Очистка сжатого воздухадля пневматических систем приводов станков, прессов, литейных и других маш

В руководящем материале рассматриваются вопросы очистки сжатого воздуха, используемого для пневматических устройств и систем управления станков, прессов, литейных и других машин. Приводятся краткие сведения о загрязнениях сжатого воздуха и рекомендации по выбору степени очистки для различных пневматических систем, способам и  устройствам очистки. Даются также рекомендации по размещению, монтажу и эксплуатации очистных устройств, а также  контролю чистоты сжатого воздуха.

Руководящий материал предназначен для  инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией пневматических устройств и систем  управления.

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение в станкостроении получили: пневматические приводы для механизации и автоматизации  зажима изделий, их загрузки, выгрузки, транспортирования и  переключения механизмов управления, для прессования деталей и  других операций; пневматические системы управления, работающие на разных энергетических уровнях с использованием логических элементов и унифицированных узлов на базе мембранной и струйной техники. В настоящее время наиболее актуальной задачей является дальнейшее повышение надежности и долговечности  пневматических приводов и пневматических систем управления. Одно из основных средств достижения этого — качественная подготовка сжатого воздуха, включающая очистку его от  загрязнений. Однако из-за отсутствия соответствующих стандартов и  рекомендаций выбор оптимальной степени очистки сжатого воздуха и соответствующих очистных устройств дли конкретных систем и условий эксплуатации представляет большие трудности. Ошибки, допущенные при этом, приводят к преждевременному выходу из строя пневматических устройств и систем управления.

В то же время опыт эксплуатации показывает, что  качественная очистка сжатого воздуха на промышленных предприятиях дает значительный технико-экономический эффект, достигаемый за счет сокращения аварий и простоев и более надежной и  долговременной работы пневматических устройств и систем управления. В руководящем материале обобщены отечественные и  зарубежные данные исследований по эксплуатации пневматических  очистных устройств, приведены сведения о влиянии загрязнений  сжатого воздуха, даны рекомендации по выбору степени его очистки для различных пневматических устройств, описаны способы  достижения необходимой чистоты воздуха, в том числе выбор очистных устройств, их размещение, основные правила монтажа и  эксплуатации.

ЗАГРЯЗНЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ И СИСТЕМЫ

Основные источники и компоненты загрязнений сжатого воздуха, используемого в производственных процессах различных отраслей промышленности, показаны в табл. 1. Компоненты загрязнений можно разделить на три группы: твердые загрязнения, влагу (вода и компрессорное масло в жидкой и паровой фазе, растворы  кислот и щелочей), газообразные загрязнения. Наибольшую часть загрязнений составляют вода и твердые  примеси. Вода. Вода попадает в пневматическую сеть вместе с  атмосферным воздухом, засасываемым компрессором. Атмосферный воздух содержит пары воды, количество которых (влагосодержание или абсолютная влажность воздуха) зависит от температуры и  относительной влажности воздуха. Относительная влажность  (отношение действительного влагосодержания воздуха к максимально возможному влагосодержанию  при тех же значениях температуры и давления) выражается десятичной дробью или процентами и достигает  наибольшего значения, равного 1 (100%).

Способность сжатого воздуха удерживать пары воды  уменьшается с понижением температуры и с повышением давления. При этом его относительная влажность возрастает, а после достижения состояния насыщения  происходит конденсация избыточного количества паров и появляется вода в жидком состоянии  (конденсат), Температура, при которой это происходит, называется точкой росы Тр. При более высокой температуре (и том же давлении) конденсации водяных паров не происходит. Поэтому точка росы сжатого воздуха часто указывается как мера степени его очистки от воды в парообразном состоянии.

Для практического определения количества воды, конденсируемой в пневматической сети благодаря сжатию атмосферного  воздуха в компрессоре с последующим охлаждением по мере  прохождения к потребителям, можно пользоваться диаграммами (рис. 1 и 2) [4]. На диаграммах графически представлена  зависимость влагосодержания насыщенного воздуха  от  давления и температуры.

