Как всъщност съпротивлението на потока влияе на работата на пневматичната система?

Имате проблеми с бавните скорости на цилиндрите, непостоянното движение или недостатъчната сила във вашите пневматични системи? Тези често срещани проблеми често се дължат на един погрешно разбран виновник: съпротивлението на потока. Много инженери оразмеряват пневматичните си компоненти единствено въз основа на изискванията за налягане и сила, като пренебрегват критичното въздействие на съпротивлението на потока върху реалната работа.

Съпротивлението на потока в пневматичните системи създава падове на налягането, които намаляват наличната сила, ограничават максималната скорост и причиняват непостоянно движение. Това съпротивление се дължи както на триенето по правите тръби (загуби от триене), така и на смущенията при фитинги, завои и клапани (местни загуби). Заедно тези съпротивления могат да намалят действителната производителност на системата с 20-50% в сравнение с теоретичните изчисления.

През моите над 15 години работа в Bepto с пневматични системи съм виждал безброй случаи, в които разбирането и справянето със съпротивлението на потока е превърнало недостатъчно ефективните системи в надеждни и ефективни операции. Позволете ми да споделя какво съм научил за изчисляването и минимизирането на тези скрити убийци на производителността.

Съдържание

• Как всъщност се изчисляват загубите от триене в пневматичните линии?
• Защо методът на еквивалентната дължина е от решаващо значение за точното проектиране на системата?
• Какво се случва, когато въздухът преминава през секции с намален отвор?
• Заключение
• Често задавани въпроси относно съпротивлението на потока в пневматичните системи

Как всъщност се изчисляват загубите от триене в пневматичните линии?

Загубите от триене в прави тръби са в основата на изчисленията на съпротивлението на потока, но много инженери разчитат на прекалено опростени правила, които водят до недостатъчно оразмерени системи.

Загубите от триене в пневматичните линии се изчисляват по формулата Уравнение на Дарси-Вайсбах¹: ΔP = λ(L/D)(ρv²/2), където λ е коефициентът на триене, L е дължината на тръбата, D е диаметърът на тръбата, ρ е плътността на въздуха, а v е скоростта на потока. За пневматичните системи коефициентът на триене λ варира в зависимост от Число на Рейнолдс² и относителната грапавост и обикновено се определя с помощта на таблици за търсене или Диаграма на настроението³.

Разбирането на загубите от триене има практическо значение за проектирането на системи и отстраняването на неизправности. Позволете ми да ви разкажа за това.

Ефективно използване на таблици с коефициенти на триене

Коефициентът на триене (λ) е ключов параметър при изчисляването на спада на налягането, но определянето на стойността му изисква отчитане на условията на потока:

Практическа таблица за търсене на коефициента на триене

За турбулентен поток в пневматични системи използвайте тази опростена таблица:

Изчисляване на спада на налягането в реални пневматични системи

Нека разгледаме един практически пример:

Приложение в реалния свят: Решаване на проблеми със скоростта на цилиндъра

Миналата година работих със Сара, производствен инженер в компания за опаковъчно оборудване в Уисконсин. Нейната система с безпръчкови цилиндри работеше само с 60% от очакваната скорост, въпреки че разполагаше с правилно оразмерен цилиндър и подходящо захранващо налягане.

След като анализирах нейната система, открих, че тя е използвала тръби с диаметър 6 мм за приложение с висок дебит. Загубите от триене са довели до спад на налягането от 2,1 бара, което значително е намалило наличната сила и скорост. С преминаването към 10 мм тръби намалихме спада на налягането до 0,4 бара и нейната система веднага постигна необходимата производителност без други промени.

Фактори, влияещи върху загубите от триене в реални системи

Няколко фактора влияят върху действителните загуби от триене:

1. Температура на въздуха: По-високите температури увеличават вискозитета и триенето
2. Замърсяване: Мръсотията и маслото могат да увеличат ефективната грапавост
3. Огъване на тръби: Микродеформацията в огънатите тръби увеличава устойчивостта
4. Влошаване на възрастта: Корозията и отлаганията увеличават грапавостта с течение на времето
5. Работно налягане: По-високите налягания увеличават плътността и загубите

Защо методът на еквивалентната дължина е от решаващо значение за точното проектиране на системата?

