Пневматические двигатели (пневмодвигатели)

Пневмодвигатели, они же пневмомоторы - это устройства, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую работу. В широком смысле слова, механическую работу пневматического двигателя понимают как линейное или ротационное движение - однако, все же, пневмодвигатели, создающие линейное возвратно-поступательное движение, чаще называют пневмоцилиндрами, а понятие «пневматического двигателя» обычно ассоциируется с ротацией вала. В свою очередь, ротационные пневмодвигатели подразделяются, по принципу своей работы, на лопаточные (они же пластинчатые) и поршневые - компания Parker производит оба типа.

Мы думаем, что многие посетители нашего сайта не хуже нас знакомы с тем, что такое пневмодвигатель, какие они бывают, как их подбирать и прочими связанными с этими устройствами вопросами. Таким посетителям, наверное, хотелось бы сразу перейти к технической информации о предлагаемых нами пневматических двигателях:

Серия P1V-P

Радиальные поршневые, с/без тормоза, с/без редуктора,
P_ном 73,5...228 Вт,
n@P_max 3,7...1100 об/мин,
М@P_max 0,64...500 Н·м

Серия P1V-M

Пластинчатые, без тормоза, с планетарным редуктором,
P_ном 200...600 Вт,
n@P_max 15...5000 об/мин,
М@P_max 0,38...381 Н·м

Серия P1V-A

Пластинчатые, с планетарным, геликоидальным или червячным редуктором,
P_ном 1,6...3,6 кВт,
n@P_max 18...4500 об/мин,
М@P_max 3,3...1800 Н·м

• Серия P1V-P: радиальные поршневые, 74...228 Вт
• Серия P1V-M: пластинчатые, 200...600 Вт
• Серия P1V-S: пластинчатые, 20...1200 Вт, нержавеющая сталь
• Серия P1V-A: пластинчатые, 1,6...3,6 кВт
• Серия P1V-B: пластинчатые, 5,1...18 кВт

Для не столь хорошо знакомых с пневмомоторами наших посетителей, мы подготовили по ним некоторую основную информацию справочного и теоретического характера, которая, как мы надеемся, может оказаться кому-нибудь полезной:

Пневмомоторы существуют уже в течение примерно двух веков, и в наши дни довольно широко используются в промышленном оборудовании, ручном инструменте, в авиации (в качестве стартеров) и в некоторых других областях.

Существуют также и примеры применения пневматических моторов в конструкции автомобилей, работающих на сжатом воздухе - сначала еще на заре автомобилестроения в XIX веке, и позднее, в ходе нового интереса к «ненефтяным» автомобильным двигателям начиная с 80х годов XX века - однако, к сожалению, последний тип применения пока представляется малоперспективным.

Основными «конкурентами» пневмодвигателей являются электрические двигатели, которые претендуют на применение в тех же областях, что и пневматические двигатели. Можно отметить следующие общие преимущества пневматических двигателей перед электрическими:
- пневмотор занимает меньше места, чем соответствующий ему по основным параметрам электродвигатель
- пневмомотор обычно в несколько раз легче соответствующего электромотора
- пневмодвигатели без проблем выдерживают высокую температуру, сильную вибрацию, удары и другие внешние воздействия
- большинство пневмомоторов полностью пригодны для использования во взрывоопасных местах установки и сертифицированы по ATEX
- пневмодвигатели значительно более, чем электромоторы, толерантны к пускам/остановкам
- обслуживание пневматических моторов проводить значительно проще, чем электрических
- пневмодвигатели стандартно имеют возможность обратного хода
- пневмодвигатели, в целом, занчительно надежнее электродвигателей - благодаря простоте конструкции и малому количеству движущихся частей

Разумеется, несмотря на эти преимущества, сплошь и рядом, все же, применение электродвигателей оказывается более эффективным как с технической, так и с экономической точек зрения; однако там, где все же используется пневмопривод, это объясняется обычно одним или более из вышеперечисленных его преимуществ.

