Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Омский промышленно-экономический колледж»

Типовые элементы гидропневмоавтоматики

Методические указания к лабораторно-практическим занятиям

по дисциплине «Типовые элементы систем автоматического управления»

Составитель: Гудинов В.Н.

Омск 2008

1. Введение

Пневматические и гидравлические системы управления и приводы нашли широкое применение для механизации и автоматизации производственных процес­сов в различных отраслях промышленности.

Во многих взрывопожароопасных производствах реализация схем автоматики все чаще осущест­вляется на базе пневматических устройств высокого давления, особен­но малогабаритных воздухораспределителях и других направляющих пневмоаппаратах. Эти устройства предпоч­тительны для построения систем управления не очень большой сложнос­ти с относительно невысокими требованиями к быстродействию и дол­говечности и в этих условиях имеют по сравнению с устройствами низ­кого и среднего давления следующие основные преимущества: управле­ние исполнительными механизмами без промежуточного усиления команд­ных сигналов, менее тщательную очистку воздуха, простоту наладки и обслуживания.

Целью работа является изучение студентами назначения, устройства и принципа действия пневматических аппаратов высокого давления, а также приобретение ими навыка собирать практические схемы управления исполнительными устройствами.

2. Теоретическая часть

2.1. Общая структура пневматической системы

П

Рис. 1

невматическая система машин-автоматов (рис. 1) состоит из исполнительных устройств, задатчиков закона движения, распределитель­ных устройств, узла подготовки воздуха, датчиков состояния и управ­ляющего устройства.

Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство, служащее для перемещения рабочих органов машины (например, пневматический цилиндр, мембранное ИУ, двигатель вращательного движения и т.д.).

Задатчиком закона движения называется устройство, позволяющее осуществить перемещение рабочего органа при помощи исполнительного устройства в соответствии с заданной зависимостью пути от времени, то есть с заданным законом движения (например, регулируемые дроссе­ли, тормозные устройства).

Распределительным устройством или распределителем называется устройство, предназначенное для реверсирования ИУ путем изменения потоков воздуха, подаваемого из магистрали в рабочие полости и свя­зи выхлопных полостей с атмосферой.

Датчики состояния преобразуют механические или какие-либо дру­гие виды сигналов, характеризующие состояние ИУ и внешней среды Х_внеш. (давление, температуру и т.п.) в пневматические (а также электри­ческие и др.) сигналы и подают их в управляющее устройство.

Управлявшее устройство или система управления осуществляет авто­матическое (или полуавтоматическое) переключение распределителей в соответствии с заданными условиями работы, обеспечивая требуемую последовательность работы исполнительных устройств (заданную циклограмму). Система управления вырабатывает управлявшие сигналы в со­ответствии с состоянием рабочих органов машины и в зависимости от состояния внешней среды в данный и предыдущий моменты времени. В зависимости от заданных условий работы выбирается вид управ­ляющего устройства, например, командоаппарат, или же система, пост­роенная на релейных пневматических логических элементах.

Узел подготовки воздуха включает в себя ряд специальных устройств, в которых осуществляется удаление влаги, твердых частиц и введение распыленного масла, если воздух подается в распределители и испол­нительные устройства с подвижными уплотнителями.

2.2. Пневмодвигатели

В качестве исполнительных устройств в пневматических системах используются пневмодвигатели, которые предназначены для преобразо­вания энергии сжатого воздуха в механическую энергию движения выходного звена (например, штока пневмоцилиндра или вала пневмомотора). Они предназначены для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций (например, зажима, фиксации, транспортирования, подъёма и т.д.). По характеру движе­ния выходного звена пневмодвигатели подразделят на пневмоцилиндры (с поступательным движением выходного звена); поворотные пневмодвигатели (с ограниченным углом поворота выходного звена) и пневмомоторы (с неограниченным вращательным движением выходного звена). Наибольшее распространение получили пневмоцилиндры, в которых про­исходит преобразование потенциальной энергии сжатого воздуха в ме­ханическую энергию поршня.

На рис. 2 приведены условные обозначения по ГОСТ 2782-68 основ­ных типов пневмоцилиндров.

