Воспрещается включать электрическую цепь под напряжение без проверки схемы соединений руководителем работ и без его разрешения на включение

Если во время работы возникнет необходимость выполнить какие-либо переключения в цепи, то это следует сделать при отключенной схеме от напряжения сети (или источника). После этого, необходимо попросить преподавателя проверить правильность выполненных переключений.

Во время проведения опытов необходимо внимательно и очень точно записывать показания измерительных приборов, не допуская неправильных отсчетов по шкале приборов, так как это повлияет на результаты измерений, а, следовательно, и на окончательные выводы.

Результаты наблюдений, полученных из опыта, показываются преподавателю, который в случае удовлетворительных полученных результатов, отмечает в журнале выполнение работы и дает задание на выполнение следующей лабораторной работы. Разбирать электрическую схему без согласия преподавателя, до просмотра им результатов опыта, не разрешается.

По выполненной лабораторной работе составляется отчет каждым студентом бригады. Отчеты должны быть выполнены аккуратно, чтобы можно было без затруднений прочесть содержание работы и цифровой материал. Графическая часть работы выполняется карандашом с применением чертежных инструментов. Электрические схемы, кривые, графики, векторные диаграммы должны быть построены на миллиметровой бумаге. При этом следует применять соответствующий масштаб.

В конце каждого отчета студент дает заключение по работе на основании теоретических сведений и результатов, полученных из опыта.

Отчеты по выполненной лабораторной работе представляются преподавателю на следующем занятии. Студенты, не представившие отчетов по выполненным работам и не подготовившиеся к очередному занятию, к выполнению следующей работы не допускаются.

После выполнения лабораторных работ, предусмотренных учебным планом, проводится зачет. Студенты, являясь на собеседование к преподавателю для получения зачета, должны представить все отчеты по лабораторным работам.

По каждой лабораторной работе студент должен:

1. Хорошо изучить теоретический и практический материал, по данным опыта.

2. Грамотно объяснить электрическую схему, ее элементы и измерительную аппаратуру.

3. Знать порядок проведения опыта.

4. Проанализировать кривые, полученные из опыта.

5. Сделать заключение по выполненной работе.

Лабораторная работа № 1

Разработка и исследование пневматических схем с одним исполнительным устройством, цилиндром одно и двух - стороннего действия

1. Цель работы: изучить принципиальную пневматическую схему с одним исполнительным устройством, цилиндром одно и двух - стороннего действия. По заданной схеме из пневматических элементов собрать лабораторный стенд и изучить работу приводов в действии.

Содержание работы

2.1. Ознакомится с условными обозначениями пневмоэлементов.

2.2. Ознакомится с элементной базой лабораторного стенда.

2.3. Ознакомится с пневматическими принципиальными схемами: управления работой цилиндра оно и двух - стороннего действия.

2.4. Собрать стенд управления цилиндром одно - стороннего действия.

2.5. Снять экспериментальные данные скорости привода и сделать необходимые расчеты.

2.6. Оформить отчет по проделанной работе.

Общие сведения

Для управления цилиндром одностороннего действия необходимо использовать 3/2 распределитель. В нашем случае объем полости цилиндра невелик и расход потребляемого им воздуха небольшой, поэтому распределитель может иметь ручное управление от кнопки с пружинным возвратом.

При нажатии на кнопку воздух проходит через управляющий распределитель 1S от канала питания 1 (Р) к выходному каналу 2 (А) и, поступая в полость цилиндра 1А, заставляет его поршень двигаться, преодолевая усилие пружины (рисунок 1а). При отпускании кнопки возвратная пружина распределителя приводит его в исходное состояние, при котором полость цилиндра сообщается посредством канала 3 (R) с атмосферой. Возвратная пружина цилиндра перемещает его шток в исходное положение. Так как в данной схеме исполнительный элемент представлен цилиндром, то он обозначается 1.А, а его управляющий распределитель – номером 1.S. На схеме блок подготовки воздуха и запорный вентиль системы питания сжатым воздухом не обозначены, а эти элементы на лабораторном стенде установлены постоянно.

