Kaip apskaičiuoti pneumatinį srautą, kad sistema veiktų optimaliai?

Pneumatinės sistemos sugenda, kai inžinieriai neteisingai apskaičiuoja srautą. Esu matęs, kaip dėl per mažų oro tiekimo sistemų gamybinės linijos buvo sustabdytos kelioms dienoms. Tinkamas srauto greičio apskaičiavimas padeda išvengti brangiai kainuojančių prastovų ir užtikrina patikimą veikimą.

Apskaičiuojant pneumatinį srautą nustatomas suslėgto oro kiekis, kurio reikia per laiko vienetą, paprastai matuojamas SCFM (standartinėmis kubinėmis pėdomis per minutę) arba litrais per minutę. Norint atlikti tikslius skaičiavimus, reikia atsižvelgti į cilindro darbinį tūrį, ciklų dažnį ir sistemos slėgio reikalavimus.

Prieš du mėnesius padėjau Džeimsui, gamyklos inžinieriui iš Teksaso gamybos įmonės, išspręsti kritinę srauto greičio problemą. Jo bepiločiai pneumatiniai cilindrai¹ veikė vangiai, todėl susidarė gamybos trikdžių. Pagrindinė priežastis buvo ne cilindrų gedimas, o netinkami oro srauto skaičiavimai.

Turinys

• Kas yra pneumatinis srauto greitis ir kodėl jis svarbus?
• Kaip apskaičiuoti pagrindinius cilindrų srauto reikalavimus?
• Kokie veiksniai daro įtaką bepakopių cilindrų srauto greičio skaičiavimams?
• Kaip nustatyti kelių cilindrų oro tiekimo sistemų dydį?
• Kokios yra dažniausios srauto greičio skaičiavimo klaidos?
• Kaip skaičiuojant srautą atsižvelgti į sistemos nuostolius?

Kas yra pneumatinis srauto greitis ir kodėl jis svarbus?

Srauto greitis - tai suslėgto oro kiekis, judantis per sistemą per laiko vienetą. Pagal šį matavimą sprendžiama, ar jūsų pneumatinė sistema gali užtikrinti reikiamą našumą.

Pneumatinis srautas matuojamas suslėgto oro suvartojimu standartinėmis kubinėmis pėdomis per minutę (SCFM) arba litrais per minutę. Tinkamas srauto greičio apskaičiavimas užtikrina, kad balionai veiktų suprojektuotu greičiu, išlaikant reikiamą slėgį, atitinkantį jėgos reikalavimus.

Srauto greičio vienetų supratimas

Skirtinguose regionuose naudojami įvairūs pneumatinio srauto matavimo vienetai:

Kodėl srauto greičio skaičiavimai yra svarbūs

Nepakankamas srauto greitis sukelia keletą veikimo problemų:

Greičio mažinimas

Kai oro srautas nepakankamas, cilindrai juda lėčiau nei numatyta. Tai tiesiogiai veikia gamybos ciklo laiką ir bendras įrangos efektyvumas².

Slėgio kritimas

Mažas srautas negali palaikyti sistemos slėgio didelės paklausos laikotarpiais. Slėgio kritimas sumažina jėgos našumą ir sukelia nenuoseklų veikimą.

Sistemos neveiksmingumas

Per didelės srauto sistemos eikvoja energiją dėl per didelių suspaudimo ir paskirstymo nuostolių. Tinkami skaičiavimai optimizuoja energijos suvartojimą.

Srauto greičio ir slėgio priklausomybė

Pneumatinėse sistemose srautas ir slėgis veikia kartu. Didesnis srautas gali išlaikyti slėgį greitai judant cilindrui, o pakankamas slėgis užtikrina tinkamą jėgos perdavimą.

Šis ryšys grindžiamas pagrindiniais skysčių dinamikos principais. Didėjant srauto poreikiui, slėgis turi tendenciją mažėti, nebent tiekimo sistema tai atitinkamai kompensuoja.

