Методические указания для самостоятельного изучения дисциплины гидравлические и пневматические системы
план-конспект занятия по теме

Раздел 3 Гидросистемы. Физические основы функционирования.

3.1 Рабочие жидкости гидроприводов.

Жидкость гидросистем летательных аппаратов должна удовлетворять следующим требованиям:

1.  Хорошие смазывающие свойства по отношению к применяемым материалам трущихся (скользящих) пар.

2. Минимальная зависимость вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур.  Важной    характеристикой жидкости является также температура ее застывания, которая несмотря на условный характер определяет потерю текучести, а следовательно, и возможность транспортировки и слива жидкости в   холодное время года. За температуру застывания жидкости обычно принимают температуру, при которой расход жидкости через стеклянную трубку с внутренним диаметром 5 мм составляет менее 1 см3/мин при перепаде давления 0,070 кГ/см2.

3.  Малая упругость насыщенных паров и высокая температура кипения. Техническими требованиями на высокотемпературные жидкости для гидросистем сверхзвуковых  самолетов   предусматривается  начало кипения жидкости   не ниже 200° С,   температура   вспышки — не ниже 180° С и температура самовоспламенения — не менее 300° С.

В состав жидкости не должны входить легкоиспаряющиеся компоненты, потеря которых может привести при продолжительной эксплуатации к повышению вязкости (к загустеванию) жидкости, что способствует возникновению кавитации в насосе.

4.  Нейтральность к применяемым материалам и малое абсорбирование воздуха, а также легкость его отделения.

Особую важность имеет требование, чтобы рабочая (жидкая) среда отрицательно не влияла на материал уплотнительных устройств. Допускается, чтобы твердость испытуемого резинового образца после воздействия масла не изменялась больше чем на ± 4—5 единиц по Шору. В равной мере разница между начальным и конечным объемами образца, выражаемая в процентах к первоначальному объему, не должна превышать в конце испытания ± 3%.

5.  Высокая устойчивость к механической и химической деструкции и к окислению в условиях применяемых температур, а также длительный срок службы. Понижение температуры не должно вызывать расслаивания жидкости и выделения из нее составных компонентов в виде осадков или кристаллов.                        

6.  Высокий объемный модуль упругости, а также высокие коэффициенты теплопроводности и удельной теплоемкости   и малый коэффициент теплового расширения.

Кроме того, жидкость не должна быть токсичной и должна обладать высокими теплоизолирующими и диэлектрическими свойствами.

Для многих случаев применения жидкости важной характеристикой является также ее огнестойкость, т. е. способность не воспламеняться под воздействием тепла. С этой точки зрения жидкости характеризуются показателями по температурам вспышки и самовоспламенения, причем под температурой вспышки понимается минимальная температура, при которой жидкость загорается от поднесенного к ее поверхности внешнего пламени, а под температурой самовоспламенения — температура, при которой при соответствующей обогащенности смеси паров жидкости и воздуха в закрытой емкости может произойти воспламенение смеси без внешнего пламени. В частности, высокие требования по температуре самовоспламенения предъявляются к жидкостям, применяющимся в гидросистемах авиадвигателей, температуры в которых достигают 530—540° С. Поэтому применение минеральных масел при высоких температурах ограничивается способностью их к самовоспламенению (пожарной опасностью). В частности, для масляной смеси АМГ-10 температура самовоспламенения не превышает 92—105° С.

Следует отметить, что пожароопасность прямо не связана с температурами вспышки и самовоспламенения жидкости, или, иначе говоря, температуры вспышки и самовоспламенения не изменяются взаимосвязанно. Некоторые жидкости, имеющие более низкую температуру вспышки, обладают более высокой температурой самовоспламенения; например, керосин имеет температуру самовоспламенения более высокую, чем смазочные масла.

Для уменьшения пожарной опасности при применении минеральных жидкостей необходимо исключить возможность попадания их в случае неисправности или разрушения трубопроводной магистрали системы на разогретые части авиадвигателя и на электрические провода.

Кроме того, все линии гидросистемы в огнеопасных зонах должны быть защищены специальными устройствами, замыкающими (блокирующими) трубопровод в случае разрушения, либо трубопроводы рекомендуется устанавливать в обход опасных в пожарном отношении зон. Учитывая опасность, могущую возникнуть при разрушении трубопроводов при высоких температурах жидкости, кабины экипажа, пассажиров и грузовые отсеки должны быть максимально разгружены от гидроагрегатов и трубопроводов путем применения гидроагрегатов с дистанционным управлением.

Требованиям  пожарной безопасности наиболее полно удовлетворяют синтетические жидкости, которые можно назвать пожаростойким, так как они способны не гореть при возможных для конкретных условий высоких температурах и не распространять огня.

Применяемые жидкости

Для самолетных гидросистем, работающих в диапазоне температур ±60° С, вязкость жидкости должна находиться в пределах 8—1500 сст. Для систем же, предназначенных для работы в условиях более высоких температур, вязкость жидкости должна составлять ~3,5 сст при температуре 210°С и 2500 сст при — 50°С (вязкость воды при 20°С  равна 1 сст).

Температура застывания масла должна быть не менее чем на 10—17° С ниже наименьшей температуры окружающей среды, в условиях которой будет эксплуатироваться гидросистема.

В авиационных гидросистемах распространены масляная смесь АМГ-10 (ГОСТ 6794—53) и масло МВП (ГОСТ 1805—51). Смесь АМГ-10 получается путем выделения узкой керосиновой фракции с началом кипения не ниже 200° С. Эта фракция подвергается кислотной и земельной очистке и затем загущается виниполом ВБ-2 до требуемой вязкости и подкрашивается жировым красителем в красный цвет. Жидкость АМГ-10 пригодна для применения в открытых гидравлических системах в диапазоне температур от —60 до +150° С и в закрытых системах (или системах, заполненных азотом) от —60 до +175° С. При более высоких температурах жидкость АМГ-10 вступает в реакцию с кислородом воздуха и разлагается с выделением смолистых осадков, нарушающих функционирование гидросистемы.

Авиационные масла АМГ-10 и МВП могут работать без замены в течение двух и более лет.

В некоторых случаях при низких температурах применяют также спирто-глицериновую смесь, состоящую по объему из 70% химически чистого глицерина, 20% этилового спирта и 10% кипяченой воды, однако эта смесь обладает плохими смазочными и защитными (против коррозии) свойствами.

Высокотемпературные жидкости

В связи с расширением температурного диапазона, в котором работают гидросистемы летательных аппаратов, а также с повышением рабочих давлений минеральные масла и их смеси зачастую не удовлетворяют новым требованиям. Опыт показывает, что эти жидкости пригодны для работы в условиях температур не выше 150°С даже при ограничении срока службы. Однако и при этой температуре резко увеличивается интенсивность их окисления, ввиду чего практическим пределом для них является температура 120°С. Эту температуру можно повысить до 180—200°С, применив в гидросистемах инертные газы.

По сведениям, приводимым в иностранной техической печати, некоторыми фирмами разработаны минеральные масла, пригодные для работы (при отсутствии контакта их с воздухом) в диапазоне температур от—49°С (—56° F) до +316°С  (+600°F).

Высокие температуры приводят к образованию в жидкости кислоты, повышающей коррозию соприкасающегося с ней металла, способствуют полимеризации жидкости и образованию в ней смол, ускоряют испаряемость легких фракций жидкости. Кроме того, повышение температуры сопровождается повышением давления насыщенных паров жидкости, что способствует возникновению кавитации. Масла, изготовленные на нефтяной основе, при высокотемпературных условиях (выше 150°С) становятся взрыво- и пожароопасными.

На некоторых летательных аппаратах зачастую затруднена или невозможна смена рабочей жидкости, поэтому для них большое значение приобретает ухудшение с течением времени характеристик рабочих жидкостей, обусловленное их старением и разложением, а также укрупнением твердых частиц, загрязняющих жидкость. Одной из причин укрупнения загрязняющих частиц, является слипание (коагуляция) некоторых компонентов рабочей жидкости при длительном ее хранении. Этот процесс ускоряется, если жидкость подвергается вибрациям.

В связи с этими недостатками в условиях высоких температур (150°С и выше) следует применять вместо минеральных синтетические жидкости. Практика показывает, что из существующих синтетических жидкостей наилучшей является полисилоксановая, которая имеет высокие температурно-вязкостные характеристики, низкую упругость насыщенных паров, высокие механическую прочность и устойчивость против окисления. Кроме того, эта жидкость является огнестойкой. Полисилоксановые жидкости отличаются стабильностью вязкостных характеристик по времени работы. Испытания показали, что вязкость такой жидкости после 500 час работы при дросселировании давления до 150 кГ/см3 и при температуре 60° С уменьшилась всего па 2%, тогда как вязкость масляной гидросмеси при работе в этих же условиях понизилась на 50%.

Особенности применения полисилоксановых жидкостей

Полисилоксановые жидкости растворяют все существующие пластификаторы синтетических каучуков. Поэтому уплотнительные кольца, изготовленные из этих каучуков, становятся хрупкими и растрескиваются, в результате чего гидроагрегаты неизбежно теряют герметичность. Большое влияние на этот процесс оказывает температура, повышение которой с 60 до 90° С может ускорить потерю эластичности каучука в десятки раз.

Синтетические жидкости, и, в частности, силиконовые их марки, обладают более высокой, чем минеральные жидкости, способностью растворять воздух и газы. По зарубежным данным, распространенная в США силиконовая жидкость «Силкодэйн Н» при комнатной температуре растворяет при повышении давления на одну атмосферу до 22% воздуха от ее объема.

Следует указать, что синтетические жидкости, и, в частности, жидкости на кремнийорганической основе, склонны, как и все жидкости с низкими поверхностными силами натяжения, к пенообразованию, образуя к тому же, как правило, очень стойкую пену. Поэтому при применении этих жидкостей необходимо полностью устранять контакт ее с воздухом и газом и в особенности при повышенных давлениях.

При применении в гидросистемах разнородных жидкостей необходимо устранять возможность смешивания и контакта синтетических жидкостей с другими по физической основе жидкостями, так как при этом могут образовываться студенистые и порошкообразные осадки.

Полисилоксановые жидкости обладают вследствие недостаточной прочности сцепления с твердыми поверхностями также плохими смазывающими свойствами, поэтому многие материалы, из которых изготовляются в настоящее время скользящие пары гидроагрегатов, практически не пригодны для работы с этими жидкостями. В частности, плохо работают сталь по стали и сталь по чугуну.

Полисилоксановые жидкости обладают также высокой текучестью, усложняющей герметизацию гидроагрегатов. В частности, при использовании этих жидкостей практически невозможно герметизировать без специального мягкого (эластичного) уплотнения стык двух металличеких поверхностей.

Жидкие металлы

Ввиду того, что температуры, при которых приходится работать гидросистемам гиперзвуковых летательных аппаратов, непрерывно повышаются (в иностранной печати встречаются высказывания, что к 1980 г. они достигнут значения 800° С) считается перспективным применение в качестве рабочих жидкостей жидких металлов, в частности, щелочных металлов. Эти жидкости отличаются высоким модулем объемной упругости, большой теплопроводностью, высокой радиационной и термической стойкостью.

Такими металлическими жидкостями являются, например, американский эвтектический сплав, состоящий из 77% натрия и 23% калия и представляющий собой серебристый металл, похожий по внешнему виду на ртуть. Точка плавления сплава около —12°С, точка кипения (при атмосферном давлении) ~850°С. Легирование сплава цезием позволяет понизить его точку плавления. Плотность сплава сравнима с плотностью распространенных жидкостей и составляет 0,875 г/см3 при температурах 20°С, 0,7 г/см3 — при температуре 750°С. Модуль объемной упругости 52500 кГ/см2 при температуре 38°С и 15750 кГ/см2 при температуре 540°С.

Вязкость сплава приведена ниже:

Сплав обладает плохими смазывающими свойствами и подобно прочим щелочным металлам активно реагирует с кислородом и водяными парами. Физико-химические свойства сплава сохраняются при длительной эксплуатации в условиях температур 800°С.

Основными американскими конструкционными материалами для изготовления гидроагрегатов для работы с этим сплавом являются различные карбиды и титановые сплавы, а также покрытия этими материалами. Хорошо зарекомендовали себя сплавы на серебряной основе, которыми, в частности, покрываются (наплавляются) рабочие кромки клапанов.

Физические свойства жидкостей

Наиболее важными физическими свойствами жидкостей являются плотность, сжимаемость и вязкость, а для жидкостей, применяемых в гидроприводах, еще и смазывающая способность, физическая,   механическая   и   химическая   стабильность.

Платностью жидкости ρ называют массу т, содержащуюся в единице объема V,

ρ = т/V,

где т — масса, кг; V — объем, м3.

Плотность воды ρ = 1000 кг/м3, минеральных масел ρ = 830÷970 кг/ м3 (для практических расчетов можно принять ρ = 900 кг/м3), керосина ρ = 740 кг/м3, воздуха при давлении 1,013 МПа (760 мм рт. ст.) и температуре 0 °С     ρ = 1,29 кг/м3. Плотность жидкости при изменении давления и температуры изменяется  незначительно.

Удельным весом γ жидкости называют вес G, содержащийся в единице объема V; согласно закону Ньютона G = mg, где g — ускорение свободного падения тела, м/с2.

Удельным объемом жидкости (газа) называют объем занимаемый единицей массы жидкости (м3/кг)

V= V/m = 1/ρ.

Сжимаемостью жидкостей и газов называют свойство жидкости изменять свой объем при изменении давления. Сжимаемость жидкостей характеризуется коэффициентом изотермического объемного сжатия

β=ΔV/(Vo·Δp),

где Vo — начальный объем, м3; ΔV — изменение объема, м3; Δр — изменение давления. Па.

Величину, обратную коэффициенту изотермического объемного сжатия, называют модулем упругости жидкости Е, Для воды Е = 2,3·109 Па; для минеральных масел Е = (1,37÷1,92)·109 Па. Сжимаемость капельных жидкостей учитывают только при высоких давлениях.

Силы поверхностного натяжения действуют на поверхность жидкостей. В трубках малого диаметра дополнительное давление, обусловленное поверхностным натяжением, вызывает явление подъема (или опускания) жидкости относительно нормального уровня, называемого капиллярностью. С явлением капиллярности приходится сталкиваться при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости.

Вязкостью называют свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Внутреннее трение жидкостей и газов характеризуется коэффициентами кинематической υ или динамической μ вязкости, которые связаны следующим соотношением (м2/с):

υ = μ/ρ.

Динамическая вязкость измеряется в паскаль-секундах (Па·с). Кинематическая вязкость измеряется в стоксах (cт) (1cт = 1 м2/с);                    1 м2/с= 1·106 сcт (сантистокс).

Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры. С увеличением температуры вязкость уменьшается. Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Такие явления объясняются тем, что в жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость возрастает с ростом температуры, так как интенсивность беспорядочного движения молекул увеличивается с повышением температуры. С увеличением давления вязкость капельных жидкостей возрастает, но при давлениях меньше 10 МПа изменением вязкости обычно пренебрегают.

В практике вязкость капельных жидкостей определяют прибором вискозиметром.

К жидкостям, применяемым в гидроприводах, предъявляют дополнительно следующие требования: они должны иметь высокий индекс вязкости, хорошую смазывающую способность, а также физическую, механическую и химическую стабильность при хранении и эксплуатации.

Индекс вязкости характеризует степень постоянства вязкости жидкости при изменении температуры, чем выше индекс вязкости жидкости, тем более пологой является кривая вязкости. Наилучшей жидкостью является такая, у которой вязкость стабильна в интервалах рабочих температур.

Физической стабильностью жидкости называется способность жидкости длительно сохранять свои первоначальные физические свойства (вязкость, плотность, смазывательную способность) при работе на высоких давлениях и дросселировании с большим перепадом давления.

Механической стабильностью называется способность жидкости работать при значительной вибрации без расслоения на компоненты.

Химической стабильностью называется устойчивость жидкости к окислению кислородом воздуха. При окислении, особенно при высоких температурах, из жидкости выпадает осадок в виде смолы и коксоподобных веществ, которые, попадая в зазоры гидроаппаратов,   парализуют  их  работу.