а) б)

Рисунок 1 – Cхема принципиальная управления цилиндром одностороннего действия с пружинным возвратом

Для управления цилиндрами большого диаметра или с большим потреблением сжатого воздуха применяют управляющие распределители с большим номинальным расходом. Сила, необходимая для переключения такого цилиндра вручную, может оказаться довольно большой. Поэтому в таких случаях использовать не прямое (пилотное) управление. При этом с помощью второго распределителя небольших размеров формируется сигнал, который, управляя потоком воздуха, создает силу, достаточную для переключения управляющего распределителя (усилителя мощности). Непрямое управление используется и в том случае когда:

- шток цилиндра должен двигаться с высокой скоростью,

- оператор значительно удален от цилиндра.

Принципиальная схема такого управления представлена на рисунке 1б.

В исходном положении шток цилиндра 1А втянут, распределитель 1V под действием возвратной пружины находится в выключенном состоянии. Пилотный распределитель 1S с ручным управлением от кнопки под действием пружины также выключен и его выходной канал 2(А) соединен с атмосферой через канал 3(R). Питание сжатым воздухом подается к каналам 1(Р) обоих элементов 1V, 1S. Работа схемы осуществляется следующим образом. Распределитель 3/2 с ручным управлением от кнопки 1S при его срабатывании открывает проход воздуху от канала питания 1(Р) к выходному каналу 2(А), где появляется пневматический сигнал, поступающий на вход 12 распределителя 1V. Этим сигналом распределитель 1V переключается, преодолевая силу действия пружины, после чего канал питания 1(Р) соединяется с выходным каналом 2(А), открывая проход воздуха в полость цилиндра. Поршень цилиндра 1А начинает двигаться, шток выдвигается. Пока сигнал на управляющем входе 12 распределителя 1V будет существовать, шток цилиндра будет оставаться в выдвинутом положении до тех пор, пока будет нажата кнопка распределителя 1S. Это и есть не прямое управление цилиндром от кнопки. Если кнопку 1S отпустить, возвратная пружина переместит распределитель 1S в исходное положение, отсекая выходной канал 2(А) от питания и соединяя его с атмосферой 3(R). Это приведет к исчезновению сигнала управления на распределителе 1V, который под действием пружины возвращается в исходное положение, соединяя полость цилиндра 1А с атмосферой. При этом пружина цилиндра 1А перемещает поршень со штоком в исходное положение.

В цилиндре одностороннего действия (рисунок 2) сжатый воздух воздействует на поршень только с одной стороны. С другой стороны полость цилиндра всегда соединена с атмосферой. Такой цилиндр может совершать работу только в одном направлении. Возврат поршня в исходное положение осуществляется под действием пружины. Сила упругости пружины подбирается таким образом, чтобы поршень без нагрузки возвращался в исходное положение с относительно большой скоростью, приблизительно равной скорости рабочего хода при отсутствии нагрузки на штоке.

Рисунок 2 – Пневматический цилиндр одностороннего действия с пружинным возвратом

Усилие на штоке пневмоцилиндра можно определить из выражения:

где F- усилие на штоке цилиндра (Н); d – диаметр цилиндра (м);

Р – давление в полости цилиндра (Па); с - жесткость пружины (Н/м);

Х - перемещение поршня (ход) или величина сжатия пружины (м).

На рисунке 3 представлен распределитель 3/2 с односторонним пневматическим управлением и пружинным возвратом. Нормально- закрытый в двух своих положениях выключено (рисунок 3а) и включено (рисунок 3б). Распределитель имеет управляющий поршень и возвратную пружину. В исходном положении распределитель нормально закрыт, так как канал питания 1 блокируется дисковым запорным элементом, а выходной канал 2 соединен посредством канала 3 с атмосферой. Распределитель переключается поступающим на его вход 12 давлением сжатого воздуха, прилагаемому к управляющему поршню. При этом канал 1 соединяется с каналом 2. После снятия давления в управляющем канале 12 распределитель возвращается под действием возвратной пружины в исходную позицию. Клапан разъединяет каналы 1 и 2. Выходной канал 2 соединяется через канал 3 с атмосферой.