Poveikis realiame pasaulyje

Neseniai dirbau su Marija, Ispanijos automobilių dalių gamintojo gamybos vadove. Jos surinkimo linijoje detalėms pozicionuoti buvo naudojami keli bepiločiai pneumatiniai cilindrai. Atliekant vieno ciklo bandymus sistema veikė gerai, tačiau per visą gamybos ciklą ji neveikė.

Problema buvo susijusi su srauto greičio apskaičiavimu. Inžinieriai nustatė oro tiekimo dydį pagal atskirų cilindrų poreikius, tačiau neatsižvelgė į vienu metu veikiančių cilindrų poreikius. Kai keli balionai veikė kartu, bendras srauto poreikis viršijo tiekimo pajėgumus.

Kaip apskaičiuoti pagrindinius cilindrų srauto reikalavimus?

Pagrindiniai cilindrų srauto skaičiavimai yra visų pneumatinių sistemų dydžio nustatymo pagrindas. Šiais skaičiavimais nustatomos atskirų cilindrų oro sąnaudos.

Pagrindinis cilindro srautas lygus cilindro tūriui, padaugintam iš darbinio dažnio ir slėgio santykio. Formulė yra tokia: Srauto greitis (SCFM) = cilindro tūris (in³) × ciklai per minutę × slėgio santykis ÷ 1728.

Pagrindinė srauto greičio formulė

Pagrindinė pneumatinio cilindro srauto lygtis:

Q = V × f × (P₁/P₀) ÷ 1728

Kur:

• Q = srauto greitis SCFM
• V = cilindro tūris kubiniais coliais
• f = ciklo dažnis (ciklai per minutę)
• P₁ = darbinis slėgis (PSIA) - tai yra absoliutus slėgis³
• P₀ = Atmosferos slėgis (14,7 PSIA)
• 1728 = Perskaičiavimo koeficientas (kubiniai coliai į kubines pėdas)

Cilindro tūrio skaičiavimai

Standartiniams pneumatiniams cilindrams:

Tūris = π × (skersmuo/2)² × eigos ilgis

Dvigubo veikimo cilindrų atveju apskaičiuokite ir ištraukimo, ir įtraukimo tūrį:

• Išplėsti apimtį: Visas stūmoklio plotas × eiga
• Pasitraukimo tūris: (stūmoklio plotas - strypo plotas) × eiga

Slėgio santykio aspektai

Slėgio santykis (P₁/P₀) atitinka oro suspaudimą. Didesniam darbiniam slėgiui reikia didesnio standartinio oro tūrio, kad būtų užpildytas tas pats cilindro tūris.

Praktinis skaičiavimo pavyzdys

2 colių skersmens, 12 colių eigos cilindrui, kai slėgis 80 PSIG, ciklas 30 kartų per minutę:

Cilindro tūris = π × (1)² × 12 = 37,7 in³
Slėgio santykis = (80 + 14,7) ÷ 14,7 = 6,44
Srautas = 37,7 × 30 × 6,44 ÷ 1728 = 4,2 SCFM

Dvigubo veikimo cilindro aspektai

Dvigubo veikimo cilindrai vartoja orą abiem eigomis. Apskaičiuokite bendrą suvartojimą sudėdami ištraukimo ir įtraukimo poreikius:

Bendras srautas = ištraukiamasis srautas + įtraukiamasis srautas

Cilindrų su strypais įtraukiamasis tūris yra mažesnis už ištraukiamąjį dėl strypo poslinkio.

Kokie veiksniai daro įtaką bepakopių cilindrų srauto greičio skaičiavimams?

Lyginant su tradiciniais pneumatiniais balionais, cilindrai be strypų kelia unikalių srauto skaičiavimo iššūkių. Šių skirtumų supratimas užtikrina tikslų sistemos dydžio nustatymą.

Skaičiuojant bešvaistinio cilindro srautą reikia atsižvelgti į vidinio tūrio pokyčius, sandarinimo sistemų skirtumus ir sukabinimo mechanizmo poveikį. Šie veiksniai gali padidinti srauto reikalavimus 10-25%, palyginti su lygiaverčiais tradiciniais cilindrais.

