Kā plūsmas pretestība faktiski ietekmē jūsu pneimatiskās sistēmas veiktspēju?

Vai jūsu pneimatiskajās sistēmās ir problēmas ar lēniem cilindru apgriezieniem, nekonsekventu kustību vai nepietiekamu spēku? Šīs bieži sastopamās problēmas bieži rodas no nepareizi saprasta vaininieka - plūsmas pretestības. Daudzi inženieri nosaka pneimatisko komponentu izmērus, pamatojoties tikai uz spiediena un spēka prasībām, neņemot vērā plūsmas pretestības kritisko ietekmi uz reālo darbību.

Plūsmas pretestība pneimatiskajās sistēmās rada spiediena kritumus, kas samazina pieejamo spēku, ierobežo maksimālo ātrumu un izraisa nekonsekventu kustību. Šo pretestību rada gan berze taisnās caurulēs (berzes zudumi), gan traucējumi pie savienotājelementiem, līkumiem un vārstiem (vietējie zudumi). Kopā šīs pretestības var samazināt faktisko sistēmas veiktspēju par 20-50% salīdzinājumā ar teorētiskajiem aprēķiniem.

Vairāk nekā 15 gadu laikā, kopš es strādāju Bepto ar pneimatiskajām sistēmām, esmu redzējis neskaitāmus gadījumus, kad plūsmas pretestības izpratne un novēršana ir pārveidojusi nepietiekami efektīvas sistēmas par uzticamām un efektīvām operācijām. Ļaujiet man dalīties ar to, ko esmu iemācījies par šo slēpto veiktspējas traucēkļu aprēķināšanu un samazināšanu līdz minimumam.

Satura rādītājs

• Kā faktiski aprēķināt berzes zudumus pneimatiskajās līnijās?
• Kāpēc ekvivalentā garuma metode ir kritiski svarīga precīzai sistēmas projektēšanai?
• Kas notiek, kad gaiss plūst caur samazinātām urbuma sekcijām?
• Secinājums
• Bieži uzdotie jautājumi par plūsmas pretestību pneimatiskajās sistēmās

Kā faktiski aprēķināt berzes zudumus pneimatiskajās līnijās?

Trīšanas zudumi taisnās caurulēs un caurulītēs ir plūsmas pretestības aprēķinu pamatā, taču daudzi inženieri paļaujas uz pārāk vienkāršotiem likumsakarībām, kas noved pie pārāk maza izmēra sistēmām.

Berzes zudumus pneimatiskajās līnijās aprēķina, izmantojot formulu Dārsija-Veisbaha vienādojums¹: ΔP = λ(L/D)(ρv²/2), kur λ ir berzes koeficients, L ir caurules garums, D ir caurules diametrs, ρ ir gaisa blīvums un v ir plūsmas ātrums. Pneimatiskajās sistēmās berzes koeficients λ mainās atkarībā no Reinoldsa skaitlis² un relatīvo raupjumu, un to parasti nosaka, izmantojot uzskates tabulas vai Moody diagramma³.

Izpratnei par berzes zudumiem ir praktiska nozīme sistēmu projektēšanā un problēmu novēršanā. Ļaujiet man to sadalīt praktiski izmantojamās atziņās.

Efektīva berzes koeficientu tabulu izmantošana

Berzes koeficients (λ) ir galvenais parametrs spiediena kritumu aprēķināšanā, bet, nosakot tā vērtību, jāņem vērā plūsmas apstākļi:

Praktiskā berzes koeficienta uzrādīšanas tabula

Pneimatisko sistēmu turbulentai plūsmai izmantojiet šo vienkāršoto tabulu:

Spiediena krituma aprēķināšana reālās pneimatiskajās sistēmās

Aplūkosim praktisku piemēru:

Reāla pielietošana: Cilindra ātruma problēmu risināšana

Pagājušajā gadā es strādāju kopā ar Sāru, ražošanas inženieri iepakojuma iekārtu uzņēmumā Viskonsīnā. Viņas balonu sistēma bez stieņiem darbojās tikai ar 60% no paredzētā ātruma, lai gan tai bija pareiza izmēra balons un atbilstošs padeves spiediens.

Analizējot viņas sistēmu, atklāju, ka viņa izmanto 6 mm caurules liela caurplūduma sistēmai. Berzes zudumi radīja 2,1 bāru spiediena kritumu, ievērojami samazinot pieejamo spēku un ātrumu. Pārejot uz 10 mm caurulēm, mēs samazinājām spiediena kritumu līdz 0,4 bāriem, un viņas sistēma nekavējoties sasniedza nepieciešamo veiktspēju bez jebkādām citām izmaiņām.

