Курс пневмоавтоматики

21

водительность. Производительность компрессора указывается в л/мин. или м3/час по отношению ко всасываемому воздуху, находящемуся под атмосферным давлением, равным примерно 1 бар. Например, если производительность компрессора указывается как 150 л/мин., то на выходе можно получить 30 л воздуха в минуту, сжатого до 5 бар (абсолютное давление, измеряемое от значения полного вакуума). При этом манометр на выходе компрессора покажет 4 бара (5-1=4), поскольку измеряет избыточное давление, т. е. разницу между абсолютным и атмосферным давлением воздуха. При расчетах усилий в пневмоавтоматике используют избыточное давление, а при расчетах производительности и пропускной способности элементов – абсолютное давление, которое вместе с температурой и плотностью является физической характеристикой воздуха.

Атмосферное, абсолютное и избыточное давление

В общем виде система производства, распределения и подготовки сжатого воздуха показана на рисунке ниже.

Ресивер служит для создания запаса сжатого воздуха, если производительности компрессора будет не хватать в период пикового потребления. Он также сглаживает колебания давления на выходе компрессора и частично охлаждает сжатый воздух. Для отвода выпадающего конденсата внизу ресивера имеется клапан.

Водяной конденсат, особенно в смеси с компрессорным маслом, является самой главной причиной поломок в пневмосистеме, поскольку вызывает коррозию и износ элементов, а также быстро разрушает уплотнения и вымывает консистентную смазку, которая закладывается в распределители и цилиндры при сборке. Пары воды находятся в атмосферном воздухе (влажность), который засасывается компрессором. Количество воды, которую воздух способен удержать в единице объема (например, в 1 м3) без выпадения конденсата, зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше воды в нем растворено. При сжатии воздуха в компрессоре его объем уменьшается в несколько раз, и несжимаемая вода выпадает в виде конденсата. Дальнейшее выпадение конденсата будет происходить после охлаждения воздуха по мере его прохождения по трубопроводам. Поэтому важно отводить выпавший конденсат не только из ресивера, но и в нескольких точках системы трубопроводов (см. рис.), а также использовать различные влагоотделители и осушители. Последние удаляют не только капельную влагу (уже выпавший конденсат), но и уменьшают содержание растворенной в воздухе воды, которая затем может выпасть при снижении температуры.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

22

Твердые частички и пары масла, находящиеся в сжатом воздухе на выходе из компрессора, также представляют серьезную опасность для пневмосистемы. Поэтому их также нужно удалять с помощью устройств, называемых фильтрами.

Качество сжатого воздуха устанавливается международным стандартом ISO 8573-1 и задается тремя цифрами: 1-я показывает степень фильтрации твердых частиц (максимально допустимый размер), 2-я – влагосодержание через температуру точки росы под давлением (т. е. конденсат из сжатого до рабочего давления воздуха должен выпадать только в случае понижения температуры ниже этого значения), 3-я – содержание масла.

Классы чистоты сжатого воздуха по ISO 8573-1

Для различных отраслей и технологических операций рекомендуются соответственные
классы чистоты. Например, для пищевого производства 2.4.1, для машиностроения 5.4.5, фо-
тообработка 1.2.1 и т. д. Нужное качество воздуха обеспечивается правильным выбором уст-
ройств подготовки: фильтров, осушителей, маслораспылителей. Нужное количество – пра-
вильным подбором размера этих устройств, а рабочее давление задается с помощью регуля-
торов давления или редукционных клапанов.
В зависимости от принципа действия и размера ячеек фильтроэлемента различают сле-
дующие виды фильтров:
Центробежный	Предварительный	Фильтр тонкой	Фильтр с	Стерильный
сепаратор	фильтр	очистки	активированным углем	фильтр

Вода, твердые	Вода, твердые	Капли воды, масла,	Запахи	Бактерии и
частички размером	частички размером	частички размером	(размер частиц	вирусы
более 50 микрон	5-40 микрон	0,01-1 микрон	0,003 микрон)

В пневмоавтоматике часто используются комбинированные фильтры-влагоотделители, в которых воздух сначала закручивается, освобождаясь от крупных капель и частиц, а затем проходит через фильтроэлемент снаружи внутрь. Отделившиеся примеси собираются в колбу, откуда удаляются вручную или автоматически по мере накапливания Часто такие фильтры выполняются в одном корпусе с регулятором давления, образуя самый простой блок подготовки.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

23

Конструкция, внешний вид и условные обозначения фильтров-влагоотделителей

Цифрами обозначены: 1 – фильтр, 2 – влагоотделитель с ручным отводом конденсата; 3 – то же с автоматическим отводом; 4 – фильтр-влагоотделитель с ручным отводом; 5 – то же с автоматическим; 6 – осушитель; 7 - маслораспылитель; 8 – комбинация фильтров.

