Замкнутая система питания пневмопривода
CLOSED POWER SUPPLY SYSTEM OF PNEUMATIC DRIVE

Заявленное техническое решение относится к области машиностроения, а именно, к пневматическим приводам (ПП).
Как известно, в ПП на традиционных пневмоцилиндрах (ПЦ) в качестве рабочего тела используют воздух из окружающей атмосферы, и система питания ПП работает по принципу: воздух из атмосферы компрессором нагнетается в ресивер высокого давления (ВД), откуда по линии нагнетания через пневмораспределители (ПР) он поступает в силовую часть (СЧ) исполнительного двигателя (ИД), из которой отработанный воздух через ПР по линии сброса уходит в атмосферу. Такую систему питания принято считать разомкнутой по расходу рабочего тела.
Использование атмосферного воздуха в ПП является их важным достоинством, однако, по этой же причине возникают серьезные ограничения на область их применения (например, в вакууме, во влажной или загрязненной среде ПП на традиционных ПЦ непосредственно применить нельзя). Это является существенным недостатком ПП на традиционных ПЦ. Для ПП на нетрадиционных ПЦ, где в качестве СЧ применяются силовые бесштоковые пневмоцилиндры (СБПЦ), выполненные на основе герметичных конструкций, не обладающих объемными потерями (в настоящее время к таким конструкциям относятся силовые оболочковые элементы (СОЭ) и плоские упругие трубчатые элементы (ПУТЭ) типа трубки Бурдона), путем применения ряда простых технических приемов, связанных с улавливанием объемных потерь от других пневмоэлементов ПП, а также объемных потерь, возникающих при появлении аварийной ситуации при работе ПП, можно создать полностью замкнутую по расходу рабочего тела систему питания, которая как сохраняет достоинства ПП, обусловленные применением воздуха в качестве рабочего тела, так и исключает ряд недостатков ПП, связанных с его использованием. Предлагаемое изобретение направлено на получение технического решения по устранению упомянутого противоречия.
Наиболее близкой по своему функциональному построению к предлагаемой в настоящей заявке замкнутой системе питания ПП является система питания традиционного ПП, запатентованная Рагиновым Н.М. и Калугиным И.Б. (Патент РФ №2056551 «Замкнутая пневмосистема», опубликован 27.08.1995 г.). Согласно формуле изобретения в данном патенте предложен ПП с замкнутой системой питания, содержащий компрессор, линия нагнетания которой через ресивер ВД подключена к ПР, связывающим исполнительный механизм (ИМ) с линией нагнетания и линией сброса, связанной с ресивером НД, снабженный компенсационным каналом с последовательно установленным в нем фильтром пылеотделителем и обратным клапаном, с линией всасывания компрессора, второй обратный клапан и предохранительный клапан, отличающаяся тем, что она снабжена фильтром маслоотделителем, установленным в линии всасывания компрессора, ресивер НД снабжен выпускным патрубком с предохранительным клапаном, при этом второй обратный клапан установлен в линии сброса.
Основным недостатком системы питания этого ПП является то, что не весь объем воздуха сохраняется внутри системы питания, так как объемные потери от ИМ ввиду его негерметичности уходят в атмосферу, объемные потери от ПР и возможных аварийных ситуаций также уходят в атмосферу. В итоге, эти потери требуется компенсировать, забирая утраченный объем воздуха из атмосферы через выпускной патрубок ресивера НД на каждом цикле работы ИМ, т.е., по сути, упомянутая выше замкнутая система питания является частично замкнутой.