В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воз­духа действует на поршень только в одном направлении, в другую сто­рону поршень перемещается под действием внешних сил (рис. 2, а) или пружины (рис. 2, б). Такие пневмоцилиндры с пружинным возвратом обычно используют для небольших перемещений.

В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком происходит в двух противоположных направлениях (рис. 2, в) - с односторонним штоком (рис. 2, г) - с двусторонним штоком. Пневмоцилиндры этого типа нашли наибольшее применение в промышленности.

Сдвоенные пневмоцилиндры (рис. 2, д, е) рекомендуется использо­вать, когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из за недостатка места.

Телескопические пневмоцилиндры (рис. 2, ж) используются для уст­ройств со значительной величиной перемещения рабочего органа при ограниченном осевом габарите цилиндра в исходном положении.

Мембранные пневмодвигатели (рис. 2, з) одностороннего и двусто­роннего действия, применяют в случае тяжелых условий работы, обус­ловленных повышенной загрязненностью окружающей среды, в устройст­вах с ограниченной величиной перемещения.

Сильфонные пневмодвигатели (рис. 2, и) применяют, как правило, в датчиках и в специальных устройствах с небольшой величиной хода и усилий.

Камерные пневмодвигатели (рис. 2, к) используются для зажима де­талей при необходимости зажима в нескольких точках.

Шланговые пневмодвигатели (рис. 2, л) применяются в транспорти­рующих устройствах со значительной величиной перемещений (до 10 м и более).

Многопозиционные пневмоцилиндры (рис. 2, м - сдвоенные цилиндры; рис. 2, н - однопоршневые с отверстиями в гильзе; рис. 2, о - многопоршневые) применяются в устройствах позиционирования, перек­лючения передач и др., обеспечивающие несколько фиксированных положений рабочего органа.

Ударные пневмоцилиндры (рис. 2, п) используются в устройствах, где требуется высокая скорость перемещения рабочего органа, напри­мер, в штампах.

Пневмоцилиндры с гибким штоком (рис. 2, р) обеспечивают большие перемещения при минимальных размерах цилиндра, применяются для опе­раций транспортирования, хонингования, полирования, шлифования и т.п.

Вращающиеся пневмоцилиндры со встроенной передачей «гайка-винт» (рис. 2, с, т) используются в зажим­ных устройствах станков для обработки: пруткового материала, штуч­ных заготовок.

2.3. Направляющая аппаратура

Направляющая аппаратура предназначена для изменения направления потока сжатого воздуха путем полного открытия или закрытия рабоче­го проходного сечения.

К этой группе относятся пневмораспределители, обратные пневмоклапаны, пневмоклапаны быстрого выхлопа, последовательности, выдер­жки времени, логические клапаны (ИЛИ; И).

П

Рис. 3

невмораспределители предназначены для изменения направления или пуска и остановки потоков сжатого воздуха в двух или более внешних пневмолиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. На рис. 3 приведена классификация основных видов пневмораспределителей и их условные обозначения в соответствии с ГОСТ 2.781-68.

Число внешних линий (каналов) определяет линейность (канальность) распределителя. Приме­няют в основном двух, трех, четырех и пятилинейные распределители. Распределители для специальных целей, а также крановые применяют с большим числом линий.

По числу фиксированных положений распределительного органа разли­чают двух-, трех- и многопозиционные распределители.

Наибольшее применение получили двухпозиционные распределители, распределительный (запорный) элемент которых может занимать одно из двух крайних положения. Распределительный элемент (золотник, клапан, кран) трехпозиционных пневмораспределителей при отсутствии управляющего воздействия занимает среднее по­ложение.

Двухпозиционные пневмораспределители могут иметь одостороннее и двухстороннее управление (трехпозиционные только двухстороннее). Под односторонним понимают такой вид управления, при котором для переключения распределительного элемента управляющее воздействие прикладывается только к одному чувствительному элементу и в одном направлении, а возврат в исходное положение происходит после снятия управляющего воздействия под действием сил механической или пневма­тической пружины. При двухстороннем управлении, чтобы распределитель­ный элемент привести в заданное положение, необходимо управляющее воздействие приложить к соответствующей стороне (торцу) чувствительного элемента. Важным функциональным признаком распределителей является вид управления. Схема классификации основных видов управления изображе­на на рис. 4, условные обозначения на котором соответствуют ГОСТ. 2.72I-74.

