Пневматическая система сжатия

Пневматическая система сжатия — это совокупность технических устройств и трубопроводов, предназначенных для получения, подготовки, хранения, распределения и использования сжатого воздуха (или другого газа) в качестве рабочего тела для приведения в действие пневматических механизмов, инструментов и систем автоматизации.

Пневматические системы сжатия широко применяются в промышленности, на транспорте, в строительстве и в быту. Основным преимуществом таких систем перед гидравлическими и электрическими является безопасность в пожаро- и взрывоопасных средах, простота конструкции, высокая скорость срабатывания исполнительных механизмов и возможность работы в условиях высоких температур и загрязнений.

История развития

Первые упоминания об использовании сжатого воздуха для выполнения механической работы относятся к античности. В I веке н. э. древнегреческий инженер Герон Александрийский описал устройство — эолипил, который приводился в движение струёй пара, однако принцип сжатия газа использовался в его пневматических автоматах. В XVII веке немецкий физик Отто фон Герике провёл эксперименты с вакуумом и сжатым воздухом, создав первый воздушный насос.

Значительный прогресс в развитии пневматических систем сжатия произошёл в XIX веке с началом промышленной революции. В 1829 году английский инженер Джордж Стефенсон применил сжатый воздух для торможения поездов. В 1850-х годах швейцарский инженер Даниэль Колладон разработал пневматическую почту, которая использовала сжатый воздух для перемещения капсул с письмами по трубопроводам. К концу XIX века пневматические системы стали применяться в горнодобывающей промышленности для привода отбойных молотков и в строительстве для клёпки мостов.

В XX веке, с развитием автоматизации, пневматические системы сжатия стали неотъемлемой частью производственных линий. Появление компактных компрессоров, фильтров и регуляторов давления позволило создавать локальные пневмосети на предприятиях. В 1960-х годах началось активное внедрение пневматических элементов в системах управления (пневмоавтоматика).

Классификация пневматических систем сжатия

Пневматические системы сжатия классифицируются по нескольким признакам.

По типу используемого газа

• Воздушные — наиболее распространённый тип, использующий атмосферный воздух.
• Газовые — применяют инертные газы (азот, аргон) или специальные газовые смеси для исключения окисления или в химических процессах.

По уровню давления

• Низкого давления (до 0,1 МПа) — используются в системах вентиляции, аэрации, пневмопочте.
• Среднего давления (0,1–1,0 МПа) — основной диапазон для промышленных пневмоинструментов и автоматики.
• Высокого давления (1,0–10,0 МПа) — применяются в энергетике, для запуска дизельных двигателей, в пневматических тормозах.
• Сверхвысокого давления (свыше 10,0 МПа) — используются в специальных технологических процессах, например, в гидроиспытаниях.

По степени централизации

• Централизованные — один мощный компрессор обеспечивает сжатым воздухом весь завод или цех.
• Децентрализованные — несколько локальных компрессоров установлены непосредственно у потребителей.

Устройство и основные компоненты

Типовая пневматическая система сжатия включает следующие основные элементы:

Компрессор

Компрессор — сердце системы, устройство, преобразующее механическую энергию двигателя в энергию сжатого газа. По принципу действия различают:

• Поршневые компрессоры — сжимают газ в цилиндре возвратно-поступательным движением поршня. Обеспечивают высокое давление, но имеют пульсирующую подачу.
• Винтовые компрессоры — сжимают газ с помощью двух вращающихся винтовых роторов. Отличаются плавной подачей, низким уровнем шума и высокой надёжностью.
• Центробежные компрессоры — используют центробежную силу вращающегося рабочего колеса. Применяются для больших объёмов воздуха при среднем давлении.
• Мембранные компрессоры — сжатие происходит за счёт колебания гибкой мембраны. Используются для особо чистых газов.

Система подготовки воздуха

Качество сжатого воздуха критически влияет на срок службы пневмооборудования. Система подготовки включает:

• Фильтры — удаляют твёрдые частицы (пыль, ржавчину) и влагу (капельную и аэрозольную).
• Осушители — рефрижераторные (охлаждают воздух для конденсации влаги) или адсорбционные (поглощают влагу специальными материалами).
• Регуляторы давления — поддерживают заданное давление в пневмосети независимо от колебаний расхода.
• Лубрикаторы — добавляют в сжатый воздух мелкодисперсное масло для смазки пневмоинструментов.

