Механизированный ручной инструмент, перспективы развития и применения в строительстве

1. Высокая стоимость пневмоэнергии. Если гидро- и электропривод имеют КПД, соответственно, около 70 % и 90 %, то КПД пневмопривода обычно 5-15 % и очень редко до 30 %. Во многих случаях КПД может быть 1 % и менее. По этой причине пневмопривод не применяется в машинах с длительным режимом работы и большой мощности, кроме условий, исключающих применение электроэнергии (например, горнодобывающие машины в шахтах, опасных по газу).

2. Относительно большой вес и габариты пневмомашин из-за низкого рабочего давления. Если удельный вес гидромашин, приходящийся на единицу мощности, в 5-10 раз меньше веса электромашин, то пневмомашины имеют примерно такой же вес и габариты, как последние.

3. Трудность обеспечения стабильной скорости движения выходного звена при переменной внешней нагрузке и его фиксации в промежуточном положении. Вместе с тем мягкие механические характеристики пневмопривода в некоторых случаях являются и его достоинством.

4. Высокий уровень шума, достигающий 95-130 дБ при отсутствии средств для его снижения. Наиболее шумными являются поршневые компрессоры и пневмодвигатели, особенно пневмомолоты и другие механизмы ударно- циклического действия. Наиболее шумные гидроприводы (к ним относятся приводы с шестеренными машинами) создают шум на уровне 85-104 дБ, а обычно уровень шума значительно ниже, примерно как у электромашин, что позволяет работать без специальных средств шумопонижения.

5. Малая скорость  передачи сигнала (управляющего  импульса), что приводит к запаздыванию  выполнения операций. Скорость прохождения  сигнала равна скорости звука  и, в зависимости от давления  воздуха, составляет примерно  от 150 до 360 м/с. В гидроприводе  и электроприводе, соответственно, около 1000 и 300 000 м/с. 

Перечисленные недостатки могут быть устранены  применением комбинированных пневмоэлектрических  или пневмогидравлических приводов.

11.3. Течение воздуха

Инженерные расчеты  пневмосистем сводятся к определению скоростей и расходов воздуха при наполнении и опорожнении резервуаров (рабочих камер двигателей), а также с его течением по трубопроводам через местные сопротивления. Вследствие сжимаемости воздуха эти расчеты значительно сложнее, чем расчеты гидравлических систем, и в полной мере выполняются только для особо ответственных случаев. Полное описание процессов течения воздуха можно найти в специальных курсах газодинамики.

Основные закономерности течения воздуха (газа) такие же, как и для жидкостей, т.е. имеют  место ламинарный и турбулентный режимы течения, установившийся и неустановившийся характер течения, равномерное и неравномерное течение из-за переменного сечения трубопровода и все остальные кинематические и динамические характеристики потоков. Вследствие низкой вязкости воздуха и относительно больших скоростей режим течения в большинстве случаев турбулентный.

Для промышленных пневмоприводов достаточно знать закономерности установившегося характера течения воздуха. В зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей средой расчеты параметров воздуха выполняются с учетом вида термодинамического процесса, который может быть от изотермического (с полным теплообменом и выполнением условия Т = const) до адиабатического (без теплообмена).

При больших  скоростях исполнительных механизмов и течении газа через сопротивления  процесс сжатия считается адиабатическим с показателем адиабаты k = 1,4. В практических расчетах показатель адиабаты заменяют на показатель политропы (обычно принимают n = 1,3…1,35), что позволяет учесть потери, обусловленные трением воздуха, и возможный теплообмен.

В реальных условиях неизбежно происходит некоторый  теплообмен между воздухом и деталями системы и имеет место так  называемое политропное изменение  состояния воздуха. Весь диапазон реальных процессов описывается уравнениями  этого состояния 

pVⁿ = const

где n - показатель политропы, изменяющийся в пределах от n = 1 (изотермический процесс) до n = 1,4 (адиабатический процесс).

