Пневматични системи в селското стопанство
Към днешна дата пневматичните системи имат всеобхватно приложение в различни видове машини, работещи в земеделието и животновъдството. Те се използват широко за производството, акумулирането, контрола и използването на сгъстен въздух. Чрез тях се улеснява управлението на системи и агрегати, на трактори, комбайни, теглещи машини, като в същото време се увеличават и техните експлоатационни свойства.
В тази статия ще разкажем на читателите на списание АгроБио Техника за приложението на различни видове пневматични системи. Ще се спрем на типовата пневматична система на колесни трактори, на пневматичната система на съвременния трактор, на изпълнителните механизми, на устройствата за регулиране и разпределение, подготовка и транспортиране на сгъстен въздух, както и не необходимостта от поддръжката на пневматичните устройства от страна на фермерите.
Текст: списание АгроБио Техника
Общата схема на всеки трактор като неразделна, задължителна част, включва една или повече пневматични системи. Понякога пневматичната система е част от по-обща пневмохидравлична система. Пневматична система е съвкупност от устройства, свързани помежду си с въздуховоди в строга функционална последователност. Те са предназначени за производство, акумулиране, контрол и използване на сгъстен въздух. В тракторите пневматичните системи изпълняват изцяло или частично следните функции. Охлаждане на двигателя и агрегатите за предаване на трансмисия-водни и маслени радиатори, принудително продухване на цилиндрични блокове и части на каросерията. Вентилация, отопление или климатизация на кабините. Задвижващи механизми на спирачната система, превключване и изключване на предавките, стъклочистачки. Регулиране на налягането на въздуха в гумите и пневматичните елементи на окачването и други. Към агрегатите на пневматичните системи се отнасят всички техни елементи, с изключение на компресори, вентилатори и апарати-например, топлообменници. По този начин към агрегатите се включват регулатори на дебита и налягането, контролни и спирателни клапани, шибъри и затварящи вентили, обратни и предпазни клапани, пневматични задвижвания и други. Широкото използване в тракторите на пневматично задвижване чрез използване енергията на сгъстен атмосферен въздух, се дължи на необходимостта от осигуряване на ергономични изисквания към органите за управление и простотата в синтеза на силови и контролни връзки-мускулната сила на тракториста. Тенденциите в повишаване на ефективността на машинно-тракторните агрегати, вследствие на значителното увеличение на съотношението-мощност и скорост на трактора, води до увеличаване на необходимите задвижващи сили. Така възниква необходимостта от допълване или заменяне на човешката мускулна енергия с външен енергиен източник-сгъстен или разреден газ-обикновено въздух, сгъстена течност, електричество или комбинация от двете. Използването на пневматично задвижване в трактори се дължи на сравнителната простота и ниска консумация на енергия за приемане и натрупване на енергиен носител-сгъстен въздух. Простотата на свързване на тръбопроводи при съставяне на машинно-тракторни агрегати, включително тракторни влакове с много връзки. Допустимостта на изтичане на природен енергиен носител поради нехерметичност, което значително опростява и поевтинява задвижването. В същото време неизбежните течове на въздух от системата водят до намаляване на ефективността на задвижването. Основните недостатъци на съвременните пневматични тракторни системи включват сравнително ниска скорост, което затруднява безопасното управление на многотеглещи влакови трактори, посредствена точност на управление поради нелинейни характеристики на пневматичните устройства и относителна сложност на диагностиката.
Пневматичното задвижване в сравнение с хидростатичното има известни предимства. Задвижващите механизми имат по-висока скорост на реакция и по-ниска цена, по-къси връщащи линии, тъй като въздухът може да бъде отстранен от системата във всяка точка, както и наличие на неограничен запас от енергия. Недостатък са големите размери с еднакво развиващи усилия-работните налягания в хидравличното задвижване са с порядък по-големи.
Типова пневматична система на колесни трактори
Класическата типова хидравлична система на колесни трактори се състои от компресор, регулатор (ограничител) на изходното налягане, ресивери, специални клапани, спирачни камери, спирачен кран, разединителен кран, свързваща глава, сензор за налягане и манометър, както и клапан за прикачване.
