Регулирующая и направляющая аппаратура пневмосистем

Функциональные принципы регулирующих и направляющих элементов пневмосистем в целом повторяют логику устройств, применяемых в гидравлике. Однако есть принципиальное отличие – рабочее давление в промышленных пневматических приводах значительно ниже: как правило, оно не превышает 1 МПа. Это обстоятельство оказывает прямое влияние на конструктивные решения и позволяет создавать более простые и лёгкие устройства, среди которых встречаются как плунжерные, так и клапанные варианты.

Регулирующая пневмоаппаратура и её назначение

К регулирующей аппаратуре пневмосистем относят узлы, предназначенные для управления расходом и давлением сжатого воздуха, поступающего к исполнительным механизмам. Основную роль здесь выполняет пневматический дроссель – устройство, изменяющее объём проходящего потока за счёт регулирования сечения канала.

По принципу работы дроссель в пневмосистеме практически идентичен гидравлическому аналогу: уменьшение или увеличение площади проходного отверстия приводит к изменению скорости и расхода воздуха. Конструкция такого устройства достаточно проста (см. рис. ZSK.24.1, а):

• в корпусе 2 размещены два канала – A и B;
• проходное сечение между ними перекрывается игольчатым затвором, выполненным в виде регулировочного винта 1.

Путём вращения винта оператор может плавно изменять зазор между его конической частью и седлом корпуса, тем самым увеличивая или уменьшая подачу воздуха. Простота и надёжность такого решения делают его универсальным для большинства пневмосистем.

Игольчатый дроссель с обратным клапаном

В тех случаях, когда необходимо регулировать поток воздуха только в одном направлении, а в обратном направлении обеспечить свободное прохождение, используют пневматический игольчатый дроссель с встроенным обратным клапаном (рис. ZSK.24.1, б).

Принцип работы устройства, следующий:

• при подаче воздуха в канал A поток проходит через отверстие а и попадает к игольчатому затвору 2;
• далее он проходит через зазор между конической частью затвора и седлом корпуса 3, после чего выходит в систему через канал B;
• если направление потока меняется (воздух поступает со стороны B), то шариковый обратный клапан 7 автоматически открывается. В этом случае поток воздуха минует дросселирующее отверстие и свободно возвращается в канал A без дополнительного сопротивления.

Такое решение позволяет избежать падения давления при обратном потоке и обеспечивает гибкость работы системы при реверсивных движениях исполнительных органов.

Тормозной пневмодроссель

Для управления скоростью и торможения пневматических двигателей применяют специальные устройства – тормозные пневмодроссели (рис. ZSK.24.1, в). В отличие от стандартных дросселей, их конструкция рассчитана на то, чтобы создавать повышенное сопротивление выходящему воздуху.

Это позволяет:

• снижать скорость возвратного хода или хода с нагрузкой;
• плавно останавливать исполнительный орган, предотвращая ударные нагрузки и износ деталей;
• в некоторых случаях – полностью блокировать движение, если необходимо зафиксировать положение механизма.

Использование тормозных дросселей особенно важно в автоматизированных системах, где требуется точное позиционирование подвижных частей и безопасная остановка оборудования.

Рис. ZSK.24.1. Пневматические дроссели: а-игольчатый пневмодроссель; б-пневмодроссель с обратным клапаном; в-томозной пневмодроссель; г-пневмодроссель с глушителем

В пневматических системах регулировка расхода сжатого воздуха через дроссель достигается с помощью специального регулировочного винта 6. При повороте винта происходит воздействие на рычаг 7, который через соединительный толкатель передает усилие на поршень 2, выполняющий роль конического затвора. В результате такого механического взаимодействия формируется точный зазор между конусом поршня и седлом корпуса 7, который определяет сопротивление воздушному потоку и, соответственно, регулирует скорость движения пневмоисполнителя.

Когда пневмодвигатель работает, сжатый воздух выходит в канал A, проходит через образованный дроссельный зазор и поступает в канал B. Скорость перемещения исполнительного органа, связанного с пневмодвигателем, напрямую зависит от величины расхода воздуха через этот зазор: чем меньше сечение, тем сильнее сопротивление и медленнее движение, и наоборот.

Вместе с исполнительным механизмом перемещается упор, который взаимодействует с роликом R на рычаге 7. При соприкосновении упора с роликом рычаг поворачивается вниз, уменьшая проходное сечение дросселя. Это приводит к росту сопротивления для выхода воздуха из пневмодвигателя, вследствие чего его движение замедляется. Таким образом обеспечивается плавное торможение исполнительного органа.