Масло. При работе поршневых компрессоров масло, проникая между поршневыми кольцами и стенками цилиндра, неизбежно попадает в рабочую полость компрессора, в которой воздух  перемещается с большой скоростью, еще и нагревается. Все это  приводит к тому, что часть масла, представляющего собой пленку, попадает в подаваемый компрессором воздух. В случае износа поршневых колец, особенно маслосъемных поршневых колец, количество масла, попадающего в рабочую полость, постоянно увеличивается. Аналогичное явление происходит при работе совершенно нового неприработанного компрессора, однако в этом случае положение улучшается после приработки, так как зазоры в результате некоторого совместного износа деталей уменьшаются. Твердые загрязнения, содержащиеся в сжатом воздухе, можно разделить на три вида: примеси металлического  происхождения — стружка, окалина, продукты коррозии, частицы  изнашиваемых деталей; неорганические примеси — песок,  производственная пыль, притирочные составы и абразивы; органические примеси — органическая пыль, частицы резины и волокнистые материалы, краски, лаки, смолы, нагар, графит, сажа.

Основное количество металлических примесей появляется в пневматических системах в результате износа подвижных  деталей, а ржавчина — в результате воздействия влаги, кислот и щелочей на материалы пневматических устройств и линий. 

Окалина, стружка, притирочные составы и абразивы попадают в систему при нарушении технологии изготовления и монтажа  пневматических устройств.

Примеси органического происхождения также в основном являются продуктами износа уплотнений, истирания шлангов,  материала фильтрующих элементов.

Неорганические примеси попадают в пневматическую систему вместе с засасываемым атмосферным воздухом. В зависимости от окружающих условий и качества обслуживания компрессорных установок размеры этих частиц могут составлять от долей  микрона до нескольких миллиметров при концентрации от 1 до 120 мг на 1 м3 воздуха. Твердость частиц различна и может достигать 7—9 единиц по десятичной шкале.

О размерах загрязняющих частиц атмосферного воздуха дает представление схема, приведенная на рис. 3 [1]. Газообразные загрязнения. К газообразным загрязнениям можно отнести озон и двуокись серы SO2, которая выделяется при плавильных и литейных процессах и засасывается в  компрессор вместе с воздухом. При соединении со сконденсировавшейся водой в пневматической системе она образует разбавленную серную кислоту H2SO4 и сернистый ангидрид.

Воздействие загрязнений. Загрязнения, попавшие в сжатый воздух, оказывают физическое и химическое воздействие на  пневматические системы и устройства. Физическое воздействие загрязнений состоит в закупорке  отверстий и сопел влагой, льдом и механическими частицами; в смывании смазки; в повреждении рабочих поверхностей  клапанных пар, мембран, золотников; в износе и заклинивании трущихся деталей и т. д.

Износ трущихся поверхностей происходит как под влиянием абразивных сред, так и из-за недостаточной смазки. Абразивные среды образуются при смешении водно-масляной эмульсии с  механическими частицами. Интенсивность износа пневматического оборудования тем выше, чем выше твердость и больше размеры механических частиц. Износ неподвижных деталей может  происходить, кроме того, и вследствие эрозии, возникающей при  высокой скорости потока загрязненного сжатого воздуха.

При наличии масла возможность закупоривания щелей и  отверстий механическими частицами еще больше увеличивается. Образующиеся при полимеризации масла смолы весьма опасны для систем автоматического управления и контроля, особенно при малых размерах проходных сечений. При определенных условиях пары масла в соединении с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Вместе с пылью масло образует губчатую смесь,  способную к самовозгоранию.

Наличие в пневматических линиях большого количества воды приводит к уменьшению проходных сечений трубопроводов, а в ряде случаев и к гидравлическим ударам. Влага и механические частицы не позволяют получить качественную окраску изделий методом распыления.

