве­личины.

Уменьшение давления в канале Р(2) ниже требуемого приводит к перемеще­нию штока 13 с клапаном в сторону увеличения зазора между клапаном и седлом 2, а следовательно, к восстановлению заданного давления на выходе регулятора.

Осевое расположение штока 13 с клапаном обеспечивается двумя направ­ляющими: верхней, в виде отверстия в корпусе 10, и нижней 1 в виде пальца, за­прессованного в крышку 15 из поликарбоната и снабженного кольцевой манжетой, предотвращающей поступление сжатого воздуха из канала Р(1) в полость чашеч­ного клапана, соединенную отверстием 14 в его донышке с центральной полостью корпуса.

Встроенный обратный клапан 3 обеспечивает быстрый выхлоп воздуха из ра­бочей магистрали во входной канал Р(1).

Объединение регуляторов в батарею осуществляется с помощью соедини­тельных наборов, состоящих из верхней 13 и нижней 15 частей (рисунок 2.3, д), охватывающих головки фиксаторов 12, ввернутых в корпусы регуляторов, и стя­гиваемых между собой винтами 3.

Предотвращение несанкционированного изменения давления, способного вы­вести из строя технологическое оборудование и снижающего безопасность обслуживания обеспечивается с помощью навесных 4 или встроенных в маховик 10 замков.

Используемые для батарейного монтажа регуляторы давления имеют два ис­полнения - MINI и MIDI, отличающиеся размерными параметрами проходных сечений и расходными характеристиками - от 1600 до 3800 л/мин, соответственно, и обеспечивающие изменение давления на выходе в диапазонах 0,05...0,7 МПа и 0,05... 1,2 МПа при входном давлении p_t = 1,6 МПа и температуре окружающей среды от -10° до +60° С.

Для снабжения потребителей сжатого воздуха давлением свыше 0,8 МПа обычно применяют индивидуальные компрессоры или усилители давления [32].

При выборе давления необходимо принимать во внимание возможные его колебания в питающей пневмосети предприятия при одновременном подключении большого числа потребителей и потери давления при транспортировании воздуха по трубопроводу от компрессорной до потребителя. В правильно построенных пневмосетях предприятий колебания давления обычно не превышают 0,05 МПа, а потери давления составляют 5.. .10% от рабочего давления.

Пневмоаппараты низкого давления общепромышленного назначения рас­ считаны в основном на номинальное давление 0,63 и 1,0 МПа. Для пневматиче­ ских устройств высокого давления минимальное давление составляет 0,05...0,35МПа[36]. |

Чтобы следить за давлением в сети, задается максимальное и минимальное значение давления (диапазон давления). Если давление выходит за эти пределы, срабатывает встроенный в систему датчик давления, что предотвращает выход из строя оборудования и травмирование персонала.

По стандарту ISO 4399 принят следующий ряд давлений: 0,25; 0,63; 1,0; 1,6; 4,0; 10,0 МПа и т.д.

Проектируя сети питания пневмоприводов следует знать, какие потери дав­ления можно ожидать. Чем длиннее трубопроводы, тем больше потери давления до точки отбора воздуха потребителем. Главным образом потери вызваны шерохо­ватостью стенок трубы и изменяющейся скоростью потока.

Представленная на рисунке 2.4 номограмма позволяет быстро подсчитать по­тери давления в зависимости от длины трубы и ее диаметра.

Обычно клапаны, фитинги, изгибы трубы и т.п. увеличивают сопротивление потоку. Чтобы учесть влияние этих элементов на потери давления, их представ­ляют в виде участков трубы эквивалентной длины, которые прибавляются к ес­тественной длине трубы до того, как графическим методом определяют ее диа­метр.

Эквивалентные длины трубопровода показаны на рисунке 2.5.

Пример 1. В трубопроводе с внутренним диаметром 23 мм будут установле­ны: 2 шаровых крана, 4 уголка, 1 переходник и 2 тройника. Какую эквивалентную длину нужно добавить к длине магистрального трубопровода?

Решение: Используя рисунок 2.5, подсчитываем эквивалентную длину:

L_экв = 2·0,3 + 4·1,5 + 1·0,6 + 2·2,0 = 11,2 м.