Принцип работы и устройства пластинчатого пневмодвигателя

Принцип работы пластинчатого пневмодвигателя
1 - корпус ротора (цилиндр)
2 - ротор
3 - лопатки
4 - пружина (толкает лопатки)
5 - торцевой фланец с подшипниками

Мы предлагаем пневмодвигатели двух типов: поршневые и пластинчатые (они же лопаточные); при этом, последние являются более простыми, надежными, совершенными и, как следствие, распространенными. Кроме того, они обычно и меньше поршневых пневмомоторов, что облегчает их установку в компактные корпуса использующих их устройств. Принцип работы пластинчатого электродвигателя практически обратен принципу работы пластинчатого компрессора: в компрессоре, подача вращения (от электродвигателя или двиигателя внутреннего сгорания) на вал вызывает вращение ротора с выезжающими из его пазов лопатками, и, таким образом, сокращение камер сжатия; в пневматическом двигателе, сжатый воздух подается на лопатки, что вызывает вращение ротора - то есть, энергия сжатого воздуха преобразуется в пневмодвигателе в механическую работу (вращательное движение вала).

Лопаточный пневмодвигатель состоит из цилиндра-корпуса, в котором на подшипниках размещен ротор - причем, размещен не прямо по центру полости, а со смещением относительно последнего. По всей длине ротора прорезаны пазы, в которые вставлены изготовленные из графита или иного материала лопатки. Лопатки выталикаются из пазов ротора действием пружин, прижимаясь к стенкам корпуса и образуя между своей, корпуса и ротора поверхностями полость - рабочую камеру.

Сжатый воздух подается на вход рабочей камеры (подавать его можно с обеих сторон) и толкает лопатки ротора, что, в свою очередь, вызывает вращение последнего. Сжатый воздух проходит в полости между платинками и поверхностями корпуса и ротора до выходного отверстия, через которое и выбрасывается в атмосферу. В пластинчатых пневмодвигателях, вращающий момент определяется площадью поверхности лопаток, подвергающейся давлению воздуха, и уровнем этого давления.

Как подобрать пневматический двигатель?

n	скорость
M	крутящий момент
P	мощность
Q	потребление СжВ
	Возможный режим работы
	Оптимальный режим работы
	Высокий износ (не всегда)

Для каждого пневматического двигателя, можно нарисовать график, показывающий зависимость крутящего момента M и мощности P, а также потребления сжатого воздуха Q, от скорости вращения n (пример размещен на рисунке справа).

Если двигатель простаивает или вращается в свободном режиме без нагрузки на выходном валу, он не развивает никакой мощности. Обычно, максимальная мощность развивается при торможении двигателя примерно до половины его максимальной скорости вращения.

Что касается крутящего момента, то в режиме свободного вращения он тоже равен нулю. Сразу же после начала торможения двигателя (при появлении нагрузки), крутящий момент начинает линейно расти до тех пор, пока двигатель не встанет. Однако, нельзя указать точное значение стартового крутящего момента - по той причине, что лопасти (или поршни у поршневого пневмодвигателя) могут при его полной остановке находиться в разных положениях; указывают всегда только минимальный стартовый крутящий момент.

При этом следует отметить, что неправильный подбор пневматического двигателя чреват не только неэффективностью его работы, но и бóльшим его износом: на высоких скоростях, быстрее изнашиваются лопатки; на низких скоростях при высоком крутящем моменте, быстрее изнашиваются части трансмиссии.

Обычный подбор: нужно знать крутящий момент M и скорость n

При обычном подходе к подбору пневмодвигателя, начинают с установления вращающего момента при какой-либо определенной требуемой скорости. Другими словами, для подбора двигателя нужно знать требующиеся вращающий момент и скорость. Так как, как мы отметили выше, максимальная мощность развивается примерно при ½ максимальной (свободной) скорости пневмомотора, то, в идеале, следует выбирать пневмодвигатель, который показывает требуемую скорость и крутящий момент при значении мощности, близком к максимальному. Для каждого агрегата имеются соответствующие графики, позволяющие определить его пригодность для конкретного использования.

