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

Глава III

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ КАМЕРЫ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ

•Если пневматическая камера содержит два дросселя или бо­ лее и через некоторые из них воздух втекает в камеру, а через другие — вытекает, то она называется проточной. При наличии всего лишь одного дросселя, через который происходит как на­ полнение, так и опорожнение камеры, она называется глухой. Глухие и проточные камеры могут иметь как постоянный, так и переменный объем, например, при использовании полости силь­ фона или другого упругого элемента. Камера, содержащая один упругий элемент без дросселя, используется в пневмоавтоматике в качестве емкости, представляющей собой аналог электрическо­ го конденсатора.

Изменяя сопротивления дросселей, подключенных к пневма­ тической камере, жесткость и эффективную площадь упругого элемента, а также объем, можно существенным образом влиять на динамические и статические характеристики камеры.

У глухих камер используются только их динамические свой­ ства, тогда как у проточных камер — как статические, так и ди­ намические. Пневматические проточные и глухие камеры полу­ чили широкое распространение в пневмоавтоматике. Проточная пневматическая камера может быть использована как делитель абсолютных и избыточных давлений. Если дроссели проточной камеры линейные, то камера может работать как простейший сумматор давлений. Наиболее широко пневматические проточ­ ные камеры применяют в пневматических приборах и регулято­ рах в качестве усилителей сопло — заслонка1, имеющих посто­ янный дроссель на входе в камеру и переменный дроссель соп­ ло — заслонка на выходе из камеры. Глухие камеры с дроссе­ лями, близкие по своим свойствам к апериодическим звеньям, а также камеры с упругим переменным объемом находят приме­ нение при построении пневматических дифференцирующих и интегрирующих устройств, генераторов импульсов, обегающих устройств, реле времени и т. д. Для реализации апериодических звеньев могут быть использованы также и проточные камеры.

1 Усилители сопло — заслонка в пневмоавтоматике иногда называют реле типа сопло —заслонка, так как их статическая характеристика близка к релейной.

70

Аналогичным способом находят уравнения и для остальных возможных сочетаний режимов истечения через первый п второй дроссели проточной камеры. Эти уравнения будут иметь вид:

для сочетания режимов истечения Н — Д

Однако выполнить статический расчет по приведенным фор­ мулам весьма трудно, так как часто заранее неизвестны сочета-

Рис. 34. График для определения давлении в междроссельноіі ка­ мере с турбулентными дросселями

ния режимов истечения через первый и второй дроссели проточ­ ной пневматической камеры, например, если заданы /2, ро и р2 и требуется определить давление в междросселы-юй камере рх. Следовательно, заранее неизвестно, какой из приведенных фор­ мул следует воспользоваться. Исключение составляет случай

72

/- ^ 0 ,5 , когда в обоих дросселях имеет место докритическое ис­

течение.

Задача расчета пневматической проточной камеры с турбу­ лентными дросселями упрощается, если воспользоваться графи­ ками, приведенными на рис. 34. Кривые на графике построены по уравнениям (28)— (29) статики проточной камеры. График разбит на четыре зоны, каждая из которых соответствует одно­ му из возможных сочетаний режимов истечения через дроссели проточной камеры. Граница между областями Н — Д, Д — Д и

надкритический.

Уравнение границы между областями Н — Н и Д — Н опре­ деляется из уравнения для сочетания режимов истечения Д — Я подстановкой г2 = г/г\ = г/0,5, так как на границе областей Г\ = 0,5. Отсюда получаем /і/Д = 0,5.

И, наконец, уравнение границы между областями Д — Д и Я — Д можно найти, если заменить в уравнении статики для со­ четания режимов истечения Д — Д г на произведение Г\Г2 и под­ ставить в полученное выражение г\ —0,5. После преобразований получим

Пользуясь графиком, представленным на рис. 34, можно, на­ пример, определить давление в междроссельной камере ри если известны эффективные площади дросселей /у и f2 и давления р0 и Р2 - Помимо этого одновременно автоматически определяется и

сочетание режимов истечения через первый и второй дроссели.

Пример 3. Заданы абсолютные давления р0 = 0.25 МПа и р2 = 0,103 МПа.

необходимо, применяя метод интерполяции, приближенно нанести на графике

При построении статических характеристик пневматических проточных камер следует учитывать коэффициенты расхода че­ рез первый и второй дроссели, так как в противном случае рас­ чет может дать значительные погрешности.