Vidinio tūrio skirtumai

Pneumatinių cilindrų be strypelių vidaus geometrija turi skirtingą įtaką srauto skaičiavimams:

Magnetinių jungčių sistemos

Magnetu sujungti cilindrai be strypų išlaiko pastovų vidinį tūrį. Magnetinė jungtis neturi didelės įtakos oro sąnaudų skaičiavimams.

Mechaninės sandarinimo sistemos

Mechaniškai sandarūs cilindrai be strypelių turi angas, kurios šiek tiek padidina vidinį tūrį. Šis papildomas tūris turi įtakos srauto greičio skaičiavimams.

Sandarinimo sistemos poveikis

Skirtingos sandarinimo sistemos turi įtakos srauto reikalavimams:

Susiejimo mechanizmo aspektai

Vidinio stūmoklio ir išorinio vežimėlio sujungimo mechanizmas turi įtakos srauto dinamikai:

Magnetinės jungties srauto poveikis

• Nuoseklus sandarinimas: Palaiko nuspėjamus srautų modelius
• Tiesioginio ryšio nėra: Pašalinami išoriniai nuotėkio keliai
• Standartiniai skaičiavimai: Naudokite tradicines formules su minimaliais pakeitimais

Mechaninė jungtis Srauto poveikis

• Lizdų sandarinimas: Reikalingi papildomi sandarinimo mechanizmai
• Didesnis tūris: Plyšio plotas padidina bendrą cilindro tūrį
• Nuotėkio potencialas: Didesni srauto reikalavimai slėgio palaikymui

Temperatūros poveikis srautui

Cilindrai be strypų dažnai naudojami tokiose srityse, kuriose temperatūros svyravimai turi įtakos srauto skaičiavimams:

Šaltos temperatūros poveikis

• Padidėjęs klampumas: Didesnis pasipriešinimas srautui
• Sandariklio sutvirtinimas: Didesnė trintis ir galimas nuotėkis
• Kondensacija: Vandens sankaupos daro įtaką srauto pobūdžiui

Karštos temperatūros poveikis

• Sumažėjęs klampumas: Mažesnis pasipriešinimas srautui
• Šiluminis plėtimasis: Vidaus apimčių pokyčiai
• Sandariklio degradacija: Galimas didesnis nutekėjimas

Greičio ir pagreičio veiksniai

Cilindrai be strypų dažnai veikia didesniu greičiu nei tradiciniai cilindrai, o tai turi įtakos srauto reikalavimams:

Didelės spartos veikimo reikalavimai:

• Greitas užpildymas: Reikalingas didesnis momentinis srautas
• Slėgio priežiūra: Didesnis srautas, reikalingas slėgiui palaikyti greitų judesių metu
• Pagreičio nuostoliai: Papildomas oro kiekis, reikalingas kroviniui pagreitinti

Apskaičiavimo koregavimo koeficientai

Apskaičiuodami cilindrų be lazdelių srautą, taikykite šiuos koregavimo koeficientus:

Pakoreguotas srautas = pagrindinis srautas × koregavimo koeficientas

Kaip nustatyti kelių cilindrų oro tiekimo sistemų dydį?

Norint užtikrinti pakankamą oro tiekimą, kelių balionų sistemose reikia atlikti kruopščią srauto analizę. Paprasčiausiai sudėjus atskirus reikalavimus, dažnai sukuriamos per didelės arba per mažos sistemos.

Norint nustatyti kelių cilindrų srauto dydį, reikia analizuoti vienalaikio veikimo modelius, darbo ciklus ir didžiausios paklausos laikotarpius. Bendras sistemos srautas retai būna lygus atskirų cilindrų poreikių sumai dėl darbo laiko skirtumų.

