Лабораторная работа 1

Разработка и исследование пневматических схем с одним исполнительным устройством, цилиндром одно и двух - стороннего действия

1. Цель работы: изучить принципиальную пневматическую схему с одним исполнительным устройством, цилиндром одно и двух - стороннего действия. По заданной схеме из пневматических элементов собрать лабораторный стенд и изучить работу приводов в действии.

2. Содержание работы:

·         Ознакомится с условными обозначениями пневмоэлементов.

·         Ознакомится с элементной базой лабораторного стенда.

·         Ознакомится с пневматическими принципиальными схемами: управления работой цилиндра оно и двух - стороннего действия.

·         Собрать стенд управления цилиндром оно - стороннего действия.

·         Снять экспериментальные данные скорости привода и сделать необходимые расчеты.

·         Оформить отчет по проделанной работе.

3. Общие сведения:

Для управления цилиндром одностороннего действия необходимо использовать 3/2 распределитель. В нашем случае объем полости цилиндра невелик и расход потребляемого им воздуха небольшой, поэтому распределитель может иметь ручное управление от кнопки с пружинным возвратом.

При нажатии на кнопку воздух проходит через управляющий распределитель 1S от канала питания 1(Р) к выходному каналу 2(А) и, поступая в полость цилиндра 1А, заставляет его поршень двигаться, преодолевая усилие пружины (рисунок 1а). При отпускании кнопки возвратная пружина распределителя приводит его в исходное состояние, при котором полость цилиндра сообщается посредством канала 3(R) с атмосферой. Возвратная пружина цилиндра перемещает его шток в исходное положение. Так как в данной схеме исполнительный элемент представлен цилиндром, то он обозначается 1А, а его управляющий распределитель - номером 1S. На схеме блок подготовки воздуха и запорный вентиль системы питания сжатым воздухом не обозначены, а эти элементы на лабораторном стенде установлены постоянно

а)                                   б)

Рис. 1 - Принципиальная схема управления цилиндром одностороннего действия с пружинным возвратом

Для управления цилиндрами большого диаметра или с большим потреблением сжатого воздуха применяют управляющие распределители с большим номинальным расходом. Сила, необходимая для переключения такого цилиндра вручную, может оказаться довольно большой. Поэтому в таких случаях используют не прямое (пилотное) управление. При этом с помощью второго распределителя небольших размеров формируется сигнал, который, управляя потоком воздуха, создает силу, достаточную для переключения управляющего распределителя (усилителя мощности).

Непрямое управление используется и в том случае когда:

·        шток цилиндра должен двигаться с высокой скоростью,

·        оператор значительно удален от цилиндра.

Принципиальная схема такого управления представлена на рис. 1б. В исходном положении шток цилиндра 1А втянут, распределитель 1V под действием возвратной пружины находится в выключенном состоянии. Пилотный распределитель 1S с ручным управлением от кнопки под действием пружины также выключен и его выходной канал 2 соединен с атмосферой через канал 3. Питание сжатым воздухом подается к каналам 1 обоих элементов 1V, 1S. Работа схемы осуществляется следующим образом. Распределитель 3/2 с ручным управлением от кнопки 1S при его срабатывании открывает проход воздуху от канала питания 1 к выходному каналу 2, где появляется пневматический сигнал, поступающий на вход 12 распределителя 1V. Этим сигналом распределитель 1V переключается, преодолевая силу действия пружины, после чего канал питания 1 соединяется с выходным каналом 2, открывая проход воздуха в полость цилиндра. Поршень цилиндра 1А начинает двигаться, шток выдвигается. Пока сигнал на управляющем входе 12 распределителя 1V будет существовать, шток цилиндра будет оставаться в выдвинутом положении до тех пор, пока будет нажата кнопка распределителя 1S. Это и есть не прямое управление цилиндром от кнопки. Если кнопку 1S отпустить, возвратная пружина переместит распределитель 1S в исходное положение, отсекая выходной канал 2 от питания и соединяя его с атмосферой 3. Это приведет к исчезновению сигнала управления на распределителе 1V, который под действием пружины возвращается в исходное положение, соединяя полость цилиндра 1А с атмосферой. При этом пружина цилиндра 1А перемещает поршень со штоком в исходное положение.

В цилиндре одностороннего действия (рис. 2) сжатый воздух воздействует на поршень только с одной стороны. С другой стороны полость цилиндра всегда соединена с атмосферой. Такой цилиндр может совершать работу только в одном направлении. Возврат поршня в исходное положение осуществляется под действием пружины. Сила упругости пружины подбирается таким образом, чтобы поршень без нагрузки возвращался в исходное положение с относительно большой скоростью, приблизительно равной скорости рабочего хода при отсутствии нагрузки на штоке.

