Реализация схем гидроприводов и пневмоприводов

Реализация схем гидроприводов и пневмоприводов включает проектирование, выбор компонентов, составление схем и их практическое воплощение. Оба типа приводов используют энергию жидкости (гидравлика) или сжатого воздуха (пневматика) для передачи мощности и управления механизмами

Примеры схем гидроприводов

Использование разнообразной регулирующей и направляющей гидроаппаратуры, а также методов изменения расхода рабочей жидкости позволяет проектировать гидроприводы с заданными эксплуатационными характеристиками. На рис. ZSK.33.1 показан пример привода, обеспечивающего жёсткую фиксацию положения гидроцилиндра при помощи гидрозамка 3.

Рис. ZSK.33.1. Гидропривод с гидравлическим замком

При срабатывании распределителя 5 под действием электромагнитов Э1 или Э2 и переводе его в одну из рабочих позиций (левую или правую), рабочая жидкость открывает гидрозамок, и шток гидроцилиндра 4 начинает движение в нужном направлении. Скорость перемещения регулируется дросселем 6, установленным на сливной линии цилиндра, что позволяет точно контролировать динамику движения. Если распределитель возвращается в среднее положение при отключении электромагнитов, подача жидкости от насоса 1 прекращается, обе полости цилиндра соединяются с баком, а гидрозамок автоматически закрывается, предотвращая самопроизвольное смещение поршня. Клапан давления 2 поддерживает постоянное давление в напорной линии насоса и ограничивает его максимум.

Рис. ZSK.33.2. Гидропривод последовательного действия

На рис. ZSK.33.2 представлена схема гидропривода, в которой реализовано строго последовательное включение двух гидроцилиндров. При обесточенном электромагните Э распределитель 2 типа 4/2 находится в левом рабочем положении. В этом режиме поток рабочей жидкости от насоса 1 направляется в правую полость первого гидроцилиндра 5, в результате чего его поршень перемещается влево. Жидкость из левой полости цилиндра при этом вытесняется и через обратный клапан 4 вместе с распределителем возвращается в бак, обеспечивая замкнутый цикл циркуляции.

Когда поршень первого цилиндра доходит до механического упора или крышки цилиндра, его движение останавливается, а давление в линии перед клапаном 8 начинает возрастать. По достижении настроенного пружиной клапана предельного значения клапан 8 открывается, и поток рабочей жидкости перенаправляется в правую полость второго цилиндра 6. Поршень второго цилиндра начинает движение влево, при этом жидкость из его левой полости вытесняется обратно в бак через распределитель 2. Таким образом, второй цилиндр вступает в работу только после завершения хода первого, что обеспечивает жёсткую последовательность операций.

Если распределитель 2 переводится в правое рабочее положение при включении электромагнита Э, процесс работы изменяется: в первую очередь начинает движение поршень второго цилиндра 6. Рабочая жидкость подаётся в его левую полость, а жидкость из правой полости отводится в бак через обратный клапан 7 и распределитель. Достигнув упора, поршень останавливается, давление в линии возрастает, и открывается клапан давления 3, после чего поток жидкости подаётся в левую полость первого цилиндра 5. Это запускает движение его поршня.

Таким образом, схема обеспечивает строгое чередование включения гидроцилиндров в зависимости от положения распределителя и обеспечивает надёжное управление последовательностью выполняемых операций. Важную роль играет клапан давления Р, выполняющий функцию предохранительного элемента: он ограничивает максимально допустимое давление в напорной линии насоса 7, предотвращая перегрузку, заклинивание и возможные повреждения гидропривода при аварийных или предельных режимах работы.

Рис. ZSK.33.3. Гидропривод с независимым регулированием скорости

На рис. ZSK.33.3 представлена схема гидропривода с независимым регулированием скорости движения поршня гидроцилиндра 4 с односторонним штоком. В такой системе предусмотрена возможность перемещения поршня в обе стороны с различными скоростями V1 и V2, которые задаются настройкой дросселей 5 и 6. Благодаря этому обеспечивается гибкость в управлении движением: одна скорость может использоваться, например, для быстрого холостого хода, а другая — для точного рабочего перемещения при выполнении технологической операции.