Кавитация жидкости

Это явление заключается в образовании в жидкости местных областей, в которых происходит выделение (вскипание) парогазовых пузырьков — каверн с последующим их разрушением (в результате конденсации паров и смыкания пузырьков), сопровождающимся высокочастотными гидравлическими микроударами и высокими забросами давления.

Кавитация может возникнуть в трубопроводах, в насосах, а также во всех устройствах, где поток жидкости подвергается поворотам, сужениям с последующим расширением (в кранах, клапанах, вентилях, диафрагмах)  и прочими деформациями.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях оказывает разрушающее действие на ее агрегаты.

Особенно отрицательное действие оказывает кавитация на насосы, в которых она возникает тогда, когда жидкость при ходе всасывания отрывается по тем или иным причинам от поверхности рабочего элемента насоса (поршня, лопасти, зубьев или прочих вытеснителей). Возможность такого отрыва зависит от величины давления жидкости на входе в насос и ее вязкости, а также от числа оборотов насоса и конструктивных его особенностей. В частности, такое явление наступит, если давление на входе во всасывающую камеру насоса окажется недостаточным для того, чтобы обеспечить неразрывность потока жидкости в процессе изменения скорости ее движения, задаваемой изменением скорости движения (ускорением) всасывающего элемента насоса. Предельно допустимым числом оборотов насоса является такое число, при котором абсолютное давление жидкости на входе в насос будет способно преодолеть без разрыва потока сумму потерь в нем. В случае шестеренного и лопастного насосов к рассмотренным внутренним потерям на всасывании насоса добавляются потери, обусловленные центробежной силой.

С появлением кавитации производительность насоса понижается, возникает характерный шум, происходит эмульсирование жидкости а также наблюдаются резкие частотные колебания давления в нагнетательной линии и ударные нагрузки на детали насоса, которые могут вызвать выход насоса из строя.

В зонах кавитации происходит разрушение (эрозия) деталей гидроагрегата с образованием на их поверхностях характерных повреждений  (в виде раковин).

О природе явления кавитации и о механизме разрушительного действия ее на гидравлические агрегаты и их элементы существует несколько гипотез, наиболее распространенная из которых сводите к следующему. При понижении давления в какой-либо точке потока жидкости до величины ниже давления насыщенных ее паров при данной температуре жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделившиеся же пузырьки пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового пузырька (каверны) происходит мгновенно, частицы жидкости, заполняющие его полость, перемещаются к его центру с большой скоростью. Теоретические расчеты показывают, что скорости встречи стенок смыкающегося пузырька (каверны) могут достигать сотен м/сек. В результате кинетическая энергия соударяющихся частиц жидкости вызывает в момент завершения конденсации (в момент смыкания пузырьков) местные гидравлические удары, сопровождающиеся резкими забросами давления и температуры в центрах конденсации. Теоретические подсчеты показывают, что местный заброс давления при скоротечном (за время —0,001 сек) разрушении (смыкании) кавитационного пузырька может достигать 2000—3000 кГ/см2.

Если конденсация паровых пузырьков будет происходить у стенки, канала, то она будет подвергаться непрерывным гидравлическим ударам с высокой повторяемостью со стороны частиц жидкости. В результате при длительной кавитации под действием указанных гидравлических ударов и одновременном воздействии высокой температуры, развивающейся в центрах конденсации в результате этих ударов, на этой поверхности стенки за непродолжительное время образуются микроскопические углубления (эрозия).

Способы борьбы с кавитацией 

Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное снижение в зонах возможной кавитации разрежения, которое может быть достигнуто за счет повышения окружающего давления. В частности, одним из способов является повышение уровня давления в гидросистеме и в особенности в ее ненапорных   магистралях   за счет постановки     на     выходе     подпорных     клапанов.

Основным в борьбе с кавитацией применительно к насосам является создание на всасывании (на входе в насос) такого давления, которое было бы способно преодолеть без разрыва потока жидкости как гидравлические потери во всасывающей линии, так и инерцию массы столба жидкости.

Для уменьшения потерь давления во всасывающем трубопроводе насос необходимо устанавливать как можно ближе к резервуару и по возможности ниже уровня жидкости в нем, а также уменьшать количество местных гидравлических сопротивлений на пути течения жидкости от резервуара к насосу.

Часто насосы погружают в масло, благодаря чему устраняется возможность подсоса воздуха через неплотности в соединениях его деталей. Однако при этом усложняется наблюдение за насосом и затрудняется его демонтаж. Очевидно, что обеспечить указанное выше условие бескавитационной работы не всегда представляется возможным и в особенности при высотных полетах самолета, при которых давление в баке без искусственных средств повышения его может значительно понизиться.

Для обеспечения бескавитационных условий работы насосов применяют различные конструктивные усовершенствования. В частности, для повышения давления на всасывании применяют дополнительные насосы подкачки или наддув воздухом (газом) баков с рабочей жидкостью. Кроме того, для этой цели можно использовать кинетическую энергию потока сливной магистрали гидросистемы с помощью различных сопел и эжекторов.

3.2 Гидростатика и гидродинамика.

Гидростатическое давление. Силы, действующие на частицы жидкости, подразделяются на поверхностные и массовые. Массовые силы пропорциональны массе жидкости. Это силы тяжести и силы инерции, которые они сообщают единице массы.

Сила F, действующая на единицу площади S по нормали к поверхности, ограничивающей бесконечно малый объем внутри покоящейся жидкости, называется гидростатическим давлением р

р=F/S

Основное уравнение гидростатики. Гидростатическое давление (Па) в любой точке жидкости складывается из давления на ее свободную поверхность и давления столба жидкости, высота которого равна расстоянию от этой точки до свободной поверхности,

р= р0 + ρ·g·h,

где р0 — давление на свободную поверхность жидкости, Па; ρ — плотность жидкости, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2; h — высота столба жидкости над данной  точкой, м.

Из этого уравнения следует, что внешнее давление р0 на свободную поверхность жидкости передается в любую точку жидкости равномерно (закон Паскаля).

Гидростатическое давление называется полным или абсолютным рабс, а величина ρgh, входящая в уравнение гидростатики избыточной ризб. Избыточное давление измеряется манометрами или пьезометрическими трубками, Если давление на поверхность жидкости равно атмосферному, a ρgh показывает превышение давления над атмосферным, которое называют избыточным, или манометрическим (рман), то

рабс= рб + рман 

Когда давление меньше атмосферного, измерительный прибор показывает разрежение (вакуум) pвак:

рабс= рб - рвак 

Единицей измерения избыточного (манометрического) давления и вакуума служит паскаль (Па), равный ≈0,00001 атмосферного давления.

Давление на плоскую стенку. При расчетах на прочность различных гидромеханических устройств возникает необходимость определения давления жидкости на стенку и дно этих устройств.

Гидростатическое давление жидкости на дно сосуда измеряется высотой столба жидкости:

ризб = ρgh 

Полная сила (Н), действующая на плоскую стенку, равна произведению гидростатического давления в центре тяжести стенки на смоченную площадь

F = ( р0 + ρ·g·hцт)·S,

в открытом сосуде при р0 = 0 полная сила давления (Н) (рис. 3.1, а, б)

р= ρ·g·hцт ·F.

где hцт  — глубина погружения центра тяжести площади, м; S — смоченная площадь стенки, м2.

Точка приложения силы F называется центром давления. Центр давления обычно лежит ниже центра тяжести стенки. Для прямоугольной стенки, например, центр тяжести находится на расстоянии половины высоты от основания, а центр давления — на  расстоянии   одной  трети   высоты.

Рис. 3.1. Схема давления жидкости на стенку

Давление на криволинейную стенку. Частным случаем криволинейной стенки являются стенки цилиндрических резервуаров, котлов,  труб  и т.  д.  (рис.  3.1, в).

Полная сила давления (Н), действующая на цилиндрическую поверхность

,

где Fх — горизонтальная составляющая, равная силе давления жидкости на вертикальную проекцию цилиндрической поверхности

Fх = ρ·g·hцт ·Sверт

Fy — вертикальная составляющая силы давления, равная силе тяжести в объеме тела давления  V.

Fу = ρ·g·V.

Объемом тела давления V называется объем жидкости, ограниченный сверху свободной поверхностью жидкости, снизу — рассматриваемой криволинейной поверхностью, а с боков — вертикальной поверхностью, проведенной через периметр, ограничивающий стенку. Направление полной силы давления F определяется углом,   образуемым  вектором  F с   горизонтальной   плоскостью

tg β = Fу /Fх.

Для цилиндрического резервуара с вертикальной осью вертикальная составляющая Fу равна нулю, поэтому полная сила (Н) давления на боковую поверхность равна Fx:

.

Закон Архимеда. На любое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная силе тяжести жидкости, вытесненной этим телом,

F = ρ·g·V,

где F — выталкивающая (архимедова) сила, Н; V — объем погруженной части тела, м3; ρ — плотность, кг/м3; g — местное ускорение свободного падения, м/с2.

Произведение ρ·V называют водоизмещением. В зависимости от соотношения между силой тяжести тела и силой тяжести вытесненной им жидкости возможны три состояния тела.

1.  Сила тяжести   тела   больше   силы   тяжести   вытесненной жидкости:

G > ρ·g·V.

Такое тело будет тонуть.

2.  Сила тяжести тела равна силе тяжести вытесненной жидкости:

G = ρ·g·V.

В этом случае тело будет плавать.

3.  Сила тяжести тела меньше силы тяжести выстененной жидкости:

G < ρ·g·V.

При таком  соотношении  тело  будет  всплывать.

Давление жидкости на стенки труб и резервуаров. Определим силу давления F жидкости на стенку трубы круглого сечения (рис. 3.1, г) длиной l с внутренним диаметром d.

Стенки трубы подвергаются давлению жидкости или газа, находящегося в ней. Сила сопротивления стенок трубы должна уравновешивать силы, вызываемые давлением жидкости на стенки.

Пренебрегая массой жидкости в трубе, составим уравнение равновесия:

p·l·d = Fx = Fy= F,

где F — искомая сила давления жидкости на стенку трубы, Па; ld — площадь сечения трубы,  м2.

Под действием силы Fx, труба может разорваться по двум сечениям разрыва, как показано на рисунке, причем на каждое сечение приходится сила Fx / 2,  

Fx = 2·δ·l·σ.

Тогда   ;    ,

где δ — толщина стенки, м.  

Из курса сопротивления материалов известно, что для обеспечения прочности фактическое напряжение о в материале не должно превышать допускаемого [σ],    т. е. σ ≤ [σ]. Тогда          

откуда                          

где     [σ] — допускаемое    напряжение    материала    стенок    на разрыв, Па.

Гидростатические машины

Гидравлический пресс. Согласно закону Паскаля внешнее давление р0, приложенное к свободной поверхности жидкости в замкнутом сосуде, передается в любую точку жидкости без изменения. Передача силы давления возможна наверх, вниз, вокруг узлов, а также на большие дистанции, а также возможно управление направлением силы давления и движения.

На этом законе основано действие гидравлического пресса, также гидроприводов любых машин и станков. Принцип действия гидравлического пресса используют также в гидравлических домкратах, которые служат для подъема грузов.

Гидравлический пресс (рис. 3.2) состоит из рычага 1, большого цилиндра 3, в котором движется поршень диаметром D и малого цилиндра 2, в котором движется поршень диаметром d. Малый цилиндр 2 соединен с насосом, с помощью которого в большой цилиндр 3 накачивается рабочая жидкость, обычно масло. Поршень малого цилиндра 2 приводится в движение с помощью рычага второго рода с плечами а и b. Если приложить к концу рычага силу F, то на малый поршень d и значит, на жидкость под ним будет действовать некоторая сила F1 Величина этой силы по закону рычага второго рода равна

F1 = F ·(b/а),

а давление р, созданное в жидкости, от малого поршня

р = 2·F1 /π·d2,

π·d2 — сечение малого поршня S1.

Это давление через насос и соединительный трубопровод по закону Паскаля передается, как внешнее, на большой поршень, причем сила F2 действующая на большой поршень,

F2  = F (b/а)·(D/d)2.

Фактическая сила, сжимающая груз, вследствие трения в системе будет несколько меньшей. Это учитывается введением в формулу КПД пресса

 F2  = η·F· (b/а)·(D/d)2,

где η —коэффициент полезного действия, равный 0,8÷0,85.

Рис. 3.2. Гидравлический пресс

Гидравлические аккумуляторы в гидросхемах  предназначены для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением. Применение гидравлических     аккумуляторов необходимо:

1) когда в системе гидропривода в течение коротких периодов времени необходим большой расход жидкости, превышающей подачу насоса;

2) при неработающем насосе, когда накопленная потенциальная энергия аккумулятора используется для обеспечения кратковременной работы силового органа, например, в устройствах управления или для создания определенной силы для зажима заготовки и т. п.

Применение гидравлических аккумуляторов в системе гидропривода при периодическом неравномерном расходе жидкости позволяет уменьшить расчетную мощность насоса и повысить КПД привода в целом. Мощность, развиваемая гидродвигателями (например, гидроцилиндрами), часто превышает при применении аккумулятора установленную мощность насоса в 15—20 раз. Существуют гидроаккумуляторы: грузовые с упругим корпусом, ппевмогидроаккумуляторы без разделителя, с разделителем, мембранный пневмогидроаккумулятор, баллонный пневмогидроаккумулятор.

Гидродинамика

Установившееся движение — это такое движение жидкости, при котором скорость потока и гидродинамическое давление в любой точке не изменяются во времени. Примером установившегося движения может быть течение жидкости из отверстия резервуара при постоянном напоре.

Неустановившимся движением называют движение жидкости, при котором скорость движения и давление в данной точке изменяются во времени. Примером неустановившегося движения является течение жидкости из отверстия резервуара при переменном напоре.

При решении практических задач предполагают, что поток движущейся жидкости состоит из отдельных элементарных струек, не меняющих своей формы. Кривая, касательная к векторам скорости движения частиц жидкости, называется линией тока. Если в движущейся жидкости выделить бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки провести линии тока, соответствующие данному моменту времени, получится как бы трубчатая непроницаемая поверхность, называемая трубкой тока. Масса жидкости, движущейся внутри трубки тока, образует элементарную струйку. Скорости и площади поперечных сечений струек в различных живых сечениях могут меняться, однако произведение скорости отдельных частиц струйки υ на площади их поперечного сечения F остается постоянным. Совокупность элементарных струек, представляющая собой непрерывную массу частиц, движущихся по какому-либо направлению, образует поток жидкости. Поток может быть ограничен твердыми стенками.

Живым сечением потока S называют поперечное сечение потока, перпендикулярное к направлению движения и ограниченное его  внешним контуром.

Потоком (расходом) Q называют объем жидкости, проходящей в единицу времени через живое сечение потока. Объемный поток измеряют в м3/с, м3/ч, л/с. Иногда пользуются понятием массового потока G (кг/с):

G =γ·Q,

где γ — удельный вес жидкости, кг/м3.

Смоченным периметром П называют длину контура живого сечения, на которой жидкость соприкасается с твердыми стенками.

Гидравлическим радиусом R называют отношение площади S живого сечения потока к смоченному периметру П (м): R=S/П

Средней скоростью потока v (м/с) называют частное от деления потока Q на площадь его живого сечения S:

v=Q/S

Так как жидкость несжимаема, а стенки русла жесткие и поток неразрывен, то поток ее Q, равный произведению скорости движения на площадь живого сечения, — величина постоянная:

Q  = v1·S1 = v2·S2 =v·S = const;

v1/ v2= S2/ S1 , — уравнение неразрывности потока.

Следовательно, при установившемся движении жидкости средние скорости потока обратно пропорциональны площадям живых сечений.

Гидродинамика. Уравнение Бернулли.