Местните загуби при фитинги, клапани и огъвания често надвишават загубите от триене в прави тръби, но много инженери или ги пренебрегват, или използват груби методи за оценка, които водят до проблеми в работата.

Методът на еквивалентната дължина преобразува местните загуби от фитинги и вентили в еквивалентна дължина на права тръба, която би предизвикала същия спад на налягането. Изчислява се по метода Le = K(D/λ), където Le е еквивалентната дължина, K е коефициент на местните загуби⁴, D е диаметърът на тръбата, а λ е коефициентът на триене. Този метод опростява изчисленията и осигурява по-точни прогнози за работата на системата.

Нека разгледаме как да приложим ефективно този метод при проектирането на пневматични системи.

Таблици за еквивалентни дължини за обичайни пневматични компоненти

Ето една практична справочна таблица за често срещани пневматични компоненти:

Прилагане на метода на еквивалентната дължина

За да използвате този метод ефективно:

1. Идентифициране на всички компоненти в пневматичната верига
2. Намерете стойността на К или еквивалентното съотношение на дължината (Le/D) за всеки компонент
3. Изчислете еквивалентната дължина, като умножите по диаметъра на тръбата
4. Добавете всички еквивалентни дължини към действителната дължина на правата тръба
5. Използвайте общата ефективна дължина при изчисленията на загубите от триене

Например система с 5 м права тръба с диаметър 8 мм и четири 90° колена, едно Т-образно съединение и две бързи връзки:

Това означава, че вашата 5-метрова система всъщност се държи като 5,72-метрова система поради местните загуби - 14,4% увеличение на ефективната дължина.

Проучване на случай: Оптимизиране на разположението на клапаните в монтажни системи

Наскоро помогнах на Мигел, инженер по автоматизация в завод за сглобяване на електроника в Аризона. Неговата система "pick-and-place" се характеризираше с непостоянно движение и вариации във времето на цикъла, въпреки че използваше висококачествени компоненти.

Анализът показа, че колекторът на вентила е разположен на 3 м от цилиндрите, а веригата е включвала многобройни арматури. Изчислението на еквивалентната дължина показа, че действителното разстояние от 3 m има ефективна дължина от 7,2 m поради местните загуби - повече от два пъти по-голямо от разстоянието по права тръба!

С преместването на колектора на клапаните по-близо до цилиндрите и премахването на няколко арматури намалихме ефективната дължина от 7,2 м на 2,1 м. Това намали спада на налягането със 70%, което доведе до постоянно движение и намаляване на времето за цикъл със 15%.

Практически съвети за минимизиране на местните загуби

За да намалите локалните загуби във вашите пневматични системи:

1. Използване на заоблени лакти вместо остри завои (намалява K-стойността с 67%)
2. Минимизиране на броя на фитингите чрез планиране на по-директни маршрути
3. Избор на компоненти с ниско съпротивление като пълноценни сферични кранове, където е подходящо.
4. Правилно оразмеряване на фитингите - маломерните фитинги причиняват непропорционални загуби
5. Поставете клапаните в близост до задвижванията за минимизиране на ефективната дължина на тръбите

Какво се случва, когато въздухът преминава през секции с намален отвор?

Намалените участъци на отворите в пневматичните вериги - като частично затворени клапани, маломерни фитинги или диаметрични преходи - създават значителни ограничения на потока, които могат да окажат сериозно влияние върху работата на системата.

