Kaip paversti oro srautą slėgiu pneumatinėse sistemose?

Oro srauto konvertavimas į slėgį daugeliui inžinierių sukelia sunkumų. Esu matęs, kaip gamybos linijos žlunga dėl to, kad kažkas manė, jog didesnis srautas automatiškai reiškia didesnį slėgį. Srauto ir slėgio santykis yra sudėtingas ir priklauso nuo sistemos pasipriešinimo, o ne nuo paprastų perskaičiavimo formulių.

Oro srauto negalima tiesiogiai perskaičiuoti į slėgį, nes matuojamos skirtingos fizikinės savybės. Srautas matuoja tūrį per laiką, o slėgis - jėgą per plotą. Tačiau srautas ir slėgis susiję per sistemos pasipriešinimą - didesnis srautas sukelia didesnį slėgio kritimą per apribojimus.

Prieš tris mėnesius padėjau Kanados maisto perdirbimo įmonės proceso inžinierei Patricijai išspręsti svarbią pneumatinės sistemos problemą. Jos cilindrai be lazdelių nesukūrė reikiamos jėgos, nors oro srautas buvo pakankamas. Problema buvo ne srauto trūkumas, o neteisingas srauto ir slėgio santykio supratimas jos paskirstymo sistemoje.

Turinys

• Koks yra oro srauto ir slėgio santykis?
• Kaip sistemos apribojimai veikia srautą ir slėgį?
• Kokios lygtys reguliuoja srauto ir slėgio santykius?
• Kaip apskaičiuoti slėgio kritimą pagal srauto greitį?
• Kokie veiksniai turi įtakos srauto ir slėgio konversijai pneumatinėse sistemose?
• Kaip nustatyti komponentų dydį pagal srauto ir slėgio reikalavimus?

Koks yra oro srauto ir slėgio santykis?

Oro srautas ir slėgis yra skirtingos fizikinės savybės, kurios sąveikauja per sistemos pasipriešinimą. Suprasti šį ryšį labai svarbu norint tinkamai suprojektuoti pneumatinę sistemą.

Oro srautas ir slėgis susiję su Omo dėsnio analogija¹: Slėgio kritimas = srauto greitis × varža. Didesni srautai per apribojimus sukuria didesnius slėgio kritimus, o sistemos pasipriešinimas lemia, kiek slėgio prarandama esant tam tikram srauto greičiui.

Pagrindinės srauto ir slėgio sąvokos

Srautas ir slėgis nėra tarpusavyje pakeičiami matavimai:

Sistemos atsparumo analogija

Apie pneumatines sistemas galvokite kaip apie elektros grandines:

Elektros grandinė

• Įtampa = slėgis
• Dabartinis = Srauto greitis  
• Pasipriešinimas = Sistemos apribojimas
• Omo dėsnis: V = I × R

Pneumatinė sistema

• Slėgio kritimas = Srauto greitis × varža
• Didesnis srautas = didesnis slėgio kritimas
• Mažesnis pasipriešinimas = mažesnis slėgio kritimas

Srauto ir slėgio priklausomybės

Srauto ir slėgio santykį lemia keli veiksniai:

Sistemos konfigūracija

• Serijos apribojimai: Slėgio kritimai sumuojami
• Lygiagretūs keliai: Srautas pasiskirsto, slėgio kritimas sumažėja
• Komponentų pasirinkimas: Kiekviena sudedamoji dalis pasižymi unikaliomis srauto ir slėgio charakteristikomis

Veikimo sąlygos

• Temperatūra: Turi įtakos oro tankiui ir klampai
• Slėgio lygis: Didesnis slėgis keičia srauto charakteristikas
• Srauto greitis: Didesni greičiai didina slėgio nuostolius

Praktinis srauto ir slėgio pavyzdys

Neseniai dirbau su Migueliu, techninės priežiūros vadovu Ispanijos automobilių gamykloje. Jo pneumatinės sistemos našumas buvo pakankamas (200 SCFM), slėgis kompresoriuje tinkamas (100 PSI), tačiau cilindrai be strypų veikė lėtai.

Problema buvo sistemos pasipriešinimas. Ilgos paskirstymo linijos, per maži vožtuvai ir daugybė jungiamųjų detalių kėlė didelę varžą. Dėl 200 SCFM srauto krito 25 PSI slėgis, todėl balionuose buvo tik 75 PSI.

Problemą išsprendėme:

• Vamzdžio skersmens padidinimas nuo 1″ iki 1,5″
• Ribojančių vožtuvų keitimas pilno prievado konstrukcijomis
• Armatūros jungčių mažinimas iki minimumo
• Priėmimo rezervuaro įrengimas šalia didelės paklausos zonų

Dėl šių pakeitimų sumažėjo sistemos pasipriešinimas, todėl balionuose buvo palaikomas 95 PSI slėgis, o srautas buvo toks pat - 200 SCFM.