В основу расчетов течения воздуха положено известное  уравнение Бернулли движения идеального газа

Слагаемые уравнения  выражаются в единицах давления, поэтому  их часто называют "давлениями": 
z - весовое давление; 
p - статическое давление; 
- скоростное или динамическое давление.

На практике часто весовым давлением пренебрегают и уравнение Бернулли принимает  следующий вид 

Сумму статического и динамического давлений называют полным давлением P₀. Таким образом, получим

При расчете  газовых систем необходимо иметь  в виду два принципиальных отличия  от расчета гидросистем.

Первое отличие  заключается в том, что определяется не объемный расход воздуха, а массовый. Это позволяет унифицировать  и сравнивать параметры различных  элементов пневмосистем по стандартному воздуху (ρ = 1,25 кг/ м3, υ = 14,9 м2/с при p = 101,3 кПа и t = 20°C). В этом случае уравнение расходов записывается в виде

Q_м1 = Q_м2 или υ₁V₁S₁ = υ₂V₂S₂

Второе отличие  заключается в том, что при  сверхзвуковых скоростях течения  воздуха изменяется характер зависимости  расхода от перепада давлений на сопротивлении. В связи с этим существуют понятия  подкритического и надкритического режимов течения воздуха. Смысл этих терминов поясняется ниже.

Рассмотри истечение  газа из резервуара через небольшое  отверстие при поддержании в  резервуаре постоянного давления (рис.11.1). Будем считать, что размеры резервуара настолько велики по сравнению с  размерами выходного отверстия, что можно полностью пренебрегать скоростью движения газа внутри резервуара, и, следовательно, давление, температура  и плотность газа внутри резервуара будут иметь значения p₀, ρ ₀ и T₀.

Рис.11.1. Истечение газа из отверстия в  тонкой стенке

Скорость истечения  газа можно определять по формуле  для истечения несжимаемой жидкости, т.е.

Массовый расход газа, вытекающего через отверстие, определяем по формуле 

где ω₀ - площадь сечения отверстия.

Отношение p/p₀ называется степенью расширения газа. Анализ формулы (11.7) показывает, что выражение, стоящее под корнем в квадратных скобках, обращается в ноль при p/p₀ = 1 и p/ p₀ = 0. Это означает, что при некотором значении отношения давлений массовый расход достигает максимума Q_max. График зависимости массового расхода газа от отношения давлений p/p₀ показан на рис.11.2.

Рис.11.2. Зависимость массового расхода  газа от отношения давлений

Отношение давлений p/p₀, при котором массовый расход достигает максимального значения, называется критическим. Можно показать, что критическое отношение давлений равно

Как видно из графика, показанного на рис.11.2, при  уменьшении p/p₀ по сравнению с критическим расход должен уменьшаться (пунктирная линия) и при p/p₀ = 0 значение расхода должно быть равно нулю (Q_m = 0). Однако в действительности это не происходит.

В действительности при заданных параметрах p₀, ρ₀ и T₀ расход и скорость истечения будут расти с уменьшением давления вне резервуара p до тех пор, пока это давление меньше критического. При достижении давлением p критического значения расход становится максимальным, а скорость истечения достигает критического значения, равного местной скорости звука. Критическая скорость определяется известной формулой

После того, как  на выходе из отверстия скорость достигла скорости звука, дальнейшее уменьшение противодавления p не может привести к увеличению скорости истечения, так как, согласно теории распространения малых возмущений, внутренний объем резервуара станет недоступен для внешних возмущений: он будет "заперт" потоком со звуковой скоростью. Все внешние малые возмущения не могут проникнуть в резервуар, так как им будет препятствовать поток, имеющий ту же скорость, что и скорость распространения возмущений. При этом расход не будет меняться, оставаясь максимальным, а кривая расхода примет вид горизонтальной линии.

