книги / Основы пневмоавтоматики

заслонка. Это давление, редуцированное посредством дросселей 6 и 7, поступает в камеру отрицательной обратной связи. Давле­ ние р на выходе понизителя, а следовательно, и в камере отри­

цательной обратной связи возрастает до тех пор, пока усилие, действующее со стороны шарика 5, не уравновесится усилием, действующим со стороны мембранного блока 4.

Дроссели 6 и 7 служат для настройки коэффициента усиле­

ния понизителя. Нормально понизитель настраивается на работу

Рис. 167. Мембранно-шариковые преобразователи:

а— понизитель; б — повыситель

скоэффициентом передачи 0,01. Уравнение понизителя в стати­ ке имеет вид

Р= Ьри

где р\ — входной сигнал; k — коэффициент передачи. Оно по­

лучено из условия равенства сил на шарике и мембранном блоке

иравенстве расходов через линейный дроссель 6 и 7.

Вповысителе давления (рис. 167, б) входной сигнал р{ низ­

кого давления через делитель, состоящий из регулируемых дрос­

селей 1 и 2, подается в мембранную камеру низкого давления.

Т а б л и ц а 8

Основные технические характеристики непрерывных мембранно-шариковых преобразователей

	Макси­	Макси­
Преобразо­	мальный	мальный	Максимальный	Пределы	Погреш­
	расход	расход	допустимый расход	изменения
ватель	воздуха	воздуха	при погрешности 5%,	коэффициен­	ность
	на линии	на лилии	л ч	та
	питания,	управле­		усиле )ия
	л ч	ния, л ч
Понизитель	216	250	При р —100 мм вод. ст. 0,009-0,015		+0,5%
давления			70
Повыситель	240	4	При р= 1 ати	90—115	+0,5%
давления			600

19*

291

Усилие, развиваемое на мембране 5, перемещает ее, изменяя про­ ходное сечение сопла управления 3. Давление из межсопловой камеры эжектора 6 передается на вход усилителя мощности 7,

а с его выхода — в канал шарикового элемента отрицательной обратной связи, причем это давление изменяется до тех пор, по­ ка усилие на шарике 4 не уравновесит усилие на мембране.

Эффективная площадь мембраны превышает эффективную площать шарика в 120 раз. Благодаря этому избыточное давление на выходе р изменяется в диапазоне 0—0,1 МПа при изменении р\ в пределах 0— 100 мм вод. ст. В повысителе необходим усили­

тель мощности 7, так как он обычно работает на значительную нагрузку. Статическое уравнение повысителя имеет такой же вид, как и уравнение понизителя, с той разницей, что k ~ 100.

Краткие технические данные рассмотренных устройств приведе­ ны в табл. 8.

Г л а в а VIII

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Пневматические исполнительные механизмы представляют собой силовые устройства, предназначенные для выполнения команд, формируемых регулирующими или управляющими пнев­ матическими системами. Пневматический исполнительный меха­ низм управляет непосредственно регулирующим органом (шибе­ ром, клапаном, направляющей лопаткой и т. д.) или иным меха­ низмом, например, механизмом для подачи инструмента, зажимом детали или механизмом тормозного устройства.

В пневмоавтоматике применяют довольно разнообразные пневматические механизмы. Однако в подавляющем большинст­ ве случаев используют поршневые и мембранные исполнитель­ ные механизмы, так как они просты по конструкции, имеют вы­ сокую надежность и обеспечивают значительные усилия на штоке. По сравнению с электрическим приводом поступательно­ го движения, развивающим те же усилия, пневмопривод значи­ тельно легче, дешевле и проще по конструкции.

Преимущества пневматического привода по сравнению с гид­ равлическим приводом заключаются в относительной простоте конструкции как самого привода, так и устройств управления и более низкой стоимости. Некоторая утечка воздуха, которая мо­ жет происходить из пневмопривода, не отражается заметно на его работе. В противоположность этому утечка масла из гидро­ привода недопустима. Существенно также отсутствие обратных трубопроводов, так как отработанный воздух сбрасывается не­ посредственно в окружающую атмосферу.

