Приводные устройства >

Пневматические двигатели (пневмодвигатели)

Пневмодвигатели, они же пневмомоторы - это устройства, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую работу. В широком смысле слова, механическую работу пневматического двигателя понимают как линейное или ротационное движение - однако, все же, пневмодвигатели, создающие линейное возвратно-поступательное движение, чаще называют пневмоцилиндрами, а понятие «пневматического двигателя» обычно ассоциируется с ротацией вала. В свою очередь, ротационные пневмодвигатели подразделяются, по принципу своей работы, на лопаточные (они же пластинчатые) и поршневые - компания Parker производит оба типа.

Мы думаем, что многие посетители нашего сайта не хуже нас знакомы с тем, что такое пневмодвигатель, какие они бывают, как их подбирать и прочими связанными с этими устройствами вопросами. Таким посетителям, наверное, хотелось бы сразу перейти к технической информации о предлагаемых нами пневматических двигателях:

• Серия P1V-P: радиальные поршневые, 74...228 Вт
• Серия P1V-M: пластинчатые, 200...600 Вт
• Серия P1V-S: пластинчатые, 20...1200 Вт, нержавеющая сталь
• Серия P1V-A: пластинчатые, 1,6...3,6 кВт
• Серия P1V-B: пластинчатые, 5,1...18 кВт

Для не столь хорошо знакомых с пневмомоторами наших посетителей, мы подготовили по ним некоторую основную информацию справочного и теоретического характера, которая, как мы надеемся, может оказаться кому-нибудь полезной:

Пневмомоторы существуют уже в течение примерно двух веков, и в наши дни довольно широко используются в промышленном оборудовании, ручном инструменте, в авиации (в качестве стартеров) и в некоторых других областях.

Существуют также и примеры применения пневматических моторов в конструкции автомобилей, работающих на сжатом воздухе - сначала еще на заре автомобилестроения в XIX веке, и позднее, в ходе нового интереса к «ненефтяным» автомобильным двигателям начиная с 80х годов XX века - однако, к сожалению, последний тип применения пока представляется малоперспективным.

Основными «конкурентами» пневмодвигателей являются электрические двигатели, которые претендуют на применение в тех же областях, что и пневматические двигатели. Можно отметить следующие общие преимущества пневматических двигателей перед электрическими:
- пневмотор занимает меньше места, чем соответствующий ему по основным параметрам электродвигатель
- пневмомотор обычно в несколько раз легче соответствующего электромотора
- пневмодвигатели без проблем выдерживают высокую температуру, сильную вибрацию, удары и другие внешние воздействия
- большинство пневмомоторов полностью пригодны для использования во взрывоопасных местах установки и сертифицированы по ATEX
- пневмодвигатели значительно более, чем электромоторы, толерантны к пускам/остановкам
- обслуживание пневматических моторов проводить значительно проще, чем электрических
- пневмодвигатели стандартно имеют возможность обратного хода
- пневмодвигатели, в целом, занчительно надежнее электродвигателей - благодаря простоте конструкции и малому количеству движущихся частей

Разумеется, несмотря на эти преимущества, сплошь и рядом, все же, применение электродвигателей оказывается более эффективным как с технической, так и с экономической точек зрения; однако там, где все же используется пневмопривод, это объясняется обычно одним или более из вышеперечисленных его преимуществ.

Принцип работы и устройства пластинчатого пневмодвигателя

Принцип работы пластинчатого пневмодвигателя
1 - корпус ротора (цилиндр)
2 - ротор
3 - лопатки
4 - пружина (толкает лопатки)
5 - торцевой фланец с подшипниками

Мы предлагаем пневмодвигатели двух типов: поршневые и пластинчатые (они же лопаточные); при этом, последние являются более простыми, надежными, совершенными и, как следствие, распространенными. Кроме того, они обычно и меньше поршневых пневмомоторов, что облегчает их установку в компактные корпуса использующих их устройств. Принцип работы пластинчатого электродвигателя практически обратен принципу работы пластинчатого компрессора: в компрессоре, подача вращения (от электродвигателя или двиигателя внутреннего сгорания) на вал вызывает вращение ротора с выезжающими из его пазов лопатками, и, таким образом, сокращение камер сжатия; в пневматическом двигателе, сжатый воздух подается на лопатки, что вызывает вращение ротора - то есть, энергия сжатого воздуха преобразуется в пневмодвигателе в механическую работу (вращательное движение вала).

Лопаточный пневмодвигатель состоит из цилиндра-корпуса, в котором на подшипниках размещен ротор - причем, размещен не прямо по центру полости, а со смещением относительно последнего. По всей длине ротора прорезаны пазы, в которые вставлены изготовленные из графита или иного материала лопатки. Лопатки выталикаются из пазов ротора действием пружин, прижимаясь к стенкам корпуса и образуя между своей, корпуса и ротора поверхностями полость - рабочую камеру.

Сжатый воздух подается на вход рабочей камеры (подавать его можно с обеих сторон) и толкает лопатки ротора, что, в свою очередь, вызывает вращение последнего. Сжатый воздух проходит в полости между платинками и поверхностями корпуса и ротора до выходного отверстия, через которое и выбрасывается в атмосферу. В пластинчатых пневмодвигателях, вращающий момент определяется площадью поверхности лопаток, подвергающейся давлению воздуха, и уровнем этого давления.

Как подобрать пневматический двигатель?

n	скорость
M	крутящий момент
P	мощность
Q	потребление СжВ
	Возможный режим работы
	Оптимальный режим работы
	Высокий износ (не всегда)

Для каждого пневматического двигателя, можно нарисовать график, показывающий зависимость крутящего момента M и мощности P, а также потребления сжатого воздуха Q, от скорости вращения n (пример размещен на рисунке справа).

Если двигатель простаивает или вращается в свободном режиме без нагрузки на выходном валу, он не развивает никакой мощности. Обычно, максимальная мощность развивается при торможении двигателя примерно до половины его максимальной скорости вращения.