Dažniausiai pasitaikantys klaidingi įsitikinimai

Inžinieriai dažnai neteisingai supranta srauto ir slėgio santykius:

Klaidinga nuomonė Nr. 1: didesnis srautas = didesnis slėgis

Realybė: Didesnis srautas per apribojimus sukelia mažesnį slėgį dėl padidėjusio slėgio kritimo.

Klaidinga 2 nuomonė: srautas ir slėgis konvertuojami tiesiogiai

Realybė: Srautas ir slėgis matuoja skirtingas savybes ir negali būti tiesiogiai konvertuojami nežinant sistemos pasipriešinimo.

Klaidinga 3 nuomonė: didesnis kompresoriaus srautas išsprendžia slėgio problemas

Realybė: Sistemos apribojimai riboja slėgį nepriklausomai nuo turimo srauto. Pasipriešinimo mažinimas dažnai yra veiksmingesnis nei srauto didinimas.

Kaip sistemos apribojimai veikia srautą ir slėgį?

Sistemos apribojimai sukuria pasipriešinimą, kuris lemia srauto ir slėgio santykį. Supratimas apie apribojimų poveikį padeda optimizuoti pneumatinės sistemos veikimą.

Sistemos apribojimai - tai vamzdžiai, vožtuvai, jungiamosios detalės ir komponentai, kurie trukdo oro srautui. Kiekvienas apribojimas sukuria slėgio kritimą, proporcingą srauto greičio kvadratui, t. y. padvigubinus srautą, slėgio kritimas per tą patį apribojimą padidėja keturis kartus.

Sistemos apribojimų tipai

Pneumatinėse sistemose yra įvairių ribojimo šaltinių:

Vamzdžių trintis

• Lygūs vamzdžiai: Mažesnė trintis, mažesnis slėgio kritimas
• Grubūs vamzdžiai: Didesnė trintis, didesnis slėgio kritimas
• Vamzdžio ilgis: Ilgesni vamzdžiai sukelia didesnę bendrąją trintį
• Vamzdžio skersmuo: Mažesni vamzdžiai smarkiai padidina trintį

Komponentų apribojimai

• Vožtuvai: Srauto pajėgumas priklauso nuo konstrukcijos ir dydžio
• Filtrai: Sukurti slėgio kritimą, kuris didėja didėjant užterštumui
• Reguliatoriai: Suprojektuotas slėgio kritimas valdymo funkcijai
• Jungiamosios detalės: Kiekviena jungtis prideda apribojimą

Srauto kontrolės prietaisai

• Angos: Tyčiniai srauto valdymo apribojimai
• Adatiniai vožtuvai: Kintami srauto reguliavimo apribojimai
• Greiti išmetimo vamzdžiai: Mažas apribojimas, kad greitai grįžtų cilindras

Slėgio kritimo charakteristikos

Slėgio kritimas per apribojimus yra nuspėjamas:

Laminarinis srautas² (maži greičiai)

Slėgio kritimas ∝ Srauto greitis
Tiesinė priklausomybė tarp srauto ir slėgio kritimo

Turbulentinis srautas (dideli greičiai)

Slėgio kritimas ∝ (srautas)²
Kvadratinė priklausomybė - padvigubėjus srautui, slėgio kritimas padidėja keturis kartus

Srauto ribojimo koeficientai

Sudedamosios dalys naudoja srauto koeficientus apribojimui apibūdinti:

Cv srauto lygtis

Svetainė Cv srauto lygtis³ susieja srautą, slėgio kritimą ir skysčio savybes:

Q = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂) ÷ SG)

Kur:

• Q = srauto greitis (SCFM)
• Cv = srauto koeficientas
• ΔP = slėgio kritimas (PSI)
• P₁, P₂ = slėgis prieš srovę ir po ja (PSIA)
• SG = savitasis sunkis (1,0 oro standartinėmis sąlygomis)

Serijiniai ir lygiagretieji apribojimai

Apribojimų išdėstymas turi įtakos bendram sistemos pasipriešinimui:

Serijos apribojimai

Bendra varža = R₁ + R₂ + R₃ + ...
Pasipriešinimai tiesiogiai sumuojasi, todėl susidaro suminis slėgio kritimas

Lygiagretūs apribojimai  

1/iš viso pasipriešinimas = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ...
Lygiagretūs keliai sumažina bendrąją varžą

Realaus pasaulio apribojimų analizė

Padėjau Jungtinės Karalystės pakavimo bendrovės dizaino inžinierei Jennifer optimizuoti bepiločių cilindrų sistemos našumą. Jos sistema buvo tinkamai aprūpinama oru, tačiau balionai veikė nenuosekliai.