Наиболее широкое распространение в промышленной практике получили следующие конструкции распределительных устройств: золотниковые (с цилиндрическим или плоским золотником), клапанные и крановые.

Рис. 4

Н а рис. 5 изображена конструкция двухпозиционного четырёхлинейного пневмораспределятеля В63-2 с односторонним пневматическим управлением. Пневмораспределитель состоит из корпуса 1, плунжера 3, плоского золотника 5 с пружиной 4, двух крышек 6 и 9 и основания 7. Плунжер 3 находится в крайне правом положении под действием ре­зультирующей силы, возникающей вследствие того, что площадь право­го торца плунжера больше, чем площадь левого торца. При этом отвер­стие магистрали М соединено с отверстием Ц1, а отверстие Ц2 связано с атмосферой А, при подаче давления сжатого воздуха в отверстие в крышке 6 плунжер 3 перемещается в крайне левое положение, соеди­няя с магистралью М отверстие Ц2 и связывая отверстие Ц1 с ат­мосферой А. После снятия управляющего сигнала плунжер возвращается в исходное положение.

Обратные пневмоклапаны предназначены для пропускания сжатого воздуха только в одном направлении.

Пневмоклапаны быстрого выхлопа служат для повышения быстродей­ствия пневмоприводов путем уменьшения сопротивления выхлопной линии.

Пневмоклапаны последовательности предназначены для контроля ра­бочего цикла по давлению в пневматических системах управления пу­тем выдачи пневматического сигнала при возрастании контролируемого давления до заданной величины.

Логический пневмоклапан ИЛИ предназначен для выдачи выходного пневматического сигнала при подаче одного или двух входных сигна­лов. Логический пневмоклапан И предназначен для выдачи выходного пневма­тического сигнала только при наличии двух входных сигналов.

2.4. Регулирующая пневмоаппаратура

Регулирующая аппаратура предназначена для изменения давления и расхода сжатого воздуха путем регулирования величины открытия про­ходного сечения. К этой группе пневмоаппаратуры относятся редукци­онные и предохранительные пневмоклапаны, дроссели.

П невмодроссели предназначены для изменения расхода путем создания местного гидравлического сопротивления потоку сжатого воздуха. Различают дроссели постоянные, сопротивление которых (величина про­ходного сечения, форма или длина канала) не может быть изменено в процессе эксплуатации и переменные (регулируемые), сопротивление ко­торых можно изменять настройкой. Дроссели используют главным обра­зом для регулирования скорости пневмодвигателей и скорости заполне­ния или опорожнения емкостей в целях создания временных задержек.

Д россели обычно выполняют в виде отдельных регулируемых устрой­ств и часто снабжают обратным клапаном (рис. 6), устанавливаемым параллельно дросселирующему узлу. Они дроссе­лируют поток воздуха только в одном направле­нии, а поток воздуха противоположного направ­ления пропускают через обратный клапан.

Пневмоклапаны редукционные (регуляторы давления) с ручной и дистанционной настрой­кой предназначены для автоматического поддер­жания давления сжатого воздуха на заданном уровне.

На рис. 7 представлен редукционный пневмоклапан типа B57-16. Сжатый воздух подводится к присоединитель­ному отверстию П , отвод стабильного давления производится через отверстие 0.

Настройка пневмоклапана осуществляется при помощи винта 1, дей­ствующего через пружину 2 и толкатель 3 на дроссельный клапан 4. Выходное давление, действующее на мембрану 5 снизу, уравновешивается усилием пружины 2. При на­рушении (уменьшении) выходного давления указанное равновесие нару­шается, мембрана 5 прогиба­ется и через толкатель 3 от­жимает дроссельный клапан 4, увеличивая проход воздуха и, тем самым, расход его и дав­ление. При повышении давле­ния на выходе пружина 2 сжи­мается, дроссельный клапан 4 прикрывается, что приводит к уменьшению расхода и давле­ния сжатого воздуха.