Пневматическая проточная камера с переменными дроссе­ лями. Учет коэффициента расхода при расчете статической характеристики. Кроме проточных камер с постоянными дрос-

73

селями, в пневмоавтоматике широкое распространение нашли также проточные камеры с регулируемыми дросселями и про­ точные камеры с переменными дросселями, называемые усили­ телями типа сопло — заслонка (рис. 35). Если для проточных камер с постоянными дросселями коэффициент расхода можно приближенно считать постоянным, то для проточных камер с пе­ ременными дросселями он изменяется в широких пределах. По­ этому при расчете статических характеристик это изменение коэффициента расхода необходимо учитывать.

Под статической характеристикой в данном случае понимают зависимость давления в междроссельной камере от открытия

П

Рис. 35. Проточная камера с переменным дросселем сопло — заслонка

дросселя в установившемся режиме. Открытие дросселя можно характеризовать, например, расстоянием /г между соплом и за­ слонкой.

Существует несколько методов учета коэффициентов расхода дросселирующих органов проточной камеры. Остановимся на методе последовательных приближений. Допустим, что требует­ ся определить давление р\ в междроссельной камере для задан­ ных значений проходных сечений F\ и Е2 и давлений ро и р2. Так

как заранее нельзя определить одновременно коэффициенты щ и р2, то поступают следующим образом. В первом приближении задают давление р{* так, что ро > р \ > Рг. Зная все параметры

первого и второго дросселей, при помощи специальных графиков (например, представленных на рис. 15) определяют коэффици­ енты расхода р и рД Определив отношение эффективных пло­

щадей

h ) i |xJ,F9

по графику на рис. 34 по кривой для заданного отношения р2/ро находим значение (рг/рі)п- Сравнив это значение с предыдущим (р2 /pi)I, полученным делением р2 на р\, и убедившись, что они

существенно отличаются друг от друга, переходим к следующе-

pj1 и рУ Для нового значения отношения

74

по графику на рис. 34 находим повое значение (Р2Ір\)т- Посту­

пая описанным образом, действуют до тех пор, пока вновь най­ денное отношение (рг/ріЬѵ не станет равным (р2/рі)м-\, после

чего определяют р\. Опыт показывает, что процесс отыскания р\ сходится после трех-четырех последовательных приближений.

Приведем пример расчета одной точки статической характе­ ристики усилителя сопло — заслонка.

значительно отличается от отношения второго приближения, приступаем к на­ хождению третьего приближения.

Возьмем отношение (р2/рі)и = 0,5, следовательно, р {!=0,2 МПа. По

графику на рис. 15, б находим Р 2 І= 0>35. В данном случае

=0,55;

V Р 1 / П І

р[и =0,182 МПа.

* Коэффициенты расхода, найденные по графику, представленному на рис. 15, могут быть отнесены как к формулам (2) и (3), так и к формулам

(4) и (5) Сен-Венана Ваицеля, так как результаты расчетов, полученных-по этим формулам, отличаются не более чем, на 3,4%.

75

Переходим к четвертому приближению. Действуя в описанной выше по­ следовательности, бѵдем иметь

принимаем р\ = 0.189 МПа.

Действуя таким же образом, находим pt для других выбранных значений /і. На рис. 36 показаны статические характеристики пневматического усилителя сопло—заслонка с параметрами, принятыми в данном примере, причем кри­

ний. Из приведенного графика следует, что пеучет переменности коэффициен­ та расхода переменного дросселя сопло — заслонка при расчете статической характеристики дает значительную погрешность.

Способы улучшения статической характеристики пневмати­ ческого усилителя сопло-заслонка. Усилитель сопло-заслонка

ристики, а также удалить заслонку от сопла.

В мембранных приборах заслонками служат жесткие цент­ ры, поэтому уменьшение полного хода приводит к стабилизации эффективной площади мембраны, т. е. к увеличению точности прибора. При малых перемещениях заслонки, расположенной на относительно большом расстоянии от сопла, исключается воз­ можность соприкосновения сопла с заслонкой при перекосах.

76

Контакт заслонки с соплом приводит к появлению силы реакции и нарушению расчетного баланса сил, т. е. к понижению точно­ сти прибора.