Vienalaikio veikimo analizė

Daugelyje programų ne visi cilindrai veikia vienu metu. Analizuojant faktinius veikimo modelius išvengiama per didelio dydžio:

Operacijos modelio tipai

• Nuoseklus veikimas: Cilindrai veikia vienas po kito
• Vienalaikis veikimas: Keli cilindrai veikia kartu
• Atsitiktinė operacija: Nenuspėjami laiko modeliai
• Ciklinis veikimas: Pasikartojantys modeliai su žinomu laiku

Darbo ciklo aspektai

Darbinis ciklas rodo, kiek procentų laiko cilindras veikia per tam tikrą laikotarpį:

Darbo ciklas = darbo laikas ÷ bendras ciklo laikas × 100%

Didžiausios paklausos analizė

Nustatant sistemos dydį reikia atsižvelgti į didžiausios paklausos laikotarpius, kai vienu metu veikia keli balionai:

Didžiausios paklausos apskaičiavimas

Didžiausias srautas = Σ(individualus srautas × vienalaikio veikimo koeficientas)

Kai vienalaikio veikimo koeficientas rodo cilindrų veikimo kartu tikimybę.

Įvairovės faktoriaus taikymas

A Įvairovės veiksnys⁴ atsižvelgiama į statistinę tikimybę, kad ne visi cilindrai vienu metu veiks maksimaliu poreikiu:

Sistemos dydžio nustatymo pavyzdys

Sistemai su penkiais cilindrais be lazdelių, kurių kiekvienam reikia 3 SCFM:

Individuali suma = 5 × 3 = 15 SCFM
Su įvairovės faktoriumi = 15 × 0,80 = 12 SCFM
Su saugos faktoriumi = 12 × 1,25 = 15 SCFM

Saugojimo rezervuarų aspektai

Oro imtuvų rezervuarai padeda valdyti didžiausios paklausos laikotarpius:

Bako dydžio nustatymo formulė

Rezervuaro tūris (galonai) = didžiausias srautas (SCFM) × laikas (minutės) × slėgio kritimas (PSI) ÷ 28,8

Kur 28,8 yra konversijos konstanta standartinėmis sąlygomis.

Realus taikymas

Dirbau su Kanados pakavimo įmonės techninės priežiūros vadovu Deividu, kuris susidūrė su nepakankamu oro tiekimu į bepiločių cilindrų sistemą. Jo skaičiavimai parodė, kad iš viso reikia 20 SCFM, tačiau sistema negalėjo išlaikyti slėgio per patį gamybos piką.

Problema buvo vienalaikio veikimo analizė. Gaminių keitimo metu vienu metu veikė šeši cilindrai, kuriais buvo reguliuojama padėtis. Dėl to 30 sekundžių didžiausias poreikis buvo 35 SCFM, o tai gerokai viršijo apskaičiuotą vidurkį.

Problemą išsprendėme pridėdami 120 galonų talpyklą ir patobulindami kompresorių, kad jis atitiktų didžiausius poreikius. Dabar sistema patikimai veikia visais gamybos etapais.

Kokios yra dažniausios srauto greičio skaičiavimo klaidos?

Srauto greičio skaičiavimo klaidos sukelia daugiau pneumatinių sistemų gedimų nei bet kuri kita projektavimo klaida. Suprasdami šias dažniausiai pasitaikančias klaidas, išvengsite brangiai kainuojančių perprojektavimų ir gamybos vėlavimų.

Dažniausiai daromos tokios srauto greičio klaidos: neatsižvelgiama į slėgio nuostolius, neteisingai apskaičiuojamas ciklų dažnis, neatsižvelgiama į vienalaikes operacijas ir naudojami neteisingi perskaičiavimo koeficientai. Dėl šių klaidų oro tiekimo sistemos paprastai būna per mažų matmenų ir prastai veikia.

