Пневматические двигатели

Московский государственный технический

Университет им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Реферат по курсу:

«Технологическая оснастка»

на тему: «Силовые характеристики

пневматических двигателей»

Калуга, 2008 г.

Содержание:

1. Пневматические двигатели. Классификация 3

2. Поршневые двигатели 4

Поршневой двигатель двустороннего действия 4

Поршневой двигатель одностороннего действия 5

Расчёт поршневых двигателей 6

3. Диафрагменные двигатели 10

Диафрагменные двигатели одностороннего действия 11

Диафрагменные двигатели двустороннего действия 11

3.3. Расчёт диафрагменных двигателей 12

4. Камерные двигатели 14

4.1 Расчёт камерных двигателей 16

Список литературы 17

1. Пневматические двигатели. Классификация.

Пневматические двигатели, применяемые для механизации технологической оснастки, подразделяются на следующие типы:

поршневые -- пневматические цилиндры одностороннего и двух-стороннего действия;

диафрагменные -- пневматические камеры одностороннего и двухстороннего действия;

камерные -- одностороннего действия.

В зависимости от компоновки с приспособлением двигатели выполняются встроенными, прикрепляемыми и универсальными.

Встроенные двигатели вписываются в корпус приспособления и составляют с ним единое целое. Такое конструктивное решение позволяет сделать приспособление более компактным, но исклю-чает возможность использования двигателя, когда данная оснастка снимается с производства. Применение встроенных двигателей оправдано в универсальных и групповых приспособлениях и не может быть рекомендовано для оснастки специального назна-чения.

Прикрепляемые двигатели монтируются на корпусе приспособ-ления. В случае, если надобность в данном приспособлении отпа-дает, двигатель может быть снят и повторно использован. Этот вид двигателя наиболее целесообразен для всех видов приспособ-лений специального назначения.

Универсальные приводы выполняются в виде самостоятельного устройства и многократно используются в компоновках с различ-ной* технологической оснасткой. Такие приводы в виде силовых цилиндров нашли широкое применение на револьверных и токар-ных станках.

Пневматические цилиндры и камеры было принято называть пневмопри-водами, что было неверно, так как понятие привод включает в себя комплекс, состоящий из источника энергии, механизма для передачи движения и аппара-туры управления.

Отдельные цилиндры и камеры, преобразующие энергию сжатого воздуха в движущую силу, являются только частью пневматического привода и в настоя-щее время в технической литературе определяются как двигатели.

Применение универсальных приводов на фрезерных и свер-лильных станках нецелесообразно. Данный вид привода был со-здан и получил распространение на предприятиях, где возникла необходимость модернизировать большое число ранее изготовлен-ных малопроизводительных станочных приспособлений с ручным зажимом. Проектировать новую оснастку для фрезерных станков с универсальными приводами не следует, так как при такой ком-поновке конструкция громоздка и требует весьма жёсткого закрепления на станке. Установка ее занимает длительное время, а из-за отсутствия жесткой связи между двигателем и приспособ-лением система во время работы разлаживается.

2. Поршневые двигатели (пневмоцилиндры)

Двигатель поршневой двустороннего действия

В этом двигателе рабочий и возвратный ходы штока происходят под действием сжатого воздуха. Поршневой двигатель дву-стороннего действия - самый надежный пневматический привод для технологической оснастки. Его основные преимущества за-ключаются в следующем:

1) ход поршня может быть любой величины, необходимой для работы механизма;

2) на протяжении всего хода поршня зажимное усилие не меняется;

3) двигатель надежен в работе и способен длительное время действовать без переборок;

4) обеспечивает четкое срабатывание механизма приспособления не только в момент зажима, но и при разжиме.

Двигатель поршневой одностороннего действия.

В этом двига-теле только рабочий ход поршня происходит под действием сжа-того воздуха, а отвод поршня в исходное положение осуществ-ляется возвратной пружиной.

Двигатели этого типа просты в изготовлении и меньше расхо-дуют воздух, но имеют следующие существенные недостатки:

1) значительная часть усилия у них затрачивается на сжатие возвратной пружины;

2) при возвратном ходе поршня двигатель не обеспечивает надежного срабатывания механизма приспособле-ния;

3) ход двигателя не может быть большим, так как ограничен возможностями возвратной пружины.

Двигатели одностороннего действия следует по возможности не применять. Полностью исключено ух использование в приспо-соблениях с передающими звеньями в виде клина пли других самотормозящих устройств, а также в тех случаях, когда для разжима требуются значительные усилия.

