Модификация пластинчатого пневмомотора для работы

Сжатый воздух является вторым по значимости после электричества энергоносителем в промышленности, а различные механизмы с пневмомоторами имеют массовое применение в горнопроходческом оборудовании, подъемно транспортных устройствах взрывоопасных производств, в ручном механизированном инструменте (пневмодрели, гайковерты, миксеры, отрезные и шлифовальные машины). Подавляющее большинство ручного инструмента (более 90% при мощности до 2 кВт) оснащены пластинчатыми пневмомоторами, в том числе со встроенными редукторами. Их преимущества по сравнению с аналогичными электроинструментами — лучшая эргономика и энерговооруженность, долговечность и надежность, особенно при работе в условиях агрессивной среды, способность работать при длительных перегрузках, не перегреваясь. Одной из важнейших проблем при создании новых пластинчатых пневмомоторов (как, впрочем, и других типов пневмодвигателей) является переход на использование сжатого воздуха без распыления масел для смазывания трущихся деталей пневмоустройств. Это масло в мелкодисперсном состоянии вместе с отработанным воздухом выбрасывается в окружающую среду. Поэтому перевод пневматики на так называемый сухой воздух позволит исключить загрязнение маслом рабочих мест и вредное воздействие на здоровье персонала. Ведущие мировые производители пневматики проводят интенсивные работы в этом направлении, а фирма Atlas Copco (Швеция) уже выпускает небольшой типоразмерный ряд пластинчатых пневмомоторов мощностью до 0,4 кВт, не нуждающихся в смазке и не отличающихся по параметрам от пневмомоторов со смазкой. В России за последние годы выпуск пластинчатых пневмомоторов сократился в разы, а технология производства и конструктивное исполнение остались на уровне двадцатилетней давности. Рассмотрим некоторые вопросы модификации пластинчатых пневмомоторов для обеспечения их функционирования на сухом сжатом воздухе. На рис. 1 представлена конструктивная схема нереверсивного пластинчатого пневмомотора: 1 — статор; 2 — ротор; 3 — пластины; 4 и 5 — передняя и задняя крышки с подшипниками. К основным деталям, нуждающимся в постоянной или периодической смазке, относятся пластины, трущиеся о поверхность статора и пазы ротора, а также подшипники ротора. В настоящее время выпускается большой ассортимент шарикоподшипников, в том числе в герметичном исполнении, с консистентной смазкой, сохраняющей свои свойства в течение всего времени работы подшипника, например, фирмы NSK (Япония), серия SPACEA. Задача заключается в правильном выборе типоразмера подшипника и его несущей способности. Для этого необходимо точно знать величины действующих на него нагрузок, которые возникают из за изменения давления сжатого воздуха в рабочих полостях пневмомотора. В полостях нагнетания и расширения, где совершается положительная работа, давление всегда больше, чем в полостях выхлопа. Равнодействующая от сил давления воздуха, действующая на ротор и направленная к его центру по оси симметрии i й полости, будет равна Fi = 2pirpl sin(?/z), где pi — давление в i й полости, rp — радиус ротора, l — длина ротора, z — число пластин. Радиальная нагрузка в опоре ротора будет равна половине векторной суммы сил Fi от всех полостей, а среднее значение за оборот равно где ? — текущий угол поворота ротора. Не будем рассматривать возможные технологические нагрузки, которые зависят от конкретного случая и, как правило, действуют уже на выходной вал редуктора, не нагружая опоры ротора. Схема подачи сжатого воздуха симметрична относительно торцевых поверхностей ротора. Для определения текущих значений давлений в полостях пневмомотора была составлена математическая модель, включающая уравнения, описывающие термодинамические процессы изменения давления и температуры воздуха в полостях, основанные на законах сохранения энергии и массы сжатого воздуха, проходящего через полость, и уравнение движения ротора . Для установившегося движения