Стандартный номинальный расход пневматического оборудования: что такое и как определить

В пневматической системе параметр, показывающий количество воздуха, протекающего через некий канал в единицу времени, называется расходом. Различают массовый расход G [кг/с], который используют для точных расчетов в динамике, и объемный Q [м³/с], используемый для упрощенных расчетов и демонстрации характеристик отдельных пневмоэлементов и целых систем. Связь между ними простая – через плотность воздуха. Официальные единицы измерения используются для расчетов, а в каталогах значения расхода обычно указываются в литрах в минуту [л/мин.].

Понятно, что из-за сжимаемости воздуха объемный расход должен быть привязан к некоторому значению давления. В пневматике принято объемный расход Q выражать в литрах сухого воздуха под атмосферным давлением на уровне моря и при температуре 0° или 20°С – в зависимости от используемого стандарта. Это так называемые «нормальные литры» [нл], но часто слово «нормальные» пропускают. При этом весовой расход G=Q×ρ, где ρ=1,2920 кг/м³ (0°C) или 1,2041 кг/м³ (20°C).

Стандартный номинальный расход и как его измеряют

В качестве одной из основных характеристик любого пневматического устройства принят так называемый стандартный номинальный расход q_nN, который определяют с помощью установки, показанной на рисунке ниже.

На вход испытуемого образца подается давление р₁. При закрытом дросселе второй манометр, измеряющий давление на выходе р₂, показывает такое же значение – расход равен нулю. Открывая дроссель и добиваясь различных показаний давления р₂, измеряют соответствующий этим показаниям расход. Так снимается расходно-перепадная характеристика устройства для ряда значений р₁, а значение расхода, полученное при р₁=6 бар и р₂=5 бар (абсолютное 7 и 6 бар), записывается как стандартный номинальный расход q_nN.

В реальной жизни условия работы устройства могут отличаться от стандартных, поэтому и расход оно будет пропускать другой. При наличии расходно-перепадной характеристики это сделать просто – находим на нужной кривой p₁ (давление на входе, например, давление питания) точку, соответствующую давлению на выходе р₂, и считываем показания расхода.

Как подобрать устройство с нужным стандартным номинальный расходом

Часто приходится решать другую задачу: какой должен быть стандартный номинальный расход устройства q_nN, через которое заполняется полость пневмоцилиндра данного размера при данном рабочем давлении, чтобы нагрузка перемещалась с нужной скоростью. Другими словами, какое устройство нужно выбрать из каталога, где указан только q_nN?

Базовая формула расхода воздуха

Фактический расход воздуха через пневмоцилиндр можно определить по формуле:

$$ Q = S \cdot v \cdot \frac{P_{\text{абс}}}{P_{\text{атм}}} $$

где:

• S — площадь поршня, м²;
• v — скорость поршня, м/с;
• P_абс — абсолютное давление в рабочей полости, Па (или бар);
• P_атм — атмосферное давление, Па (или бар).

Для быстрого определения расхода Q можно воспользоваться специальным калькулятором потребления воздуха пневмоцилиндром.

Необходимость пересчёта к нормальным условиям

В справочной и нормативной документации производительность пневматических компонентов указывается в нормальных литрах в минуту (Nl/min). Это объём воздуха, который компонент бы пропустил, если бы воздух имел:

• температуру: 0 °C (273,15 K);
• давление: 1,013 бар (абсолютное);
• влажность: 0% (сухой воздух).

Следовательно, нужно преобразовать фактический расход воздуха к эквивалентному значению при этих условиях. Это делается с помощью специальной поправочной формулы.

$$ q_{nN} = Q \cdot \sqrt{ \frac{(p_{1nN} - p_{2nN}) \cdot p_{2nN}}{(p_1 - p_2) \cdot p_2} } $$

где:

• q_nN — расход, приведённый к нормальным условиям (нл/мин);
• Q — фактический объёмный расход (л/мин);
• p₁, p₂ — абсолютные давления на входе и выходе (в бар);
• p_1nN, p_2nN — те же давления, но в «нормативном» режиме для пересчёта (например, 7 и 6 бар).

Часто производители указывают в каталоге расход q_nN при следующих условиях:

• p₁=6 бар, т.е. p_1nN = p₁ + p_атм = 6 + 1 = 7 бар
• Δp=1 бар, т.е. p_2nN = p_1nN - Δp = 7 - 1 = 6 бар

В этом случае формула упрощается до:

$$ q_{nN} = Q \cdot \frac{2{,}45}{\sqrt{(p_1 - p_2) \cdot p_2}} $$

Происхождение формулы

Представленная формула — это не строгое физическое уравнение, а инженерная приближённая формула. Она базируется на:

• законах газодинамики и течения сжимаемого воздуха через отверстия;
• соотношении давления и плотности воздуха;
• принципах подобия и масштабирования расхода воздуха в различных условиях;
• эмпирических данных, полученных в ходе испытаний оборудования и типовых режимов.

Таким образом, эта формула позволяет пересчитать любой фактический расход воздуха в приведённое значение, которое удобно использовать для:

• сравнения производительности оборудования;
• подбора компонентов пневмосистем;
• проверки допустимых расходов по документации производителей.