Slėgio nuostolių priežiūra

Daugelis inžinierių apskaičiuoja srauto greitį pagal tiekimo slėgį, neatsižvelgdami į paskirstymo nuostolius:

Bendrieji slėgio nuostolių šaltiniai

• Vamzdžių trintis: 2-5 PSI 100 pėdų paskirstymo
• Vožtuvų apribojimai: 3-8 PSI per valdymo vožtuvus
• Filtras / reguliatorius: 5-10 PSI slėgio kritimas
• Jungiamosios detalės: 1-2 PSI kiekvienai jungčiai

Neteisingos ciklo dažnio prielaidos

Teorinis ciklo laikas retai atitinka faktinius gamybos reikalavimus:

Dizaino ir tikrovės neatitikimai

• Dizaino greitis: Didžiausias teorinis pajėgumas
• Faktinis greitis: Apribota proceso reikalavimais
• Piko laikotarpiai: Didesni dažniai skubiai gaminant
• Priežiūros ciklai: Mažesnis dažnis atliekant įrangos aptarnavimą

Vienalaikio veikimo klaidos

Daroma prielaida, kad cilindrai veikia nuosekliai, nors iš tikrųjų jie veikia vienu metu:

Su šia klaida susidūriau su Lisa, Vokietijos automobilių pramonės tiekėjo procesų inžiniere. Jos srauto skaičiavimuose buvo daroma prielaida, kad surinkimo stotyje paeiliui veikia aštuoni cilindrai be strypų. Tikrovėje kokybės reikalavimai reikalavo, kad būtų dirbama vienu metu, kad detalės būtų išdėstytos nuosekliai.

Dėl per mažo oro tiekimo slėgio kritimo vienu metu veikiant įrenginiui atsirado slėgio kritimas, todėl padėtis buvo nenuosekli ir atsirado kokybės defektų. Perskaičiavome vienalaikio veikimo srauto reikalavimus ir atnaujinome oro tiekimo sistemą.

Konversijos koeficiento klaidos

Naudojami neteisingi skirtingų srauto greičio vienetų perskaičiavimo koeficientai:

Temperatūros koregavimo priežiūra

Neatsižvelgiama į temperatūros poveikį oro tankiui ir srautui:

Standartinės sąlygos

• Temperatūra: 20°C (68°F)
• Slėgis: 14,7 PSIA (1 atmosfera)
• Drėgmė: 0% santykinė drėgmė

Temperatūros korekcijos formulė

Koreguotas srautas = standartinis srautas × (standartinė temperatūra ÷ faktinė temperatūra)

Kai temperatūra nurodoma absoliučiaisiais vienetais (Rankino arba Kelvino).

Nepakankamas saugos veiksnys

Nepakankami saugos veiksniai lemia ribotą sistemos veikimą:

Nuostoliai dėl nuotėkio

apskaičiuojant srautą neatsižvelgiama į sistemos nuotėkį:

Tipiniai nuotėkio rodikliai

• Naujos sistemos: 5-10% viso srauto
• Įdiegtos sistemos: 10-20% viso srauto
• Senesnės sistemos: 20-30% viso srauto
• Prasta priežiūra: 30%+ viso srauto

Kaip skaičiuojant srautą atsižvelgti į sistemos nuostolius?

Sistemos nuostoliai daro didelę įtaką pneumatinio srauto reikalavimams. Norint užtikrinti tinkamą sistemos veikimą, į tikslius skaičiavimus reikia įtraukti visus nuostolių šaltinius.

Sistemos nuostoliai skaičiuojant pneumatinį srautą apima vamzdžių trintį, vožtuvų apribojimus, jungčių nuostolius ir nuotėkio leidimus. Šie nuostoliai paprastai padidina bendrą srauto poreikį 25-50%, palyginti su teoriniu cilindro sunaudojimu.

Vamzdžių trinties nuostoliai

Suspausto oro paskirstymo sistemose susidaro trinties nuostoliai, kurie turi įtakos srauto skaičiavimams:

Trinties nuostolių koeficientai

• Vamzdžio skersmuo: Dėl mažesnių vamzdžių patiriami didesni nuostoliai
• Vamzdžio ilgis: Ilgesnės trasos padidina bendrą trintį
• Srauto greitis: Didesni greičiai eksponentiškai didina nuostolius
• Vamzdžio medžiaga: Lygūs vamzdžiai mažina trintį

Vamzdžių dydžio nustatymas pagal srauto reikalavimus

Tinkamas vamzdžių dydis sumažina trinties nuostolius:

