Пневматический привод путевых машин

(устройство, элементный состав, расчет основных

Параметров)

Большинство современных путевых машин оснащается пневматическим приводом. Наряду с тормозными системами, пневматический привод используется как вторичный для основного рабочего оборудования (плуговые снегоочистители, хоппер-дозаторы) и для вспомогательных систем (устройства перемещения и прижима тележек контрольно-измерительных систем, натяжение тросов, привод стопорных устройств и др.). Подача воздуха в пневмосистему может осуществляться от компрессора локомотива, тягового модуля, или установленного на самой машине. Пневматический привод вследствие полезных свойств воздуха обеспечивает высокое быстродействие, амортизацию динамических нагрузок на рабочий орган вследствие упругости воздуха. Пневматические устройства более простые по сравнению с гидравлическими и другими устройствами, отработанный воздух выпускается сразу в атмосферу. Пневмопривод позволяет формировать хозяйственные поезда из путевых машин с общей компрессорной установкой на локомотиве.

Вместе с тем в пневмосистемах путевых машин давление воздуха находится в пределах 0,4 – 0,7 МПа, поэтому приводные цилиндры силовых рабочих органов имеют повышенные габаритные размеры. Пневмопривод не позволяет без применения дополнительных стопорных устройств зафиксировать исполнительный орган в промежуточных положениях. Зачастую наблюдается прерывистость хода штока. Пневматическая трансмиссия имеет низкий КПД, поэтому применяется в основном в системах, не требующих частых переключений механизмов. При неправильной эксплуатации имеется опасность взрыва резервуаров.

Скорость движения штока пневмоцилиндра обычно в среднем составляет 0,33 – 0,41 м/с, при этом минимальная скорость 0,08 – 0,1 м/с [10]. При меньшей скорости наблюдаются неравномерность хода и вибрации. При выборе типа привода в конкретном случае необходимо учитывать рабочие свойства разных приводов.

Пневматический привод содержит компрессор, аппаратуру различного функционального назначения, вспомогательные устройства (трубопроводы, резервуары, воздухоохладители и т.д.).

На рис. 3.6 показана принципиальная схема системы подготовки и подачи сжатого воздуха в тормозную и рабочую пневмосистемы машины ВПР-02 через питающую магистраль ПМ. Воздух забирается из атмосферы через воздушные фильтры Ф1, Ф2 и включенными параллельно компрессорами КМ1, КМ2 через воздухоохладитель АТ1, обратный клапан КО1, сепаратор-осушитель (адсорбер) ВД1, обратный клапан КО2 поступает в главный воздушный резервуар (ресивер) РС1.

Для периодического переключения компрессоров на холостой режим работы используются клапаны холостого хода КП1, КП2, управляемые через линию дистанционного управления, идущую от регулятора давления КП6. При достижении верхнего уровня давления в резервуаре РС1 регулятор давления КП6 подает воздух под давлением к клапанам КП1, КП2, которые соединяют нагнетательную линию компрессоров с атмосферой. Одновременно открывается и клапан холостого хода КП5, через который продувается адсорбер ВД1 для вывода из него накопившейся влаги. После снижения давления в резервуаре РС1 регулятор давления КП6 снова закрывает клапаны холостого хода КП2, КП3, КП5. Время и интенсивность продувки регулируется дросселем ДР1, так как при его большем открытии давление в резервуаре РС1 снижается быстрее. При накоплении влаги в резервуаре РС1 он может продуваться через вентиль ВН1.

Как видно из приведенной выше схемы, при работе пневмопривода воздух поступает в ресивер РС (рис. 3.7, а), а затем расходуется на привод механизмов (рис. 3.7, б, в). Поэтому при расчете необходимо решить ряд задач, связанных с определением параметров компрессора КМ, объема ресивера V_р, времени его полной зарядки в начале работы и времени подзарядки при работе, определением характеристик расхода ресивера при работе, чтобы оценить количество циклов работы механизмов машины при отказах компрессоров. Задачи расчета времени протекания процессов в пневмоприводе предусматривают анализ газодинамических процессов, которые здесь не рассматриваются ввиду ограничений объема учебника.

Определим вначале время полной зарядки и дозарядки ресивера. Для относительно невысоких давлений, характерных для пневмоприводов путевых машин, характеристическое уравнение состояния газа [4]: (p – давление, Па; r – плотность газа, кг/м³; R – универсальная газовая постоянная, R = 287,1 Дж/(кг*К); T – абсолютная температура воздуха ( ), К). Плотность воздуха в расчетах можно принимать r₀ = 1,293 кг/м³ [8], а абсолютная температура в большинстве расчетных

случаев T = 293 K (20°С). Расчетное атмосферное давление p₀=0,1^.10⁶ Па.

При работе пневмопривода имеют место процессы течения воздуха с заполнением объемов, и одновременно происходит теплообмен с окружающей машину воздушной средой через стенки аппаратов и трубопроводов. Если скорость протекания процессов настолько велика, что теплообменом можно пренебречь, то процесс рассматривается как адиабатический. При нагнетании происходит повышение температуры, а при работе двигателей совершается работа и температура понижается. Если процесс длительный, за время его протекания происходит полный теплообмен с выравниванием температуры воздуха в приводе и в окружающей среде, то он называется изотермическим. Практически в большинстве пневматических приводов теплообмен неполный, а газовый процесс называется политропным. Для политропного процесса известно соотношение:

(3.1)

где n – показатель политропического процесса; для изотермического процесса n = 1, для адиабатического процесса n = 1,4; p₁, p₂ – давления воздуха до и после протекания процесса, Па; r₁, r₂ – соответствующие плотности воздуха, кг/м³.