Небольшая подсказка: в общем случае, можно выбрать пневматический мотор, который при максимальной мощности обеспечивает слегка бóльшие, чем требуется, скорость и крутящий момент, а затем отрегулировать их путем регулирования давления редуктором-регулятором и/или расхода сжатого воздуха с помощью ограничителя потока.

Если момент силы M и скорость n не известны

В некоторых случаях, вращающий момент и скорость не известны, но известны требуемая скорость движения груза, момент рычага (радиус-вектор, или, проще говоря, расстояние от центра приложения силы) и потребляемая мощность. Исходя из этих параметров, можно рассчитать вращающий момент и скорость:

Сначала, хотя эта формула и не поможет напрямую в расчете требуемых параметров, уточним, что является мощностью (она же в случае пневмодвигателей - вращающая сила). Итак, мощность (сила) является произведением массы на ускорение свободного падения:

, где
F - искомая мощность [Н] (помним, что ),
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²

Например, на иллюстрации справа к барабану, зарепленному на выходном валу пневмодвигателя, подвешен груз массой 150 кг. Происходит дело на Земле, в городе Москва, и ускорение свободного падения составляет примерно 9,8154 м/с². В этом случае, сила составляет примерно 1472 кг·м/c², или 1472 Н. Еще раз повторимся, что эта формула не имеет прямого отношения к предлагаемым нами методам подбора пневмодвигателей.

Вращающий момент, он же момент силы, это сила, прилагаемая для придания объекту вращения. Момент силы является произведением вращающей силы (рассчитанной по формуле выше) и расстояния от центра до точки ее приложения (момент рычага, или, проще говоря, расстояние от центра вала пневмодвигателя до, в данном случае, поверхности закрепленного на валу барабана). Рассчитываем момент силы (он же вращающий, он же крутящий момент):

, где
M - искомый момент силы (вращающий момент) [Н·м],
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²
r - момент рычага (радиус от центра) [м]

Например, если диаметр вала+барабана составляет 300 мм = 0,3 м, и, соответственно, момент рычага = 0,15 м, то вращающий момент составит примерно 221 Н·м. Вращающий момент - это один из необходимых параметром для подбора пневмодвигателя. По формуле выше его можно рассчитать, исходя из знания массы и момента рычага (в подавляющем большинстве случаев различиями в ускорении свободного падения можно пренебречь из-за редкости применения пневматических двигателей в космосе).

Скорость вращения ротора пневматического двигателя можно рассчитать, зная скорость поступательного движения нагрузки и момент рычага:

, где
n - искомая скорость вращения [мин^-1],
v - скорость поступательного движения нагрузки [м/с],
r - момент рычага (радиус от центра) [м],
π - константа 3,14
Поправочный коэффициент 60 введен в формулу для того, чтобы перевести обороты в секунды в более удобные для восприятия и более широко распространенные в технической документации обороты в минуту.

Например, при поступательной скорости 1,5 м/с и предложенном и в предидущем примере моменте рычага (радиусе) 0,15 м, требуемая скорость вращения вала составит примерно 96 об/мин. Скорость вращения является еще одним нужным для подбора пневматического мотора параметром. По формуле выше ее можно рассчитать, зная момент рычага и скорость поступательного движения нагрузки.

Требуемую мощность можно рассчитать, исходя из скорости вращения и момента силы (вращающего момента):

, где
P - требуемая мощность [кВт] (помним, что ),
M - момент силы, он же крутящий момент [Н·м],
n - скорость вращения [мин^-1],
9550 - константа (равна 30/π для преобразования скорости из радиан/с в обороты/мин, с умножением на 1000 для преобразования ватт в более удобные для восприятия и более распространенные в технической документации киловатты)

Например, если крутящий момент составляет 221 Н·м при скорости вращения 96 мин^-1, то требуемая мощность составит примерно 2,2 кВт. Разумеется, из этой формулы можно вывести и обратные: для вычисления вращающего момента или скорости вращения вала пневматического мотора.

