ГЛАВА XII. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Привод, питаемый сжатым газом или смесью газов, в частности сжатым воздухом (пневматический или воздушный), называется газовым приводом.

Наиболее известен и распространен пневматический привод, работающий на сжатом воздухе (воздушный привод).

Исполнительный газовый привод поршневого типа представляет собой рабочий силовой цилиндр, шток которого связан с нагрузкой и перемещается под действием на поршень сжатого газа, поступающего от источника через управляемый распределитель. Простота схемы и конструкции, надежность и удобство в эксплуатации, а также определенная универсальность такого привода являются основными факторами, определившими его широкое применение в различных областях техники. В первую очередь это относится к пневматическому приводу.

Пневматический привод часто применяется как исполнительнфе устройство в системах автоматики и может являться частью замкнутого контура системы управления.

Ниже рассматриваются некоторые энергетические особенности исполнительного газового привода применительно к средствам автоматизации (сжатый газ подается в рабочий цилиндр с помощью распределителя на протяжении всего хода поршня) и на основе их анализа даются направления для улучшения энергетики привода, зависящей в первую очередь от его экономичности. При этом имеется в виду также создание предпосылок для совершенствования динамики газового привода. Основным средством для достижения цели является многоступенчатое использование энергии.

Для большего удобства изложение в данной главе ведется применительно к пневматическому (воздушному) приводу, однако оно соответственно относится и к приводам, работающим на других газообразных носителях энергии (различные газы и их смеси).

1. ЭНЕРГЕТИКА ПРИВОДА

Под энергетическими характеристиками пневматического привода будем понимать показатели, дающие определенную количественную оценку энергетических особенностей привода. Таким показателем

прежде всего является к. п. д. привода, характеризующий степень совершенства использования питающей энергии в системе привода.

Одной из важных задач, возникающих при разработке привода, является создание привода заданной мощности при минимальной массе. Снижение эксплуатационной массы привода, включающего в себя собственно привод, коммутационную аппаратуру и трубопроводы, расширяет возможности его применения, а в ряде случаев непосредственно определяет их.

Обобщенными критериями сравнительной оценки масс различных по мощности приводов могут служить удельная мощность и относительная масса. Удельная мощность привода — это отношение максимальной мощности на выходе к его массе, т. е. мощность привода на единицу веса. Относительная масса привода — это отношение массы привода к его максимальной мощности, т. е. масса привода на единицу мощности. Эти понятия основаны на предположении, что масса собственно привода, а также масса трубопроводов и коммутационной аппаратуры в основном зависят от максимальной мощности на выходе привода.

Указанные критерии могут быть приняты в качестве энергетических характеристик, они в совокупности с к. п. д. характеризуют степень конструктивно-энергетического совершенства данного типа или образца привода.

К. п. д. пневматического привода зависит от величин воздушных и механических потерь. Это можно записать следующим образом:

где — полный к. п. д. привода;

— воздушный к. п. д. привода;

— механический к. п. д. привода.

Воздушный к. п. д. определяет степень использования энергии, содержащейся в том количестве сжатого воздуха, которое взято от источника и подано в привод:

где — энергия, определяемая площадью индикаторной диаграммы реального процесса, по которому работает привод;

— энергия, содержащаяся в том количестве сжатого воздуха, которое взято от источника и подано в привод.

Если потери энергии сжатого воздуха из-за несовершенства воспроизведения в реальном приводе теоретического процесса и потери из-за утечек воздуха рассматривать совместно с механическими потерями, то можно представить в другом виде:

где — термический условный к. п. д.;

- к. п. д. конструкции, определяющей совершенство конструктивного осуществления теоретической схемы.

В коэффициенте учитываются все потери, связанные с несовершенством выполнения реального привода.

Термический к. п. д. определяется отношением

где А — энергия, определяемая площадью диаграммы теоретического процесса в приводе;

— энергия, содержащаяся в количестве воздуха, который непосредственно участвует в реальном процессе.

Удельную мощность и относительную массу привода можно представить

где — удельная мощность, — максимальная мощность, — масса привода (система привода) в кг; — относительная масса привода в г/Вт.

Для привода, питаемого от воздушного аккумулятора,

где относительная масса собственно привода и коммутационной аппаратуры; — относительная масса аккумулятора.

При

где — масса аккумулятора.

Значение можно представить в виде

где — приведенная относительная масса аккумулятора ; — время, на которое рассчитано действие привода, определяемое возможностью работы аккумулятора, мин.

Тогда выражение имеет вид

Рассматривая последнее соотношение как обобщенное, действующее для привода, питаемого от аккумулятора независимо от вида поступающей энергии (газовый, электрический, гидравлический привод), его можно использовать для оценки сравнительных весовых характеристик приводов различного вида в зависимости от времени работы.

Приведенные соотношения показывают, что основным энергетиче ским показателем, влияющим и на массовые характеристики привода, является к. п. д.

Учитывая основное значение для всего к. п. д. привода дальнейший анализ будем вести применительно к термическому к. п. д.