Применение данных двигателей может быть рекомендовано для вспомогательного прижима изделия. Диаметр поршня не более 100 мм, ход до 30 мм.

Расчёт поршневых двигателей

При расчете поршневого двигателя двустороннего действия надо различать его толкающее и тянущее усилия. Толкающее движение шток получает при подаче воздуха в полость. При этом шток выдвигается из цилин-дра (рис. 1,а).

При тянущем движении, когда шток втягивается в цилиндр, воздух заполняет полость (рис. 1,б). В этом случае усилие на штоке будет несколько меньше, так как часть площади поршня будет занята штоком.

При расчете необходимо учитывать, что в силу ряда обстоя-тельств давление воздуха в сети может колебаться в пределах от 3 до б am.

Для обеспечения устойчивой работы оснастки следует, рас-считывая пневматический двигатель, исходить из давления, рав-ного 4 am (4 кгс/см²), и учитывать потери на трение в самом цилиндре, которые рекомендуется принимать от 10 до 15% полез-ной мощности.

Однако, принимая во внимание возможный перекос подвиж-ных частей двигателя и необходимость создания некоторого за-паса усилия, следует считать, что потери на трение поглощают 20% мощности.

Приняв давление воздуха равным 4 кгс/см² и потери на трение в самом цилиндре 20%, можно для определения усилия пользо-ваться упрощенными формулами:

для случая толкающего движения штока - Р = 2,5D²,

для случая тянущего движения штока - Р = 2,5 (D² -- d²),

где Р -- усилие на штоке, кгс; D -- диаметр цилиндра, см; d -- диаметр поршня, см.

Данные о мощности двигателей двустороннего действия с нормализованными размерами цилиндров и штоков приведены в табл. 1.

Если полученного усилия на штоке недостаточно, а по кон-структивным соображениям диаметр цилиндра не может быть увеличен, то применяют так называемые сдвоенные и строенные цилиндры. Сдвоенные и строенные цилиндры соответственно развивают вдвое или втрое большее усилие, но они намного сложнее в изго-товлении и менее надежны в эксплуатации.

Без особой на то необхо-димости не следует увеличи-вать количество поршней в пневмоцилиндре, лучше достигнуть необходимого уси-лия, применив для этого ме-ханизмы-усилители.

При подсчете мощности одностороннего поршневого двигателя необходимо учесть расход усилия на сжатие воз-вратной пружины. Для этого от силы Р на штоке надо отнять силу Р_к-- т. е. допу-скаемую рабочую нагрузку для пружины (рис. 1, в).

При выборе пружины не-обходимо учитывать, что ее усилия должно хватить не только для возвращения штока в исходное положе-ние, но и для раскрепления зажимов приспособления.

По конструктивным соображениям следует облегчить работу пружины на штоке, установив на приспособлении дополнительные пружины, способствующие отводу зажимных кулачков.

В таблице 2 для типовых соотношений диаметров поршней, штоков и диафрагм приведены размеры и характеристики нормализо-ванных пружин сжатия для двигателей одностороннего действия. В таблице приведены данные для пружин, навитых из проволоки класса II (ГОСТ 9386--60), работающих при безударных нагруз-ках или со 100 и менее циклами изменений напряжений в минуту. Принятые в таблице обозначения: D_H -- наружный диаметр пружины в мм; d_np -- диаметр проволоки в мм;

Р_к -- максимальная рабочая нагрузка для пружины в кгс; Р_н -- начальная нагрузка для пружины в кгс; f -- деформация (осадка) одного витка при нагрузке в Р_к в мм; 1_К -- шаг пружины при нагрузке Р_к в мм;

t -- шаг пружины в свободном состоянии в мм; h -- величина рабочего хода пружины в мм; Н -- длина пружины в свободном состоянии в мм;

Н_к -- высота пружины под нагрузкой Р_к в мм.

Размеры пружины подбираются по таблице в следующем порядке:

1. Исходя из данных двигателя, выбирается d_np и D_H пружины, а по конструктивным соображениям - величина ее рабочего хода К.

2. Предельно допустимая осадка f_K = Р_кh/(P_k-P_H);

3. Число рабочих витков пружины п = F_k / F₁;

4. Длина пружины Н = tn + d Окончательно Н выбирается из нормального ряда: 20, 22, 25, 28, 32, 36, 40, 45 и далее через 5 мм.

5. Высота пружины под нагрузкой Р_к равна Н_к = Н -- f_K Сдвоенные или строенные поршневые двигатели одностороннего действия применять не рекомендуется. В таком исполнении они не конструктивны.

