Пневмодвигатель – это исполнительный механизм в пневматической системе, видоизменяющий энергию сжатого воздуха в механическую работу. Если пневмодвигатель осуществляет возвратно-поступательный ход поршня, он называется пневмоцилиндром. Пневмоцилиндры делятся условно на транспортирующие и зажимные. Транспортирующие обладают большей длиной хода и являются основой движения различных устройств перемещения. Зажимные составляют часть силового привода зажимных, фиксирующих, переключающих устройств. Отдельно можно отметить ударные приводы, используемые в штамповочных, прошивочных, маркировочных, чеканочных и других устройствах с ударным действием. В целом, силовые возможности пневматических цилиндров применяют в машиностроении, приборостроении, металлообработке, литейно-сварочном производстве и иных отраслях, использующих пневматические системы управления.
Одним из наиболее часто встречающихся в современном производстве технологических процессов является процесс сортировки изделий по различным признакам, в котором, в свою очередь, применяются автоматизированные системы перемещения грузов, использующие в качестве исполнительных устройств пневмоцилиндры разнообразного технического исполнения. Очевидно, что если предприятие занимается выпуском разнообразной продукции, например, в пищевой индустрии, то при сортировке готовой продукции одна и та же автоматизированная линия может использоваться для перемещения совершенно разных по массе упаковок. Нагрузка на исполнительные механизмы в этом случае должна быть рассчитана и не превышать ограничений, оговорённых в технических условиях.
Настоящее исследование ставило перед собой вопрос: возможно ли увеличение нагрузки на технологической линии, например, при перестройке производства на другой ассортимент с увеличением его массы, и на сколько можно увеличить нагрузку на шток пневмоцилиндра без потери равномерности хода.
Известно, что максимальная масса объекта, который может переместить пневмоцилиндр, зависит от рабочего давления этого пневмоцилиндра и диаметра рабочей поверхности. Для регулировки скорости используют дроссели. Возможны две разные схемы расположения дросселей с обратным клапаном при регулировании скорости хода штока пневмоцилиндра:
- регулирование расхода при подаче воздуха в цилиндр (при этом расход воздуха на сброс не ограничивается);
- регулирование расхода при сбросе воздуха из цилиндра (при этом расход воздуха на подачу не ограничивается).
Тем не менее, масса объекта, с которым взаимодействует пневмоцилиндр, также оказывает влияние на скорость движения штока, что необходимо учитывать, например, если она критически влияет на общую продолжительность технологического процесса. На данный момент проблема влияния нагрузки на скорость решается путем обеспечения такой мощности, что скорость будет постоянной при работе с заранее определенным диапазоном нагрузок, а ту мощность, которая выходит за данный диапазон считают не рекомендуемой величиной.
Наиболее распространенной скоростью штока является диапазон 0.33-0.41 м/с, а минимально допустимым является 0.08-0.1 м/с, при меньшей скорости могут возникнуть неравномерность хода и вибрация.
Определение силы пневмоцилиндра осуществляется по формуле [Алексеев : 35]:
F=P×S
где: P – давление; S – площадь поперечного сечения цилиндра.
Данная формула позволяет определить с какой нагрузкой может работать пневмоцилиндр на указанной скорости при постоянном давлении.
Очевидно, что при превышении нагрузки шток будет выдвигаться медленнее, но всё равно продолжит движение. Возникает вопрос: на сколько можно превысить нагрузку, рассчитанную по формуле, так чтобы скорость не опустилась ниже минимально допустимой.
Предлагается ввести в формулу повышающий коэффициент:
F_max=P×S×µ
где: P – давление; S – площадь поперечного сечения цилиндра; - повышающий коэффициент.
Таким образом, необходимо провести ряд испытаний и наблюдений для определения повышающего коэффициента и максимально возможной нагрузки, с которой может работать пневмоцилиндр без неравномерности хода и вибраций.
Исследование проводилось на лабораторном пневматическом стенде СПУ-УН-13-26ЛР-01. Были собраны и испытаны три схемы, представленные на рисунках 1 – 3, с различными вариантами установки дросселей, используемых для регулирования скорости.