Пневматические исполнительные механизмы могут работать при больших колебаниях температуры воздуха, тогда как при этих условиях масло резко меняет свою вязкость. Кроме того, при повышении температуры может возникнуть нежелательное явление кавитации К

1 При повышении температуры увеличивается давление образования на­ сыщенного пара и в жидкости могут образоваться пузырьки и каверны, за­ полненные парами. Образование пузырьков и каверн в жидкости, заполненных воздухом и парами, носит название кавитации. Кавитация пагубно сказывает­ ся на работе гидропривода: нарушается заданный закон движения поршня, выкрашивается и ржавеет металл и т. д.

293

Скорости пневматических исполнительных механизмов при соответствующем выборе размеров проходных сечений достига­ ют больших величин (порядка нескольких метров в секунду), тогда как скорости гидравлических приводов определяются ча­ сто производительностью насосного агрегата.

Усилия, развиваемые пневматическим приводом, обычно меньше усилий, развиваемых гидравлическим приводом тех же размеров. Это связано с тем, что силовое давление воздуха в промышленных пневмосетях составляет обычно 0,4—0,6 МПа. В авиации применяют питающее давление порядка 10 МПа и бо­ лее, это обеспечивает большие перекладывающие усилия при сравнительно небольших габаритных размерах пневмопривода. Применение в промышленных установках сравнительно низких давлений воздуха связано с опасностью поломки и взрыва само­ го пневмопривода, подводящих трубопроводов и иных узлов, находящихся под давлением. Для гидропривода опасность взрыва не существует, так как масло практически несжимаемо.

Недостатком пневмопривода по сравнению с гидроприводом является то, что он не может с высокой точностью отслеживать входной сигнал. Это связано в первую очередь со сжимаемостью воздуха. Поэтому, несмотря на многие преимущества пневмо­ приводов, в следящих системах, от которых требуется большая точность, чаще применяют гидроприводы.

Вращательное движение, особенно вращение с неограничен­ ным углом поворота выходного вала, удобнее всего реализовать на основе электрического силового привода, но в определенных условиях, например, в пожаро- и взрывоопасных помещениях пневматический привод конкурирует с электрическим. Пневмати­ ческий вращательный привод целесообразно применять там, где необходимо обеспечить высокое число оборотов при сравнитель­ но небольшой мощности (переносные шлифовальные круги, руч­ ные дрели и т. д.). При необходимости плавно изменять число оборотов используют гидравлический вращательный привод.

Пневматические поршневые приводы делят на приводы одно­ стороннего и двустороннего действия. У привода одностороннего

действия	движение	в прямом направлении происходит за счет
подачи	в полость	цилиндра	сжатого	воздуха,	а обратный
ход совершается под действием			пружины,	которая	сжимается

при движении поршня в прямом направлении. Прямой и обрат­ ный ход у привода двустороннего действия происходит под дав­ лением сжатого воздуха, подаваемого в соответствующие камеры цилиндра, причем каждый раз в одну полость подается питающее давление, а другая полость сообщается с атмосферой.

Поршневые пневматические приводы могут служить для пе­ рекладки рабочего органа из одного крайнего положения в дру­ гое, а также отслеживать сигнал, подаваемый на вход системы. В последнем случае вводится отрицательная обратная связь: силовая или по положению.

294

Преимуществом мембранного привода является отсутствие подвижных уплотнений, так как рабочим элементом служит мембрана с жестким центром. Это обусловливает высокое каче­ ство уплотнения и совсем незначительное влияние сил трения. Недостаток мембраны — в слишком коротком ходе и ограничен­ ной передаче усилия с мембраны на шток. Последнее связано с тем, что усилие, развиваемое сжатым воздухом, идет на прео­ доление сил упругости мембраны. Поэтому в предельном поло­ жении шток не передает усилие.

Помимо обычных приводов, содержащих мембраны с жест­ кими центрами, в качестве исполнительных механизмов применя­ ют длинноходовые мембранные пневматические приводы с чу­ лочной мембраной и др. [16— 18].

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПОРШНЕВОЙ ПРИВОД ОДНОСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ

Работа и статические характеристики поршневого привода одностороннего действия. На рис. 168, а представлена конструк­

тивная схема наиболее распространенного пневматического поршневого привода одностороннего действия. Приводом можно управлять с помощью золотника, крана, клапана или других

Рис. 163. Пневматический поршневой привод одностороннего дей­ ствия:

а — управляемый с помощью золотника; б — управляемый с помощью уси­ лителя сопло — заслонка

управляющих устройств. Привод может быть также присоединен в качестве исполнительного механизма к выходу регулятора АУС или регулятора, построенного на элементах УСЭППА.