Основным уравнением гидродинамики, определяющим связь между давлением и скоростью в движущемся потоке жидкости, является уравнение Бернулли. Для двух произвольных поперечных живых сечений 1, 2 (рис. 3.3) элементарной струйки идеальной жидкости можно записать следующее уравнение энергетического баланса (м):

где Z — геометрический напор, высота положения частицы жидкости над плоскостью отсчета, м; p/ρ·g — пьезометрический напор, представляющий собой полный запас потенциальной энергии 1 кг жидкости, м; v2/2·g — скоростной напор, представляющий собой удельную кинетическую энергию 1 кг жидкости, м; H — напор, м.

Таким образом, при установившемся движении идеальной жидкости для любого сечения справедливо уравнение

Это уравнение называется уравнением Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Для потока реальной вязкой жидкости необходимо учитывать потери напора, на участке от первого до второго сечения потока, которые складываются из потерь на трение (линейные потери) hл и потерь на  местные сопротивления hм (м):

hпот = hл + hм

В практических расчетах учитывают различие в скоростях по сечению потока, при этом расчетное значение удельной кинетической энергии потока получается несколько меньше действительного. Это обстоятельство учитывается введением поправочного коэффициента α, определенного опытным путем. Тогда уравнение Бернулли для потока реальной жидкости записывают в следующем виде:

где α1 и α2 — коэффициенты Кориолиса.

Уравнение Бернулли является основным уравнением гидродинамики, в котором в математической форме записан закон сохранения энергии.

Рис.  3.3.   К схеме  уравнений   Бернулли

Режимы движения жидкости. Число Рейнольдса.

Предположение о существовании двух режимов движения жидкости было высказано русским ученым Д. И. Менделеевым еще в 1880 г., и в 1883 г. было подтверждено экспериментально английским  ученым   О.   Рейнольдсом.   Рейнольде  пропускал  воду через стеклянные трубки (разного диаметра). Регулируя скорость движения воды в них кранами 1 и 5 (рис. 3.4), по тонкой трубке 3 в стеклянную трубку 4 подводилась окрашенная жидкость из сосуда 2. Средняя скорость движения v (м/с) в трубке 4 с площадью живого сечения S определялась по объему воды V, поступившей в сосуд 6 за время t (с): v=V/S·t.    Для     поддержания постоянного напора использовалась сливная трубка 7.

Рис. 3.4.   Схема экспериментальной установки   Рейнольдса

Опыт показал, что при малых скоростях движения воды в трубке 4 окрашенная жидкость движется в виде тонкой струйки внутри нее, не перемешиваясь с водой (ламинарный режим). При больших скоростях движения воды струйка окрашенной жидкости размывается (турбулентный режим). Переходная скорость движения от одного режима к другому называется критической. Основным критерием служит безразмерный параметр Re — число  Рейнольдса:

Re=υ·d/v

где v — средняя скорость потока, м/с; d — диаметр трубы, м; υ — кинематический коэффициент вязкости, м2/с.

Значение числа Рейнольдса Re = 2300 называют критическим. В круглых гладких трубах при Re < 2300 режим движения ламинарный, при Re > 2300 — турбулентный.

Гидравлические сопротивления

При движении реальной жидкости в трубе часть гидродинамического напора расходуется на преодоление линейных hл  и местных hм гидравлических сопротивлений.

Линейные сопротивления hл (Н/м2) определяют по формуле Дарси

,

где λтр — коэффициент трения по длине; l — длина трубы, м; d — диаметр трубы,, м; v — скорость движения в выходном сечении трубы, м/с; ρ — плотность, кг/м3.

Для ламинарного движения жидкости коэффициент сопротивления λтр определяется по формуле Пуазейля.

λтр=64/Re  (для воды),    λтр=75/Re (для мин. масла)

Полная потеря напора в трубопроводе   h=hл + Σhм Н/м2.

Расчёт маслопровода.

Для расчёта маслопровода должны быть известны его длина l и поток жидкости Q. Потеря давления и внутренний диаметр трубы являются искомыми величинами. Тогда, зная поток жидкости и выбрав соответствующую скорость жидкости в трубе, определяют диаметр отверстия трубы и затем потерю давления.

Различают простые и сложные трубопроводы, а также трубопроводы большой и малой протяженности. Гидроаппаратуру (клапаны, золотники, дроссели, реле и др.) соединяют, как в электрических схемах, последовательно, параллельно или в последовательно-параллельные группы. При последовательном соединении поток жидкости на всем пути остается постоянным, а давление меняется по длине трубопровода. При параллельном соединении перепад давления для каждого участка постоянен, а поток жидкости определяется обратно пропорционально их сопротивлениям.

Гидросистемы станков обычно имеют трубопроводы малой протяженности, поэтому наибольшая доля потерь падает на местные сопротивления.

Линейные потери давления (потери на трение) учитываются в том случае,  когда l > l00·d.

Потери энергии при движении жидкости в прямой трубе определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

hдл ,

где hдл — потеря   напора  по длине,   м.

Эту же потерю напора можно выразить в единицах давления:

,

где Δр — потери давления, Па; hдл — потери напора, м; λ — коэффициент сопротивления трения по длине; l — длина трубы, м; d — диаметр трубы, м; v — средняя скорость движения жидкости в выходном сечении трубы, м/с; g — ускорения силы тяжести,  м/с2;  ρ — плотность жидкости  (газа),  кг/м3.

В гидравлических расчетах наиболее сложным является определение коэффициента сопротивления λ  по длине трубопровода. Для определения потерь напора обычно пользуются таблицами удельных   потерь   давления.

При ламинарном режиме (Re < 2300) для минерального масла λ = 75/Re, где Re — число Рейнольдса.

При турбулентном режиме (2300 < Re < I05) для медных и латунных труб λ  = 0,316· Ra0,25,  для   стальных труб λ=0.06·(Ra/d)0.314

где Ra — шероховатость стенок труб  1,0—0,8 мкм. Средняя скорость жидкости    (м/с)

v=(4·Q)/(π·d2)

где Q — поток жидкости, м3/с.

В трубопроводах малой протяженности (l <100·d), скорость масла в трубопроводе увеличивают до 6—7 м/с, в остальных случаях ее   уменьшают  до 3—3,5 м/с. В трубопроводах   всасывания   скорость   уменьшают до  1 —1,3 м/с.

Внутренний диаметр трубопровода (м) определяют по формуле

,

где Q — поток масла, м3/с, см3/с; v — скорость масла, м/с.

Толщину стенок труб определяют по уравнению

,

где δ — толщина стенки трубы, м; р — давление в трубе, Па; d — внутренний диаметр трубы, м; k — коэффициент безопасности; [σ] — допускаемое напряжение, Па.

Выбор труб для монтажа в гидросистемах станков производят по ГОСТ 8733—74 и ГОСТ 8731—74 (трубы стальные холоднотянутые и горячекатаные). Сортамент труб определяют по стандарту. Трубы   монтируют   с   помощью   различного   рода   соединений.

Раздел 4 Элементная база гидроприводов

4.1 Энергообеспечивающая подсистема.

Гидравлические и пневматические системы

Введение

Гидравлика — наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости, а также методы практического применения этик законов. Законы гидравлики используются при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений, гидравлических машин, расчете трубопроводов и т. д.

Первые, очень важные результаты исследований в области гидравлики связаны с именем древнегреческого ученого Архимеда (287—212 гг. до н. э.), открывшего закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. Однако после. Архимеда на протяжении почти   1700 лет гидравлика не получила  заметного развития.

Новый этап в развитии гидравлики наступил в эпоху возрождения. Здесь следует отметить работы голландского ученого Стенина (1548—1620 гг.), давшего правила определения силы давления на дно и стенки сосудов; итальянского ученого Торричелли (1608—1647 гг.), исследовавшего свойства текущей жидкости и открывшего закон истечения Жидкости из отверстия в сосуде; французского математика и физика Паскаля (1623—1662 гг.), сформулировавшего закон о передаче жидкостью давления, оказываемого   на   ее   поверхность.

В XVII—XVIII вв. были установлены важнейшие законы гидромеханики. Открытие законов механики Ньютоном (1643— 1727 гг.) создало необходимую базу для изучения законов движения жидкостей. Ньютон разработал основные теории внутреннего трения жидкостей, развитой в дальнейшем его последователями, в том числе русским ученым Н. П. Петровым (1836—1920 гг.). Разработанная им теория получила название гидродинамической теории смазки.

Великие ученые —Леонард Эйлер (1707—1783 гг.) и Даниил Бернулли (1700—1782 гг.) — установили основные законы и вывели важнейшие уравнения гидромеханики. Следует, однако, отметить, что уравнения Бернулли и Эйлера носят главным образом теоретический характер и относятся к идеальной жидкости.

В XIX в., в период бурного развития техники, гидравлика развивается главным образом как прикладная наука,  которая строит свои выводы на основе рассмотрения упрощенных схем гидравлических явлений. В ходе соответствующих экспериментов.

Место, занимаемое гидравлическими системами в оборудовании летательных аппаратов.

Из различных видов вспомогательных силовых систем наибольшее распространение на летательных аппаратах получили электрические и объемные гидравлические системы. Области применения этих систем на летательных аппаратах четко разграничены: гидравлические системы в основном используются как силовые устройства и приводы (по аналогии с человеком — «мышечная» система), а электрические — как командные устройства («нервная» система).

Гидравлические агрегаты и устройства применяются на современных летательных аппаратах настолько широко, что многие из этих аппаратов буквально ими насыщены. В качестве примера можно привести данные по самолету В-70 («Валькирия», США). На этом самолете имеется четыре автономных гидравлических системы, в каждой из которых имеется по три насоса, рассчитанных на работу при давлении 280 кГ/см2 и температуре жидкости от —54 до +230° С. Общая потребляемая насосами мощность составляет 2000 л. с. В гидросистемах насчитывается 85 гидравлических двигателей (силовых цилиндров) прямолинейного поступательно-возвратного и 44 — вращательного движения; 120 клапанов с электромагнитным приводом переменного тока и 50 клапанов с механическим приводом. Протяженность трубопроводов составляет 1600 м, в трубопроводах насчитывается 3300 паяных соединений и 600 механических. Емкость баков в гидросистемах составляет 800 л.

Большая насыщенность гидроагрегатами наблюдается также и на самолетах меньшего, чем у самолета В-70, тоннажа.

Мощность, потребляемая гидросистемами современных сверхзвуковых транспортных самолетов среднего тоннажа достигает 1000 л. с, причем из них — 400 л. с. затрачивается на управление агрегатами ТРД.

В настоящее время гидравлические системы применяются в системах управления летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, управляемых снарядов и др.). в механизмах поворота крыла или двигателя на самолетах с вертикальным взлетом, для уборки и выпуска шасси, тормозных щитков, изменения формы и геометрии крыла, управления двигателями и воздушными винтами, реверса тяги двигателей, в качестве привода для топливных насосов, электрогенераторов и воздушного компрессора для привода бортовой холодильной установки, спецоборудования на самолетах сельскохозяйственной авиации, радиолокационных установок и установок вооружения, для запуска авиадвигателей и в системах заправки самолетов топливом в воздухе и других целях.

Особо следует отметить рациональность применения гидравлических приводов в качестве стартеров для запуска основных двигателей. В большинстве подобных систем насос основной гидравлической системы, работая от наземной установки, превращается в стартер, раскручивающий основной двигатель до оборотов, соответствующих режиму его малого газа (примерно 5000 об/мин), после чего насос-стартер автоматически переключается на насосный режим. Согласно сообщению американской печати, применение гидравлического запуска для основных двигателей позволило уменьшить вес самолета В-70 на 172 кг.

Применение гидравлических систем упрощает во многих случаях оборудование современных летательных аппаратов. Например, применение гидравлической системы для привода топливных насосов позволяет размещать последние в топливных баках и, следовательно, улучшать охлаждение насосов.

Гидравлические системы незаменимы в системах наводки в радарных поисковых установках с самонаведением, к быстродействию которых предъявляются особо высокие требования.

Возможность получения вращающих моментов большой величины при малых габаритах и весе гидравлических моторов обеспечили им широкое применение в системах управления многих типов летательных аппаратов.

Гидравлические приводы нашли применение для регулирования скорости электрогенераторов переменного тока при возможных колебаниях скорости приводных двигателей.

Широкое применение гидравлические системы нашли также в разного рода наземном оборудовании, обслуживающем летательные аппараты, как-то в системах заправки топливом, в подъемниках, лебедках и транспортерах, установках для запуска управляемых снарядов и проч.

Преимущества гидравлических приводов.

Широкое применение гидравлических приводов на современных летательных аппаратах обусловлено преимуществами этих приводов, основными из которых являются малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности. Последний параметр часто оценивается также весовой отдачей (удельной мощностью), под которой понимается отношение мощности к весу.

Габариты современного гидравлического ротативного мотора составляют всего лишь 12—13% габаритов электродвигателя той же мощности; вес насосов и гидравлических моторов составляет от 10 до 20% веса электрических агрегатов подобного назначения такой же мощности. В частности, вес гидравлического насоса, работающего при числах оборотов —3000 в минуту и давлениях 200—250 кГ/см2, не превышает 0,20 кг на 1 квт мощности (удельная мощность составляет 5 квт/кг).

Следует отметить, что приведенные значения веса и объема (габаритов) гидравлических агрегатов не являются минимально предельными. Продолжаются дальнейшие работы по увеличению удельной мощности (снижению веса на единицу мощности) гидроагрегатов. Последнее обусловлено тем, что выигрыш в весе гидроагрегата дает значительный выигрыш в общем весе летательного аппарата. Так, например, каждый килограмм перетяжеления насоса или иного гидроагрегата влечет за собой по расчетам увеличение веса конструкции самого аппарата и его двигателя, а также увеличение веса топлива по отношению к самолетам на 6—8 кг (в случае сохранения их летных характеристик и прочности неизменными).

Чрезвычайно важным параметром, и в особенности применительно к следящим приводам, является высокий показатель по отношению вращающего момента гидравлического   мотора   к его инерции, благодаря чему они отличаются высоким быстродействием. Испытания показывают, что при реверсе ротативного гидравлического мотора мощностью 5 л. с. время реверса и набора скорости до 2500 об/мин противоположного направления вращения составляет 0,03—0,04 сек.

Высоким быстродействием отличаются также и насосы. Так, например, время, в течение которого расход современного авиационного насоса изменяется (регулируется) от нулевого до максимального значения, не превышает 0,04 сек, а от максимального до нулевого — 0,02 сек.

Высокая приемистость и малое запаздывание при отработке командных сигналов, свойственные гидроприводу, особенно важны для быстродействующих следящих механизмов, в частности для приводов управления летательным аппаратом в воздухе.

Преимуществом гидравлических приводов является также возможность непрерывного (бесступенчатого) регулирования выходной скорости и осуществления высокой степени ее редукции, а также плавность, равномерность и устойчивость движения, большой срок службы и высокий к. п. д. Кроме того, в гидравлических системах конструктивно проще осуществляется защита их от чрезмерно высоких перегрузок и обеспечивается демпфирование автоколебаний. Вместе с тем гидроприводы просты в изготовлений и обладают высокими коммутационными качествами, а также могут обслуживаться персоналом низкой квалификации и работать в любых климатических и температурных условиях.

Гидравлические приводы отличаются надежностью и долговечностью (срок службы насосов и гидромоторов доведен до нескольких тысяч часов под нагрузкой). Так, например, по техническим условиям ряда иностранных фирм надежность самолетной гидросистемы должна быть такой, чтобы количество отказов в полете не превышало девяти на миллион полетов продолжительностью по 4,5 часа, причем на 100 полетов длительностью по 4,5 часа на гидросистему приходилось не более 11 ремонтных работ. Проводятся работы по дальнейшему повышению надежности гидросистем. Так, например, для облегчения контроля за работой гидросистемы в полете на некоторых тяжелых самолетах применены специальные подвижные пульты, указатели которых отмечают уровень жидкости в резервуарах, превышение нормальной температуры, давление жидкости на выходе из насосов и в гидроаккумуляторах, положение кранов управления и прочих ответственных клапанов.

Гидравлические двигатели вращательного движения отличаются от электрических жесткостью скоростных характеристик под нагрузкой, а также допускают неограниченную по времени работу при сколь угодно малых скоростях, сохраняя при этом постоянство заданных характеристик зависимости угловой скорости от нагрузки.