Atlikome apribojimų analizę ir nustatėme, kad:

• Pagrindinis paskirstymas: 2 PSI kritimas (priimtinas)
• Vamzdynų atšakos: 5 PSI kritimas (didelis dėl mažo skersmens)
• Valdymo vožtuvai: 12 PSI kritimas (labai per mažas)
• Cilindrų jungtys: 3 PSI kritimas (kelios jungtys)
• Bendras sistemos kritimas: 22 PSI (per didelis)

Pakeitę per mažo dydžio valdymo vožtuvus ir padidinę atšakų skersmenį, bendrą slėgio kritimą sumažinome iki 8 PSI ir taip gerokai pagerinome cilindro našumą.

Apribojimų optimizavimo strategijos

Tinkamai suprojektuokite sistemą ir sumažinkite sistemos apribojimus:

Vamzdžių dydžio nustatymas

• Naudokite tinkamą skersmenį: Laikykitės greičio gairių
• Minimizuoti ilgį: Tiesioginis maršrutas sumažina trintį
• Sklandi anga: Mažina turbulenciją ir trintį

Komponentų pasirinkimas

• Didelės Cv vertės: Pasirinkite tinkamo srauto pajėgumo komponentus
• Viso prievado dizainai: Sumažinti vidinius apribojimus
• Kokybiškos jungiamosios detalės: Lygūs vidiniai praėjimai

Sistemos išdėstymas

• Lygiagretus paskirstymas: Keli keliai mažina pasipriešinimą
• Vietinė saugykla: Priėmimo talpyklos netoli didelės paklausos teritorijų
• Strateginis išdėstymas: Tinkami pareigų apribojimai

Kokios lygtys reguliuoja srauto ir slėgio santykius?

Kelios pagrindinės lygtys apibūdina srauto ir slėgio santykius pneumatinėse sistemose. Šios lygtys padeda inžinieriams prognozuoti sistemos elgseną ir optimizuoti veikimą.

Pagrindinės srauto ir slėgio lygtys yra Cv srauto lygtis, Darcy-Weisbacho lygtis⁴ dėl trinties vamzdyje ir užspausto srauto lygtys didelio greičio sąlygoms. Šios lygtys susieja srauto greitį, slėgio kritimą ir sistemos geometriją, kad būtų galima prognozuoti pneumatinės sistemos veikimą.

Cv srauto lygtis (pagrindinė)

Dažniausiai naudojama lygtis pneumatiniam srautui apskaičiuoti:

Q = Cv × √(ΔP × (P₁ + P₂))

Supaprastintas standartinių sąlygų oro atveju:
Q = Cv × √(ΔP × Pavg)

Kur Pavg = (P₁ + P₂) ÷ 2

Darcy-Weisbacho lygtis (vamzdžių trintis)

Slėgio kritimui vamzdžiuose ir vamzdeliuose:

ΔP = f × (L/D) × (ρV²/2gc)

Kur:

• f = trinties koeficientas (priklauso nuo Reinoldso skaičiaus)
• L = vamzdžio ilgis
• D = vamzdžio skersmuo
• ρ = Oro tankis
• V = oro judėjimo greitis
• gc = gravitacinė konstanta

Supaprastinta vamzdžio srauto lygtis

Praktiniai pneumatiniai skaičiavimai:

ΔP = K × Q² × L / D⁵

Kur K yra konstanta, priklausanti nuo vienetų ir sąlygų.

Duslinio srauto lygtis

Kai slėgis pasroviui nukrenta žemiau kritinio santykio, atsiranda sąlyga, vadinama užspringęs srautas⁵ įvyksta:

Qchoked = Cd × A × P₁ × √(γ/RT₁) × (2/(γ+1))^((γ+1)/(2(γ-1)))

Kur:

• Cd = išlydžio koeficientas
• A = Angos plotas
• γ = savitosios šilumos koeficientas (1,4 orui)
• R = dujų konstanta
• T₁ = prieš srovę esanti temperatūra

Kritinis slėgio santykis

Srautas užgęsta, kai:
P₂/P₁ ≤ 0,528 (orui)

Žemiau šio santykio srauto greitis tampa nepriklausomas nuo pasroviui tenkančio slėgio.