Рис. 2 - Пневматический цилиндр одностороннего действия с пружинным возвратом

Усилие на штоке пневмоцилиндра можно определить из выражения:

где F - усилие на штоке цилиндра (H); d - диаметр цилиндра (м); Р - давление в полости цилиндра (Па); с - жесткость пружины (Н/м); X - перемещение (ход) поршня (м).

На рис. 3 представлен распределитель 3/2 с односторонним пневматическим управлением и пружинным возвратом. Нормально-закрытый в двух своих положениях выключено (рис. За) и включено (рис. 3б). Распределитель имеет управляющий поршень и возвратную пружину. В исходном положении распределитель нормально закрыт, так как канал питания 1 блокируется дисковым запорным элементом, а выходной канал 2 соединен посредством канала 3 с атмосферой. Распределитель переключается поступающим на его вход 12 давлением сжатого воздуха, прилагаемому к управляющему поршню. При этом канал 1 соединяется с каналом 2. После снятия давления в управляющем канале 12 распределитель возвращается под действием возвратной пружины в исходную позицию. Клапан разъединяет каналы 1 и 2. Выходной канал 2 соединяется через канал 3 с атмосферой.

а)                                   б)

Рис. 3- Распределитель 3/2 с пневматическим односторонним управлением и пружинным возвратом

В исходном положении управляющий распределитель (рис. 4) переключен таким образом, что на штоковую сторону поршня цилиндра действует давление воздуха, и поршень со штоком находится во втянутом положении.

При нажатии на кнопку распределителя 1S1 на его выходе 2 появится сигнал, который поступает на вход 14 5/2 - распределителя 1V1. 5/2 -распределитель с двухсторонним управлением (памятью) переключается так, что поршневая полость цилиндра 1А посредством канала 4 соединяется с линией питания 1 и шток поршня выдвигается. Если подача воздуха в полость цилиндра осуществляется через дроссель с обратным клапаном 1V2 (обратный клапан открыт) без сопротивления, то вытесняемый из штоковой полости воздух через дроссель с обратным клапаном 1V3 (обратный клапан закрыт), дросселируется (с сопротивлением). При этом скорость выдвижения штока цилиндра регулируется. Если кнопку распределителя 1S1 отпустить, то положение распределителя 1V1 останется неизменным, так как он обладает свойством запоминания. Если нажать кнопку распределителя 1S2, то в канале управления 12 распределителя 1V1 появится сигнал. Распределитель переключится, воздух поступит в штоковую полость цилиндра 1А и шток поршня втягивается. Дросселирование сброса воздуха из безштоковой полости цилиндра осуществляется дросселем с обратным клапаном 1V2 (обратный клапан закрыт). При отпускании кнопки распределителя 1S2 положение распределителя 1V1 останется неизменным благодаря свойству памяти.

Рис. 4 - Принципиальная схема управлением цилиндром двухстороннего действия с дроссельным регулированием скорости на выходе

Обратные клапана «дросселей с обратными клапанами» 1V1, 1V2 обеспечивают прохождение воздуха в одном направлении и запирание в другом. При запирании воздух проходит только через дроссель, в обратном направлении через клапан и дроссель. Дроссель регулирует объемный расход, подаваемый в полость цилиндра, и тем самым регулирует скорость движения поршня со штоком. Существуют три схемы дроссельного регулирования скорости исполнительного органа цилиндра: установка дросселя на входе в двигатель, установка дросселя на выходе двигателя и установка дросселя параллельно двигателю. Последняя схема применяется редко из - за низкого КПД. В схеме представленной на рисунке 4 применена схема установки дросселя на выходе цилиндра. Различные по объему расходы воздуха, вытесненной из поршневой и штоковой полостей цилиндра, должны регулироваться независимо друг от друга для того чтобы, таким образом настраивать скорости выдвижения и втягивания штока.

На рисунке 5 представлен регулируемый дроссель с обратным клапаном. Дроссель предназначен для управления расходом сжатого воздуха. Обратный клапан закрывает поток воздуха в одном направлении в этом случае весь поток воздуха проходит через дроссель и через обратный клапан и через дроссель.

Рис. 5 - Регулируемый дроссель с обратным клапаном

Дроссели применяют для регулирования скорости поршня со штоком пневматических цилиндров. Они должны устанавливаться в непосредственной близости от цилиндра. Существуют три вида установки дросселя:

·        на напорной линии (последовательно на входе),

·        на линии выхлопа (последовательно на выходе),

·        параллельно двигателю.

На практике применяют первые две схемы.

Дроссель имеет расходную характеристику - зависимость объемного или массового расхода от оборотов рукоятки Q_др, G_др = f(n) и настраиваемую зависимость площади проходного сечения от оборотов рукоятки S_др = f(n).

