Сжатый воздух как рабочая среда, области применения

Свойство воздуха изменять свой объем под действием внешней силы и при изменении температуры человечество использовало с древних времен. Достаточно вспомнить «чудесное» открывание дверей храма при разжигании жертвенного огня или обыкновенные кузнечные меха. Но массово в промышленном производстве сжатый воздух, как рабочую среду, стали использовать с конца XIX века. А сейчас с помощью сжатого воздуха, вернее, работающих на нем элементов и систем, которые принято называть пневматикой, делается практически все, что мы видим вокруг – от пищевых продуктов до автомобилей, от электроники до мебели и одежды.

Преимущества и недостатки сжатого воздуха

Естественно, такое широкое распространение пневматики обусловлено определенными особенностями сжатого воздуха. К его достоинствам, как рабочей среды, можно отнести:

• доступность, т.к. воздух на Земле имеется везде в неограниченном количестве
• транспортабельность – его можно передавать по трубам на довольно большие расстояния
• способность аккумулировать и хранить энергию в замкнутых резервуарах
• слабую чувствительность к изменениям температуры, по крайней мере, в том диапазоне, в котором может существовать человеческий организм
• взрыво- и пожаробезопасность по сравнению с электрикой и гидравликой
• экологическую чистоту – пневматика не загрязняет окружающую атмосферу и не оказывает на нее отрицательного воздействия, чего не скажешь, например, о магнитных полях, сопутствующих электрическим системам, или подтекам масла, свойственным гидравлике
• безопасность для персонала по сравнению с гидравликой и электрикой
• нечувствительность к перегрузкам, радиации, магнитным полям.

Но имеются и недостатки, которые ограничивают области применения пневматики. К ним можно отнести:

• довольно энергозатратный процесс сжатия атмосферного воздуха, что с учетом неизбежных утечек заставляет ограничивать рабочее давление пневмосистем, а значит и развиваемые усилия;
• сжимаемость, что практически исключает возможность перемещения нагрузки с постоянной скоростью, точную регулировку скорости и точную остановку без упора;
• необходимость затрат на подготовку сжатого воздуха после компрессора, чтобы пневматические элементы имели приемлемый ресурс работы, технологические операции (например, покраска) выполнялись с необходимым качеством, а выхлопной воздух не портил выпускаемую продукцию (в первую очередь речь идет о пищевых продуктах, напитках, лекарствах, электронике).

Области применений пневмооборудования

Собственно говоря, перечисленные выше положительные и отрицательные качества сжатого воздуха как рабочей среды показывают области применения пневматических устройств. Попытки заставить пневматику работать в иных условиях или получить от нее больше, чем возможно, приводят к неудачам. Можно еще отметить, что пневматические элементы из-за невысокого рабочего давления и развиваемых усилий довольно легкие и дешевые. Они также долговечны, просты в наладке и обслуживании. Понятно, что пневматические системы лучше всего подходят для быстрых линейных и вращательных перемещений по упорам с относительно небольшими усилиями и моментами. Системы позиционирования, т.е. системы с большим числом промежуточных позиций, на базе пневматических устройств также широко применяются, но только в тех случаях, когда не требуются большие нагрузки, высокие скорости и точность остановки. В современном производстве операций, где используются такие перемещения, великое множество.

Вот только некоторые из них:

• подача, зажим, сброс заготовок
• сортировка, перемещение, позиционирование и ориентация деталей
• упаковка, складирование
• наполнение, дозировка и транспортировка жидких и сыпучих материалов
• отрывание и закрывание дверей, люков, заслонок, арматурных клапанов и т.п.
• смена инструмента в роботах и манипуляторах
• перемещение различных обрабатывающих инструментов, сварочных электродов и т.п.
• контроль качества.

Наличие таких операций практически в каждом технологическом процессе, а также на транспорте и обуславливает широкое применение пневматики в автоматизации. При этом в зависимости от условий работы и выполняемых задач принято различать пневматику для автоматизации производства (fabric automation pneumatics), пневматику для автоматизации непрерывных процессов (process automation pneumatics) и пневматику для транспорта (mobile pneumatics). Специфика использования диктует и разные требования к пневматическим элементам. Обоснованность такого деления показана в таблице ниже.

Автоматизация производства

Автоматизация на транспорте

Автоматизация непрерывных процессов

Конечно, это деление отчасти условное. Многие элементы пневматики могут использовать и там, и там, наряду с реально специфическими, которые использовать для решения иных задач не только экономически не целесообразно, но иногда опасно. Даже если они подходят под условия окружающей и рабочей среды. Например, ставить привод с ресурсом 50 млн. циклов на двери автобуса экономически не целесообразно, т.к. двери автобуса сработают 1 миллион раз за несколько лет. А использовать на быстродействующем оборудовании, например, по фасовке сметаны, привод арматуры с ресурсом 1 млн. циклов опасно – он выйдет из строя через 3–4 месяца. И как всегда, в самый неподходящий момент и с максимально возможными последствиями.

© По материалам книги "Проектирование и обслуживание пневматических систем", Сулига С.В. , 2021 г. согласно лицензионному договору с ООО "Би Энд Би Инжиниринг". Копирование запрещено.