Reinoldso skaičius

Nustatomas srauto režimas (laminarinis arba turbulentinis):

Re = ρVD/μ

Kur:

• ρ = Oro tankis
• V = greitis
• D = skersmuo
• μ = dinaminė klampa

Praktiniai lygčių taikymai

Neseniai padėjau Vokietijos mašinų gamintojo projektų inžinieriui Davidui nustatyti pneumatinių komponentų dydį kelių stočių surinkimo sistemai. Jo skaičiavimuose reikėjo atsižvelgti į:

1. Atskirų cilindrų reikalavimai: Cv lygčių naudojimas vožtuvų dydžiams nustatyti
2. Paskirstymo slėgio kritimas: Darcy-Weisbacho metodo naudojimas vamzdžių dydžiui nustatyti  
3. Didžiausio srauto sąlygos: Patikrinimas, ar nėra užspringusio srauto apribojimų
4. Sistemos integracija: Kelių srauto kelių derinimas

Sisteminis lygčių metodas užtikrino tinkamą komponentų dydžio parinkimą ir patikimą sistemos veikimą.

Lygties pasirinkimo gairės

Pasirinkite tinkamas lygtis pagal taikymą:

Komponentų dydžio nustatymas

• Naudokite Cv lygtis: vožtuvams, jungiamosioms detalėms ir sudedamosioms dalims
• Gamintojo duomenys: Jei įmanoma, naudokite konkrečias eksploatacinių savybių kreives

Vamzdžių dydžio nustatymas

• Naudoti Darcy-Weisbach: Tiksliems trinties skaičiavimams
• Naudokite supaprastintas lygtis: Preliminariam dydžio nustatymui

Didelio greičio taikomosios programos

• Patikrinkite užkimštą srautą: Kai slėgio santykis artėja prie kritinių verčių
• Naudokite suslėgtojo srauto lygtis: Tiksliam didelio greičio prognozavimui

Lygties apribojimai

Supraskite lygties apribojimus, kad galėtumėte tiksliai taikyti:

Prielaidos

• Nuolatinė būsena: Lygtyse daromos prielaidos, kad srauto sąlygos yra pastovios.
• Vienfazis: Tik oras, be kondensato ar užterštumo
• Izoterminis: Pastovi temperatūra (praktikoje dažnai neatitinka tikrovės)

Tikslumo veiksniai

• Trinties veiksniai: Apytikrės vertės gali skirtis nuo faktinių sąlygų
• Komponentų variantai: Gamybos tolerancijos turi įtakos faktinėms eksploatacinėms savybėms
• Įrengimo poveikis: Lenkimai, jungtys ir montavimas turi įtakos srautui

Kaip apskaičiuoti slėgio kritimą pagal srauto greitį?

Slėgio kritimo apskaičiavimas pagal žinomą srauto greitį padeda inžinieriams prognozuoti sistemos veikimą ir nustatyti galimas problemas dar prieš ją įrengiant.

Norint apskaičiuoti slėgio kritimą, reikia žinoti srauto greitį, komponentų srauto koeficientus ir sistemos geometriją. Naudokite pertvarkytą Cv lygtį: ΔP = (Q/Cv)² komponentams ir Darcy-Weisbacho lygtį trinties nuostoliams vamzdyne.

Komponentų slėgio kritimo skaičiavimas

Skirta vožtuvams, jungiamosioms detalėms ir komponentams, kurių Cv vertės žinomos:

ΔP = (Q/Cv)²

Supaprastinta pagal pagrindinę Cv lygtį, sprendžiant slėgio kritimą.

Vamzdžio slėgio kritimo skaičiavimas

Tiesiems vamzdžiams naudokite supaprastintą trinties lygtį:

ΔP = f × (L/D) × (Q²/A²) × (ρ/2gc)

Kur A = vamzdžio skerspjūvio plotas.

Skaičiavimo procesas žingsnis po žingsnio

1 žingsnis: nustatyti srauto kelią

Sudarykite viso srauto kelio nuo šaltinio iki paskirties vietos žemėlapį, įskaitant visas sudedamąsias dalis ir vamzdyno atkarpas.

2 žingsnis: Surinkite komponentų duomenis

Surinkite visų srauto kelyje esančių vožtuvų, jungiamųjų detalių ir komponentų Cv vertes.

3 žingsnis: apskaičiuokite atskirus lašus

Apskaičiuokite slėgio kritimą kiekvienam komponentui ir vamzdžio sekcijai atskirai.

4 veiksmas: Suma iš viso sumažėjo

Sudėkite visus atskirus slėgio kritimus, kad nustatytumėte bendrą sistemos slėgio kritimą.

Praktinis skaičiavimo pavyzdys

Skirta belazdžių cilindrų sistemai, kai reikalingas 25 SCFM srautas:

Šiame pavyzdyje parodyta, kaip per maži komponentai (mažos Cv vertės) lemia per didelius slėgio kritimus.

Vamzdžių trinties skaičiavimai

100 pėdų 1 colio vamzdžio, kuriuo teka 50 SCFM:

Apskaičiuokite greitį

V = Q/(A × 60) = 50/(0,785 × 60) = 1,06 ft/sek.