а) б)

Рисунок 3- Распределитель 3/2 с пневматическим односторонним управлением и пружинным возвратом

В исходном положении управляющий распределитель (рисунок 4) переключен таким образом, что на штоковую сторону поршня цилиндра действует давление воздуха, и поршень со штоком находится во втянутом положении.

При нажатии на кнопку распределителя 1S1 на его выходе 2(А) появится сигнал, который поступает на вход 14 5/2 – распределителя 1V1. 5/2 – распределитель с двухсторонним управлением (памятью) переключается так, что поршневая полость цилиндра 1А посредством канала 4(А) соединяется с линией питания 1(Р) и шток поршня выдвигается. Если подача воздуха в полость цилиндра осуществляется через дроссель с обратным клапаном 1V2 (обратный клапан открыт) без сопротивления, то вытесняемый из штоковой полости воздух через дроссель с обратным клапаном 1V3 (обратный клапан закрыт), дросселируется (с сопротивлением). При этом скорость выдвижения штока цилиндра регулируется. Если кнопку распределителя 1S1 отпустить, то положение распределителя 1V1 останется неизменным, так как он обладает свойством запоминания. Если нажать кнопку распределителя 1S2, то в канале управления 12 распределителя 1V1появится сигнал. Распределитель переключится, воздух поступит в штоковую полость цилиндра 1А и шток поршня втягивается. Дросселирование сброса воздуха из безштокой полости цилиндра осуществляется дросселем с обратным клапаном 1V2 (обратный клапан закрыт). При отпускании кнопки распределителя 1S2 положение распределителя 1V1 останется неизменным благодаря свойству памяти.

Рисунок 4 – Принципиальная схема управлением цилиндром двухстороннего действия с дроссельным регулированием скорости на выходе

Обратные клапана «дросселей с обратными клапанами» 1V1, 1V2 обеспечивают прохождение воздуха в одном направлении и запирание в другом. При запирании воздух проходит только через дроссель, в обратном направлении через клапан и дроссель. Дроссель регулирует объемный расход, подаваемый в полость цилиндра, и тем самым регулирует скорость движения поршня со штоком. Существуют три схемы дроссельного регулирования скорости исполнительного органа цилиндра: установка дросселя на входе в двигатель, установка дросселя на выходе двигателя и установка дросселя параллельно двигателю. Последняя схема применяется редко из - за низкого К П Д. В схеме представленной на рисунке 4 применена схема установки дросселя на выходе цилиндра. Различные по объему расходы воздуха, вытесненной из поршневой и штоковой полостей цилиндра, должны регулироваться независимо друг от друга для того чтобы, таким образом настраивать скорости выдвижения и втягивания штока.

Массу воздуха (кг) потребляемую цилиндром за время движения штока можно рассчитать по формуле:

, (1)

где - площадь поршня безштоковой полости цилиндра = πd²/4 (м²);

ρ₁– плотность воздуха при давлении Р₁(кг/м³); , = 1.29 кг/м³- плотность воздуха при атмосферном давлении Р_a; L – ход штока цилиндра(м).

В формуле (1) принято допущение, что давление в полости цилиндра не намного отличается от давления Р₁на входе в цилиндр.

Мгновенный массовый расход воздуха (кг/с) поступающий в цилиндр во время движения определяем из выражения:

, (2)

t – время (с), за которое шток выдвигается на длину L (м). Если известно давление Р_м перед дросселем и давление Р₁ после дросселя расход через дроссель при адиабатическом процессе для докритического и надкритического истечения можно определить по упрощенным зависимостям:

, если , (3)

, если ,

где - коэффициент расхода = , ξ = 0.4- коэффициент сопротивления на входе дросселя; - площадь проходного отверстия дросселя (м²); Р_ми Р₁ – давление перед дросселем и после дросселя (Па);

R – универсальная газовая постоянная и для воздуха R = 287.14 Дж /(кг·К);

Т – температура воздуха в кельвинах Т = 293 К.