Характер и длительность торможения зависят от геометрии упора – длины и формы его профиля, которые задают скорость уменьшения сечения и тем самым влияют на кинематику снижения скорости пневмодвигателя.

Для изменения направления хода пневмодвигателя воздух подают в канал B. Поток сжимает пружину 4, открывает обратный клапан 3 и свободно поступает в цилиндр пневмодвигателя из канала A, обеспечивая движение в противоположную сторону. После того как ролик 9 перестаёт воздействовать на упор, пружина 5 возвращает поршень и дроссель в исходное положение, настроенное винтом 6, восстанавливая первоначальное проходное сечение.

Дроссель с глушителем

Выброс сжатого воздуха в атмосферу часто сопровождается интенсивным шумом, который может создавать дискомфорт для персонала и негативно влиять на рабочие условия. Для снижения уровня шума и повышения акустического комфорта пневматические системы оснащаются глушителями, устанавливаемыми на участках трубопроводов, где воздух выводится в атмосферу.

На рисунке ZSK.24.1, г представлен пример дросселя, интегрированного в трубопровод, выводящий воздух наружу. Воздух, проходя через щель между конической головкой поршня и корпусом 2, подвергается регулировке зазора с помощью поворотного винта 1. Далее поток попадает в сетчатую полость V, где происходит дробление струи и равномерное рассеивание воздуха. Такой способ позволяет снизить скорость истечения потока и значительно уменьшить уровень создаваемого шума, обеспечивая более безопасные и комфортные условия работы.

Предохранительные и редукционные клапаны

Для поддержания безопасного и стабильного давления в пневмосистемах применяются специальные регулирующие устройства, в числе которых – предохранительные и редукционные клапаны. Они выполняют важнейшую функцию: предотвращают превышение допустимых значений давления в трубопроводах и обеспечивают корректную работу пневмоцилиндров, исполнительных механизмов и других компонентов системы.

Предохранительный клапан с глушителем

Часто используется предохранительный клапан с глушителем (см. рис. ZSK.24.2), конструкция которого позволяет автоматически сбрасывать избыточное давление в атмосферу через встроенный глушитель 2. Срабатывание клапана происходит при достижении давления в канале A, превышающего заранее установленный порог. Этот порог регулируется винтом настройки клапана 1, что позволяет адаптировать работу устройства под конкретные условия эксплуатации, диапазон давления и требования безопасности в системе.

Глушитель в пневмосистемах выполняет дополнительную, но крайне важную функцию – он снижает уровень шума при выпуске сжатого воздуха. Благодаря этому устраняются резкие звуковые всплески, характерные для прямого выброса воздуха в атмосферу, что значительно повышает комфорт и безопасность для обслуживающего персонала.

Конструкция глушителя позволяет мягко рассеивать поток воздуха, уменьшать скорость истечения и снижать турбулентность струи. В результате создаются оптимальные акустические условия, а также минимизируются вибрации и колебания, передающиеся на трубопровод и элементы оборудования.

Помимо шумоподавления, глушитель способствует поддержанию точного контроля давления и регулируемого расхода воздуха, взаимодействуя с предохранительными и редукционными клапанами. Такое сочетание обеспечивает высокую безопасность эксплуатации, стабильность работы пневмоцилиндров и других исполнительных механизмов, а также упрощает техническое обслуживание системы, делая её более надежной и удобной в эксплуатации.

Рис. ZSK.24.2. Пневматический предохранительный клапан давления с глуши-тилем и его условное обозначение

Редукционный клапан с дистанционным управлением

На рис. ZSK.24.3 представлен редукционный клапан давления, который конструктивно отличается от ранее рассмотренного устройства (см. рис. 2.60). В этой модификации отказались от традиционного регулировочного винта и пружины, заменив их гибкой мембраной 1. Воздействие на клапан при этом осуществляется посредством управляющего давления Ру, что обеспечивает возможность дистанционного контроля работы клапана и упрощает настройку давления в пневмосистеме.

Работа данного устройства основана на регулировании потока и давления сжатого воздуха. Воздух под давлением p1 из канала A сначала проходит через фильтрующую сетку 2, которая задерживает крупные частицы и предотвращает попадание загрязнений в рабочие полости. Далее поток проходит через кольцевую щель, образованную небольшим зазором между затвором 3 и корпусом 5. При прохождении через щель часть энергии воздушного потока теряется на сопротивление, вследствие чего давление на выходе, в канале B, оказывается ниже исходного давления p1. Этот эффект обеспечивает гладкую регулировку давления и предотвращает резкие перепады, что критично для стабильной работы исполнительных механизмов.

