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

брамы не используют из-за их сравнительно небольших прогибов. В пневматических вычислительных приборах, работающих по принципу компенсации сил, применяют мембраны с малой жест­ костью из неметаллических материалов, модуль упругости кото­ рых в сотни и тысячи раз меньше модуля упругости металлов. В вычислительных приборах, работающих в диапазоне низких рабочих давлении (0—100 мм вод. ст.), применяют мембраны из тонкой (0,2—0,4 мм) резины, а в приборах, работающих в диапа­ зоне нормальных рабочих давлений,— мембраны из мембранного

Рис. 20. Различные виды плетения основы мембран из мембран­ ного полотна:

плетение нитей

полотна, представляющего собой сетку (основу), выполненную из хлопчатобумажных или иных нитей и пропитанную резиной. Основа придает мембране необходимую прочность [3]. При ма­ лых рабочих перемещениях мембраны нити не участвуют в ра­ боте, и жесткость мембраны пренебрежимо мала. Наоборот, когда сетка вступает в работу, жесткость мембраны чрезмерно возрастает.

На рис. 20 представлены несколько видов плетения основ мембранного полотна. У мембран, имеющих основу из нитей, которая залита резиной, жесткость в различных направлениях неодинакова. Так, например, в материале, имеющем основу из прямоугольной сетки (рис. 20, б), жесткость в направлении стрелок А (направление под утлом 45° к направлению нитей) является минимальной. Трикотажное плетение нитей (рис. 20, г) позволяет обеспечить малую жесткость мембранного полотна при небольших растягивающих усилиях и большую жесткость при больших усилиях. Мембраны с основой из плетеных нитей являются наихудшими, так как инти в местах плетения трутся друг о друга, что приводит к появлению гистерезиса во внешней характеристике мембраны. Наилучшими считаются мембраны из кордной ткани, где нити с различной ориентацией располагают­ ся в различных плоскостях и не переплетаются между собой.

Для изготовления мембран силовых устройств, работающих при повышенных давлениях, применяют мембранное полотно с многослойной тканевой основой, толщина которых достигает

50

3—5 мм. Рабочие диаметры таких мембран лежат в пределах 300—500 мм.

Мембраны из полотна для пневматических вычислительных устройств, работающих в нормальном диапазоне рабочих давле­ ний, изготавливают как плоскими, так и гофрированными с од­ ним полукруглым гофром (рис. 21, а, б). Жесткий центр мембра­ ны образуется двумя металлическими, чаще всего дюралевыми, дисками. По наружному контуру мембрану зажимают в корпусе, и она удерживается силами трения. Для крепежных болтов и воз-

Рис. 21. Различные типы резиновых и резино-тканевых мембран, применяемых в устройствах пневмоавтоматики:

душных каналов по окружности мембраны предусматривают от-

обычно не имеют гофра. Жесткий центр таких мембран изготов­ ляют из топкого (0,4-—0,5 мм) дюралевого листа и в нем проби­ вают отверстия для облегчения и для прочного соединения с ма­ териалом мембраны (рис. 21, в). Если жесткий центр не обвола­

снабжают буртиком (рис. 21, г). Ширина буртика должна быть рассчитана так, чтобы материал мембраны не получил повреж­ дения из-за слишком высокого удельного давления в месте кон­ такта. По раиту мембраны низкого давления приклеивают рези-

новое кольцо, служащее для ее центрования в корпусе, натяже­ ния II герметизации рабочих камер.

При изменении знака перепада давлений на гофрированной мембране положение гофра резко меняется и мембрана «про­ хлопывает». Это явление крайне нежелательно, так как при этом изменяется эффективная площадь мембраны и объем мембран­ ной камеры, что нарушает заданный баланс сил и изменяет по­ стоянную времени вычислительных приборов. Поэтому при про­ ектировании пневматических регулирующих и вычислительных приборов необходимо обеспечить такие условия работы мембра­ ны, чтобы знак перепада давлений на ней не менялся. Если уст­ ранить «прохлопывание» путем выбора схемы не удается, при­ меняют сдвоенные гофрированные мембраны (рис. 21, д). По­ лость, ограниченная мембранами, в данном случае сообщается с атмосферой. В таких условиях перепад давлений не изменяет своего знака. Фирма Санвик предложила применять сдвоенные плоские мембраны, во внутреннюю полость которых заводят дав­ ление питания (рис. 21, е). Так как рабочее давление в любой из мембранных камер прибора ниже давления питания, «прохлопывания» не наступает.