Nustatyti Reynoldso skaičių

Re = ρVD/μ ≈ 4,000 (turbulentinis srautas)

Raskite trinties koeficientą

f ≈ 0.025 (komerciniams plieniniams vamzdžiams)

Apskaičiuokite slėgio kritimą

ΔP = 0,025 × (100/1) × (1,06²)/(2 × 32,2) × ρ
ΔP ≈ 2,1 PSI

Kelių šakų skaičiavimai

Sistemose su lygiagrečiais srauto keliais:

Lygiagretus srauto paskirstymas

Srautas pasiskirsto pagal santykinę kiekvienos šakos varžą:
Q₁/Q₂ = √(R₂/R₁)

Kur R₁ ir R₂ yra šakų varžos.

Slėgio kritimo nuoseklumas

Visų lygiagrečių atšakų slėgio kritimas tarp bendrų sujungimo taškų yra vienodas.

Realus skaičiavimo taikymas

Dirbau su Italijos tekstilės gamintojo techninės priežiūros inžinieriumi Antonio, kad išspręstume slėgio problemas jo bepiločių cilindrų sistemoje. Jo skaičiavimai rodė, kad tiekimo slėgis yra pakankamas, tačiau balionai veikė netinkamai.

Atlikome išsamius slėgio kritimo skaičiavimus ir nustatėme:

• Tiekimo slėgis: 100 PSI
• Paskirstymo nuostoliai: 8 PSI
• Valdymo vožtuvo nuostoliai: 15 PSI  
• Jungties nuostoliai: 12 PSI
• Galima įsigyti adresu Cilindras: 65 PSI (35% nuostoliai)

Dėl 35 PSI slėgio kritimo gerokai sumažėjo cilindro jėgos našumas. Atnaujinę valdymo vožtuvus ir patobulinę jungtis, sumažinome nuostolius iki 12 PSI ir atkūrėme tinkamą sistemos veikimą.

Skaičiavimo tikrinimo metodai

Patikrinkite slėgio kritimo skaičiavimus:

Lauko matavimai

• Įdiekite slėgio matuoklius: Pagrindiniuose sistemos taškuose
• Išmatuokite faktinius lašelius: Palyginti su apskaičiuotomis vertėmis
• Nustatyti neatitikimus: Ištirti skirtumus

Srauto testavimas

• Išmatuokite faktinį srauto greitį: Esant įvairiems slėgio kritimams
• Palyginti su prognozėmis: Patikrinkite skaičiavimo tikslumą
• Koreguoti skaičiavimus: Remiantis faktiniais veiklos rezultatais

Dažniausiai pasitaikančios skaičiavimo klaidos

Venkite šių dažnai daromų klaidų:

Neteisingų vienetų naudojimas

• Užtikrinkite vieneto nuoseklumą: SCFM su PSI, SLPM su bar
• Konvertuokite, kai būtina: Naudokite tinkamus perskaičiavimo koeficientus

Sistemos poveikio ignoravimas

• Visų komponentų apskaita: Įtraukti visus apribojimus
• Apsvarstykite montavimo poveikį: Lenkimai, reduktoriai ir jungtys

Per didelis sudėtingų sistemų supaprastinimas

• Naudokite tinkamas lygtis: Suderinkite lygties sudėtingumą su sistemos sudėtingumu
• Atsižvelkite į dinaminį poveikį: Greitėjimo ir lėtėjimo apkrovos

Kokie veiksniai turi įtakos srauto ir slėgio konversijai pneumatinėse sistemose?

Srauto ir slėgio santykį pneumatinėse sistemose lemia daugybė veiksnių. Šių veiksnių supratimas padeda inžinieriams tiksliai numatyti sistemos elgseną.

Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos srauto ir slėgio santykiui, yra oro temperatūra, sistemos slėgio lygis, vamzdžio skersmuo ir ilgis, komponentų parinkimas, montavimo kokybė ir eksploatavimo sąlygos. Šie veiksniai gali pakeisti srauto ir slėgio charakteristikas 20-50% nuo teorinių skaičiavimų.

Temperatūros poveikis

Oro temperatūra daro didelę įtaką srauto ir slėgio santykiams:

Tankio pokyčiai

Aukštesnė temperatūra sumažina oro tankį:
ρ₂ = ρ₁ × (T₁/T₂)

Mažesnis tankis sumažina slėgio kritimą, esant tam pačiam masės srautui.

Klampos pokyčiai

Temperatūra turi įtakos oro klampumui:

• Aukštesnė temperatūra: Mažesnė klampa, mažesnė trintis
• Žemesnė temperatūra: Didesnis klampumas, didesnė trintis

Temperatūros korekcijos koeficientai

Slėgio lygio poveikis

Sistemos darbinis slėgis turi įtakos srauto charakteristikoms:

Suspaudžiamumo poveikis

Didesnis slėgis padidina oro tankį ir keičia srauto elgseną iš nesuspaudžiamo į suspaudžiamą.