Особенности технических требований к гидравлическим системам современных летательных аппаратов

В связи с усложнением авиационной техники и повышением скоростей полета сверхзвуковых летательных аппаратов возросли требования к гидравлическим устройствам в соответствии с особенностями новых условий их работы, основными из которых являются высокие температуры внутри летательного аппарата, обусловленные в основном кинетическим нагревом его обшивки при полетах на этих скоростях, а также теплом, выделяемым силовыми двигателями, и теплом, развивающимся при работе гидравлических агрегатов.

Согласно литературным данным, максимальные температуры жидкости гидросистемы самолета при скоростях полета, соответствующих числам 2,2 М и 2,7 М, соответственно равны — 130 и 200° С. Температура рабочей жидкости в гидросистеме самолета В-70 достигает при скорости полета, равной трем скоростям звука, 230°С, а температура в местах размещения агрегатов гидросистемы 300°С. Одновременно с этим отрицательная температура окружающей среды может достигать в отдельных точках конструкции самолета —55 °С .

На рис. 1 представлено температурное поле, характеризующее зоны кинетического нагрева конструкции транспортного самолета при скорости полета, равной ЗМ.

В некоторых же летательных аппаратах имеют место более высокие температуры. Так, например, температуры внутри космических аппаратов, обусловленные аэродинамическим нагревом достигают 540°С и выше. Согласно же данным, опубликованным в американской печати, температура в некоторых ракетах при возвращении их из орбитрального полета может достигать 980° С.

Рис.  1. Распределение   температур   в   различных зонах   конструкции   самолета   с  полетной   скоростью ЗМ

Однако, если даже исходить из реальных требований сегодняшнего дня, можно заключить, что в ближайшее время должны быть созданы гидросистемы, пригодные для работы в условиях температуры окружающей среды 250° С и температуры жидкости 200° С.

Следует отметить, что при оценке влияния температур критическим фактором является не температура окружающей среды, а рабочая температура жидкости и самих гидроагрегатов. Ввиду этого в ряде стран, в частности в США, под высшей температурой нагрева гидросистемы принято понимать максимальную установившуюся температуру гидроагрегатов.

В наиболее напряженных температурных условиях находятся гидросистемы авиадвигателей, а также насосы и силовые цилиндры, поскольку они обычно размещаются в наиболее горячих зонах самолета, к тому же сам насос выделяет большое количество тепла. В результате эти агрегаты на некоторых самолетах уже в настоящее время работают при температурах окружающей среды 500° С и выше.

Из приведенного следует, что во многих случаях применения гидросистем, и в особенности в гидросистемах авиадвигателей, температурные условия становятся настолько жесткими, что существующие гидроагрегаты и многие применяющиеся материалы и рабочие жидкости становятся непригодными. Так, например, по мнению зарубежных специалистов, для гидросистем космических летательных аппаратов потребуются новые рабочие жидкости, которыми техника в настоящее время не располагает. В связи с этим в ряде стран исследуются возможности применения в гидросистемах жидких металлов и расплавленных солей.

Особые требования предъявляются к гидросистемам такого типа летательных аппаратов, как беспилотные летательные аппараты и управляемые снаряды, а также летающие испытательные станции для испытаний этих снарядов. Такие требования обусловлены тем, что отказ гидросистемы на пилотируемом летательном аппарате в большинстве случаев можно компенсировать ручным управлением, хотя бы и с некоторыми ограничениями, тогда как на беспилотных летательных аппаратах вышедшее из строя гидравлическое оборудование, как правило, не может быть восстановлено или заменено.

Для гидросистем управляемых снарядов и ракет больше, чем для самолетных гидросистем, имеют значение габариты и вес гидроагрегатов, в том числе вес рабочей жидкости, поэтому они зачастую работают на повышенных давлениях. Системы этих аппаратов, как никакие другие, работают в весьма тяжелых условиях: при больших ускорениях и вибрациях.

Для таких аппаратов считается необходимым требованием готовность к действию (к полету) после продолжительного его хранения. Для этого необходимы такие рабочие жидкости, которые сохраняли бы свои качества (характеристики) в течение этого срока, в частности, жидкости, стойкие против разложения и старения, а также несклонные в результате вибраций к кристаллизации. В течение этого срока должны также сохранять свои характеристики резиновые уплотнительные устройства, пневмогидравлические аккумуляторы и различные регулирующие устройства и аппаратура.

Высокие требования к надежности гидросистем летательных аппаратов выдвигают с одной стороны требование обеспечения таких условий изготовления гидроагрегатов и монтажа их на летательном аппарате, при которых была бы исключена возможность попадания в них мельчайших посторонних твердых частиц, с другой — создание надежных средств очистки рабочих жидкостей в гидросистемах.

Такие требования обусловлены в основном тем, что в связи с высокими давлениями значительно уменьшены зазоры в гидроагрегатах, уже в настоящее время они не превышают нескольких микрон; кроме того, с повышением температуры уменьшается толщина граничной смазочной пленки рабочей жидкости до долей микрона, поэтому резко повышаются требования к допустимому размеру частиц, удаляемых из рабочей жидкости фильтрами. Если для самолетов дозвуковых скоростей удовлетворительными считались фильтры, удаляющие из жидкости частицы в 3—5 мк, то для новых условий необходимо удалять частицы размером меньше одного микрона.

Перечисленные вопросы, возникающие при создании надежных гидравлических систем современных летательных аппаратов, не исчерпывают всего многообразия проблем, с которыми конструктору приходится сталкиваться при разработке гидромеханизмов, отвечающих требованиям новой авиационной и ракетной техники.

Создание новых гидроагрегатов должно быть основано не на базе интуиции конструктора, как это зачастую происходит в настоящее время, а на базе глубоких знаний, которые позволили бы создать модель гидроагрегата для исследования и определения его оптимальных конструктивных параметров.

Уже в настоящее время на ряде передовых промышленных предприятий внедряют математическое моделирование, которое предоставляет широкие возможности для обоснованного выбора оптимальных схем гидромеханизмов и рациональной компоновки их узлов.

Раздел 1

Пневмосистемы. Физические основы функционирования

1.1Особенности пневматического привода. Основные параметры и свойства газов.

Пневматические приводы широко используют во многих отраслях промышленности, в частности, при автоматическом управлении технологическими процессами непрерывного действия в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, сельском хозяйстве, а также при автоматизации повторяющихся цикловых процессов (пуска, контроля, регулирования и остановки приводов различного технологического оборудования, манипуляторов и других устройств в машиностроении, металлургии, угольной и других отраслях промышленности). Применение пневматического привода и средств пневмоавтоматики объясняется относительной простотой конструкции пневматических устройств и их обслуживанием, быстродействием привода и легкостью осуществления  автоматизации.

Таблица 1. Условные обозначения некоторых гидравлических

и пневматических устройств (ГОСТ 2.780—68—ГОСТ 2.782   68)

Пневматические силовые приводы имеют весьма низкий коэффициент полезного действия, во многих случаях этот коэффициент не превышает 1%. Быстродействие систем пневмоавтоматики не может идти в сравнение с быстродействием электронных систем управления и средств автоматизации, так как ограничено не скоростью света, а скоростью звука. Низкое быстродействие пневматических средств ограничивает создание развитых вычислительных устройств пневмоавтоматики. Тем не менее пневматические приводы и средства пневмоавтоматики широко применяют благодаря следующим своим особенностям.

1.  Использование в качестве рабочей среды привода и средств автоматики сжатого воздуха обеспечивает пожаро- и взрывобезопасность  автоматизированного оборудования.

2.    Высокая надежность и долговечность пневматических средств автоматизации. Так, срок службы пневмосистем достигает 10—15 лет при многомесячной и круглосуточной работе автоматизированного оборудования в межремонтный период, который может быть 8—12 месяцев.

3.  Способность пневмоприводов и систем пневмоавтоматики работать в запыленной, влажной и коррозионных средах, а также в электромагнитных и радиационных полях.

4.  Пневматические приводы не требуют сливных линий, мало чувствительны к внешним динамическим ударам и способны переносить неограниченно длительные перегрузки и полное стопорение без поломок.

Рис. 2. Система подготовки воздуха

5. Простота конструкций пневматического привода обеспечивает невысокую стоимость как изготовления, так и обслуживания.

Пневматический привод лучше, чем другие виды привода, приспособлен к эксплуатации в особо тяжелых условиях, когда во время рабочего процесса возможно частое реверсирование, внезапные остановки, резкие колебания внешней нагрузки, сопровождаемые динамическими ударами и вибрациями.

В воздухе всегда имеется некоторое количество водяного пара, который при определенных условиях может выделяться из воздуха и конденсироваться на рабочих поверхностях пневматических устройств. Возможное количество влаги (водяного пара) в воздухе (масса водяного пара, приходящаяся на 1 м3 воздуха) зависит от температуры и давления. С повышением температуры максимально возможное количество влаги, которое может содержаться в воздухе (допустимое насыщение воздуха водяным паром), увеличивается, а с понижением температуры — уменьшается. Или другими словами, с повышением температуры относительная влажность (отношение массы водяного пара в единице объема к максимально возможной его массе в том же объеме при той же температуре и том же давлении) уменьшается, а при понижении температуры — увеличивается. Если при уменьшении температуры относительная влажность будет больше 100%, то из воздуха выпадет конденсат. Повышение давления воздуха сопровождается увеличением его влажности и повышением температуры.

При расширении сжатого воздуха не только понижается температура, но и увеличивается возможность выделения конденсата. Для безотказной работы пневматических систем осуществляют подготовку воздуха. В систему подготовки воздуха (рис. 2) входят компрессор 1, на всасывающей линии которого установлен фильтр 2 с целью предохранения компрессора от преждевременного изнашивания в результате попадания пыли. Воздухозаборник 3 устанавливают вдали от источников загрязнения воздуха.

Сжатый компрессором воздух охлаждается обычно водяным холодильником 4. При охлаждении из воздуха выделяется 70— 80% влаги и со 100%-ной относительной влажностью сжатый воздух собирается в ресивере 5. Ресивер аккумулирует запасы сжатого воздуха и сглаживает пульсации давления. В ресивере также конденсируется некоторое количество влаги, которое по мере накопления автоматически удаляется через вентиль 6. Предохранительный клапан 7, установленный на ресивере, ограничивает повышение давления в ресивере при выходе из строя системы автоматики 8, которая управляет работой электродвигателей компрессоров.

При достижении верхнего установленного давления контактный манометр 9 отключает электродвигатели 10 и включает их при уменьшении давления до нижнего установленного предела. Далее установлен маслоотделитель 11, влагоотделитель 12, в которых отделяется из воздуха масло и влага, оставшиеся после конденсации их большей части в холодильнике и ресивере. Давление в воздушной линии устанавливается и поддерживается с помощью регулятора давления 13. Часто перед распределительным коллектором 15, направляющим воздух к приводам, устанавливают дополнительный ресивер 14 меньшей емкости, чем ресивер 5.

Силовые пневматические приводы автоматизированного оборудования обычно работают при давлении питания 0,4—1 МПа. Для систем и устройств пневмоавтоматики применяют, кроме указанного, еще два диапазона давления: низкий (0,0012— 0,005 МПа) и средний или нормальный (0,118—0,175 МПа). Давление низкого диапазона используют для питания струйной пневмоавтоматики и питания мембранных вычислительных устройств.

Питание пневматических устройств в низком диапазоне давлений может осуществляться от вентилятора, который не вносит масла в воздух, или с использованием эжектора (рис. 3). Воздух из воздушной системы 1 высокого давления поступает через маслоотделитель 2 и водоотделитель 3 к регулятору давления 4, предназначенному для настройки и поддержания постоянного давления перед питающим соплом 5. Струя воздуха, поступающая из питающего сопла в приемное сопло 6 большего диаметра, чем питающее сопло 5, увлекает за собой часть окружающего воздуха из корпуса. В корпусе между соплами 5 и 6 создается разрежение, и в него устремляется атмосферный воздух через фильтр 7. За счет добавки атмосферного воздуха общий расход воздуха значительно возрастает. Далее воздух, пройдя тканевый фильтр 8, поступает в систему управления 10. Манометр 9 служит для контроля давления воздуха, поступающего в систему, например, струйной пневмоавтоматики.

Рис. 3. Питание пневматических устройств с использованием эжектора

Воздух, применяемый в качестве рабочего тела в пневматических системах, представляет собой сжимаемую среду, и при его движении появляются силы трения. Движение его может быть установившимся или неустановившимся. При установившемся движении скорость, давление, плотность, температура, т. е. величины, определяющие состояние воздуха в каждой точке потока, не меняются во времени, а при неустановившемся движении они изменяются с течением времени. Движение частиц воздуха в потоке, так же как и жидкости, может быть слоистым, когда они не смешиваются между собой. Такое движение, как известно, называют ламинарным, а в случае, когда происходит перемешивание частиц между слоями, движение называют турбулентным.                                                                

Состояние воздуха, как и всякого находящегося в равновесии газа, во многих случаях с достаточной для практики точностью  можно  описать   уравнениями   Клайперона—Менделеева:

p vy , = RT или р = pRT,                        

где р — давление газа; vy — удельный объем, т. е. объем, приходящийся на 1 кг массы газа этого объема; Т — абсолютная температура; R — газовая постоянная; ρ — плотность воздуха, ρ  = l/ vy.

Изменение состояния воздуха, как рабочей среды пневматического привода, происходит при одновременном изменении параметров (давления, температуры и удельного объема), но часто можно выделить параметр, который в меньшей степени изменяется,   и   рассматривать   следующие  процессы,   происходящие:

а) при неизменном объеме — изохорический процесс:

vy  = const,   р/Т = const;

б) при   неизменной   температуре — изотермический   процесс:

Т = const,   p vy  = const;          

в) при  неизменном давлении — изобарический Процесс:

р = const,   vy /T = const;

г) при отсутствии обмена энергией между потоком воздуха и  внешней средой — адиабатический  процесс:

pvyk = const,

где k — показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа ср при постоянном давлении к теплоемкости cv при постоянном объеме, для воздуха k = 1,40.

Теплоемкостью называют количество энергии, необходимое для нагревания газа массой 1 кг на 1 К. Для воздуха при температуре 273,15 К (0 °С) и давлении 0,1 МПа ср = 1,005 кДж/(кг• К); cv  = 0,716 кДж/(кг•К).

Работа расширения, совершаемая 1кг воздуха при нагревании его с постоянным давлением на 1 К, есть газовая постоянная:

R = ср — св = 1,005 — 0,716 = 0,289 кДж/(кг•К).

В силовых пневматических приводах давление и объем в рабочих полостях чаще всего величины переменные, поэтому изохорный и изобарный процессы в редких случаях могут быть использованы для расчетов пневмоприводов. При работе пневматических приводов энергия к рабочей среде (воздуху) извне не подводится, однако в результате работы сил аэродинамического сопротивления возникает тепло, часть которого воспринимается воздухом, заключенным в рабочем пространстве привода, а часть — передается корпусным деталям и окружающей среде. Таким образом, реальные процессы, происходящие в пневматических приводах, не соответствуют ни изотермическому, ни адиабатическому процессам, а находятся где-то между этими крайними процессами. Реальные процессы считают политропическими, описывающимися зависимостью

pvyn = const или р/ρп = const,

где п — показатель политропы, 1 < п < k; он зависит от работы сил аэродинамического сопротивления и величины тепловой энергии, получаемой воздухом; для наиболее распространенных пневматических   приводов п ≈ 1,25... 1,35.

Воздух, используемый в качестве рабочей среды в пневмоприводах, как и жидкости, применяемые в гидроприводах, — текучие среды. Воздух, как и жидкость, может передавать давление в одинаковой степени во всех направлениях. Но если жидкости гидроприводов под действием внешнего давления сжимаются незначительно, то воздух под действием внешнего давления сжимается весьма сильно. С увеличением давления плотность воздуха возрастает, а с уменьшением — снижается. Воздух всегда заполняет весь предоставленный ему объем даже при давлениях ниже атмосферного, а жидкость в таких случаях займет лишь часть предоставленного объема. В отличие от жидкости у воздуха уже нельзя считать плотность постоянной величиной при заданной температуре. Если изменение температуры жидкости в диапазоне температур, в котором работают гидроприводы,  несущественно влияет нa плотность жидкости, то влиянием изменения температуры на плотность воздуха нельзя пренебречь. При сжатии воздух разогревается, а при расширении — охлаждается. С повышением температуры вязкость воздуха увеличивается в противоположность уменьшению вязкости большинства жидкостей, используемых в гидроприводах.