Переключение направляющего распределителя 7 осуществляется электромагнитами Э3 и Э4, что позволяет реализовать дроссельно-последовательный способ управления скоростью именно «на выходе» из гидроцилиндра. Это даёт возможность организовать плавное регулирование движения и согласовать работу исполнительного органа с требованиями технологического процесса.

Однако у данной схемы есть существенное ограничение: отсутствие трёхпозиционного распределителя не позволяет организовать промежуточную остановку поршня на произвольном участке хода. Таким образом, цилиндр всегда выполняет полный рабочий цикл в обе стороны. Для решения этой задачи в практических условиях нередко применяется установка трёхпозиционного распределителя, аналогичного распределителю 2 в предыдущей схеме, что позволяет останавливать поршень в любом положении и существенно расширяет функциональные возможности привода.

Работу гидропривода стабилизирует клапан давления 9, поддерживающий постоянное давление в напорной линии насоса 1. Это исключает перепады давления, предотвращает перегрузки и обеспечивает надёжное функционирование системы даже при изменении внешней нагрузки.

Следует отметить, что последовательность работы гидроцилиндров 3 и 4 в данной схеме определяется управляющей системой. В зависимости от программы управления они могут работать как последовательно, так и независимо друг от друга, что делает такую схему универсальной и удобной для применения в технологических установках с различными режимами работы.

Рис. ZSK.33.4. Синхронизация движений двух гидроцилиндров с помощью делителя потока дроссельного типа; а –схема работы; б–условное обозначение делителя потока

На рис. ZSK.33.4 представлена схема гидропривода с дроссельным делителем потока, предназначенным для обеспечения синхронного движения нескольких гидродвигателей, чаще всего гидроцилиндров. Главная задача такого устройства — согласовать скорости перемещения исполнительных органов даже при изменении нагрузок на отдельных звеньях. Это особенно важно в технологических установках, где требуется точное параллельное или симметричное перемещение рабочих органов, например, при подъёме тяжёлых конструкций двумя цилиндрами.

Рабочая жидкость от насоса подаётся в делитель потока 5, где распределяется через плавающий плунжер 6. Этот плунжер взаимодействует с системой дросселей Др1–Др4, которые направляют потоки в соответствующие гидроцилиндры. Конструктивная особенность заключается в том, что плунжер занимает положение равновесия под действием давлений p3 и p4, создаваемых на его торцах. В зависимости от возникающих нагрузок на цилиндрах распределение потоков Q1 и Q2 автоматически изменяется: зазоры h1 и h2 между плунжером и корпусом регулируют расход жидкости через дроссели, обеспечивая согласованное движение поршней.

Если нагрузка F1 на одном из гидроцилиндров возрастает, то давление p1 в его полости увеличивается, уменьшая перепад между p3 и p1. В результате снижается расход Q1 и скорость движения поршня v1. Для сохранения синхронности плавающий плунжер смещается, изменяя гидравлическое сопротивление в канале второго цилиндра. Это уменьшает поток Q2 и скорость v2, благодаря чему оба цилиндра продолжают двигаться синхронно, хотя их скорости становятся меньше исходных. После достижения нового равновесия устанавливается стабильный режим работы, при котором оба цилиндра реагируют одинаково на внешние изменения нагрузки.

Теоретически процесс описывается через соотношения расходов Q1 и Q2, которые зависят от площадей поршней S1–S4, коэффициента расхода дросселей (обычно 0,62…0,65) и плотности рабочей жидкости. Такой учёт позволяет инженеру заранее рассчитать параметры системы и обеспечить требуемую точность синхронного движения.

Следует учитывать, что дроссельный делитель потока работает только в одном направлении. Для реверсивных приводов, где требуется возвратное движение цилиндров, применяют специальные решения. Один из вариантов — шунтирование делителя обратными клапанами. Другой — использование промышленной модификации КДК, в конструкции которой встроены обратные клапаны. Последний вариант удобнее, так как исключает необходимость установки дополнительных элементов, упрощает схему и делает её более надёжной.

Таким образом, дроссельный делитель потока (рис. ZSK.33.4) представляет собой эффективное средство обеспечения синхронности работы нескольких гидродвигателей, сочетая простоту конструкции, автоматическую компенсацию нагрузок и возможность применения в реверсивных системах при соответствующей доработке.

