Pneumatinė ir hidraulinė pavara: apžvalga, principai ir pritaikymas

Šiuolaikinėje pramoninėje robotikoje hidraulinė ir pneumatinė sistema yra du pagrindiniai valdymo sistemų tipai. Šios mokymo priemonės ir to paties pavadinimo studijų modulio tikslas - pagilinti ir išplėsti hidraulinių ir pneumatinių sistemų analizės bei sintezės žinias. Pateikiama medžiaga remiasi žiniomis, įgytomis studijuojant taikomosios hidromechanikos ir mašinų elementų, taip pat fizikos, teorinės ir taikomosios mechanikos, inžinerinės grafikos ir kitus ankstesnių kursų studijų modulius. Bus apžvelgti dažniausiai naudojami ir perspektyviniai hidraulinių ir pneumatinių pavarų bei jų elementų tipai, pagrindiniai šių pavarų projektavimo metu iškylantys klausimai. Čia nekartojama kituose literatūros šaltiniuose tradiciškai dėstoma medžiaga apie pagrindinių hidraulinių ir pneumatinių pavarų elementų konstrukcijas, veikimą, svarbiausius parametrus ir charakteristikas.

Bendrosios žinios apie hidraulines ir pneumatines sistemas

Hidraulinė (pneumatinė) sistema yra įrenginių kompleksas, skirtas mechaninei energijai paversti į skysčių (dujų) vidinę energiją, skysčių (dujų) vidinei energijai paversti į mechaninę, skysčių (dujų) srautams ir/arba jų pernešamai energijai transportuoti bei jų parametrams reguliuoti.

Hidraulinių ir pneumatinių sistemų klasifikacija

Pagal savo galutinę paskirtį hidraulinės ir pneumatinės sistemos gali būti skirstomos į šias pagrindines grupes:

1. Skysčių ir dujų transportavimo sistemos, skirtos skystoms arba dujinėms medžiagoms perkelti iš vienos vietos į kitą (naftotiekiai, dujotiekiai, produktotiekiai, vandentiekis ir t. t.).
2. Šildymo bei aušinimo sistemos, skirtos šiluminei energijai pernešti iš vienos vietos į kitą, naudojant skysčio arba dujų srautus.
3. Hidraulinės ir pneumatinės sistemos, skirtos potencinei (slėgio) ir/arba kinetinei energijai sukurti, pernešti iš vienos vietos į kitą bei transformuoti, naudojant skysčio arba dujų srautus. Šiose sistemose pirminė iš turimo šaltinio gaunama energija (elektrinė arba mechaninė) pirmiausia paverčiama skysčio arba dujų potencine arba kinetine energija; ši energija skysčio arba dujų srautu pernešama į reikiamą vietą ir ten vėl paverčiama mechanine slenkamojo arba sukamojo judesio energija. Šios rūšies sistemos dažnai yra vadinamos hidraulinėmis arba pneumatinėmis pavaromis.
4. Tepimo sistemos, skirtos trinties jėgoms tarp kontaktuojančių paviršių ir tų paviršių dilimo intensyvumui mažinti.
5. Kompleksinės paskirties hidraulinės ir pneumatinės sistemos, vykdančios dvi arba daugiau anksčiau išvardytų funkcijų.

Dėl ribotos apimties šioje mokymo priemonėje nagrinėjamos tik trečiajai grupei (iš dalies penktajai) priskiriamos hidraulinės ir pneumatinės sistemos, skirtos hidraulinei energijai perduoti erdvėje ir jos parametrams keisti. Šios hidraulinės ir pneumatinės sistemos vis plačiau naudojamos ne tik visų rūšių transporto priemonėse, bet ir daugelyje automatizuotų technologinių įrenginių įvairiose pramonės šakose.

