Пневмогидравлические приводы, их особенности и устройства
Пневмогидравлический привод сочетает преимущества пневматики и гидравлики, позволяя использовать энергию сжатого воздуха для создания значительных гидравлических усилий. Основное достоинство таких систем заключается в том, что при относительно простом источнике энергии (воздушный компрессор) можно получать высокие давления в рабочей жидкости, необходимые для работы различных механизмов и исполнительных органов.
С точки зрения энергетики пневмогидравлический привод можно рассматривать как устройство, в котором энергия воздуха преобразуется и передаётся жидкости. При этом общая механическая энергия системы описывается уравнением, аналогичным уравнению Бернулли, но с учётом дополнительных потерь давления на трение и сжатие. Потери напора при переходе энергии из пневматической части в гидравлическую учитываются через величину ℎтр, характеризующую сопротивления системы.
Типы пневмогидравлических приводов
Усилительные – для получения высоких гидравлических давлений при сравнительно низком давлении воздуха.
Аккумуляторные – где энергия сжатого воздуха используется для подзарядки гидравлического аккумулятора и дальнейшей выдачи давления в рабочую линию.
Следящие системы – применяются для автоматического позиционирования рабочих органов, где воздух используется как управляющий сигнал, а гидравлика – как исполнительный механизм.
Пневмогидравлические усилители
Ключевым элементом приводов является пневмогидравлический усилитель, где движение поршня под действием сжатого воздуха передается жидкости, создавая в рабочем контуре значительное давление. Это позволяет при относительно невысоком давлении воздуха (0,6–1,0 МПа) получить гидравлическое давление в несколько десятков мегапаскалей. Подобная схема широко применяется для прессового оборудования, заклепочных машин, испытательных стендов
Рис. ZSK.21.1. Схема пневмогидравлического усилителя давления
Принципиальная схема пневмогидравлического усилителя давления представлена на Рис. ZSK.21.1. В работе устройства используется энергия сжатого воздуха, подводимого к пневматическому цилиндру 1. Его шток одновременно выполняет функцию поршня гидравлического цилиндра 2. Под действием давления воздуха рабочая жидкость из полости цилиндра 2 вытесняется по трубопроводу 3 и поступает в гидроцилиндр 4. Шток последнего развивает силовое усилие Q, которое передаётся исполнительному механизму.
Возвратное перемещение поршней цилиндров 1 и 4 осуществляется за счёт упругих сил возвратных пружин 5 и 6. Однако при значительной длине рабочего хода восстановление исходного положения может быть выполнено с использованием сжатого воздуха, подаваемого в соответствующие полости.
Для компенсации утечек рабочей жидкости и поддержания требуемого объёма масла в системе применяется резервуар 7. Такое решение обеспечивает надёжность работы и исключает попадание воздуха в гидролинию.
Силу Q на штоке гидроцилиндра определяют по формуле:
Где η1 и η2 – коэффициент полезного действия системы, учитывающий потери на трение и утечки.
При анализе работы пневмогидравлических систем особое внимание уделяется потерям энергии. Потери связаны как с вязкостью жидкости, так и с особенностями сжатого воздуха, который способен аккумулировать энергию, но при этом вызывает дополнительные колебания давления.
Для наглядного представления распределения энергий в системе используются такие понятия, как напорная линия и пьезометрическая линия. Напорная линия отражает полное давление в системе, включая гидростатическую, скоростную и пневматическую составляющие, а пьезометрическая линия показывает высоту, соответствующую давлению жидкости без учета скорости.
Одним из преимуществ пневмогидравлических приводов является их надежность и компактность. Системы не требуют постоянного привода от насоса и могут накапливать энергию в пневмоаккумуляторах. Однако при проектировании необходимо учитывать особенности: сжимаемость воздуха, наличие запаздываний при передаче энергии, возможность образования гидравлических ударов при резком изменении режимов работы. Для снижения динамических нагрузок применяются дроссели и предохранительные клапаны.
Пневмогидравлические цилиндры
Конструкция пневмогидравлического цилиндра, представленная на Рис. ZSK.21.2, предназначена для выполнения двух режимов работы: быстрого холостого хода штока и повышения давления жидкости в заключительной фазе движения. Такой принцип позволяет значительно сократить общее время цикла и при этом обеспечить требуемое силовое воздействие на заготовку.