Что касается крутящего момента, то в режиме свободного вращения он тоже равен нулю. Сразу же после начала торможения двигателя (при появлении нагрузки), крутящий момент начинает линейно расти до тех пор, пока двигатель не встанет. Однако, нельзя указать точное значение стартового крутящего момента - по той причине, что лопасти (или поршни у поршневого пневмодвигателя) могут при его полной остановке находиться в разных положениях; указывают всегда только минимальный стартовый крутящий момент.

При этом следует отметить, что неправильный подбор пневматического двигателя чреват не только неэффективностью его работы, но и бóльшим его износом: на высоких скоростях, быстрее изнашиваются лопатки; на низких скоростях при высоком крутящем моменте, быстрее изнашиваются части трансмиссии.

Обычный подбор: нужно знать крутящий момент M и скорость n

При обычном подходе к подбору пневмодвигателя, начинают с установления вращающего момента при какой-либо определенной требуемой скорости. Другими словами, для подбора двигателя нужно знать требующиеся вращающий момент и скорость. Так как, как мы отметили выше, максимальная мощность развивается примерно при ½ максимальной (свободной) скорости пневмомотора, то, в идеале, следует выбирать пневмодвигатель, который показывает требуемую скорость и крутящий момент при значении мощности, близком к максимальному. Для каждого агрегата имеются соответствующие графики, позволяющие определить его пригодность для конкретного использования.

Небольшая подсказка: в общем случае, можно выбрать пневматический мотор, который при максимальной мощности обеспечивает слегка бóльшие, чем требуется, скорость и крутящий момент, а затем отрегулировать их путем регулирования давления редуктором-регулятором и/или расхода сжатого воздуха с помощью ограничителя потока.

Если момент силы M и скорость n не известны

В некоторых случаях, вращающий момент и скорость не известны, но известны требуемая скорость движения груза, момент рычага (радиус-вектор, или, проще говоря, расстояние от центра приложения силы) и потребляемая мощность. Исходя из этих параметров, можно рассчитать вращающий момент и скорость:

Сначала, хотя эта формула и не поможет напрямую в расчете требуемых параметров, уточним, что является мощностью (она же в случае пневмодвигателей - вращающая сила). Итак, мощность (сила) является произведением массы на ускорение свободного падения:

Где
F - искомая мощность [Н] (помним, что ),
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²

Например, на иллюстрации справа к барабану, зарепленному на выходном валу пневмодвигателя, подвешен груз массой 150 кг. Происходит дело на Земле, в городе Москва, и ускорение свободного падения составляет примерно 9,8154 м/с². В этом случае, сила составляет примерно 1472 кг·м/c², или 1472 Н. Еще раз повторимся, что эта формула не имеет прямого отношения к предлагаемым нами методам подбора пневмодвигателей.

Вращающий момент, он же момент силы, это сила, прилагаемая для придания объекту вращения. Момент силы является произведением вращающей силы (рассчитанной по формуле выше) и расстояния от центра до точки ее приложения (момент рычага, или, проще говоря, расстояние от центра вала пневмодвигателя до, в данном случае, поверхности закрепленного на валу барабана). Рассчитываем момент силы (он же вращающий, он же крутящий момент):

Где
M - искомый момент силы (вращающий момент) [Н·м],
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²
r - момент рычага (радиус от центра) [м]

Например, если диаметр вала+барабана составляет 300 мм = 0,3 м, и, соответственно, момент рычага = 0,15 м, то вращающий момент составит примерно 221 Н·м. Вращающий момент - это один из необходимых параметром для подбора пневмодвигателя. По формуле выше его можно рассчитать, исходя из знания массы и момента рычага (в подавляющем большинстве случаев различиями в ускорении свободного падения можно пренебречь из-за редкости применения пневматических двигателей в космосе).

Скорость вращения ротора пневматического двигателя можно рассчитать, зная скорость поступательного движения нагрузки и момент рычага:

Где
n - искомая скорость вращения [мин -1 ],
v - скорость поступательного движения нагрузки [м/с],
r - момент рычага (радиус от центра) [м],
π - константа 3,14
Поправочный коэффициент 60 введен в формулу для того, чтобы перевести обороты в секунды в более удобные для восприятия и более широко распространенные в технической документации обороты в минуту.

Например, при поступательной скорости 1,5 м/с и предложенном и в предидущем примере моменте рычага (радиусе) 0,15 м, требуемая скорость вращения вала составит примерно 96 об/мин. Скорость вращения является еще одним нужным для подбора пневматического мотора параметром. По формуле выше ее можно рассчитать, зная момент рычага и скорость поступательного движения нагрузки.

Где
P - требуемая мощность [кВт] (помним, что ),
M - момент силы, он же крутящий момент [Н·м],
n - скорость вращения [мин -1 ],
9550 - константа (равна 30/π для преобразования скорости из радиан/с в обороты/мин, с умножением на 1000 для преобразования ватт в более удобные для восприятия и более распространенные в технической документации киловатты)

Например, если крутящий момент составляет 221 Н·м при скорости вращения 96 мин -1 , то требуемая мощность составит примерно 2,2 кВт. Разумеется, из этой формулы можно вывести и обратные: для вычисления вращающего момента или скорости вращения вала пневматического мотора.

Типы трансмиссии (редуктора)

Как правило, вал пневмодвигателя соединяется с реципиентом вращения не напрямую, а через интегрированную в конструкцию пневмодвигателя трансмиссию-редуктор. Редукторы бывают разных типов, основными из которых являются планетарные, геликоидальные и червячные.

Планетарный редуктор

Планетарные редукторы характеризуются высоким КПД, низким инерционным моментом, возможностью создания высоких передаточных чисел, а также небольшими, по отношению к создаваемому крутящему моменту, габаритами. Выходной вал всегда находится в центре корпуса планетарной передачи. Части планетарного редуктора смазываются смазкой, что означает, что пневмомотор с таким редуктором можно установить в любом желаемом положении.
+ небольшие установочные размеры
+ свобода при выборе положения установки
+ простое фланцевое соединение
+ небольшая масса
+ выходной вал находится в центре
+ высокая эффективность работы

Геликоидальный редуктор

Геликоидальные трансмиссии также отличаются высокой эффективностью. Несколько ступеней редуцирования позволяют достичь высоких передаточных чисел. Удобству и гибкости в установке способствует центральное расположение выходного вала и возможность установки пневматического двигателя с геликоидальным редуктором как на фланец, так и на стойках.