Законы движения воздуха в системах и устройствах пневмопривода аналогичны соответствующим законам движения жидкостей в системах гидропривода, но при этом необходимо учитывать сжимаемость воздуха.

1.2  Рабочее тело и основные законы идеального газа

Молекулы любого вещества, взаимодействуя друг с другом, находятся в непрерывном движении. Межмолекулярные силы взаимодействия и расстояния между молекулами определяю агрегатное состояние вещества. Силы взаимодействия между молекулами газа, расстояние между которыми значительно больше их размеров, существенно меньше сил межмолекулярных твердых и жидких телах. Поэтому любое количество газа заполняет весь объем, в который его помещают. Эта способность газа подтверждает, что его молекулы находятся в постоянном хаотическом движении.

Упрощенной моделью газообразного вещества является так называемый идеальный газ, у которого объем, занимаемый молекулами, мал по сравнению с общим объемом газа, и сами молекулы рассматриваются как материальные точки, равномерно распределенные в объеме. Силами межмолекулярного взаимодействия в этом случае можно пренебречь.

Однако такого газа в природе не существует. Предложенная модель отражает свойства реальных газов лишь приближенно, но изучение ее законов помогает определить поведение реального газа в различных условиях. Степень расхождения свойств идеального и реального газов зависит от условий, в частности давления и температуры. Газовые законы наиболее просто формулируются для идеального газа.

Реальные газы, наиболее часто встречающиеся в практике, вполне допустимо считать идеальными и пользоваться их закономерностями при выполнении теплотехнических расчетов. Исключение составляет водяной пар, который встречается в различных состояниях, а именно:

1) когда водяной пар является составной частью газовых смесей, как, например, в продуктах сгорания топлива или в атмосферном воздухе. В этом случае его можно отождествлять с идеальным газом;

2) когда водяной пар является рабочим телом в паровых двигателях или теплоносителем в теплообменных аппаратах. Тогда его состояние близко к состоянию жидкости, к нему уже не применимы законы идеального газа.

К основным параметрам состояния газов относятся: давление р, температура Т и удельный объем v.

Если изменить терморемиссионное состояние системы (рабочего тела), т.е. подвести или отнять теплоту, сжать газ или дать ему возможность расшириться, то его параметры изменят свою величину.

Давление. Давление вообще есть сила, действующая на единицу площади поверхности, направленная по нормали к ней. Давление газа — результат воздействия молекул газа на внутреннюю поверхность стенок сосуда, в котором он заключен. Это свойство позволяет использовать газ в качестве рабочего тела в процессах преобразования энергии.

В термодинамике всегда пользуются абсолютным давлением ра6с. В технике различают абсолютное давление ра6с и избыточное ризб, которое может быть больше или меньше атмосферного.

Измерение давления газа в сосуде можно произвести с помощью v-образной трубки с жидкостью, открытый конец которой сообщается с атмосферой. При этом уровень жидкости в коленах трубки может быть различным. Если давление в сосуде выше атмосферного, то оно будет уравновешено столбом жидкости высотой h (см. рис. 4, а). Следовательно,

ра6с = рб +ρ g h ,

где ра6с  — абсолютное (полное) давление газа в сосуде; рб — атмосферное (барометрическое) давление; g — ускорение свободного падения в данной местности; ρ — плотность жидкости; h — высота столба жидкости.

Рис. 4. Измерение давления газа в сосуде

а — давление газа выше атмосферного; б — давление газа ниже атмосферного

Таким образом,

ра6с = рб + ризб        или     ризб  =ра6с - рб                                          

(см. рис. 4,б).

Если давление в сосуде меньше атмосферного, то будет иметь место разрежение (вакуум) или ризб примет отрицательное значение

ра6с = рб +ρ g h   или   ризб  = -gρh.                                      

Давление в системе единиц СИ измеряют в Паскалях (1Па  = 1 Н/м2) и в их производных — килопаскалях (кПа), мегапаскалях (МПа) и др. Измерение давления производится манометрами или вакуумметрами, если абсолютное давление меньше атмосферного.

Температура. Это параметр, характеризующий степень нагретости тела. Он определяется средней кинетической энергией движения молекул газа.

Для измерения температуры используют две температурные шкалы: термодинамическую и международную практическую. За нуль абсолютной температуры (0К) принята температура вещества, когда отсутствует хаотическое тепловое движение его молекул и атомов. По этой шкале температура всегда положительная (Т>0).

Нуль температуры в международной практической шкале соответствует температуре плавления льда при рб = 101,325 Па (750 мм. рт. ст.), 100 °С (градус Цельсия) — температуре кипения воды.

Соотношение между температурами по этим шкалам определяется выражением:

Т=t+ 273,15,

где   T — абсолютная температура, К (Кельвин); t — температура, °С.

Величина градуса по общим шкалам одинакова, следовательно, ΔТ=Δt.

Удельный объем. Если в объеме V, занимаемом газом, соединится масса этого газа в количестве М, выраженного в килограммах, то его удельный объем может быть вычислен как

v = V/М (м3/кг).

Обратная величина является плотностью газа ρ, соответствующей массе газа, заключенного в единице объема, т.е.

ρ = V/М (кг/м3).                              

Основные законы идеального газа:

закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люссака,

закон Шарля, закон Авогадро

Закон Бойля-Мариотта утверждает, что произведение абсолютного давления на удельный объем при постоянной температуре есть величина постоянная:

pv = const.                        

Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении удельный объем изменяется прямо пропорционально изменению абсолютных температур:

v1/v2 = Т1/Т2

Закон Шарля заключается в том, что при постоянном удельном объеме абсолютные давления газа изменяются прямо пропорционально изменению абсолютных температур:

р1/р2 = Т1/Т2

По закону Авогадро в равных объемах различных газов при одинаковых давлениях и температуре содержится одинаковое число молекул. Из этого следует, что плотности газов при одинаковых давлениях и температурах пропорциональны их молекулярным массам μ, т.е.

μ1 / ρ1 = μ2 / ρ2  или  μ1 / v1 = μ2 / v2 = idem

Произведение μ v есть объем моля газа. Молем (киломолем) газа называется масса газа в кг, равная его молекулярной массе. Моль газа обозначается также μ и измеряется в кг/кмоль.

Закон Авогадро можно сформулировать и так: объем киломоля (моля) различных газов при аналогичных физических условиях одинаков. Объем киломоля всех газов при нормальных физических условиях (НФУ) (р - 760 мм/ рт.ст. = 1,013 бар = 101,335 кПа; t = 0 °С и g = 9,81 м/с2) равен Vμ = 22,4 м3/кмоль.

Рабочее тело, как правило, представляет собой смесь нескольких газов. Например, в двигателях внутреннего сгорания в состав продуктов сгорания, являющихся рабочим телом, входят водород, кислород, азот, окись углерода, углекислый газ и пары воды. Если считать, что каждый компонент подчиняется уравнению состояния идеального газа, и компоненты химически нее реагируют между собой, то согласно закону Дальтона давление смеси газов рсм равно сумме парциальных давлений отдельных компонентов смеси.

Парциальным называется давление компонента, которое он создавал бы, находясь один в объеме, занимаемом смесью, при температуре смеси. Закон Дальтона справедлив только для идеальных газов.

Для упрощения расчетов, связанных с газовыми смесями, представляют смесь как состоящую из однородных средних молекул, которые по количеству и суммарной массе эквивалентны действительной газовой смеси.

Уравнение состояния газа

Уравнение состояния идеального газа можно получить, используя указанные выше законы.

Предположим, что 1 кг газа переходит из состояния, характеризующегося параметрами р1, v1 , Т1, в другое — с параметрами р2, v2 , и Т2. Допустим, что этот переход происходит сначала при постоянной температуре Т1, до промежуточного удельного объема v', а затем при постоянном давлении р2 до конечного удельного объема v2.

Тогда по закону Бойля-Мариотта имеем:

р1 ·v1 = р2 ·v' или  v'= р1 ·v1 / р2 .

В соответствии с законом Гей-Люссака можно получить выражение при р = const

   или  

Приравняв найденные выражения для v', получим

р1 ·v1 / р2 =  v2 ·T2  / T.

Преобразовав это равенство, имеем

р1 · v1 / T1 = p2 ·v2 / T2,  или    pv/T= const,

т.е. отношение произведения абсолютного давления газа на его удельный объем к абсолютной температуре есть величина постоянная. Для 1 кг газа ее обозначают R и называют удельной газовой постоянной

pv/T=R   или  pv = RT.                              

Уравнение называют уравнением состояния идеального газа или уравнением Клайперона — ученого, предложившего это уравнение.

Так как R — величина постоянная для каждого газа, можно определить любой основной параметр газа, если известны два других. Газовые постоянные для большинства газов приведении в соответствующих таблицах справочных данных.

Если обе части уравнения состояния идеального газа умножить на М (масса) и, принимая во внимание, что vM= V, получим уравнение состояния для любой массы газа

pV= MRT.                                

Заменив объем газа его молекулярным объемом Vμ, а массу — молярной массой μ, получим уравнение состояния для 1 кмоляш газа:

р Vμ  = μRT.                           

Уравнение в таком виде было получено Д.И. Менделеевым. Из этого уравнения определяется универсальная газовая постоянная:

μ·R = р · Vμ / Т.                                  

При нормальных физических условиях величина универсальной газовой постоянной равна

R0=μ·R = 101325·22.4 / 273.15 = 8315Дж/(кмоль·К).

Легко определить величину удельной газовой постоянной

R =8315 / μ Дж/(кг·К),                      

которая для каждого газа имеет свое вполне определенное значение.

Примеры

Пример 1. Манометр, установленный на паровом котле, показывает давление 1,8 МПа. Найти давление пара в котле, если атмосферное давление 99 кПа (0,099 МПа).

Решение. По формуле : ра6с = рнз6 + рб = 1,8 + 0,099 ≈ 1,9 МПа.

Пример 2. Вакуумметр показывает разрежение 80 кПа. Каково должно быть давление в сосуде, если атмосферное давление по барометру составляет 100 кПа?

Решение. Из формулы  имеем: р = рб - ризб = (100 - 80) кПа = 20 кПа.

Пример 3. В баллоне содержится кислород массой 2 кг при давлении 8,3 МПа и температуре 15 °С. Вычислить вместимость баллона.

Решение. Из уравнения состояния получаем V =  MRT/p = 2· 259,8 (15 + 273)/(8,3 · 106) м3 = 0,018 м3 = 18 л (здесь значение R взято из приложения).

Пример 4. Резервуар вместимостью 4 м3 заполнен углекислым газом. Найти массу газа и его вес, если избыточное давление в резервуаре 40 кПа, температура 80 °С, а барометрическое давление 102,4 кПа.

Решение. 1. Давление газа

р = ризб + рб= (40 + 102,4) кПа = 142,4 кПа

Из уравнения состояния получаем: масса газа

М= pV / (RT) = 142,4 · 103 • 4/[188,9 (273 + 80)] кг = 8,54 кг

(здесь значение R = 188,9 Дж/(кг·К) взято из приложения ).

2. Вес газа G = Mg = (8,54 · 9,81) Н = 83,8 Н.

Раздел 2 Элементная база пневмоприводов

2.1 Энергообеспечивающая подсистема

Сжатый воздух (или газ) для питания пневматических систем приводов станков обычно вырабатывается компрессорами. Применяются, преимущественно компрессоры объемных типов, главным образом поршневые и пластинчатые.

Компрессоры классифицируются по следующим признакам:

1)   по конструкции — поршневые и пластинчатые;

2)   по числу ступеней сжатия — одноступенчатые и многоступенчатые;

3) по величине давления: низкого (р = 1; 0÷8,0 МПа), высокого (р = 8÷10 МПа) и сверхвысокого (р > 10 МПа) давления;

4)   по производительности: малой (Q = 0,15 м3/с); средней (Q = 0,15÷0,5 м3/с) и сверхвысокой (Q > 0,5 м3/с) производительности;

5)  по расположению цилиндров (поршневых компрессоров) — горизонтальные и вертикальные.

Поршневые компрессоры, в свою очередь, делятся на компрессоры простого и двойного действия. У компрессора простого действия всасывание, сжатие и нагнетание осуществляется по одну сторону поршня, а у компрессора двойного действия эти процессы протекают по обе стороны поршня.

Компрессоры применяют в централизованных и групповых системах питания приводов. В групповых системах питания обычно применяют давления компрессоров на 0,5—0,6 МПа. В автономных системах используют компрессоры на давления 5—15 МПа.

Рис. 2.1. Схема поршневого компрессора

(условное обозначение клапана 1 должно быть повернуто на 180°)

Рассмотрим устройство и работу одноступенчатого одноцилиндрового поршневого компрессора (рис. 2.1, а). Компрессор состоит из цилиндра 2, поршня 3, который приводится в движение от вала с помощью кривошипно-шатунного механизма 4. Вал компрессора вращается от электродвигателя, В крышке цилиндра расположены два клапана: всасывающий 1 и нагнетательный 5. Клапаны открываются и закрываются в результате действия разности давлений в цилиндре и трубопроводах. При прохождении поршня в левой мертвой точке между крышкой цилиндра и поршнем остается некоторое пространство, называемое вредным. При движении поршня происходит всасывание в цилиндр окружающего воздуха, а при обратном движении, когда всасывающий клапан закрыт, — сжатие его до требуемого давления; после этого открывается нагнетательный клапан 5 и производится выталкивание сжатого воздуха при постоянном давлении в резервуар 6, из которого он поступает к потребителям.

На рис. 2.1, б изображена рабочая pV (индикаторная) диаграмма идеального поршневого компрессора. Идеальный компрессор отличается от действительного тем, что в идеальном компрессоре отсутствует вредное пространство, и поршень вплотную подходит к крышке цилиндра, отсутствуют потери на трение и потери давления при проходе воздуха через клапаны и трубопроводы. Всасывание воздуха изображается линией 1—2, параллельной оси абсцисс, так как всасывание происходит при постоянном давлении рi равном атмосферному. Сжатие в зависимости от конструкции компрессора может быть изотермическим (линия 2—3"), адиабатическим (линия 2—3) и политропным (линия 2—3’). Нагнетание происходит при постоянном давлении, равном р% (прямая 3—4). После выпуска давление в цилиндре падает от р2 до pi (линия 4—1), и далее процесс повторяется.

Работа, затрачиваемая на сжатие, будет наименьшей при изотермическом сжатии  (площадь  1—2—3"—4)  и  наибольшей  при адиабатическом сжатии (площадь 1—2—3—4). Работа адиабатического сжатия больше работы изотермического сжатия на величину площади 2—3—3". В действительности происходящий процесс сжатия достаточно близок к политропному процессу с показателем политропы  п = 1,2÷1,3. Изотермическое сжатие практически неосуществимо, так как невозможен отвод тепла при равенстве температур рабочего тела (сжимаемого газа) и единственного источника тепла — теплообменника (охлаждающий цилиндр воды). При невысоких давлениях (0,6—0,8 МПа) процесс сжатия воздуха может в определенной степени приближаться к изотермическому.

Описанные процессы отличаются один от другого лишь крутизной кривой сжатия на диаграмме pV. Изотермическому процессу сжатия соответствует наиболее пологая кривая 3" и соответственно наименьшая площадь и работа сжатия, политропному процессу сжатия — кривая 2, адиабатическому сжатию — наиболее крутая кривая 1 и соответственно максимальная площадь и работа сжатия. При переходе от адиабатического сжатия к изотермическому снижается затрачиваемая энергия (работа), величина экономии которой выражается площадью 2—3—3" (заштрихована). При отсутствии специальных средств для снятия тепла процесс сжатия протекает по адиабате. При снятии тепла с помощью какого-либо охладителя (водяной рубашки) процесс сжатия протекает по политропе с показателем политропы п = 1,20÷1,35.