Рис. ZSK.21.2. Пневмогидравлический цилиндр
Работа цилиндра осуществляется следующим образом. Сжатый воздух через штуцер 1 подводится в пневматическую полость, воздействуя на поршень 3, размещённый в гидроцилиндре 2. Под действием давления поршень перемещается вправо, при этом в масляной полости 16 создаётся невысокое давление. Оно формируется благодаря сжатию пружины 7, связанной с подвижной шайбой 6.
Рабочая жидкость через окно 15 и канал 14, выполненный в штоке 4, вытесняется в полость 13 второго гидроцилиндра 9. В результате перемещается поршень 8, который смещается вправо до момента контакта штока 11 с заготовкой 12.
Основное увеличение давления в системе достигается в конце хода поршня 3. В этот момент окно 15 штока 4 полностью перекрывается втулкой 5, что исключает свободный переток масла. В замкнутом объёме давление резко возрастает, обеспечивая необходимое силовое воздействие на заготовку.
Возвратное движение цилиндра реализуется за счёт подачи сжатого воздуха в гидроцилиндр 9 через штуцер 10. Таким образом обеспечивается обратный ход штока в исходное положение.
При равенстве диаметров пневматического и гидравлического цилиндров данная схема позволяет получить значительное усиление: сила на штоке гидроцилиндра может превышать усилие пневматического привода в 200-250 раз.
Такое решение находит применение в оборудовании, где требуется сочетание высокой скорости холостого хода с мощным силовым воздействием в рабочей фазе цикла.
Рис. ZSK.21.3. Принципиальные схемы использования пневмогидравлических цилиндров
Таким образом, полезная работа пневмогидравлического цилиндра и изменение направления движения его выходного звена реализуются за счёт подачи сжатого воздуха в полости пневмоцилиндра. При этом стабильность скорости перемещения обеспечивается дросселированием практически несжимаемой рабочей жидкости — гидравлического масла, которое перетекает между полостями гидроцилиндра (см. Рис. ZSK.21.3, а).
Если требуется уменьшить продольный размер исполнительного механизма, применяют компоновку с параллельным расположением пневмо- и гидроцилиндров (Рис. ZSK.21.3, б). Такая конструкция позволяет сократить общий габарит привода без потери функциональности и обеспечивает эффективное сочетание быстрого перемещения и высокой силы на выходном штоке.
Гидравлические цилиндры в пневмогидравлических системах применяются не только для обеспечения стабильной скорости перемещения выходного звена. Существуют также конструкции, где исполнительные механизмы полностью гидравлические, что позволяет работать при высоких давлениях и обеспечивает значительную выходную мощность.
Пневмогидравлические мультипликаторы
Создать рабочую жидкость под высоким давлением без применения насосного агрегата возможно с использованием пневмогидравлического мультипликатора (Рис. ZSK.21.4). В этой схеме шток 1 пневмоцилиндра 2 одностороннего действия выполняет роль поршня гидроцилиндра 3. При подаче сжатого воздуха в поршневую полость 4 пневмоцилиндра масло из гидроцилиндра 3 вытесняется в гидравлическую магистраль. Выходное давление гидравлической жидкости определяется отношением площадей поршня и штока пневмоцилиндра.
В зависимости от размеров мультипликатора, соотношение давления на входе и выходе может варьироваться в пределах от 1:2 до 1:30. Например, при давлении сжатого воздуха 0,6 МПа в пневмосети можно получить давление рабочей жидкости в гидравлической магистрали порядка 18 МПа (см. Рис. ZSK.21.5).
Рис. ZSK.21.4. Устройство (а) пневмогидравлического мультипликатора и условно-графическое изображение (б)
Рис. ZSK.21.5. Схема пневмогидравлического привода с использованием мультипликатора
На Рис. ZSK.21.6 представлена принципиальная схема электропневмогидравлического усилителя мощности (ЭПГУ). Данный усилитель выполнен в двухкаскадном исполнении. Первый каскад состоит из вспомогательного дросселирующего пневмораспределителя Р1, управляемого электромагнитами ЭМ1 и ЭМ2. Второй каскад представляет собой основной дросселирующий гидрораспределитель Р2, который управляется сильфонными пневмоцилиндрами Ц1 и Ц2, подключенными к распределителю Р1 через пневмолинии.
Принцип функционирования ЭПГУ заключается в следующем: при подаче управляющего электрического сигнала на один из электромагнитов ЭМ1 или ЭМ2 золотник распределителя Р1 смещается в соответствующую сторону. В результате сжатый воздух подается к одному из пневмоцилиндров Ц1 или Ц2, которые создают необходимое воздействие на основной гидрораспределитель Р2, обеспечивая требуемое управление потоком рабочей жидкости.