Таким образом, существует две зоны (области) течения:

подкритический режим, при котором

надкритический режим, при котором

В надкритической зоне имеет место максимальная скорость и расход, соответствующие критическому расширению газа. Исходя из этого при определении расходов воздуха предварительно определяют по перепаду давления режим истечения (зону), а затем расход. Потери на трение воздуха учитывают коэффициентом расхода μ, который с достаточной точностью можно вычислить по формулам для несжимаемой жидкости (μ = 0,1...0,6).

Окончательно  скорость и максимальный массовый расход в подкритической зоне, с учетом сжатия струи определятся по формулам

11.4. Подготовка сжатого  воздуха

В промышленности используются различные конструкции  машин для подачи воздуха под  общим названием воздуходувки. При создании избыточного давления до 0,015 МПа они называются вентиляторами, а при давлении свыше 0,115 МПа - компрессорами.

Вентиляторы относятся  к лопастным машинам динамического  действия и кроме своего основного  назначения - проветривания - применяются  в пневмотранспортных системах и  низконапорных системах пневмоавтоматики.

В пневмоприводах источником энергии служат компрессоры с рабочим давлением в диапазоне 0,4…1,0 МПа. Они могут быть объемного (чаще поршневые) или динамического (лопастные) действия. Теория работы компрессоров изучается в специальных дисциплинах.

По виду источника  и способу доставки пневмоэнергии различают магистральный, компрессорный и аккумуляторный пневмопривод.

Магистральный пневмопривод характеризуется разветвленной сетью стационарных пневмолиний, соединяющих компрессорную станцию с цеховыми, участковыми потребителями в пределах одного или нескольких предприятий. Компрессорная станция оборудуется несколькими компрессорными линиями, обеспечивающими гарантированное снабжение потребителей сжатого воздуха с учетом возможной неравномерной работы последних. Это достигается установкой промежуточных накопителей пневмоэнергии (ресиверов) как на самой станции, так и на участках. Пневмолинии обычно резервируются, чем обеспечивается удобство их обслуживания и ремонта. Типовой комплект устройств, входящих в систему подготовки воздуха, показан на принципиальной схеме компрессорной станции (рис.11.3).

Рис.11.3. Принципиальная схема компрессорной  станции

Компрессор 2 с  приводным двигателем 3 всасывает  воздух из атмосферы через заборный фильтр 1 и нагнетает в ресивер 7 через обратный клапан 4, охладитель 5 и фильтр-влагоотделитель 6. В результате охлаждения воздуха водяным охладителем 5 происходит конденсация 70-80 % содержащейся в воздухе влаги, улавливаемой фильтром- влагоотделителем и со 100-процентной относительной влажностью воздух поступает в ресивер 7, который аккумулирует пневмоэнергию и сглаживает пульсацию давления. В нем происходит дальнейшее охлаждение воздуха и конденсация некоторого количества влаги, которая по мере накопления удаляется вместе с механическими примесями через вентиль 10. Ресивер обязательно оборудуется одним или несколькими предохранительными клапанами 8 и манометром 9. Из ресивера воздух отводится к пневмолиниям 12 через краны 11. Обратный клапан 4 исключает возможность резкого падения давления в пневмосети при отключении компрессора.

Компрессорный пневмопривод отличается от вышеописанного магистрального своей мобильностью и ограниченностью числа одновременно работающих потребителей. Передвижные компрессоры наиболее широко используются при выполнении различных видов строительных и ремонтных работ. По комплекту устройств, входящих в систему подготовки воздуха, он практически не отличается от вышеописанной компрессорной станции (водяной охладитель заменяется на воздушный). Подача воздуха к потребителям осуществляется через резинотканевые рукава.

Аккумуляторный  пневмопривод ввиду ограниченного запаса сжатого воздуха в промышленности применяется редко, но широко используется в автономных системах управления механизмов с заданным временем действия. На рис.11.4 показаны несколько примеров аккумуляторного питания пневмосистем.