Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Подлипенский В.С. Гидропневмоавтоматика.doc
Скачиваний:
63
Добавлен:
02.05.2014
Размер:
434.18 Кб
Скачать

Подлипенский Виктор Семёнович Гидро- и пневмоавтоматика

Особенности и возможности электрических, пневматических и гидравлических автоматических устройств

По функциональному признаку элементы систем автоматики, независимо от их конструкции и вида энергии, приводящей их в действие, делятся на три основных вида:

  • элементы автоматического контроля (измерение, сигнализация, учёт)

  • элементы автоматической защиты (включая автоматическую блокировку)

  • элементы автоматического управления.

Основными системами автоматизации являются электрические, пневматические и гидравлические. Неправильно было бы утверждать, что какая-то из этих систем является наилучшей для всех отраслей промышленности и условий работы. Решающими при выборе являются те качества системы, без которых либо невозможна, либо нецелесообразна автоматизация данного технологического процесса (ТП) в данных условиях.

К числу основных характеристик систем автоматизации (СА) следует отнести:

  1. Конструктивные характеристики:

  1. металлоёмкость;

  2. сложность;

  3. подверженность коррозии;

  4. взрыво- и пожаробезопасность.

  1. Рабочие характеристики:

  1. надёжность;

  2. долговечность;

  3. точность;

  4. дальность действия системы;

  5. быстродействие системы;

  6. возможность получения больших моментов и усилий;

  7. быстродействие исполнительных органов;

  8. плавность хода и возможность регулирования скорости движения исполнительных органов;

  9. простота осуществления законов управления.

  1. Экономические характеристики

  1. стоимость изготовления;

  2. расход энергии;

  3. эксплутационные расходы;

  4. к.п.д.

Следует указать на широкое применение гидро- и пневмоаппаратуры в качестве отдельных преобразователей электромеханических приборов, систем, так и в качестве самостоятельных (чисто гидро-пневматических) приборов и регуляторов. (В литературе они чаще называются усилителями.) Это объясняется следующими достоинствами гидравлических и пневматических элементов:

  • большой мощностью при сравнительно небольших габаритах;

  • хорошим быстродействием;

  • высокой точностью;

  • длительным сроком службы;

  • взрывобезопасностью.

Таблица 1. Сравнительная оценка электрических, гидравлических и пневматических элементов и систем

Конструктивные характеристики

Металлоёмкость

Сложность (конструктивная, монтажа, наладки, экспл., рем.)

Взрыво- и пожаробезопасность

Аппаратура

Исполнительные органы

Эл. и электронн.

1

3

3

3

Гидр.

3

1

1

2

Пневм.

2

2

2

1

Экономические характеристики

Стоим. изготовл

Экспл. расходы

Расходы энергии

К.П.Д.

Эл. и электронн

3

1

1

1

Гидр.

1,2

2

2

2,3

Пневм.

1,2

3

3

2,3

Рабочие характеристики

Надёжность

Долговечность

Точность

Дальность действия

Быстродействие сист.

Беск.

Конт.

В больш. Случаев

Реле, след системы

Эл. и электронн

3

1

3

3 (рег.)

1

1

3

Гидр.

1,2

2.3

1

1 (рег.)

3

2

1,2

Пневм.

1,2

2.3

2

2 (рег.)

1 (измер.)

2

3

1,2

Рабочие характеристики (продолжение)

Быстродействие исполнительных органов

Возможность получения больших вр. моментов и усил.

Плавность хода и возможность регулирования скорости движения

Простота реализации законов регулирования

Эл. и электронн

3

3

3

3

Гидр.

2,1

1

1,2

1,2

Пневм.

1,2

2

2,1

1,2

  • Получение возвратно-поступательного движения или большого вращающего момента при малой скорости (для электр. эл-тов – редуктор)

Составлена по книге из “Библиотеки по автоматике” Лемберг М.Д. Элементы гидроавтоматики.-М.-Л.,ГЭИ,1962.

