Анализ роли пневматических устройств в механизации производства. Характеристика их функций в системах автоматики. Изучение свойств воздуха. Рассмотрение особенностей работы электропневмоавтоматических устройств. Анализ основных термодинамических законов.
Аннотация к работе
Пневматические устройства играют важную роль в механизации производства. Пневматические устройства в системах автоматики выполняют следующие функции: - получение информации о состоянии системы с помощью входных элементов (датчиков);Линейное перемещение обеспечивается пневмоцилиндрами, поворотное движение - исполнительными устройствами, имеющими в качестве рабочего органа лопасть или шестерню с рейкой, В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воздуха действует на поршень только в одном направлении, в обратную сторону поршень со штоком перемещается под действием пружины или внешних сил. Если пневмопривод управляется с помощью трехпозиционных пневмораспределителей, у которых в нейтральном положении все выходы сообщены с выхлопом, или возобновляет работу после того, как давление в пневмосистеме было сброшено, возможен резкий рывок рабочего органа с места и затем его движение с чрезмерно высокой скоростью. В предположении, что воздух является идеальным газом (отсутствует межмолекулярное взаимодействие), давление р внутри сосуда может быть определено по формуле Клапейрона: , где R - универсальная газовая постоянная (для воздуха R=287 Дж/кг•К), которая равна внешней работе, совершаемой при постоянном давлении одним килограммом воздуха при нагревании его на 1 градус; Т-температура в градусах Кельвина (абсолютная температура). Можно считать, что на поверхности Земли сосуд обладает некоторой потенциальной энергией, так как весь окружающий ею воздух находится под атмосферным давлением и, входя в сосуд, может совершить работу. Бойлем в 1662 г. в Англии, а затем независимо от него Мариоттом в 1676 г.
Введение
В настоящее время все чаще для автоматизации производственных процессов и отдельных операций используется новая отрасль техники - мехатроника, которая включает в себя совокупность механических, гидравлических, пневматических, электронных элементов. Широкое распространение в последнее время получает пневмоавтоматика благодаря ряду существенных достоинств пневмосистем: легкое управление исполнительными механизмами, сравнительно большая скорость рабочего перемещения и др. Электрогидравлические и электропневматические системы автоматического управления получают все более широкое распространение в самых различных областях техники, включая робототехнические и автоматизированные комплексы машиностроительной, космической, авиационной, химической, пищевой, атомной и других отраслей промышленности. Сочетая в себе известные достоинства электрической связи и управления с быстродействием и относительной легкостью мощных гидро- и пневмоприводов, эти системы вытесняют чисто механические и электрические системы управления и контроля.
Технический прогресс в области создания материалов, способов конструирования и производства способствует улучшению качества и увеличению разнообразия пневматических устройств, что послужило основой для расширения области их применения как средств автоматизации.
Для реализации прямолинейного движения часто используют пневмоцилиндры, т.к. они характеризуются низкой стоимостью, легкостью монтажа, простотой и прочностью конструкции, а также широким диапазоном основных параметров.
1. Пневматические исполнительные устройства
Пневматические исполнительные устройства предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в механическое линейное перемещение или вращение. Они используются для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных основных и вспомогательных операций. Линейное перемещение обеспечивается пневмоцилиндрами, поворотное движение - исполнительными устройствами, имеющими в качестве рабочего органа лопасть или шестерню с рейкой, В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воздуха действует на поршень только в одном направлении, в обратную сторону поршень со штоком перемещается под действием пружины или внешних сил. Пневмоцилиндры с пружинным возвратом используют для выполнения небольших перемещений и с небольшими развиваемыми усилиями, так как встроенная пружина, сжимаясь, значительно снижает усилие, развиваемое поршнем.
В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком под действием сжатого воздуха происходит в прямом и обратном направлениях.