Източникът на сгъстен въздух (енергия) е компресор с регулатор на изходното налягане. За да се изгладят колебанията на налягането и осигуряване на най-малко спирачни машинно-тракторни агрегати при неработещ компресор, са инсталирани ресивери (цилиндри). За източване на кондензат от ресиверите са инсталирани специални клапани. При някои трактори ресиверите са свързани към мрежата чрез защитен клапан, който осигурява предимно сгъстен въздух на важни тракторни агрегати и изключва повредените клонове на пневматичната система. Задвижващите механизми са спирачни камери, необходимото налягане в които се определя от двусекционен спирачен клапан. Горната му част през разединителен клапан и свързващата глава, осигурява захранване и управление на пневматично задвижване на спирачките на ремаркето. Сгъстеният въздух също задвижва пневматичните двигатели на чистачките, управлявани от специални вентили. Чрез друг кран се отделя въздух за надуване на гуми и други нужди. Сензорът за налягане и манометър осигуряват визуален контрол на налягането в системата. Предпазните клапани защитават системата от претоварване, в случай на повреда на регулатора на налягането. Клапана за прикачване позволява подаване на сгъстен въздух към системата на друг трактор при тегленето му с изключен двигател.
Пневматична система на съвременния трактор
Пневматичната система на съвременния трактор се състои от повече от сто различни елементи по функционалното им предназначение и конструктивно изпълнение, т.нар. пневматични задвижващи устройства, които условно могат да бъдат разделени на четири групи. В първата група се включва подготовката, съхранението и подаването на сгъстения въздух с необходимото налягане и чистота-компресор, ресивери, регулатор на налягането, филтри, предпазни клапани, помпи за антифриз, тръбопроводи, фитинги-тапи, тръбосъединители, колена, тройници, свързващи глави и разединяващи кранове. Към втората група се отнася потреблението на сгъстения въздух, изпълнителните устройства-пневматични цилиндри, мембранни камери, пневматични двигатели, цилиндри с въздушно окачване, гуми и въздушен сигнал. В третата група са разпределението и регулирането, към която спадат спирачни кранове, разпределители на въздух, регулиращи клапани и регулатори. В четвъртата, са контрола и предпазването-манометри, сензори за налягане и предпазни (аварийни) клапани. Понякога те се разделят на подсистеми според обектите на обслужване- пневматично задвижване на спирачките, въздушно окачване, серво усилвател за задвижване на съединителя, пневматично управление на трансмисията, пневматично задвижване за чистачки и други. Работата на почти всички устройства на пневматичната система на трактора може да се определи в изпълнение на комбинация от три елементарни функции- пускане, задържане и изпускане на сгъстен въздух. Следователно, повечето от тези устройства се състоят от набор на подобни функционални елементи /клапанни механизми/, т.е. двойка клапан-легло, следящи механизми и уплътнения. Клапанният механизъм е предназначен да отваря и затваря прохода за сгъстен въздух. В отворено положение на клапана възниква пускането или изпускането на сгъстен въздух от всяка кухина на пневматичното устройство. В затворено положение сгъстеният въздух престоява при необходимото налягане в същата кухина. Херметичността на съединението на клапан-седло зависи от формата и материала на клапана и налягането в контакта. Налягането в контакта е правопропорционално на налягането на клапана срещу седлото и обратно пропорционално на контактната площ. За осигуряване на зададеното бързодействие на пневматичното задвижване, е необходимо отваряне на клапана за най-кратък период от време и пропускане през него на необходимото количество сгъстен въздух, след което следва затваряне. Материалът на двойката клапан-седло обикновено е разнороден. Обикновено клапанът е от гума, а седлото от метал или пластмаса. Понякога се използва метален или пластмасов клапан в комбинация с гумено седло.
Проследяващият механизъм е елемент на пневматично устройство, което осигурява зададена промяна на изходното налягане от контролното действие- под формата на изместване или сила, като използва обратна връзка. Проследяващият механизъм се състои от еластичен елемент, който създава усилие, което еднозначно съответства на подавания управляващ сигнал и подвижен чувствителен елемент, който коригира управляващия сигнал в зависимост от изходното налягане. Използването на цилиндрична пружина като еластичен елемент предопределя постоянството на коефициента на предаване на контролното действие. Регулирането ще бъде по-точно при комбиниране на изместването на контролния орган с промяната на силата, изразходвана за това изместване. За осигуряване на променлив коефициент на предаване, еластичният елемент е инсталиран под формата на конусна пружина или гумена втулка със специална форма. Това осигурява, с леко натискане върху педала за управление, коефициентът на предаване на спирачния кран да позволява на тракториста плавно да контролира налягането в задвижването, и следователно, ефективността на работното спиране. При силно натискане на педала, което е характерно за неотложно спиране, коефициентът на предаване се увеличава, осигурявайки намаляване на времето за задействане на пневматичното задвижване. Чувствителният елемент на проследяващия механизъм се изпълнява от бутало или мембрана с работен диаметър от 20 до 80mm. Буталните проследяващи механизми имат чувствителен елемент под формата на бутало с гумени уплътняващи маншети или пръстени. Предимствата на буталния механизъм, са неограниченият ход и линейната зависимост на усилието от налягането. Недостатък са големи загуби от триене, особено при ниски температури. Мембранните проследяващи механизми работят практически без външно триене и затова имат по-добра чувствителност. Работата им по-малко се влияе от замръзването на кондензат. Използването на мембрани от тънък каучуков лист с дебелина 0,4-2mm, с подложка от плат вместо подобни формовани такива с дебелина 1,0-2,5mm, прави възможно увеличаването на тяхната дълготрайност и производителност при ниски температури. Но мембранните механизми се характеризират с по-малък работен ход и нелинейна зависимост на усилието върху него.