Достоинства гидравлических преобразователей:

  • обладают бÓльшей мощностью, развивают бÓльшие моменты, чем электрические тех же размеров и веса;

  • обеспечивают изменение скорости перемещения подвижных частей по ходу работы;

  • обеспечивают быстрое переключение направления движения (реверс);

  • малая сжимаемость рабочей жидкости обеспечивает плавное и надёжное действие исполнительных устройств;

  • высокая вязкость жидкости обеспечивает подавление высокочастотных сигналов и помех;

  • малая инерционность;

  • большой срок службы;

  • простота конструкции и удобство эксплуатации.

Недостатки гидравлических преобразователей:

  • большие неудобства работы с маслопроводами;

  • с изменением температуры изменяется вязкость жидкости, а это изменяет расход и отрицательно сказывается на точности работы;

  • наличие потерь на трение жидкости о внутреннюю поверхность трубопроводов и на преодоление местных сопротивлений;

  • возможность утечек жидкости;

  • возможность образования воздушных подушек в системе, что неблагопрятно отражается на динамической характеристике.

Достоинствапневматических преобразователей:

  • нет течи масла;

  • относительная простота;

  • малый вес при значительной мощности;

  • отсутствие резервуаров;

Недостаткипневматических преобразователей:

  • трудность смазки трущихся частей;

  • вследствие сжимаемости воздуха в систему вводятся дополнительные запаздывания во времени, что может являться недостатком при неправильном проектировании.

Пневматические системы находят широкое распостранение для средних мощностей (они стоят как бы посередине между электрическими малой мощности и гидравлическими большой мощности).

Место пневматических преобразователей в схеме прибора то же, что и электрических датчиков-преобразователей (рис. 1).

Внастоящее время применяются такие преобразователи:

  1. Усилитель „сопло-заслонка”.

  2. Усилитель со струйной трубкой.

  3. Усилитель золотниковый.

  4. Струйный усилитель.

Рабочей средой этих преобразователей могут являться жидкость и сжатый воздух.

Сведения о рабочей среде

Гидросистема.

Рабочая жидкость выбирается, исходя из её характеристик:

  • вязкости;

  • изменения вязкости от температуры и давления;

  • способности жидкости растворять воздух и газы;

  • сжимаемости;

  • объёмной прочности на растяжение;

  • облитерации.

В системах гидроавтоматики применяются жидкости, вязкость которых изменяется не более, чем в 100 раз, в пределах изменения температуры от +50°С до -20°С. Рабочие жидкости должны иметь возможно меньшую способность растворять в себе воздух. Объёмная прочность жидкости на растяжение характеризует опасность разрыва жидкости при движении. Облитерацией называют свойство жидкости вызывать процесс абсорбции на стенках канала поляризованных молекул жидкости, которые наслаиваются на стенках, приобретая определённую прочность. Из-за этого меняется расход жидкости (снижение точности), увеличиваются усилия, необходимые для перемещения деталей элементов. С целью уменьшения облитерации подбирают соответствующие жидкости (типа толуола, уайтспирта), создают колебания одной из сопрягаемых деталей.

Пневмосистема.

Сжатый воздух должен:

  • быть очищен от влаги, пыли и масла;

  • иметь относительную влажность не более 50-60 % при 20°С (для точных приборов при минусовых температурах -2÷3 % при той же температуре).

І Усилитель ,,сопло-заслонка’’

Схема усилителя ,,сопло-заслонка’’ вместе с поршневым исполнительным механизмом (ИМ) одностороннего действия показана на рис.2

Этот усилитель состоит из дросселя постоянного сечения (d1), междроссельной камеры (Р1) и дросселя переменного сечения. Последний представляет сопло (d2) и заслонку, расстояние между которыми равно δ.

Заслонка связана с чувствительным элементом (ЧЭ) через передаточный механизм.