Поворотные пневмодвигатели могут быть поршневыми и лопастными, Кроме названных выше типов, в промышленности используются также пневмоустройства специального назначения. К ним относятся бесштоковые цилиндры, позиционные цилиндры, пневмокаретки, цилиндры с полым штоком, с тормозом и пневмозахваты.
В процессе монтажа, наладки и эксплуатации пневматических исполнительных устройств необходимо предусматривать ряд конструктивных мер безопасности.
Чтобы свести к минимуму риск нанесения травм персоналу, рекомендуется применять защитные ограждения.
При высокой скорости движения рабочего органа устройства или в случае больших инерционных нагрузок, собственный демпфер пневмодвигателя может оказаться недостаточным для смягчения удара. Для снижения скорости рабочего органа до включения собственного демпфера рекомендуется использовать схемы замедления или устанавливать наружные демпферу, ослабляющие удар. В последнем случае конструкция должна обладать достаточной жесткостью.
Во избежание травм персонала, повреждения оборудования и объектов производства, необходимо предусматривать конструктивные меры, обеспечивающие соблюдение безопасности при падении давления. Такие меры особенно необходимы в системах с подвешенными грузами и в подъемно-транспортных механизмах.
Если пневмопривод управляется с помощью трехпозиционных пневмораспределителей, у которых в нейтральном положении все выходы сообщены с выхлопом, или возобновляет работу после того, как давление в пневмосистеме было сброшено, возможен резкий рывок рабочего органа с места и затем его движение с чрезмерно высокой скоростью. Это обусловлено тем, что в одну полость цилиндра подано высокое давление, в то время как в другой полости давление отсутствует, и нет никакого противодействия движению поршня, которое обычно бывает при вытеснении воздуха из полости пневмоцилиндра. В этих случаях необходимо предусматривать меры против резких рывков - например, применяя устройства плавной подачи воздуха.
Все виды нагрузок на шток поршня должны быть приложены только в осевом направлении. Неизбежные боковые нагрузки, приложенные к концу штока, не должны превышать значения, допустимые для каждого типа пневмоцилиндра. Не рекомендуется использовать пневмоцилиндр как амортизатор.
Если в пневмоцилиндре есть воздушный демпфер, он может работать только при условии, что шток доходит до своего крайнего положения. Поэтому, если длина хода поршня определяется какими-либо внешними ограничителями, необходимо убедиться, что демпфирование действительно имеет место.
Если пневмоцилиндр должен работать при полностью открытом клапане воздушного демпфера, необходимо выбрать тип цилиндра, снабженный резиновым демпфером. Не рекомендуется эксплуатировать привод с завинченным до упора регулировочным винтом демпфера, так как это может привести к повреждению уплотнения цилиндра.
Прежде чем затягивать резьбовое соединение на конце штока требуется привести его в полностью утопленное положение. При затяжке шток не должен вращаться.
При техническом обслуживании оборудования необходимо, прежде всего, убедиться, что в результате отключения питания не произойдет падение транспортируемых объектов или узлов оборудования, находящихся в поднятом или неустойчивом положении. Только после этого можно отключать электрическое и пневматическое питание, обязательно удостоверившись в том, что давление в системе полностью сброшено.
1. Свойства воздуха
Рабочим телом для исполнительных устройств электропневмоавтоматики служит сжатый воздух, представляющий собой смесь из азота и кислорода (по объему примерно 78% и 21%, соответственно) и других газов, содержащихся в небольших количествах (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.
Основными и наиболее распространенными параметрами сжатого воздуха являются температура, давление и удельный объем (или плотность).
Давление представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.
Атмосфера Земли на ее поверхности развивает давление в одну физическую атмосферу. Давление, отсчитываемое сверх величины атмосферного давления, называется избыточным или манометрическим и указывается в технических характеристиках пневматических устройств.
Полное давление равно сумме избыточного и атмосферного давления:
Полное давление газа пропорционально его абсолютной температуре Т и концентрации молекул n, которую можно определить как отношение;
, где N- число молекул, находящихся в сосуде; V- объем сосуда.