Типы трансмиссии (редуктора)

Как правило, вал пневмодвигателя соединяется с реципиентом вращения не напрямую, а через интегрированную в конструкцию пневмодвигателя трансмиссию-редуктор. Редукторы бывают разных типов, основными из которых являются планетарные, геликоидальные и червячные.

Планетарный редуктор

Планетарные редукторы характеризуются высоким КПД, низким инерционным моментом, возможностью создания высоких передаточных чисел, а также небольшими, по отношению к создаваемому крутящему моменту, габаритами. Выходной вал всегда находится в центре корпуса планетарной передачи. Части планетарного редуктора смазываются смазкой, что означает, что пневмомотор с таким редуктором можно установить в любом желаемом положении.
+ небольшие установочные размеры
+ свобода при выборе положения установки
+ простое фланцевое соединение
+ небольшая масса
+ выходной вал находится в центре
+ высокая эффективность работы

Геликоидальный редуктор

Геликоидальные трансмиссии также отличаются высокой эффективностью. Несколько ступеней редуцирования позволяют достичь высоких передаточных чисел. Удобству и гибкости в установке способствует центральное расположение выходного вала и возможность установки пневматического двигателя с геликоидальным редуктором как на фланец, так и на стойках.

Однако, подобные редукторы смазываются разбрызгиванием масла (имеется своего рода «масляная ванна», в которую всегда должны быть частично погружены движущиеся части редуктора), и, поэтому, положение пневматического двигателя с подобной передачей должно быть определено заранее - с учетом этого, будет определен и надлежащий объем масла, который должен быть залит в трансмиссию, и положение заливных и сливных штуцеров.
+ высокая эффективность
+ простая установка через фланец или стойки
+ относительно низкая цена
- необходимость заранее планировать установочное положение
- более высокая, чем у планетарных или червячных редукторов, масса

Червячный редуктор

Червячные передачи отличаются относительно простой конструкцией, на основе шнека и шестерни, благодаря чему с помощью такого редуктора можно получить высокие передаточные числа при малых габаритных размерах. Однако, эффективность червячной передачи значительно ниже, чем планетарной или геликоидальной.

Выходной вал направлен под углом 90° по отношению к валу пневмодвигателя. Установка пневмодвигателя с червячной передачей возможна как через фланец, так и на стойках. Однако, как и в случае с геликоидальными передачами, она несколько осложняется тем, что червячные редукторы, как и геликоидальные, тоже используют смазку разбрызгиванием масла - поэтому, установочное положение таких систем тоже нужно знать заранее, т.к. оно повлияет на объем заливаемого в редуктор масла, а также на положение заливных и дренажных присоединений.
+ низкая, по отношению к передаточному числу, масса
+ относительно низкая цена
- относительно низкий КПД
- необходимо заранее знать установочное положение
+/- выходной вал находится под углом 90° к валу пневмомотора

Методы регулировки пневмодвигателей

В таблице ниже показаны два основных способа регулирования работы пневматических двигателей:

Регулирование расхода Основным методом регулирования работы пневмодвигателей является установка на входе одноходового двигателя регулятора расхода сжатого воздуха (ограничителя потока). В тех случаях, когда предполагается реверс двигателя, и нужно ограничить его скорость в обоих направлениях, регуляторы с байпасными линиями следует установить на обеих сторонах пневмодвигателя. Ограничение подачи или выхода на 1-ходовом моторе Ограничение подачи на моторе с обратным ходом Ограничение выхода на моторе с обратным ходом При регулировании (ограничении) подачи в пневмодвигатель сжатого воздуха, при сохранении его давления, свободная скорость вращения ротора пневматического двигателя падает - при сохранении, однако, полного давления сжатого воздуха на поверхность лопастей. Кривая изменения крутящего момента становится более крутой: Кривая крутящего момента Это значит, что на низких скоростях вращения от пневмодвигателя возможно получить полный крутящий момент. Однако, это также означает, что при равной скорости вращения, мотор развивает меньший крутящий момент, чем он развил бы при подаче полного объема сжатого воздуха.