Эффективной площадью мембраны называют условную пло­ щадь, равную частному от деления внешнего рабочего усилия, развиваемого мембраной под действием перепада давления, на этот перепад, т. е. Еэ = N/Ap. Эффективная площадь мембраны существенно зависит от перемещения х ее центра от нулевого уровня, за который принимается плоскость заделки. При увели­ чении X эффективная площадь мембраны так же, как и разви­ ваемое ею усилие N, падает. Если нет упора и мембрана про­ гибается свободно, то развиваемое ею усилие N и эффективная площадь F0 равны нулю. В данном случае развиваемое мембра­ ной усилие полностью компенсируется внутренними силами, воз­ никающими в материале мембраны.

Формула для определения эффективной площади эластичной

хтах — максимально возможный ход мембраны.

Формула (18) имеет существенные недостатки. Так, в фор­ муле не отражена зависимость эффективной площади от физи­ ческих свойств материала мембраны и необходимо заранее знать максимальный прогиб хтахМаксимальный прогиб xmax можно определить, если считать, что образующая 1 мембраны в неко-

52

тором условном положении является прямолинейной (см. рис. 22). Такое положение мембраны (как и прогиб хтПх) фик­ тивное. Величину л'шах можно определить для вялой мембраны 1 из мембранного полотна, зная прогиб ее центра, образующийся при приложении к жесткому центру некоторой силы. При этом следует допустить, что значение прогиба мембраны Хо опреде­ ляется при отсутствии нагрузки, действующей на жесткий центр.

Формула Ликтана позволяет вычислить эффективную пло­ щадь F0 и, следовательно, развиваемое мембраной внешнее уси­ лие N с учетом прогиба х,

что особенно важно при расчете мембранных ис­ полнительных механиз­ мов, где прогиб мембраны имеет сравнительно боль­ шую величину.

В мембранных испол­ нительных механизмах мембраны обычно работа­

ют совместно с цилиндрическими пружинами, воспринимающими основную долю усилия N. Если в мембранных исполнительных механизмах мембрана должна обеспечивать максимальный ход при сохранении достаточного усилия, то в пневматических вычи­ слительных устройствах мембраны должны работать в таких ус­ ловиях, при которых их перемещения были бы минимальными. Для этого, например, создают постоянные перепады на дроссе­ лях (см. гл. Ill) и т. д. Это связано с тем, что изменение эффек­ тивной площади мембраны приводит к появлению погрешности в реализации той или иной математической операции пневмати­ ческим прибором. Прогибы мембран, применяемых в пневмати­ ческих приборах, колеблются в пределах нескольких сотых до­ лей миллиметра, поэтому для расчета эффективных площадей таких мембран обычно используют формулу Ликтана для х = О, т. е.

Мембраны с гофром имеют более стабильную эффективную площадь, нежели плоские мембраны, что особенно важно для

1 Вялой мембраной называют такую мембрану, которая в некотором диа­ пазоне перемещении не создает сопротивления прикладываемой к ней силе и. остается в том положении, в которое ее передвинули.

53

мембран, применяемых в пневматических вычислительных уст­ ройствах. Наличие жесткого центра, как это видно из приведен­ ной формулы, увеличивает эффективную площадь мембраны. Однако чрезмерное увеличение жесткого центра приводит к уве­ личению жесткости мембраны. Как правило, диаметр жесткого центра составляет 0,4—0,85 от диаметра заделки.

Неметаллические мембраны, имеющие ряд преимуществ, имеют также и существенные недостатки. Основным недостат­ ком является нестабильность рабочих характеристик. Резина подвержена интенсивному старению. Например, у некоторых рг сортов резины модуль упругости значитель­ но возрастает в течение нескольких месяцев.

При этом чувствительность пневматических приборов резко уменьшается. Со временем из-за изменения свойств материала мембра­ ны может измениться начальная установка

лмембраны относительно управляемого ею сопла. Это ведет к появлению дополнитель­

манжетную мембрану, представляющую собой цилиндрическую оболочку, изготовленную из кордной ткани, нити которой распо­ ложены под некоторым углом к образующей цилиндра (рис. 23). Нижняя часть цилиндрической оболочки прикрепляется к непод­ вижному цилиндру, а верхняя часть — к жесткому центру, выпол­ ненному в виде легкого полого подвижного цилиндра с дном. Давление воздуха прижимает оболочку к цилиндру и жесткому центру. При движении жесткого центра мембрана благодаря на­ личию гофра перекатывается с цилиндра на жесткий центр, либо наоборот. Основной недостаток манжетной мембраны состоит в том, что давление р\ всегда должно быть больше давления /32-

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную в радиальном направлении цилиндрическую трубку (рис. 24, а). Под действием давления пли силы, приложенной вдоль оси, из­ меняется длина сильфона. Функции, выполняемые сильфоном, весьма разнообразны: сильфоны применяют для упругого соеди­ нения трубопроводов, расположенных под утлом и со смещени­ ем по оси, их используют в качестве пневматического объема переменной емкости (например, в системе УСЭППА) или уплот­ нителей в регулируемых дросселях, а также для разграничения двух сред в манометрических датчиках и т. д. Но в основном в пневмоавтоматике сильфоны используют для построения вы­ сокоточных вычислительных устройств, так как сильфоны хоро­ шо сохраняют свои характеристики и, в особенности, при тех

54

незначительных перемещениях, какие имеют место в этих уст­ ройствах. В приборостроении применяют сильфоны с диамет­ рами от 7 до 150 мм и толщиной стенки 0,08—0,3 мм.