Давление р газа равно: .
Коэффициент пропорциональности представляет собой постоянную Больцмана, равную: .
Чаще известен объем V сосуда и масса т заключенного в нем воздуха. В предположении, что воздух является идеальным газом (отсутствует межмолекулярное взаимодействие), давление р внутри сосуда может быть определено по формуле Клапейрона: , где R - универсальная газовая постоянная (для воздуха R=287 Дж/кг•К), которая равна внешней работе, совершаемой при постоянном давлении одним килограммом воздуха при нагревании его на 1 градус; Т-температура в градусах Кельвина (абсолютная температура).
Нулевая температура по Цельсию в физике
.
Если концентрация газа в сосуде равна нулю, то полное давление в таком сосуде тоже равно нулю. Можно считать, что на поверхности Земли сосуд обладает некоторой потенциальной энергией, так как весь окружающий ею воздух находится под атмосферным давлением и, входя в сосуд, может совершить работу.
Так работают многие вакуумные устройства, например, вакуумные приводы, вакуумные присоски и т.п. Говорят, что эти устройства работают на разрежение.
Сосуд будет также обладать потенциальной энергией, если давление газа внутри него будет больше атмосферного (т.е. ри>0). Здесь газ также может совершить работу, но уже при выходе из сосуда в атмосферу, т.е. привести в действие устройства, работающие на нагнетание.
Поскольку большинство устройств промышленной электропневмоавтоматики работает на нагнетание, а магистральное давление существенно больше атмосферного, при расчете усилий удобно пользоваться избыточным давлением. В термодинамических расчетах пользуются полным давлением. В системе СИ единицей измерения давления служит паскаль (Па). Паскаль равен давлению, вызываемому силой в 1Н (ньютон), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2 (I Па = 1 Н/м2). Соотношения между единицами давления приведены в таблице 2.
2. Основные термодинамические законы
Во многих случаях уравнения состояния идеальных газов в пневмоавтоматике можно использовать с достаточной точностью и для реальных газов.
Бойлем в 1662 г. в Англии, а затем независимо от него Мариоттом в 1676 г. во Франции было установлено, что если газ занимал некоторый первоначальный объем V0 и имел давление ро, то после сжатия до объема V1 его давление p1, при условии, что температура газа не изменяется (изотермический процесс), повысится до величины, при которой произведение начального объема и давления будет равно произведению конечного объема и давления (рисунок 1,а);
.
Французским ученым Ж. Шарлем в 1787 г. было установлено, что если газ занимает постоянный объем (изохорный процесс), то при увеличении или уменьшении первоначальной температуры газа внутри постоянного объема первоначальное давление, соответственно, увеличится или уменьшится пропорционально изменению температуры (рисунок 1,б): , откуда
.
При неизменном давлении (изобарный процесс) нагревание или охлаждение первоначального объема газа приводит, соответственно, к возрастанию или уменьшению объема пропорционально изменению температуры в градусах Кельвина: .
Это было установлено Ж. Гей-Люссаком в 1802 году.
При адиабатном процессе нет теплообмена между системой и окружающей средой. Приближенно можно считать адиабатным процесс в нетеплоизолированной системе, если он осуществляется столь быстро, что теплообмен между системой и окружающей средой практически не успевает происходить. Адиабатный процесс описывается уравнением где k - показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении р к теплоемкости газа при постоянном объеме V.
Изотермический, изобарный, изохорный и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса (от греч. многообразный). Этот процесс описывается уравнением где n - показатель политропы: при n=k - процесс политропный; при n=0 - процесс изобарный; при n=1-изотермический; при n=±?-изохорный.
