книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

ся: постоянство входных сопротивлений, независимость точки срабатывания (давления срабатывания р у) от нагрузки п дав­ ления питания, отсутствие обратных связен, ударостойкость, ус­ тойчивость к звуковым возмущениям, высокий коэффициент уси­ ления, надежная работа элементов в схемах и высокий к. п. д. Элементы этого типа изготовляют на токарном станке (элемен­ ты пространственного исполнения) либо штамповкой (плоское исполнение). При сборке элементов пространственного псполне-

нпя не возникает трудностей, связанных с герметизацией эле­ ментов.

Схема простейшего турбулентного усилителя (рис. 77, а) со­ держит питающий 1, приемный 2 и управляющий 3 каналы [53]. Для улучшения характеристик усилителя в пространство между питающим и приемным каналом помещают элемент 4 (рис. 77, б) (диффузор, клин и т. п.), способствующий более интенсивной турбулизации струи, вытекающей из канала питания при подан­ ном сигнале управления.

Рассмотрим характеристики турбулентного усилителя с диф­ фузором (рис. 77, б).

Основные статические и динамические характеристики тур­ булентного элемента. Струйный элемент с ламинарным питаю­ щим капилляром отличается от усилителя, представленного на рис. 77, а, тем, что между питающим капилляром 1 и приемной трубкой 2 установлен диффузор, ось которого совпадает с осью трубок, а раствор направлен в сторону приемной трубки. При работе элемента (рис. 77, б) сочетаются два эффекта — турбулнзацня питающей струи управляющей струей и дополнительное расширение питающей струи в диффузоре после ее турбулиза­ ции. Эффект дополнительного расширения струи (прилипание

140

ловную единицу выбрано давление в 40 мм вод. ст. Максималь­ ная нагрузка составляет четыре — пять элементов (при давле­ нии питания 250 мм вод. ст.) п три элемента (при давлении пи­ тания 170 мм вод. ст.). Внешний вид турбулентного усилителя дан на рис. 80.

Расходы, необходимые для питания и управления элементов, принцип действия которых основан на взаимодействии струй,

Рис. 80. Турбулентным усилитель:

а — для монтажа на трубках; б — для монтажа на платах

значительно превосходят соответствующие расходы для элемен­ тов типа трубка с ламинарным питающим капилляром. Так, на­ пример, для плоского элемента расход па управление (канал сечением 0,4 X 1,2 мм при управляющем сигнале в 40 мм вод. ст.) составляет от 0,0045 до 0,0105 л/с, а для элемента трубка — трубка (канал диаметром 0,35 и длиной 4 мм) — 0,0025 л/с.

При выборе режима работы любого струйного элемента сле­ дует стремиться к максимальному использованию его выходной мощности. В связи с этим представляют интерес мощностные характеристики элемента трубка — трубка, по которым выбира­ ют оптимальные с точки зрения использования выходной мощ­ ности величины выходных расходов и давлений. Зависимость мощности на нагрузке, присоединенной к выходу элемента, от выходного давления представлена на рис. 81. Айощность опреде­ ляли как произведение перепада давлений на дросселе нагрузки на объемный расход (данные взяты из графика на рис. 79). Па­ раметром служила величина давления питания элемента. Из рис. 81 следует, что графики изменения мощности имеют экстре­ мумы (максимумы), причем расположение максимума изменяет­ ся в зависимости от давления питания. Обычно стремятся выбп-

142

рать рабочую точку вблизи максимума. Для уменьшения изме­ нения мощности следует сужать диапазон питающих давлений. Как показали исследования, для разработанных элементов при­ емлемым диапазоном давлений питания оказался диапазон 150—

параллельно к выходу, наряду с уменьшением выходного давле­ ния уменьшаются и флюктуации давления на выходе элемента, но точки срабатывания не смещаются.

Следует отметить, что при наличии диффузора с углом рас­ твора конуса а = 25° при подаче управляющего давления ру = = 20 мм вод. ст. остаточное давление на выходе элемента прак­

струйный элемент выполняет логическую операцию НЕ—-ИЛИ на четыре выхода. Следовательно, с помощью этих элементов можно реализовать любую логическую операцию (см. гл. VI).

