книги из ГПНТБ / Лебедев И.В. Элементы струйной автоматики

И. В. ЛЕБЕДЕВ , С. Л. ТРЕСКУНОВ, В. С. ЯКОВЕНКО

Э Л Е М Е Н Т ЫСТРУЙНОЙ АВТОМАТИКИ

П о д о б щ е й р е д а к ц и е й _____________

профессора доктора технических наук)И . В. ЛЕБЕДЕВА

М О С К В А « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » 1 9 7 3

ЧИТАЛЬНОГ О -ЗАЛА

' І Ъ - З У Ѵ З О

вания. Особое внимание уделено анализу гидро­ механических явлений, происходящих в элемен­ тах. Приведены результаты теоретических п экс­ периментальных исследований основных типов элементов струйной автоматики.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, ис­ следованием и эксплуатацией элементов и уст­ ройств автоматики; она может быть использова­ на также студентами, аспирантами и преподава­ телями машиностроительных и приборостроитель­ ных вузов.

Табл. 18. Ил. 157. Список лит. 122 назв.

(Е) Издательство «Машиностроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

/

Возникновение новой, весьма перспективной ветви техники автоматического управления — струйной пневмогидравлической автоматики, основу которой.составляют струйные непрерывные и дискретные элементы, не имеющие механических движущихся частей, можно отнести к 1959 г. Первые заявки на изобретение нового .принципа построения устройств систем управления пода­ ны учеными Института автоматики и телемеханики (техничес­ кой кибернетики) АН СССР (ныне Институт проблем управле­ ния АН СССР), несколько позднее появились аналогичные па­ тенты в США. Сейчас работы в области струйной автоматики ведутся в нашей стране и за рубежом.

Большой интерес к струйной автоматике объясняется рядом ее ^преимуществ как по сравнению с электронной и электричес­ кой автоматикой, так и по сравнению с устройствами обычной пневмогидравлической автоматики, имеющими подвижные час­ ти. Достоинствами устройств струйной автоматики являются долговечность, радиационная стойкость, неподверженность дей­ ствию электромагнитных полей, взрыво- и пожаробезопасность, сравнительно низкая стоимость, возможность работы на произ­ вольных жидкостях и т. п. Сюда же обычно относят предполо­ жительно высокую надежность и экономичность при работе на

частоты обычно не превышают 1 кГц. Однако существует широ­ кий класс задач, таких как управление многими технологичес­ кими^ процессами, станками и ряд других, для которых это быст­ родействие оказывается вполне достаточным.

Отмеченные достоинства обусловили возможность использо­ вания струйной автоматики в различных областях техники авто-

3

Элементами струйной автоматики называют устройства, в кото­ рых преобразование информации или усиление сигналов осу­ ществляется без использования механических движущихся час­ тей, на потоках рабочей среды (капельной жидкости или газа). Элементы могут отличаться по назначению, принципу действия, конструкции и другим признакам.

Рассмотрим упрощенную структурную схему системы авто­ матического управления (рис. 1). Система состоит из датчиков Д, управляющей части, выходных преобразователей Я и испол­ нительных механизмов ИМ . Датчики Д преобразуют обычно механические или электрические величины в величину давления или расхода рабочей жидкости. Эти сигналы поступают на вхо­ ды управляющей части системы, где они преобразуются в соот­ ветствии с алгоритмом работы системы в управляющие воздей­ ствия.

Управляющая часть может быть либо устройством непрерыв­ ного действия (например, аналоговым регулятором), либо уст­ ройством дискретного действия (логическим или вычислитель­ ным). Управляющие воздействия поступают в выходные преоб­ разователи сигналов Я, усиливающие сигналы по давлению или мощности (в выходных усилителях), либо изменяющие их физи­ ческую природу (в струйно-электрических, пневмо-гидравличес- ких преобразователях). Сигналы от преобразователей поступают к исполнительным механизмам ИМ , которые изменяют состоя­ ние управляемого объекта. Исполнительными механизмами мо­ гут служить, например, сервомоторы, клапаны, пневматические и гидравлические цилиндры.

На основе струйных элементов может быть создана управ­ ляющая часть (входящие в нее элементы будем называть реша­ ющими элементами), всевозможные датчики (датчики положе­ ния, температуры, ускорения и др.), называемые входными элементами, выходные преобразователи — усилители давления, мощности и проч. (выходные элементы). В ряде задач возмож­

5

но применение струйных элементов также в качест­ ве исполнительных меха­ низмов, например, струй­ ных клапанов, не имею­ щих механических дви­ жущихся частей. Эти кла­ паны могут использовать­ ся для управления пото­ ками агрессивной жидко­

сти, для управления вектором тяги реактивного двигателя и др. Как видно, струйные элементы могут выполнять весьма раз­ нообразные функции в системах управления: от ввода и вывода

информации до преобразования информации.

1. Классификация струйных элементов

Струйные элементы можно классифицировать по ряду приз­ наков. Рассмотрим основные виды классификации.,

1. По функциям, выполняемым в системе, можно различать решающие, входные и выходные элементы.

2. По принципу действия струйные элементы делятся на эле­ менты, использующие для изменения величины выходного сиг­ нала отклонение силовой струн (дефлекторные элементы), и элементы, использующие изменение сопротивления протеканию струи через рабочую камеру (резистивные элементы).

