Пневматика и вакуум

Если указанные выше технологии используют кинетическую энергию атмосферных воздушных потоков, то пневматика, как технология передачи усилия и крутящего момента, применяет в качестве рабочего тела внутреннюю энергию сжатого воздуха под давлением (обычно) до 10-13 кгс/см2. Разумеется, это не предел давления для сжатия воздуха. В той же промышленности для раздувки заготовок стеклянных и пластиковых изделий применяется воздух с давлением до 20 кгс/см2. А воздух, запасаемый в субмаринах для продувки балластных цистерн, и вовсе должен противостоять давлению водяного столба в сотни метров, на которые погружается подводный корабль. Но в промышленности такого высокого давления не нужно, поскольку выше 13 кгс/см2 стоимость сжатого воздуха растет пропорционально третьей степени давления, а стандартные исполнительные механизмы успешно работают при паспортном давлении от 6 кгс/см2.

Приготовление сжатого воздуха – дорогостоящая операция, поскольку большая часть энергии сжатия воздуха теряется в виде избыточной теплоты в окружающую среду через металлические конструкции компрессора. Воздух необходимо тщательно очистить от компрессорного масла и механических загрязнений при помощи фильтров и осушить, так как при сжатии объемное содержание влаги в сжатом воздухе увеличивается сообразно степени сжатия. Осушение, как правило, выполняется при помощи рефрижераторных осушителей проточным охлаждением воздуха до требуемой точки, именуемой точкой росы. Вся сконденсировавшаяся на стенках осушителя влага отводится в сборную емкость, осушенный воздух подается далее в ресивер – сосуд, аккумулирующий воздух под давлением, где дополнительно может отделиться еще некоторый объем влаги. Затем сжатый воздух разводится трубопроводами к потребителям.

И все-таки полезные свойства сжатого воздуха позволяют закрыть глаза на дороговизну его приготовления. Простота, надежность и компактность исполнительных механизмов линейного и вращательного действия, чистота процесса преобразования энергии, возможность точной настройки числа оборотов и скоростей перемещения, простота и высокая частота реверсирования. Последняя обеспечивается за счет того, что отработанный воздух в нерабочей полости исполнительного механизма просто сбрасывается в атмосферу – напрямую или через глушитель для снижения уровня шума при выхлопе. Отсутствие возвратной линии для отработанного рабочего тела, кроме того, значительно упрощает конструкцию пневматических систем по сравнению с системами гидравлическими.

Длительное время пневматические устройства не применяли для решения задач скалярного линейного или углового позиционирования, ограничивая диапазон применения позиционированием дискретным, то есть, в механически ограниченных конечных положениях. Это было обусловлено неудовлетворительной воспроизводимостью позиции вследствие высокой сжимаемости воздуха как рабочего тела и отсутствием компактных приборов обратной связи. Но и это ограничение, похоже, в последнее время снимается, и появились, например, пневмоцилиндры с встроенными преобразователями линейного смещения, позволяющие в динамике позиционировать подвижные части кинематических систем в пределах рабочего хода с довольно приличной точностью. Но наибольшее применение находит пневматическое позиционирование в регулирующей трубопроводной арматуре. Специальные мембранные линейные приводы обеспечивают точное динамическое позиционирование дроссельного органа регулирующего клапана по сигналу от управляемого процесса, регулируя, таким образом, расход среды.

Современная управляющая пневматическая аппаратура включает в себя золотниковые трех- и пятилинейные пневмораспределители с прямым электрическим, пневматическим и электропневматическим управлением, сборные пневмоострова с компактным интерфейсом и общими магистральными линиями питания и выхлопа, проходные электромагнитные клапаны, семейство регуляторов давления с встроенными фильтрами и без них, дроссельные и обратные клапаны, нередко выполненные в виде т.н. функциональных фитингов, пропорциональные регуляторы давления и дроссели с электронным управлением, показывающие и электронные контрольно-измерительные приборы: показывающие манометры, датчики и реле давления. В качестве трубопроводов широко применяются пластиковые гибкие трубки из различных полимеров, широкое распространение получили быстроразъемные цанговые фитинги с втычным подсоединением трубок, минимизирующим время на монтаж системы.

Обзор технологий применения атмосферного воздуха в качестве рабочего тела был бы не совсем завершен без «силового» вакуума. Вакуум в технике – это воздушная среда с пониженным давлением по отношению к атмосферному. Собственно, сам вакуум не совершает никакой работы, вакуум заставляет атмосферное давление выполнять полезную работу. Насколько атмосферное давление способно совершать работу, знакомо каждому, кто водит автомобиль. Сравните торможение при включенном двигателе и то, как тяжело удержать тормозом автомобиль на месте или справляться с тормозами при буксировке другим транспортным средством при выключенном двигателе. Все дело – в вакуумном усилителе тормозной системы – мембранном линейном приводе, в котором с нерабочей стороны мембраны создается вакуум, а рабочая сторона сообщается с атмосферой. Атмосферное давление не способно сдвинуть с места шток главного тормозного цилиндра, но оказывает действенное подспорье мускульному усилию водителя.

Создание вакуума – сравнительно простая технологическая задача, если речь идет о вакууме небольшой глубины. Теоретически глубина вакуума не может быть ниже минус одной атмосферы, ибо на абсолютной шкале это будет ноль – отсутствие давления, пустота.

Вакуум в промышленности создается механическими или пневматическими устройствами. Механические вакуумные насосы могут быть шестеренными, лопастными, водокольцевыми, в роли источников вакуума могут также применяться центробежные вентиляторы и воздуходувки, коловратные машины. Глубина вакуума определяется, в основном, принципом работы, а скорость вакуумирования или эвакуации, как еще называют эту величину, зависит от мощности двигателя и производительности агрегата.

Пневматические устройства – вакуумные эжекторы – эксплуатируют струйный принцип локального понижения давления в трубке Вентури. Скорость эвакуации в них зависит от расхода сжатого воздуха, а глубина вакуума – от точности изготовления и ламинарности потока рабочего воздуха. Обычно, эжекторы дают лучший вакуум при давлении рабочего воздуха около 4,5 кгс/см2, а повышение давления не дает прироста глубины вакуума, поскольку выше этого давления поток рабочего воздуха уходит в турбулентный режим, теряя эффективность всасывания.

В качестве наиболее распространенных устройств, использующих вакуум, являются вакуумные присоски и грейферы для подъема и перемещения различных объектов и манипуляций ими: стекло, листовой металл, плиты из древесины и других материалов, сыпучие материалы в мешкотаре, в производственных цехах и на складах. Кроме того, вакуум применяется в динамике, как движущая сила в аспирационных системах сбора отходов пылящих производств, в системах пневмотранспорта сыпучих и гранулированных веществ в химической, сельскохозяйственной отраслях, в переработке пластмасс. Системы машинного доения также используют вакуум, с той лишь разницей, что атмосферное давление в этом случае не используется.

Поскольку в большинстве случаев вакуумная техника для совершения работы эксплуатирует атмосферное давление, эффективность вакуумных систем падает с увеличением высоты местоположения установки относительно уровня моря. От 1000 м над уровнем моря применение вакуумных установок не рекомендуется.