Регулирование давления Скорость и вращающий момент пневмомотора можно также регулировать путем изменения давления поступающего на него сжатого воздуха. Для этого, на входном трубопроводе устанавливают редуктор-регулятор давления. В результате, мотор постоянно получает неограниченный объем сжатого воздуха, но при меньшим давлении. При этом, при появлении нагрузки, он развивает на выходном валу меньший крутящий момент. Регулирование давления Регулирование давления Уменьшение входного давления сжатого воздуха снижает крутящий момент, создаваемый мотором при торможении (появлении нагрузки), но также и снижает скорость.

Контроль работы и направления вращения

Пневматический двигатель работает, когда в него подается, и когда из него выходит, сжатый воздух. Если требуется обеспечить вращение вала пневмодвигателя только в одном направлении, то подача сжатого воздуха должна быть предусмотрена только на один из пневмовходов агрегата; соответственно, если нужно, чтобы вал пневмодвигателя вращался в двух направлениях, то нужно предусмотреть чередование подачи сжатого воздуха между обоими входами.

Подача и отвод сжатого воздуха осуществляется с помощью контрольных клапанов. Они могут быть разными по способу активации: наиболее распространены клапаны с электрическим управлением (электромагнитные, они же соленоидные, открытие или закрытие которых производится путем подачи напряжения на индукционную катушку, втягивающую в себя поршень), с пневматическим управлением (когда сигнал на открытие или закрытие подается путем подачи сжатого воздуха), механические (когда открытие или закрытие вызывается механически, путем автоматического нажатия на некую кнопку или рычаг) и ручные (сходные с механическими, за исключением того, что открытие или закрытие клапана производится непосредственно человеком).

Самый простой случай мы видим, конечно, у односторонних пневмомоторов: для них, нужно обеспечить только подачу сжатого воздуха на один из входов. Контролировать каким-либо образом выход сжатого воздуха из другого пневматического присоединения пневмомотора нет необходимости. В этом случае, достаточно установки на входе сжатого воздуха в пневмодвигатель 2/2-ходового соленоидного клапана, или иного 2/2-ходового клапана (напомним, что конструкция «X/Y-ходовой клапан» означает, что у этого клапана имеется X портов, через которые может производится подача или отвод рабочей среды, и Y положений, в которых может находиться рабочая часть клапана). На рисунке справа, правда, показано использование 3/2-ходового клапана (еще раз повторим, что в случае с одноходовыми пневматическими моторами не принципиально, какой клапан использовать - 2/2-ходовой или 3/2-ходовой). Вообще, на рисунке справа последовательно, слева направо, схематично показаны следующие устройства: отсечной кран, фильтр сжатого воздуха, регулятор давления, 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода, пневмодвигатель.

В случае с двухсторонними двигателями, задача незначительно усложняется. Первым вариантом является использование одного 5/3-ходового клапана - такой клапан будет иметь 3 положения (остановка, передний ход, реверс) и 5 портов (один для входа сжатого воздуха, по одному на подачу сжатого воздуха на каждый из двух пневмоприсоединений пневмодвигателя, и еще по одному для отвода сжатого воздуха от каждого из этих же двух присоединений). Конечно, такой клапан будет иметь и не менее двух актуаторов - в случае, например, с соленоидным клапаном, это будут 2 индукционные катушки. На рисунке справа показаны последовательно, слева направо: 5/3-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном (чтобы сжатый воздух мог выйти), пневмодвигатель, еще один регулятор расхода с обратным клапаном.

