книги / Основы пневмоавтоматики

2. ПОДГОТОВКА ВОЗДУХА ДЛЯ СИСТЕМ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ, РАБОТАЮЩИХ В ОБЛАСТИ НОРМАЛЬНЫХ И ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИИ

Схема подготовки воздуха. Схема снабжения систем пнев­ моавтоматики сжатым воздухом показана на рис. 1. Сжатие воздуха осуществляется поршневым компрессором 2. Обычно устанавливается два компрессора, один из которых является запасным. На входе в компрессор воздух очищается от пыли фильтром 1. Наилучшими фильтрами для этой цели считаются

мокрые: масляные и водяные [37]. Очистка от пыли предохраня­

ет компрессор от преждевременного износа. Немаловажное значение имеет выбор места для забора атмосферного воздуха, направляемого в компрессор. Следует учитывать, что чем ниже температура всасываемого воздуха, тем меньше содержится в нем влаги и тем выше его плотность. Поэтому воздухозаборник лучше всего располагать в местах с наименьшей температурой. Такое место обычно выбирают снаружи здания, с северной сто­ роны вдали от источников загрязнения воздуха.

Из компрессора воздух попадает в ресивер 7, предназначен­ ный для аккумулирования запасов сжатого воздуха и сглажи­ вания пульсаций. При наличии ресивера отпадает необходи­ мость в беспрерывной работе компрессора, что значительно удлиняет его срок службы. В то время, когда компрессор ока­ зывается отключенным, питание пневматических устройств осуществляется за счет накопленного в ресивере сжатого воз­ духа. Отключение компрессора при достижении верхнего установленного давления и включение его *в работу при умень­ шении давления до нижнего установленного предела осущест­

11

вляется с помощью электрической системы автоматики 3, содержащей электрические реле и магнитные пускатели, причем дискретным датчиком давления служит контактный манометр 5.

Электрическая система автоматически включается дистанцион­ но с помощью кнопки 17.

Прежде чем попасть в ресивер 7, воздух проходит через водяной холодильник 6, где оставляет 70—80% влаги, и выхо­

дит оттуда со 100%-ной относительной влажностью. Вода в хо­ лодильник поступает из линии 8. Если системы пневмоавтома­

тики и аппаратура воздухоподготовки расположены в местах, где температура не падает ниже нуля, то, учитывая, что при поступлении к приборам воздух проходит через редукторы и давление его падает, а влажность снижается до величины по­ рядка 30%, при 20° С, дальнейшую его осушку можно не про­ водить. В ресивере 7 также конденсируется некоторое количе­ ство воды, которую периодически необходимо удалять. Для этого служит вентиль 10, управляемый электрической автома­

тической системой.

Предохранительный клапан 4, установленный на ресивере 7,

не позволяет давлению подняться выше		допустимого уровня
при выходе из строя электрической системы автоматики.
Большая часть масла, содержащегося		в воздухе,	конденси­
руется в холодильнике 6 и в ресивере 7, меньшая часть остается
в маслоотделителе 11.
Если системы пневмоавтоматики и воздухоподготовки
пневматических вычислительных, приборов		работают	при тем­
пературах ниже нуля, а также	при необходимости		обеспечить
повышенную надежность этих	устройств,	проводят	глубокую

осушку воздуха, для чего применяют селикагелиевый двухсту­ пенчатый дегидратор 12.

Давление в воздушной линии				поддерживается		постоянным
с помощью регулятора		13.	После	регулятора давления				при
отсутствии дегидратора		12 воздух		обычно направляют			в	реси­
вер 14,	несколько меньшей		емкости, чем		ресивер	7.	Оттуда
воздух	через распределительную			гребенку	поступает		к филь­

трам 15, редукторам 16, а затем к приборам.