Рис. ZSK.33.5. Примерная схема гидропривода технологического оборудования

На рис. ZSK.33.5 приведён пример сложной гидравлической схемы, построенной на основе базовых решений и предназначенной для привода технологического оборудования или промышленного робота. Она объединяет пять различных гидродвигателей, каждый из которых выполняет строго определённую функцию в составе общего механизма, а их согласованная работа обеспечивает высокую точность, гибкость и надёжность системы.

1. Вертикальный цилиндр 22.
   Данный цилиндр отвечает за подъём и опускание консоли с рукой и захватным устройством. Регулирование скорости осуществляется посредством дросселя 7, что позволяет оператору или управляющей системе задавать плавность и интенсивность перемещений. Для обеспечения точной остановки и удержания в выбранной позиции применяются распределитель 20 и гидрозамок 21. Такая комбинация предотвращает непроизвольное опускание нагрузки при снижении давления в магистрали и повышает безопасность работы.
2. Цилиндр 26.
   Элемент управляет поступательным движением руки, то есть её выдвижением и втягиванием. Важной особенностью является возможность работы с тремя фиксированными скоростями v2. Их переключение осуществляется через электромагниты Э4–Э6, управляющие распределителями, и соответствующие дроссели 8–10. Такой подход обеспечивает адаптацию движения к конкретным технологическим операциям: от быстрого холостого хода до замедленного точного позиционирования.
3. Гидромотор 27.
   Данный исполнительный орган предназначен для вращения колонны, на которой закреплена рука. Управление скоростью вращения n1 производится через два регулируемых дросселя 30 и 15, снабжённых обратными клапанами 31 и 32 для обеспечения корректной работы при реверсах. Изменение направления вращения реализуется посредством распределителя 24, управляемого электромагнитами Э9 и Э10. Таким образом обеспечивается гибкость в позиционировании рабочего органа относительно рабочей зоны.
4. Неполноповоротный гидромотор 28.
   Этот элемент обеспечивает поворот самой руки со схватом на заданный угол. Управление скоростью p2 выполняется дросселем 15, а выбор направления – распределителем 18 с электромагнитом Э11. Такая компоновка позволяет сочетать точность позиционирования с возможностью быстрой перенастройки положения захвата.
5. Цилиндр 29 одностороннего действия.
   Цилиндр управляет работой зажимного устройства схвата, обеспечивая надёжное удержание детали. Рабочая жидкость поступает через распределитель 19 с электромагнитом Э12 при пониженном давлении. Давление регулируется редукционным клапаном 17, что исключает повреждение заготовки от чрезмерного усилия.

Система питания и защиты.

Источником энергии является насос 2, подающий рабочую жидкость в гидросистему. Для обеспечения надёжности и долговечности предусмотрены фильтры 3 и 7, поддерживающие требуемую чистоту жидкости. Предохранительный клапан 5 ограничивает давление в напорной линии, защищая элементы системы от перегрузки. Дополнительно установлен манометр 25, позволяющий контролировать рабочее давление, и распределитель 4, обеспечивающий переключение режимов контроля. В случае аварийной ситуации или при необходимости разгрузки насоса система переводится в безопасный режим с помощью гидрораспределителя 6, управляемого электромагнитом Э1.

Общая характеристика работы схемы.

Комплексное использование дросселей, распределителей, обратных и редукционных клапанов, а также гидрозамков обеспечивает плавность движения всех исполнительных звеньев и точное позиционирование рабочих органов. Такая архитектура позволяет выполнять широкий спектр операций: от грубого подъёма и перемещения заготовки до деликатного удержания и установки в заданное место. Кроме того, система легко адаптируется к различным технологическим задачам за счёт возможности изменения скоростей, направлений и усилий, что делает её универсальной для промышленной автоматизации.

Примеры схем пневматических приводов

На рис. ZSK.33.6 приведены примеры различных пневматических схем, которые, подобно гидравлическим приводам, строятся на базе направляющей и регулирующей аппаратуры. Каждая схема предназначена для реализации определённых функций и режимов работы пневмоцилиндров, обеспечивая широкий диапазон возможностей управления.

Рис. ZSK.33.6. Пневматические приводы: а – с клапаном быстрого выхлопа; б – с независимым регулированием скорости; в – с путевым торможением

1. Двухсторонний пневмоцилиндр с клапаном быстрого выхлопа (рис. ZSK.33.6, а).