Пример 2. Определить, какие потери давления будут иметь место при про­хождении сжатого воздуха по трубе длиной 200 мм с внутренним диаметром 40 мм при объемном расходе равном 6 л/с и давлении 0,7 МПа.

Решение: Выполнив на номограмме (рисунок 2.4) переходы с 1 по 7, на 8 пе­реходе получим потерю давления Δр = 0,00034 МПа.

Для проточного пневмоэлемента расходная характеристика определяет коли­чество (массу или объем) воздуха, проходящего через него в единицу времени в зависимости от величины и соотношения давлений на входе и выходе элемента.

Расходная характеристика является одним из основных параметров, опреде­ляющих быстродействие и величину потерь давления в пневмосистемах.

Параметром, задающим расходную характеристику, является пропускная способность к„ представляющая собой расход жидкости, м³/ч, с плотностью, равной 1000 кг/м³, при перепаде давле­ния на пневмоэлементе 0,098 МПа (ГОСТ 14691-69).

Зарубежные фирмы задают расход­ную характеристику параметрами c_v и ƒ_v , которые являются аналогами пропускной способности k_v , но выражены в американской и британской системах единиц соответственно. Соотношения между k_v , c_v , и ƒ_v приведены на рисунке 2.6 [32]. На этом рисунке: S (мм² ) – эк­вивалентное сечение;

Q_п (н-л/мин) – нормальный объемный расход; Рис. 2.6 – Соотношения между

k_v (н-л/мин) –коэффициент; KV (н-м³ /мин) – параметрами расходных

коэф­фициент. характеристик

В соответствии с ГОСТ 14768-69

, (2.2)

где Q_в - объемный расход воды, м³/час; Δр - перепад давления, Па.

Существуют следующие зависимости между пропускной способностью к _v , перепадом давления и объемным расходом воздуха, приведенным к нормальным условиям, т.е. к температуре 293 К (20°С) и давлению 101325 Па:

для подкритического режима течения

; (2.3)

для надкритического режима течения

Q = ck_vр₁/2, (2.4)

где р₁ и р₂ – абсолютное давление сжатого воздуха соответственно на входе и вы­ходе, Па; с – постоянная (с = 4,7 при Q в м³/мин и k_v в м³/час; с = 284 при Q и k_v в л/мин).

При изменении температуры на 10°С ошибка расчетов объемного расхода Q не превышает 2%.

Данный способ определения расходной характеристики позволяет находить любую величину из четырех Q, k_v , р₁ , р₂ . Например, на практике часто возникает задача определения падения давления (р₁ – р₂) на пневмоэлементе при заданных давлениях р₂ на выходе и расходе Q. Если известно k_v элемента, то

. (2.5)

Другой типовой задачей является выбор пневмоэлемента, например, распре­делителя, с требуемой пропускной способностью, если известны Q, p₁ и р₂.

В этом случае определяют

, (2-6)

и выбирают пневмоэлемент с требуемым значением k_v .

Пропускная способность k_v пневмоцепи, состоящей из проточных элементов (участков), каждый из которых характеризуется пропускной способностью k_vi (i = 1,2,...п), определяются следующим образом:

при параллельном соединении

k_v = k_v1 + k_v2 +... + k_vn ; (2.7)

при последовательном соединении

1/k²_v = 1/k²_v1 +1/ k²_v2 +... + 1/k²_v4 . (2.8)

При расчетах пневматических элементов расходную характеристику выра­жают также через эффективную площадь проходного сечения пневмоэлемента

ƒ_э = μƒ, (2.9)

где μ – коэффициент расхода пневмоэлемента (пневмоаппарата); ƒ – геометриче­ская площадь проходного сечения, м².

Для гладкого трубопровода

ƒ_{э л} = μ_т ·ƒ_т ,

где μ_т – коэффициент расхода трубопровода, который можно найти по графику на рисунке 2.7 в зависимости от коэффициента сопротивления [36]

ξ = λ_npl_т/(2d_т), (2.10)

где l_т - длина трубопровода; d_т - внутренний диаметр трубы; λ_пр = 0,01... 0,04 – приведенный коэффициент трения, зависящий от шероховатости стенок, диаметра

Рисунок 2.7 — Зависимость коэффициента расхода μ от