Для приближения статической характеристики к чисто релей­ ной в пневматические усилители включают специальные устрой­ ства, поддерживающие постоянный перепад давлений на одном из дросселей (постоянном или переменном) или одновременно на обоих. Устройства, обеспечивающие постоянный перепад (по­ стоянную разность давлений) на постоянном и переменном дрос-

ния БС-34А. Здесь же рассмотрим влияние постоянного перепада на вид статической характеристики пневматического усилителя. Допустим, что имеется устройство, поддерживающее автомати­ чески постоянный перепад давления А р Пс на постоянном дрос­

селе. При Іг = 0 давление р\ = ро. При увеличении h давление р\ уменьшается (рис. 38, а). Однако пока разность давлений ро—р\

теристика рассматриваемого усилителя совпадает со статиче­ ской характеристикой 1 обычного усилителя. Граничным значе­ нием /г является Іі0, при котором р0 •— рі становится равным

заданному значению Арпо. При дальнейшем увеличении /г раз­ ность р * — рі поддерживается постоянной ', что обеспечивается

соответствующим уменьшением p*Q при уменьшении р\. Таким

образом, при Іг > Іг0 падение выходного давления рі происходит

уже не только за счет уменьшения сопротивления в сопле, но также и за счет уменьшения давления питания рд. Поэтому ра­

бочий участок статической характеристики 2 имеет увеличенную крутизну.

1 Здесь через р"0 обозначено переменное значение давления питания.

77

Рассмотрим работу пневматического усилителя сопло — за­ слонка с постоянным перепадом давлений на переменном дрос­ селе Д/7 Пр = р\ — р\. Условие Дрпр = р\ — ро выполняется уже

при h = 0. Статическая характеристика 3 усилителя с постоян­ ным перепадом на переменном дросселе за счет противодавле­ ния, создаваемого после сопла, пройдет выше статической ха­ рактеристики 1 обыкновенного усилителя (рис. 38, б). Но бла­ годаря тому, что при увеличении h одновременно происходит и уменьшение давления р\, характеристика с постоянным перепа­

дом на переменном дросселе при средних и наибольших значе­ ниях h имеет большую крутизну, нежели характеристика обык­ новенного усилителя. Но при малых значениях Іі из-за постоян­ ного перепада на переменном дросселе ДрП характеристика усилителя более полога, чем характеристика обыкновенного уси­ лителя. Наименьшая величина избыточного давления р\ в меж- дросселы-юй камере пневматического усилителя равна Дрщ>

Наибольшее приближение статической характеристики пнев­ матического усилителя к чисто релейной характеристике дает создание постоянных перепадов одновременно на постоянном и переменном дросселях. Начальный участок статической характе­ ристики 2 такого пневматического усилителя расположится вы­ ше статической характеристики 1 обыкновенного усилителя. На начальном участке усилитель работает с постоянным перепадом только на переменном дросселе, и его статическая характеристи­ ка на этом участке совпадает со статической характеристикой 3 усилителя с постоянным перепадом на переменном дросселе (рис. 38, б). При h > h0 1 будет достигнута заданная разность

р'0 — р\ и усилитель будет работать уже с постоянными перепа­

дами на постоянном и переменном дросселях. Рабочий участок статической характеристики 2 усилителя с постоянными перепа­ дами на обоих дросселях круче, нежели рабочий участок стати­ ческой характеристики реле с постоянным перепадом только на постоянном дросселе, а минимальное избыточное давление р\ в междроссельной камере равно ДрПр-

Опуская аналитические выкладки, приведем лишь вывод уравнений пневматических усилителей с постоянными перепада­ ми на дросселях для докрнтического истечения через первый и второй дроссели. Статическая характеристика пневматического усилителя с постоянным перепадом на постоянном дросселе опи­ сывается системой двух уравнений. Первое уравнение для участ­ ка /г0 ^ /г ^ 0 соответствует уравнению статической характери­

стики обыкновенного усилителя, которое выводят исходя из ра­ венства расходов в статике через первый и второй дроссели пнев­ матического усилителя. Используя формулу (4) и учитывая, что

78

запишем

1-ш/ — PliPo—Pi) =№ doh

] /

Разрешая последнее уравнение относительно /г, получим

можно получить из уравнения (30) путем замены ро— р\ на Дрпс. Тогда статическая характеристика усилителя с постоянным перепадом на постоянном дросселе может быть описана снстемой двух уравнений:

реход от начального участка статической характеристики к ра­

постоянном и переменном дросселях опи­ сывается системой двух уравнений, первое из которых соответст­ вует уравнению статической характеристики пневматического усилителя с постоянным перепадом на переменном дросселе для участка h0\ ^ h ^ 0 , а второе — уравнению статической харак­

теристики усилителя с постоянными перепадами на постоянном

начального участка статической характеристики к рабочему, оп­

79