Теоретическая мощность (Вт) для сжатия газа в секунду определяется по формулам

Риз = р1·V1 · ln β;

В приведенных формулах β = р2 / р1  — отношение давлений в ступени  компрессора;  Q1 — подача  компрессора,   м3/ч; k =1,4 – показатель адиабаты;  n=1,2 – показатель политропы.

Действительная эффективная мощность (кВт) привода компрессора

где ηм —механический КПД компрессора ηм  = (0,8÷0,85); ηиз ; ηад ;  ηпол —соответственно изотермический, адиабатический и  политропный КПД компрессора.

Многоступенчатые поршневые компрессоры. В одноступенчатом компрессоре газ можно сжимать до давления 0,6—0,8 МПа. Сжатие до более высокого давления сопровождается значительным повышением температуры сжатого газа. Это может вызвать самовоспламенение смазки и краски на стенках цилиндра, что повлечет за собой аварию компрессора.

Рис.   2.2.   Схема   двухступенчатого   компрессора

В производственных условиях часто необходимы высокие давления газа например, для сварки необходим кислород давлением 16 МПа. Для получения высоких давлений применяют многоступенчатые компрессоры. Газ или воздух сжимается последовательно в нескольких ступенях с промежуточным охлаждением между ними. На рис. 2.2, а представлена схема двухступенчатого компрессора. Работа компрессора происходит следующим образом. При движении поршня 13 вниз через впускной клапан 1 газ всасывается в цилиндр 12 (цилиндр низкого давления) процесс всасывания изображается линией а—1 (рис. 2.2, б). При обратном движении происходит сжатие газа. После сжатия газ через выпускной клапан 2 поступает в холодильник 3, внутри которого помещен змеевик 4, охлаждаемый проточной водой. Нагнетание газа в холодильник на диаграмме изображено линией 2—в.

Охлажденный в холодильнике воздух поступает во второй цилиндр 7 через всасывающий клапан 5 при опускании поршня 8. Всасывание воздуха во второй цилиндр в индикаторной диаграмме изображено линией в—2'. При подъеме поршня происходит сжатие газа (линия 2'—3). После сжатия во второй ступени воздух через нагнетательный клапан 6 направляется к потребителю (линия 3—с). Поршни приводятся в движение от коленчатого вала 10 с помощью шатунов 9 и 11.

Промежуточное охлаждение воздуха или газа в холодильнике снижает энергию, затрачиваемую на сжатие воздуха во второй ступени по сравнению на сжатие без промежуточного охлаждения. Это сжатие на индикаторной диаграмме изобразится политропой 1—2—3". Экономия энергии показана на рис. 2.2, б, заштрихованной    площадкой    2'—2—3"—3'.    Ступенчатая    кривая    сжатия 1—2—2'—3 приближается к изотермическому процессу 1—2'—3', и это приближение будет тем больше, чем больше число ступеней сжатия.

2.3. Исполнительная подсистема.

Пневмодвигатели. Источником энергии пневматических приводов является сжатый воздух, получаемый из компрессорных установок. Исполнительными элементами пневмоприводов являются объемные пневмодвигатели, в которых преобразование энергии происходит в процессе попеременного заполнения рабочей камеры газом и вытеснения его из рабочей камеры.

Пневмодвигатели обладают рядом существенных достоинств—высокой приёмистостью, высоким пусковым моментом, малой массой, приходящейся на единицу мощности, взрывобезопасностью.

Двигатели бывают:

1) прямолинейного (возвратно-поступательного) движения;

2)  поворотного движения (на угол <360°);

3)  вращательного движения.

Пневмоцилиндры конструктивно подобны гидроцилиндрам, за исключением того, что в них предусмотрена смазка скользящих пар обычно путем установки по обе стороны уплотнительных колец и сальниковых войлочных колец, пропитываемых специальными смазочными составами. Штоковая уплотнительная пара помимо этих колец снабжается дополнительной набивкой, периодически подпитываемой смазкой.

Промышленность выпускает цилиндры типа ЦРГП (рис. 2.3), предназначенные для осуществления возвратно-поступательных, в том числе регулируемых по величине, перемещений механизмов станков, промышленных роботов с программным управлением, автоматических манипуляторов, прессов и других машин и оборудования различного технологического назначения с пневматическими и гидравлическими приводами, где требуются рабочие скорости до 1,5 м/с. Рабочая среда — сжатый воздух или минеральные масла вязкостью от 12 до 250 сСт при температуре от +10 до 60 °С и температуре окружающей среды от 0 до +50 °С. Сочетание в них резинового уплотнения с фторопластовой накладкой обеспечивает малое трение поршня и штока, что дает возможность получить незначительное давление страгивания. В цилиндрах предусмотрена возможность регулирования режима торможения в конце хода штока благодаря встроенным тормозным устройствам оригинальной конструкции.

Рис.   2.3 Пневмоцилиндр

Рис. 2.4 Автоматическое загрузочно-разгрузочное устройство станка с ЧПУ

Рис. 2.5 Пневматическая схема привода патрона зажима заготовки

Автоматическое загрузочно-разгрузочное устройство токарного станка с ЧПУ. Принципиальная схема устройства показана на рис. 2.4. Она содержит четыре пневмодвигателя 1, 4, 8 и 11, и суппорт 10. Вращающийся пневмоцилиндр 1 фиксирует плавающий центр 3 самозажимного патрона 2 после зажима заготовки. Пневмоцилиндр 4 перемещает питатель 5 с заготовкой 6 от магазина на линию центров станков и возвращает питатель 5 без заготовки в исходное положение. Пневмоцилиндр 8 предназначен для перемещения пиноли 7 с центром задней бабки и поджима ее. Конечные выключатели КВ1—КВ6 и электромагниты золотников пневмораспределительного устройства 9 включены в цепь циклового управления работой загрузочно-разгрузочного механизма устройства ЧПУ.

Привод пневмопатрона. Повышению эффективности использования станков с ЧПУ способствует устройство зажима-разжима заготовки. На рис.2.5 представлена пневматическая схема привода патрона зажима заготовки станка 1Б732ФЗ. Сжатый воздух из пневмосети цеха поступает в фильтр 1, где он очищается от паров влаги и компрессорного масла. Затем регулятором давления 2 в пневмосистеме устанавливается давление воздуха 0,4—0,5 МПа, которое контролируют манометром 5. При разжиме или зажиме заготовки в пневмопатроне с сдвоенным пневмоцилиндром 7 сжатый воздух, проходя через маслораспылитель 4, насыщается масляным туманом, который обеспечивает смазывание всех трущихся поверхностей пневмораспределителя 6 и пневмоцилиндра 7 тонкой масляной пленкой. Распределитель 6 направляет сжатый воздух в соответствующую полость пневмоцилиндра, который осуществляет разжим или зажим заготовки в пневмопатроне. Реле давления 3 при снижении давления ниже установленного минимума 0,25 МПа выключает станок.

Пневмомоторы. В качестве пневмомоторов (пневмодвигателей вращательного движения) применяют пластинчатые, поршневые (радиальные и осевые) и реже шестеренные, винтовые, центробежные и другие машины. Принцип их действия тот же, что и соответствующих типов гидромоторов, однако характеристики существенно отличаются. Пластинчатые пневмомоторы допускают работу при частоте вращения до 10000 об/мин, что позволяет применять их в ручных дрелях и высокооборотных шлифовальных шпинделях.

Нереверсивные и реверсивные пневмомоторы, а также специальные автоматические регуляторы обеспечивают поддержание заданной постоянной мощности на валу пневмодвигателя. Конструктивная схема пластинчатого пневмомотора представлена на рис. 2.6. Сжатый воздух подводится через канал а корпуса и далее, через отверстие б в статоре 2 в соответствующую рабочую камеру пневмомотора, образованную между смежными пластинами 3 и поверхностями статора 2 и ротора 1.

Зависимость крутящего момента М и мощности Р на валу пластинчатого пневмомотора от частоты вращения его вала представлена на рис. 2.6, б. Максимальная скорость развивается при нулевом крутящем моменте (при отсутствии нагрузки), с увеличением момента она снижается. В этом отношении пневмомотор подобен электродвигателю постоянного тока, однако в отличие от него допускает возможность неограниченной по времени перегрузки до полной остановки ротора без применения каких-либо защитных устройств.

Частота вращения ротора обычно регулируется изменением потока сжатого воздуха с помощью дросселя, включаемого во входную магистраль, а величина крутящего момента — изменением давления, осуществляемым при помощи регулятора (редуктора) давления.

Рис.   2.6  Схема пластинчатого пневмомотора

Мембранные пневмоцилиндры. В системах промышленной пневмоавтоматики с небольшими ходами рабочих органов и давлениями менее 1 МПа широко распространены мембранные, а также сильфонные пневмоцилиндры. Преимущественно применяются пневмоцилиндры с эластичными неметаллическими (резиновыми и пластмассовыми) мембранами, которые отличаются простотой конструкции, а также возможностью обеспечения полной герметичности.

Рис.  2.7   Мембранный  пневмоцилиндр

Мембранный пневмоцилиндр, в котором между крышкой 1 и корпусом 4 зажата резиновая мембрана 2, соприкасающаяся со стальным диском 6, показана на рис. 2.7. Диск закреплен на торце штока 5. Шток с диском под действием пружины 3 отжимает мембрану в крайнее левое положение. Когда через отверстие во втулке 7 в левую полость мембранной камеры подается сжатый воздух, мембрана деформируется и перемещает шток с диском вправо, передавая движение рабочему органу. Мембранные пневмоцилиндры с пружиной обеспечивают небольшую длину хода рабочему органу. Величина развиваемого усилия не постоянна, а изменяется по мере перемещения.

Сила (Н), развиваемая давлением рабочей среды, передаваемая в центр мембраны, определяется по формуле

F = ΔS·p,

где р —давление рабочей среды, Па; ΔS —диапазон изменения эффективной площади (м2) мембраны,

ΔS=Smax-Smin

Для расширения диапазона эффективной площади мембранного пневмодвигателя применяют схемы с двумя мембранами.

Поворотные пневмодвигатели ПДП предназначены для осуществления поворотных движений механизмов станков, прессов и промышленных роботов с программным управлением. Работают поворотные пневмодвигатели на сжатом воздухе с температурой окружающей среды от 0 до +60 °С. Конструктивно двигатели выполнены на базе передачи зубчатое колесо — рейка. Роль рейки выполняют штоки двух соосно установленных гидроцилиндров (рис. 2.8). Предусмотрено устройство для выбора зазора зубчатой передачи. Пневмодвигатели типа ПДП обеспечивают максимальное упрощение привода станков, промышленных роботов и других машин. Промышленность выпускает пневмодвигатели, соответствующие типоразмерному ряду.

Рис.  2.8 Поворотный пневмодвигатель

Пневмораспределители предназначены для изменения направления и перекрытия потоков сжатого воздуха в пневматических линиях станков. Пневмораспределители по виду управления бывают   односторонние   и   двусторонние,   с   пневматическим   и электропневматическим управлением; по числу позиций золотника — двухпозиционные и трехпозиционные.

Пневмогидравлические приводы. Источником энергии в пневмогидравлических приводах является сжатый воздух, получаемый из компрессорных установок. Сжатый воздух в систему поступает через пневмораспределители. Схема гидрораспределителя е пневматическим управлением с первой ступенью усиления приведена на рис. 2.9. Основной золотник 2 гидросистемы приводится в движение двумя пневматическими сервоцилиндрами 1 и 3, управляемыми пневмораспределителем 5 с электромагнитом 4. В зависимости от положения сердечника электромагнита 4, приводящего в движение вспомогательный пневмозолотник, сжатый воздух подается к пневмоцилиндрам 1 или 3, чем и осуществляется требуемое управление основным распределительным золотником 2.

Рис.  2.9 Гидрораспределитель с пневмоуправлением

Пневмогидравлические приводы являются весьма эффективным средством получения больших усилий выходного звена при использовании сжатого воздуха низкого давления цеховых магистралей (0,4 МПа). Пневмогидравлические приводы по сравнению с гидравлическими имеют следующие преимущества.

1.  Создают и поддерживают в течение длительного времени высокое давление масла без расхода энергии и образования тепла в  гидросистеме.   Воздух  расходуется  только  при  перемещении поршней   гидроцилиндров   (например,   при   зажиме   и   разжиме обрабатываемых деталей).

2.   Управление гидросистемой осуществляется в пневмосистеме усиления давления,   что  исключает  применение дорогостоящих распределителей  и регулирующей  аппаратуры.

3.   Более просты  и компактны, чем идентичные    им   гидравлические   приводы, что позволяет устанавливать их в любой части станка или около него.

4.  Отсутствие вращающихся частей в приводе увеличивает его ресурс.

В   пневмогидравлических   системах применяют пневмогидравлические преобразователи (усилители), нагнетающие масло в гидросистему при поступлении сжатого воздуха в пневматическую полость усилителя и пневмогидравлические насосы, беспрерывно нагнетающие масло в гидросистему как при прямом, так и при обратном ходе пневматического поршня. Пневмогидравлические преобразователи бывают прямого (одинарного) и последовательного (двойного) действия. Пневмогидравлические преобразователи прямого действия, как наиболее простые по конструкции, получили наиболее широкое распространение. Такие преобразователи состоят из пневматического и гидравлического цилиндров. Шток поршня пневматического цилиндра одновременно является плунжером масляного цилиндра. Управление усилителем осуществляется трехходовым пневматическим распределительным краном.

Недостатком пневмогидравлических приводов является их относительно низкий КПД:

η = ηк·ηп·ηг,

где ηк, ηп, ηг — КПД соответственно компрессора, пневмоцилиндра усилителя, гидроцилиндра усилителя.

Реле времени с ресиверами. В дискретных системах управления часто требуется обеспечить заданную цикличность (заданные паузы) между ходами, т. е. обеспечить заданную выдержку времени между моментом подачи (или снятия) сигнала и началом срабатывания того или иного исполнительного устройства. Для этих целей используют пневматические реле времени. Данное устройство реле выдержки времени отличается от гидравлического реле времени тем, что конструктивно герметизация цилиндров выполнена резиновыми мембранами и манжетами, а длительность выдержки определяется временем истечения некоторого объема воздуха через регулируемый дроссель. Для создания таких устройств используются процессы наполнения или опоражнивания через дроссель некоторого объема пневматического аккумулятора (ресивера). Время повышения или понижения давления до заданной величины регулируется, как и в аналогичных гидравлических устройствах, изменением объема ресивера или проходного сечения дросселя.

В пневмосистеме (рис. 2.10) применены два вспомогательных, воздушных ресивера 4 и 7. Воздух поступает от источника питания к двум пневмораспределителям (клапанам) 2 и 12, один из которых 2 соединен с верхней полостью пневмоцилиндра 10 и второй — с нижней его полостью. Клапан 2 пружиной 1 устанавливается в положение (изображено на рисунке), при ко'тЪром открывается проходной канал подачи сжатого воздуха в верхнюю полость пневмоцилиндра 10. Этот канал перекрывается с помощью подачи из вспомогательного воздушного ресивера 4 в цилиндр 3 воздуха под сигнальным давлением. Цилиндр 3 связан с клапаном 2, который перекрывается, соединяясь с атмосферой. Второй же клапан 12 соединен с закрытым проходом, а второй проход соединен с атмосферой, который перекрывается мембранным приводом 11.

В начальный момент сжатый воздух поступает в верхнюю полость цилиндра 10, перемещая его поршень вниз. Нижняя полость цилиндра 10 в это время соединена через клапан 12 с атмосферой. Одновременно с этим сжатый воздух поступает через обратный клапан 9 во вспомогательный ресивер 7 и мембранный привод 11.

Рис.  2.10    Схема     применения     ресиверов (пневматических)

Объем ресивера 7 выбран таким, что повышение давления в нем до необходимого для перемещения мембраны привода 11 произойдет как раз за отрезок времени, равный времени перемещения поршня силового цилиндра 10. В результате в момент окончания хода поршня клапан 12 переключится, и сжатый воздух направится в нижнюю полость цилиндра. Поскольку на поршень цилиндра при этом действует давление воздуха с обеих сторон, он находится в покое, что соответствует первой паузе в работе. Одновременно с подачей воздуха в нижнюю полость цилиндра 10 начнется наполнение через обратный клапан 6 дополнительного ресивера 4.