В условиях отрицательной температуры окружающей среды даже незначительное содержание влаги в жидком состоянии  приводит к защемлению золотников, закупорке отверстий и другим неисправностям. Результатом химического воздействия загрязнений является коррозия металлических и разрушение резиновых деталей  растворами кислот, щелочей и других химически активных компонентов. Содержание в сжатом воздухе озона может привести к  разрушению резиновых уплотнений, мембран и покрытий.

ВЫБОР СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА

Для повышения долговечности и надежности пневматических систем управления идеальным является полное удаление  загрязнений сжатого воздуха. Однако присутствие определенного  количества загрязнений в целом ряде устройств практически не  сказывается на их работоспособности, поэтому полная очистка сжатого воздуха, связанная с значительными затратами энергии и труда, « большинстве случаев экономически нецелесообразна. Требования к очистке воздуха зависят от конструктивного исполнения и материала элементов пневматических систем  управления и механизмов, от точности, величины зазоров и размеров отверстий, от требований надежности и долговечности систем и от эксплуатационных условий. Степень необходимой очистки  воздуха обычно определяется экспериментальным путем. На основании отечественного и зарубежного опыта  эксплуатации пневматических систем управления пневматические  устройства общепромышленного применения в зависимости от  чувствительности к загрязнениям можно разделить на следующие группы.

I. Коммуникации пневматических систем, емкости,  оборудование силовых приводов мембранного типа и сильфонные устройства, имеющие надежное антикоррозийное покрытие, в которых трущиеся поверхности непосредственно с воздухом не  соприкасаются.

II. Пневматическое оборудование для систем механизации и автоматизации производственных процессов (пневмоцилиндры и пневмомоторы, пневмоинструмент, распределительная и контрольно- регулирующая аппаратура и другие устройства с проходными и дроссельными отверстиями, имеющими минимальный размер поперечного сечения не менее 0,8 мм).

III. Пневматическое оборудование для систем механизации и автоматизации производственных процессов с повышенными  требованиями к надежности, точные дроссельные и демпфирующие устройства, аппаратура с прецизионными парами и условным  проходом 0,5—2 мм, устройства струйной техники с минимальной шириной каналов более 0,8 мм.

IV. а. Пневматические системы управления с повышенными  требованиями к надежности для станков, прессов, автоматических линий и другого оборудования, построенные на элементах  струйной и релейной техники.

б. Пневматические приборы и средства автоматизации, на  которые распространяются требования ГОСТ 11882—66. В табл. 3 даны ориентировочные рекомендации по  определению степени очистки сжатого воздуха для указанных выше групп устройств исходя из температуры окружающей среды,  температуры сжатого воздуха в магистрали и на входе в пневматическое устройство и степени расширения сжатого воздуха.

Важно также определить точку росы воздуха, до которой  следует его осушить. Точка росы сжатого воздуха должна быть  такой, чтобы при заданном рабочем давлении во всем рабочем диапазоне температуры не произошло конденсации влаги для пневматических устройств IV группы и образования льда для I, II и III групп устройств по табл. 3. При этом необходимо  учитывать значительное понижение температуры при расширении сжатого воздуха. Например, при адиабатном расширении от 0,4 до 1 кгс/см2 температура сжатого воздуха понижаемся на 120°С. Так как практически процессы расширения протекают по  политропе, столь резкого снижения температуры не происходит, однако при приведенном в примере изменении давления температура  может упасть до —20°С [4].

Следует отметить, что рекомендации в табл. 3 даны для условий непрерывного расширения сжатого воздуха и естественного теплообмена между пневматическим1 устройством': и окружающей средой. При наличии теплоизоляции требования к очистке воздуха необходимо повысить, чтобы свести к минимуму возможность конденсации паров влаги  для I—III групп устройств. Если интенсивное расширение сжатого воздуха происходит не  постоянно, а периодически, то в зависимости от продолжительности рабочих периодов и промежутков между ними, а также от температуры окружающей среды итоговая температура рабочих  поверхностей пневматического устройства может быть выше нуля, и образования льда не произойдет. В этом случае возможны менее жесткие требования к очистке воздуха от влаги.