Элемент может пропускать сигналы с частотой порядка 250— 500 Гц. Амплитудно-частотная характеристика элемента, полу­ ченная при давлении питания ро = 170 мм вод. ст. и подаче на вход прямоугольных импульсов постоянной высоты и возрастаю­ щей частоты от специального электропневматического генерато­ ра колебаний, показана,на рис. 82.

1-13

Описываемый элемент можно сделать очень чувствительным к звуковым колебаниям и даже есть возможность настраивать его на определенную частоту звукового сигнала. В этом случае элемент трубка — трубка с ламинарным питающим капилляром соединяют определенным образом с резонатором Гельмгольца. Такое качество элемента открывает перспективы для развития нового направления в автоматике — пневмоакустикн.

В то же время этот элемент, предназначенный для работы в системах струйной техники, при определенных условиях (при размещении его в специальном корпусе) весьма устойчив к зву­ ковым возмущениям. Так было установлено, что если к отвер­ стию, соединяющему внутреннюю полость элемента с атмосфе­ рой, подать звуковой сигнал со звуковым давлением, равным 100 бар, и при этом изменять частоту звукового сигнала от 0 до 10 000 Гц, то ложных срабатываний элемента при этом не на­ блюдается.

Выбор основных параметров турбулентного элемента. Для выбора основных параметров элемента трубка — трубка как пневматических (давление питания, величины управляющих сиг­ налов и т. д.), так и конструктивных используют чисто экспери­ ментальные и расчетные методы. Так, для определения опти­ мального диаметра атмосферного отверстия, при котором полу­ чается наплучшая статическая характеристика элемента, прово­ дят ряд экспериментов. С этой целью с элемента с изменяемым диаметром атмосферного отверстия была снята серия статиче­ ских характеристик. Оказалось, что наилучшую статическую ха­ рактеристику имеет элемент с диаметром атмосферного отвер­ стия 2,5 мм. Местоположение атмосферного отверстия также играет существенную роль. Наилучшую статическую характери­ стику обеспечивает элемент с отверстием, расположенным напро­ тив конца приемной трубки.

Экспериментально установлено, что крутизна статической ха­ рактеристики будет больше, если управляющая струя, турбулизирующая питающую струю, является ламинарной. В этом слу­ чае действие управляющей струи проявляется наиболее эффек­ тивно.

С точки зрения нагрузочной способности элемента наиболее выгодно, чтобы входное сопротивление было как можно больше. Однако при большом входном сопротивлении статическая харак­ теристика элемента ухудшается. На рис. 83 показано семейство

нагрузочных элементов до четырех, допустимое остаточное дав­ ление) является характеристика с управляющим капилляром, имеющим длину 4 мм п диаметр 0,35 мм (рис. 83, кривая 2).

144

Как проверено на практике, наибольший коэффициент уси­ ления имеет элемент, у которого пересечение управляющей и питающей струй происходит в непосредственной близости от тор­ ца питающего капилляра. В каче­ стве примера на рис. 84 приведе­ на зависимость выходного давле­ ния от расстояния I (от торца пи­ тающего капилляра до оси управ-

трубке рв в случае истечения из питающей трубки (рис. 85) ла­ минарной струи. Нагрузкой элемента могут служить одинако­ вые капилляры или жиклеры. Рассмотрим вначале случай, ког­ да нагрузкой приемной трубки являются п параллельно вклю­ ченных жиклеров радиуеом гж.

Так как давление питания в струпных элементах такого рода низкое, то можно рассматривать воздух как несжимаемую жид­ кость, т. е. процесс изменения состояния воздуха принять изохорическим. Потерями энергии между сечениями 1—1 н 2—2 (рис. 85) пренебрегаем. Приемная трубка имеет небольшую длину.