Hidraulinių sistemų apžvalga, ypatybės ir taikymas

Hidraulinėse sistemose energiją perneša skysčiai - vanduo, mineralinės ar sintetinės alyvos ir kt., priklausomai nuo sistemos paskirties, eksploatacijos sąlygų ir kitų reikalavimų. Tipinė energijai pernešti naudojamos hidraulinės sistemos struktūrinė schema pavaizduota 1.1.1 paveiksle. Šiame paveiksle taip pat parodyta hidraulinėje sistemoje vykstančių energijos virsmų schema. Priklausomai nuo pernešamos energijos rūšies, hidraulinės pavaros skirstomos į hidrostatines ir hidrodinamines. Hidrostatinėse pavarose yra sukuriama, pernešama ir naudojama didesne dalimi skysčio potencinė energija, o hidrodinaminėse - skysčio kinetinė energija.

Pagal valdymo pobūdį skiriamos ciklinio arba programinio valdymo hidraulinės pavaros (sekos pavaros arba servopavaros). Ciklinio valdymo hidraulinės pavaros daugeliu atvejų yra valdomos pastovaus dydžio (nekintančiais laikui bėgant) cikliškai besikartojančiais valdymo signalais; jos neturi grįžtamojo ryšio grandinių ir yra santykinai paprastesnės. Programinio valdymo hidraulinės pavaros (sekos pavaros arba servopavaros) yra valdomos, naudojant nuolat pagal tam tikrą programą kintančiais diskretiniais arba tolydiniais valdymo signalais, kurie yra suformuojami priklausomai nuo sistemos poreikių.

Hidraulinės sistemos naudoja skysčių, kurių negalima suspausti, pavyzdžiui, hidraulinės alyvos, galią, kad judintų ir pritaikytų jėgą slėginiams skysčiams uždaruose kanaluose. Kadangi hidraulinio skysčio negalima suspausti, šios sistemos gali generuoti didžiulę galią, tuo pačiu tiksliai kontroliuodamos savo padėtį.

Pneumatinės pavaros: principai ir pranašumai

Pneumatinė pavara yra viena naudingiausių suspausto oro sistemų dalių. Tai pavara, skirta suslėgtų dujų energijai keisti į mechaninį judesį. Ją paprastai sudaro vykdymo įtaisai (pneumatiniai cilindrai, varikliai), priemonės oro srautui reguliuoti (vožtuvai ir reguliatoriai) ir valdymo įtaisai. Pneumatine pavara dažniausiai valdomi automatinio reguliavimo sistemų vožtuvai, sklendės ar kiti reguliuojami objektai.

Pneumatinės pavaros sandara ir veikimas

Standartinę pneumatinę pavarą sudaro kelios svarbios dalys. Pagrindinės judančios dalys yra pavaros korpuso viduje, kuriame taip pat yra tvirtinimo angos vožtuvų kotams arba mechaninėms jungtims. Kai oro slėgis šio rėmo viduje pasikeičia, diafragmos arba stūmokliai juda tiesia linija arba ratu. Oro tiekimo angos leidžia suslėgtam orui patekti į slėgio bakus, o išmetimo angos leidžia panaudotam orui išeiti, kai mašina veikia ciklu.

Yra du pagrindiniai pneumatinių pavarų tipai:

1. Vienpusio veikimo varikliai juda viena kryptimi suslėgtu oru ir naudoja vidines spyruokles, kad judėtų atgal.
2. Dvigubo veikimo pavaros juda abiem kryptimis naudodamos suslėgtą orą. Tai panaikina spyruoklių apribojimus ir padidina galią, kurią galima naudoti.

Naudodami vidines krumpliaračių sistemas arba menčių konstrukcijas, rotacinės pavaros tiesinį pneumatinį judesį keičia į sukamąjį judesį.