Рассмотрим работу поршневого привода одностороннего дей­ ствия. При срабатывании управляющего устройства питающее давление ро поступает в рабочую подпоршневую полость Vo.

Поршень под действием втекающего в открывшееся отверстие сжатого воздуха начинает перемещаться вправо, сжимая пружи­ ну. Приложенная к штоку поршня сила Nu может как помогать

295

Рис. 169. Статическая харак­ теристика поршневого привода одностороннего действия, уп­ равляемого золотником

движению, так и противодействовать ему. Все зависит от на­ правления действия приложенной силы. В обратном направлении поршень привода перемещается под действием силы сжатой пружины. Движение в обратном направлении начинается после того, как рабочая полость соединится с атмосферой, что осуще­ ствляется управляющим устройством (золотником, краном и т. д.). Двигаясь влево, поршень вытесняет воздух через отвер­ стие управляющего устройства в атмосферу. Здесь так же, как и в случае движения вправо, сила NH может содействовать или

противодействовать перемещению поршня. Нерабочая камера, в кото­ рой расположена цилиндрическая пружина, сообщается с атмосферой через большое отверстие и поэтому при всех последующих расчетах принимаем, что давление в камере равно атмосферному.

Важными характеристиками пневматического поршневого приво­ да являются статические характери­ стики — зависимость перемещения штока поршня у от давления в ра­ бочей камере р\ в статике.

Статическая характеристика поршневого привода односто­ роннего действия, управляемого золотником, представлена на рис. 169. Аналитически в общем случае эту характеристику мож­ но получить из условия равенства сил на штоке:

(Pi— Ps)F = cy» + cy ± NH+ NTps \ g n y ± N B,

(132)

где pi — давление в рабочей камере; /?а — давление окружающей среды (в частном случае атмосферное давление); F — площадь поршня; уп — начальное сжатие пружины; с — жесткость пружи­ ны; Nu — сила, приложенная к штоку поршня; у — перемещение

поршня; N.гр — сила трения; у — скорость перемещения поршня; NB— сила тяжести движущихся частей привода.

Найдем из уравнения (132) перемещение штока

УпС± NH+ Nтр sign у ± N в _	F ,	N0
У = ----(P i— Ра)-	\Р 1 Ра)	>
с	С

где

N0 = У»с ± N H+ Nrp sign у + NB.

Функция sign у введена для того, чтобы учесть изменение направления силы трения NTV при изменении направления дви­ жения штока поршня. Знак плюс перед NTV будет при совпаде­

нии направления действия силы с направлением действия силы пружины, а знак плюс перед NB ставят при вертикальном распо­

296

ложении оси поршня штоком вверх и т. д. Нетрудно понять, что при горизонтальном расположении оси штока NB = 0. Статичес­

кая характеристика						(рис. 169) имеет гистерезис.
Часто		бывает			необходимо
получить перемещение							штока
поршня		пневматического					при­
вода одностороннего						действия
в зависимости от перемещения
рабочего органа				управляюще­
го устройства в статике. В этом
случае	в качестве					управляю­
щего	устройства				может		быть
использован			усилитель				соп­	Рис. 170. Статическая характерис­
ло — заслонка				(рис. 168, б).				тика поршневого привода односторон­
Статистическая				характеристи­				него действия, управляемого усилите­
								лем сопло — заслонка
ка показана на рис. 170.
Пример 13. Определить наименьшее избыточное давление в рабочей ка­
мере привода			одностороннего				действия,	необходимое для перевода поршня

в крайнее правое положение, а также избыточное давление, при котором пор­

шень привода начнет двигаться из крайнего правого	положения влево (схема
на рис. 168, а).
Диаметр поршня D = 0,12 м; рабочий ход S = 0,15 м; начальное сжатие
пружины ун = 0,04 м; жесткость с = 8 кН/м; сила,	приложенная к штоку,
iVH= 1 кН; силу трения принимаем постоянной У тр =	0,2 кН *.