Массу воздуха (кг), потребляемую цилиндром за время движения штока можно рассчитать по формуле:

M = S₄ – L?₁,                                                                                             (1)

где S₄ - площадь поршня безштоковой полости цилиндра S₄ = ?d²/4; ?₁ - плотность воздуха при давлении P₁ (кг/м³); , ?_а = 1.29 (кг/м³) - плотность воздуха при атмосферном давлении Р_а; L - ход штока (м).

В формуле (1) принято допущение, что давление в полости цилиндра ненамного отличается от давления Р₁ на входе в цилиндр.

Мгновенный массовый расход воздуха (кг/с), поступающий в цилиндр во время движения определяем из выражения:

G₄ = M/t,                                                                                        (2)

t – время (c), за которое шток выдвигается на длину L (м). Если известно давление Р_м перед дросселем и давление Р₁ после дросселя, расход через дроссель при адиабатическом процессе для докритического и надкритического истечения можно определить по упрощенным зависимостям:

, если  Р₁/Р_м ? 0.5,                                              (3)

, если  Р₁/Р_м ? 0.5,

где µ_др - коэффициент расхода  ? = 0.4 - коэффициент сопротивления на входе дросселя; S_др - площадь проходного отверстия дросселя (м²); Р_м и Р₁ - давление перед дросселем и после дросселя (Па); R - универсальная газовая постоянная и для воздуха R = 287.14 Дж/(кг·К); Т - температура воздуха в Кельвинах Т = 293 К.

На основании предположении о неразрывности среды можно записать:

G₄ = G_др.                                                                                                    (4)

Подставляя в выражение (3) зависимость (4) и преобразовав уравнение относительно S_др:

, если Р₁/Р_м ? 0.5,                                   (5)

, если Р₁/Р_м ? 0.5.

Выражение (5) позволяет определить настроечную характеристику регулируемого дросселя в зависимости от числа оборотов рукоятки.

Конструкция цилиндра двухстороннего действия без демпфирования и с демпфированием в конце хода представлена на рисунке 6. В целом конструкция аналогична цилиндру одностороннего действия. Но здесь уже нет пружины, так как теперь два присоединительных отверстия используются для подвода воздуха к рабочим полостям цилиндра и его отвод. Цилиндр двухстороннего действия позволяет совершать работу в двух направлениях. При прямом ходе, шток цилиндра выдвигается с несколько большим усилием, чем при обратном, за счет разности площадей поршня на поперечное сечение штока. Чтобы избежать сильных ударов в конце хода о крышки цилиндра и поломки цилиндра, применяют демпфирование.

Рис. 6 - Цилиндр двухстороннего действия без демпфирования (верхний) и с демпфированием в конечных положениях (нижний)

На некотором расстоянии до конца хода демпфирующий поршень перекрывает отверстие, по которому воздух свободно выходит из полости цилиндра, теперь воздух вытекает через регулируемое с помощью винта отверстие, которое может быть значительно меньше основного, при этом увеличивается сопротивление выходящему потоку воздуха и повышается давление перед поршнем. На последней (тормозной) части хода поршня его скорость значительно снижается.

На рисунке 7 представлен 5/2 распределитель, который имеет пять каналов подвода (отвода) воздуха и два положения переключения. Он используется в основном как управляющий элемент для управления пневмоцилиндрами двухстороннего действия. На рисунке представлен распределитель с цилиндрическим золотником в качестве подвижного запорного элемента. Коммутация и перекрытие соответствующих каналов происходит при осевом смещении золотника, в отличие от распределителей с шариковыми и тарельчатыми запорными элементами. Управляющие усилие в них, действует на торец золотника сжатым воздухом или пружиной, невелико из-за небольших сил сопротивления. Для управления могут применяются все виды управления - ручное, механическое, электрическое или пневматическое.

Рис. 7 - Распределитель 5/2 с двухсторонним пневматическим управлением

В распределителе канал 1 служит для подвода рабочего давления, каналы 2, 4 для отвода, каналы 3, 5 для сброса сжатого воздуха в атмосферу, а каналы 12, 14 для управления переключения золотника. На верхнем рисунке 6 показано положение золотника и соединение каналов при подаче управляющего сигнала по каналу 12, а на нижнем показано положение золотника и соединение каналов при подаче управляющего сигнала по каналу 14.

4. Указания по проведению работы:

·        Ознакомится с условными обозначениями и элементной базой лабораторных стендов.

·        Из набора пневмоэлементов по схеме рисунок 1а собрать лабораторный стенд на универсальной доске и подключить его через раздаточный элемент к блоку подготовки сжатого воздуха.

·        На блоке подготовки воздуха открыть вентиль и подать сжатый воздух на лабораторный стенд. Нажать на кнопку 1S и убедится, что шток цилиндра 1A выдвигается, а при ее отпускании возвращается в исходное положение.