Имея в виду пример использования такого пневмоэлемента как клапан быстрого выхлопа (КБВ) для быстрого сброса воздуха при появлении аварийных ситуаций при внезапном увеличении давления в полостях ВД СЧ ИД ввиду действия внешних сил (см. Шароватов. В.Т., Ласточкин А.А., Яковенко Н.Г., Чернусь П.П. «Противотаранное устройство запрещения проезда с накладкой». Патент на изобретение №2538738, опуб. в Бюл. №1 от 10.01.2015 г.), для решения задачи по устранению ранее изложенных противоречий, присущих ПП на традиционных ПЦ, в замкнутую пневмосистему, включающую компрессор, линию нагнетания, связанную через ПР с СЧ ИД, и линию сброса, связанную через ресивер НД со входом компрессора, имеющую вспомогательные элементы, внесены следующие изменения и новые элементы: на выходе ресивера ВД установлен регулятор давления (РД); СЧ ИД представлена СБПЦ различного типа; ПР размещены в герметичной емкости, связанной трубопроводом с ресивером НД; для защиты ПП в аварийных ситуациях и улавливания аварийных потерь в ПП применен КБВ; фильтры масло и пылеотделения, выпускной патрубок из системы питания ПП исключены.
Упомянутые изменения и новые элементы обеспечивают ПП на СБПЦ полную герметичность, улавливание и направление объемных потерь от ПР и аварийных потерь воздуха в ресивер НД, что делает излишним забор воздуха из атмосферы и сброс отработанного воздуха в атмосферу, но сохраняют за ним, как самым дешевым рабочим телом, приоритет в его применении в системах питания ПП.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения ПП на СБПЦ с замкнутой системой питания, повышение его надежности, снижение стоимости и массогабаритных показателей, уменьшение критичности показателей качества ПП к климатическим условиям эксплуатации, увеличение времени необслуживаемости, снижение уровня шума и энергопотребления.
Описание замкнутой системы питания ПП на СБПЦ проведем на примере ПП на СБПЦ двустороннего действия на СОЭ тянущего типа с использованием КБВ, как наиболее сложной пневмоконструкции, что позволяет не рассматривать ПП на СБПЦ двустроннего действия на СОЭ толкающего типа ввиду идентичности принципов их работы и простые варианты ПП на СБПЦ одностороннего действия на СОЭ обоих типов.
Появление внешних сил, непосредственно действующих на оболочку СОЭ, что ведет к увеличению давления воздуха в СОЭ до аварийных значений, связано с их назначением: СОЭ тянущего типа чаще всего применяются для перемещения ОУ с небольшой массой, а внешние силы, действующие на оболочку СОЭ, возникают при выходе ОУ на участок «перебега» траектории его движения, когда тянущее усилие на ОУ со стороны СОЭ уже снято; СОЭ толкающего типа чаще используются для перемещения и удержания многомассового ОУ. Внешней силой для этого случая является внезапный рост массы нагрузки (см. Патент на изобретение, указанный на стр. 3 данного текста).
Другой пример: аварийный сброс воздуха из полостей СБПЦ, выполненных на СОЭ толкающего типа, которые применяются в пневмосистемах подрессоривания кузовов автотранспортных средств, при попадании их колес в случайную выбоину на трассе.
ПП на СБПЦ двустороннего действия на СОЭ (см.Фиг. «Замкнутая система питания пневмопривода») содержит: компрессор 1, нагнетающий воздух в ресивер ВД 2, на выходе которого установлен РД 3, из ресивера НД 7, связанного с линией сброса. Линия нагнетания и сброса соединены с соответствующими входами ПР 4. Связь между полостями СБПЦ 5 и этими линиями происходит через ПР 4 и КБВ, если конструкция ПП с СБПЦ на СОЭ предполагает появление аварийных значений давлений в полостях СБПЦ ввиду внезапного действия внешних сил непосредственно на оболочку СОЭ.
Если СБПЦ 5 выполнены на ПУТЭ, то из-за специфики его конструкции аварийная трансформация корпуса ПУТЭ внешними силами недопустима, поэтому в этом случае нагнетание и сброс отработанного воздуха из полостей ПУТЭ осуществляется через ПР 4, т.е. без КБВ.