1. Так как поршень перемещается вправо, sign у = + 1. Силу

тяжести подвижных частей привода не учитывают, так как ось расположена горизонтально.

Подставив в уравнение (132) у = S, найдем искомое наи­

меньшее избыточное давление, необходимое для перевода порш­ ня в крайнее правое положение:

	_	сун+ cS + iV„ +	jVTp _	4 (8 0 0 0 -0 ,0 4 + 8 0 0	0 -0 ,1 5 + 1000 + 200) _
Pl	P a ~	F	~	3 , 1 4	- 0 ,122

=2,42 • 105 Па = 0,242 МПа.

2.Для определения давления, при котором поршень из край­ него правого положения начнет перемещаться влево, можно вос­

* Д л я манжетны х уплотнений из резины и кожи			сила трения пропорцио­
нальна перепаду давлений на поршне
N тр = ZlDl (pi		Pa) И-т»
где D — диаметр цилиндра; / — ширина	манжеты вдоль образующей рабочего
цилиндра; р,т — коэффициент трения.	обеспечивает		меньшую	зависимость
Уплотнение резиновыми кольцами
силы трения от давления. Сила трения штока в сальнике
ЛГТр = ndl{Gt
где d — диаметр штока; 1\ — длина участка		с мягкой	набивкой;	о — напряже­
ние трения.

Более подробные сведения о расчете сил трения см. [27].

297

Рис. 171. Поршневой привод односторон­ него действия с отрицательной обратной связью

пользоваться последней формулой, изменив в ней знак перед JVTp на обратный, так как в этом случае sign у = — 1, т. е. ско­ рость у отрицательная:

су» + cS + iVH— iVTP	_	4 (8 0 0 0 » 0 ,04 + 8 0 0 0 -0 ,1 5 + 1000— 200)
F	“	З Л 4 - 0 Л 2 2

= 2,23105Па = 0,223 МПа.

Из анализа уравнения статической характеристики поршне­ вого привода следует, что перемещение штока неоднозначно за­ висит от входного параметра. Причиной является сила трения, которая меняет знак при изменении направления движения.

Кроме того, при движении поршня величина силы тре­ ния изменяется, что обу­ словлено изменением давле­ ния pi в рабочей камере, не­

ровностями поверхности ци­ линдра и т. д. Как следст­ вие этого, появляется нели­ нейность и нестабильность статической характеристики.

Для получения линейной и стабильной характеристи­ ки поршневой привод замы­ кают отрицательной обрат­

ной связью (рис. 171). Обратная связь устраняет влияние на­ грузки и силы трения на статическую характеристику, так как под поршень в этом случае через золотник подается такое дав­ ление, какое необходимо для преодоления возникшей нагрузки.

Работа поршневого привода одностороннего действия с отри­ цательной обратной связью протекает следующим образом. При увеличении управляющего давления ру сильфон 2 перемещает плунжер 1 золотника влево. Открывается отверстие, через кото­ рое давление питания ро поступает в рабочую полость. Поршень, перемещаясь вправо, растягивает пружину 3 отрицательной об­

ратной связи. Сила, действующая со стороны пружины, возвра­ щает сильфон в прежнее положение. Плунжер золотника пере­ крывает отверстие, через которое в рабочую полость поступает давление питания, и поршень останавливается. Каждому значе­ нию управляющего давления соответствует строго определенное положение поршня. Уравнение статической характеристики та­ кого следящего привода может быть найдено из условия равен­ ства сил сильфона и пружины отрицательной обратной связи:

Fc

Ус Ру Ую

где ру — давление управления (избыточное); Fc — эффективная

298

площадь сильфона 1\ с — жесткость пружины 3 отрицательной обратной связи; уп — начальный натяг пружины отрицательной

обратной связи.

Динамика поршневого привода одностороннего действия.

Проанализируем циклограмму поршневого пневматического при­ вода одностороннего действия (рис. 168, а).