ротора модель имеет вид где k — показатель адиабаты; ? — угловая скорость вала пневмомотора; Vi — текущий объем i й камеры; R — газовая постоянная для воздуха; T — температура воздуха в магистрали, откуда он поступает в i ю камеру; Gim — секундный расход воздуха, поступающего в i ую камеру из магистрали (если она сообщается с магистралью; Ti — температура воздуха в i й камере; Gi — секундный расход воздуха из i й камеры; Mдв — движущий момент; z — число камер (равно числу пластин); Mтр — момент от сил трения пластин о статор, зависящий от угловой скорости ротора; GПМ — секундный расход сжатого воздуха, поступающего в пневмомотор из магистрали. Вычисление расхода проводится по формуле Сен Венана . Степень открытия и закрытия впускных и выхлопных каналов в функции угла поворота ротора задается дополнительными алгебраическими и логическими соотношениями, которые здесь не приводятся. Для выполнения расчетов были взяты данные типоразмерного ряда четырех пластинчатых нереверсивных пневмомоторов, соответствующих нормали МН4656 63. Ряд включает 24 модели мощностью от 0,4 до 2,5 л.с. В табл. 1 приведены основные параметры пневмомоторов, которые были выбраны для проведения расчетов, соответственно, малой, средней и максимальной мощности. На рис. 2 представлены зависимости средней за оборот радиальной нагрузки на ротор для различных пластинчатых пневмомоторов при давлении воздуха в магистраль 0,5 МПа, испытываемой в результате давления сжатого воздуха в полостях, в функции установившейся угловой скорости пневмомотора согласно табл. 1. На каждую опору ротора приходится половина этой нагрузки. Снижение нагрузки с ростом угловой скорости объясняется тем, что при больших оборотах в полости нагнетания успевает поступить меньшее количество сжатого воздуха, а в полостях выхлопа давление не успевает достичь значения атмосферного. На рис. 3 показаны кривые мгновенного значения радиального усилия, действующего на ротор, в функции угла его поворота для пневмомотора РП28 34 при трех значениях угловой скорости (1 — 10 с-1, 2 — 1600 с -1, 3 — 3600 с -1). На рис. 4 дана зависимость угла поворота ? радиус вектора радиального усилия от угла поворота ротора ? для тех же значений угловых скоростей. Видно, что нагрузка на подшипник опоры ротора имеет пульсирующую составляющую, а направление этой нагрузки меняется в пределах примерно 50 угловых градусов. Таким образом, имеются все данные по нагрузкам для обоснованного выбора подшипников ротора. Для обеспечения работы пластин в режиме сухого трения можно использовать для их изготовления антифрикционные полимерные композиционные материалы на основе полиимидов. Соответственно, должны быть обработаны рабочая поверхность статора и пазы ротора, чтобы обеспечить минимальные трение и износ материала пластин. Основным критерием для определения работоспособности антифрикционных полимерных материалов является показатель p? (давление — скорость или мощность трения) в контакте пары трения . Максимальная линейная скорость торца пластины относительно поверхности статора (рис. 1) будет в нижнем положении (пластина максимально выдвинута из паза ротора) ? = ?(rp + 2e), а минимальная скорость в верхней точке (вся пластина находится в пазу ротора): ? = ?rp. Соответственно, средняя скорость за оборот равна ? = ?(rp + e). Аналогично вычисляется средняя скорость пластины относительно пазов ротора, которая равна e?