СПОСОБЫ ОЧИСТКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА

Способы и средства очистки воздуха определяются в  зависимости от вида и количества загрязнений, а также от требований к степени очистки воздуха, предъявляемых пневматическими устройствами.

Очистка от твердых загрязнений. Очистка сжатого воздуха от твердых примесей осуществляется путем пропускания его через пористую перегородку (процесс фильтрации) или с применением силовых полей (в основном инерционного и гравитационного). В настоящее время в конструкциях очистителей обычно используется комбинированный способ очистки воздуха,  включающий фильтрацию и применение силовых полей. Как правило, на первой ступени крупные частицы отделяются силами инерции и гравитации, а на второй ступени воздух пропускается через  фильтрующий элемент, эффективность которого определяется  размерами пор.

Фильтрующие материалы, применяемые для очистки сжатого воздуха, по способу удержания загрязняющих примесей можно разделить на два вида: поверхностные (частицы удерживаются поверхностью фильтрующего материала) и объемные (частицы удерживаются не только на поверхности, но и в толще  фильтрующего материала).

К поверхностным фильтрам относятся всевозможные сетки, ткани, бумага; к объемным — картон, металлокерамика, керамика, войлок и т. д., а также пакеты, состоящие из нескольких слоев поверхностных материалов, например сетки или бумаги.

Для предварительной очистки сжатого воздуха от  механических примесей рекомендуется применять металлические сетки квадратного переплетения из латуни или фосфористой бронзы (ГОСТ 6613—53) с тонкостью фильтрации от 85 мк и выше.  Тонкость фильтрации сетки определяется размером ячеек в свету, образуемых при переплетении проволок. Наибольшее распространение в очистных устройствах для

жатого воздуха получили металлокерамические фильтры. Обычно металлокерамические фильтрующие элементы небольших  размеров и веса изготовляют методом спекания свободно засыпанного порошка, а крупных размеров и большого веса — методом прессования и спекания. Для воздушных фильтров в основном  применяются порошки из оловянистой бронзы или фосфористой меди с зернами шарообразной формы.

Тонкость фильтрации зависит от размера и фракционного состава сферического порошка. Номинальная тонкость фильтрации металлокерамических фильтров может достигать 2 мк. Металлокерамическим фильтрам свойственны достаточно высокая прочность и пластичность, они хорошо сопротивляются резким  колебаниям температур, не засоряют воздух материалами фильтра, хорошо регенерируются, не сложны в изготовлении.  Металлокерамику можно паять, склеивать, сваривать, обрабатывать нерабочие поверхности на металлорежущих станках. Фильтры из  металлокерамики можно изготовлять практически любой формы. Металлокерамические фильтры могут применяться для любого диапазона рабочих температур пневматического привода.

Наиболее близки к металлокерамическим фильтрам  керамические фильтры, однако" они обладают меньшей механической  прочностью, плохим сопротивлением резким колебаниям температур и поэтому получили меньшее распространение.

Керамические фильтры изготовляют из шамотной массы.  Тонкость фильтрации зависит от тонкости помола шамота. Тонкость фильтрации керамических фильтров, применяемых для очистки сжатого воздуха, составляет 10—30 мк. Пропускная способность керамических фильтров после загрязнения может быть частично восстановлена путем прокаливания их при температуре 700—800°С (во избежание растрескивания керамики нагрев и охлаждение должны быть медленными) или промывки в 20%-ном растворе щелочи [3].

Широкое распространение для очистки сжатого воздуха  получили волокнистые прессованные материалы — фетр и войлок, которые имеют тонкость фильтрации 15—20 мк, а также подобные им по структуре материалы, изготовленные из стеклянных волокон и волокон синтетического происхождения; тонкость фильтрации таких материалов 1—2 мк. Волокнистые материалы органического происхождения применяются при температурах не выше 125°С.  Фильтры Петрянова из волокнистых материалов задерживают частички размерами до 0,2 мк.