Užkimšto srauto sąlygos

Dėl didelio slėgio santykio gali būti užspaustas srautas, todėl maksimalus srauto greitis gali būti ribojamas nepriklausomai nuo tolesnių sąlygų.

Nuo slėgio priklausančios Cv vertės

Kai kurių komponentų Cv vertės kinta priklausomai nuo slėgio lygio dėl vidinio srauto modelio pokyčių.

Vamzdžio geometrijos veiksniai

Vamzdžių dydis ir konfigūracija turi didelę įtaką srauto ir slėgio santykiams:

Skersmens poveikis

Slėgio kritimas kinta priklausomai nuo skersmens iki penktosios galios:
ΔP ∝ 1/D⁵

Padvigubinus vamzdžio skersmenį slėgio kritimas sumažėja 97%.

Ilgio poveikis

Slėgio kritimas didėja tiesiškai su vamzdžio ilgiu:
ΔP ∝ L

Paviršiaus šiurkštumas

Vamzdžio vidinio paviršiaus būklė turi įtakos trinčiai:

Komponentų kokybės veiksniai

Sudedamųjų dalių konstrukcija ir kokybė turi įtakos srauto ir slėgio charakteristikoms:

Gamybos nuokrypiai

• Griežti leistini nuokrypiai: Nuoseklios srauto charakteristikos
• Laisvi nuokrypiai: Įvairių vienetų našumas kinta

Vidaus dizainas

• Supaprastintos perėjos: Mažesnis slėgio kritimas
• Aštrūs kampai: Didesnis slėgio kritimas ir turbulencija

Dėvėjimasis ir užterštumas

• Nauji komponentai: Veikimas atitinka specifikacijas
• Susidėvėję komponentai: Pablogėjusios srauto charakteristikos
• Užteršti komponentai: Padidėjęs slėgio kritimas

Įrengimo veiksniai

Nuo to, kaip sumontuoti komponentai, priklauso srauto ir slėgio santykis:

Vamzdžių lenkimai ir jungiamosios detalės

Apskaičiuojant slėgio kritimą, kiekviena jungtis padidina ekvivalentinį ilgį:

Vožtuvo padėties nustatymas

• Visiškai atidaryta: Minimalus slėgio kritimas
• Iš dalies atidaryta: Smarkiai padidėjęs slėgio kritimas
• Įrengimo orientacija: Gali turėti įtakos vidaus srauto modeliams

Realaus pasaulio veiksnių analizė

Neseniai padėjau Kanados maisto perdirbimo įmonės procesų inžinierei Sarai išspręsti nenuoseklaus bepiločių cilindrų veikimo problemas. Jos sistema puikiai veikė žiemą, bet sunkiai veikė vasaros gamybos metu.

Nustatėme daugybę veiksnių, turinčių įtakos našumui:

• Temperatūros pokyčiai: nuo 40°F žiemą iki 90°F vasarą
• Tankio pokytis: 12% sumažinimas vasarą
• Slėgio kritimo pokytis: 8% sumažinimas dėl mažesnio tankio
• Klampos pokytis: 6% trinties nuostolių sumažinimas

Dėl bendro poveikio skirtingais metų laikais 15% skyrėsi turimas slėgis balione. Mes kompensavome:

• Temperatūrą kompensuojančių reguliatorių montavimas
• Didėjantis tiekimo spaudimas vasaros mėnesiais
• Izoliacijos įrengimas siekiant sumažinti ekstremalias temperatūras

Dinaminės darbo sąlygos

Realiose sistemose keičiasi sąlygos, kurios turi įtakos srauto ir slėgio santykiams:

Apkrovos pokyčiai

• Nedidelės apkrovos: Mažesni srauto reikalavimai
• Sunkios apkrovos: Didesni srauto reikalavimai tam pačiam greičiui
• Kintamos apkrovos: Kintantys srauto ir slėgio poreikiai

Ciklo dažnio pokyčiai

• Lėtas važiavimas dviračiu: Daugiau laiko slėgiui atkurti
• Greitas važiavimas dviračiu: Didesni momentinio srauto poreikiai
• Pertraukiamas veikimas: Kintami srauto modeliai

Sistemos amžius ir priežiūra

Sistemos būklė turi įtakos srauto ir slėgio charakteristikoms laikui bėgant:

Komponentų degradacija

• Sandariklio susidėvėjimas: Padidėjęs vidinis nuotėkis
• Paviršiaus nusidėvėjimas: Pakeisti srauto kanalai
• Užterštumo kaupimasis: Padidinti apribojimai

