| Элемент | Тип | Диапазон давления | Применение в композитном производстве |
|---|---|---|---|
| Пневмоцилиндр | Двустороннего действия | 0,1-0,9 МПа | Зажимные системы автоклавов |
| Распределитель | 5/2, 3/2 | До 1,0 МПа | Управление вакуумными насосами |
| Редуктор давления | Мембранный | 0,05-0,85 МПа | Регулировка давления инфузии |
| Клапан обратный | Пружинный | До 1,6 МПа | Защита вакуумных линий |
| Фильтр-влагоотделитель | Коалесцентный | До 1,6 МПа | Подготовка воздуха для пресс-форм |
| Тип привода | Принцип действия | Рабочее давление | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| Поршневой | Линейное перемещение поршня | 0,4-1,0 МПа | Шаровые краны, задвижки большого диаметра |
| Мембранный | Прогиб эластичной мембраны | 0,4-0,6 МПа | Регулирующие клапаны |
| Лопастной | Поворот лопасти в цилиндре | 0,4-0,6 МПа | Дисковые затворы, поворотные краны |
| Реечный | Преобразование линейного хода в поворотное движение | 0,4-1,0 МПа | Поворотные заслонки, дисковые затворы |
Содержание статьи
Нормативная база пневматических систем
Проектирование и эксплуатация пневматических систем управления регламентируются международным стандартом ISO 4414:2010, который введен в России как ГОСТ ISO 4414-2016. Документ действует с 1 августа 2024 года и устанавливает общие правила безопасности для пневматических приводов и их компонентов, применяемых в промышленном оборудовании различных отраслей.
Стандарт определяет требования к конструированию систем таким образом, чтобы внезапное включение или отключение источника энергии не создавало опасных ситуаций. Предусматривается обязательная возможность надежной изоляции от источников энергии для проведения технического обслуживания и ремонта оборудования.
Пневматические системы должны проектироваться с учетом оценки рисков согласно ISO 12100. Обязательна установка защитных устройств, предотвращающих непреднамеренный запуск. Рабочее давление в системе не должно превышать максимально допустимые значения для используемых компонентов.
Дополнительно применяются стандарты серии IEC 60079 для взрывозащищенного оборудования, устанавливающие требования к классификации зон, монтажу и эксплуатации пневматического оборудования в потенциально взрывоопасных средах производственных помещений.
Основные элементы пневмоавтоматики
Пневматические цилиндры
Пневмоцилиндры преобразуют энергию сжатого воздуха в механическое перемещение. В производстве композитных материалов используются цилиндры двустороннего действия, обеспечивающие управляемое движение в обоих направлениях. Конструкция включает корпус из анодированного алюминия или нержавеющей стали, поршень с уплотнениями и шток с защитным покрытием.
Производители SMC и Festo выпускают цилиндры стандартных серий по ISO 15552, обеспечивающие взаимозаменяемость компонентов различных брендов. Стандартный диапазон диаметров составляет от 32 до 125 миллиметров, ход штока варьируется от 25 до 1000 миллиметров в зависимости от технологических требований. Рабочее давление находится в диапазоне от 0,1 до 0,9 МПа.
Наиболее распространенная скорость движения штока пневмоцилиндра составляет от 0,33 до 0,41 метра в секунду при давлении 0,4-0,7 МПа. Минимальная допустимая скорость составляет 0,08-0,1 метра в секунду, ниже которой наблюдается неравномерность хода и вибрация.
Распределители и клапаны
Пневмораспределители управляют направлением потоков сжатого воздуха в системе. Основной характеристикой является количество рабочих каналов и позиций переключения, обозначаемое как 3/2, 5/2 или 5/3. Первая цифра указывает число присоединительных отверстий, вторая обозначает количество коммутируемых позиций золотника.
Клапаны быстрого выхлопа устанавливаются непосредственно на пневмоцилиндрах для ускорения их срабатывания. Устройство сбрасывает отработанный воздух напрямую в атмосферу, минуя основной распределитель, что снижает гидравлическое сопротивление и повышает быстродействие привода.
Редукторы давления
Регуляторы давления стабилизируют параметры сжатого воздуха на требуемом уровне независимо от колебаний в магистральной сети. Мембранный редуктор включает корпус, разделенный на камеры высокого и низкого давления, между которыми установлена рабочая мембрана из эластомера, соединенная с подпружиненным клапаном.
При увеличении выходного давления мембрана прогибается, перемещая клапан в направлении закрытия, уменьшая проходное сечение. При снижении давления пружина открывает клапан, восстанавливая заданное значение. Точность регулирования современных редукторов составляет плюс-минус 0,02 МПа при изменении входного давления в диапазоне 0,3-1,0 МПа.