Если требуется высокая степень очистки, то перед фильтром тонкой очистки (1 мкм) или микрофильтром (0,01 мкм) нужно ставить предварительный фильтр (40, 25 или 5 мкм), иначе фильтроэлемент с малым размером ячеек быстро засорится. Воздух проходит через такие фильтроэлементы изнутри наружу, выдавливая капли воды в колбу (эффект коалесценции), а твердые частички задерживая внутри. Закрутки потока в этих фильтрах нет.

Проблема осушки воздуха обычно решается централизованно – для всего завода или цеха

– путем установки мощных осушителей после компрессора. Для этих целей используются рефрижераторные (осушка до точки росы +1,5оС, т. е. класс чистоты по влагосодержанию не хуже 4), абсорбционные (до –15оС) или адсорбционные (до –40оС или –70оС, класс 2 или 1) осушители. Чаще всего используются рефрифераторные осушители, которые наиболее экономичные в эксплуатации и оказывают наименьшее сопротивление потоку воздуха. В качестве локальных осушителей небольших размеров используются адсорбционные и мембранные, из которых последние можно включать в состав блока подготовки воздуха. Они обеспечивают снижение точки росы под давлением на 13оС по сравнению с воздухом на входе.

Принцип действия и внешний вид мембранного (слева) и адсорбционного осушителей

В обоих типах осушителей около 20% входного потока постоянно идет на внутренние нужды: на вынос влаги, собирающейся с внешней стороны пучка волокон (мембранный осушитель) или осушку адсорбента в одной из емкостей.

Если исполнительные устройства работают на высоких скоростях, в сжатый воздух добавляют специальное масло (не компрессорное), которое распыляется в потоке элементом, называемым маслораспылителем. Подачу масла регулируют специальным винтом в крышке, например, 20 капель в минуту или 5 капель на кубометр проходящего воздуха и т. д. Следить за каплями можно через прозрачный колпачок рядом с регулировочным винтом. В обычных современных системах маслораспылитель не используется, поскольку распыляемое масло может вымыть консистентную смазку из распределителей и цилиндров.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

24

Конструкция, внешний вид и условное обозначение маслораспылителя

Для поддержания в системе нужного рабочего давления применяют редукционные клапаны или регуляторы давления. Нужное давление на выходе регулятора, меньшее давления на входе (отсюда редукция – понижение), настраивается с помощью рукоятки. Обычно поворот по часовой стрелке вызывает повышение выходного давления, а против – понижение. После этого рукоятка фиксируется, и регулятор поддерживает на выходе постоянное давление, независимо от колебаний давления на входе и потребляемого расхода. В некоторых регуляторах давления встраивается обратный клапан, и их можно использовать между цилиндром и распределителем, обеспечивая разную настройку давления прямого и обратного хода.

Конструкция, внешний вид и условное обозначение регулятора давления

Все рассмотренные элементы собираются в блоки, конфигурация которых зависит от нужного качества воздуха и требований, предъявляемых к системе (например, плавное повышение давления при пуске, возможность прекращения работы при падении давления ниже нормы и т. п.). Поэтому в блок подготовки могут входить также клапаны подачи/сброса воздуха (3/2- распределители с ручным или электрическим управлением), клапаны плавного пуска, разветвители, реле давления, датчики расхода.

Клапаны подачи/сброса, плавного пуска и разветвители

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

25

Разветвители нужны, если в системе требуется воздух разного качества. Вместо того, чтобы готовить для всей системы воздух высшего качества, экономически целесообразнее более чистый воздух подавать непосредственно в место его использования. Т. е. сначала готовят воздух по минимальному требованию, а затем, после разветвителя, нужную его часть очищают лучше. Аналогично поступают, если в одну часть системы нужно подавать сухой воздух, а в другую – с распыленным маслом.