Альтернативным вариантом управления двухходовым пневмомотором является использование двух раздельных 3/2-ходовых клапанов. Принципиально такая схема не отличается от описанного в предыдущем абзаце варианта с 5/3-ходовым клапаном. На рисунке справа последовательно, слева направо, показаны: 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, пневмодвигатель, еще один регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, и еще один 3/2-ходовой клапан.

Глушение шума

Шум, создаваемый пневмодвигателем при работе, складывается из механического шума от движущихся частей и из шума, создаваемого пульсацией сжатого воздуха, выходящего из двигателя. Влияние шума от пневмодвигателя может довольно заметно сказываться на общем шумовом фоне в месте установки - если, например, позволить сжатому воздуху свободно выходить из пневмомотора в атмосферу, то уровень звукового давления может доходить, в зависимости от конкретного агрегата, до 100-110 дБ(А) и даже больше.

Во-первых, нужно стараться, по возможности, избегать создания эффекта механического резонанса звука. Но даже в наилучших условиях, шум может все равно быть очень заметным и некомфортным. Для устранения шума, следует использовать фильтры-глушители - несложные устройства, специально предназначенные для этой цели и рассеивающие в своем корпусе и фильтрующем материале поток сжатого воздуха.

Глушители шума

По материалу конструкции, глушители подразделаются на изготовленные из синтерированной (то есть превращенной в порошок, и затем сформованной/спеченной при высоком давлении и температуре) бронзы, меди или нержавеющей стали, синтерированных же пластиков, а также на сделанные из сплетенной проволоки, заключенной в сетчатый стальной или алюминиевый корпус, и сделанные на основе других фильтрующих материалов. Первые два типа обычно бывают небольшими как по пропускной способности, так и по размеру, и недорогими. Такие глушители обычно ставят на сам пневмодвигатель или около него. Примером их могут служить, среди прочих, эти глушители.

Глушители из проволочной сетки могут иметь очень большую пропускную способность (даже на порядки превышающую потребность в сжатом воздухе самого большого пневматического мотора), большой диаметр присоединения (из предлагаемых нами, до резьбы 2"). Проволочные глушители, как правило, загрязняются значительно медленнее, могут быть эффективно и многократно регенированы - но, к сожалению, и стоят они обычно значительно дороже синтерированных бронзовых или пластиковых.

Что касается размещения глушителей, то существует два основных варианта. Самым простым способом является навинтить глушитель непосредственно на пневмомотор (при необходимости, через переходник). Однако, во-первых, сжатый воздух на выходе пневмодвигателя обычно подвержен довольно сильным пульсациям, которые как уменьшают эффективность глушителя, так и, потенциально, снижают его срок службы. Во-вторых, глушитель не убирает шум совсем, а лишь снижает его - и при размещении глушителя на агрегате, шума, скорее всего, будет все равно довольно много. Поэтому, по возможности и при желании, для максимального снижения уровня звукового давления следует предпринять, выборочно или в совокупности, следующие меры: 1) установить между пневматическим мотором и глушителем некую раширительную камеру, снижающую пульсацию сжатого воздуха, 2) присоединить глушетиль через мягкий гибкий шланг, служащий для той же цели, и 3) вывести глушитель туда, где шум не будет никому мешать.

Следует также помнить, что изначально недостаточная пропускная способность глушителя (из-за ошибки в подборе) или его возникшая в ходе эксплуатации (частичная) блокировка от загрязенения могут привести к значительному сопротивлению, оказываемому глушителем потоку выходящего сжатого воздуха - что, в свою очередь, приводит к снижению мощности пневмодвигателя. Выбирайте (в том числе консультируясь с нами) достаточный по пропускной способности глушитель и затем, при его эксплуатации, следите за его состоянием!