Редукторы давления способны только понижать давление в системе. Для увеличения давления требуется установка компрессорного оборудования соответствующей производительности. Превышение номинального давления на входе редуктора может привести к повреждению мембраны и потере управляемости системой.
Схемы управления запорной арматурой
Типы пневматических приводов
Поршневые приводы применяются для управления шаровыми кранами и задвижками большого диаметра. Конструкция представляет собой цилиндр, внутри которого под действием сжатого воздуха перемещается поршень, соединенный с передаточным механизмом. Реечная передача преобразует линейное движение поршня во вращательное движение штока арматуры на угол до 90 градусов.
Мембранные приводы используются преимущественно для регулирующих клапанов. Рабочий элемент выполнен в виде эластичной мембраны из армированной резины, которая под действием управляющего давления перемещает шток клапана. Пружина обратного действия обеспечивает возврат в безопасное положение при потере давления воздуха.
Лопастные приводы имеют цилиндрическую камеру, разделенную одной или двумя плоскими лопастями. Однолопастная конструкция обеспечивает поворот выходного вала почти на 180 градусов, двухлопастной привод совершает поворот на 90 градусов при вдвое большем усилии.
Принципы построения схем
Схемы пневматического управления строятся по модульному принципу с использованием стандартизированных компонентов. Базовая схема включает источник сжатого воздуха, блок подготовки воздуха с фильтром и редуктором, распределитель с электропневматическим или ручным управлением, исполнительный механизм и элементы обратной связи.
Для обеспечения безопасности в схемах предусматривается аварийное положение арматуры при пропадании давления. В системах с повышенными требованиями применяются дублированные каналы управления и резервные источники сжатого воздуха в виде пневматических аккумуляторов емкостью от 5 до 50 литров.
Быстродействие системы
Время срабатывания пневматического привода зависит от объема рабочей камеры, длины соединительных трубопроводов и проходного сечения распределителя. Быстродействие является одним из главных преимуществ пневматических систем, обеспечивая высокую производительность циклического оборудования.
Применение в производстве композитов
Управление автоклавными системами
В автоклавном производстве композитных деталей пневматика управляет системами зажима крышки автоклава, обеспечивая герметичность при рабочем давлении до 0,8 МПа и температуре до 180 градусов Цельсия. Применяются пневмоцилиндры диаметром 80-100 миллиметров с усилием прижима от 8 до 12 килоньютонов на каждую точку крепления.
Последовательность операций задается программируемым логическим контроллером, который управляет электропневматическими распределителями. Датчики положения штоков цилиндров передают сигналы о завершении зажима перед началом подачи давления и нагрева в рабочую камеру автоклава.
Системы вакуумной инфузии
Процесс вакуумной инфузии требует точного управления вакуумными насосами и запорной арматурой на линиях подачи связующего. Пневматические приводы управляют шаровыми кранами на магистралях смолы и вакуумных каналах. Используются приводы поворотного типа для быстрого перекрытия потоков.
Стабильность вакуума критична для равномерной пропитки армирующих материалов и предотвращения образования воздушных включений в структуре ламината. Регулировка параметров обеспечивается пневматическими распределителями с электронным управлением.
Пресс-формы и оснастка
Пневмоцилиндры применяются в качестве зажимных устройств пресс-форм при формовании методом RTM. Обеспечивается равномерное распределение прижимного усилия по периметру формы, исключающее протечки связующего. Типичное усилие сжатия составляет 100-150 ньютонов на погонный сантиметр контура разъема формы.
Подготовка сжатого воздуха
Требования к качеству воздуха
Качество сжатого воздуха регламентируется стандартом ГОСТ Р ИСО 8573-1-2016, действующим с 01.12.2017. Для пневматических систем общего назначения применяется класс чистоты 7 по твердым частицам, что соответствует фильтрации с эффективностью не менее 95 процентов для частиц размером 40 микрометров. Точка росы при давлении должна составлять не выше минус 20 градусов Цельсия для предотвращения конденсации влаги.
Блок подготовки воздуха включает фильтр-влагоотделитель коалесцентного типа, редуктор давления с манометром и маслораспылитель при необходимости смазки пневмоинструмента. Установка блока осуществляется в магистрали перед пневмоаппаратурой на расстоянии не более 5 метров от точки потребления.
Расчет потребления воздуха
Расход сжатого воздуха определяется суммарным объемом рабочих полостей всех пневмоцилиндров и частотой их срабатывания. При давлении 0,6 МПа цилиндр диаметром 50 миллиметров и ходом 100 миллиметров потребляет около 1,2 литра воздуха за один полный цикл работы. С учетом потерь на утечки в соединениях расчетный расход увеличивается на коэффициент 1,3-1,5.