Часть воздуха дополнительно направляется через вспомогательный канал V в полость E, расположенную под мембраной. Поток воздуха оказывает давление снизу, в то время как сверху мембраны воздействует управляющее давление Ру. Оно задаёт целевое значение поддерживаемого давления на выходе и позволяет дистанционно контролировать работу клапана.

В установившемся режиме работы клапана силы, действующие на мембрану сверху и снизу, приходят в равновесие. Этот баланс обеспечивает стабильность давления в системе, предотвращает колебания потока и обеспечивает точную работу пневматических исполнительных устройств. Уравнение, описывающее это равновесие, позволяет рассчитать оптимальное соотношение управляющего давления, подачи и сопротивления щели для конкретных условий эксплуатации. Их баланс можно выразить уравнением:

где:
S1 и S2 – эффективные площади мембраны соответственно сверху и снизу,
Fпр4 – сила нерегулируемой пружины 4.

Из этого уравнения следует, что давление на выходе клапана определяется управляющим давлением Ру:

Путём изменения управляющего давления Ру, которое подаётся по команде системы управления, осуществляется регулировка давления на выходе редукционного клапана. Это позволяет точно задавать требуемое рабочее давление в зависимости от этапа технологического цикла пневматического привода, обеспечивая оптимальное усилие и скорость работы исполнительного механизма. Такой подход делает систему адаптивной и позволяет динамически подстраивать характеристики клапана под конкретные задачи, повышая эффективность и точность работы всего пневматического привода.

Рис. ZSK.24.3. Пневматический редукционный клапан давления с дистанционным управлением и его условное обозначение

К числу направляющих элементов пневматических приводов относятся обратные клапаны, пневматические распределители и клапаны быстрого выхлопа. Эти устройства играют ключевую роль в организации потоков сжатого воздуха, обеспечивая его движение только в заданных направлениях и управляя распределением давления по различным участкам системы. Принцип их работы во многом аналогичен гидравлическим устройствам, однако с учётом специфики газа – низкой плотности и сравнительно невысокого рабочего давления, обычно не превышающего 1 МПа. Такие особенности определяют конструктивные решения и требования к быстродействию, герметичности и надежности пневмоаппаратуры.

Обратные клапаны

Принцип действия пневматических обратных клапанов во многом совпадает с гидравлическими аналогами: клапан пропускает сжатый воздух только в одном направлении, предотвращая обратное течение и обеспечивая стабильность работы исполнительных механизмов. Конструктивно такие клапаны могут иметь различное исполнение, что позволяет подбирать их под конкретные задачи с точки зрения скорости реагирования, пропускной способности и герметичности.

На рис. ZSK.24.4 представлены типовые варианты конструкции пневматических обратных клапанов:

• Конический затвор (рис. ZSK.24.4, а) представляет собой конический элемент, который при подаче воздуха в канал A поднимается и открывает проход к каналу B, а при обратном потоке плотно прилегает к седлу корпуса, перекрывая путь для воздуха.
• Плоский затвор с уплотнительным элементом 3 (рис. ZSK.24.4, б) обеспечивает герметичное перекрытие канала при обратном потоке за счёт уплотнительной прокладки, при этом сопротивление движению воздуха в прямом направлении минимально.
• Сферический затвор в виде шарика (рис. ZSK.24.4, в) отличается простотой конструкции и высокой надежностью: шарик под действием давления воздуха поднимается от седла, открывая проход, а при попытке обратного течения под действием собственной массы или силы пружины 4 возвращается в седло, перекрывая поток.

При подаче сжатого воздуха через канал A рабочее давление преодолевает сопротивление пружины или вес шарика, и воздух свободно проходит в канал B. При попытке движения воздуха в обратном направлении клапан автоматически перекрывает проход, исключая возможность обратного потока, что защищает исполнительные механизмы и повышает стабильность работы пневмосистемы.

Однако его устанавливают только вертикально. Для предотвращения перекрытия выходного канала B шариком необходимо предусмотреть ограничители хода, например, в виде диафрагмы 5.