Рабочая среда (жидкость или воздух) под постоянным давлением P0=1,1÷1,4 кг·с/см2 подается от фильтра и регулирующего дросселя (на рис.2 не показаны) в междроссельную камеру. Перед фильтром и дросселем давление Р=10 кг·с/см2 (оно создается насосом или компрессором ).

Работа усилителя ,,сопло-заслонка’’ заключается в следующем. При изменении измеряемой или регулируемой величины заслонка перемещается относительно торца сопла, меняя величину зазора δ. При этом изменяется давление в междроссельной камере Р1. Так, если заслонка приближается к соплу, то расход рабочей среды Q2 через дроссель переменного сечения уменьшится и давление Р1 увеличится. И наоборот : если заслонка удалится от сопла, то расход Q2 увеличится, а давление Р1 уменьшится. На рис.2 Q1 – расход через постоянный дроссель. При изменении Р1 рабочая среда будет перемещаться от усилителя к ИМ или обратно с расходом Q, приводя в действие ИМ, связанный с отсчётным или регулирующим механизмом или с системой автоматики.

Т.о., при небольшой мощности, затрачиваемой на перемещение заслонки, можно получить большую мощность на выходе усилителя или на исполнительном устройстве. Отношение мощности N, развиваемой преобразователем, к мощности N1, приложенной к заслонке от действия чувствительного элемента прибора, называется коэффициентом усиления преобразователя k=N/N1.

Если измеряемая или регулируемая величина не изменяется, то давление Р1 тоже не будет изменяться, а расход Q будет равен нулю (Q=0). Исполнительный механизм не будет приводиться в действие.

Статическая характеристика усилителя ,,сопло-заслонка’’ – это зависимость Р1=f(δ). При этом принимается, что давление рабочей среды Р0 и давление среды, куда истекает рабочая среда, постоянны. Зазор δ является функцией измеряемой или регулируемой величины.

Тут следует указать на следующую особенность характеристики усилителя ,,сопло-заслонка’’. Если время установления давлеиня в междроссельной камере мало по сравнению с периодом входных воздействий, перемещающих заслонку, то описывать усилитель можно только статической характеристикой. При этом данный усилитель можно представлять как динамическую систему, мгновенно воспроизводящую изменение входной величины.

Если же время установления давления Р1 соизмеримо с периодом входных воздействий, то необходимо учитывать и динамические свойства преобразователя. Статическая характеристика преобразователя ,,сопло-заслонка’’ может быть определена из условия равенства расходов Q1 и Q2 , т.е. при Q1=Q2, или Q=0. Графически такая характеристика для гидравлического преобразователя представлена на рис.3.

Достоинство преобразователей ,,сопло-заслонка’’ заключается в простоте конструкции, малом весе и малых габаритах, надёжности в эксплуатации. В случае применения гидравлических систем нет нужды в тщательной очистке жидкости. Применение этого преобразователя в комбинации с другими пневмо-гидроусилителями позволяет улучшить статические и динамические характеристики систем управления. Основным недостатком преобразователя ,,сопло-заслонка’’ является неполное использование мощности потока рабочей среды, вызванное потерями из-за утечки среды через сопло.

В приборостроении усилители этого типа нашли довольно широкое распостранение, в основном, когда в качестве рабочей среды применяется воздух (пневмоусилители).

ІІ Усилитель со струйной трубкой

Применяется чаще всего, когда рабочей средой является жидкость. Схема рассматриваемого усилителя показана на рис.4.

Основными элементами являются струйная трубка 6 и приёмные сопла 7, преобразующие кинетическую энергию движущейся в струйной трубке массы рабочей среды в потенциальную энерггию давления в соплах. В гидравлических системах масло в струйную трубку подаётся под давлением 6-8 атм. Струйная трубка балансируется. Перемещение струйной

Рис.4 Рис.5

трубки при изменении измеряемой (регулируемой) величины происходит от чувствительного элемента 1.