Однако, подобные редукторы смазываются разбрызгиванием масла (имеется своего рода «масляная ванна», в которую всегда должны быть частично погружены движущиеся части редуктора), и, поэтому, положение пневматического двигателя с подобной передачей должно быть определено заранее - с учетом этого, будет определен и надлежащий объем масла, который должен быть залит в трансмиссию, и положение заливных и сливных штуцеров.
+ высокая эффективность
+ простая установка через фланец или стойки
+ относительно низкая цена
- необходимость заранее планировать установочное положение
- более высокая, чем у планетарных или червячных редукторов, масса

Червячный редуктор

Червячные передачи отличаются относительно простой конструкцией, на основе шнека и шестерни, благодаря чему с помощью такого редуктора можно получить высокие передаточные числа при малых габаритных размерах. Однако, эффективность червячной передачи значительно ниже, чем планетарной или геликоидальной.

Выходной вал направлен под углом 90° по отношению к валу пневмодвигателя. Установка пневмодвигателя с червячной передачей возможна как через фланец, так и на стойках. Однако, как и в случае с геликоидальными передачами, она несколько осложняется тем, что червячные редукторы, как и геликоидальные, тоже используют смазку разбрызгиванием масла - поэтому, установочное положение таких систем тоже нужно знать заранее, т.к. оно повлияет на объем заливаемого в редуктор масла, а также на положение заливных и дренажных присоединений.
+ низкая, по отношению к передаточному числу, масса
+ относительно низкая цена
- относительно низкий КПД
- необходимо заранее знать установочное положение
+/- выходной вал находится под углом 90° к валу пневмомотора

Методы регулировки пневмодвигателей

В таблице ниже показаны два основных способа регулирования работы пневматических двигателей:

Регулирование расхода Основным методом регулирования работы пневмодвигателей является установка на входе одноходового двигателя регулятора расхода сжатого воздуха (ограничителя потока). В тех случаях, когда предполагается реверс двигателя, и нужно ограничить его скорость в обоих направлениях, регуляторы с байпасными линиями следует установить на обеих сторонах пневмодвигателя. Ограничение подачи или выхода на 1-ходовом моторе Ограничение подачи на моторе с обратным ходом Ограничение выхода на моторе с обратным ходом При регулировании (ограничении) подачи в пневмодвигатель сжатого воздуха, при сохранении его давления, свободная скорость вращения ротора пневматического двигателя падает - при сохранении, однако, полного давления сжатого воздуха на поверхность лопастей. Кривая изменения крутящего момента становится более крутой: Кривая крутящего момента Это значит, что на низких скоростях вращения от пневмодвигателя возможно получить полный крутящий момент. Однако, это также означает, что при равной скорости вращения, мотор развивает меньший крутящий момент, чем он развил бы при подаче полного объема сжатого воздуха.

Регулирование давления Скорость и вращающий момент пневмомотора можно также регулировать путем изменения давления поступающего на него сжатого воздуха. Для этого, на входном трубопроводе устанавливают редуктор-регулятор давления. В результате, мотор постоянно получает неограниченный объем сжатого воздуха, но при меньшим давлении. При этом, при появлении нагрузки, он развивает на выходном валу меньший крутящий момент. Регулирование давления Регулирование давления Уменьшение входного давления сжатого воздуха снижает крутящий момент, создаваемый мотором при торможении (появлении нагрузки), но также и снижает скорость.

Контроль работы и направления вращения

Пневматический двигатель работает, когда в него подается, и когда из него выходит, сжатый воздух. Если требуется обеспечить вращение вала пневмодвигателя только в одном направлении, то подача сжатого воздуха должна быть предусмотрена только на один из пневмовходов агрегата; соответственно, если нужно, чтобы вал пневмодвигателя вращался в двух направлениях, то нужно предусмотреть чередование подачи сжатого воздуха между обоими входами.

Подача и отвод сжатого воздуха осуществляется с помощью контрольных клапанов. Они могут быть разными по способу активации: наиболее распространены клапаны с электрическим управлением (электромагнитные, они же соленоидные, открытие или закрытие которых производится путем подачи напряжения на индукционную катушку, втягивающую в себя поршень), с пневматическим управлением (когда сигнал на открытие или закрытие подается путем подачи сжатого воздуха), механические (когда открытие или закрытие вызывается механически, путем автоматического нажатия на некую кнопку или рычаг) и ручные (сходные с механическими, за исключением того, что открытие или закрытие клапана производится непосредственно человеком).

Самый простой случай мы видим, конечно, у односторонних пневмомоторов: для них, нужно обеспечить только подачу сжатого воздуха на один из входов. Контролировать каким-либо образом выход сжатого воздуха из другого пневматического присоединения пневмомотора нет необходимости. В этом случае, достаточно установки на входе сжатого воздуха в пневмодвигатель 2/2-ходового соленоидного клапана, или иного 2/2-ходового клапана (напомним, что конструкция «X/Y-ходовой клапан» означает, что у этого клапана имеется X портов, через которые может производится подача или отвод рабочей среды, и Y положений, в которых может находиться рабочая часть клапана). На рисунке справа, правда, показано использование 3/2-ходового клапана (еще раз повторим, что в случае с одноходовыми пневматическими моторами не принципиально, какой клапан использовать - 2/2-ходовой или 3/2-ходовой). Вообще, на рисунке справа последовательно, слева направо, схематично показаны следующие устройства: отсечной кран, фильтр сжатого воздуха, регулятор давления, 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода, пневмодвигатель.

В случае с двухсторонними двигателями, задача незначительно усложняется. Первым вариантом является использование одного 5/3-ходового клапана - такой клапан будет иметь 3 положения (остановка, передний ход, реверс) и 5 портов (один для входа сжатого воздуха, по одному на подачу сжатого воздуха на каждый из двух пневмоприсоединений пневмодвигателя, и еще по одному для отвода сжатого воздуха от каждого из этих же двух присоединений). Конечно, такой клапан будет иметь и не менее двух актуаторов - в случае, например, с соленоидным клапаном, это будут 2 индукционные катушки. На рисунке справа показаны последовательно, слева направо: 5/3-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном (чтобы сжатый воздух мог выйти), пневмодвигатель, еще один регулятор расхода с обратным клапаном.