Воздух высокого давления для питания поршневых и мем­ бранных исполнительных механизмов отбирается до фильтров 15. Для повышения степени очистки воздуха от пыли после ре­

дукторов 16 иногда включают дополнительные фильтры.			Вода
сбрасывается в канализационную	систему 9 из холодильни­
ка 6.	пневматических	приборов,
В последнее время для питания
работающих при нормальном и высоком давлении,		все	чаще

начинают использовать специальные автоматические установки, которые полностью осуществляют весь рабочий цикл подготов­ ки воздуха: его сжатие, очистку от пыли и масла, осушку, а также поддерживают давление в заданных пределах.

12

Сжатие воздуха. Несмотря на трудности очистки сжатого воздуха от масла, чаще всего для сжатия воздуха применяют поршневые компрессоры с обычной смазкой. Такие компрессо­

ры сжимают			воздух до		избыточного		давления	порядка	0,6—
1 МПа.				поршневым		компрессорам		посвящена	об­
Воздушным
ширная		специальная			литература,
поэтому здесь они не рассматрива­
ются.		Сжатие воздуха			иногда осу­
ществляют при помощи мембранных
компрессоров,			позволяющих			полу­
чить свободный от паров масла сжа­
тый воздух.
Мембранный компрессор, приме­
няемый в автоматической установке
для воздухоснабжения типа АД-220,
представлен			на рис. 2.		Электриче­
ский двигатель приводит во враще­
ние	вал компрессора 1.				На валу с
эксцентриситетом				посажен ' шарико­
вый подшипник 6У внешнее кольцо
которого укреплено в шатуне 7. Ша­
тун сообщает периодическое движе­
ние вверх и вниз грибку 5 с мембра­
ной 2. Когда грибок опускается
вниз,	создается			разрежение		и воз­
дух	через		пылевой		войлочный
фильтр		и открывшийся			всасываю­		Рис. 2. Мембранный компрессор
щий клапан 4 попадает					в рабочую
камеру. При ходе грибка вверх воз­							нагнетательный клапан
дух сжимается и через					открывшийся

(всасывающий клапан закрыт) попадает в корпус 3 компрессора

и далее в воздухосборник. Воздух в таком компрессоре сжимает­ ся до давлений порядка 0,3 МПа. Основной недостаток компрес­

сора состоит в необходимости периодической	смены	мембран,
так как с течением времени они выходят из строя.		производи­
Компрессор выбирают главным образом	по его

тельности, которую рассчитывают исходя из числа приборов пневмоавтоматики и количества воздуха, необходимого для каждого прибора.

При расчете общей потребности в воздухе следует учитывать также утечки воздуха из индивидуальных редукторов, утечки через различного рода неплотности (данные о величине этих уте­ чек можно получить экспериментально), а также возможность увеличения нагрузки в будущем.

Автоматическая установка для воздухоснабжения АД-220. Установка работает автоматически и осуществляет сжатие воздуха, очистку от пыли и масла, осушку, а также поддержи-

13

вает давление воздуха в заданных пределах. Установка объеди­ няет в себе компрессор, фильтр для пыли, дегидратор, ресивер и систему автоматики, обеспечивающую периодичность протека­ ния всех процессов. Максимальная производительность1* ее невелика и составляет всего 22 л/мин при влажности осушен­ ного воздуха не более 0,3 г/м3 и давлении в пределах 0,25—0,3 МПа.

Схема установки приведена на рис. 3. Атмосферный воздух засасывается через фильтр 25 мембранным компрессором 26 и

		затем поступает		в воздуш­
		ный холодильник 27. Благо­
		даря сжатию и последующе­
		му охлаждению		из воздуха
		выпадает конденсат. Из хо-
	21	лодильника воздух			с пони­
		женным содержанием влаги
		разветвляется на два пото-
	23 ка, один из которых направ-
	24	ляется	в левую	колонку 2,
		находящуюся в режиме суш­
		ки, а другой — в правую ко­
		лонку 24, находящуюся в ре­
		жиме	регенерации.		Здесь
		под регенерацией		понимает­
		ся процесс извлечения влаги
		из насыщенного влагой ад­
		сорбента — вещества, хоро­
	Рис. 3. Схема автоматической установки	шо и в большом количестве
		поглощающем влагу. На пу­
	для воздухоснабжения АД-220
		ти в колонки воздух прохо­
		дит два обратных клапана 16
	и 17. В холодильнике остается основная часть (70—80%)				влаги,

находящейся в воздухе. Адсорбционная колонка является второй ступенью, где воздух проходит более глубокую осушку.