Когато въздухът преминава през участъци с намалени отвори, спадове на налягането⁵ възниква по формулата ΔP = ρ(v₂² - v₁²)/2, където v₁ е скоростта преди ограничението, а v₂ е скоростта в ограничението. Това може да се компенсира, като се използва коефициентът на компенсация на съотношението на отворите C = (1 - (d/D)⁴), където d е намаленият диаметър, а D е първоначалният диаметър. Този коефициент помага да се предвиди действителната производителност на системата и да се избегне недооразмеряване на компонентите.

Нека разгледаме практическите последици от намалените сечения на отворите и как да ги отчетем при проектирането на системата.

Изчисляване на капките на налягане при преходи между диаметрите

Когато въздухът преминава от по-голям към по-малък диаметър, спадът на налягането може да се изчисли, като се използват следните данни:

Общи сценарии за намаляване на отворите и тяхното въздействие

Ето как различните намаления на отворите влияят върху капацитета на потока:

Тези цифри показват защо на пръв поглед незначителни намаления на диаметъра могат да имат драматично въздействие върху производителността на системата.

Кумулативният ефект на множество ограничения

В реалните пневматични вериги се наблюдават множество последователни ограничения. Техният ефект е кумулативен и може да се изчисли с помощта на:

1. Преобразуване на всяко ограничение в неговия еквивалентен коефициент C
2. Изчислете общия C-фактор: Ctotal = 1 - (1-C₁)(1-C₂)(1-C₃)...
3. Използвайте този общ коефициент, за да определите общото намаление на производителността на системата.

Проучване на случай: Решаване на проблеми, свързани с несъответствието между клапаните и изпълнителните механизми

Миналия месец работих с Томас, ръководител на поддръжката в завод за производство на мебели в Северна Каролина. Неговата нова система с безпрътови цилиндри работеше с по-малко от половината от очакваната скорост, въпреки че използваше препоръчания от производителя размер на клапана.

Разследването разкрива множество намаления на отворите в неговата верига:

• 10 мм захранващ тръбопровод към 8 мм портове на вентила (C₁ = 0,36)
• 8 мм портове за клапани към 6 мм фитинги (C₂ = 0,44)
• 6 мм фитинги за 8 мм цилиндрови портове с вътрешни ограничения (C₃ = 0,32)

Общият компенсационен коефициент е Ctotal = 1 - (1-0,36)(1-0,44)(1-0,32) = 0,75, което означава, че системата му е губила 75% от теоретичния си капацитет на потока!

С преминаването към правилно оразмерени компоненти в цялата система елиминирахме тези ограничения и постигнахме необходимата производителност, без да променяме цилиндъра или подаващото налягане.

Практически стратегии за минимизиране на загубите от редуциране на сондажа

Намаляване на загубите от намаляване на сондажите:

1. Последователно оразмеряване на компонентите в цялата пневматична верига
2. Използвайте най-големия възможен размер на тръбите за приложения с висок дебит
3. Обърнете внимание на ограниченията на вътрешните компоненти, а не само размери на връзките
4. Обмислете паралелни пътища на потока за изисквания за висок дебит
5. Премахване на ненужните адаптери и преходи когато е възможно

Принципът на "най-слабото звено" в пневматичните системи

Не забравяйте, че производителността на вашата пневматична система е ограничена от най-ограничаващия компонент. Един-единствен елемент с недостатъчен размер може да унищожи предимствата на правилно оразмерените компоненти в другите части на системата.

Например система с 10 мм тръби, 10 мм клапани, но с 6 мм фитинги на цилиндъра ще работи по същество по същия начин като система с 6 мм компоненти - но на по-висока цена.

Заключение

Разбирането и правилното изчисляване на съпротивлението на потока чрез таблици с коефициенти на триене, методи за еквивалентна дължина и компенсация на намален отвор е от съществено значение за проектирането на пневматични системи, които работят според очакванията в реални условия. Като прилагате тези методи за изчисление и принципи на проектиране, можете да оптимизирате приложенията си за безпръчкови цилиндри и други пневматични системи за постигане на максимална производителност и надеждност.

Често задавани въпроси относно съпротивлението на потока в пневматичните системи