Альтернативным вариантом управления двухходовым пневмомотором является использование двух раздельных 3/2-ходовых клапанов. Принципиально такая схема не отличается от описанного в предыдущем абзаце варианта с 5/3-ходовым клапаном. На рисунке справа последовательно, слева направо, показаны: 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, пневмодвигатель, еще один регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, и еще один 3/2-ходовой клапан.

Глушение шума

Шум, создаваемый пневмодвигателем при работе, складывается из механического шума от движущихся частей и из шума, создаваемого пульсацией сжатого воздуха, выходящего из двигателя. Влияние шума от пневмодвигателя может довольно заметно сказываться на общем шумовом фоне в месте установки - если, например, позволить сжатому воздуху свободно выходить из пневмомотора в атмосферу, то уровень звукового давления может доходить, в зависимости от конкретного агрегата, до 100-110 дБ(А) и даже больше.

Во-первых, нужно стараться, по возможности, избегать создания эффекта механического резонанса звука. Но даже в наилучших условиях, шум может все равно быть очень заметным и некомфортным. Для устранения шума, следует использовать фильтры-глушители - несложные устройства, специально предназначенные для этой цели и рассеивающие в своем корпусе и фильтрующем материале поток сжатого воздуха.

По материалу конструкции, глушители подразделаются на изготовленные из синтерированной (то есть превращенной в порошок, и затем сформованной/спеченной при высоком давлении и температуре) бронзы, меди или нержавеющей стали, синтерированных же пластиков, а также на сделанные из сплетенной проволоки, заключенной в сетчатый стальной или алюминиевый корпус, и сделанные на основе других фильтрующих материалов. Первые два типа обычно бывают небольшими как по пропускной способности, так и по размеру, и недорогими. Такие глушители обычно ставят на сам пневмодвигатель или около него. Примером их могут служить, среди прочих, .

Глушители из проволочной сетки могут иметь очень большую пропускную способность (даже на порядки превышающую потребность в сжатом воздухе самого большого пневматического мотора), большой диаметр присоединения (из предлагаемых нами, до резьбы 2"). Проволочные глушители, как правило, загрязняются значительно медленнее, могут быть эффективно и многократно регенированы - но, к сожалению, и стоят они обычно значительно дороже синтерированных бронзовых или пластиковых.

Что касается размещения глушителей, то существует два основных варианта. Самым простым способом является навинтить глушитель непосредственно на пневмомотор (при необходимости, через переходник). Однако, во-первых, сжатый воздух на выходе пневмодвигателя обычно подвержен довольно сильным пульсациям, которые как уменьшают эффективность глушителя, так и, потенциально, снижают его срок службы. Во-вторых, глушитель не убирает шум совсем, а лишь снижает его - и при размещении глушителя на агрегате, шума, скорее всего, будет все равно довольно много. Поэтому, по возможности и при желании, для максимального снижения уровня звукового давления следует предпринять, выборочно или в совокупности, следующие меры: 1) установить между пневматическим мотором и глушителем некую раширительную камеру, снижающую пульсацию сжатого воздуха, 2) присоединить глушетиль через мягкий гибкий шланг, служащий для той же цели, и 3) вывести глушитель туда, где шум не будет никому мешать.

Следует также помнить, что изначально недостаточная пропускная способность глушителя (из-за ошибки в подборе) или его возникшая в ходе эксплуатации (частичная) блокировка от загрязенения могут привести к значительному сопротивлению, оказываемому глушителем потоку выходящего сжатого воздуха - что, в свою очередь, приводит к снижению мощности пневмодвигателя. Выбирайте (в том числе консультируясь с нами) достаточный по пропускной способности глушитель и затем, при его эксплуатации, следите за его состоянием!

Резвое распространение бензиново-электрического гибридного привода привело к тому, что сейчас его считают, чуть не единственной кандидатурой автомобилям, снаряженным единственным бензиновым двигателем. Все современные серийные гибридные авто употребляют такие силовые установки в купе с электронными моторами, энергия для которых генерируется методом рекуперации энергии торможения. Результатом таковой практики является значимая экономия горючего и минимизация вредного воздействия на окружающую среду. Платой за эти положительные стороны является существенное повышение себестоимости производства автомобилей с гибридными силовыми установками.

Машина на сжатом воздухе.

Такое положение вещей привело к тому, что многие компании приступили к поиску альтернатив уже сделанным гибридным установкам, более прибыльным и исходя из убеждений эксплуатации, и исходя из убеждений производства. Одним из решений, кажущимся полностью удачным и действенным, было найдено внедрение автомобилей на сжатом воздухе (нужно увидеть, что трамвай, работающий на сжатом воздухе, появился еще в конце девятнадцатого века).

Механизм работы таких установок базируется на том, что рекуперированную энергию торможения подразумевается аккумулировать не в электронную, а в механическую. Аккумуляторные батареи предлагается поменять емкостями для хранения сжатого воздуха, а электронные движки – компрессорными установками.

Вобщем, энергии 1-го только сжатого воздуха для движения автомобиля хватило бы не на длительно. Современные авто на сжатом воздухе не являются такими в незапятанной форме. По собственной сущности – это те же модификации, основной частью которых как и раньше являются движки внутреннего сгорания. Но большим их преимуществом является факт, что не считая бензиновых силовых установок, они не требуют оборудования дополнительными движками (как, например, бензиново-электрические, где требуется электромотор). Авто на воздухе, который сжат энергией торможения, работают на тех же, узнаваемых уже вторую сотку лет, движках внутреннего сгорания. Вот только значительно улучшенными.

Усовершенствование, а точнее модификация ДВС состоит в том, что все установленные в их цилиндры, на горючем работают только по мере надобности довольно большой мощности (очень утрированное, но довольно точно описывающее сущность описание). В остальное же время в цилиндры подается компрессионно сжатый воздух, который и поставляет энергию, заставляющую вертеться маховик.

