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

в пневмоцилиндр и вытекающего в атмосферу, отчего зависит скорость передвижения поршня. Отклоняясь в противоположную сторону от нейтрального положения, плунжер изменяет функ­ циональное назначение окон, превращая окно наполнения в окно опорожнения, и наоборот, тем самым изменяет направление дви­ жения поршня на обратное. Сжатый воздух питания подводится к окну, расположенному посредине золотника.

Различают золотники с положительным, отрицательным и ну­ левым перекрытием. У золотников с положительным перекрыти­ ем ширина окна меньше ширины пояска буртика плунжера, т. е.

Ь. В нейтральном положении буртики плунжера перекрыва­ ют окна гильзы и тем самым запирают воздух, находящийся

в силовом цилиндре. Поэтому золотники с положительным пере­ крытием получили еще название отсечных золотников. Недоста­ ток золотников с положительным перекрытием состоит в нали­ чии характерной зоны нечувствительности, определяемой разно­ стью между шириной буртика и шириной окна. Физически это проявляется в том, что всякое перемещение плунжера от нейтра­ ли на расстояние, меньшее, чем половина указанной разности, не приводит к открытию окон и, следовательно, к движению штока поршня исполнительного механизма.

Буртики плунжера золотника с отрицательным перекрытием имеют ширину /г, меньшую ширимы окна Ь, что устраняет зону нечувствительности. Однако с этим связан и основной недостаток такого золотника, заключающийся в том, что даже при нейтраль­ ном положении плунжера имеется утечка рабочего воздуха в ат­ мосферу. В связи с этим золотники с отрицательным перекры­ тием называют еще проточными золотниками. Ширина окна в таких золотниках больше ширины буртика плунжера на не­ большую величину, равную обычно 0,01—0,02 мм. Однако золот­ ники с отрицательным перекрытием применяют значительно ча­ ще, чем золотники с положительным перекрытием, так как они дают возможность в приводах с отрицательной обратной связью

60

обеспечить слежение с большей точностью, а зачастую и умень­ шить склонность системы к автоколебаниям.

Золотники с нулевым перекрытием изготовить чрезвычайно трудно, поэтому практически их не используют.

Основными размерами золотников являются диаметр бурти­ ка плунжера D, перекрытие к и зазор между гильзой и буртика­ ми плунжера е. Ввиду малой вязкости воздуха, утечки в пневма­ тических золотниках велики. Поэтому зазор е стремятся умень­ шить до минимума, доводя его, например, для золотников с D = = 10 ч -25 мм до величины меньше 0,010 мм. Перекрытие у не­

няют фрезерованием, а гильзу помещают в обойму 3 (рис. 26, а). Ввиду технологических трудностей при изготовлении гильзы ее часто выполняют в виде отдельных деталей, которые затем в со­ ответствующем порядке располагают в обойме (см. рис. 26, б), причем гильза в обойме может быть уплотнена как за счет за­ прессовки, так и с помощью резиновых колец.

В пневмоавтоматике находят применение плоские золотники (рис. 27) с пружинными и гидродинамическими подвесками, по­ зволяющими свести до минимума трение. Технология изготовле­ ния плоских золотников проще, чем технология изготовления цилиндрических золотников. Золотниковая пара состоит из плос­

к полости 4, ограниченной по торцам цилиндрическими штифта­ ми, а по бокам стенками. Золотник подвешен на шарнирных рычагах 2 и 6, вместо которых могут быть использованы плоские пружины. В нейтральном положении штифты 3 и 5 одинаково перекрывают торцовые отверстия каналов 9 и 10, соединяющих золотник с полостями поршневого привода. При возникновении силы, действующей на золотник 7, последний перемещается па-

61

раллельно корпусу 8, что приводит к открыванию каналов 9 и 10. Через образовавшиеся щели полости поршневого привода соеди­ няются соответственно с атмосферой и питающим давлением.

Расчет цилиндрического золотника сводится к выбору диа­ метра буртика плунжера и размера окон, другими словами, пло­ щади дросселирующей щели золотника, обеспечивающей задан­ ную максимальную установившуюся скорость поршня при задан­ ной максимальной нагрузке на поршень привода и заданном давлении питания золотника.

■Величину эффективного проходного сечения щели золотника находят пз формулы для максимальной установившейся скоро­ сти движения поршня

заданных давления питания ро и перепада давлений на поршне Ар при условии равенства эффективных площадей f\ = / 2 = /

дросселирующих щелей и истечении в среду с давлением, рав­ ным 0,1 МПа (рис. 26, а). Перепад давления на поршне

Ар =

где N — постоянная нагрузка на поршень (включая силу трения) в MH; F„ — площадь поршня в м2.