Как только давление в ресивере станет достаточным для преодоления усилия пружины 1 клапана 2, последний переключится и соединит верхнюю полость цилиндра 10 с атмосферой, в результате поршень начнет перемещаться вверх. Одновременно с этим начнется медленное перетекание воздуха через регулирующий дроссель 8 в атмосферу из вспомогательного ресивера 7, в результате давление в нем и в мембранном пневмоприводе 11 снизится настолько, что клапан 12 под действием пружины 13 переключится в исходное (открытое) положение, соединив с атмосферой и нижнюю полость цилиндра 10. Поскольку по обе стороны поршня этого цилиндра установится атмосферное давление, он будет находиться в покое, что соответствует второй паузе в работе системы. При переключении клапана 2 с атмосферой одновременно соединяются через регулируемый дроссель 5 ресивер 4, в результате падения давления в нем клапан 2 переключится в исходное (закрытое) положение, при котором сжатый воздух вновь будет поступать в верхнюю полость цилиндра 10, что соответствует началу повторения цикла.

Соответствующим расчетом объемов дополнительных ресиверов 4 и 7, а также сопротивлений дросселей 5 и 8 и усилий пружин 1 и 13 можно обеспечить заданные паузы движения поршня цилиндра 10 в широком интервале времени. При достаточно хорошей очистке сжатого воздуха пневматические реле выдержки времени являются одними из наиболее надежных и долговечных, а практическая стабильность обеспечивает им относительно высокие точность и стабильность продолжительности выдержки.

2.3 Направляющая и регулирующая подсистема

Пневматические аппараты газовых приводов с точки зрения принципа действия не отличаются от соответствующих аппаратов гидравлических приводов. По конструктивному исполнению они также близки к гидравлическим аппаратам, но они многообразные, потому что небольшие давления в пневмосетях позволяют выполнять аппараты как с плунжерными затворами, так и с клапанными и торцовыми затворами.

Всю пневмоаппаратуру можно разделить на:

-распределительную

-регулирующую

-контрольно-измерительную

-вспомогательную.

Распределительные аппараты. Назначение этих аппаратов аналогично гидравлическим: обеспечить подачу воздуха в необходимый трубопровод для питания пневмодвигателя. К ним относятся обратные пневмоклапаны, клапаны быстрого выхлопа, пневмораспределители.

Рис. 2.11 Разновидности обратных клапанов

Назначение обратных клапанов (рис. 2.11) — пропускать сжатый воздух только в одном направлении. В корпусе 1 обратного клапана размещен затвор 2, поджимаемый к седлу пружиной 4 (в клапанах с коническим и плоским затвором, рис. 2.11, а, б) или собственным весом (рис. 2.11, в). При подаче воздуха на вход А аппарата поднимается затвор и воздух проходит на выход Б. Если же подавать воздух в канал Б, то он не сможет пройти в канал А.

Обратный клапан, изображенный на рис. 2.11, в, наиболее прост в изготовлении, но эксплуатировать его можно лишь в вертикальном положении. Для ограничения хода шарика 2 и предотвращения возможного перекрытия им канала Б установлена диафрагма 5 с отверстиями или другие ограничители хода шарика.

Клапаны могут иметь более сложный уплотнительный элемент 3, который необходимо менять при изнашивании. В этих клапанах центрирование осуществляется цилиндрическим пояском (рис. 2.11, а) с пазами К для соединения полости перед манжетой 3 с каналом А или наружной цилиндрической поверхностью самого клапана 2. Пружина 4 обеспечивает закрытое состояние клапанов при отсутствии подачи воздуха и в любом их положении; поэтому ее рассчитывают по силе собственного веса клапана 2 с учетом сил трения.

Клапаны быстрого выхлопа (рис. 2.12) предназначены для повышения быстродействия пневматического привода за счет уменьшения сопротивления его пневмосети. В корпусе 1 установлены приемный 4 и выхлопной 2 штуцера. Между ними размещен уплотнительный элемент 3. Подвод воздуха осуществляется к каналу А. Давлением сжатого воздуха уплотнительный элемент 3 поджимается к штуцеру 2 и закрывает канал В, связанный с атмосферой, а воздух может идти в канал Б, соединяемый с пневмодвигателем (например, цилиндром). При включении распределителя 5 в левую позицию канал А соединяется с атмосферой. Тогда под действием давления сжатого воздуха в цилиндре уплотнительный элемент сместится вправо, закрыв канал А и соединив канал Б (и пневмоцилиндр) с каналом В и атмосферой. Воздух из цилиндра выйдет в атмосферу по короткому пути, минуя распределитель 5. В результате в пневмоцилиндре резко упадет давление и его поршень под действием пружины быстро сместится влево. Так произойдет выхлоп воздуха в атмосферу.

Рис. 2.12. Клапан быстрого выхлопа

Пневматические распределители обеспечивают направление потока воздуха по необходимым трубопроводам. Они бывают с затворами плунжерного, плоского и клапанного типов. С их помощью обеспечивается реверсирование движения пневмоцилиндров, подвод и отвод воздуха к манометрам и другим пневматическим устройствам.

Рис. 2.13 Пневматический распределитель с плоским затвором:

а — конструкция; б — условное изображение

Широко используют в пневмоприводах распределители с плоским затвором (рис. 2.13). Они несложны в изготовлении, просты в обслуживании и надежны в работе. В корпусе 1 таких распределителей перемещается плоский затвор 2, который поджимается к распределительной плоскости и соединяет или разъединяет каналы а—d, выполненные в корпусе распределителя. При подаче воздуха под один из торцов толкателя 3 он перемещает затвор 2 из одного крайнего положения в другое, в которых осуществляется определенная коммутация каналов в соответствии с позициями, показанными на рис. 2.13, б.

Клапанный пневмораспределитель (рис. 2.14)—это двухпозиционный трехлинейный аппарат, который может быть применен для питания пневмоцилиндра одностороннего действия или для подключения к пневмосети манометра. В отключенном положении, когда пружиной 2 пробка 3, а пружиной 4 клапан 5 прижаты к стенке корпуса 1, канал b соединен с каналом d, связанным с атмосферой. При нажатик на рукоятку управления 6 торец клапана 5 прижимается к торцу пробки 3 и смещает ее вправо. При этом канал d перекрывается, а канал b соединяется с каналом питания сжатым воздухом. Если к каналу b подключен манометр, то он покажет в этом случае давление в канале. Если же канал b соединен с пневмоцилиндром, то тогда его поршень совершает какую-то работу.

Рис. 2.14  Трехлинейный   двухпозиционный пневматический распределитель с ручным управлением: а — конструкция; б — условное изображение

Регулирующая аппаратура. К регулирующей аппаратуре пневмоприводов относят аппараты регулирования давления сжатого воздуха и его потока (расхода). Ими являются редукционные и предохранительные клапаны давления и пневмодроссели.

Аппараты регулирования давления воздуха. Для нормальной работы пневмосистемы питание ее должно производиться воздухом с постоянным давлением, которое обеспечивается специальными пневмоклапанами (регуляторами давления). Пневмоклапан (рис. 2.14) служит для автоматического понижения давления сжатого воздуха и автоматического поддержания его на заданном уровне. В качестве пневмоклапанов применяются преимущественно диафрагменные и сильфонные редукторы. Эти редукторы используют для давлений до 3,0—4,0 МПа.

Схема применения пневмоклапана в пневмоприводе показана на рис. 2.14, б. Принцип его работы основан на автоматическом изменении проходного сечения потока воздуха при изменении давления и расхода воздуха в питающей сети и поддержании постоянства давления воздуха на выходе пневмоклапана.

Постоянство давления обеспечивается автоматическим изменением положения дроссельного клапана, регулирующего проходное сечение потока воздуха при колебаниях давления в камере а, связанной с выходом. Для установки давления на выходе пневмоклапана служит регулировочный винт 1, с помощью которого изменяют усилие пружины 2,  воздействующей на мембрану 3, связанную с клапаном 4, который удерживается в седле пружиной 5. Изменение давления и потока воздуха в сети вызывает перемещение мембраны 3 и клапана, 4, вследствие чего изменяется проходное сечение потока воздуха до тех пор, пока силы, воздействующие на мембрану 3, не уравновесятся и давление в камере а не стабилизируется.

Рис. 2.14 Стабилизатор давления пневматический

При уменьшении давления в камере а, что может быть вызвано уменьшением давления в подводящей сети или увеличением потока воздуха потребителями, мембрана 3 под действием пружины 2 опустится и, переместив вниз клапан 4, увеличит проходное сечение потока воздуха. Это обеспечит выравнивание давления в камере а до заданного. Увеличение давления в камере а вызовет обратное действие указанных частей пневмоклапана. Малейшее изменение давления в камере а вызовет мгновенное изменение положения клапана 4.

Для предотвращения перегрузок пневмоприводов применяют предохранительные клапаны (рис. 2.15). Это, как правило, клапаны прямого действия. Если давление р в пневмосети, соединенной со штуцером 1 и каналом А создает силу, преодолевающую силу пружины 4, то клапан 3 открывается, а воздух стравливается в атмосферу через отверстия Б в корпусе 2. Необходимое давление настраивают регулировочным винтом 5.

Рис. 4.15. Пневматический предохранительный   клапан  прямого действия

Аппаратом пневмоприводов, обеспечивающим регулирование скорости движения пневмодвигателя, как и гидродвигателя, является пневмодроссель. Принцип его действия такой же, как и у гидродросселя: изменение потока (расхода) воздуха осуществляется  настройкой площади его проходного сечения.

Рис.   2.16   Пневматический   дроссель: а  —   конструкция;   б — условное  изображение

Часто вместе с дросселем в одном корпусе может помещаться обратный клапан (рис. 2.15). Такой аппарат состоит из корпуса 3, в котором размещены игольчатый затвор 2 дросселя и шариковый обратный клапан 1 с пружиной. Если сжатый воздух поступает в канал А, то он подходит к дросселю, проходит щель между иглой и конической поверхностью отверстия в корпусе и выходит в канал Б. Если же воздух подводится к каналу Б, то он, минуя дроссель, открывает обратный клапан и выходит в канал А. Заворачивая игольчатый затвор, можно изменять площадь проходной щели и расход воздуха.

Затворный элемент в пневмодросселях может быть выполнен  и в виде плунжера, и в виде прорези аналогично конструктивным решениям  гидравлических  дросселей.

2.4 Информационная подсистема и вспомогательная аппаратура

Контрольно-измерительная аппаратура. К этому виду аппаратуры пневмоприводов относят устройства измерения давления и расхода воздуха (манометры, расходомеры) и получения информации об изменениях параметров пневмопривода (датчики давления, реле давления, реле времени, реле температуры, индикаторы давления). Манометры для измерения давления сжатого воздуха аналогичны манометрам гидроприводов.

В качестве устройств измерения расхода воздуха могут быть применены  расходомеры,  по  принципу действия  и  устройству аналогичные гидравлическим. В то же время широко используют  ротаметры (рис.  2.17).  Внутри стеклянной трубки 1, имеющей коническую,   расширяющуюся   кверху   поверхность,   помещена пробка 2.  На трубке закреплена шкала 3, проградуированная  в единицах расхода сжатого воздуха. При подаче воздуха в ротаметр   под действием динамического давления потока пробка поднимается на высоту, на которой ее вес уравновешивает подъемную силу воздуха. Чем больше расход воздуха, тем выше поднимется пробка. На шкале фиксируется этот уровень и визуально определяется  расход.

Рис. 2.17 Ротаметр с обратным клапаном:

Датчики давления для пневмоприводов принципиально не отличаются от гидравлических. Также не отличны от гидравлических пневматические реле давления и времени.

Поскольку рабочее давление пневмоприводов не превышает 1,0 МПа, то в пневматических аппаратах широко применяют сильфоны (рис. 2.18), которые обеспечивают высокую чувствительность устройств. В реле давления (рис. 2.19) установлен сильфон 4, припаянный к корпусу 3 и колпачку 6. Воздух поступает в реле по каналу в крышке 7. Если давление р достигнет величины, настраиваемой пружиной 5, то сильфон сожмется, а толкатель 2 переключит микропереключатель 1, который выдаст сигнал о том, что давление в пневмосети равно требуемому.

Рис. 2.18 Сильфон                              Рис. 2.19 Пневматическое

                                                                          реле давления

Реле температуры выдают командный сигнал, если температура контролируемой рабочей среды достигает требуемого (настроенного) значения. В их конструкции использованы чувствительные элементы в виде ампул с газовым или жидкостным наполнителем, как, например, прибор РТП-1 (рис. 2.20). Термобаллон (ампулу) 1 погружают в контролируемую среду. Из-за температурного расширения наполнителя изменяется давление, воспринимаемое датчиком давления 2. Когда температура среды достигает того значения, на которое было настроено реле, датчик давления срабатывает и выдает сигнал.

В других типах реле температуры, как, например ПДСТ, использован принцип расширения двух стержней из металлов с разным коэффициентом температурного расширения. Возникающее при нагреве реле смещения одного стержня относительно другого закрывает подачу воздуха.

Рис 2.20 Реле температуры

Индикаторы давления предназначены для визуального контроля наличия давления воздуха в пневмосети. Они бывают двух типов — штокового  (рис.  2.21,  а)  и лампового  (рис.  2.21,  б).

Рис. 2.21 Индикаторы давления

Выдвинутый шток 1 (рис. 2.21, а) свидетельствует о наличии  давления в пневмосети. Если давление падает до минимального  значения, пружина 2, действующая на поршень 3, смещает его вниз. Недостатком таких индикаторов является наличие манжеты 4, которая оказывает большое сопротивление движению. Поэтому этот тип индикаторов используют в пневмосистемах с большими давлениями.

В пневмосистемах низких давлений используют индикаторы  лампового типа (рис. 2.21, б), в которых имеется окрашенный  плунжер 2 и линза 1. Под давлением р плунжер поджимается к линзе, а оператор пневмосистемы фиксирует изменение цвета  линзы.  Подключают такой индикатор к двум линиям А  и  Б,  поэтому окраска линзы означает наличие давления в линии А и его отсутствие в линии Б. Если же линза прозрачна, то давление есть в канале Б, а в канале А отсутствует.

Вспомогательная  аппаратура.   Длительная   надежная  работа  пневматических приводов во многом зависит от степени подготовки, воздуха. Как указывалось выше, процессы расширения и сжатия воздуха сопровождаются выделением и поглощением влаги. Выделившаяся влага способствует коррозии пневматических устройств. В то же время забираемый из атмосферы воздух, содержит много не только влаги, но и пыли. Поэтому необходимо удалять из воздуха загрязнения, т. е. фильтровать его. Кроме того, смазывающая способность воздуха очень низка, поэтому для уменьшения сил трения в подвижных элементах пневматических устройств в сжатый воздух распыляют минеральные масла. Это к тому же препятствует коррозии металлов пневматических аппаратов.

Для подготовки воздуха к работе используются устройства отделения воздуха от влаги, устройства распыления масла, а также различные фильтры. Рассмотрим некоторые типы вспомогательных аппаратов пневмосистем.

Рис. 2.21 Влагоотделители (а, б) и их условное изображение (в)

Фильтры-влагоотделители (рис. 2.21) предназначены для удаления из воздуха воды и твердых частиц загрязнений. В фильтре-влагоотделителе, приведенном на рис. 2.21 а, использован принцип расширения воздуха и выделения в этот момент влаги. Воздух, войдя в аппарат по каналу А в крышке 1, попадает далее в полость корпуса 2, где выделившаяся в результате расширения воздуха влага скапливается в полости колпака 5. После этого воздух проходит внутрь фильтрующего элемента 3, на котором задерживаются твердые частицы загрязнений, и выходит в пневмосеть по каналу Б. С помощью линзы 4 можно наблюдать за уровнем накопившейся влаги.   Фильтр-влагоотделитель,   показанный     на рис. 2.21 б, инерционного действия. На входе А воздуха установлена крыльчатка 6, которая закручивает поток воздуха. Под действием  инерционных  сил  крупные  частицы  загрязнений   и капли воды осаждаются на стенках корпуса 2 и стекают вниз  к пробке 4. Далее воздух проходит внутрь фильтрующего элемента 3 и выходит в пневмосеть по каналу Б в крышке 1. Отражатель 5 предотвращает захват потоком воздуха воды со дна  корпуса 2. Отстой жидкости с крупными частицами загрязнения  сливают с помощью пробки 4.