Уплътненията са устройства, които предотвратяват или намаляват изтичането на сгъстен въздух през хлабините между частите на пневматичните устройства, като ги предпазват също от прах и мръсотия. Има уплътнения на подвижни и неподвижни елементи.
Подвижните елементи на пневматичните задвижващи устройства могат да бъдат мембрани, бутала, пръти и валове. Самата гумена мембрана е уплътнение. Тя се закрепва по периферията между две неподвижни части, уплътнявайки тяхното свързване. В центъра към нея е прикрепен бутален прът или тласкач. Той образува плътно подвижно съединение. За уплътняване на бутала, тласкачи, бутални пръти и валове се използват гумени пръстени с кръгло или К-образно сечение, маншети и салници.
Уплътняването на неподвижните части на пневматичните устройства се извършва освен с мембраните, също и с гумени пръстени с кръгло или правоъгълно напречно сечение и уплътнения. В Западна Европа за тези цели по-често се използват полимерни самовтвърдяващи се състави- уплътнители.
Изпълнителни механизми
Изпълнителните механизми са предназначени да преобразуват енергията на сгъстен въздух в енергия на движение на работните органи-гърбиции за освобождаване на спирачни механизми, вилка за освобождаване на съединителя, завъртане на вала на чистачките, както и предаване на вертикални сили между ресори и нересорни части на трактора (въздушни цилиндри за окачване). По вида на реализираното движение, изпълнителните механизми се различават с възвратно-постъпателно и въртеливо движение. Според конструктивното изпълнение на устройствата, пряко участващи в преобразуването на енергията на сгъстен въздух в механична енергия на постъпателно движение, задвижващите механизми се разделят на бутални, мембранни (диафрагмени), силфони- части от реле, и маркучи. Тези механизми обикновено са с едностранно действие. Връщане в изходно положение възниква под действието на пружина или силата на тежестта. Прието е буталните изпълнителни механизми да се наричат спирачни или пневматични цилиндри, а мембранните-спирачни или пневматични камери. Предимствата и недостатъците на буталните и мембранните силови механизми, са същите като на аналогичните следящи механизми на пневматичните устройства. Мембраните и буталата на изпълнителните механизми, практически се различават само по геометрични размери и усилия. Работните диаметри на силовите мембрани и буталата са 60-200mm, а развиваните усилия са до 15kN. В пневматичните системи на тракторите, буталните силови механизми се използват главно само при пневмодвигателите на стъклочистачките. За задвижване на останалите устройства се използват пневматични камери, разделящи се според типа на свързване на корпуса и капака- фланцови и безфланцови. Първите имат добре развити фланци и капаци на корпуса, между които мембраната е закрепена равномерно с болтове. При вторите, на корпуса и капака са направени конусни подгъвания, а връзката се осъществява чрез пръстеновидна скоба. Тази конструкция има по-малки радиални размери и разход на материали. Тя е по-технологична в производството и експлоатацията. Поради това безфланцевите камери са получили преобладаващо разпространение в пневматичните задвижвания на чуждестранните трактори. Основният параметър характеризиращ безфланцовите спирачни камери, е активната площ. Тя е условна величина. Представлява частно от делението на силата върху буталния прът в камерата, при неговия номинален ход, на размера на приложеното налягане. Размерът на активната площ, изразен в квадратни дюйми-duim (1кв.дюйм = 6,452.10-4м2), указва типа на камерата или цилиндъра. В световната практика се използват седем вида камери (9, 12, 16, 20, 24, 30 и 36), което позволява да се покрие обхвата на необходимите задвижващи усилия.
Устройства за регулиране и разпределение на сгъстен въздух
Устройствата за управление и разпределение са предназначени да подават сгъстен въздух с необходимото налягане към изпълнителните механизми и да изпълняват функцията за управление. Основните устройства за регулиране и разпределение на сгъстен въздух, са спирачни кранове, въздухоразпределители на ремаркето, проследяващо устройство на пневматичния усилвател на съединителя, кранове за регулиране на налягането на централизирана система за гумите, клапани за регулиране на налягането във въздушните цилиндри за окачване.