Разрешая выражение (23) относительно /, получим

/ = 1\ + Іо (рис. 28), причем гильза 2 может иметь и одно прямо­ угольное окно, тогда / = /ь Из уравнения для площади проход­ ного сечения дросселирующего окна определяют наибольший ход уп плунжера 1 золотника, обеспечивающий реализацию мак­ симальной заданной скорости ѵ поршня:

где р — коэффициент расхода, который принимают равным 0,8 при значительных открытиях. Исходя из неравенства b > ун, вы­ бирают ширину окна в гильзе 2.

Приведенный расчет максимального хода плунжера относит­ ся к золотниковой паре с нулевым перекрытием. Остальные гео-

* Подробный вывод формулы (23) и пояснения по графику на рис. 181 см. гл. VIII.

62

метрические размеры плунжера и гильзы выбирают из конструк­ тивных соображений. Для определения максимального расхода воздуха, идущего на наполнение полости поршневого привода при установившейся скорости ѵ, воспользуемся выражением

^нап PiFnV ■

Подставляя сюда рі = pJRT и ѵ, из фор­ мулы (23) получим

■-V-WРіФі/'

Давление р\ исключим, воспользовавшись выражением для ерь Тогда окончательно

Пример 1. Определить основные размеры золотника при совместной его работе с пневматическим поршневым приводом, если при установившемся дви­ жении абсолютные давления р3 = 0,1 МПа, р0 = 0,7 МПа н F„ = 0,01 м2,

Т= 293 К, /V = 0,0055 МН, ѵ = 0,1 м/с. Определим перепад давлений на поршне

= 0,55 МПа, находим ер, = 0,25. Делаем вывод, что сочетание режимов исте­ чения через одинаковые дросселирующие щели золотника—ДД (докритиче­ ское истечение через обе щели золотника). Пользуясь полученными данными, по формуле (24) можно рассчитать эффективную площадь щели

ные геометрические размеры гильзы и плунжера золотника выбирают нз кон­ структивных соображений. Массовый расход воздуха в камеру наполнения, соответствующий скорости поршня V, определяют из выражения

63

4. С Т Р У Й Н А Я Т Р У Б К А

Пневматические усилители со струйной трубкой по своей кон­ струкции аналогичны такого же типа гидравлическим усилите­ лям и предназначены для преобразования незначительных уси­ лий, образуемых датчиком, в сравнительно мощные потоки воз­ духа, направляемые в полости пневматического поршневого исполнительного механизма. Коэффициент усиления по мощно­ сти устройства можно значительно повысить, если к усилителю со струйной трубкой присоединить второй каскад усиления, вы­ полненный, например, в виде золотника. В этом случае управля­ ющие потоки воздуха с выхода струпной трубки будут направ­ ляться в соответствующие камеры плунжера золотника.

Применение двухкаскадных пневматических усилителей, а в общем случае многокаскадных связано со стремлением поднять коэффициент усиления по мощности и по давлению, равный в этом случае произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, не увеличивая усилие, развиваемое датчиком и необ­ ходимое для приведения в действие струйной трубки.

Действительно, возможно увеличение коэффициента усиления струйной трубки за счет увеличения давления питания. Однако это приведет также и к увеличению перестановочного усилия, развиваемого датчиком, и уменьшению точности, так как в этом случае увеличивается сила реакции струп и возрастет момент трения в подшипниках трубки. Увеличение числа каскадов при­ водит к более существенному увеличению соответствующих ко­ эффициентов усиления, но при этом необходимое усилие со сто­ роны датчика не увеличивается, так как первый каскад питается более низким давлением, чем второй и т. д. В качестве каскадов усиления помимо струйных трубок и золотников применяют уси­ лители сопло — заслонка и чисто струйные усилители..

Струйная трубка (рис. 29) состоит из трубки 3, на конце ко­ торой имеется выходное сопло 2. Трубка в верхней своей части соединена с тройником 5, который имеет две опоры: иглу 4 и регулировочный полый винт 7, через который к трубке подводит­ ся питающий воздух под давлением. Для предотвращения утечки воздуха винт 7 уплотнен резиновым кольцом 6. Благода­ ря опорам трубка может свободно поворачиваться на некоторый угол вокруг оси, совпадающей с осью винта 7 и иглы 4. Поворот трубки происходит за счет внешнего усилия, прикладываемого к точке 8 со стороны датчика, при этом обычно в противополож­

ную сторону действует усилие пружины задатчика. Под соплом 2 на небольшом расстоянии расположена плата 1 с приемными отверстиями.