/?. Давление в контакте определяется центробежной силой, прижимающей пластину к поверхности статора F = m?2R1, где R1 — средняя за оборот координата центра тяжести пластины; m = ?hbL =- масса пластины; ? — плотность материала, из которого планируется изготовление пластин; b — толщина пластины. Для полииамидных композиционных материалов плотность равна ? =1,4-1,5 г/см3. Давление в контакте пластины и статора определяется как p = F/(Lb). Давление в контакте «пластина — паз ротора» вычисляется на основе баланса сил трения, инерционных (в том числе кориолисовой) нагрузок и сил от перепада давления между полостями. В табл. 2 приведены результаты соответствующих вычислений для номинального режима работы указанных моделей пневмомоторов. Из табл. 2 видно, что показатель p? для контакта «пластина — статор» почти на порядок больше, чем для контакта «пластина — ротор». Поэтому ресурс пластин определяется износом в первой паре, что подтверждается литературными данными . Для оценки ресурса пластин, работающих в режиме сухого трения, использовали данные по трибологическим характеристикам композиционного полиимидного материала Vespel SP21 фирмы DuPont (США) . Близким российским аналогом является материал ПАМ 50 67. Из табл. 2 видно, что значения давлений и скоростей в контакте «пластина-статор» лежат достаточно близко к предельной кривой «давление-скорость» для материала Vespel SP21, но находятся внутри допустимой зоны, при условии, что температура в контакте не превышает 395°. Это условие при интенсивном воздухообмене в полостях пневмомотора гарантированно соблюдается. Для материала Vespel SP21 величина износа при температуре менее 395° приблизительно пропорциональна величине p? и может быть вычислена по формуле ?L = k1k2Kp?t, где K — коэффициент износа (для Vespel SP21 равен 0,63 · 10-6 мм3/Нм); k1 и k2 — мультипликативные коэффициенты, учитывающие величину шероховатости поверхности и твердость контртела, т.е. поверхности статора. В частности, для стального статора с Ra 0,15 мкм и покрытием из нитрида титана значения этих коэффициентов будут k1 = 0,7, k2 = 0,6. При допустимом износе пластины в 1-1,5 мм получаем ресурс ее работы порядка 250-300 часов. Этот показатель существенно превышает ресурс обычных текстолитовых пластин, работающих со смазкой (износ пластины порядка 1 мм за 100 часов работы) . Коэффициент трения материала Vespel SP21 по стали без смазки составляет 0,12-0,08. Следовательно, механические потери в пневмомоторе, работающем без смазки, не должны превышать потери в обычном невмомоторе, работающем со смазкой. В настоящей статье рассмотрен анализ работоспособности полиимидных материалов, так как они по своим механическим и физико химическим показателям существенно прев сходят другие полимерные материалы, но и выше по стоимости в 2,5- 3 раза. Но доля стоимости пластин в общей цене пневмомотора крайне незначительна, поэтому замена материала пластин практически не должна сказаться на стоимости изделия. Повышение качества поверхности статора приведет к небольшому росту стоимости, но это должно компенсироваться увеличением периода межсервисного обслуживания и тем, что изделия с новым пневмомотором будут отвечать более жестким экологическим требованиям. Применение новых конструкционных материалов является одним из основных направлений совершенствования эксплуатационных характеристик и конструкций пневмомоторов. В качестве примера укажем на разработку немецкой фирмы «Deprag Schulz» пластинчатого пневмомотора, используемого в магниторезонансном томографе для работы в среде высоких магнитных полей . В этом пневмомоторе мощностью 150 Вт при 14000 об/мин все детали выполнены из технической керамики и полимерных композитов, т.е. мотор не содержит металлических деталей. В заключение можно констатировать, что на сегодняшний день существуют материалы и технологии, позволяющие изготавливать пластинчатые пневмомоторы, способные работать на сжатом воздухе без распыления смазки и имеющие эксплуатационные характеристики даже выше традиционных моторов. Динамика пневматических систем машин. М.: Машиностроение, 1985. 256 с. , , Прикладная трибология (трение, износ и смазка) // Под ред. . М.: Эко-Пресс, 2010. 604 с. , , Ротационные пневматические двигатели. Л.: Машиностроение, 1976. 240 с. Рекомендации по конструированию из материалов Vespel DuPont. 55 c. (www.ftorotex.com/user/Vespel-konst. Сжатый воздух в качестве топлива для High-Tech двигателя // Kaeser report. Межотраслевой корпоративный журнал. 2010. № 1. С. 22.