·        Собрать лабораторный стенд по схеме рисунок 1б на универсальной доске и подключить его через раздаточный элемент к блоку подготовки сжатого воздуха. Закрыть вентиль.

·        На блоке подготовки воздуха открыть вентиль и подать сжатый воздух на лабораторный стенд. Нажать на кнопку 1S и убедится, что шток цилиндра 1А выдвигается, а при ее отпускании возвращается в исходное положение.

·        Установить на манометре блока подготовки воздуха 2.5 бар. Нажать на кнопку 1S и измерить время выдвижения штока цилиндра и записать в таблицу 1. Повторить измерение пять раз.

·        Установить на манометре давление 3, 3.5 и 4.0 бара и повторить пункт 4.6., время записать в таблицу 1.

Таблица 1

·        Из набора пневмоэлементов по схеме (рисунок 4) собрать лабораторный стенд на универсальной доске и подключить его через раздаточный элемент к блоку подготовки сжатого воздуха.

·        На блоке подготовки воздуха открыть вентиль и подать сжатый воздух на лабораторный стенд. Нажать на кнопку 1S1 и убедится, что шток цилиндра 1А выдвигается, а при ее отпускании не возвращается в исходное положение.

·        Нажать на кнопку 1S2 и убедится, что шток цилиндра 1А втягивается, а при ее отпускании остается в исходном положении.

·        Установить на редукционном клапане давление 3.0 бара, дроссель 1V2 открыть полностью, а дроссель 1V3 закрыть полностью. Дроссель 1V3 открыть на один оборот, нажать кнопку 1S1, измерить время выдвижения штока цилиндра и давление Р_м (манометр 1Z1) на входе дросселя, Р₁, (манометр 1Z2) после дросселя данные записать в таблицу 2. Кнопку отпустить. Измерения времени снять пять раз.

·        Нажать кнопку 1S2, вернуть шток цилиндра в исходное состояние. Повернуть рукоятку дросселя 1V3 еще на один (2, 3, 4, 5, 6) оборота, нажать кнопку 1S1, измерить время выдвижения цилиндра данные записать в таблицу 2.

Таблица 2

·        Дроссель 1V3 открыть полностью, а дроссель 1V2 закрыть полностью. Дроссель 1V2 открыть на один оборот, нажать кнопку

·        1S2, измерить время втягивания штока цилиндра данные записать в таблицу 2 аналогичную таблице 2. Кнопку отпустить. Измерения снять пять раз.

·        Нажать кнопку 1S1 вернуть шток цилиндра в состояние выдвинуто. Повернуть рукоятку дросселя 1V2 еще на один (2, 3, 4, 5, 6) оборот, нажать кнопку 1S2, измерить время втягивания штока цилиндра данные записать в таблицу 3.

·        Разобрать лабораторный стенд, а пневмоэлементы уложить на свои места.

·        Представить графические зависимости скорости штока цилиндра от подаваемого в него давления V = f(P) и усилия на штоке от давления F = f(P).

·        Диаметр цилиндра d = 20 мм, ход поршня h = 50 мм, диаметр штока d₁ = 8 мм, жесткость пружины с = 0.2 Н/мм.

·        Построить графическую зависимость скорости штока цилиндра от числа оборотов рукоятки дросселя V = f(n).

·        Построить настроечную S_др = f(n) и расходную G_др = f(n) характеристики дросселя.

5. Контрольные вопросы:

·        Как ведет себя шток цилиндра, если нажать на кнопку, а затем отпустить ее?

·        Опишите принцип работы системы, используя ее принципиальную схему?

·        Укажите на принципиальной схеме, как обозначается пневмоцилиндр, распределитель, пневмокнопка и дайте их характеристики по условным обозначениям?

·        Почему в схемах управлением цилиндром используют схему с двумя распределителями?

·        Как зависит скорость перемещения и усилие на штоке от подаваемого в него давления?

·        Почему в схеме управлением цилиндром используют распределитель 5/3?

·        Как зависит скорость перемещения штока от площади проходного сечения дросселя?

Библиографический список:

1.                  П. Кросер Учебный курс по технике управления, Пневматика ТР101: Учебное пособие / П. Кросер, Ф. Эбель - Киев: Изд-во ДП «Фесто», 2002. - 225с.: ил.

2.                  Пашков Е.В. Электропневмоавтоматика в производственных процессах: Учеб. Пособие /Е.В. Пашков, Ю.А, Осинский, А.А. Четверкин. Под ред. Е.В. Пашкова, 2-е изд., перераб. и доп.- Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2003.-496с.: ил.

Полную версию сборника можно получить на кафедре ЭМС.