2.5. Аппаратура подготов­ки воздуха

Устройства для очистки воздуха подразделяют по наз­начению на фильтры (для очист­ки от механических загрязнений), влагоотделители (для очистки от воды и масла в жидком состоя­нии) и осушители (для очистки от влаги в парообразном состоянии).

Применяются комбинации этих устройств, например, фильтры-влагоотделители. На рис. 8 приведены конструкция и условное обозначение фильтра-влагоотделителя с ручным отводом конденсата типа B41-1.

С жатый воздух, подведенный к отверстию П, попадает не крыльчат­ку 1 и движется по винтовой линии. Капли воды и масла, а также круп­ные твердые частицы, находящиеся в потоке воздуха, под действием центробежных сил отбрасываются на стенки стакана и стекают вниз в спокойную зону, отделенную заслонкой 3. Очищенный от грязи и влаги воздух проходит через металлокерамический фильтр 4, очищается от твердых загрязнений и поступает к выходному отверстию О. Удаление воды и других загрязнений из фильтра происходит под действием сжа­того воздуха при открытии ручного запорного клапана 5.

Прозрачный материал стакана 2 позволяет следить за количеством конденсата и производить своевременный его отвод.

Маслораспылители предназначены для внесения в сжатый воздух рас­пыленного масла с целью смазки трущихся поверхностей пневматических устройств (поршней пневмоцилиндров, золотников воздухораспределителей и пр.).

2.6. Системы управления исполнительными устройствами

На рис. 9 показана схема уп­равления движением «вперед-назад» пневмоцилиндра ПЦ. Сжатый воздух из магистрали через фильтр-влагоотделитель Ф, регулятор давления РД и маслораспылитель М поступа­ет к каналам питания клапана К и распределителя Р. Под дейст­вием разности сил давления (пнев­матической или механической пружины) распредели­тель находится в положении, при котором сжатый воздух из магистра­ли поступает в штоковую полость пневмоцилиндра, а поршневая по­лость связана с атмосферой. По­лость управления распределителя через выходной канал клапана К связана с атмосферой. При нажиме на кнопку клапана К, он переключается в положе­ние, при котором атмосфера отсекается, а выход связывается с маги­стралью. Сжатый воздух, поступая в полость управления распределите­ля, переключает его в положение, показанное справа на его условном изображении. При этом поршневая полость пневмоцилиндра связывается с магистралью, а штоковая - с атмосферой; поршень движется направо, выдвигая шток. После отпускания клапана распределитель переключает­ся в исходное положение, так как сжатый воздух из полости управле­ния выходит в атмосферу через канал в клапане К. Поршень пневмоцилиндра движется влево и шток втягивается. Регуляторы скорости РС1 и РС2 (дроссель с обратным клапаном) позволяют регулировать скорость поршня в прямом (PC1) и обратном (РС2) направлениях.

Схема, показанная на рис. 10, осуществляет движение пневмоцилинд­ра ПЦ вперед при нажатии на клапаны К1 или К2 , и назад – при нажатии клапана КЗ. Клапан К-ИЛИ является разделительным (при подаче сиг­нала от клапана K1 он перекрывает канал, ведущий к клапану K2 свя­занный с атмосферой, и наоборот).

Схема на рис. 11 осуществляет движение штока ПЦ вперед-назад автоматически от концевых переключателей П1 и П2 с включенным тумблером Т. Остановка ПЦ в исходном положении произойдет при отключенном тумблере Т.

Схема рис. 12 показывает движения штока ПЦ вперед-назад (аналогичные со схемой на рис. 11), с выдержкой времени на выдвижение штока ПЦ за счет включения реле времени РВ.

Схема на рис. 13 осуществляет движение штока ПЦ вперед при одновременном нажатии только обеих кнопок К1 и К2 и движение назад при отпускании обеих кнопок.

Схема на рис. 14 реализует движение штока ПЦ вперед при нажатии любых двух из трех кнопок K1, К2 или КЗ.

Рис. 15

Рис. 16

Рис. 17

Рис.18