Если суммарное усилие, действующее на трубку, равно нулю, то отверстие сопла 2 , из которого истекает воздух, одинаково

перекрывает приемные отверстия, расположенные в плате, и в полостях поршневого пневмопривода, соединенных с каналами

64

платы У, создаются равные давления р\ и р [. При незначитель­ ном повороте трубки отверстие сопла будет неодинаково пере­

так, что со стороны поршня на трубку действует усилие отрица­

ле струйной трубки имеется небольшой цилиндрический уча­ сток. Ширину перемычки b между приемными отверстиями У и 2 (рис. 30, а) выбирают в пределах 0,1—0,5 мм. Чем меньше перемычка, тем выше чувствительность устройства. Сопло на конце струйной трубки имеет угол конусности ~13°. Угол 0

конусности расширяющегося приемного канала платы (рис. 30, б) обычно составляет 10°. Расширение канала необходимо для оптимального преобразования кинетической энергии скорости струи воздуха в потенциальную энергию давления.

Чтобы при работе усилителя со струйной трубкой воздух,-вы­ текающий обратно из приемных отверстий, не оказывал силово-

го воздействия на струйную трубку и не создавал дополнитель­ ного момента, приемные каналы располагают под некоторым уг­ лом в плоскостях, перпендикулярных линии, соединяющей центры приемных отверстий. Исходя из этого минимальное рас­ стояние ftmin между торцом струйной трубки и платой с прием­ ными отверстиями рассчитывают по формуле

,_ d ] sin \|> + rf2

где G — массовый расход воздуха, вытекающего из сопла; ѵ — скорость воздуха на срезе сопла; F — площадь проходного сече­ ния сопла; ро — давление перед соплом; р2— давление в окру­ жающем трубку воздухе.

При докритическом режиме истечения (р2/ро ^ 0,5), поль­ зуясь выражением (4), получим

Подставляя G и v в выраже ;не (27), получим окончательную формулу для реактивной силы, действующей иа трубку для докритического режима истечения:

N = F(po—р2 )(2рі2+ 1),

причем р, « 0 ,8 .

66

Поступая подобным образом и воспользовавшись выражени­ ем (5), для расхода воздуха при надкритическом режиме исте­ чения получим также формулу для реактивной силы в случае Р2 ІР0 ^ 0,5:

N —F (|х2 - 0 - + ро—р2) •

Реактивная сила, действующая на трубку, создает момент трения в ее подшипниках. Для уменьшения момента трения труб­

ходного сопла струйной трубки не рекомендуется, так как при этом увеличивается подсос воздуха из окружающей среды, па­ дает скорость и статическое давление в приемных каналах.

Статическую характеристику струйной трубки, представляю­ щую собой зависимость давления р\ и р\ в приемных каналах

и перепада на поршне пневматического поршневого механизма Ар = р[ — р1 от перемещения х конца струйной трубки относи­

тельно отверстий приемной платы,' приближенно можно рассчи­ тать с помощью графика на рис. 34. При этом струйную трубку с приемными отверстиями и присоединенным поршневым приво­ дом с застопоренным поршнем рассматривают как две проточ­ ные камеры (рис. 31), у которых за проходные сечения дроссе­ лей, к которым подведено давление питания, принимают эффек­ тивные площади перекрытия приемных отверстий отверстием сопла струйной трубки f1 и /(, а за эффективные площади дрос­

селей, соединяющих проточные камеры с атмосферой,— площа­ ди / 2 и / о

Указанные эффективные площади можно рассчитать по фор­ мулам:

Приведенные формулы действительны для случая равенства

а2 = arccos b + d — 2х

2d

где b — ширина перемычки между отверстиями; х — перемеще­ ние конца струйной трубки; d — диаметр сопла и приемных от­ верстий. Соответствующие отношения эффективных площадей, значения которых необходимы для определения по графику на рис. 34 давлений р\ и р ( в полостях пневмопривода, вычисляют

по формулам:

Рассмотрим на примере определение одной из точек статиче­ ской характеристики.

Пример 2. Рассчитать установившиеся давления рі и р j (рис. 31) в по­

лостях цилиндра пневматического поршневого механизма, управляемого струнной трубкой в статике, если диаметр отверстия сопла струнной трубки

68