Подготовка сжатого воздуха

В промышленной практике для формирования потока сжатого воздуха используют специализированные установки, объединяемые общим термином «воздуходувки». Их классификация определяется в первую очередь величиной создаваемого избыточного давления: если оно не превышает 0,015 МПа, такие устройства называют вентиляторами, тогда как при превышении порога 0,115 МПа их относят к компрессорам.

Динамические вентиляторы с лопастями применяются не только для проветривания и вентиляции помещений, но и в системах пневмотранспорта, а также в низконапорных цепях пневмоавтоматики, где требуется перемещение воздуха или лёгких газообразных сред.

В пневматических приводах основным источником рабочей энергии является компрессор, создающий давление в диапазоне приблизительно 0,4–1,0 МПа. По способу действия различают два типа компрессоров: объёмные (чаще поршневые) и динамические (в основном лопастные). Подробные теоретические аспекты работы этих машин рассматриваются в специализированных курсах по компрессорной технике и пневматике.

Схемы пневмоприводов

В зависимости от источника и метода подачи воздуха различают несколько схем пневмоприводов: магистральные, компрессорные и аккумуляторные. Магистральные системы представляют собой стационарную сеть трубопроводов, соединяющую компрессорную станцию с конечными потребителями, такими как цехи или отдельные производственные участки. Для обеспечения стабильного снабжения сжатым воздухом и повышения надёжности на станциях часто устанавливают несколько параллельных линий.

Для сглаживания пульсаций давления и накопления определённого объёма воздуха используют ресиверы, а резервирование пневмолиний дополнительно облегчает техническое обслуживание и повышает отказоустойчивость всей системы. Типовой комплект оборудования для подготовки воздуха представлен на принципиальной схеме (рис. ZSK.17.1), где показаны основные узлы и их взаимосвязь.

Рис. ZSK.17.1. Принципиальная схема компрессорной станции

Компрессор 2 с приводным электродвигателем 3 забирает атмосферный воздух через фильтр 1 и Воздух, засасываемый компрессором, направляется в ресивер 7, при этом последовательно преодолевает обратный клапан 4, водяной охладитель 5 и фильтр-влагоотделитель 6. В охладителе происходит снижение температуры воздуха, что вызывает конденсацию примерно 70–80 % содержащейся в нём влаги. Конденсат собирается и задерживается в фильтре-влагоотделителе, а оставшийся воздух, имеющий допустимый уровень относительной влажности, поступает в ресивер. Здесь происходит аккумулирование пневмоэнергии и выравнивание колебаний давления, обеспечивая стабильную подачу воздуха к потребителям.

Внутри ресивера охлаждение продолжается, остаточная влага осаждается, а излишки воды вместе с механическими примесями периодически удаляются через сливной вентиль 10. Для защиты системы от избыточного давления и обеспечения безопасной работы ресивер оснащён одним или несколькими предохранительными клапанами 8, а контроль давления выполняется с помощью манометра 9.

После ресивера воздух распределяется по пневмолиниям 12 через краны 11. При этом обратный клапан 4 предотвращает резкое падение давления в сети при временной остановке компрессора, что защищает оборудование и поддерживает стабильный режим работы всей пневмосистемы. Такая организация подачи воздуха обеспечивает одновременно надёжность, безопасность и равномерность работы всех элементов системы.

Компактные и аккумуляторные системы

Существуют также компактные и мобильные системы подачи воздуха, рассчитанные на ограниченное число потребителей. Они часто применяются на строительных площадках и при проведении ремонтных работ. В таких установках воздух подаётся через гибкие резинотканевые рукава, а для охлаждения и очистки используют воздушные охладители и фильтры, что облегчает подключение оборудования и перемещение установки.

Аккумуляторные пневмоприводы применяются реже в промышленности из-за ограниченного объёма накопленного воздуха, однако они незаменимы в автономных системах, где необходимо обеспечивать непрерывную работу устройств в течение заданного времени. Примерами могут служить системы наддува топливных или гидробаков при изменении ориентации аппарата в пространстве, а также реактивные пневмодвигатели для управления положением летательных аппаратов (рис. ZSK.17.2).