Сделав указанные допущения, запишем уравнения Бернулли для сечений 1—1, 2—2 и 2—2, 3—3, причем сечение 1—1 выбе­ рем в свободной ламинарной струе на весьма малом расстоянии от торца приемной трубки, сечение 2—2 в приемной трубке, а сечение 3—3 — на срезе жиклеров:

и Iрс* и0ри9

Р\ Н-----;— —Рв Н---- -—

2

(78)

сырщ

рв + = /^і+—— + U ——

Кэтим двум уравнениям добавим уравнение неразрывности

ческой энергии для сечения струи 1—1 при радиусе г, т. е. той части струи, которая попадает в приемный канал на его срезе; р — плотность воздуха; Ѵ\ — средняя скорость в сечении 1—1 на радиусе г; рв — давление в приемной трубке; ct2 — коэффициент

кинетической энергии для потока в приемной трубке; и2— сред­ няя скорость в приемной трубке; о3 — средняя скорость на вы­ ходе из жиклера; с і— коэффициент сопротивления жиклера1; F — площадь проходного сечения приемной трубки; / — площадь проходного сечения жиклера.

Учитывая, что F = яг2, а f — лг2к , и решая уравнения (78) и

(79) совместно относительно избыточного давления в приемной трубке, получим

В этом уравнении ср — коэффициент скорости о2:

Коэффициент у в случае, если радиусы гж и г мало отлича­ ются друг от друга, вычисляется по формуле

1 При параллельном соединении одинаковых дросселей коэффициент со­ противления всей системы равен коэффициенту сопротивления одного дросселя.

146

£. = ь 1

где £— коэффициент сопротивления жиклера [24].

Формула, выражающая распределение скоростей в сечении свободной и затопленной ламинарной струн, имеет вид

(81)

где

Q — объемный расход воздуха через питающий капилляр; ѵ — коэффициент кинематической вязкости; у — расстояние от оси струи до скорости в данной точке; х-— расстояние от условного

питающей трубки до рассматриваемого сечения (в нашем случае до сечения 1—1 или до торца приемной трубки).

Подставляя уравнение (82) в уравнение (80), получим окон- ■ нательную формулу для вычисления избыточного давления в приемной трубке

Коэффициент кинетической энергии со представляет собой отношение кинетической энергии в ламинарной струе на расстоя­ нии Л'о + Л'т от полюса на радиусе г к кинетической энергии в том же сечении и при том же радиусе, вычисленной по средней скорости:

Подставляя в выражение (84) ѵ, щ и F и интегрируя его, по­ лучим

ностью открыт) профиль скоростей будет близок к профилю ско­ ростей в струе на левом торце приемной трубки, т. е. аг— аі. Поэтому можно аппроксимировать изменение аг в зависимости от отношения r-Jr приближенной формулой

а2 = 1 + (аі — 1)——■

Пример 8. Рассчитать давление в приемной трубке элемента трубка — трубка с ламинарными питающими капиллярами (рис. 85). Приемная трубка нагружена одним жиклером (д= 1). Параметры элемента следующие: /0 = = 3,47 см; а = 0,035 см; г = 0,035 см; хт = 0,8 см, гж- 0,016 см; р0 = 100 мм

X10~5 кг/(м • с).

1.Рассчитаем расстояние от торца капилляра до полюса:

2. Расстояние от полюса до торца приемной трубки

* = *0 + х'т = 3,08 + 0,8 = 3,88 см.

находим коэффициент кинетической энергии в сечении струи перед приемной трубкой

5. Коэффициент кинетической энергии для потока внутри приемной труб­ ки рассчитываем по приближенной формуле

148

Помимо нагрузки в виде турбулентных дросселей приемная трубка может нести нагрузку также и в виде ламинарных дрос­ селей — капилляров (рис. 86) (например, управляющие капил­ ляры турбулентного усилителя).

1 2 3

Рис. 86. Расчетная схема давления в приемном канале турбулентного усилителя при нагрузке в виде капилля­ ров

Для вывода уравнения, позволяющего определить давление в приемной трубке, так же как и ранее, выписывают уравнения Бернулли для сечений 1—1, 2—2 и 2—2, 3—3, а также уравнение неразрывности:

—р і + ^ ^ + г —

, F V 2 = f v 3n-

149