Вместе с тем, если начальный процесс, например, поворот крыла снегоочистителя, происходит относительно быстро, то после поворота крыло длительное время остается в конечном положении, успевает произойти полный теплообмен с частичным восполнением потери энергии вследствие охлаждения воздуха, вызванного его расширением. Получается, что пневмопривод за ресивером это своеобразная «тепловая машина» с частичной рекуперацией энергии за счет поступления тепла из атмосферы.

Определим время зарядки ресивера РС компрессором КМ (рис. 3.7, а). Процесс можно считать изотермическим, так как в системе обычно есть охладитель воздуха, а нагнетание занимает определенный длительный промежуток времени (обычно несколько минут). Давление нагнетания, Па:

(3.2)

где r_max – плотность воздуха в ресивере после нагнетания, кг/м³; M_max – масса воздуха в ресивере после нагнетания, кг; V_р – объем ресивера, м³.

До нагнетания в ресивере находилась масса воздуха , кг. Дополнительная масса воздуха, поступившего в ресивер при работе компрессора:

(3.3)

где k_п – коэффициент, учитывающий потери воздуха при нагнетании на кавитацию и утечки (в учебном проекте, если нет экспериментальных данных, можно принимать k_п = 0,90 – 0,95); N_к – число одинаковых по параметрам компрессоров; V_рк – рабочий объем одного компрессора, м³/об; w_к – угловая частота вращения вала компрессора, рад/с; t_з – время полной зарядки ресивера, с.

После подстановок в (3.2), учитывая, что , получим время полной зарядки ресивера до максимального рабочего давления, с;

(3.4)

где – максимальное манометрическое давление ( ), Па.

Если давление в ресивере снижается до значения p_min, то производится дозарядка ресивера. Можно показать, что время на подзарядку, с:

(3.5)

где – минимальное манометрическое давление ( ), Па.

При работе пневматического привода происходит расходование накопленного в ресивере запаса воздуха под давлением для совершения полезной работы пневматическими двигателями – пневмоцилиндрами и пневмомоторами. Рассмотрим газовые процессы при работе цилиндра Ц от ресивера РС (рис. 3.7, б, в). До открытия распределителя Р в ресивере объемом V_р, м³ воздух находится под абсолютным давлением p_рн, Па, а в объеме V_в, м³, называемым вредным объемом, под атмосферным давлением p₀, Па. После соединения указанных объемов через распределитель происходит выравнивание давлений до значения p_рк, Па с уменьшением давления в ресивере и увеличением давления сначала во вредном пространстве. После начала движения штока цилиндра Ц результирующее давление дальше снижается. При адиабатическом процессе оно быстрее снижается, а при изотермическом процессе – медленнее за счет подвода тепловой энергии через стенки. Считая процесс политропным, можно написать уравнение [4]:

или (3.6)

где r_рн, r_рк – начальная плотность воздуха в ресивере и конечная плотность воздуха после выравнивания давлений.

В газодинамическом процессе участвует общая масса воздуха M_рн + M_в = r_рнV_р + r₀V_в, кг.

Плотность воздуха после срабатывания цилиндра Ц, кг/м³:

(3.7)

где V_ц – рабочий объем цилиндра, наполняемый воздухом при срабатывании, м³.

Принимая во внимание, что начальная плотность воздуха по характеристическому уравнению , после соответствующих преобразований, давление в системе ресивер-цилиндр после срабатывания, Па:

(3.8)

В практических расчетах рекомендуется принимать показатель политропического процесса n = 1,30 – 1,35 [4]. В том же источнике отмечается, что для большинства обычных пневмоприводов с длинными воздухопроводами, способствующими эффективному теплообмену, процесс изначально можно считать изотермическим с n = 1. Тогда выражение (3.8) принимает вид:

(3.9)

В начале срабатывания цилиндра при заполнении вредного объема для расчета давления в формулах (3.8) и (3.9) V_ц = 0. Давления, получаемые по этим формулам – абсолютные. Чтобы получить манометрические давления, необходимо вычесть атмосферное давление p₀.

Сказанное поясняется индикаторной диаграммой изменения давления p при работе пневматического цилиндрав функции времени t (рис. 3.8). Время t₁ соответствует начальному заполнению цилиндра воздухом до давления p_цс, при котором начинается движение штока. Далее в течение времени t₂ шток с механизмом разгоняется, давление растет до p_цд вследствие динамического разгона потока воздуха и замедления в полости цилиндра (гидравлический удар) и снижается до давления p_цп, которое определяется по политропному процессу (3.8). Далее происходит нагрев охладившегося воздуха вследствие теплообмена, давление повышается до значения p_ци, которое определяется по изотермическому процессу (3.9). Теоретически, время t₃ бесконечно большое, так как повышение температуры воздуха в цилиндре асимптотично. Разность p_рн – p_ци это безвозвратные потери давления в системе на работу пневмоцилиндра.

Количество полных циклов работы пневматического привода путевой машины вычисляется путем последовательного итерационного расчета снижения давления в ресивере от значения p_рн = p_max до p_рк = p_min и подсчета циклов. Решение такой задачи с использованием ПЭВМ тривиально.

Сила F, развиваемая пневмошиоиндром, определяется по формулам, аналогичным расчету гидроцилиндра. При этом необходимо учитывать, что она меньше примерно на 10% вследствие влияния трения уплотнений и поршня. При определении параметров пневмоцилиндра также учитывается, что фактическая нагрузка от механизма должна составлять 0,50 – 0,65 от максимального усилия, цилиндра. В этом случае получаются рациональные размеры цилиндра и гарантируется его устойчивая работа.