Ресивер

Ресивер (воздухосборник) — герметичный резервуар, предназначенный для накопления сжатого воздуха, сглаживания пульсаций давления от компрессора и обеспечения пикового расхода. Объём ресивера выбирается в зависимости от производительности компрессора и характера потребления воздуха.

Трубопроводы и арматура

Трубопроводы соединяют все элементы системы. Используются стальные, медные, алюминиевые или пластиковые трубы (например, из полиамида). Арматура включает запорные вентили, обратные клапаны, предохранительные клапаны, дренажные устройства для отвода конденсата.

Пневматические исполнительные устройства

Конечными потребителями сжатого воздуха являются:

• Пневмоцилиндры — преобразуют энергию сжатого воздуха в поступательное движение штока.
• Пневмомоторы — вращательные пневматические двигатели.
• Пневмоинструменты — гайковёрты, дрели, шлифовальные машины, отбойные молотки.
• Пневматические клапаны и задвижки — управляют потоками жидкостей и газов в технологических процессах.

Применение

Пневматические системы сжатия находят применение в самых разных отраслях.

Промышленность

• Машиностроение — пневматические прессы, зажимные устройства, сборочные линии.
• Горнодобывающая промышленность — бурение, отбойка породы, вентиляция.
• Химическая и нефтегазовая промышленность — пневматические насосы, системы управления клапанами, пневмоприводы в зонах с взрывоопасной атмосферой.
• Пищевая промышленность — упаковка, розлив, транспортировка сыпучих продуктов.

Транспорт

• Железнодорожный транспорт — пневматические тормозные системы (система Вестингауза), пневмоподвеска.
• Автомобильный транспорт — пневматические тормоза грузовиков и автобусов, пневмоподвеска, системы управления дверями.
• Авиация — пневматические системы для запуска двигателей, управления шасси и тормозами.

Строительство

• Отбойные молотки — для разрушения бетона и асфальта.
• Перфораторы — для бурения отверстий.
• Пневматические гайковёрты и шуруповёрты — для монтажа конструкций.

Медицина

• Дыхательные аппараты — подача сжатого воздуха или кислорода.
• Пневматические приводы — в хирургических инструментах и стоматологических установках.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Пожаро- и взрывобезопасность — сжатый воздух не искрит, что позволяет использовать пневматику в опасных зонах.
• Простота конструкции — пневматические устройства имеют меньше движущихся частей по сравнению с гидравлическими и электрическими аналогами.
• Высокая скорость срабатывания — скорость перемещения поршня пневмоцилиндра может достигать нескольких метров в секунду.
• Устойчивость к перегрузкам — при заклинивании механизма пневмопривод может остановиться без повреждения.
• Лёгкость регулировки — скорость и усилие легко изменяются с помощью регуляторов расхода и давления.

Недостатки

• Низкий КПД — значительная часть энергии теряется в виде тепла при сжатии и расширении воздуха.
• Необходимость подготовки воздуха — влага и загрязнения в сжатом воздухе вызывают коррозию и износ оборудования.
• Шум — работа компрессоров и выхлоп пневматических устройств создают высокий уровень шума.
• Ограниченное усилие — при одинаковых габаритах пневмоцилиндры развивают меньшее усилие, чем гидравлические.
• Нестабильность при низких температурах — конденсат в системе может замерзать, нарушая работу.

Интересные факты

• Первая в мире пневматическая система сжатия для передачи энергии на расстояние была построена в 1880-х годах в Париже. Сеть трубопроводов длиной около 50 км подавала сжатый воздух для привода станков и лифтов.
• В 1902 году в России на Путиловском заводе (Санкт-Петербург) была введена в эксплуатацию централизованная пневматическая система, которая обеспечивала сжатым воздухом цеха завода.
• Современные винтовые компрессоры могут работать непрерывно в течение нескольких лет без остановки на техническое обслуживание.
• В некоторых странах (например, в Японии) разрабатываются проекты пневматических аккумуляторов энергии для выравнивания нагрузки в электросетях.

Источники

• Артоболевский И. И. «Теория механизмов и машин». — М.: Наука, 1988.
• Башта Т. М. «Гидравлика, гидромашины и гидроприводы». — М.: Машиностроение, 1982.
• Козлов В. Н. «Пневматические системы и устройства». — СПб.: Политехника, 2005.
• Справочник по пневмоприводам и пневмоавтоматике / под ред. Е. В. Герца. — М.: Машиностроение, 1981.
• ГОСТ Р 54897-2012 «Системы пневматические. Общие требования безопасности».