Рис. 2.22 Схема устройств, способствующих удалению влаги из воздуха

При сжатии воздуха компрессорами его температура значительно повышается и для охлаждения в системе подготовки воздуха  устанавливают холодильники 2.22 а, в которых выпадает роса, в результате в пневмосеть поступает  воздух с меньшим содержанием влаги.

Для сушки воздуха используют также такие эффекты, как  абсорбция и адсорбция. Когда влажный воздух проходит через абсорбент, происходит его взаимодействие с водяными парами,  вследствие чего он разлагается и увлекает с собой воду (рис. 4.19,б).

Адсорбция — это поглощение влаги специальным веществом. При этом само оно не разлагается. В качестве адсорбента часто  используют силикагель (рис. 2.22 в). Однако абсорбция и адсорбция создают на пути воздуха довольно большое сопротивление,  что сужает область применения этого способа.

Редуцирование (понижение) давления из-за понижения температуры воздуха при его расширении также способствует выделению росы и снижению влаги в воздухе. Поэтому в редукционных клапанах (рис. 2.22 г) может конденсироваться некоторое количество влаги.

В качестве фильтров, предназначенных для очистки воздуха от твердых частиц загрязнений, используют сетки с мелкими ячейками, бумагу, ткань. Такие фильтрующие элементы называют поверхностными поскольку загрязнения задерживаются их поверхностью. Фильтрующие элементы в виде картона, войлока, металлокерамики, пакетов из поверхностных фильтров называют часто объемными, так как загрязнения задерживаются как поверхностью, так и толщей материала фильтрующего элемента.

Фильтрацию считают грубой, если задерживаются частицы размером 60 мкм и более, нормальной, если тонкость фильтрации составляет 25—60 мкм, и тонкой при 5—25 мкм.

Смазывающую способность воздуха повышают добавлением в него минеральных масел путем их распыления. Для этого используют устройства, называемые маслораспылителями. Они бывают фитильного (рис. 2.23, а) или эжекторного (рис. 2.23, б) типа. Устроены они несложно: корпуса 2 из прозрачного материала, крышки 1 и устройства, обеспечивающего распыление масла (фитиля 3 или сопла с прозрачным колпачком 5 и трубками 4 и 6). Масло в устройствах фитильного типа распыляется за счет подачи в поток воздуха, идущего из канала А в канал Б, капель масла, поднимающихся по фитилю 3 за счет действия капиллярных   сил.

Рис. 2.23. Маслораспылители  (а, б)   и   их  условное  изображение  (в)

Действие маслораспылителей эжекторного типа происходит за счет динамического действия потока воздуха. Воздух подается в канал А (рис. 2.23, б). Часть его идет в сопло С, другая часть по каналу К  в полость над уровнем масла, вследствие чего на масло действует давление воздуха, что способствует его лучшему вытеснению в трубку 4. В то же время та часть потока, которая поступает в сопло С, разгоняется, вследствие чего в полости колпачка создается некоторое разрежение. Поэтому масло по трубке 4  поднимается в трубку 6, попадает в полость колпачка и по вертикальному каналу поступает в сопло, где оно подхватывается потоком воздуха, распыляется в нем и вместе с ним поступает в рабочие полости пневмоустройств привода. Наличие прозрачных колпачка 5 и корпуса 2 обеспечивает визуальный контроль за   работой   маслораспылителя.

Аппаратура управления пневматических систем. Для управления работой пневматических приводов используют большое число пневматических аппаратов различного назначения. Это преобразователи сигналов, кнопки управления, конечные выключатели, усилители и другие элементы. Рассмотрим некоторые из этих аппаратов.

Преобразователи сигналов управления в пневмосистемах различают по виду энергии преобразуемых команд. Их основное назначение—согласовать работу пневматического привода с электрическими или гидравлическими элементами системы управления.

Пневмоэлектропреобразователи воспринимают команду в виде пневматического сигнала и превращают в электрический сигнал. На рис. 2.24 показана конструкция одного из таких устройств. При подаче сжатого воздуха по каналу А в крышке 1 мембрана 2 прогибается вверх, сжимая пружину 3 и поднимая толкатель 4. Он воздействует на контакт переключателя 5 и размыкает или замыкает  электрическую  цепь.   При  снятии  давления   воздуха пружина 3 возвращает все в исходное состояние.

Рис. 2.24. Пневмоэлектропреобразователь

Электропневмопреобразователь (рис. 2.25) превращает электрический командный сигнал в пневматический. При подаче сигнала на электромагнит 1 его якорь 2 поднимается вверх. При этом клапан 3 закрывает сопло 4 и перекрывает подачу воздуха в канал Б. Одновременно с этим канал Б соединяется с каналом В и атмосферой. При отсутствии электрического сигнала управления канал питания А связан с каналом В, что обеспечивает подачу  сжатого  воздуха  к  пневматическим  устройствам.

Рис. 2.25 Электропневмопреобразователь

Пневмогидропреобразоеатель (рис. 2.26) представляет собой узел, состоящий из гидрораспределителя 5 и пневмопривода 7 типа В26-4. При подаче пневматического сигнала по каналу А мембрана 1 прогибается влево, сжимая пружину 2 и смещая поршень 3 и толкатель 4, который, в свою очередь, переключает плунжер 6 гидрораспределителя и тем самым изменяет направление потока жидкости, идущего через гидрораспределитель.

Рис. 2.26. Пневмогидропреобразователь

Кнопки управления пневмоприводом предназначены для ручной подачи пневматических сигналов, воспринимаемых системой управления приводом. Для пневмосистем с разным уровнем давлений применяют различные по конструкции пиевмокиопки.

На рис. 2.27, а показана пневмокнопка систем низких давлений (до 0,01 МПа). Работает она следующим образом. В исходном (ненажатом) состоянии сжатый воздух питания идет по каналу А, проходит демпфер 1 и по каналу В попадает в камеру Г, связанную через отверстия с атмосферой. Поэтому на выходном канале Б кнопки, тоже связанном с атмосферой, будет отсутствовать давление. При нажатии на подвижный элемент 5 он и клапан 2 пойдут вниз и закроют выход канала В. При этом связь каналов А и Б с атмосферой прекращается, а воздух питания, пройдя из канала А в канал Б, создает в нем давление, необходимое для управления.

Пружина 4 обеспечивает открытое положение кнопки в исходном положении, а пружина 3 — надежное перекрытие канала В при включенном состоянии кнопки в случае колебания управляющего воздействия.

Рис. 2.27. Пневматическая кнопка управления

Для пневмосистем средних давлений (0,01—0,15 МПа) используют пневмокнопки (рис. 2.27 б), которые в исходном состоянии перекрывают канал питания, не давая воздуху поступать в атмосферу, что снижает его непроизводительные затраты. Питание  подводится по каналу А. Полость Д сверху ограничена мембраной 3. В исходном (ненажатом) положении кнопки канал Б через  камеру Д и каналы Г и В связан с атмосферой, а канал А перекрыт плунжером 1. При нажатии на кнопку 4 плунжер 2 идет вниз  и упирается в плунжер 1. При этом канал Г закрывается, а каналы А и Б соединяются через камеру за счет отжатия плунжера 1, поэтому в канале Б устанавливается давление питания, которое управляет работой системы.

Для систем с высоким давлением воздуха (0,1—0,5 МПа)  в качестве кнопки используют пневмораспределители клапанного типа.

Конечные выключатели пневмосистем дают информацию о месте положения исполнительного органа привода, они выдают командный сигнал, когда он занимает заданное положение. Они бывают двух видов: контактные и бесконтактные. Первый тип по принципу действия ничем не отличается от пневмокнопок. Разница лишь в конструкции нажимного элемента кнопки, предусматривающей механическое управление нажатием.

Рис. 2.28 Пневматические конечные выключатели

К бесконтактным конечным выключателям относят аппараты, построенные на базе устройства «сопло—заслонка» или использующие другие физические принципы, при которых информация о положении объекта передается без механического контакта подвижных и неподвижных элементов (например, магнитопневматические конечные выключатели).

Рассмотрим принцип действия (рис. 2.28 а) и устройство (рис. 2.28 б) конечного выключателя с двумя соплами и одной заслонкой. При подаче воздуха по каналу А в сопло 1 он свободно проходит в сопло 2 и на выход Б, при этом на выходе будет давление воздуха р. Если же заслонка 3, устанавливаемая на подвижный узел исполнительного органа пневмопривода, войдет в зазор между соплами 1 и 2, то воздух не сможет пройти в сопло 2, поэтому в канале Б не будет давления.

Часто при работе пневмопривода выходной командный сигнал настолько мал по мощности, что он не сможет произвести необходимого переключения привода. В таких случаях в пневмоприводах и их системах управления применяют усилители (рис. 2.29). Слабый сигнал управления ру подается по каналу В в пневмокамеру с мембраной 1. Благодаря ее большой эффективной площади создается сила, достаточная для подъема плунжера 2. При этом канал В отсекается от связи с атмосферой через каналы Г и подсоединяется к каналу А. Сжатый воздух линии питания с давлением рп проходит на выход Б и обеспечивает переключение пневмопривода. Такие усилители обеспечивают коэффициент усиления от 3 до 45 в зависимости от давления питания  рп.

Рис. 2.29 Пневматический усилитель

2.5 Логико-вычислительная подсистема

Автоматическое управление приводом по сути дела есть программное управление поскольку автоматическое управление приводом достигается выполнением вполне определенных процедур, которые могут быть однозначно описаны. По характеру управления приводы автоматизированного оборудования условно можно разделить на приводы с непрерывным и периодическим  (циклическим)  управлением.

Приводы с непрерывным программным управлением широко применяют в системе стабилизации процессов или параметров, которые изменяются или могут изменяться под воздействием внешних условий. Пневмогидравлические приводы в основном состоят из силового гидравлического привода и пневматических управляющих устройств. На рис. 3.30 приведена схема автомата продольной стабилизации полета самолета. На оси гироскопа 1, которая занимает постоянное положение относительно земли, закреплена заслонка 2, кромки которой могут перекрывать каналы в коллекторе 3. Коллектор связан с корпусом самолета. В нейтральном положении заслонки относительно коллектора давление в полостях управляющего пневмоцилиндра 4 таково, что мембрана находится в среднем положении. Распределитель 5, связанный штоком с мембраной, также находится в среднем положении. Полости гидроцилиндра 6 замкнуты. Поршень и руль, связанные между собой штоком и рычагом,  неподвижны.

Рис. 2.30. Автомат продольной стабилизации полета самолета

Если под воздействием внешних сил самолет изменит свое положение относительно оси гироскопа, например наклонится по часовой стрелке, то коллектор своей правой стороной надвинется на заслонку. Количество воздуха, поступающего в правую полость управляющего пневмоцилиндра, уменьшится, а в левую — увеличится. Давление в правой полости уменьшится, а в левой — увеличится. Мембрана прогнется вправо и переместит вправо гидравлический распределитель. Правая полость гидравлического цилиндра соединится с напорной магистралью, а левая — со сливом. Поршень придет в движение и повернет руль так, чтобы самолет мог бы восстановить свое положение. Вместе с ним восстановит свое положение и коллектор. Программное направление полета задается пилотом с помощью тяги 7. Программный сигнал складывается с сигналом обратной связи, служащей для обеспечения плавной работы системы.

Техническое обслуживание и ремонт пневматического привода.

Безотказная работа пневматического привода в значительной степени зависит от влажности, чистоты и давления поступающего воздуха. Давление сжатого воздуха, поступающего в пневматический привод, существенно влияет на мощность привода. Если при давлении воздуха, поступающего в пневматический привод, равном 0,5 МПа, считать развиваемую мощность привода за 100%, то при падении давления на входе до 0,25 МПа мощность  привода составит 35%.

Протяженность воздухопроводной сети на машиностроительных предприятиях достигает нескольких километров. Перепады давления и температуры по длине трассы способствуют выделению в ней конденсата и появлению оксидов, грязи, окалины в воздухопроводах. Поэтому весьма важно для надежной и долговременной работы привода периодически проверять состояние местных воздухоподготовительных устройств, установленных на входе пневматических систем управления и пневматических приводов. В зависимости от условий эксплуатации необходимо ежемесячно проверять состояние местных влагоотделителей, масло-распылителей. Кроме того, следует следить за исправностью воздухоочистительных устройств. Чистота подаваемого воздуха значительно влияет на срок службы пневматического привода. При правильной эксплуатации очистительных устройств (влагоотделителей и маслораспылителей) межремонтный срок пневматического привода может составить 8—12 месяцев при односменной работе.

При полных осмотрах устройств пневматического привода следует особое внимание уделять состоянию уплотнений. Манжеты не должны иметь рисок и углублений. Уплотняющие кромки манжеты не должны иметь порезов, заворотов и других повреждений. Эти кромки должны обладать достаточной упругостью для надежного прижатия к уплотняемой поверхности. В остальном техническое обслуживание этих приводов подобно обслуживанию других типов  приводов.

Особенности ремонта устройств пневмопривода состоят в восстановлении герметичности рабочих камер привода. При ремонте пневматических силовых цилиндров восстанавливают геометрическую форму внутренних поверхностей растачиванием до устранения следов изнашивания. Затем расточенные поверхности раскатывают или шлифуют для уменьшения параметров шероховатости этой поверхности. Поршни изготовляют заново либо наращивают по диаметру наплавкой либо облицовкой  полимерами.

Рис. 2.31. Поршень, облицованный   полимером

На рис. 2.31 показан поршень, облицованный полимером по вышеописанной технологии. Детали вращения, такие, как поршень, можно облицовывать полимером методом центробежного литья (рис. 2.32). В форму помещается подготовленный (обточенный) для облицовки поршень и полимер. На малых оборотах форму прогревают до температуры плавления полимера 523— 538 К (250—265 °С). Затем обороты увеличивают. Полимер под действием центробежных сил располагается по периферии. После охлаждения формы на высоких оборотах до температуры 393— 413 К (120—140 °С) переходят вновь на меньшие обороты, на которых форма охлаждается до 313—333 К (40—60 °С). Затем формы снимают, разбирают, лишние наплывы на торцах поршня зачищают.

Рис. 2.32. Поршень,   облицованный     методом центробежного  литья

В процессе ремонта пневматических приводов часто требуется заменить изношенные манжеты и кольца. Если нет в запасе готовых манжет, то их можно изготовить в ремонтной мастерской. Материалом для изготовления служит маслобензостойкая резина. Изготовление сводится к вулканизации манжет в подходящей пресс-форме. Резину предварительно мнут на вальцах (вальцуют). В пресс-форму закладывают жгут сырой резины в таком   количестве,   чтобы  обеспечить  надежное  заполнение  всей пресс-формы. Пресс-форму располагают между нагревательными плитами пресса, поддерживающими температуру пресс-формы 413—423 К (140—150 °С). После опрессовки выдерживают при указанной температуре 15—30 мин в зависимости от толщины манжет. При изготовлении пресс-форм нужно учитывать усадку сырой резины, которая составляет примерно 1,5%. На рис. 2.33 показаны пресс-формы для резиновых уплотнений. Для повышения износостойкости манжет целесообразно на рабочие поверхности  пресс-форм напылять  полимерные материалы.

Рис. 2.33.   Пресс-формы для резиновых манжет

Рис. 2.34. Монтаж   уплотнений   с   помощью   предохранительных   прокладок: а — на  поршень;  б — через  резьбу;  в — в  расточку  корпуса

При установке манжет необходимо особое внимание обращать на возможность повреждения уплотняющих кромок. Для предупреждения порчи манжет в процессе монтажа следует использовать предохранительные прокладки (рис. 2.34).