Priežiūros poveikis

• Reguliari priežiūra: Išlaikomas projektinis našumas
• Prasta priežiūra: Pablogėjusios srauto charakteristikos
• Komponentų keitimas: Gali pagerinti arba pakeisti našumą

Optimizavimo strategijos

Atsižvelkite į įtaką darančius veiksnius tinkamai projektuodami:

Dizaino maržos

• Temperatūros diapazonas: Projektavimas blogiausiomis sąlygomis
• Slėgio pokyčiai: Atsižvelgti į tiekimo slėgio pokyčius
• Komponentų leistini nuokrypiai: Naudokite konservatyvias našumo vertes

Stebėsenos sistemos

• Slėgio stebėjimas: Stebėti sistemos našumo tendencijas
• Temperatūros kompensavimas: Sureguliuokite pagal šiluminį poveikį
• Srauto matavimas: Patikrinkite faktinį ir prognozuojamą našumą

Priežiūros programos

• Reguliarus tikrinimas: Nustatyti blogėjančius komponentus
• Prevencinis keitimas: Pakeiskite komponentus prieš gedimą
• Veiklos testavimas: Periodiškai tikrinkite sistemos galimybes

Kaip nustatyti komponentų dydį pagal srauto ir slėgio reikalavimus?

Tinkamai parinkus komponentų dydžius užtikrinamas reikiamas pneumatinių sistemų našumas, kartu sumažinant energijos sąnaudas ir išlaidas. Norint nustatyti dydį, reikia išmanyti srauto pralaidumo ir slėgio kritimo charakteristikas.

Nustatant komponentų dydžius reikia pasirinkti komponentus, kurių Cv vertės yra tinkamos reikiamam srauto greičiui pasiekti, išlaikant priimtiną slėgio kritimą. 20-30% komponentų dydžiai viršija apskaičiuotus reikalavimus, kad būtų atsižvelgta į svyravimus ir būsimus plėtros poreikius.

Komponentų dydžio nustatymo procesas

Vadovaukitės sisteminiu metodu, kad tiksliai nustatytumėte komponentų dydį:

1 žingsnis: apibrėžti reikalavimus

• Srauto greitis: Didžiausias numatomas srautas (SCFM)
• Slėgio kritimas: Priimtinas slėgio nuostolis (PSI)
• Veikimo sąlygos: Temperatūra, slėgis, darbo ciklas

2 žingsnis: apskaičiuokite reikiamą Cv

Reikalaujamas Cv = Q / √(priimtinas ΔP)

Kur Q - srautas, o ΔP - didžiausias leistinas slėgio kritimas.

3 veiksmas: taikyti saugos koeficientus

Projektinis Cv = reikalaujamas Cv × saugos koeficientas

Tipiniai saugos koeficientai:

• Standartinės programos: 1.25
• Kritinės programos: 1.50
• Ateities plėtra: 2.00

4 veiksmas: pasirinkite komponentus

Pasirinkite komponentus, kurių Cv vertės yra lygios arba didesnės už projektinę Cv.

Vožtuvų dydžio nustatymo pavyzdžiai

Valdymo vožtuvų dydžių nustatymas

40 SCFM srautui, esant didžiausiam 5 PSI slėgio kritimui:
Reikalaujamas Cv = 40 / √5 = 17,9
Projektinis Cv = 17,9 × 1,25 = 22,4
Pasirinkite vožtuvą, kurio Cv ≥ 22,4

Solenoidinio vožtuvo dydžio nustatymas

Skirtas cilindrui be lazdelių, kuriam reikia 15 SCFM:
Reikalaujamas Cv = 15 / √3 = 8,7 (darant prielaidą, kad sumažėjo 3 PSI)
Projektinis Cv = 8,7 × 1,25 = 10,9
Pasirinkite elektromagnetinį vožtuvą, kurio Cv ≥ 11

Vamzdžių dydžio nustatymo gairės

Vamzdžių dydis turi įtakos slėgio kritimui ir sistemos sąnaudoms:

Pagal greitį nustatomas dydis

Palaikykite rekomenduojamą oro judėjimo greitį:

Srautu pagrįstas dydžio nustatymas

Vamzdžių dydį nustatykite pagal srauto pralaidumą:

Jungčių ir jungčių dydžių nustatymas

Armatūra turi atitikti arba viršyti vamzdžio pralaidumą:

Atrankos taisyklių pritaikymas

• Atitikimas vamzdžio dydžiui: Naudokite tokio pat dydžio jungiamąsias detales kaip ir vamzdis
• Venkite apribojimų: Nenaudokite reduktorių, nebent būtina
• Visiško srauto dizainas: Pasirinkite jungiamąsias detales, kurių didžiausias vidinis skersmuo