Faktori, kas ietekmē berzes zudumus reālās sistēmās

Faktiskos berzes zudumus ietekmē vairāki faktori:

1. Gaisa temperatūra: Augstāka temperatūra palielina viskozitāti un berzi.
2. Piesārņojums: Netīrumi un eļļa var palielināt faktisko raupjumu
3. Cauruļu locīšana: Mikrodeformācija liektās caurulēs palielina pretestību
4. Vecuma pasliktināšanās: Korozija un nogulsnes laika gaitā palielina raupjumu
5. Darba spiediens: Augstāks spiediens palielina blīvumu un zudumus

Kāpēc ekvivalentā garuma metode ir kritiski svarīga precīzai sistēmas projektēšanai?

Vietējie zudumi veidgabalos, vārstos un līkumos bieži vien pārsniedz berzes zudumus taisnās caurulēs, tomēr daudzi inženieri tos ignorē vai arī izmanto aptuvenas novērtēšanas metodes, kas rada darbības problēmas.

Ar ekvivalentā garuma metodi vietējos zudumus, ko rada armatūra un vārsti, pārrēķina ekvivalentā taisnas caurules garumā, kas radītu tādu pašu spiediena kritumu. To aprēķina, izmantojot Le = K(D/λ), kur Le ir ekvivalents garums, K ir vietējo zudumu koeficients⁴, D ir caurules diametrs un λ ir berzes koeficients. Šī metode vienkāršo aprēķinus un nodrošina precīzāku sistēmas veiktspējas prognozēšanu.

Izpētīsim, kā šo metodi efektīvi izmantot pneimatisko sistēmu projektēšanā.

Biežāk sastopamo pneimatisko komponentu ekvivalenta garuma tabulas

Šeit ir praktiska uzziņu tabula par parastām pneimatikas sastāvdaļām:

Ekvivalenta garuma metodes piemērošana

Lai efektīvi izmantotu šo metodi:

1. Identificējiet visus pneimatiskās ķēdes komponentus.
2. Katrai sastāvdaļai atrast K-vērtību vai ekvivalentā garuma attiecību (Le/D).
3. Aprēķiniet ekvivalento garumu, reizinot ar caurules diametru.
4. Pievienojiet visus ekvivalentos garumus faktiskajam taisnas caurules garumam.
5. Berzes zudumu aprēķinos izmantojiet kopējo efektīvo garumu.

Piemēram, sistēma ar 5 m garu taisnu 8 mm cauruli un četriem 90° leņķa līkumiem, vienu T veida savienojumu un diviem ātrgaitas savienojumiem:

Tas nozīmē, ka jūsu 5 m sistēma faktiski darbojas kā 5,72 m sistēma vietējo zudumu dēļ - efektīvais garums palielinās par 14,4%.

Gadījuma izpēte: Vārstu izvietojuma optimizācija montāžas sistēmās

Nesen palīdzēju Miguelam, automatizācijas inženierim elektronikas montāžas rūpnīcā Arizonā. Viņa komplektēšanas un ievietošanas sistēmā bija vērojamas nekonsekventas kustības un cikla laika svārstības, lai gan tika izmantoti augstas kvalitātes komponenti.

Analīze atklāja, ka viņa vārstu kolektors atradās 3 m attālumā no cilindriem, un ķēdē bija vairāki savienotājelementi. Ekvivalentā garuma aprēķins parādīja, ka viņa 3 m faktiskais attālums bija 7,2 m, jo radās vietējie zudumi - vairāk nekā divreiz lielāks nekā tiešās caurules attālums!

Pārvietojot vārstu kolektoru tuvāk cilindriem un likvidējot vairākus savienotājelementus, mēs samazinājām faktisko garumu no 7,2 m līdz 2,1 m. Tas samazināja spiediena kritumu par 70%, kā rezultātā tika panākta vienmērīga kustība un par 15% samazināts cikla laiks.

Praktiski padomi vietējo zaudējumu samazināšanai

Lai samazinātu vietējos zudumus pneimatiskajās sistēmās:

1. Lietojiet izvērstus vai noapaļotus elkoņus asu līkumu vietā (samazina K-vērtību par 67%).
2. Minimizēt veidgabalu skaitu plānojot tiešākus maršrutus
3. Izvēlieties sastāvdaļas ar zemu sašaurinājumu piemēram, lodveida vārsti ar pilnu diametru, ja nepieciešams.
4. Pareiza izmēra veidgabalu izvēle - nepietiekama izmēra veidgabali rada nesamērīgus zudumus.
5. Novietojiet vārstus tuvu piedziņām lai līdz minimumam samazinātu efektīvo caurules garumu

Kas notiek, kad gaiss plūst caur samazinātām urbuma sekcijām?

Pneimatisko ķēžu samazinātas urbumu daļas - piemēram, daļēji aizvērti vārsti, nepietiekama izmēra savienotājelementi vai diametra pārejas - rada ievērojamus plūsmas ierobežojumus, kas var nopietni ietekmēt sistēmas veiktspēju.