Pneumatinių pavarų privalumai ir trūkumai

Daugelis pramoniniam valdymui naudojamų pavarų yra pneumatinės, nes naudojant oro šaltinį kaip galią, tai yra ekonomiškiau nei elektrinės ir hidraulinės pavaros, o konstrukcija yra paprasta, lengvai valdoma ir prižiūrima. Techninės priežiūros požiūriu pneumatines pavaras lengviau valdyti ir kalibruoti nei kitų tipų pavaras, be to, jas galima lengvai pakeisti vietoje.

Privalumai:

• Saugumas: Didžiausias privalumas - saugumas. Naudojant padėties nustatymo įtaisą, jis idealiai tinka degioje ir sprogioje aplinkoje. Jei elektros signalas nėra atsparus sprogimui arba savaime saugus, dėl užsiliepsnojimo gali kilti gaisro pavojus. Todėl, nors dabar elektrinis valdymo vožtuvas vis plačiau naudojamas, tačiau chemijos pramonėje pneumatinis valdymo vožtuvas vis dar turi absoliutų pranašumą.
• Švara: Oro nuotėkiai neteršia aplinkos ir nereikalauja valymo.
• Efektyvumas ir paprastumas: Pneumatinės pavaros yra patikimos, lengvai prižiūrimos ir naudojamos. Oro slėgio naudojimas pneumatikos sistemose yra visiškai saugus.
• Greitis: Pneumatinės sistemos pasižymi greičiausiu reakcijos laiku. Jos gali atlikti visą eigą per 0.1-0.5 sekundės, o hidraulinėms sistemoms tam pačiam veiksmui atlikti reikia 1-3 sekundžių. Kadangi orą galima suspausti, pneumatinės sistemos gali susidoroti su staigiais slėgio pokyčiais ir užtikrinti sklandų pagreičio kreivių veikimą, nenaudodamos sudėtingų valdymo metodų.
• Smūgių sugėrimas: Oras natūraliai sugeria smūgius, nes jį galima suspausti.

Trūkumai:

• Lėtas atsakas ir prastas valdymo tikslumas: Tai yra dėl dujų suspaudžiamumo, ypač naudojant didelę pneumatinę pavarą, reikia laiko, kol oras užpildo cilindrą ir ištuštėja. Tačiau tai neturėtų kelti problemų, nes daugeliu atvejų nereikia didelio valdymo tikslumo, itin greitos reakcijos ir atsparumo nuokrypiams.
• Efektyvumas: Dėl suspaudimo nuostolių ir oro nuotėkio, pneumatiniai pavaros įrenginiai geriausiu atveju yra tik 25-35 procentų efektyvūs. Tačiau suspausto oro sistemos naudoja energiją tik tada, kai aktyviai suspaudžia orą.
• Triukšmas: Pneumatinės sistemos kelia triukšmą įjungdamos ir išjungdamos suslėgtą orą.

Hidraulinių pavarų: sudėtis ir skaičiavimas

Tūrinės hidraulinės pavaros yra hidraulinių aparatų kompleksas, kurį sudaro viena arba kelios tūrinės hidraulinės mašinos, skirtos mechaninei energijai perduoti ir mechanizmų darbo įrenginiams priversti judėti suslėgtu darbo skysčiu. Tūrinės hidraulinės pavaros yra naudojamos statybos ir kelių mašinų, transportavimo ir žemės ūkio mašinų, valcavimo staklynų, staklių, presavimo ir liejimo įrenginiuose ir kt.

Hidraulinių pavarų sudėtis ir parinkimas

Hidraulinę pavarą sudaro daugybė elementų, kurių parinkimas reikalauja gerų žinių apie jų funkcijas, paskirtį ir mokėjimo apskaičiuoti reikiamus parametrus. Viršuje braižomi hidrauliniai varikliai, sugrupuoti pagal jų išskirstymą į nepriklausomas sistemas. Principinė pavaros schema tiksliai išdėsto reikiamą hidraulinę aparatūrą.

