Як працюють пневматичні машини?

Пневматичні машини потребують п’яти основних компонентів для виробництва, зберігання, управління, переміщення та використання стисненого повітря:

  1. Компресор – створює повітря.
  2. Резервуар (або приймач) – зберігає повітря.
  3. Один або декілька клапанів – контрольне повітря.
  4. Контур – переміщує повітря між іншими компонентами.
  5. Привід або двигун – використовує повітря, щоб щось зробити.

Пневматичне обладнання отримує всю свою потужність від енергії стисненого повітря, яке воно використовує, тому ви, напевно, відразу побачите, що їм потрібні щонайменше два ключових компоненти: щось для стиснення повітря (компресор) і те, що використовує стиснене повітря для підйому, рухати або тримати об’єкт (виконавчий механізм). Нам також потрібна труба або мережа труб (контур) для надходження повітря від компресора до приводу. Щось для того, щоб увімкнути або вимкнути повітря (клапан) і, можливо, змінити його напрямок, також було б зручно (тому ми можемо змусити нашу машину опускати речі, а також піднімати їх).

У пневматичній системі нам потрібна ще одна річ. Оскільки повітря є дуже стисливим газом, базова система, що зв’язує компресор з приводом через контур і клапан, буде працювати дуже повільно. Коли ви увімкнули його, компресору знадобиться час, щоб проштовхнути повітря по контуру і набрати достатній тиск, щоб змусити привід рухатися (так само, як і час, коли велосипедна шина або повітряна куля дійсно почнуть накачуватися, поки ви чекаєте для нарощування тиску). Таким чином, пневматична машина також має резервуар (фактично повітряна куля), де під тиском зберігається досить багато стисненого повітря, готового подати майже миттєву силу, як тільки відкриється робочий клапан.

Анімація: Як працює пневматика (теоретично). Тут ви можете побачити п’ять ключових компонентів пневматичної машини: 1) Компресор (червоний); 2) Резервуар (синій); 3) Клапан (помаранчевий); 4) Контур труб (сірий); 5) Привід (зелений). Жовта лінія показує потік стисненого повітря. У цьому випадку привід являє собою простий пневматичний циліндр і поршень, який піднімається вгору, коли клапан перевертається, пропускаючи повітря в нижню частину циліндра; він опускається, коли клапан перевертається, тому повітря надходить у верхню частину балона. Для простоти я пропустив деякі деталі, включаючи випускні (випускні) клапани циліндра та двигун, що живить компресор.

Фото: Як працює пневматика (на практиці). Тут льотчик піднімає перекинутий гелікоптер за допомогою гігантської пневматичної подушки безпеки (світло -сірого кольору). Налаштування тут подібне до анімації, хоча ви можете побачити лише три ключові пневматичні компоненти (ланцюг труб, клапани, що керують ними, і мішок приводу, що піднімає вертоліт); Ви не бачите компресор або резервуар. Фото ВВС США .

Компресори

Компресор – це машина, яка перетворює звичайне повітря у стиснене повітря, стискаючи його приблизно до 7–10 разів атмосферного тиску (у наукових одиницях 7–10 атмосфер, 700–1000 кПа чи 100–150 фунтів на квадратний дюйм); для приблизного уявлення, це приблизно на 25-30 відсотків більший тиск, ніж у пляшці шампанського, або в 2-3 рази тиск у автомобільній шині. Це певний тиск, але нічого надзвичайного, і це говорить нам про те, що нам знадобиться досить багато стисненого повітря, щоб зробити щось дійсно корисне.

Компресор є відправною точкою для будь -якого пневматичного контуру: це біт, який подає енергію в систему, видавлюючи повітря в набагато менший простір. Тепер важливо зауважити, що повітря не схоже на паливо, яке ви завантажуєте в бензиновий двигун: для початку він не містить багато корисної енергії. Вичавлювання енергії в звичайне повітря – це робота, яку виконує компресор, хоча насправді він ні з чого не «виробляє» цю енергію. Як правило, він живиться від бензинового або дизельного двигуна, тому він просто перетворює енергію з однієї форми в іншу – спалювання газу або дизеля з бака в двигуні, і таким чином перетворює енергію, що зберігається в цьому паливі, в енергію, що зберігається у повітрі під тиском.У мене є окрема стаття про компресори та насоси, і ви можете прочитати більше про них там.

Приводи та двигуни

“Actuator” – це трохи інженерного жаргону, що означає лише “рушій”; це кінець бізнесу пневматичного інструменту; частинка, яка рухається і робить якусь корисну для нас роботу. Це може бути пневматичне свердло, штовхане вгору -вниз поршнем, заводська рампа, яка піднімає речі та опускає їх, механічна рукоятка, яка розгойдує речі, або щось подібне. Приводи зазвичай рухаються вперед -назад по прямій лінії (технічне слово для цього – це взаємність), і, як і в анімації вище, вони часто працюють від поршнів, які ковзають вперед -назад у циліндрах, коли стиснене повітря надходить всередину та з них . Вони повертають потенційну енергію, що зберігається у стисненому повітрі, назад у кінетичну енергію та рух.

Що робити, якщо ми хочемо, щоб інструмент обертався (обертався), а не просто рухався вперед -назад (зворотно -поступальний)? Тоді ми можемо використовувати двигун з повітряним двигуном, у якому рухомий газ змушує вал обертатися. Він працює подібно до турбіни , яка являє собою машину, що працює від свого роду внутрішнього вітряка. Коли газ тече через повітряний двигун, він штовхається проти лопатей і змушує вісь обертатися, повертаючи свердло чи щось подібне. Таким чином працюють пневматичні інструменти, такі як шліфувальні машини, полірувальники та свердла для стоматологів.