Работа механизма подачи сжатого воздуха.

Если более тщательно обрисовывать работу автомобилей на сжатом воздухе, то удобнее ассоциировать его работу с обычным бензиновым двигателем. Итак, обычный ДВС имеет в собственном рабочем цикле четыре такта, протекающих в каждом цилиндре:

• Впуск.
• Сжатие.
• Рабочий ход.
• Выброс.

В пневматических же моторах такты распределены меж парами цилиндров (компрессионных и основных). В компрессионном происходит впуск и предстоящее сжатие воздуха. В основном же, соответственно, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Сжатый воздух из компрессионного цилиндра поступает в главный. Для этого устроены особые перепускные клапана и система клапанов.

Самое увлекательное в работе такового мотора, что рабочий ход в нем может осуществляться за счет энергии 2-ух видов: сгорания горючего и расширения сжатого ранее воздуха.

Более принципиально также и то, что два вида энергии, потребляемом движком на сжатом воздухе и горючем, не приводит к умножению на два числа цилиндров, как могло бы показаться вначале. По сути, рабочий ход в основном цилиндре соответствует каждому обороту вала (точно также как и в двухтактном моторе), а не каждому второму обороту, что является отличительной чертой четырехтактного мотора.

Нужно увидеть, что таковой механизм работы пневматических движков был придуман инженером-испытателем Формулы-1 Гаем Негре. Основанная им компания MDI даже запустила в серию некоторое количество видов автомобилей с схожими гибридными силовыми установками. Но в компании не тормознули на достигнутом, и на данный момент запущен в серию и выпускается автомобиль OneCat, где движок Негре работает только на сжатом воздухе.

Не считая того, таковой принцип использования энергии сжатого воздуха для приведения в движение автомобиля является хоть и самым «раскрученным», но далековато не единственным. Еще в конце 80-х годов инженер волжского авто завода Николай Пустынский изобрел и собрал пневмодвигатель, на девяносто 5 процентов похожий с бензиновым двигателем, но работающий только на сжатом воздухе. В авто индустрии изобретение Пустынского внедрения так и не отыскало, но оно было применено для сотворения силовых установок к карам, перевозящим грузы в цехах заводов.

Движок ДиПьетро.

Но самым восхитительным по оригинальности решения и эффективности остается движок австралийского изобретателя Анджело ДиПьетро, разработанный им в 70-х годах двадцатого столетия. Принципно новенькая конструкция мотора ДиПьетро не подразумевает присутствия в нем цилиндров и поршней в их вообщем. В особом корпусе устройства крутится кольцо, опирающееся на особые, закрепленные на валу ролики. По кругу кольца размещены особые камеры, способные изменять собственный объем под воздействием сжатого воздуха и, тем, крутить ротор, передающий движение на колеса.

Движок ДиПьетро легок и конструктивно прост, по этому им можно оснащать авто на сжатом под определенным давлением воздухе. Эффективнее всего устанавливать раздельно такие силовые установки на каждое колесо автомобиля. Не считая того, движок австралийского изобретателя обладает способностью выдавать наибольший вращающий момент даже на самых низких оборотах, что практически автоматом позволяет создавать авто на сжатом в особых емкостях воздухе, не снаряженные коробкой.

Производственные технологии и дизайн в наибольшей степени определяют достоинства и недостатки биологических микрочипов, области их применения, ценовые характеристики и общую доступность.

Существуют два принципиально разных подхода к производству ДНК–чипов: синтез ДНК заданной последовательности непосредственно на матрице и иммобилизация на подложке заранее синтезированных олигонуклеотидов химическим путем. Технология синтеза олигонуклеотидов на подложке фотолитографическим путем запатентована и применяется компанией Affymetrix, мировым лидером в области производства ДНК – чипов, контролирующим до 70% их мирового рынка. В основе технологии лежит применение фотолабильной защитной группы для мономерных звеньев ДНК, которая удаляется с концевого остатка синтезируемого на подложке олигонуклеотида при облучении УФ – светом. Достоинством такой технологии является возможность получения чипов с очень высокой плотностью нанесения – до 100 000 точек на 1 см2. Очевидный недостаток метода – сложность и дороговизна процесса.

Технологии химической иммобилизации фрагментов ДНК на твердых подложках начали разрабатываться около 30 лет назад и в настоящий момент продолжают совершенствоваться. Общий принцип иммобилизации биологических молекул – формирование на поверхности подложки и на конце пришиваемого олигонуклеотида пары химических групп, обеспечивающей образование между ними ковалентной связи. Существует огромное количество таких способов, большинство из которых основано на взаимодействии нуклеофильной группы (например, аминогруппы), находящейся на поверхности подложки или привязанной к молекуле олигонуклеотида, с электрофильным агентом, в роли которого могут выступать тем или иным путем активированные карбоновые кислоты, моноэфиры фосфорной кислоты и т.д.

Оценка экспрессии генов с помощью ДНК микрочипов (на примере Affymetrix GeneChip )

Наиболее часто ДНК-микрочипы применяются для оценки экспрессии генов. Наиболее популярная платформа для решения этого класса задач - микрочипы Affymetrix GeneChip, использующие короткие последовательности олигонуклеотидов для выявления генов, содержащихся в образце РНК. Присутствие в образце каждого гена фиксируется при помощи совокупности зондов длиной в 25 нуклеотидов каждый. Для улучшения качества эксперимента на чипе размещается несколько копий зондов на каждую рассматриваемую последовательность.

Микрочипы Affymetrix обычно используют от 11 до 20 пар проб на каждый изучаемый ген. Одна компонента таких пар, называемая perfect match probe (PM), в точности комплементарна последовательности соответствующего гена - подразумевается, что именно его РНК будет присоединяться к PM-зонду. Такое присоединение называется специфической гибридизацией. Тем не менее, к зондам могут присоединяться нуклеотидные последовательности и других генов (неспецифическая гибридизация). Для оценки воздействия неспецифической гибридизации используется другие компоненты пары - зонды, называемые mismatch probe (MM). Последовательность нуклеотидов в них совпадает с последовательностью в соответствующих PM-пробах с заменой центрального (тринадцатого) нуклеотида на комплементарный. Соотношение интенсивности свечения PM- и MM-проб изначально использовалось для нейтрализации эффекта неспецифической гибридизации, однако более поздние исследования поставили под сомнение правильность подобного подхода.