Для уравновешивания измеряемого (регулируемого) давления с целью удержания трубки в среднем по отношению к соплам положении применяется задающее устройство (задатчик) 3. В гидросистемах задатчик представляет собой пружину, действующую на струйную трубку. Начальное натяжение пружины осуществляется винтом. К задатчику можно отнести и корректор 8, служащий для измененния соотношения между давлением его пружины и усилием чувствительного элемента. (Иногда корректор отсутствует.) Перемещая корректор 8 вверх или вниз, изменяем плечи рычага и струйной трубки. Тем самым осуществляем изменение соотношения усилий между задатчиком и чувствительным элементом. Для усиления подсоса воздуха в гидросистемах предусматривается колпачок 9.

Работа усилителя со струйной трубкой заключается в следующем.

Когда регулируемое давление равно заданному, струйная трубка располагается симметрично относительно приёмных сопел, давление на выходе сопел одинаково, поршень ИМ неподвижен. При изменении регулируемой величины струйная трубка смещается относительно сопел, давление на выходе сопел становится разным и поршень ИМ перемещается в ту, либо другую сторону. (Перемещение конической насадки струйной трубки составляет 1,5-2 мм в каждую сторону от нейтральной оси).

Усилители со струйной трубкой отличаются простотой, малыми габаритами, экономичностью, хорошими динамическими свойствами. Основной недостаток – неполное использование мощности потока рабочей среды.

Гидравлические усилители этого типа позволяют получить усиление порядка 104.

Схема пневматического усилителя со струйной трубкой такая же, как и гидравлического.

ІІІ. Золотниковый усилитель

Усилитель с золотником в технике получил очень широкое распостранение и в основном в гидросистемах.

Схема этого усилителя показана на рис.6

Рис.6 Рис.7

Основными элементами усилителя являются гильза 1 и поршень-шток 2 (толщина ↔ наз. буртиком 3).

Рабочая среда от источника питания подаётся насосом под давлением в среднюю полость золотника. Если буртики поршня находятся в среднем положении относительно окон в гильзе (или перекрывают их), то ИМ (в виде цилиндра двойного действия) не приводится в движение. При изменении измеряемой или регулируемой величины поршень усилителя перемещается (от чувствительного элемента ЧЭ прибора). При этом открывается одно из окон и рабочая среда, поступая в ИМ, приводит его в движение.

Детали золотниковой группы изготовляются с очень большой точностью: точность размеров и отклонений от правильной геометрической формы обычно оценивается в микрометрах. В большинстве случаев поршень притирается по гильзе, т.е. эти детали не являются взаимозаменяемыми.

Дросселирование (мятие) – пониженине давления путём пропускания (пара, жидкости, воздуха) через суженное сечение. Жиклёр – металлическая, обычно латунная, трубка, через которую жидкое топливо (горючее) поступает в смесительную камеру карбюратора. Жиклёр имеет калиброванное выходное отверстие.

Выбор материала поршня и гильзы производят из условий обеспечения минимального трения, максимального сопротивления истиранию и одинаковости коэффициентов температурного расширения.

Усилители с золотником относятся к дроссельным, т.к. отклонением буртов поршня от нейтрального положения осуществляется дросселирование потока рабочей жидкости.

Разница высот окна и буртика у поточных золотников, у которых толщина буртика < размера окна, небольшая (10÷20 микрометров). Это позволяет получить линейную зависимость изменения расхода среды через золотник от открытия окон золотника (при постоянном давлении питания).

При перемещении поршня золотникового усилителя с определённой скоростью затрачивается определённая сила на преодоление инерции, трения и воздействия рабочей среды на поршень золотника. Для повышения чувствительности золотника необходимо уменьшить эти силы сопротивления.

Так, сила трения может быть уменьшена приданием вращательного движения гильзе или поршню при поступательном перемещении поршня. Кроме того, эта сила может быть уменьшена т.н. способом вибрационной линеаризации, сущность которого заключается в том, что золотнику или гильзе сообщаются вынужденные колебания с амплитудой порядка 0,1 мм и частотой 80÷100 Гц.