Рис. ZSK.24.4. Конструктивные схемы пневматических обратных клапанов и их обозначение: а – с коническим затвором; б – с плоским затвором, в – со сферическим затвором

Управляемые обратные клапаны

Для обеспечения возможности двунаправленного пропуска сжатого воздуха в пневмосистемах применяют управляемые обратные клапаны, которые позволяют принудительно открывать проход рабочей среды по сигналу управления. На рис. ZSK.24.5 представлены типовые схемы таких клапанов, демонстрирующие различные способы реализации управления:

• Механическое управление (рис. ZSK.24.5, а). В этом случае клапан открывает проход воздуха из канала B в канал A только после подачи механического управляющего воздействия У. Такой подход применяется в системах, где необходим прямой контроль открытия клапана и высокая надежность работы при ограниченных электрических или пневматических сигналах.
• Пневматическое управление (рис. ZSK.24.5, б). Здесь открытие канала осуществляется под действием управляющего давления Ру, подаваемого в специальную управляющую полость клапана. Этот способ позволяет дистанционно контролировать процесс открытия, обеспечивая более гибкую настройку работы системы и возможность интеграции с автоматизированными пневмосистемами.

Помимо механического и пневматического управления, управляемые обратные клапаны могут реализовываться с использованием других методов: гидравлического, электромагнитного или комбинированного воздействия. Выбор конкретного способа зависит от требований системы, скорости реакции, давления рабочей среды и особенностей конструкции привода.

Рис. ZSK.24.5. Управляемые пневматические обратные клапаны и их условные обозначения: а – с механическим управлением; б – с пневматическим управлением

 

Рис. ZSK.24.6. Плунжерные пневмораспределители: а – с механическим управлением; б–с тумблерным управлением; в – с кнопочным управлением

Пневматические распределители отличаются разнообразием конструктивных решений, что позволяет применять их в самых разных пневмосистемах. Основные виды включают плунжерные (золотниковые) распределители, чья конструкция и принцип действия схожи с гидравлическими плунжерными распределителями (см. рис. 2.108).

Плунжерные распределители

На рис. ZSK.24.6 представлены примеры пневматических золотниковых распределителей типа 5/2 с различными способами управления:

• Механическое управление (рис. ZSK.24.6, а). Переключение плунжера 2 в нижнее положение осуществляется при механическом воздействии – нажатием упора на путевой переключатель 4, который через толкатель 3 перемещает плунжер, сжимая при этом возвратную пружину 1. Такой способ обеспечивает надёжное и точное срабатывание при малой зависимости от источника энергии.
• Ручное тумблерное управление (рис. ZSK.24.6, б). В этом варианте оператор вручную перемещает тумблер, что обеспечивает переключение потока воздуха между каналами, не требуя постоянного удержания элемента управления.
• Кнопочное управление (рис. ZSK.24.6, в). Здесь нижнее положение плунжера сохраняется только при нажатии кнопки; после отпускания кнопки золотник возвращается в исходное верхнее положение под действием пружины. Такой способ управления особенно удобен для кратковременных операций или для циклического автоматизированного процесса.

Распределители с плоским затвором

Помимо золотниковых, в пневмосистемах применяются распределители с плоским затвором (рис. ZSK.24.7) и клапанного типа (рис. ZSK.24.8).

В распределителе 4/2 с плоским затвором перемещение затвора 2 осуществляется с помощью плунжера 4, на торцы которого подается управляющее давление воздуха Ру1 и Ру2.

В правой позиции канал А соединяется с каналом подачи сжатого воздуха под давлением Р, а канал Б – с отводным каналом В.

В левой позиции канал питания Р подключается к каналу Б, а канал А – к отводному В.

Все каналы выведены на заднюю панель монтажной плиты 1, что упрощает подключение к пневмосистеме. Для предотвращения утечек воздуха из основной полости питания Г в торцевые полости управления плунжера устанавливаются уплотнительные кольца 3, обеспечивающие герметичность и стабильность работы распределителя.

Рис. ZSK.24.7. Пневмораспределитель с плоским затвором и его условное обозначение

Герметичность соединения затвора с плоскостью монтажной плиты 1 достигается за счёт поджима затвора давлением Р, создаваемого в основной полости Г. Это обеспечивает надёжное перекрытие каналов и предотвращает утечку сжатого воздуха при работе распределителя.

Распределитель клапанного типа

Особенностью пневматического распределителя типа 3/2 с ручным управлением (рис. ZSK.24.8) является наличие клапанного затвора 5, который перемещается при помощи рукоятки 6. Работа распределителя зависит от положения рукоятки и пружинных элементов:

В левом положении рукоятки канал подачи сжатого воздуха Р перекрыт пробкой 3, которая прижимается к перемычке корпуса 7 пружиной 2. При этом канал А соединён с каналом В, что обеспечивает свободный выпуск воздуха из рабочей системы в атмосферу. Такая конфигурация позволяет быстро разрядить пневмосистему и безопасно остановить исполнительный орган.