Колонка с холодильником образуют так называемый дегид­ ратор. Колонка представляет собой полый цилиндр, заполнен­ ный адсорбентом, в качестве которого применяют вещества, имеющие пористую капиллярную структуру, как, например, активированный уголь, силикагель, алюмогель и феррогель. Конденсация пара в капиллярах адсорбента объясняется тем, что парциальное давление пара в капиллярах ниже давления пара в окружающем адсорбенте воздух. Благодаря разности давлений происходит диффузия пара в капилляры и его конден­ сация.

1 Здесь и далее объемный расход воздуха определяют при нормальных условиях.

14

В адсорбционных колонках установки АД-220 применен силикагель (S i02) в виде зерен диаметром 3—4 мм. Чтобы пред­ ставить себе, насколько сильно развита сеть капилляров в си­ ликагеле, достаточно сказать, что их боковая поверхность для 1 кг массы этого вещества составляет 4-105 м2. Это обеспечивает высокую влагоемкость адсорбента и позволяет осушать воздух до относительной влажности 2—3% при температуре воздуха 15—20° С, что соответствует точке росы при температуре минус 30—40е С.

Адсорбированную силикагелем влагу можно легко удалить, пропуская через него часть осушенного воздуха, составляющего 5—7% от общего количества и нагретого до 150—200° С. Такой способ восстановления силикагеля носит название горячей реге­ нерации. Помимо этого существует еще способ холодной реге­ нерации, состоящий в том, что через насыщенный влагой сили­ кагель пропускается часть осушенного холодного воздуха, составляющего 20—25% от общего количества, с пониженным давлением.

Условия для регенерации адсорбента в колонке установки АД-220 обеспечиваются за счет нагрева силикагеля электриче­ скими спиралями 13 или 22 и продувки через него нагретого

воздуха. Воздух нагревается при прохождении по спиральным змеевикам 3 или 23. На конце змеевиков установлены фильтры 1 и 18, состоящие из двух металлических сеток, между которыми

предусмотрен слой прессованной металлической стружки, предотвращающий проникновение частичек силикагеля на дни­ ще колонки. Пройдя этот фильтр, воздух направляется вверх, минуя слой силикагеля и фильтр 4, заполненный стеклянной

тканью, задерживающей силикагелиевую пыль. После этого воздух выходит из колонки. Описанная конструкция колонки характерна для дегидраторов небольшой производительности, так как в адсорбере большого размера равномерно нагреть адсорбент нагревателями рассмотренного типа невозможно.

Правая и левая колонки взаимозаменяемы, и в процессе работы они меняются ролями. Когда силикагель насытится влагой, колонка вступает в фазу регенерации, в это время в работу включается колонка, уже прошедшая регенерацию и остывшая.

В колонках имеются температурные реле 12 и 21, которые

регулируют температуру колонок в стадии регенерации. Если температура силикагеля превышает 190° С, реле выключают нагреватели.

Выйдя из колонки 2, воздух проходит через открытый соле­ ноидный клапан 14, фильтр 10, обратный клапан 9 и попадает в воздухосборник 11. Соленоидный клапан 15 при этом закрыт.

Далее воздушная линия разветвляется. Одна магистраль ведет к потребителю. Здесь воздух проходит через игольчатый' кла­ пан 8, редуктор 7 и индикатор влажности 5. Давление воздуха,

15

поступающего к потребителю, контролируется манометром 6. Линия, идущая из воздухосборника 11 вниз, подводит воздух

к мембране реле давления. Если давление превысит заданное, реле отключит двигатель компрессора и выпустит лишний воздух из линии.