Фото: Пневматичні машини, такі як ця шліфувальна машина, використовують повітряні двигуни для створення високошвидкісної потужної сили обертання. Як дізнатися, що він не електричний? Як завжди, роздача – це товстий сірий повітряний шланг, що веде до машини (зліва внизу). Фото Лоуренса Девіса надано ВМС США .

Схеми

Хоча деякі пневматичні машини можуть мати один компресор, привід, клапан та резервуар, більшість із них є більш складними. Існує багато видів виконавчих механізмів і клапанів, і на заводі можуть бути всі види машин, що приводиться в рух зі складної схеми одним великим компресором. Ви можете створювати складні електронні схеми з різних компонувань одних і тих же основних компонентів, а також складати складні пневматичні схеми абсолютно однаково. Існують десятки маленьких пневматичних символів, які допоможуть вам чітко накреслити схеми на інженерних планах, так само як і символи для електронних та гідравлічних компонентів.

Зробивши крок далі, можна створити дуже просунуті логічні схеми повністю з компонентів, що працюють на текучому середовищі; ціла галузь інженерії під назвою флюїдика ( флюїдна логіка) присвячена цьому. Подібно до того, як електронні компоненти, такі як резистори, конденсатори та транзистори, можуть керувати складними пристроями, роблячи потік електроенергії різними способами по кругових ланцюгах, так і текучі компоненти можуть виконувати подібні дії, змінюючи потік повітря навколо аналогічних компонентів. Існують рідинні еквіваленти логічних затворів І/АБО , ланцюгів таймера, фіксаторів, вимикачів та підсилювачів , наприклад.

Фото: Підтримання постійного тиску повітря – ключ до пневматики; на більшості пневматичних інструментів і машин десь є манометри, які допомагають виявити витоки.

Для чого ми можемо використовувати пневматику?

З’єднайте ці основні компоненти по -різному, і ви зможете зробити багато різних машин для виконання різних завдань. Те, що ви можете зробити з електродвигуном або гідравлічною машиною, можна зробити так само добре (або краще) з пневматичною машиною (ми розглянемо, чому ви можете скористатися однією з цих технологій, а не іншою).

Інструменти з повітряним приводом-це, мабуть, найвідоміший повсякденний приклад пневматичної техніки (щоразу, коли я чую слово «пневматичний», наступне слово, яке стрибає в моїй голові,-це «свердло»). Використовуючи поршневий циліндр або повітря -двигун з приводом у дію, практично будь -який будівельний інструмент може працювати від стисненого повітря, від викруток і молотків до гайкових ключів, полірувальників та палевих викруток.

Фото: Пневматичні електроінструменти, як ця шліфувальна машина, легкі та прості у використанні. 

У світі промисловості заводські машини є набагато більш поширеним і, можливо, цікавим застосуванням пневматики. Коли ми думаємо про роботів , ми зазвичай думаємо про електронні схеми, що змушують руки рухатися за допомогою таких речей, як крокові двигуни(електродвигуни, які обертаються з точними кількостями, крок за кроком), але вони так само ймовірно використовують гідравліку та пневматику – або замість цього. Роботи, керовані комп’ютером, можуть тримати, наприклад, пневматичні розпилювачі фарби або гідравлічні ріжучі інструменти. Пневматичні заводські машини широко використовуються для підбору та розміщення предметів за допомогою всмоктування, щоб утримувати речі або стискати їх дуже обережно, а потім відпустити через деякий час. Роботизовані машини для доїння корів, які автоматично прикріплюють та відпускають присоски до вимені тварини, є розумним варіантом на цю тему пневматики, і вони ілюструють важливу перевагу пневматики: вона може застосовувати силу дуже обережно.

Фото: пневматичний пістолет для цвяхів Porter-Cable, що працює від синьої трубки стисненого повітря, яку можна побачити одразу під нею. 

Пневматичні пристрої та машини також широко використовуються на транспорті – і досить різноманітними способами. З 19 століття технологія пневматичних транспортних труб широко використовується банками, лікарнями і навіть ресторанами з гамбургерами для швидкого та безпечного переміщення речей по мережах повітропроводів з однієї частини будівлі в іншу. Відповідь XXI століття Томасу Едісону, піонеру електромобілів та видатному винахіднику Ілону Маску, завоювала багато розголосу за ідею, яку він називає Hyperloop, високошвидкісна залізниця, що проходить усередині гігантської закритої труби. Хоча це звучить схоже на звичайну систему пневматичних труб, воно кардинально відрізняється: легкові автомобілі проходять через труби низького тиску за допомогою лінійних двигунів, а не стисненого повітря.

У транспорті з пневматичними трубками стиснене повітря змушує речі рухатися, але в інших системах це також може швидко зупинити ситуацію: наприклад, він приводить у рух повітряні гальма у великих транспортних засобах, таких як вантажівки та залізничні двигуни, і вибухає подушки безпеки автомобіля (хоча вони за моїм суворим визначенням насправді не пневматичні).

Пневматика може здатися тупою і нудною, але вона також має розважальні програми. Як щодо фортепіано для гравців та органів для дудок; тренажери, де опір виходить від пневматичних поршнів; і навіть надувні замки? Нічого нудного в цих речах!