На основании предположении о неразрывности среды можно записать:

. (4)

Подставляя в выражение (3) зависимость (4) и преобразовав уравнение относительно получаем:

, если , (5)

, если .

Выражение (5) позволяет определить настроечную характеристику регулируемого дросселя в зависимости от числа оборотов рукоятки.

Конструкция цилиндра двухстороннего действия без демпфирования и с демпфированием в конце хода представлена на рисунке 5. В целом конструкция аналогична цилиндру одностороннего действия. Но здесь уже нет пружины, так как теперь два присоединительных отверстия используются для подвода воздуха к рабочим полостям цилиндра и его отвод. Цилиндр двухстороннего действия позволяет совершать работу в двух направлениях. При прямом ходе, шток цилиндра выдвигается с несколько большим усилием чем при обратном, за счет разности площадей поршня на поперечное сечение штока.

Чтобы избежать сильных ударов в конце хода о крышки цилиндра и поломки цилиндра, применяют демпфирование.

На некотором расстоянии до конца хода демпфирующий поршень перекрывает отверстие по которому воздух свободно выходит из полости цилиндра. теперь воздух вытекает через регулируемое с помощью винта отверстие, которое может быть значительно меньше основного.

Рисунок 5 - Цилиндр двухстороннего действия без демпфирования

(верхний) и с демпфированием в конечных положениях

(нижний).

При этом увеличивается сопротивление выходящему потоку воздуха и повышается давление перед поршнем. На последней (тормозной) части хода поршня его скорость значительно снижается.

На рисунке 6 представлен 5/2 распределитель, который имеет пять каналов подвода/ отвода воздуха и два положения переключения. Он используется в основном как управляющий элемент для управления пневмоцилиндрами двухстороннего действия. На рисунке представлен распределитель с цилиндрическим золотником в качестве подвижного запорного элемента. Коммутация и перекрытие соответствующих каналов происходит при осевом смещении золотника. В отличии от распределителей с шариковыми и тарельчатыми запорными элементами. Управляющие усилие в них, действует на торец золотника сжатым воздухом или пружиной, невелико из-за небольших сил сопротивления. Для управления могут применяются все виды управления – ручное, механическое, электрическое или как в данной схеме пневматическое.

Рисунок 6 - Распределитель 5/2 с двухсторонним пневматическим управлением

В распределителе канал 1 служит для подвода рабочего давления, каналы 2, 4 для управления, например полостями цилиндра, каналы 3, 5 для сброса сжатого воздуха в атмосферу, а каналы 12, 14 для управлением переключения золотника. На верхнем рисунке 6 показано положение золотника и соединение каналов при подаче управляющего сигнала по каналу 12, а на нижнем показано положение золотника и соединение каналов при подаче управляющего сигнала по каналу 14.

На рисунке 7 представлен регулируемый дроссель с обратным клапаном. Дроссель предназначен для управления расходом сжатого воздуха. Обратный клапан закрывает поток воздуха в одном направлении в этом случае весь поток воздуха проходит через дроссель и открывает в обратном в этом случае поток воздуха идет и через обратный клапан и через дроссель.

Дроссели применяют для регулирования скорости поршня со штоком пневматических цилиндров. Они должны устанавливаться в непосредственной близости от цилиндра.

Существуют три вида установки дросселя:

- на напорной линии (последовательно на входе),

- на линии выхлопа (последовательно на выходе),

- параллельно двигателю.

На практике применяют первые две схемы.

Дроссель имеет расходную характеристику – зависимость объемного или массового расхода от оборотов рукоятки. Q_др, G_др = f (n) и настроечную – зависимость площади проходного сечения от оборотов рукоятки S_др = f (n).