Сильфоны изготавливают из цельнотянутой тонкостенной трубки гидравлическим или механогидравлическим способами. При первом способе трубку закрепляют в зажимах специально­ го станка. На определенном расстоянии друг от друга вдоль трубки устанавливают разъемные кольца. В трубку под давле-

происходит как внутрь, так и наружу, поэтому утоньшение мате­ риала на гребнях гофр получается меньшим, чем при гидравли­ ческом способе, при котором вся вытяжка происходит наружу. Так как в процессе изготовления сильфона материал претерпе­ вает значительные пластические деформации, для изготовления сильфонов из цельнотянутых трубок применяют такие материа­ лы, как фосфористая бронза Бр.ОФ6,5-0,4, полутомпак Л80. Упругие свойства этих материалов весьма низки, и сильфоны, изготовленные из этих материалов, обладают значительным ги­ стерезисом.

При работе в агрессивных средах и в зоне высоких темпера­ тур (до 400° С) применяют сильфоны из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Гистерезис таких сильфонов достигает 2—4%. Хоро­ шие упругие свойства имеют сильфоны, изготовленные' из бериллиевых бронз Бр.Б2, Бр.Б2,5, Бр.БНТ1,9 и сплава Н36ХТЮ, ко­ торые допускают глубокую вытяжку. После вытяжки сильфоны проходят термообработку.

Изготовление сильфонов из цельнотянутых трубок — весьма трудоемкий процесс. Поэтому сильфоны изготавливают также путем сварки из отдельных кольцевых пластин. На рис. 24, б, в показаны различные типы сварных сильфонов. Сварной сильфон представляет собой блок, состоящий нз отдельных мембранных

55

коробок. Благодаря наличию глубоких гофров чувствительность сварных сильфонов выше, чем чувствительность сильфонов, из­ готовленных из цельнотянутых трубок. Упругие свойства и эф­ фективная площадь таких сильфонов также более стабильны. Наиболее стабильную эффективную площадь имеют сильфоны с цилиндрическим буртиком (рис. 24, б), эффективная площадь у таких сильфонов практически не зависит от шва. Материал сварных сильфонов при формовке испытывает меньшую вытяж­ ку, чем при изготовлении из цельнотянутых трубок. Для устра­ нения «прохлопываний» отдельных мембран, из которых состоит сварной сильфон, на них наносятся гофры (рис. 24, е). Благо­ даря этому сильфоны имеют меньшую нелинейность характери­ стики и больший допустимый ход. Главным недостатком сварных сильфонов является их низкая коррозионная стойкость из-за на­ личия сварных швов.

При необходимости повысить жесткость сильфона его уста­ навливают совместно с винтовой цилиндрической пружиной. Если сильфон изготовлен из материала с низкой упругостью, то, выбрав жесткость пружины в несколько раз больше жесткости сильфона, можно практически избавиться от какого-либо влия­ ния упругих свойств сильфона на статическую характеристику. Для экономии места пружину размещают внутри сильфона. Уве­ личение жесткости сильфона за счет увеличения толщины стен­ ки невыгодно, так как материал работает на изгиб и при том же прогибе возрастут напряжения.

При очень больших давлениях, когда прочность тонкостенно­ го сильфона оказывается недостаточной, применяют многослой­ ные сильфоны, что ведет к уменьшению напряжений и увеличе­ нию чувствительности по сравнению с однослойными сильфонами той же толщины. Однако вследствие трения слоев у многослой­ ных сильфонов увеличивается гистерезис.

При конструировании приборов стремятся установить силь­ фоны так, чтобы они работали на сжатие, так как в этом случае они выдерживают давление в 1,5—2 раза выше, чем при работе на растяжение.

Если сильфоны используют в пневматических вычислитель­ ных устройствах, работающих по принципу компенсации сил, то давление обычно подается во внутрь сильфона, так как переме­ щение сильфона при этом ничтожно и потеря устойчивости пря­ молинейной формы оси исключена.

Для расчета эффективной площади сильфона применяют ши­ роко известную эмпирическую формулу, дающую хорошее совпа­ дение с экспериментом:

гn{RB + Rn)2

* э . С — . >

4

где Ru и Rn — соответственно наружный и внутренний радиусы сильфона.

56

Перемещение сильфона под действием давления р равно пе­ ремещению сильфона под действием осевой сосредоточенной си­

где р — давление в сильфоне; с\ — жесткость сильфона; h 0 — ход

сильфона до упора; р0— давление, при котором дно сильфона дошло до упора.