Воздух, идущий от холодильника 27 по правому трубопро­ воду, попадает в колонку 24, в которой происходит восстановле­

ние силикагеля. Силикагель, нагретый до 190° С, интенсивно испаряет влагу, которая уходит с воздухом через соленоидный клапан 20, отключающий колонку 24 от магистрали, идущей к потребителю, и открытый соленоидный клапан 19 и выбрасы­

вается в атмосферу. Во время регенерации производительность установки сокращается, что, естественно, является недостатком. По описанному циклу установка работает в течение 7 ч. После этого силикагель в правой колонке 24 полностью освобождает­

ся от влаги, и электрическое командное устройство закрывает соленоидный клапан 19 и отключает нагреватель. Левая осуши­ тельная колонка 2 продолжает еще работу в течение 5 ч. Пра­

вая регенерированная колонка за это время успевает полностью остыть. По прошествии 12 ч колонка 24 включается командным устройством на осушку воздуха, а колонка 2 — на регенерацию.

Таким образом, полный рабочий цикл осуществляется за 24 ч.

Индикатор 5, с помощью которого контролируют влажность воздуха, поступающего к потребителю, представляет собой стек­

лянную	трубку,	заполненную индикаторным веществом — си­
ликагелем, обработанным			10%-ным	раствором		хлористого
кобальта. По цвету индикаторного вещества, пользуясь							специ­
альной	шкалой	цветности,	определяют	относительную			влаж­
ность осушенного воздуха.			автоматическая		установка		АД-220
Как	уже указывалось,
имеет недостаток, заключающийся в том,					что воздух,		идущий
на регенерацию		колонки, сбрасывается		в атмосферу,		в резуль­

тате чего снижается производительность колонки. В некоторых других подобных установках такая непроизводительная потеря воздуха устранена. Воздух, расходуемый на регенерацию, в этих устройствах не сбрасывается в атмосферу, а засасывается газоструйным насосом и возвращается на вход установки, осушается и снова поступает к пневматическим приборам.

Фильтры и стабилизаторы давления (редукторы). Как уже отмечалось ранее, одним из необходимых условий обеспечения стабильной и надежной работы технических средств пневмоав­ томатики является высококачественная очистка воздуха от масла и пыли. В настоящее время для очистки воздуха приме­ няют различные фильтры. Фильтры по принципу действия делят на сухие, мокрые, центробежные и др„ В пневмоавтоматике применяют исключительно сухие пористые фильтры. В качестве фильтрующих материалов используют фетр, войлок, шерстяную вату и т. д. Однако в последнее время все большее применение

16

в фильтрах находит ткань марки ФПП (ткань И. В. Петрянова). Эта ткань представляет собой слой ультратонких волокон, изготовляемых из различных полимеров. Ткань длительно выдерживает нагрев до температуры 60° С, не смачивается во­ дой и нечувствительна к агрессивным средам. Однако под воз­ действием масел ткань разбухает. Самым положительным свойством этой ткани является способность задерживать части­ цы пыли с размерами не менее 10 мкм.

В сухих пористых фильтрах применяют керамические фильтрующие элементы из шамотной массы. Сам фильтрую­ щий элемент выполняют в форме пустотелого цилиндра. Диаметр пор керамических фильтров составляет примерно 20—30 мкм и поэтому качество очистки воздуха такими филь­ трами невелико. Кроме того, качество ухудшается из-за неоднородности пористости по всей поверхности фильтрующего цилиндра, а также из-за хрупкости керамики, что влечет за собой отрыв проходящим воздухом мельчайших частиц и транспортировку их в устройства пневмоавтоматики. Эти недо­ статки отсутствуют у металлокерамических фильтров, которые отличаются большей прочностью и меньшим диаметром филь­ трующих пор. В системе пневмоавтоматики металлокерамиче­ ские фильтры используют для предварительной очистки воздуха во влагоотделителях.