Pagrindiniai komponentai, kuriuos reikia parinkti ir skaičiuoti, apima:

• Hidrocilindrų hidraulinis skaičiavimas.
• Plokštelinio posūkio hidrovariklio hidrauliniai skaičiavimai.
• Hidraulinių variklių parinkimas tūrinės pavaros sistemoje.
• Siurblių parinkimas.
• Darbo skysčio parinkimas.
• Vamzdyno hidraulinis skaičiavimas.
• Hidropavaros galingumas ir naudingumo koeficientas.
• Hidraulinės pavaros šiluminio režimo skaičiavimas.

Siurblių parinkimas

Pagal darbinį slėgį ir didžiausią debitą parenkamas siurblys. Pavyzdžiui, pagal darbinį slėgį p=6,3 Mpa ir didžiausią debitą Qmax=8,76 l/min, sistemai parenkamas atitinkamas siurblys. Iš formulių išreiškiami skaičiavimams reikalingi dydžiai ir žinant srautą.

Darbo skysčio parinkimas

Visiems sezonams tinkamiausias tepalas yra BM3 markės tepalas, žiemą tinkamiausia - Veralinė alyva AY, vasarą - atitinkamos markės tepalas.

Vamzdyno hidraulinis skaičiavimas

Skaičiuojamasis srautas Q visose hidraulinėse linijose laikomas lygus siurblio srautui, kai siurblio veleno sukimosi dažnis yra toks, koks pasirinktas. Čia v - vidutinis darbinio skysčio (tepalo) tekėjimo vamzdžiu greitis, kuris pasirenkamas. Įsiurbimo hidraulinėje linijoje tepalo greitis vis = (0,6-1,5) m/s; nupylimo linijoje vnp = (2-3) m/s; o slėgio linijoje priklausomai nuo darbinio slėgio tepalo greitis yra nurodomas lentelėje. Skaičiuojami slėgio nuostoliai slėginėje ir nupylimo hidraulinėse linijose. Čia h1 - linijiniai slėgio aukščio nuostoliai vamzdyje, o hv - vietiniai slėgio aukščio nuostoliai. Iš šios formulės išvedama formulė slėgio nuostoliams skaičiuoti.

Slėgio skaičiavimas hidraulinėse sistemose

Įvertinus tai, kad hidraulinio variklio nupylimo angoje susidaro priešslėgis Δppr = Δpnp, o mechaninis ar hidromechaninis naudingumo koeficientas žinomas iš ankstesnių skaičiavimų, randamas tepalo slėgis, kurio reikia, kad variklis išvystytų užduotą reikiamą jėgą F ar naudingąjį momentą T. Plunžerinio hidraulinio cilindro slėgis pS skaičiuojamas įvertinus prieš veikiančią jėgą Fp. Slėgio kitimas, kuriam esant dirba variklis, nustatomas formule: ps = p + (pn = 6,3+1.29+1.32 = 8.91 Mpa.

Elektrinės pavaros: trumpa apžvalga

Elektrinės pavaros dažniausiai naudojamos elektrinėse arba atominėse elektrinėse, nes aukšto slėgio vandens sistemoje reikalingas sklandus, stabilus ir lėtas procesas. Pagrindiniai elektrinės pavaros pranašumai yra didelis stabilumas ir pastovi trauka, kurią gali pritaikyti vartotojai. Didžiausios pavaros sukuriama trauka gali siekti 225 000 kgf. Tik hidraulinė pavara gali pasiekti tokią didelę trauką, tačiau hidraulinės pavaros kaina yra daug didesnė nei elektrinės pavaros.