Greitasis atjungimas pagal dydį

Greitojo jungimo jungčių dydis atitinka taikomųjų srauto reikalavimus:

Filtrų ir reguliatorių dydžių nustatymas

Nustatykite oro valymo komponentų dydį, kad būtų užtikrintas pakankamas srauto pajėgumas:

Filtrų dydžių nustatymas

Filtrai sukuria slėgio kritimą, kuris didėja su užterštumu:

• Švarus filtras: Naudokite gamintojo Cv įvertinimą
• Nešvarus filtras: Cv sumažėja 50-75%
• Dizaino marža: Dydis 2-3× didesnis už reikiamą Cv

Reguliatoriaus dydžio nustatymas

Reguliatoriams reikia pakankamo srauto pajėgumo, kad būtų patenkinta vartotojų paklausa:

• Pastovus srautas: Didžiausio nepertraukiamo srauto dydis
• Pertraukiamas srautas: Dydis pagal didžiausią momentinę paklausą
• Slėgio atkūrimas: Apsvarstykite reguliatoriaus reakcijos laiką

Realaus dydžio nustatymo programa

Dirbau su Italijos pakavimo mašinų gamintojo inžinieriumi Francesco, kuris projektavo didelės spartos cilindrų be lazdelių sistemos komponentus. Taikymui reikėjo:

• Cilindrų srautas: 35 SCFM vienam cilindrui
• Cilindrų skaičius: 6 vienetai
• Vienalaikis veikimas: Ne daugiau kaip 4 cilindrai
• Didžiausias srautas: 4 × 35 = 140 SCFM

Komponentų dydžio nustatymo rezultatai

• Pagrindinis valdymo vožtuvas: Reikalaujamas Cv = 140/√8 = 49,5, pasirinktas Cv = 65
• Paskirstymo kolektorius: 150 SCFM pajėgumo
• Atskiri vožtuvai: Reikalaujamas Cv = 35/√5 = 15,7, pasirinktas Cv = 20
• Tiekimo vamzdynai: 2 colių pagrindinis, 1 colio šakos

Tinkamo dydžio sistema užtikrino pastovų našumą visomis darbo sąlygomis.

Didesnio dydžio aspektai

Venkite pernelyg didelio dydžio, nes taip švaistomi pinigai ir energija:

Didelio dydžio problemos

• Didesnės išlaidos: Didesni komponentai kainuoja brangiau
• Energijos atliekos: Didelių matmenų sistemos sunaudoja daugiau energijos
• Kontrolės klausimai: Didelių matmenų vožtuvai gali turėti prastas valdymo charakteristikas

Optimalus dydžio balansas

• Veikimas: Pakankamas pajėgumas, atitinkantis reikalavimus
• Ekonomika: Pagrįstos sudedamųjų dalių sąnaudos
• Efektyvumas: Minimalus energijos švaistymas
• Ateities plėtra: Tam tikra augimo atsarga

Dydžio tikrinimo metodai

Patikrinkite komponentų dydį atlikdami bandymus ir analizę:

Veiklos testavimas

• Srauto greičio matavimas: Patikrinkite faktinį ir prognozuojamą srautą
• Slėgio kritimo bandymas: Išmatuokite faktinius slėgio nuostolius
• Sistemos veikimas: Bandymas faktinėmis darbo sąlygomis

Skaičiavimo apžvalga

• Dvigubas matematikos patikrinimas: Patikrinkite visus skaičiavimus
• Prielaidų peržiūra: Patvirtinkite, kad projekto prielaidos yra pagrįstos
• Apsvarstykite variantus: Atsižvelgti į darbo sąlygų pokyčius

Dydžio nustatymo dokumentai

Dokumentuokite sprendimus dėl dydžio nustatymo, kad galėtumėte juos naudoti ateityje:

Dydžio skaičiavimai

• Rodyti visus darbus: Dokumentų skaičiavimo etapai
• Valstybės prielaidos: Įrašyti projektavimo prielaidas
• Saugos veiksnių sąrašas: Paaiškinkite sprendimus dėl maržos

Komponentų specifikacijos

• Veiklos reikalavimai: Dokumentų srauto ir slėgio reikalavimai
• Pasirinkti komponentai: Įrašykite faktines sudedamųjų dalių specifikacijas
• Dydžio maržos: Parodykite naudotus saugos koeficientus

Išvada

Norint oro srautą paversti slėgiu, reikia suprasti sistemos pasipriešinimą ir naudoti atitinkamas lygtis, o ne tiesioginio perskaičiavimo formules. Tinkama srauto ir slėgio santykių analizė užtikrina optimalų pneumatinės sistemos veikimą ir patikimą bepakopio cilindro veikimą.

DUK apie oro srauto konvertavimą į slėgį