Принцип действия такого влагоотделителя состоит в том, что под действием центробежных сил мелкие частички жидкости отбрасываются на стенки стакана и собираются в капли, сте­ кающие в нижнюю отделенную отражателем спокойную зону. Затем воздух проходит через фильтр и выходит через отверстие. Очень интересным является оценка фильтрующих свойств раз­ личных материалов, проведенная на основе сравнительных испытаний. В результате испытаний, проведенных Бюро взаимо­ заменяемости совместно с лабораторией аэрозолей Физико­ химического института им. Л. Я. Карпова [13], был установлен ряд фильтрующих материалов, которые по степени качества очистки воздуха можно расположить следующим образом: фильтрующая ткань ФПП, шерстяная вата, ультратонкое стек­ лянное волокно, капроновое волокно, металлокерамика, фетр и войлок.

Бюро взаимозаменяемости разработан весьма совершенный фильтр, выпускаемый заводом «Калибр». Фильтр обеспечивает двухступенчатую очистку воздуха (рис. 4). Первая ступень очистки задерживает масло и состоит из слоя 6 стеклянной

ваты и слоя 7 ультратонкого стеклянного волокна. Эти мате­ риалы хорошо задерживают масло. Чтобы воздух не проходил через щель между фильтрующим материалом и стенкой цилин­ дра 5, на его внутреннюю поверхность наносят слой жидкого стекла. Ткань марки ФПП обладает наибольшей эффективно­ стью очистки воздуха и очень малым сопротивлением потоку.

2 Заказ 993

J7

Поэтому в качестве материала второй ступени 4 используют

ткань марки ФПП-15-1,5*. Ею обернута в три слоя наружная поверхность двухслойного фильтрующего патрона. Ткань за­ крыта сеткой 8, патрон прижимается к корпусу 2 пружиной 5, упирающейся в отражатель 11у под которым образуется спо­

койная зона, заполняемая конденсатом. Для удаления кон­ денсата служит вентиль 10. Прозрачный колпак 1 укрепляется

на корпусе с помощью гайки 3, герметичность соединения обе­ спечивается резиновым кольцом. Наибольший расход воздуха через фильтр равен 120 л/мин, избыточное давление, подводи­ мое к фильтру, составляет 0,2—0,6 МПа.

Как известно, давление воздуха, подводимого к пневматиче­ ским приборам, должно быть постоянным или мало изменяться во времени и, кроме того, долж­ на обеспечиваться возможность

	Рис. 4. Фильтр	Рис. 5. Схема двухкаскадно! о ста­
		билизатора давления

настройки этого давления. Для этой цели служат стабилизато­ ры давления (редукторы), представляющие собой пропорцио­ нальные регуляторы прямого действия. Причем до последнего времени промышленностью выпускались однокаскадные стаби­ лизаторы [13, 37], имеющие значительную статическую погреш­ ность. В последние годы Бюро взаимозаменяемости был разра­ ботан, а заводом «Калибр» освоен выпуск двухкаскадных ста­

билизаторов давления	(рис. 5), поддерживающих давление
с высокой точностью.	Первый каскад включает	мембрану 4 с
жестким центром и усилитель сопло-заслонка		с постоянным

* Последние цифры обозначают диаметр волокна ткани в десятых долях микрона и величину перепада давления на одном слое ткани в мм вод. ст.

18

дросселем 1, междроссельной камерой 2 и пневматическим со­

противлением сопло-заслонка 5. Причем роль заслонки выпол­ няет штифт жесткого центра. Второй каскад усиления состоит из мембраны 10, подпружиненного клапана 9, камеры питания 8 и выходной камеры 11. С выхода под мембрану 4Ув камеру 3

заводится давление отрицательной обратной связи.