Elektrinių pavarų privalumai ir trūkumai

Privalumai:

• Atsparumas nuokrypiams: Elektrinės pavaros atsparumas nuokrypiams yra labai geras, o išėjimo trauka arba sukimo momentas iš esmės yra pastovus, o tai gali įveikti nesubalansuotą terpės jėgą ir tiksliai valdyti proceso parametrus, todėl valdymo tikslumas yra didesnis nei pneumatinės pavaros.
• Valdymo lankstumas: Jei yra servo stiprintuvas, nesunku keistis teigiamais ir neigiamais efektais, taip pat lengva nustatyti išjungimo signalo vožtuvo padėties būseną (laikyti / visiškai atidaryti / visiškai uždaryti). Kai yra gedimas, jis turi likti pradinėje padėtyje, o to nedaro pneumatinė pavara. Pneumatinė pavara turi naudoti kombinuotos apsaugos sistemos rinkinį, kad būtų užtikrinta padėties apsauga.

Trūkumai:

• Sudėtingumas ir gedimai: Konstrukcija yra sudėtingesnė, labiau linkusi į gedimus, o dėl jos sudėtingumo techniniai reikalavimai lauko priežiūros personalui yra santykinai aukštesni.
• Perkaitimas: Veikiant varikliui reikia generuoti šilumą, jei reguliavimas atliekamas per dažnai, nesunku perkaisti variklį, sukurti šiluminę apsaugą, taip pat padidinti reduktoriaus susidėvėjimą.
• Lėtas veikimas: Veikimas lėtas, iš reguliatoriaus sureagavus reguliavimo vožtuvui, signalas išvesti į atitinkamą padėtį užtrunka ilgai, o tai nėra taip gerai, kaip pneumatinės ir hidraulinės pavaros.

Pneumatinių ir hidraulinių sistemų palyginimas ir pasirinkimas

Renkantis hidraulines ir pneumatines valdymo sistemas verslo reikmėms, efektyvumas tampa labai svarbus. Dažniausiai hidraulinės sistemos pasižymi geresniu galios tankiu ir tiksliu valdymu, todėl jos puikiai tinka užduotims, kurioms reikalinga didelė jėga. Kita vertus, pneumatinės sistemos yra greitesnės, švaresnės ir pigesnės.

Našumo rodikliai

Yra objektyvių būdų palyginti, kaip hidraulinės ir pneumatinės valdymo sistemos veikia realiame pasaulyje, naudojant našumo rodiklius. Kalbant apie galios ir svorio santykį, hidraulinės sistemos paprastai sukuria 10-15 kartų didesnę jėgą svorio vienetui nei dujų sistemos. Gręžiant jūroje, šis privalumas yra ypač svarbus, nes platformos saugumui ir transportavimo išlaidoms įtakos turi svorio apribojimai. Tačiau šis neapdorotos galios pranašumas kainuoja sudėtingesnę sistemą ir joms reikia daugiau priežiūros.

Energijos taupymas ir nuostoliai

Energijos taupymo tyrimas rodo, kad hidraulinės ir pneumatinės sistemos labai skirtingai veikia skirtingose situacijose. Dėl suspaudimo nuostolių ir oro nuotėkio, pneumatinė pavara įrenginiai geriausiu atveju yra tik 25-35 procentų efektyvūs. Tačiau suspausto oro sistemos naudoja energiją tik tada, kai aktyviai suspaudžia orą. Yra nemažai dalykų, kurie realiame gyvenime sumažina tiek hidraulinių, tiek dujų valdymo metodų naudingumą. Didžiausias pneumatinių sistemų našumo sumažėjimo veiksnys yra oro nuotėkis. Įprastos sistemos praranda 20-30 procentų suspausto oro per jungiamąsias detales, sandariklius ir susidėvėjusias dalis. Hidraulinėse sistemose pasitaiko vidinių nuotėkių tarp vožtuvų ritinių ir cilindrų sandariklių. Dėl to sumažėja galima galia ir norint išlaikyti našumo lygį, reikia didesnio siurblio.