Рис. ZSK.17.2. Принципиальные схемы аккумуляторного питания пневмосистем (а, б, в) и замкнутой пневмосистемы (г)

Системы наддува баков

Для гарантированного и непрерывного обеспечения подачи рабочей жидкости в гидросистему или топлива в двигатели внутреннего сгорания аппаратов, способных изменять ориентацию в пространстве, применяется специализированная система наддува бака (рис. ZSK.17.2, а), питаемого от пневмобаллона 1. Внутри бака 5 установлена мембрана, разделяющая его на две изолированные камеры, что позволяет отделять жидкость от воздуха и предотвращать их смешение. Вытеснение жидкости осуществляется под воздействием постоянного давления воздуха, которое создаётся и поддерживается подачей от пневмобаллона. Регулировка давления осуществляется посредством редукционного клапана 3, который корректирует поток при активации электровентиля 2, обеспечивая плавную и точную подачу жидкости.

Для защиты системы от избыточного давления и предотвращения повреждения мембраны используется предохранительный клапан 4, ограничивающий максимальное давление в верхней камере бака. Такая конструкция гарантирует безопасную эксплуатацию, предотвращает перегрузку гидросистемы и обеспечивает стабильный поток жидкости к потребителям независимо от изменения ориентации аппарата, а также от внешних нагрузок или ускорений.

Системы ориентации летательных аппаратов

В системах ориентации летательных аппаратов (рис. ZSK.17.2, б) сжатый воздух от шарового пневмобаллона 1 подаётся к управляющим реактивным пневмодвигателям 4 через редукционный клапан 2 и электровентили 3. Такая схема позволяет обеспечивать точное позиционирование аппарата, контролировать его перемещение и корректировать ориентацию с высокой точностью. При этом редукционный клапан стабилизирует давление воздуха, предотвращая перепады, а электровентили обеспечивают быстрое и точное включение или отключение подачи, что критично для динамически изменяющихся условий полёта или манёвров аппарата.

Дополнительно следует отметить, что использование мембраны и двухкамерной конструкции бака создаёт возможность компенсации колебаний давления, вызванных изменением нагрузки или ускорением аппарата. Это позволяет поддерживать равномерный поток жидкости, предотвращает пульсации в гидросистеме и снижает риск гидравлического удара. Конструкция обеспечивает не только стабильность подачи, но и долговечность элементов системы, включая мембрану, редукционный клапан и все сопряжённые гидравлические компоненты.

Диапазоны рабочего давления

В пневмоавтоматике обычно применяют два диапазона рабочего давления: средний (0,118–0,175 МПа) и низкий (0,0012–0,005 МПа). Использование этих диапазонов позволяет экономно расходовать сжатый воздух, увеличивать проходное сечение элементов и снижать риск засорения дросселей. В ряде случаев это также обеспечивает формирование ламинарного потока с линейной зависимостью расхода воздуха от перепада давления (Q = f(Δp)), что упрощает точное регулирование работы пневмоприводов.

Эжекторные устройства

Если в системе имеется источник воздуха высокого давления, возможна организация подачи воздуха низкого давления с увеличенным расходом посредством эжекторных устройств (рис. ZSK.17.2, в). Воздух из пневмобаллона 1, оснащённого редукционным клапаном 4, манометром 2 и зарядным вентилем 3, направляется к питающему соплу 5 эжектора. Внутри корпуса эжектора создаётся область пониженного давления, благодаря чему через фильтр 6 дополнительно засасывается атмосферный воздух. Образованный смешанный поток далее поступает в приёмное сопло 7 увеличенного диаметра, проходит дополнительную очистку в фильтре 8 и подаётся к исполнительным узлам пневмоавтоматики 10. Контроль давления осуществляется манометром 9, а точная регулировка обеспечивается редукционным клапаном 4, что гарантирует стабильную и безопасную работу системы.