Приведенные упрощенные формулы и табличные данные дают возможность быстро определить необходимые параметры поршне-вого двигателя для технологической оснастки. В тех случаях, когда необходимо произвести более точный расчет с учетом действительного давления в сети сжатого воздуха, усилие Р в кгс на штоке определяется по следующим формулам

для цилиндров одностороннего действия

Р = 0,785D²pз - Р_к ,

где D -- диаметр цилиндра в см; р -- давление сжатого воздуха в кгс/см²; з = 0,85..0,90 - КПД цилиндра; Р_к -- сопротивление возвратной пружины в конце рабочего хода в кгс (принимается равным максимальной нагрузке для пружины);

для цилиндров двухстороннего действия при толкаюшем дви-жении штока Р = 0,785D²pз,

то же при тянущем движении

Р = 0,785 (D² -- d²)pз,

где d -- диаметр штока в см;

для сдвоенных цилиндров при толкающем движении

Р = 0,785 (2D² -- d₁²) pз,

где d_x -- диаметр участка штока между поршнями в см;

то же для тянущего движения

Р = 0,785 [(D² - d²) + (D² - d₁²)] pз,

где d -- диаметр выходного конца штока в см.

3. Диафрагменные двигатели (пневмокамеры)

Диафрагменный пневматический двигатель представляет собой замкнутую камеру, разделенную эластичной диафрагмой на две изолированные друг от друга полости. Пере-мещение штока происходит от нажима диафрагмы, прогибающейся под действием сжатого воздуха.

Диафрагменные двигатели могут быть одностороннего или двухстороннего действия, а в зависимости от числа рабочих по-лостей в сдвоенном или строенном исполнении. Их наиболее целесообразно применять встроенными в корпус оснастки, имеющей развитое основание. Как прикрепляемые или универсальные они громоздки и плохо компонуются с приспособлениями. Они зна-чительно проще поршневых по конструкции и изготовлению. На них меньше сказывается плохое качество воздуха. Однако они имеют серьезные недостатки, главными из которых являются:

1) возможность мгновенного падения зажимного усилия до нуля при разрыве диафрагмы;

2) непостоянство зажимного усилия, которое уменьшается по мере прогиба диафрагмы.

Диафрагменные двигатели целесообразно применять в неот-ветственных системах, где достаточно малого хода штока и где необходимо создать значительные зажимные усилия, не прибе-гая к помощи усилителей.

По условиям техники безопасности применение диафрагменных двигателей недопустимо, когда неожиданный прорыв диа-фрагмы вызывает мгновенное раскрепление зажимов приспособле-ния, что может привести к несчастному случаю.

Двигатели диафрагменные одностороннего действия

Они яв-ляются самым распространенным видом диафрагменных двигате-лей. В них рабочий ход штока происходит при прогибе диафрагмы под действием сжатого воздуха, а отвод осуществляется пружи-нами, установленными на зажимных звеньях приспособления или непосредственно на штоке двигателя. Двигатель одностороннего действия часто выполняется при-крепленным и применяется для разжима пружинных или диафрагменных патронов, на делительных головках с цанго-вым зажимом, для крепления инструмента в шпинделе вертикаль-но-фрезерных станков.

Двигатели диафрагменные двухстороннего действия

В этом двигателе как рабочий, так и возвратный ходы штока происходят при прогибе диафрагмы под действием сжатого воздуха. Данный вид двигателя применяется главным образом в универ-сальных устройствах. Ими оснащены многие конструкции пневма-тических поворотных столов, подставок, делительных головок. Двигатели двухстороннего действия скомпонованы в отдельные силовые рычажные головки и навесные приводы.

Расчёт диафрагменных двигателей

Усилие на штоке диафрагменной камеры непостоянно - по мере увеличения хода штока и прогиба диафрагмы оно резко

снижается. Это объясняется тем, что часть полезной мощности тратится на прогиб диафрагмы, сопротивление которой растяжению возрастает с увеличением хода штока. Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателей этого типа, необходимо выдерживать следующие соотношения между диаметром D диафрагмы и ходом штока:

1) для тарельчатых диафрагм ход составляет не более (0,25..0,35) D в одну сторону от исходного положения (рис. 2, а);

2) для. плоских диафрагм из прорезиненной ткани ход равен (0,05..0,07) D в обе стороны от исходного положения (рис. 2, б);

3) для плоских диафрагм из резины и резины с тканевой про-кладкой -- (0,1..0,22) D в обе стороны от исходного положения (рис. 2, в).

Приведенные данные допустимых ходов штока несколько уменьшены по сравнению с ранее опубликованными в литературе.