Период времени от момента начала переключения распреде­ лителя (золотника) до момента начала движения поршня назы­

вается	подготовительным					периодом [16]. Время подготовитель­
ного периода h склады­
вается	из	времени			t\
открытия		распредели­
теля,	времени t2			рас­
пространения			волны
давления		от распреде­
лителя	до	рабочей		по­
лости	и времени		t3 на­
растания		давления			в
рабочей		полости			до
значения,		при котором
поршень начинает дви­						Рис. 172. Циклограмма работы поршневого
гаться	(см. циклограм­					привода одностороннего действия:
му на	рис.	172).				ПХ — прямой ход: В — выстой; ОХ — обратный
						ход

Разделение времени подготовительного периода на три указанных интервала не яв­

ляется строгим: это время нельзя представить в виде простой суммы указанных интервалов, так как уже в процессе переклю­ чения распределительного устройства волна давления может пройти путь от распределительного устройства до цилиндра и в то же время может начаться заполнение рабочей камеры и т. д. Иными словами, эти отрезки времени могут перекрывать друг друга. В дальнейшем будем считать, что время переключения распределительного устройства и время распространения волны давления от распределительного устройства до цилиндра имеют весьма малые значения по сравнению со временем от начала на­ полнения полости до момента начала движения поршня. Если время открытия распределителя велико, то его надо учесть.

Время распространения волны давления от распределителя до цилиндра можно вычислить, поделив длину трубки, связыва­ ющей распределитель с цилиндром, на скорость звука. После того как давление в рабочей полости достигнет значения, при котором усилие, создаваемое им на поршне, преодолеет силы сопротивления, поршень придет в движение. При перемещении поршня объем рабочей камеры будет увеличиваться, поэтому темп роста давления р х уменьшится. После того как поршень

достигнет крайнего правого положения, давление в рабочей камере будет продолжать расти, пока не достигнет значения пи­ тающего давления ро. Вообще же давление до момента начала

299

обратного хода должно достигнуть лишь заданного значения для достижения необходимой силы на штоке поршня. Исходя из рассмотренных интервалов времени, можно записать время прямого хода поршня:

тпх = ^i + ^n + ^iiii

(133)

здесь t\ — время от момента включения распределителя до нача­ ла движения (время подготовительного периода); tn — время

движения поршня; /щ — время изменения давления от давления, достигнутого в конце хода поршня, до давления, при котором на штопке поршня создастся необходимое усилие.

По истечении некоторого промежутка времени tBl называемо­

го временем выстоя поршня *, срабатывает распределитель, при этом рабочая полость привода будет сообщаться с атмосферой. Сжатый воздух через отверстие в распределителе начинает вы­

текать в атмосферу, и давление pi		будет падать. Когда давление
упадет	до некоторого значения,	которое можно вычислить		по
формуле	(132), поршень под действием силы пружины, сжатой
при прямом ходе, начнет двигаться			в обратном направлении.
В отличие от прямого хода поршня			при обратном ходе воздух
как бы выжимается поршнем через отверстие в атмосферу.				Ра­
бочая камера превращается в камеру противодавления.

При обратном ходе можно наметить точно такие же интерва­ лы времени, как и при прямом ходе (t[ , t[h VLt'n ^ (см. рис. 172).

Уравнения динамики поршневого привода одностороннего действия при наполнении и опорожнении рабочей камеры и ка­ меры противодавления выводят в предположении, что темпера­ тура питающего воздуха равна температуре воздуха в камере и температуре окружающей среды, которая остается постоянной в процессе работы привода 1.2 Кроме того, при расчете принимаем, что термодинамический процесс изменения состояния воздуха при прохождении его через дросселирующее отверствие в распре­ делительном устройстве — адиабатический. Такое предположе­ ние оправдано тем, что скорость протекания воздуха через дрос­ сель велика, а длина канала дросселя мала. Характер течения воздуха через дросселирующее отверстие — турбулентный. Пи­ тающее давление ро, давление ра и коэффициент расхода также

1 В частном случае это время может быть равно нулю, кроме того, дви­

жение поршня в обратную сторону может начаться и до наступления момен­ та, когда поршень приходит в крайнее правое положение.

2 Наилучшее совпадение с экспериментальными данными дает расчет

переходных процессов с использованием уравнения теплового баланса. Однако здесь ради простоты будем принимать температуру в камере, в атмосфере и в линии перед дросселем постоянной, т. е. будем считать, как это делалось ранее для проточных камер, что процесс перехода от области перед дросселем к области за дросселем и т. д.— изотермический. При этом время наполнения окажется несколько больше, чем то же время, вычисленное с применением уравнения теплового баланса [16].

300