При отсутствии упора N = 0 и вся сила, создаваемая давле­ нием, уходит на растяжение сильфона. В этом случае уравнение (20) вырождается в равенство Facp =

При совместной работе сильфона и винтовой цилиндрической пружины (рис. 25, б, в) усилие, действующее на сильфон со сто­ роны пружины, можно подсчитать по формуле

где С2 — жесткость пружины.

Эта же сила может быть выражена через параметры сильфо­

Статическая характеристика сильфона, представляющая со­ бой зависимость перемещения h от давления или осевой силы,

линейна для довольно значительных перемещений.

Следует отметить разницу между эффективной площадью мембраны F3 и эффективной площадью сильфона F3C. При рас­

57

смотрении в предыдущем разделе эластичных мембран понятие жесткости не вводилось, при этом эффективная площадь мем­ браны оказывается зависящей от величины хода при любых воз­ можных смещениях жесткого центра. Если ввести понятие жест­ кости, под которой понимается отношение силы Nu действующей на сильфон, к перемещению его днища /г, то эффективная пло­ щадь сильфона Ряс будет постоянной при условии сохранения постоянства жесткости. Это имеет место на линейном участке статической характеристики. Таким образом, произведение эф­ фективной площади мембраны F3 на давление р дает внешнее рабочее усилие, а соответствующее произведение эффективной площади сильфона F3C на давление — полную силу, часть кото­ рой в общем случае идет на создание внешнего рабочего усилия, а часть — на растяжение сильфона. Однако все сказанное не исключает возможности при описании жестких мембран вводить в рассмотрение жесткость.

Под площадью поршневого действия сильфона понимают ус­ ловную площадь, равную частному от деления приращения объе­ ма на перемещение днища. Для сильфона площадь поршневого действия может быть приближенно принята равной эффектив­ ной площади, т. е. ДЕ = Fach, где Іг — перемещение дна сильфо­ на; ДЕ — приращение объема.

Жесткость сварных сильфонов [3], у которых толщина мате­ риала б во всех точках практически одинакова, рассчитывают по

на; Е — модуль упругости материала. Коэффициент А вычисляют по формуле

сильфона, ф = RJRв.

У бесшовного сильфона, изготовленного гидравлическим или механогидравлическнм способом путем вытяжки заготовки, тол­ щина стенки в различных точках различная. Во внутренних точ­ ках на радиусе RB (рис. 25, г) толщина стенки равна толщине 6о трубки-заготовки. С увеличением радиуса толщина убывает. Тол­ щина стенки сильфона в зависимости от радиуса может быть рассчитана по эмпирической формуле

5 = 6

Для расчета бесшовных сильфонов используют формулу (22), куда вместо б3 подставляют его осредненное значение, равное

58

среднему арифметическому из кубов толщин сильфона в несколь­ ких точках, взятых па различных расстояниях от оси. Так, для

У сильфонов, выпускаемых нашей промышленностью, всегда есть паспорта с указанием жесткости, поэтому на практике необ­ ходимость в ее расчете отпадает.

3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЗОЛОТНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ЗОЛОТНИКИ)

Пневматические золотники по своей конструкции и принципу действия практически не отличаются от гидравлических золот­ ников и применяются для управления пневматическими поршне­ выми исполнительными механизмами.

Конструктивное оформление золотниковых пар очень разно­ образно. Однако по конструкции все золотники можно разделить па две группы — цилиндрические и плоские. Примеры двухбурточного Ti трехбурточного цилиндрических золотников представ­ лены на рис. 26. Там же схематически показана схема подклю­ чения поршневого исполнительного механизма.

Золотник состоит из двух основных элементов: плунжера 1 с буртиками II гильзы 2 с прямоугольными фрезерованными ок­ нами. Так как в пневмоавтоматике нет необходимости в возврат­ ных линиях для сброса отработанного воздуха, то золотники чаще всего выполняют с плунжером, имеющим два буртика (по­ яска). Плунжер должен свободно перемещаться в гильзе, при этом пневматическое сопротивление для утечки воздуха в атмо­ сферу должно быть достаточно.большим, т. е. радиальный зазор между гильзой и плунжером должен быть минимальным. Мате­ риалы, из которых изготавливают гильзу и плунжер, должны иметь наименьшее трение в паре при отсутствии смазки, близкие температурные коэффициенты расширения, чтобы избежать за­ клинивания плунжера в гильзе при изменении температуры, а также иметь максимальное сопротивление истиранию.

Принцип работы золотника состоит в том, что плунжер, пере­ мещаясь от датчика или вручную, изменяет соответствующим образом проходные сечения окон, и тем самым создает различ­ ные гидравлические сопротивления для воздуха, поступающего

59