Перед работой ПП на СБПЦ двустороннего действия ОУ 6 необходимо установить в нейтральное положение. Для этого в обе полости СБПЦ 5 одновременно следует подать из ресивера ВД 2 воздух под давлением 0,5Рзад., где Рзад. является заданной величиной рабочего давления, устанавливаемого на РД 3. После выполнения этой процедуры золотники ПР 4 запирают воздух в полостях СБПЦ 5, и ПП готов к работе. Для ПП на СБПЦ одностороннего действия такая операция не нужна: ПП готов к работать сразу после включения компрессора.
Пневмораспределители ПР 4 размещены в герметичной емкости 8, соединенной трубопроводом с ресивером НД 7. Объем ресиверов ВД 2 и НД 7 рассчитывается в соответствии с законом Менделеева-Клапейрона. Перед началом эксплуатации система питания ПП на СБПЦ вакуумируется от попавшего в ПП при его сборке воздуха до предельно малых значений давления, после чего ресивер НД 7 заполняется очищенным и высушенным воздухом до давления 0,1 МПа.
Заявленная замкнутая система питания ПП с СБПЦ в стационарном режиме (этап вывода ОУ 6 в нейтральное положение рассмотрен ранее) функционирует следующим образом (см. Фиг.). При подаче электротропитания на компрессор 1 он нагнетает воздух из ресивера НД 7 в ресивер ВД 2 до уровня заданного давления, определяемого РД 3. По сигналу с пульта управления на обмотку одной из катушек электромагнитов управления золотник соответствующего ПР 4 сдвигается, и одна из полостей СБПЦ 5 через КБВ соединяется с линией нагнетания, а другая с линией сброса. Это происходит следующим образом: сжатый воздух перебрасывает запорный элемент (мембрану) внутри КБВ со входа канала нагнетания 1 на вход канала сброса 3 КБВ, запирая его, в результате сжатый воздух через канал 2 КБВ следует в полость СБПЦ 5.Другая полость СБПЦ 5 остается соединенной через КБВ с линией сброса. В итоге, давление в одной из полостей СБПЦ 5 возрастает, усилие и перемещение выходной координаты этой полости увеличиваются, а в другой полости СБПЦ 5 давление и приращение координаты уменьшаются. Так как СБПЦ 5 это ПЦ двустороннего действия, состоящий из двух СОЭ, усилия и перемещения которых направлены встречно, то СБПЦ 5 передает результирующее усилие на ОУ 6, передвигая его.
Сброс воздуха из полостей СБПЦ 5 происходит при переключении ПР 4 с линии нагнетания на линию сброса. При этом происходит сброс давления на входе канала нагнетания 1 КБВ, что приводит к перебросу мембраны в корпусе КБВ со входа канала выхлопа 3, ранее запертого ею, на вход канала нагнетания 1, закрывая его. Таким образом, отработанный воздух из полости ВД СБПЦ 5 по каналу 2 КБВ, связанному трубопроводом со штуцерами полостей СБПЦ 5 устремляется через открытый канал выхлопа 3 КБВ в линию сброса.
Работа КБВ в аварийном режиме аналогична его работе в штатном режиме сброса отработанного воздуха из полостей ВД СБПЦ 5.
Пневмоприводы на СБПЦ с такой системой питания могут применяться в качестве: ПП железнодорожных и шахтных стрелочных переводов, в устройствах запрещения проезда, в вибраторах вибростендов, в системах управления рулями подвижных подводных объектов, в системах управления антропоморфных роботов, в ПП малых перемещений в микроэлектронном приборостроении, в системах стабилизации кузовов автотранспортных средсв, в ПП схватов манипуляторов, в астрономии, медицине, фармакологии и т.д..
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенными выше действиями по применению соответствующих пневмоэлементов, организации их взаимодействия, является получение полностью герметичного ПП, что позволяет создать замкнутую по расходу рабочего тела систему питания ПП, значительно расширив область их применения, а также: повысить надежность, снизить массогабаритные показатели и стоимость, уменьшить критичность показателей качества к климатическим условиям эксплуатации, увеличить время необслуживаемости, снизить уровень шума и энергопотребления.