Газ как рабочее тело пневмопривода

Физические свойства газа.Рабочим телом в пневмоприводах является рабочий газ (сжатый воздух, азот и др.). Основными параметрами рабочего газа, определяющими его состояние являются: давление, удельный объем (плотность) и термодинамическая температура.

Давлениесжатого воздуха p в магистральных пневмоприводах общего применения обычно не превышает 1 МПа (10 кгс/см2), однако в пневмоприводах с индивидуальными источниками энергии рабочего газа давление может достигать 10 МПа (100 кгс/см2) и более.

Удельный объем газа - это физическая величина, равная отношению объема газа к его массе:

v = V / M,     м3/кг,  (14.1)

где V - объем газа, м3;  M - масса газа, кг.

Удельный объем есть величина обратная плотности ρ, (кг/м3):

v = 1 / ρ. (14.2)

Термодинамическая температураT измеряется вКельвинах (К). Соотношение между температурой, измеренной по шкале Цельсия (оС), и термодинамической температурой определяется равенством

Т = t + 273,15  оС. (14.3)

Для разности температур размер Кельвина и градуса Цельсия одинаков, т.е. Т1 - Т2 = =t1 - t2. Кроме того, из (14.3) следует, что температура t может быть отрицательной, а абсолютному нулю температуры T = 0 соответствует t =  - 273,15  оС.

Нормальные условия состояния газахарактеризуются следующими параметрами:

 температурой Т = 273,15 К;

 давление р = 1013 Па  (760 мм рт.ст.).

Параметры состояния газа (р; V; Т) однозначно связаны между собой уравнением состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева

pV= MRT (14.4)

или для единицы массы газа

pV =RT, (14.5)

где R –  удельная газовая постоянная Дж / (кг∙К).

Удельная газовая постоянная есть удельная работа расширения 1 кг газа при нагревании его на 1 К. Для воздуха R = 287,1 Дж / (кг∙К).

Уравнения состояния позволяют вычислить по двум известным параметрам газа неизвестный третий.

Кроме перечисленных параметров состояния рабочий газ характеризуется также удельной теплоемкостью с, Дж/кг∙К, вязкостью μ, Па∙с и сжимаемостью βсж, Па-1.

Теплоемкостью системы является количество теплоты, необходимое для изменения температуры на 1 К

С= Q / T, (14.6)

где Q – количество теплоты, Дж;  Т – температура, К.

Удельной теплоемкостью с, Дж/(кг∙К)   называют отношение теплоемкости системы к массе тела

с  =  С / M. (14.7)

Удельная теплоемкость зависит от характера термодинамического процесса. Различают изобарную удельную теплоемкость сp - при постоянном давлении и изохорную удельную теплоемкость сv - при постоянном удельном объеме. При температурах от 273 до 373 К (от 0 до 100оС) теплоемкость воздуха практически постоянна: сp = 1,017103 Дж / (кг∙К);

сv = 0,727103 Дж / (кг∙К).

Вязкость воздуха по сравнению с вязкостью рабочих жидкостей, применяемых в гидроприводах,  весьма мала.  Так,  например,  динамическая вязкость воздуха при атмосферном давлении и температуре Т = 293 К равна μ = 18,5 мкПа∙с. В отличие от капельных жидкостей вязкость воздуха с повышением температуры увеличивается. Однако эта зависимость незначительная.

Воздух характеризуется значительной упругостью. Под сжимаемостью газа понимается уменьшение его объема при увеличении давления. Единица объемной сжимаемости βсж  - паскаль в минус первой степени,  т.е. Па-1

βсж = ΔV/(V∙Δp),  (14.8)

где V - первоначальный объем,  м3;

   ΔV - уменьшение объема; м3;

   Δp –увеличение  давления газа, Па.

Технические требования к воздуху, предназначенному для питания пневматических устройств, устанавливает соответствующий ГОСТ. К сжатому воздуху предъявляются высокие технические требования по чистоте. ГОСТ устанавливает 15 классов загрязненного сжатого воздуха. Компоненты загрязнений сжатого воздуха можно разделить на три группы:

вода и компрессорное масло в жидком и газообразном состоянии;

твердые загрязнения;

газообразные загрязнения.

Области применения пневмоприводов.  Пневмоприводы широко применяют во всех областях народного хозяйства: станкостроении, литейном и кузнечном производстве, полиграфической промышленности и на транспорте. Пневмоприводы применяют в зажимных и транспортирующих механизмах, тормозных системах и системах дистанционного управления, они широко используются при монтажных работах, например, в механизированных пневматических инструментах (гайковертах, дрелях) и машинах ударного действия. Конечно, пневмоприводы находят также широкое применение и в военном деле, Например, они используются в тормозных системах практически всех автомобилей, в усилителях рулевого управления и системах централизованной подкачки воздуха в пневмошины ходовых систем бронетранспортеров, в системах (в основном дополнительного) воздушного запуска дизелей машин ВВТ и др.

Широкое применение пневмоприводов объясняется их  преимуществами по сравнению с другими средствами автоматизации. К основным преимуществам пневмоприводов по сравнению с гидроприводами относятся:

большие допускаемые скорости потоков сжатого воздуха (10 м/с и более) в пневмолиниях благодаря малой вязкости воздуха;

относительно небольшие потери в пнемосети, благодаря чему протяженность пневмолиний может достигать сотен метров и более;

сжатый воздух не образует горючих и взрывоопасных смесей, что позволяет применять пневмоприводы в условиях с повышенными требованиями пожарной безопасности;

сжатый воздух не загрязняет окружающую среду, что позволяет обходиться без возвратных трубопроводов, что упрощает конструкцию пневмосистем и снижает общую массу пневмосистемы.

Наряду с положительными качествами пневмоприводы обладают и рядом недостатков, вытекающих из природы рабочей среды - воздуха:

пневмоприводы в отличие от гидроприводов должны иметь смазочные системы или  устройства,  обеспечивающие непрерывную смазку движущихся частей пневмодвигателей;

вследствие высокой сжимаемости воздуха пневмодвигатели не обеспечивают без дополнительных средств плавность и точность движения выходных звеньев при переменных нагрузках;

сжимаемость воздуха не обеспечивает непосредственной фиксации перемещающихся частей пневматических устройств в заданных положениях;

пневмоприводы имеют, как правило, более низкий КПД по сравнению с гидроприводами из-за повышенных утечек воздуха и пневматических устройств;

пневмодвигатели при равных габаритах с гидродвигателями развивают меньшую мощность, что объясняется невысоким давлением сжатого воздуха в пневмоприводах.

Несмотря на недостатки, пневмоприводы с успехом применяют в тех случаях, когда наиболее существенное значение приобретают их преимущества. В настоящее время намечается следующая тенденция в развитии приводов и автоматизированных систем управления в машиностроении, в том числе, в транспортном: в качестве силовых систем применяют  гидравлические, несколько реже – пневматические, а для управления все чаще используют пневмосистемы, если их быстродействие удовлетворяет поставленным требованиям.