Цилиндр 7 имеет односторонний шток и используется для выполнения возвратно-поступательных движений с повышенной скоростью реакции. При подаче воздуха в рабочую полость движение регулируется дросселем 3, что позволяет задавать требуемую скорость перемещения. Втягивание штока осуществляется ускоренно благодаря обратному клапану 4, который обеспечивает свободный проход воздуха, минуя дросселирующий элемент. Клапан быстрого выхлопа 2 сокращает путь выхода воздуха из цилиндра, повышая динамику системы и уменьшая время возврата. Такая схема применяется в механизмах, где критично время цикла.

2. Цилиндр с независимым регулированием скорости (рис. ZSK.33.6, б).

Здесь используется распределитель 5 типа 5/2, позволяющий организовать управление в двух направлениях. В цепи предусмотрены два дросселя 6 и 7, которые дают возможность независимо задавать скорость как выдвижения, так и втягивания штока. Это решение особенно удобно в тех случаях, когда рабочий ход требует плавного и медленного перемещения, а обратный ход должен быть быстрым для экономии времени.

3. Цилиндр с плавным торможением (рис. ZSK.33.6, в).

Данная схема предназначена для аккуратного замедления штока перед концом рабочего хода. Основными элементами выступают дроссель 9 и кулачок 8, воздействующий на управляющий распределитель 11 типа 2/2. При приближении штока к конечному положению кулачок активирует распределитель, который частично ограничивает подачу воздуха через дроссель. В результате движение штока постепенно замедляется, снижая ударные нагрузки на цилиндр и сопряжённые механизмы. Такое решение повышает надёжность оборудования и снижает его износ.

Таким образом, каждая из представленных схем иллюстрирует особенности построения пневмоприводов: от увеличения скорости отклика до независимого регулирования или обеспечения плавного останова. Эти решения находят применение в автоматизированных производственных линиях, сборочных станциях и других системах, где требуется точность, скорость и долговечность работы механизмов.

Рис. ZSK.33.7. Реверсивные пневмоприводы: а – с распределителем типа 4/2 электрической системы управления; 6 – с распределителями типа 3/2 и пневматической системой управления; в – с редукционными клапанами давления

Реверсивные пневматические приводы, показанные на рис. ZSK.33.7, представляют собой устройства, в которых за счёт применения распределителей обеспечивается возможность изменения направления движения исполнительных органов.

1. Схема с распределителем 4/2 и электромагнитным управлением (рис. ZSK.33.7, а).

Здесь за смену направления отвечает электромагнит Э1, управляющий положением золотника распределителя. При его переключении подача сжатого воздуха направляется в одну или другую полость пневмоцилиндра или пневмомотора, обеспечивая прямой либо обратный ход. Такой вариант удобен для автоматизированных систем, где требуется быстрый отклик и дистанционное управление от электрических сигналов.

2. Схемы с распределителями 3/2 и пневматическим управлением (рис. ZSK.33.7, б, в).

В этих вариантах управление осуществляется пневматическими сигналами, что делает систему независимой от электрической энергии. Применение редукционных клапанов давления позволяет ограничивать и регулировать рабочее давление в линиях, обеспечивая как защиту оборудования, так и возможность точной настройки усилия привода. Благодаря этому пневмоцилиндры и пневмомоторы могут работать в режимах, требующих контролируемой нагрузки или плавного изменения давления.

Такие схемы обладают рядом преимуществ:

• возможность выбора типа управления (электрическое или пневматическое) в зависимости от условий эксплуатации;
• высокая надёжность работы за счёт встроенной защиты от перегрузок;
• регулирование не только направления, но и скорости движения исполнительных звеньев за счёт применения дросселей и редукционных клапанов;
• простота интеграции в более сложные автоматизированные системы.

Таким образом, реверсивные пневмоприводы (рис. ZSK.33.7) обеспечивают гибкость и универсальность управления, позволяя реализовывать прямые и обратные ходы с регулируемыми параметрами. В сочетании с гидравлическими решениями они формируют комплексные системы, где дроссели, обратные клапаны, гидрозамки и распределители работают совместно, обеспечивая:

• высокую точность позиционирования,
• синхронность перемещений,
• плавное регулирование скорости,
• защиту от перегрузок и аварийных ситуаций.

Такая интеграция гидравлических и пневматических элементов особенно важна для современных технологических процессов, где требуется сочетание надёжности, адаптивности и безопасности при работе оборудования