Замкнутые пневмосистемы

Все рассмотренные схемы относятся к открытым (нециркуляционным) пневмосистемам. Для работы в условиях повышенной запылённости или загрязнённой среды применяются замкнутые пневмосистемы. На рис. ZSK.17.2, г показан пример такой конструкции: воздух подаётся в блок пневмоавтоматики 3 через вентилятор 1 и фильтр 2. Всасывающий канал вентилятора соединён с герметичной внутренней камерой блока, при этом через фильтр тонкой очистки 4 обеспечивается контакт с атмосферой. В некоторых случаях в качестве вентилятора используют бытовые пылесосы, способные создавать давление до 0,002 МПа, что позволяет стабилизировать поток воздуха и надёжно защищает внутренние компоненты пневмосистемы от загрязнения.

Очистка и смазка воздуха

Для корректной работы пневмоузлов воздух должен быть максимально очищен от твёрдых примесей и влаги. С этой целью используют фильтры-влагоотделители с пористыми элементами из ткани, картона, войлока, металлокерамики или других материалов с размером ячеек 5–60 мкм. Для более глубокой осушки воздушного потока применяются адсорбенты, преимущественно силикагель, способный эффективно поглощать влагу. В стандартных промышленных системах достаточный уровень осушки достигается за счёт совместного действия ресиверов и фильтров-влагоотделителей.

Для придания воздуху смазочных свойств устанавливают маслораспылители двух типов: фитильного исполнения, обеспечивающего постепенное и равномерное введение масла в поток воздуха, и эжекторного исполнения, где масло смешивается с потоком воздуха благодаря разрежению, создаваемому струёй эжектора. Такой подход не только улучшает смазку элементов пневмосистемы, но и значительно увеличивает ресурс пневмоцилиндров и уменьшает износ уплотнительных деталей, что особенно важно для систем с высокой частотой рабочих циклов.

Рис. ZSK.17.3. Типовой узел подготовки воздуха: а - принципиальная схема; б - условное обозначение

Типовой узел подготовки воздуха

На рисунке ZSK.17.3 представлен стандартный узел подготовки сжатого воздуха, включающий фильтр-влагоотделитель 1, редукционный клапан 2 и маслораспылитель 3. При входе в фильтр воздушный поток закручивается благодаря неподвижной крыльчатке Kр, что создаёт центробежные силы, отбрасывающие влагу и взвешенные частицы пыли к внутренним стенкам корпуса. Конденсат и осевшие загрязнения аккумулируются в нижней части фильтра и при необходимости удаляются через сливной вентиль, выполняя функцию первичной очистки и защиты последующих компонентов пневмосистемы.

После этого воздух проходит через пористый фильтрующий элемент Ф, где осуществляется вторичная фильтрация, обеспечивая дополнительное удаление мельчайших частиц и влаги. Далее поток поступает на вход редукционного клапана, где его давление корректируется через регулируемый зазор клапана Кл. Величина зазора зависит от усилия пружины П и давления на мембрану М: при увеличении сжатия пружины зазор расширяется, что повышает давление на выходе и позволяет точно настраивать рабочие параметры подачи воздуха. Такая конструкция обеспечивает стабильную и управляемую работу пневмосети, гарантируя равномерное давление и защиту оборудования от перепадов давления и загрязнений.

Маслораспылитель 3 изготовлен из прозрачного материала для контроля уровня масла. Жидкость поднимается по трубке T или капиллярному фитилю (в устройствах фитильного типа) за счёт давления воздуха или капиллярного эффекта и распыляется через сопло С, обеспечивая смазку элементов пневмосистемы и продлевая срок их эксплуатации.

Таким образом, данный узел подготовки воздуха решает три задачи одновременно: очистку, регулирование давления и смазывание потока, что делает его универсальным и важнейшим компонентом современных пневматических систем, обеспечивая стабильную и долговечную работу оборудования.