Необходимо также уменьшить влияние потока рабочей среды на поршень. Наибольшее значение имеют силы, направленные по оси золотника – осевая неуравновешенная сила. Основным способом уменьшения этой силы на практике является применение профилированных поршней профилированных выточек в гильзе. Это достигается тем, что создаётся сила, противоположно направленная осевой неуравновешенной силе.

Силу инерции можно уменьшить, уменьшая вес поршня золотника.

В обычных САУ поршень золотника можно непосредственно подключить к ЧЭ. Для перемещения поршней малых золотников требуется усилие 0,5÷1 Н (0,051÷0,102 кг), больших - 20÷30 Н (2,04÷3,06).

Статическая характеристикаусилителей с золотником представляет собой сложную функцию давлений на его входе от величины перемещения или от площади поперечного сечения между окном гильзы и буртиком поршня. Как правило, эта зависимость устанавливается опытным путём.

На рис.7 показана статическая характеристика идеального золотника.

Включение золотника в пневмосистему показано на рис.8. Давление Рработ компрессора через фильтр и дроссель подаётся в золотник 5, который управляет ИМ-ом 1. Золотник работает от ЧЭ 4, положение которого определяется изменением измеряемой или регулируемой величины Рк. Для улучшения динамических характеристик в прибор введена ООС 3 в виде системы рычагов, кулака, пружины. Роль ООС заключается в следующем.

С увеличением, например, измеряемой величины Ркпри отсутствии ООС поршень золотника резко пошел бы вниз (в плоскости чертежа). В нижней полости ИМ создалось бы избыточное давление, и его поршень резко пошел бы вверх. Из-за наличия масс поршень ИМ перешел бы нейтральную линию, отвечающую значению Рк; затем пошел бы вниз, снова переходя нейтральную линию, т.е. совершал бы колебательное движение. Для

Рис.8

уменьшения время установления поршня ИМ вводит ООС: с увеличением Ркпоршень ИМ идет вверх и через рычаги и кулаки сжимает пружину, уменьшая скорость перемещения мембраны и поршня усилителя, что и уменьшает динамическую погрешность.

Структурная схема данного прибора показана на рис.9.

Рис.9

ІV.Струйный усилитель

Особенностью струйных преобразователей является отсутствие подвижных частей (заслонок, поршней, пружин, опор и т.п.), имеющих место в других разобраных выше усилителях, что уменьшает инструментальные погрешности. Принцип работы этих преобразователей заключается во взаимодействии струй рабочей среды, вытекающих из сопел различного расположения или протекающим по разным каналам с разным давлением.

Рис.10,11

Работу струйного преобразователя можно представить из схемы, показанной на рис.10. К соплу подаётся давление питания Р0. Выходная струя подаётся в два приёмных канала, создавая в них одинаковое давление при отсутствии управляющего давления Рк. При подаче в боковой канал управляющего давления Ркструя давления Р0отклоняется в сторону, создавая в одном канале повышенное давление Ру, а в другом – пониженное.

Эти преобразователи могут быть использованы в качестве усилителей, т.к. в выходном канале можно получить мощность в десятки раз выше, чем мощность от управляющего давления. В этом случае выходные каналы будут связаны с ИМ (например, сервомотором двухстороннего действия).

В качестве примера струйного преобразователя можно рассмотреть пневматический преобразователь, разработанный Смоленским филиалом НИИ Теплоприбор, схема которого показана на рис.11.

Работа его состоит в следующем. Струя воздуха, вытекая из сопла питания 1, воспринимается выходным соплом 2. Давление выхода Рвыхбудет тем меньше, чем больше Рупр(сопло 3) отклоняет струю питания. Управляющее давление изменяется с помощью устройства,,сопло-заслонка’’.