Для двигателей, работающих с интенсивной нагрузкой (от 1 и более циклов в минуту), ход штока надо принимать равным наи-меньшей предельной величине. Диаметр диафрагмы D в мм (диаметр камеры в свету) следует выбирать из рекомендованного ряда (ГОСТ 9887--61): 125, 160, 200, 250, 320, 400. Кроме того, необходимо выдерживать следующие соотношения между диаметрами диафрагмы D и опорной шайбой d:

1) для резинотканевых диафрагм d = 0,7D мм;

2) для резиновых диафрагм d = D - 2с - (2..4) мм, где с -- толщина диафрагмы в мм.

Если принимать соотношения размеров в диафрагменном дви-гателе по таблице 3, то можно определить усилие Р на штоке, поль-зуясь формулами таблицы 4. В табл. 5 приведены приближенные величины усилий на штоке диафрагменных двигателей двойного действия с наиболее часто применяемыми диаметрами камеры.

4. Камерные двигатели.

В этом двигателе зажимное усилие создается резиновой камерой, раздуваемой сжатым воздухом. Под давлением воздуха камера, вложенная в полость в корпусе приспособления, расширяется и перемещает один или несколько штоков. Когда воздух из камеры выпускается, она оседает, а штоки возвращаются пружинами в исходное положение. Такие двигатели, как правило, выполняются одностороннего действия. Их целесообразно применять в случаях, когда не тре-буется значительного усилия, но необходимо привести в действие ряд зажимов (4 и более). Они могут быть рекомендованы для закрепления тонкостенных деталей, имеющих большую длину. В качестве камеры двигателя могут быть использованы шланги различных диаметров или куски камер от автомобилей, мото-циклов и велосипедов. На камеру рекомендуется надевать ру-башку из сатина, бязи или другого материала. Наиболее надежно работают камеры, выполненные из дюритовых шлангов (ГОСТ В-1819--42). Эти шланги изготовляются из маслобензостойкой резины, упрочненной тканевыми проклад-ками. Дюритовые шланги настолько прочны, что нет необхо-димости заключать их в специальные полости. Схематическая компо-новка приспособления с камерой из дюритового шланга показана на рис. 3.

Концы шланга заделываются металлическими заглушками 2 при помощи полухомутиков 1. В одну из заглушек ввернут шту-цер 3, подводящий сжатый воздух. Шланг лежит па корпусе при-способления. На верхнюю поверхность шланга опирается несколь-ко колодок 4, в которых закреплены штоки 5. При подаче воздуха шланг стремится изменить овальную форму сечения на круглую и при этом приподымает колодки со штоками.

Шланговые камеры позволяют осуществить равномерный зажим деталей, имеющих значительную длину. Так, приспособлениями со встроенными шланговыми камерами крепятся детали длиной до 5м, причем зажим осуществляется в 40 местах.

Приспособления для длинных деталей следует проектировать составными из нескольких секций, длина которых не должна превышать 2 м. Секции могут быть соединены между собой воз-духопроводом и управляются от одного, крака (рис. 4).

4.1 Расчет камерных двигателей

Усилие камерных двигателей практически можно считать постоянным по всей длине двигателей может быть определено по формуле

Р = Sp - Р_к ,

где Р -- усилие на штоке в кгс; S -- площадь соприкосновения колодки штока с камерой в см²; р -- давление сжатого воздуха в сети в кгс/см²;

Р_к - усилие возвратной пружины в кгс.

Для устойчивой работы камер из дюритовых шлангов необхо-димо выдерживать следующие зависимости:

1) ход штока должен не превышать 0,2D шланга;

2) минимальный размер г должен быть равен 3а;

3) расстояние б от торцов полу хомутиков до торца первой колодки штока должно быть не менее 1,2 диаметра шланга;

4) расстояние в между торцами смежных колодок 5 мм и больше. Края колодок скруглить радиусом R = 2а.

Рекомендуемые размеры камерных двигателей из дюритовых шлангов приведены в таблице 6. Усилие на штоке можно повысить, расширяя площадь сопри-косновения колодки с камерой путем увеличения длины колодки или установки под колодку второй шланговой камеры.

Список литературы:

1. Бравичев В.А., Гидравлические и пневматические автоматизирующие устройства металлорежущий устройств, М., 1964г.

2. Дзюбандовский К.А., Пневматические приспособления. Проектирование и эксплуатация., «Машиностроение», 1969г

3. Вяткин А.Г., Курс лекций по дисциплине «Технологическая оснастка»