Физические основы пневматических систем

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 

 
 
 

 

 

К.Д. Ефремова, В.Н. Пильгунов 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  

ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 

Рекомендовано Научно-методическим советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2013 

УДК 62-85(075.8) 
ББК 34.447 
        Е92 

Рецензенты: В.И. Голубев, А.В. Яковлев 

Ефремова К. Д. 
Е92 
Физические основы пневматических систем : учеб. пособие /  

 
К. Д. Ефремова, В. Н. Пильгунов. – М. : Изд-во МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2013. 48, [4] с.  : ил. 

ISBN 978-5-7038-3718-4 

Изложены физические основы пневматических систем, широко применяемых в производственных процессах разных отраслей 
промышленности. Рассмотрены термодинамические процессы изменения состояния сжатого воздуха, являющегося рабочим телом 
пневматических устройств систем автоматики. Подробно описаны 
процессы истечения сжатого воздуха через отверстия и насадки, а 
также процессы заполнения и опорожнения пневматических емкостей постоянного и переменного объемов применительно к работе 
ресиверов и линейного пневматического привода. Приведены примеры расчета динамических характеристик пневматического привода, в том числе следящего. 
Для студентов 5-го курса МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих 
дисциплины «Пневматический привод и средства автоматики», 
«Технические средства автоматики», «Основы научного и инженерного эксперимента», а также для студентов, изучающих пневматический привод различных машин-автоматов. 

УДК 62-85(075.8) 
                                                                                        ББК 34.447 

ISBN 978-5-7038-3718-4 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ 

Пневматические системы, широко применяемые в промышленности в случаях, когда не требуются большие силы для преодоления нагрузки и высокая точность позиционирования, имеют в своем составе пневматический привод (пневмопривод) и 
элементы управления пневмоприводом. Типовая схема следящего пневмопривода с цифровым управлением представлена на 
рис. В1. 

Рис. В1. Типовая схема следящего пневмопривода 

В качестве исполнительного двигателя используется пневмоцилиндр с проходным штоком, который преодолевает нагрузку со 
всеми видами ее составляющих:  

 

2

0
2
 
 ,
a
x
d x
dx
P
K
K
K x
P
dt
dt




v
 
(В1) 

где Kad 
2 x/dt 
2 – инерционная составляющая; Kv dx/dt – скоростная 
составляющая; Kxx – позиционная составляющая; P0 – постоянная 
составляющая; x – перемещение штока. 
Управляющим элементом системы является пневматический 
распределитель с электромагнитным пропорциональным управлением. Управляющий сигнал и сигнал обратной связи поступают 
на входы аналого-цифровых преобразователей АЦП 1 и АЦП 2 
программируемого логического контроллера (ПЛК), выполняющего функции дискриминатора. Разностная цифровая величина 
ЦВ = ЦВ 1  ЦВ 2 поступает на вход цифроаналогового преобразователя ЦАП и после преобразования в разностный аналоговый 
сигнал u = uупр  uо.с. усиливается электронным усилителем 
мощности и управляет пропорциональными электромагнитами Y1 
и Y2. Cтабилизация давления p0 источника питания ограниченной 
мощности обеспечивается пневматической емкостью V0. Для исследования процессов заполнения и опорожнения пневматической 
емкости предусмотрены краны К1, К2, К3 и дроссели 1, 2, 3.  
В качестве рабочего тела в подавляющем числе пневмоприводов 
используется сжатый воздух. В пневмоприводах специального 
назначения, 
работающих 
в 
условиях 
повышенной 
взрывопожаробезопасности, применяется сжатый азот или аргон. В газовых приводах в качестве рабочего тела используются отработавшие 
газы ракетных двигателей. В боеприпасах высокоточного оружия 
обслуживание системы управления осуществляется с помощью 
набегающего потока воздуха. В отличие от рабочего тела гидравлического привода – жидкости, физические свойства которой практически не зависят от давления, рабочее тело пневмопривода – воздух, сжимаемость которого определяет ряд особенностей пневмопривода и его существенные недостатки, а именно: 
 накапливаемая энергия давления рабочего тела при известных условиях может превратиться в кинетическую энергию присоединенной массы и вызвать ударные нагрузки; 

 пневматические емкости при значении pV  1000 попадают 
под понятие «сосуд высокого давления», требуют государственной 
регистрации в надзорных органах и являются объектами повышенной опасности; это ограничивает уровень давления сжатого воздуха 
в промышленных пневмоприводах значением p  1 МПа; 
 исполнительный двигатель без установки дополнительных 
специальных средств не может обеспечить высокую плавность 
хода, точное позиционирование и удержание нагрузки; 
 в силу ограничения давления сжатого воздуха возрастают 
габариты исполнительных двигателей;  
 зависимость плотности сжатого воздуха от давления существенно усложняет расчет динамических характеристик пневмоприводов. 
При расчете динамических характеристик пневмопривода и 
решении задач их регулирования неизбежны трудности, обусловленные: 
 течением сжатого воздуха в узких рабочих щелях пневматических распределителей и сервозолотников; 
 заполнением пневматической емкости переменного объема 
(полость высокого давления пневмоцилиндра); 
 опорожнением пневматической емкости переменного объема 
(полость низкого давления пневмоцилиндра); 
 одновременным заполнением и опорожнением пневматической емкости постоянного объема (ресивера); 
 влиянием температуры окружающей среды на процессы 
движения сжатого воздуха в узких каналах пневматических аппаратов и на позиционирование (удержание) нагрузки.  
В связи с изложенным выше расчет и проектирование пневмоприводов и систем управления требуют специальных знаний физических свойств и особенностей упругой среды. 
Было бы несправедливым по отношению к пневмоприводу не 
упомянуть его несомненные достоинства: 
 высокую экологичность; 
 пожаробезопасность; 
 малую массу исполнительных двигателей и элементов 
управления; 
 дешевизну рабочего тела; 
 простоту технического обслуживания.