Рисунок 1 – Дроссельное регулирование скорости пневмопривода установкой дросселей в линиях нагнетания и выхлопа
Рисунок 2 – Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии выхлопа
Рисунок 3 – Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии нагнетания
По каждой схеме были проведены следующие виды измерений: многократные равноточные измерения времени полного выдвижения штока пневмоцилиндра (средство измерения – секундомер); однократное измерение расстояния, преодолеваемого штоком (средство измерения – линейка). Расстояние было решено измерить однократно, так как шток выдвигается всегда до своего конечного положения, оно не меняется, и в процессе работы измерить его технически не представляется возможным ввиду очень быстрого движения (см. значения скоростей). Результаты измерений обработаны стандартным методом по
ГОСТ Р 8.736-2011 [Ткалич : 46].
Результаты измерений и расчётные данные представлены в таблице 1:
Таблица 1 – Результаты обработки экспериментальных данных
| Наименование физической величины | Схема 1 Дроссельное регулирование скорости пневмопривода установкой дросселей в линиях | |||
| Без груза | С грузом 1 кг | |||
| Время нагнетания t, сек | 2,15±0,15 | 2,43±0,11 | ||
| Время выхлопа t, сек | 2,17±0,25 | 1,77±0,12 | ||
| Скорость штока при нагнетании υ, м/с | 0,072±0,005 | 0,064±0,003 | ||
| Скорость штока при выхлопе υ, м/с | 0,072±0,008 | 0,0846±0,0024 | ||
| Наименование физической величины | Схема 2 Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии выхлопа | |||
| Без груза | С грузом 1 кг | |||
| Время нагнетания t, сек | 0,18±0,08 | 0,53±0,04 | ||
| Время выхлопа t, сек | 2,17±0,25 | 1,77±0,12 | ||
| Скорость штока при нагнетании υ, м/с | 0,691±0,108 | 0,3±0,06 | ||
| Скорость штока при выхлопе υ, м/с | 0,071±0,008 | 0,085±0,0024 | ||
| Наименование физической величины | Схема 3 Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии нагнетания | |||
| Без груза | С грузом 1 кг | |||
| Время нагнетания t, сек | 2,15±0,15 | 2,43±0,11 | ||
| Время выхлопа t, сек | 0,39±0,14 | 0,312±0,107 | ||
| Скорость штока при нагнетании υ, м/с | 0,072±0,005 | 0,064±0,003 | ||
| Скорость штока при выхлопе υ, м/с | 0,41±0,17 | 0,52±0,24 | ||
Результаты экспериментов представлены также на графиках (рисунки 4 – 6):
Рисунок 4 – Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линиях нагнетания и выхлопа
Рисунок 5 – Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линии выхлопа
Рисунок 6 – Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линии нагнетания
По результатам проведённого исследования можно сделать следующие выводы: при сохранении постоянного давления добавление массы привело к падению скорости выдвижения штока на 58% при регулировании в линии нагнетания, на 20.38% при регулировании в линии выхлопа от рабочей скорости пневмоцилиндра, но при этом скорость не опустилась ниже минимально необходимой.
Следовательно, можно сказать, что при рекомендуемой техническими характеристиками данного оборудования нагрузке в 0.31 кг пневмоцилиндр смог справиться с нагрузкой в 1 кг, и при этом его скорость не опустилась ниже допустимой.
Важно отметить, что проведённое исследование не следует считать окончательным для вывода точного повышающего коэффициента, так как необходимо понять каков интервал изменения нагрузки, особенно важно знать максимальное её значение до потери способности штока к выдвижению.
Автором также не проводились прочностные расчёты, то есть влияние повышенных нагрузок на долговечность работы пневмоцилиндра и не рассматривался экономический аспект, связанный с одной стороны с возможным уменьшением срока службы оборудования, но с другой стороны возможностью его использования в условиях быстро меняющейся конъюнктуры и перенастройки технологических процессов. Эти вопросы будут целью дальнейших научных и экспериментальных исследований.
Список литературы
Алексеев В. В., Маклаков Л. И. Курс общей физики : учеб. пособие. В 2-х томах. Т. 1. Механика. Электродинамика. Колебания и волны. Казань: изд-во Казанск. гос. архитект.- строит. ун-та, 2013. 126 с.
Всероссийский инженерный портал. Новости приводной техники и промышленной автоматизации [сайт]. URL: http://privod.news. (дата обращения: 04.05.2022).
Прокопов М. Г. Конструкции элементов пневмоагрегатов: учеб. пособие. Сумы: Сумский государственный университет, 2015. 148 с.
Ткалич В. Л., Лабковская Р. Я. Обработка результатов технических измерений : учебное пособие. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. 72 с.