Vožtuvų ir komponentų nuostoliai

Valdymo vožtuvai ir sistemos komponentai sukuria didelius slėgio kritimus:

Tipiniai komponentų nuostoliai

• Rutuliniai vožtuvai: 2-5 PSI (visiškai atidarytas)
• Solenoidiniai vožtuvai: 5-15 PSI
• Srauto valdymo vožtuvai: 10-25 PSI
• Greitieji sujungimai: 1-3 PSI
• Oro filtrai: 2-8 PSI

Cv Srauto koeficientas

Vožtuvo srauto talpai naudojamas Cv koeficientas:

Srauto greitis (SCFM) = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂))

Kur:

• Cv = vožtuvo srauto koeficientas
• ΔP = slėgio kritimas vožtuve
• P₁ = slėgis prieš srovę (PSIA)
• P₂ = slėgis pasroviui (PSIA)

Sistemos nuotėkio skaičiavimai

Nuotėkis sudaro didelę viso sunaudojamo oro kiekio dalį:

Nuotėkio vertinimo metodai

• Slėgio irimo bandymas⁵: Išmatuokite slėgio kritimą laikui bėgant
• Ultragarsinis aptikimas: Suraskite atskirus nuotėkio šaltinius
• Srauto stebėjimas: Palyginkite faktinį ir teorinį suvartojimą
• Burbulų testavimas: Vizualus nuotėkio vietų aptikimas

Nuotėkio pašalinimo koeficientai

Į srauto skaičiavimus įtraukite nuotėkio nuokrypius:

Bendras sistemos nuostolių apskaičiavimas

Sujunkite visus nuostolių šaltinius, kad tiksliai nustatytumėte srauto dydį:

Bendras reikalingas srautas = baliono srautas × vamzdžio nuostolių koeficientas × komponentų nuostolių koeficientas × nuotėkio koeficientas × saugos koeficientas

Praktinis nuostolių vertinimas

Neseniai padėjau Italijos tekstilės gamintojo techninės priežiūros inžinieriui Roberto išspręsti įsisenėjusias oro tiekimo problemas. Jo bepiločių cilindrų sistemos veikė nenuosekliai, nors kompresoriaus pajėgumas buvo pakankamas.

Atlikome išsamų nuostolių vertinimą ir nustatėme:

• Vamzdžių trintis: Reikia padidinti 15% srautą
• Vožtuvų nuostoliai: 20% reikalingas papildomas srautas
• Sistemos nuotėkis: 25% vartojimo padidėjimas
• Bendras poveikis: 60% didesnis srautas nei teoriniuose skaičiavimuose

Pašalinus pagrindinius nuotėkius ir atnaujinus paskirstymo vamzdynus, sistema patikimai veikė su esamu kompresoriaus pajėgumu.

Nuostolių mažinimo strategijos

Sumažinkite sistemos nuostolius tinkamai suprojektavę:

Skirstymo sistemos optimizavimas

• "Loop Systems: Sumažinti slėgio kritimą per kelis kelius
• Tinkamas dydis: Naudokite tinkamo skersmens vamzdžius
• Sumažinkite jungiamųjų detalių kiekį: Sumažinkite prisijungimo taškų skaičių
• Kokybės komponentai: Naudokite mažų nuostolių vožtuvus ir jungiamąsias detales

Priežiūros programos

• Reguliarus nuotėkio aptikimas: Mėnesiniai ultragarsiniai tyrimai
• Prevencinis keitimas: Pakeiskite susidėvėjusius sandariklius ir jungtis
• Slėgio stebėjimas: Stebėti sistemos našumo tendencijas
• Komponentų atnaujinimai: Pakeiskite didelių nuostolių turinčius komponentus

Išvada

Norint tiksliai apskaičiuoti pneumatinio srauto greitį, reikia išmanyti cilindrų reikalavimus, sistemos nuostolius ir veikimo modelius. Tinkami skaičiavimai užtikrina patikimą bepiločių cilindrų veikimą, kartu optimizuojant energijos suvartojimą ir sistemos sąnaudas.

DUK apie pneumatinio srauto greičio skaičiavimus