Если давление на выходе редуктора, например, уменьшится, что может произойти как за счет уменьшения давления питания,

так	и за		счет	увеличения нагрузки				(расхода)	на выходе,
мембрана 4 под действием пру­
жины		задатчика 6			опустится
на	сотые		доли	миллиметра.
Это повлечет за собой прикры­
тие сопла 5 и соответствующее
увеличение давления в камере
2. Мембрана 10 прогнется и та­
релка клапана 9 отойдет вниз
от седла,			увеличив		проходное
сечение для поступления пита­
ющего воздуха на выход. Дав­
ление на выходе снова возрас­							Рис. 6.	Нагрузочные	характеристики
тет и т. д. Настройка						необхо­
димого		давления			на	выходе	стабилизатора БВ «Калибр» № 305
осуществляется				винтом		7. Ста­

билизатор снабжен, кроме того, аварийным и предохранительным клапаном, который здесь, однако, не рассматривается. Обычно стабилизатор выполняется совместно с фильтром (рис. 4). На рис. 6 приведены нагрузочные характеристики стабилизатора БВ «Калибр» № 305, представляющие собой зависимость давления на выходе от давления питания для разных значений расхода. Эти характеристики показывают, что изменение питающего дав­ ления до определенных пределов очень слабо влияет на измене­ ние давления на выходе. Погрешность по давлению на выходе не превосходит 0,0008 МПа при колебании сетевого (питающего) давления в диапазоне 0,4—0,6 МПа. Максимальная пропускная способность 120 л/мин при давлении на выходе 0,1 МПа.

3. ПОДГОТОВКА ВОЗДУХА ДЛЯ СИСТЕМ СТРУЙНОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ

Как известно, для организации питания систем мембранной пневмоавтоматики разработаны фильтры, редукторы, маслоот­ делители, компрессоры и даже автоматические установки, осу­ ществляющие полный цикл подготовки воздуха, в то время как для систем струйной пневмоавтоматики подобные вспомогатель­ ные средства для организации питания пока еще серийно не выпускаются. Поэтому для организации их питания приспосаб­ ливают устройства, выпускаемые для иных систем или питание

2*

19

струйных систем организуют от сети высокого давления, пони­

жая его до необходимого уровня.			Для	пи­
Организация питания от сети высокого давления.
тания	устройств, построенных на элементах струйной		техники,
может	быть использован эжектор.	На рис. 7 представлена
схема организации питания с применением эжектора,			который
состоит из корпуса 5, сопла питания		4У приемного сопла 6		и

фильтра 10 [1]. Как известно, диаметр питающего сопла должен

быть меньше диаметра приемного сопла. Воздух из линии

8

Рис. 7. Схема питания струйного устройства от сети высокого дав­ ления

высокого давления проходит через маслоотделитель /, фильтр 2 и направляется к редуктору давления Зу который предназначен

для настройки и поддержания постоянного давления перед питающим соплом 4. Выходя из сопла 4 и попадая в приемное сопло 6, струя создает разрежение внутри корпуса 5.

Таким образом, применять эжектор в данном случае выгодно, так как при расширении воздуха высокого давления к нему добавляется прошедший через фильтр 10 атмосферный

воздух и общий расход воздуха значительно возрастает. После эжектора перед подачей в струйное устройство 9 воздух под­

вергают вторичной очистке от пыли с помощью фильтра 7 из ткани ФПП. Манометр низкого давления <5* служит для контро­ ля давления, поступающего к струйному устройству, а также для настройки редуктора 3. Применение фильтра из ткани ФПП

при питании струйных устройств с каналами, линейные размеры которых меньше 0,5 мм, обязательно. Как показывает опыт, отсутствие такого фильтра и применение любого другого при линейных размерах, меньших указанного, приводит через неко­ торое время к неминуемому засорению одного или нескольких элементов. При этом следует иметь в виду, что пыли не должно быть в самих элементах и коммуникационных каналах, соеди­ няющих их, в бассейнах питания монтажных плат, а также в шлангах, расположенных между фильтром 7 и струйным уст­ ройством 9 перед началом сборки. Для этого при сборке самого

струйного устройства и его соединении с питающей магистра­ лью необходимо поддерживать соответствующую чистоту, и вся

* Обычно применяют стрелочные манометры М1000 с пределом измере­ ния 0—1000 мм вод. ст. 4-го класса точности.

20