Для очистки сжатого воздуха применяют также фильтрующую бумагу. Для увеличения " поверхности фильтрации бумагу  гофрируют, а для придания прочности во влажном состоянии  пропитывают феноловой смолой или бакелитовым лаком. Тонкость  фильтрации, обеспечиваемая бумажными фильтрами, достигает 2 мк. Очистка от влаги в жидком состоянии. Очистка при помощи инерционных сил осуществляется закручиванием потока воздуха, когда он движется по нисходящей спирали или когда резко  изменяется направление потока. Под действием возникающих при этом сил инерции капли влаги выходят из зоны потока и силой тяжести отводятся в резервуар для -сбора конденсата.

Качество очистки влаги под действием центробежных сил  зависит от скорости потока воздуха и размера капель, поэтому центробежные влагоотделители эффективны в определенном  диапазоне расходов. Этот способ очистки позволяет отделять капли воды величиной не менее 10 мк.

К достоинствам влагоотделителей инерционного типа относятся: постоянство степени очистки и гидравлического  сопротивления, практически неограниченный срок службы и низкие эксплуатационные расходы. Влагоотделители центробежного типа улавливают до 90% конденсированной влаги при работе в  номинальном диапазоне расходов.

Очистка при помощи гравитационных сил. В очистных устройствах гравитационного типа, которые представляют собой  удлиненную емкость, расположенную вдоль потока воздуха, для  отделения капель влаги (и крупных твердых частиц) используется сила тяжести. Под ее действием частицы, перемещаясь через очиститель, должны выйти из потока воздуха, что возможно лишь при невысоких скоростях воздуха (до 0,2 м/сек) и больших  габаритных размерах очистителя.

При выборе размера гравитационного очистителя скорость  воздуха, проходящего через него, рекомендуют принимать в 1,5—2  раза меньше расчетной для обеспечения надежного осаждения  частиц заданного размера.

Процессы осаждения под действием силы тяжести происходят в ресиверах и емкостях. Устройства гравитационного типа, как правило, применяются для предварительной очистки воздуха на магистралях сжатого воздуха. При рациональной конструкции они могут отделять 90—95% сконденсировавшейся влаги и часть паров за счет расширения воздуха и конденсации. Очистка при помощи электростатических полей. Принцип  работы электростатического очистителя заключается в ионизации воздуха при прохождении его через поле высокого напряжения постоянного тока (обычно 30—70 кв). Электростатический  очиститель состоит из двух электродов: положительного с большой поверхностью и симметрично расположенного к нему  отрицательного. Обтекая электроды, воздух ионизируется, при этом образуются положительные и отрицательные ионы. Положительные ионы остаются у отрицательного электрода, а отрицательные,  заряжая капельки жидкости, собираются вместе с ними на  поверхности положительного заряда и отводятся из очистителя. Очистка с использованием смачивающей способности. 

Получили распространение конструкции очистителей, в которых  отделение жидкой влаги происходит за счет ее смачивающей  способности при соприкосновении с контактной поверхностью фильтрующей среды. В простейшем случае контактной поверхностью может служить перегородка на пути движения воздуха. Воздух,  насыщенный капельной влагой, ударяясь о перегородку, оставляет на ней капельки влаги, которые собираются в большие капли и под действием сил тяжести отводятся вниз. В других случаях воздух пропускают через фильтрующую среду, имеющую большую  поверхность контакта с потоком очищаемого воздуха. Частицы  жидкости смачивают поверхность фильтрующей среды, укрупняются и стекают в резервуар.

В качестве контактной (фильтрующей) среды применяется фетр, войлок, бумага и картон, стекловолокно, металлическая стружка и др.

Эффективность влагоотделителей контактного типа понижается с увеличением расхода воздуха, так как вместе со скоростью увеличивается захват и вынос влаги. Употребление термина  «фильтрующий» в данном случае отличается от классического  понимания, которое подразумевает улавливание частиц, превышающих размеры пор, и имеет условный характер. Эффективность влагоотделителей фильтрующего типа достигает 90—95%.