Примеры использования разветвителей

Примеры сложных блоков подготовки

Минимальная конфигурация блока подготовки определяется классом чистоты воздуха. Эти цифры (2.4.1 или 5.4.5 и т. д.) и соответствующие им значения из ISO8573-1 прямо подсказывают состав устройств блока подготовки: 2.4.1 означает отсутствие твердых частиц размером более 1 мкм (т. е. нужен фильтр 1 мкм), точку росы +3° С (т. е. пока температура не упадет ниже этой точки, конденсата в воздухе быть не должно - применимо для оборудования в помещении) и отсутствие капель масла больше 0,01 мкм. Последнее условие требует фильтра 0,01 мкм, а перед ним - фильтров 1 и 40 мкм для предварительной очистки. И, конечно, нужен регулятор давления. Итак, минимальная конфигурация: фильтр-регулятор на 40 мкм, фильтры на 1 и 0,01 мкм – всего 3 модуля. Если влагосодержание превышает требуемую норму, после третьего фильтра можно установить мембранный осушитель.

Теперь подсчитаем требуемый расход для периода максимального потребления. Потребление воздуха цилиндром за цикл работы можно определить тремя способами:

- подсчитать объем полостей цилиндра и шлангов между ним и распределителем, умножив его на (р+1), где р – рабочее давление системы по манометру (всегда используется объем и расход воздуха при нормальных условиях);

- воспользоваться соответствующей номограммой из каталога Festo (без учета шлангов);

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

26

- воспользоваться программой ProPneu на цифровом каталоге Festo.

Умножив результат на число циклов в минуту и сложив данные для одновременно работающих цилиндров, получим расход, который нужно подавать в систему (например, 350 л/мин.).

Если важна средняя скорость перемещения, то нужный расход получаем умножением скорости на площадь поршня цилиндра и на (р+1).

Размер блока выбирается по самому критичному в этом отношении модулю – в нашем случае это фильтр на 0,01 мкм (или осушитель, если есть). Остальные модули при равных условиях пропускают больший расход. По каталогу выбираем модель и размер фильтра 0,01 мкм, например, MS6-LFM-1/4-A (380 л/мин.). Остальные модули должны быть этого же размера и типа (в данном случае МS6) и с таким же присоединением (1/4”).

Нужно учесть требования по безопасности, удобству обслуживания и контролю параметров (давление, расход…), каждое из которых приводит к добавлению в блок соответствующего модуля. Если используется воздух нескольких классов чистоты, то нужны модули разветвления между фильтрами. Несмотря на дополнительные затраты, это экономит деньги на потреблении воздуха, поскольку лучше всего очищенный воздух является и самым дорогим.

Распределение сжатого воздуха производится металлическими или пластиковыми трубопроводами, а также гибкими полимерными шлангами. Последние используются, если внутренний диаметр (проходное сечение) не превышает 16 мм. Внутренний диаметр шланга подсчитывается в зависимости от длины, рабочего давления, требуемого расхода и допустимого перепада давления (потери давления). Обычно используют номограммы или формулу:

D – внутренний диаметр трубопровода в мм

Q – расход в л/мин.

L – длина трубопровода в м ∆р – перепад давления в бар Рmax – рабочее давление в бар

Выбор материала шлангов делается с учетом параметров сжатого воздуха (давление и температура), а также окружающих условий: антистатичность, стойкость к гидролизу, ультрафиолетовому излучению, пламени, агрессивным веществам, изгибу и т. п.

Подключение шлангов к устройствам пневмосистемы производится с помощью штуцеров, которые имеют с одной стороны резьбу для установки в устройство, а с другой – элементы крепления шлангов. Различают штуцеры ниппельные, с накидной гайкой (оба типа для шлангов, калиброванных по внутреннему диаметру), и быстроразъемные с зажимным кольцом или цангой (для шлангов, калиброванным по наружному диаметру). Для соединения шлангов между собой используют проходные фитинги, тройники (Т- и Y-образные), крестовины (Х-образные фитинги) и многоотводные коллекторы. При этом можно осуществлять переход от шланга одного диаметра к большему или меньшему, а также разветвление по нескольким направлениям. Выпускаются штуцера из пластика, различных металлов и сплавов, включая нерж. сталь.

Различные типы штуцеров и соединений для гибких шлангов

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /