Газомоторные пневматические двигатели

В газомоторных пневматических двигателях, или пневмомоторах, используется потенциальная энергия газового потока. В отличие от пневматических двигателей статического действия потенциальная энергия давления газа преобразуется не в одном, а в нескольких силовых цилиндрах, причем за счет пространственного расположения цилиндров давление газа преобразуется в крутящий момент на выходном валу газомоторного двигателя.

Газомоторные двигатели можно разделить на поршневые, пластинчатые, шестеренные и кулачковые.

Аксиально-поршневой газомоторный двигатель выполняют по двум конструктивным схемам: с наклонной шайбой и с наклонным блоком цилиндров. Кинематическая основа этих схем представляет собой пространственный шатунно-кривошипный механизм, показанный на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Кинематическая схема газомоторного двигателя: у-угол наклона шайбы в плоскости xz; а-угол разворота цилиндра в плоскости шайбы; г — длина рычага

Для сохранения кинематики вращения точки х в плоскости шайбы цилиндр должен описывать некоторый эллипс, представляющий собой след проекции точки х на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра. Перемещение поршня в цилиндре относительно нейтральной точки х₀ можно выразить через углы следующим образом:

Поскольку цилиндровый блок в обеих конструкциях вращается, необходимо специальное распределительное устройство для подвода газа к цилиндрам. Обычно оно выполняется в виде двух серпообразных окон, соединенных с первым и вторым приемниками, в корпусе двигателя и каналов в блоке цилиндров, которые соединяют эти прорези с цилиндрами.

Для вывода уравнения данного типа газомоторного двигателя воспользуемся уравнением сохранения расхода газа через полости первого и второго приемников:

где С, | и G_I2 — весовые расходы втекания газа в первую и вторую полости приемника, G_n и G_u — весовые расходы вытекания газа из первой и второй полостей приемника, у, и у₂ — удельные веса газа в приемниках и соединенных с ними силовых цилиндрах, V, и V₂ — переменные объемы приемников и соединенных с ними силовых цилиндров.

Принципиальная схема газомоторного двигателя дана на рис. 4.19.

Рис. 4.19. Схема газомоторного пневматического двигателя:

• 1 — входной штуцер первой полости; 2 — входной штуцер второй полости; 3 — корпус; 4 — блок цилиндров; 5 — поршни;
• 6 — наклонная шайба с карданом; 7 — выходной вал

Двигатель состоит из блока цилиндров, наклонной шайбы, поршеньков и зеркала с двумя кольцевыми разрезами. При подаче сжатого газа внутренние полости силовых цилиндров одной половины блока соединяются с полостью высокого давления, полости силовых цилиндров другой половины блока — с выхлопной полостью. За счет давления поршеньков на наклонную шайбу и разложения возникающей силы на две составляющие создается крутящий момент, вращающий блок цилиндров. Двигатель обладает хорошими динамическими качествами, так как его инерционность, определяемая малыми объемами газа в цилиндрах, невелика.

Принципиальная схема простейшего пластинчатого газомоторного двигателя дана на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Схема пластинчатого газомоторного двигателя:

1 — статор: 2 — ротор: 3 — пластины; 4 — выходной вал

Он состоит из статора с приемниками, имеющего круглую выточку, и ротора с выдвижными пластинами, причем между осью круговой выточки статора и осью ротора имеется эксцентриситет е, поэтому.

где D_KC — диаметр круговой выточки статора, D_p — диаметр ротора. Максимальное перемещение пластины равно

Для вывода уравнения данного двигателя необходимо вывести уравнения, связывающие изменения объемов первой V, и второй V₂ полостей приемника с углом поворота выходного вала. Изменение объема происходит при движении лопасти в пределах угла Р, причем ввиду ею небольшой величины можно считать, что ширина кольцевого зазора между статором и ротором постоянна и равна.

Тогда выражения для переменных объемов первой V/ и второй V₂ полостей имеют вид:

где V_]Q = V₂₀ — объемы полостей первого и второго приемников при нейтральном вертикальном положении пластины, b — ширина пластины, а — угол поворота вала от нулевого положения.

Тогда.

где со — угловая скорость вращения выходного вала. Тогда имеем.

Число лопаток для непрерывной работы должно быть таким, чтобы.

где а_тах — угол поворота вала, при котором лопатка выходит из кольцевой выточки статора, г_я — число лопаток. При выполнении этого условия можно допустить существование некоторой усредненной установившейся скорости. Ее максимальное значение определяется максимальным расхо дом газа при отсутствии нагрузки, т. е.

Момент, развиваемый двигателем, равен произведению площади ло патки на перепад давлений:

Вследствие того, что ротор имеет конечное число пластин, возникают неизбежные пульсации крутящего момента, однако с увеличением числа пластин их величина может быть значительно снижена.

Для подсчета коэффициента неравномерности пластинчатого двигателя можно использовать следующие эмпирические формулы:

где М_тах- наибольший момент, М_тах — наименьший момент, М_тах — номинальный момент.

Номинальный момент, развиваемый двигателем, равен.

Скорость вращения ротора составляет до 8500 об/мин. Выходная мощность при номинальном уровне давления находится в пределах до 17 кВт или до 24 л.с.

Шестеренные пневмомоторы используются там, где требуется высокая мощность, которая достигает 60 л.с., например для привода пневмоинструмента и сверлильных головок станков. На рис. 4.21 представлена схема шестеренного пневмомотора с внешним зацеплением.

Рис. 4.21. Шестеренный пневмомотор с внешним зацеплением

Сжатый воздух с давлением Р" через входной канал А подается к зубчатым колесам. Зубья, касаясь друг друга в точке зацепления Ь_у разделяют полость высокого давления слева от полости выхлопа справа. Давление Р_и воздействует на зубья колес, которые имеют в области зацепления неуравновешенные участки аЪ и dc из-за разности их площадей. На этих участках возникают неуравновешенные силы, равные произведению давления Р" на площадь неуравновешенных участков зубьев. Эти силы и создают крутящие моменты, вращающие колеса в направлениях, показанных стрелками.

Точно по такому же принципу работает кулачковый пневмомотор, у которого зубья колес имеют кулачковую форму.

Направление вращения вала мотора может быть как по часовой стрелке, так и против. Максимальная скорость составляет около 5000 об/мин. Выходная мощность при номинальном уровне давления находится в пределах 1,5−19 кВт или 2−25 л.с.

Условные обозначения пневмомоторов приведены на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Условные обозначения пневмомоторов

Пневмомотор с ограниченным углом поворота применяется для реализации осциллирующих движений выходного вала или его вращения на определенный угол. Схема такого двигателя показана на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Пневмомотор с ограниченным углом поворота:

I — корпус; 2 — лопасть; 3 — выходной вал; 4 — уплотнение;

5, б — штуцеры; 7 -упоры

При подключении штуцера 5 к линии питания, а штуцера 6 — к атмосфере выходной вал будет вращаться по часовой стрелке до упора. В обратном случае происходит смена направления вращения. Положение упоров можно регулировать, задавая требуемый диапазон вращения.

Важной характеристикой такого двигателя является допустимый момент инерции на валу как функция времени поворота. На рис. 4.24 приведена такая зависимость для мотора диаметром 46 мм.

Рис. 4.24. Момент инерции на валу как функция времени поворота:

1 -угол поворота 90°; 2 -угол поворота 180°; 3 — угол поворота 270°

В соответствии с графиками выбирается допустимая скорость поворота для требуемой нагрузки. Если нагрузка превышает расчетную, то необходимо дополнительное использование демпферов на упорах.

Условное обозначение пневмомотора с ограниченным углом поворота приведено на рис. 4.25.

Рис. 4.25. Условное обозначение пневмомотора с ограниченным углом поворота

Общими преимуществами пневмомоторов являются непрерывная регулировка скорости и крутящего момента, небольшие размеры и вес, большой диапазон скоростей, защищенность от перегрузки, нечувствительность к загрязнениям, воде, высокой и низкой температуре, взрывобезопасность, простота обслуживания и реверсивность.