3. Истечение сжатого воздуха через отверстие
Основными соотношениями, необходимыми для описания работы пневматических устройств, являются соотношения, описывающие законы движения воздуха. Принимается, что воздух является идеальной жидкостью, т.е. такой жидкостью, в которой частицы перемешаются одна относительно другой без трения. Предположим, что движение установившееся и свойства жидкости в данном сечении остаются постоянными, т.е. давление и температура не изменяются. Обозначим через c, p, g, ?, z, соответственно, скорость движения жидкости, давление, ускорение силы тяжести, плотность жидкости и высоту над плоскостью отсчета. Уравнение Бернулли в дифференциальной форме, выражающее закон сохранения энергии, записывается в виде:
.
Интегрирование этого уравнения дает выражение закона движения жидкости: .
Величина Н - постоянная интегрирования, представляет собой полный напор, развиваемый движущейся жидкостью. Он равен сумме напоров скоростного, пьезометрического и геометрического. Учитывая низкую плотность воздуха, величиной z обычно пренебрегают. Поэтому.
.
Для идеальной жидкости запас энергии в каждом сечении потока остается неизменным. У реальных жидкостей, имеющих трение, запас энергии от сечения к сечению по направлению потока убывает. Уравнение для реальной жидкости между двумя произвольными сечениями потока имеет вид:
.
Обычно гидравлические потери Н12 принимают пропорциональными изменению кинетической энергии, т.е.
, где величина ? называется коэффициентом гидравлических потерь; с - средняя скорость в сечении потока.
В случае истечения воздуха из резервуара с достаточно большими размерами (рисунок 2) скоростью воздуха перед отверстием можно пренебречь и тогда .
Рисунок 2
Величина называется коэффициентом скорости.
В каналах пневматических сопротивлений скорость течения воздуха сравнительно велика, и поэтому, с достаточной степенью точности можно считать, что теплообмен между протекающим воздухом и стенками канала отсутствует и, следовательно, истечение происходит по адиабатическому закону. Поэтому, можно записать: , где k - показатель адиабаты; ?, ?1- плотности воздуха в различных сечениях.
.
Массовый расход воздуха где F-площадь сечения А-А; ?2-плотность воздуха в сечении А-А.
.
В полученном выражении за плотность воздуха в сечении отверстия площадью F принята плотность в среде, куда происходит истечение.
На самом деле плотность воздуха в этом сечении иная. Выравнивание плотности воздуха в струе с плотностью воздуха окружающей среды происходит в сечении Б-Б, расположенном на некотором расстоянии от отверстия. При этом площадь сечения Б-Б меньше площади отверстия F. Отношение сжатого сечения к расчетному называют коэффициентом сжатия струи. Произведение коэффициента сжатия на коэффициент скорости называют коэффициентом расхода?
Рисунок 3
На практике приходится рассчитывать расход воздуха не для отверстия с тонкими стенками, а для различных видов дросселирующих сопротивлений, имеющих более сложную конфигурацию, В этих случаях коэффициент расхода определяют экспериментально, и он является поправочным коэффициентом, учитывающим геометрию дросселя.
Расход (рисунок 3) имеет максимальное значение при
.
Показатель адиабаты k для воздуха равен 1,4, следовательно, ?кр= 0,528.
Момент равенства ?=?кр соответствует в канале дросселирующего сопротивления скорости течения воздуха, равной скорости звука. Экспериментально показано, что если в дальнейшем понижать давление р2, то расход Gm не увеличится, а останется постоянным. Поэтому, в случае докритического течения (?? ?кр), пользуются формулой
, а в случае надкритического течения (?< ?кр) - формулой
.
Для расчета расхода воздуха часто пользуются более простой формулой где ,рі -давление в полости до подводящего отверстия; рі-1-давление в полости за подводящим отверстием; Gkp - критическое значение массового расхода, определяемое по формуле
, где d-диаметр подводящего отверстия.
Максимальная погрешность при таком определении расхода равна 3,4%. пневматический автоматика термодинамический
Список литературы
1. Электропневмоавтоматика в производственных процессах: Учебное пособие; под редакцией Е.В. Пашкова. - 2-е издание, переработанное и дополненное. - Севастополь: издательство СЕВНТУ, 2003. -496с., ил.