Полногеномное генотипирование полиморфных локусов с помощью микрочипов высокой плотности (на примере Illumina Human610-Quad BeadChip )

К настоящему времени ведущими производителями (Illumina, Affymetrix, Sequenom и др.) разработаны платформы с микрочипами высокой плотности для генотипирования и анализа экспрессии генов (рис. 30)

Illumina Human610-Quad BeadChip включает более 600 тысяч однонуклеотидных полиморфизмов и маркеров вариации по числу копий генов (CNV). Каждый ОНП (SNP) для биочипа отобран на основании точной о нем информации для повышения эффективности определения ассоциации с заболеванием. В геноме человека более 10 миллионов ОНП и изучение каждого полиморфного локуса в геноме экономически нецелесообразно. Компанией Illumina разработан уникальный рациональный подход к выбору ОНП, который обеспечивает высокое качество данных генотипирования и охват всех необходимых локусов для анализа предрасположенности к заболеванию.

Рис.30. Чиповые технологии для высокопроизводительного генотипирования

В состав биочипов Illumina включен набор ОНП, называемых маркерными или таговыми (tag SNP), которые могут быть использованы в качестве прокси-маркеров (маркеров-представителей) для всех распространенных ОНП (с частотой редкого аллеля ≥ 5%) в геноме. Выбор маркерных ОНП основывается на величине неравновесия по сцеплению (r 2) между близкорасположенными полиморфными локусами. Высокий уровень r 2 между двумя ОНП, указывающий на высокую корреляцию, делает эти ОНП хорошими прокси-маркерами. При максимальном r 2 , равном 1, два ОНП находятся в полном неравновесии по сцеплению и могут служить как абсолютные прокси-маркеры, т.е. нужно генотипировать один ОНП, чтобы узнать генотип другого (The Power of Intelligent SNP Selection (www.illumina.com)). Использование маркерных ОНП дает возможность получить максимальное количество информации, высокий уровень покрытия генома и охват генов, а также уменьшить размер исследуемой выборки без снижения эффективности определения генетической ассоциации. Геномное покрытие определяется как количество ОНП, которые находятся в неравновесии по сцеплению с референсным набором локусов. В качестве референсного набора специалисты компании Illumina используют все ОНП, прогенотипированные в проекте HapMap. По данным компании Illumina, биочип Human610-Quad BeadChip обеспечивает покрытие 89% генома в европейских популяциях (CEU, HapMap), 86% генома - в азиатских (CHB+JPT, HapMap) и 58% генома – в африканских (YRI, HapMap) (при r 2 > 0.8). Среднее расстояние между маркерами на этом биочипе составляет 4,7 т.п.н., медиана – 2,7 т.п.н.

Технология Illumina’s BeadArray основана на использовании 3-микронных кремниевых микросфер (шариков – beads), которые сами собираются в микролунки или на пучках оптических волокон или на плоских кремниевых пластинах. Каждая микросфера покрыта тысячами копий специфических олигонуклеотидов, содержащих локус-специфические и адресные последовательности, по последним из которых определяется, какой шарик в какую микроячейку встроился.

На первом этапе генотипирования проводится полногеномная амплификация образцов ДНК, после которой ДНК фрагментируется (рис.31). На следующем этапе немеченые фрагменты образцов ДНК гибридизуются с соответствующими 50-нуклеотидными зондами, фиксированными на микросферах чипа. После этого для точной идентификации аллеля к тестируемому нуклеотиду с помощью фермента ДНК-полимеразы присоединяется меченый комплементарный нуклеотид. Двухэтапная детекция аллелей каждого маркера – гибридизация с 50-нуклеотидными зондами и последующая ферментативная детекция нуклеотида обеспечивают высокую селективность и специфичность идентификации аллелей (Infinium® HD DNA Analysis BeadChips (www.illumina.com)).

Рис. 31. Схема протокола генотипирования с помощью биочипов Illumina Human610 quad BeadChip (Infinium® HD DNA Analysis BeadChips (www.illumina.com).

Таким образом, в представленном учебном пособии рассмотрены основные молекулярно-генетические методы изучения наследственных болезней человека. В одной книге невозможно описать все существующие на сегодняшний день методы исследования или представить молекулярно-диагностические протоколы для каждой конкретной формы наследственной патологии. Настоящее учебное пособие дает общие представления о методологии и стратегии проведения молекулярно-генетической диагностики, раскрывает методы, наиболее часто используемые в практике современного исследователя. Предлагаемые протоколы проведения исследований, подробное описание различных методик с иллюстрациами, помогут студентам медико-биологического профиля подготовки, специализирующихся по генетике, успешно освоить молекулярно-генетические методы анализа генома человека.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бочков Н.П. Клиническая генетика. М. 2011. – 592 с.

2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. - Москва: Мир, 2002. - 589 с.

3. Горбунова В.Н., Баранов В.С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. Санкт-Петербург. «Специальная Литература». 1997. – 287 с.

4. Дейвис К. Анализ генома. Методы. М. 1990. – 246 с.

5. Епринцев А.Т., Попов В.Н., Федорин Д.Н. Идентификация и исследование экспрессии генов. // Учебно-методическое пособие для ВУЗов. – Воронеж. – 2008. – 63 с.

6. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Н. 2003. – 479 с.

7. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М. - 2010. – 718 с.

8. Кузьмина Н.А. Основы биотехнологии, 2005 // http://www.biotechnolog.ru/

9. Кулмамабетова Г. Пробоподготовка. Методы выделения ДНК/РНК // Современные проблемы биологии, ЕНУ, Астана, 2012, Лекция 9.

10. Меньшикова В.В. Клинико-лабораторные аналитические технологии и оборудование. М. 2007. – 240 с.

11. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / под ред. Н.К. Янковского. – М. : Мир, 2002. – 588 с

12. Молекулярная клиническая диагностика. Методы / под ред. С.Херрингтона, Дж.Макги. – М.: Мир, 1999. – 558с.

13. Мутовин Г.Р. Клиническая генетика. Геномика и протеомика неследственной патологии: учебное пособие. М. 2010. – 832 с.

14. Мухачева Т.А., Ковалев С.Ю. Прикладная биоинформатика. Спецкурс. УрФУ, г. Екатеринбург. 2012.

15. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. М. Наука. 2000. – 830 c.

16. Поляничко А. М. Электрофорез в ПААГ. Методическое пособие. Санкт-Петербург. 2007.

17. Притчард Д.Д. – Наглядная медицинская генетика. – пер. с англ. под ред. Н.П. Бочкова. – М.: ГЭОТАР-Медиа. – 2009. – 200с.

18. Пузырев В.П., Степанов В.А. Патологическая анатомия генома человека. Н. – 1997. – 224 с.

19. ПЦР в реальном времени / под ред. Д.В. Ребрикова. - М.: Бином., 2009. – 223с.

20. Северин Е.С. Биохимия: Учебник. М. 2004. – 784 с.

21. Сукачев М. Современные методы полногеномного секвенирования (расшифровки) ДНК в диагностике и лечении заболеваний // http://innoros.ru/publications/articles/13/

22. Телков М. PCR реального времени: методические основы, оптимизация, применение. Bio-Red Laboratories.

23. Теоретические основы полимеразной цепной реакции. НПО «ДНК-Технология» - Москва, 1998 // www.dna-technology.ru

24. Шатц В.Д., Сахартова О.В. Высоко-эффективная жидкостная хроматография. Основы теории. Методолгия. Применение в лекарственной химии.

25. Mathew C.C. The isolation of high molecular weight eucariotic DNA// methods in molecular biology / ED. Walker J.M. – N.Y.: Haman press. – 1984. – P. 31–34.

26. Nolan T, Hands RE, Bustin SA (2006). «Quantification of mRNA using real-time RT-PCR.». Nat. Protoc. 1: 1559–1582. DOI:10.1038/nprot.2006.236. PMID 17406449.

27. VanGuilder HD, Vrana KE, Freeman WM (2008). «Twenty-five years of quantitative PCR for gene expression analysis». Biotechniques 44: 619–626. DOI:10.2144/000112776. PMID 18474036.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1.

Приготовление рективов для выделения ДНК

Похожая информация.

ДНК-микрочип (англ. DNA microarray) - это сложная технология, используемая в молекулярной биологии и медицине. ДНК-микрочип представляет собой небольшую поверхность, на которую с большой плотностью в определённом порядке нанесены фрагменты одноцепочечной синтетической ДНК с известной последовательностью. Эти фрагменты выступают в роли зондов, с которыми гибридизуются (образуют двуцепочечные молекулы) комплементарные им цепи ДНК из исследуемого образца, обычно меченные флуоресцентным красителем. Чем больше в образце молекул ДНК с определенной последовательностью, тем большее их количество свяжется с комплементарным зондом, и тем сильнее будет оптический сигнал в точке микрочипа, куда был «посажен» соответствующий зонд. После гибридизации поверхность микрочипа сканируется, и в результате каждой последовательности ДНК ставится в соответствие тот или иной уровень сигнала, пропорциональный числу молекул ДНК с данной последовательностью, присутствующих в смеси.

В обычном ДНК микрочипе (н-р, производства Affymetrix) зонды прикрепляются к твердой поверхности - стеклянному или силиконовому чипу. Другие платформы, например, выпускаемые Illumina, используют микроскопические шарики вместо больших твердых поверхностей. Технология ДНК-микрочипов находит самые разнообразные применения в современной биологии и медицине для анализа сложных смесей ДНК - например, совокупности всех транскриптов (матричных РНК) в клетке. ДНК микрочипы используют для анализа изменения экспрессии генов , выявления однонуклеотидных полиморфизмов , генотипирования или повторного секвенирования мутантных геномов . Микрочипы отличаются по конструкции, особенностям работы, точности, эффективности и стоимости.

Пример использования ДНК-микрочипа

Ниже приводится пример эксперимента с использованием ДНК-микрочипа.

1. Выделяются или выращиваются биологические образцы, которые необходимо сравнить. Они могут соответствовать одним и тем же индивидуумам до и после какого-либо лечения (случай парных сравнений), либо различным группам индивидуумов, например, больным и здоровым, и т. д.
2. Из образца выделяется очищенная нуклеиновая кислота, являющаяся объектом исследования: это может быть РНК в исследовании профиля экспрессии генов , ДНК при изучении сравнительной геномной гибридизации и т.д. Данный пример соответствует первому случаю.
3. Проверяется качество и количество полученной нуклеиновой кислоты. Если требования соблюдены, эксперимент может быть продолжен.
4. На основе имеющихся образцов РНК в процессе обратной транскрипции синтезируются последовательности комплементарных ДНК (кДНК, англ. cDNA).
5. В процессе амплификации (синтеза дополнительных копий ДНК) количество последовательностей кДНК в образцах многократно увеличивается.
6. К концам последовательностей кДНК присоединяются флуоресцентные или радиоактивные метки.
7. Полученные образцы в смеси с необходимыми химическими веществами через микроскопическое отверстие наносятся на ДНК-микрочипы и начинается процесс гибридизации, в ходе которого одна из цепей кДНК присоединяется к комплементарной ей цепи, имеющейся на микрочипе.
8. После окончания процесса гибридизации чипы промываются для удаления остатков материала.
9. Полученные микрочипы сканируются при помощи лазера. На выходе получается одно- или двухцветные изображения (в зависимости от количества использованных красителей).
10. На каждое изображение накладывается сетка, так, что каждой её ячейке соответствует участок чипа с пробами одного типа. Интенсивности свечения проб в ячейке сетки ставится в соответствие некоторое число, которое, в самом первом приближении, может служить мерой количества присутствовавших последовательностей РНК в соответствующем образце.