Kad gaiss plūst cauri samazinātām urbuma sekcijām, spiediena kritumi⁵ notiek saskaņā ar formulu ΔP = ρ(v₂² - v₁²)/2, kur v₁ ir ātrums pirms ierobežojuma un v₂ ir ātrums ierobežojumā. To var kompensēt, izmantojot urbuma attiecības kompensācijas koeficientu C = (1 - (d/D)⁴), kur d ir samazinātais diametrs un D ir sākotnējais diametrs. Šis koeficients palīdz prognozēt faktisko sistēmas veiktspēju un izvairīties no komponentu nepietiekama izmēra.

Izpētīsim, kāda ir praktiskā ietekme uz samazinātu urbumu sekciju un kā to ņemt vērā, projektējot sistēmu.

Spiediena kritumu aprēķināšana diametra pārejās

Ja gaiss plūst no lielāka diametra uz mazāku, spiediena kritumu var aprēķināt, izmantojot:

Biežāk sastopamie urbumu samazināšanas scenāriji un to ietekme

Lūk, kā dažādi urbumu samazinājumi ietekmē plūsmas caurlaides spēju:

Šie skaitļi parāda, kāpēc šķietami neliels diametra samazinājums var būtiski ietekmēt sistēmas veiktspēju.

Vairāku ierobežojumu kumulatīvā ietekme

Reālās pneimatiskajās ķēdēs vairāki ierobežojumi notiek virknē. To ietekme ir kumulatīva, un to var aprēķināt, izmantojot:

1. Katra ierobežojuma konvertēšana ekvivalentā C-faktoram
2. Aprēķiniet kopējo C-faktoru: Ctotal = 1 - (1-C₁)(1-C₂)(1-C₃)...
3. Izmantojiet šo kopējo koeficientu, lai noteiktu kopējo sistēmas veiktspējas samazinājumu.

Gadījuma izpēte: Vārstu un izpildmehānismu neatbilstības problēmu risināšana

Pagājušajā mēnesī es strādāju kopā ar Tomasu, tehniskās apkopes vadītāju mēbeļu ražotnē Ziemeļkarolīnā. Viņa jaunā cilindru sistēma bez stieņiem darbojās ar ātrumu, kas bija mazāks par pusi no paredzētā, lai gan tika izmantots ražotāja ieteiktais vārsta izmērs.

Izmeklēšana atklāja vairākus urbumu samazinājumus viņa ķēdē:

• 10 mm padeves līnija uz 8 mm vārsta atverēm (C₁ = 0,36)
• 8 mm vārsta porti uz 6 mm savienotājelementiem (C₂ = 0,44)
• 6 mm savienotājelementi uz 8 mm cilindra pieslēgvietām ar iekšējiem ierobežojumiem (C₃ = 0,32)

Kopējais kompensācijas koeficients bija Ctotal = 1 - (1-0,36)(1-0,44)(1-0,32)(1-0,32) = 0,75, kas nozīmē, ka viņa sistēma zaudēja 75% no tās teorētiskās caurplūdes jaudas!

Modernizējot sistēmu ar atbilstoša izmēra komponentiem, mēs novērsām šos ierobežojumus un panācām nepieciešamo veiktspēju, nemainot balonu vai padeves spiedienu.

Praktiskas stratēģijas urbumu samazināšanas zudumu samazināšanai līdz minimumam

Lai samazinātu urbumu samazināšanas radītos zaudējumus:

1. Konsekvents komponentu izmērs visā pneimatiskajā ķēdē
2. Izmantojiet lielāko praktisko cauruļu izmēru liela caurplūduma lietojumiem
3. Pievērsiet uzmanību iekšējiem komponentu ierobežojumiem, ne tikai savienojumu izmēri
4. Apsveriet paralēlus plūsmas ceļus augsta caurplūduma prasībām
5. Novērst nevajadzīgus adapterus un pārejas ja iespējams.

"Vājākā posma" princips pneimatiskajās sistēmās

Atcerieties, ka pneimatiskās sistēmas veiktspēju ierobežo tās ierobežojošākā sastāvdaļa. Viens nepietiekami izmērīts elements var izjaukt priekšrocības, ko sniedz pareizi izmērīti komponenti citur sistēmā.

Piemēram, sistēma ar 10 mm caurulēm, 10 mm vārstiem, bet 6 mm savienotājelementiem pie cilindra darbosies pēc būtības tāpat kā sistēma ar 6 mm komponentiem visā sistēmā, taču tās izmaksas būs lielākas.

Secinājums

Izpratne par plūsmas pretestību un tās pareiza aprēķināšana, izmantojot berzes koeficientu tabulas, ekvivalentā garuma metodes un samazināta urbuma kompensāciju, ir būtiska, lai projektētu pneimatiskās sistēmas, kas reālos apstākļos darbotos, kā paredzēts. Izmantojot šīs aprēķinu metodes un projektēšanas principus, varat optimizēt bezvārpstu cilindru lietojumus un citas pneimatiskās sistēmas, lai nodrošinātu maksimālu veiktspēju un uzticamību.

Bieži uzdotie jautājumi par plūsmas pretestību pneimatiskajās sistēmās