Спирачният кран (клапан за контрол на спирачната камера) е устройство, което осигурява сгъстен въздух с налягане еднозначно съответстващо на външно управляващо усилие или преместване. Управляващото действие върху спирачния кран може да се предава директно от педала на спирачката, т.нар. педални кранове или чрез лост. В сегашно време в тракторите с механично задвижване на работните спирачки, се използват едносекционни спирачни кранове за управление на пневматични спирачки на ремаркето. Почти всички спирачни кранове имат проследяващи механизми от мембранен тип. Конструкцията и работата на спирачните кранове са идентични на тези, използвани в автомобилите. За да се гарантира, че усилието върху педалите на съединителя е ергономично, в устройството за управление на съединителя на трактора е инсталиран пневматичен усилвател. Той се състои от безфланцева спирачна камера и следящо устройство, което доставя, задържа и освобождава сгъстен въздух от камерата. С помощта на специална конзола спирачната камера е монтирана отляво към корпуса на съединителя. Нейният бутален прът е шарнирно свързан с левия лост на вилката за освобождаване на съединителя. Проследяващото устройство е неподвижно свързано към надлъжната предавателна връзка на механичното управляващо задвижване. Завинтено е в отвора на резбата на преходна гайка, и е шарнирно свързано с десния лост на вала на спирачната вилка. Устройството за проследяване се състои от цилиндрично тяло с три странични резбови отвора. В отворите са завинтени щутцери за свързване на маркучи съответно от пневматичната камера и захранващата линия, а в друг отвор- мрежест филтър. В стъпаловидния аксиален отвор на корпуса е монтиран клапан, притиснат към седлото чрез пружина, бутало и друга пружина. На буталото е направен цилиндричен жлеб, свързан с челната му страна, който осигурява свързването с два други отвора. В пръстеновидните канали на буталото са инсталирани гумени маншети. Хлабината от 1,8+0,1mm между клапана и челната страна на буталото, се задава чрез завъртане на регулираща гайка и се фиксира чрез друга застопоряваща гайка. В канала на регулиращата гайка е монтиран салник.
Устройства за подготовка и транспортиране на сгъстен въздух
Устройствата за подготовка и транспортиране на работния флуид са предназначени за получаване и натрупване на необходимото количество компресиран въздух, необходимото налягане и чистота, както и доставката му към потребителите.
Въздушният компресор е устройство за преобразуване на механичната енергия на двигателя в енергия на сгъстен въздух. По метода за производство на сгъстен въздух компресорите са обемни (бутални и ротационни), при които компресия на въздуха се получава, когато затвореният обем намалява; лопаткови (центробежни и аксиални), при които компресирането на газ става чрез въртящи се лопатки; струйни (инжектори), при които нагнетяването на газа се извършва поради триене с увличащ се поток от газ или течност. На тракторите най-често се монтират обемни бутални компресори, чийто работен цикъл се състои от фазите на засмукване, компресия и изместване на въздух в пневматичната линия под налягане. Въздухът се подава през въздушен филтър на двигателя или през отделен компресорен филтър. Смазването на триещите части на компресора се извършва от системата за смазване на двигателя на трактора или отделна система-използвайки вградена бутална или зъбна помпа или само чрез разпръскване от маслената баня на картера на компресора. Охлаждането на компресора е с въздух или течност в комбинация със система за охлаждане на двигателя.
Поддръжка на пневматичните устройства
Повечето от съвременната селскостопанска и индустриална техника – трактори, ремаркета, камиони и автобуси са оборудвани с пневматична спирачна система, работата на която е свързана с взаимодействието на голям брой контролни и задействащи елементи. Техническото състояние и инструменталния контрол на тази система изискват добро разбиране на общите принципи на нейното изграждане и функциониране. Ето защо е препоръчително да се спрем на конструктивните характеристики на тази система по-подробно.
Поддръжката на пневматичните устройства на трактора се състои в периодичен преглед, почистване от замърсявания, проверка на течове (чрез слух, използване на сапунена емулсия или ултразвуков индикатор) в освободена и включена спирачна позиция, укрепване на монтажа чрез затягане и проверка на състоянието на гумените защитни елементи. Ако има течове в съединителите и резбовите връзки, те се затягат или се подменят уплътненията. За да се увеличи херметичността, се допуска използването на специални вещества-уплътнители или маслено-устойчиво лепило.
Поддръжката на трактори и машини трябва да се извършва в съответствие с техническото описание, инструкциите за експлоатация и техническата документация за поддръжка. Диагностиката се извършва с помощта на вградената апаратура на трактора или машината или външни диагностични инструменти, като се вземат предвид конструктивните особености на конкретните видове селскостопански машини, използваните масла и смазки и условията на работа. Производителите на пневматично оборудване произвеждат ремонтни комплекти от резервни части необходими за възстановяване на работоспособността на пневматичните устройства.