Дефлекторные элементы основаны на явлениях поперечного соударения струй, отрыва струи от стенки и встречного соударе­ ния струйка резистивные элементы — на явлении турбулизацип ламинарной струи (турбулентные усилители) п эффектах, свя­ занных с закруткой потока (вихревые элементы).

3. По виду преобразуемой информации различают элементы непрерывного действия (аналоговые) и элементы дискретного действия (дискретные). Выходной сигнал аналогового элемента должен представлять собой непрерывную функцию входных сигналов; информация в этом случае представляется величиной сигнала. В дискретных же элементах входные п выходные вели­ чины используются только в крайних значениях — верхнем, обозначаемом 1, и нижнем, обозначаемом 0. Все промежуточные значения, если они и возможны, являются нерабочими. В эле­

ментах этого типа информация представлена лишь уровнем сиг­ нала.

4. По функциональным возможностям аналоговые элементы делятся на элементы сравнения и усилители, а дискретные эле­ менты — на однорежимные элементы, ’ реализующие одну из следующих логических функций: ИЛИ — НЕ ИЛИ, И — НЕ И, запрет, или запоминание дискретных сигналов (триггер с раз-

6

Рис. 2. Струйные элементы с передачей энергии в направлении оси сопла:

а — элемент, основанный на соударении струЛ; о — элемент, основанный па взаимодействии струн со стенкой; в — турбулентный усилитель; г — кромочный усилитель

углубления в пластмассовых или металлических платах, либо сквозные прорези в плоских пластинах, закрытые крышками [4, 17, 40]. Турбулентные усилители (рис. 2, в) обычно являются пространственными элементами. Они состоят из цилиндрической камеры, имеющей цилиндрические соосные сопла питания, при­ емный канал и радиальные каналы управления.

Рассмотрим работу элементов. Силовая струя рабочей жид­ кости вытекает из сопла питания П в рабочую камеру К, пере­ секает ее и попадает в один из приемных каналов В, в котором устанавливается давление высокого уровня, соответствующее 1. В элементах второго и четвертого типа (рис. 2, б, г) струя попа­ дает в канал В в результате того, что она притягивается к стен­ ке вследствие возникающего поперечного перепада (эффект Коанда).

В элементах двух остальных типов приемный канал В распо­ ложен соосно с соплом питания, поэтому, если струя, вытекаю­ щая из сопла питания, не отклоняется от первоначального на­ правления, то она попадает в упомянутый канал. Поскольку дав­ ление в камере близко к давлению окружающей среды, то в дру­ гом приемном канале давление также мало отличается от дав­ ления окружающей среды.

Рассмотрим теперь, как осуществляется изменение величи­ ны выходных сигналов в каждом из рассматриваемых элемен­ тов. Если в элементах первого типа (рис. 2, а) в каналы У пода-

8

вать сигнал управления, то по мере увеличения мощности струи управления будет увеличиваться угол отклонения силовой струи от первоначального направления; при этом уменьшится поток (а следовательно, и давление), попадающий в нижний канал В,

иувеличится поток, идущий в верхний канал В. При достаточ­ ной мощности сигнала управления в верхнем канале В устано­ вится сигнал высокого уровня, а в нижнем канале В — низкого (см. рис. 2, а). При дальнейшем увеличении сигнала управления давление в верхнем канале В начинает уменьшаться, что в боль­ шинстве случаев нежелательно. Поэтому при проектировании систем на струйных элементах указанное снижение давления необходимо учитывать.

Элементы первого типа могут использоваться в качестве ана­ логовых и дискретных элементов, причем для получения релей­ ных характеристик в элементах этого типа вводится обратная связь, соединяющая верхний приемный канал В с одним из ка­ налов управления. При определенной глубине обратной связи можно получить элемент памяти. Отметим, что введение обрат­ ной связи исключает из работы один из выходов, что уменьшает логические возможности элемента этого типа при использовании его в качестве дискретного элемента.

Вэлементах второго типа (рис. 2, б) для изменения уровня выходного сигнала в каналы управления У подается сигнал. При достаточной его мощности струя отрывается от стенки С2 и притягивается к противоположной стенке С t. Элемент обладает релейной характеристикой переключения без введения обратной связи. В зависимости от соотношения геометрических размеров элемент может выполнять либо логические функции ИЛИ (на верхнем выходе В) и НЕ — ИЛИ (на нижнем выходе В ), либо может служить элементом памяти.

Вэлементе третьего типа (рис. 2, в) геометрические размеры

идавление питания выбираются с таким расчетом, чтобы струя, вытекающая из сопла питания, в отсутствие сигналов управле­ ния оставалась ламинарной. При подаче в каналы У сигнала управления ламинарное течение переходит в турбулентное. При этом динамический напор части струи, попадающей в приемный канал В , существенно уменьшается, т. е. уровень выходных сиг­ налов изменяется. При снятии управляющего сигнала происхо­ дит обратное преобразование режима течения, и на выходе восстанавливается сигнал высокого уровня.

Работа элементов четвертого типа — кромочных усилите­ лей — так же, как и элементов второго типа, основана на эффек­ те притяжения струи к стенке. В отличие от элементов второго типа, в кромочных усилителях стенка имеет форму кромки, бла­ годаря чему удается получить аналоговый элемент с большим коэффициентом усиления. В этом элементе по мере увеличениясигнала управления, подаваемого в канал У, кривизна струи уменьшается и, следовательно, поток, попадающий в нижний

9