При повороте рукоятки в правое положение затвор 5 своим торцом упирается в пробку 3, полностью закрывая выпускной канал В. Продолжая перемещение рукоятки вправо, затвор сдвигает пробку 3, соединяя канал питания Р с каналом А. В результате сжатый воздух подаётся к исполнительному механизму, создавая необходимое давление для его работы.

Возврат рукоятки в исходное левое положение осуществляется под действием возвратных пружин 4 и 2. Они одновременно возвращают затвор и пробку в исходные позиции, восстанавливая первоначальные соединения каналов и обеспечивая возможность безопасного выпуска воздуха из системы.

Такой принцип работы распределителя обеспечивает простое и надёжное управление потоками сжатого воздуха, лёгкость ручного переключения и высокую герметичность при различных режимах эксплуатации. Конструкция позволяет адаптировать распределитель под разнообразные технологические задачи, включая быстрое переключение направления потока и контроль подачи воздуха к исполнительным механизмам.

Рис. ZSK.24.8. Пневмораспределитель клапанного типа

Клапаны быстрого выхлопа

Для обеспечения высокой скорости работы пневматических приводов широко используют клапаны быстрого выхлопа. Основное их предназначение заключается в том, чтобы создать минимально возможное сопротивление для выпуска сжатого воздуха из полости исполнительного пневмоцилиндра. Это позволяет мгновенно снизить давление в цилиндре почти до атмосферного уровня, обеспечивая быстрый возврат поршня в исходное положение и сокращая время рабочего цикла.

Принцип работы клапана быстрого выхлопа основан на последовательном и управляемом распределении потоков сжатого воздуха через распределитель и сам клапан. Когда система управления подает команду посредством управляющего давления Ру, распределитель перемещается в правое рабочее положение. В этом состоянии канал подачи воздуха Р соединяется с каналом А клапана быстрого выхлопа 5 (см. рис. ZSK.24.9, б). Под действием потока сжатого воздуха уплотнительный элемент 3 в штуцере 4 поджимается к седлу 2, обеспечивая герметичное закрытие, при этом открывается прямой путь для рабочей среды через канал Б корпуса 1 (рис. ZSK.24.9, а) в левую полость цилиндра. Воздействие давления в цилиндре приводит поршень в движение, инициируя рабочий ход исполнительного органа и обеспечивая быстрый и точный привод механизма в заданное положение.

После окончания управляющей команды распределитель автоматически возвращается в левое исходное положение. В этом состоянии канал подачи сжатого воздуха Р полностью перекрыт, а канал А соединяется с атмосферой, обеспечивая безопасное сбросное давление. Под действием оставшегося давления в цилиндре уплотнительный элемент смещается вправо, что открывает прямой путь для выхода воздуха из канала Б через атмосферный сбросной канал В. В результате давление внутри цилиндра резко падает почти до нуля, и поршень под воздействием возвратной пружины стремительно возвращается в исходное положение. Такая схема обеспечивает быстрый и надёжный возврат исполнительного органа, готовя систему к выполнению следующего рабочего цикла с минимальными временными задержками.

Таким образом, клапаны быстрого выхлопа обеспечивают ускоренный возврат исполнительных органов, повышают производительность пневматической системы и снижают задержки между рабочими циклами, что особенно важно в высокочастотных технологических процессах и при автоматизированной работе оборудования.

Рис. ZSK.24.9. Клапан быстрого выхлопа: а – устройство; б – схема включения в пневмопривод

Сочетание регулирующей и направляющей аппаратуры с исполнительными устройствами позволяет создавать базовые гидравлические и пневматические приводы, которые находят широкое применение в автоматизации технологического оборудования. Такие приводы обеспечивают не только управление движением рабочих органов, но и контроль силы, давления, скорости и точного позиционирования исполнительных механизмов.

Разнообразие конструктивных решений, включающее дроссели, предохранительные и редукционные клапаны, распределители различного типа и исполнительные механизмы, делает возможным адаптацию приводов под конкретные эксплуатационные условия. Это позволяет эффективно решать задачи регулирования движения, поддерживать стабильное давление и управлять усилием рабочих органов в зависимости от потребностей технологического процесса.

Кроме того, применение комбинированных систем регулирования – по давлению, по расходу и по положению исполнительного элемента – обеспечивает гибкость настройки, повышение точности и надёжности работы приводов, что особенно важно для современных автоматизированных линий и оборудования с высокими требованиями к динамике и повторяемости технологических операций.