Рис. ZSK.21.6. Электропневмогидравлический усилитель мощности
На Рис. ZSK.21.7 приведена принципиальная схема пневмогидравлического привода подъема. Данная система включает направляющий пневмораспределитель Р, гидровытеснители ВТ1 и ВТ2, гидроклапан «ИЛИ» К, гидрозамок ЗМ и гидроцилиндр Ц. Пневмораспределитель Р соединен с пневмомагистралью 1. Пневматические полости Г и Д гидровытеснителей ВТ1 и ВТ2 подключены к распределителю Р, а гидравлические полости В и Е заполнены рабочей жидкостью.
В исходном положении золотника распределителя Р пневмолинии подачи сжатого воздуха в вытеснители ВТ1 и ВТ2 перекрыты, и рабочая жидкость не перемещается. При смещении золотника вправо (позиция I) сжатый воздух подается в полость Г вытеснителя ВТ1, перемещая его поршень. В результате рабочая жидкость из полости В через гидрозамок ЗМ поступает в поршневую полость Б и одновременно через клапан К — в штоковую полость А гидроцилиндра. Поскольку рабочие площади поршня цилиндра Ц различаются, поршень поднимается вверх с требуемой силой.
При смещении золотника распределителя влево (позиция II) сжатый воздух подается в полость Д вытеснителя ВТ2, вытесняя рабочую жидкость через клапан К в штоковую полость А цилиндра. Одновременно жидкость от линии 2 поступает в управляющую полость гидрозамка ЗМ, который соединяет поршневую полость Б цилиндра Ц с вытеснителем ВТ1, обеспечивая возврат рабочей жидкости из полости Б обратно в полость В вытеснителя.
Рис. ZSK.21.7. Пневмогидравлический привод подъема
В пневмогидравлических позиционных приводах с использованием дозаторов перемещение выходного звена обеспечивается контролируемым перемещением поршня гидроцилиндра. Положение поршня определяется количеством рабочей жидкости, подаваемой в его полость через дозаторы. На Рис. ZSK.21.8 показана типовая схема такого привода, включающая рабочий гидроцилиндр 3, группу пневмогидровытеснителей 5 (дозаторов), управляющие пневмораспределители 1, 2 и 4, а также двухлинейные гидрораспределители 6. Гидравлическая магистраль представляет собой замкнутую систему.
Объемы отдельных дозаторов различаются и соответствуют заданным перемещениям поршня гидроцилиндра: 0,25 мм, 0,5 мм, 1,0 мм и 2,0 мм. Для обеспечения необходимой дискретности управления выбирают наименьший дозатор, а объем каждого последующего дозатора принимают в два раза больше предыдущего, что позволяет точно позиционировать выходное звено и управлять перемещением гидроцилиндра с высокой степенью точности.
Рис. ZSK.21.8. Пневмогидравлический позиционный привод с дозатором
Перемещение выходного звена рабочего гидроцилиндра 3 зависит от общего объема жидкости, подаваемой в его рабочую полость из дозаторов. В исходном состоянии дозаторы 5 изолированы от гидроцилиндра 3 с помощью нормально закрытых двухлинейных гидрораспределителей 6. Жидкость в дозаторах находится под давлением сжатого воздуха, поступающего через нормально открытые трехлинейные пневмораспределители 4. Штоковая полость гидроцилиндра 3 в этот момент изолирована от пневмосети и атмосферы посредством двухлинейного распределителя.
При выполнении команды управления, согласно заданной программе, включается определённая комбинация гидрораспределителей 6 и пневмораспределителей 1 и 2. В результате рабочая жидкость из активированных дозаторов вытесняется сжатым воздухом в гидроцилиндр 3, приводя в движение его поршень на величину, соответствующую сумме объемов вытесненной жидкости.
Для возврата поршня гидроцилиндра 3 в исходное положение активируются распределители 2, 4 и гидрораспределители 6. Под давлением воздуха жидкость из штоковой полости гидроцилиндра возвращается в дозаторы, при этом воздушная часть дозаторов через распределители 4 соединяется с атмосферой.
Среди недостатков таких позиционных гидропневмоприводов отмечают: влияние утечек на точность позиционирования, изменения температуры рабочей жидкости, присутствие воздуха в системе, а также риск загрязнения рабочих зон.