Дальнейшая обработка результатов требует многоэтапного привлечения сложного статистического аппарата.

Предобработка данных эксперимента

Корреляция между интенсивностями двух проб одного ДНК-микрочипа, представляющих один и тот же ген, обычно превышает 95%. Часто этот факт интерпретируют как подтверждение хорошей воспроизводимости экспериментов с чипами. Однако, если один и тот же биологические материал разделить на две части и сделать с ними разные микрочипы, корреляция между полученными интенсивностями, скорее всего, будет составлять от 60 до 80%. Корреляция на чипах с образцами, взятыми у мышей из одного помёта, может опускаться до 30%. Если эксперименты проводятся в разных лабораториях, корреляция между их результатами может быть ещё ниже .

Такая низкая воспроизводимость интенсивностей связана с совокупным воздействием большого количества источников вариации. Их можно разделить на три большие группы. Биологическая вариация включает неотъемлемые особенности организмов. Техническая вариация появляется на этапе выделения образцов, их окрашивания и гибридизации. Погрешность измерения связана со сканированием готовых массивов, на результаты которого может повлиять, например, пыль внутри сканера.

Нейтрализация эффектов технической вариации и ошибки измерения производится на этапе предобработки ДНК-микрочипов.

Фоновая поправка

Необходимость фоновой поправки связана с наличием таких мешающих факторов, как шум оптической системы распознавания (данные интенсивности, полученные при сканировании, не равны "настоящим" интенсивностям проб) и неспецифическая гибридизация (присоединение нуклеотидных последовательностей к зондам чужих проб).

Нормализация

Нормализация данных позволяет сделать несколько рассматриваемых в эксперименте чипов пригодными к сравнению между собой. Основная цель анализа на этом этапе - исключить влияние систематических небиологических различий между микрочипами. Источников таких различий множество: вариации эффективности обратной транскрипции, маркировки красителями, гибридизации, физические различия между чипами, небольшие различия в концентрации реагентов, вариация лабораторных условий.

Показано, что выбор метода нормализации оказывает существенное влияние на результат анализа .

Суммаризация

Обобщение значений уровня экспрессии по всем пробам, соответствующим одинаковым последовательностям

Контроль качества

Обработка выбросов

Основной этап статистической обработки

Ссылки

• DNA microarray
• DNA microarray experiment - статья из английской Википедии
• DNA Microarray Virtual Lab - пошаговый интерактивный пример эксперимента с двукрасочным ДНК-микрочипом
• Ten Pitfalls of Microarray Analysis - распространённые ошибки анализа ДНК-микрочипов

Специфической последовательности. Олигонуклеотид может являться коротким участком гена или другого компонента ДНК, и используется для гибридизации с кДНК или мРНК. Гибридизация зонда и мишени регистрируется и количественно определяется при помощи флюоресценции или хемолюминесценции, что позволяет определять относительное количество нуклеиновой кислоты с заданной последовательностью в образце.

В обычном ДНК микрочипе зонды ковалентно прикрепляются к твердой поверхности - стеклянному или кремниевому чипу. Другие платформы, например, выпускаемые Illumina , используют микроскопические шарики вместо больших твердых поверхностей. ДНК микрочипы отличаются от других микрочипов только тем, что их применяют для измерения ДНК или как часть более сложной системы детекции и анализа ДНК.

ДНК микрочипы используют для анализа изменения экспрессии генов , выявления однонуклеотидных полиморфизмов , генотипирования или повторного секвенирования мутантных геномов . Микрочипы отличаются по конструкции, особенностям работы, точности, эффективности и стоимости.

История

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "ДНК-микрочип" в других словарях:

Термин ДНК микрочип Термин на английском DNA microarray Синонимы ДНК чип, DNA chip, Gene сhip, DNA chip Аббревиатуры Связанные термины биосенсор, геном, ДНК, ДНК зонд, лаборатория на чипе, РНК, олигонуклеотид Определение Миниатюрная пластина с… …

Термин ДНК зонд Термин на английском DNA probe Синонимы Аббревиатуры Связанные термины биологические нанообъекты, биомедицинские микроэлектромеханические системы, биосенсор, геном, ДНК, ДНК микрочип, лаборатория на чипе, олигонуклеотид… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Термин ДНК Термин на английском DNA Синонимы дезоксирибонуклеиновая кислота Аббревиатуры ДНК Связанные термины доставка генов, актуатор, бактериофаг, белки, биологические нанообъекты, биомиметика, биомиметические наноматериалы, генная инженерия,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий

ДНК-чип

ДНК-биочип - DNA Chip ДНК чип (также: ДНК биочип, ДНК микрочип, ДНК наночип) Специальный чип, используемый для выявления генетических мутаций или сдвигов, диагностики заболеваний. Биочип для американской армии, разработанный специалистами из… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

Микрочип генный м микроматрица - Микрочип, генный м., микроматрица * мікрачып, генны м., мікраматрыца * microarray or gene chip or microchip набор из тысяч уникальных известных однонитевых фрагментов ДНК, иммобилизированных на твердую основу. Эти фрагменты представляют все… … Генетика. Энциклопедический словарь

Сэр Эдвин Мэллор Саузерн (р. 7 июня 1938) английский молекулярный биолог, член лондонского королевского общества по развитию знаний о природе (также известного как лондонское королевское общество), лауреат премии Ласкера (2005). Премия была … Википедия

ДНК микрочип, содержащий комплементарные ДНК. Комплементарная ДНК (кДНК, англ. сDNA) это ДНК, синтезированная из зрелой мРНК в реакции, катализируемой обратной транскриптазой. кДНК ча … Википедия

Количественный анализ нуклеиновых кислот определение концентрации ДНК или РНК в смеси или чистом препарате. Реакции с участием нуклеиновых кислот часто требуют точных сведений о количестве и чистоте препарата. Для определения концентрации… … Википедия

Термин амплификация Термин на английском amplification Синонимы Аббревиатуры Связанные термины Определение (лат. amplificatio усиление, увеличение), в молекулярной биологии увеличение числа копий ДНК. Описание В клетке амплификация происходит в… … Энциклопедический словарь нанотехнологий