Aplinkos veiksniai ir triukšmas

Kadangi įmonės daugiausia dėmesio skiria tvarumui ir taisyklių laikymuisi, aplinkos veiksniai vaidina vis didesnį vaidmenį renkantis valdymo sistemas. Siekiant išlaikyti aplinką švarią, hidraulinės sistemos turi atsargiai elgtis su savo skysčiais. Jos taip pat sunaudoja mažiau energijos, kai nuolat veikia. Technologijos, kurios kelia triukšmą pneumatinė pavara, labai skiriasi. Pavyzdžiui, pneumatinės sistemos kelia triukšmą įjungdamos ir išjungdamos suslėgtą orą, o hidraulinės sistemos nuolat kelia triukšmą dėl siurblių.

Realūs taikymo pavyzdžiai

Pneumatinės pavaros dujų transportavimo tinkle

Didelė vamzdynų bendrovė savo gamtinių dujų transportavimo tinkle įrengė pneumatinius pavaros mechanizmus, kad avarinio uždarymo vožtuvai atokiose vietovėse veiktų automatiškai. Šiam darbui mechaninė sistema turėjo daug svarbių privalumų. Greitas reagavimo laikas leido vožtuvams visiškai užsidaryti per 15 sekundžių nuo išjungimo signalų gavimo, o to reikalauja vyriausybė vamzdynų saugos sistemoms. Po trejų naudojimo metų pneumatiniai pavaros mechanizmai buvo 99.8 % darbingi ir jiems reikėjo labai mažai priežiūros.

Hidrauliniai varikliai jūrinėje gręžimo platformoje

Dėl didelių jėgos poreikių ir svarbių saugos funkcijų jūrinėje gręžimo platformoje buvo naudojami hidrauliniai varikliai, skirti užkirsti kelią dujų išmetimui. Hidrauliniai pavaros užtikrino reikiamą jėgą mažame korpuse, kuris galėjo tilpti į nutolusią stotį su svorio apribojimais. Po penkerių naudojimo metų patikimumo statistika parodė, kad hidraulinė BOP sistema veikė 99.5 % laiko atliekant svarbias veiklas.

Pneumatinių ir hidraulinių pavarų priežiūra ir optimizavimas

Norint pasirinkti tinkamo dydžio pneumatinį pavaros mechanizmą, reikia apskaičiuoti reikiamą galią, atsižvelgti į tiekiamo oro slėgį, trintį, pakavimo apkrovas ir saugos veiksnius. Reguliariai aptinkant ir šalinant oro sistemos nuotėkius, užtikrinant, kad oras būtų tinkamai filtruojamas ir džiovinamas, bei reguliariai keičiant tarpiklius pagal ciklų skaičių, pneumatiniai pavaros veikia tinkamai. Šie atvejų tyrimai rodo keletą svarbių dalykų, kurie turi įtakos valdymo sistemos veikimui. Svarbu pasirinkti tinkamo dydžio pavarą efektyviam veikimui; per dideli įrenginiai paprastai tarnauja ilgiau nei per maži. Sistemos kainai ir patikimumui tiesiogiai įtakos turi jos mokymo ir priežiūros planai. Ar naudoti hidraulinę, ar pneumatinę valdymo sistemą, priklauso nuo taikymo poreikių, proceso tikslų ir ilgalaikių išlaidų.

Kai svarbus greitis, saugumas ir švara, geriausiai veikia pneumatinės sistemos. Kita vertus, hidraulinės sistemos pasižymi didesne jėga ir geresne kontrole. Daugumai naftos ir dujų panaudojimo sričių šiuolaikinės pneumatinės pavaros užtikrina puikų efektyvumą, ypač kai greitas reagavimas ir integruota sauga atitinka eksploatavimo poreikius. CEPAI gamina aukštos kokybės pneumatines pavaras ir valdymo vožtuvų sistemas naftos ir dujų verslui. Mūsų API sertifikuotos prekės patikimai veikia sudėtingomis sąlygomis ir yra tiekiamos su visa ekspertų pagalba bei prieinamomis kainomis.

tags: #pneumatine #pavara #ir #hidrauline