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

Вихревые элементы.

В элементах этой группы используется эффект повышения гид­ равлического сопротивления, возникающий при закрутке потока. Поэтому вихревые элементы являются резистивными элемента­ ми. Применяемые в практике вихревые элементы имеют различ­ ные конструктивные особенности, но общим для всех является наличие в рабочей камере закрученного потока.

Предложенный первоначально п широко используемый в на­ стоящее время вихревой элемент имеет плоскую цилиндрическую рабочую камеру, в которой питание осуществляется радиальной подачей потока, а управление — тангенциальной (рнс. 3, а).

При отсутствии потока управления (Qy = 0) струя питания поступает в рабочую камеру К, расширяется в ней и затем вы­ ходит через центральное отверстие в одной из торцевых крышек камеры.

Гидравлическое сопротивление участка от сечения іѵ— п до сечения в — в оказывается относительно небольшим. Если при подаче управляющего потока поток питания закручивается, то это явление сопровождается характерным распределением ста­ тического давления поперек камеры. Гидравлическое сопротив­ ление движению потока через камеру существенно возрастает, что приводит к изменению давления питания рп н расхода пита­ ния Q„. Таким образом, изменяя величину Qy расхода управления (например, изменением давления управления ру), можно управ­ лять величинами расхода Q„ (а при наличии нагрузки — и дав­ ления) выходного потока. Рассмотренная схема соответствует вихревому усилителю (триоду).

Эффект значительного возрастания гидравлического сопро­ тивления при возникновении закрутки потока положен в основу работы вихревых диодов. При работе диода в прямом направле­ нии поток через центральное отверстие в одной из торцевых

.10

крышек поступает в камеру,- расширяется в ней, а затем через тангенциальное сопло выходит из камеры (рис. 3, б).

При работе диода в обратном направлении поток через тан­ генциальное сопло поступает в камеру, где возникает закручен­ ное (вихревое) течение, и выходит из камеры через центральное отверстие.

Гидравлическое сопротивление при течении в обратном на­ правлении оказывается значительно большим, чем при течении в прямом направлении. Поэтому при одинаковом перепаде, дав­ ления расход, проходящий через диод в прямом направлении, оказывается большим, чем в обратном.

Как уже указывалось, при работе вихревого элемента в каме­ ре вследствие закрутки потока возникает специфическое распре­ деление статического давления. Это давление, замеренное на торцевой крышке, убывает по радиусу от цилиндрической по­ верхности камеры к выходу іг в центральной области напротив выходного отверстия достигает минимума. При некоторых усло­ виях в этой области может иметь место вакуум. Поэтому, если в указанной крышке сделать малое отверстие, то через него в ка^ меру элемента будет засасываться жидкость из окружающего пространства. В этом случае вихревой элемент будет работать как эжектор. .

Ударные элементы. В элементах этой группы (рис. 4) две струп, вытекающие из соосных сопел навстречу одна другой, при встречном соударении образуют веерную (радиальную) резуль­ тирующую струю. Подача управляющего сигнала вызывает сме­ щение веерной струи вдоль общей оси сопел, в результате чего

отсутствии управляющего сигнала веерная струя располагается внутри камеры 2, связанной с выходным каналом. Управляющим воздействием является подача поперечной струп из сопла 3. При увеличении мощности этой струи веерная струя " смещается в сторону сопла 1, и величина давления в камере 2 уменьшается.

Рис. 4. Ударный модулятор:

а — модулятор поперечного удара; о — модулятор прямого удара

п

вне камеры 2. Управляющее воздействие осуществляется пода­ чей из сопла 4 кольцевой струи, концентричной со струей, выте­ кающей из сопла 1. Увеличение мощности этой струи вызывает смещение веерной струи в сторону камеры 2, в результате чего давление в камере 2 увеличивается по мере увеличения мощно­ сти потока управления.

Элементы этого типа могут использоваться как аналоговые усилители с высоким коэффициентом усиления и как дискрет­ ные логические элементы.

Общие черты рабочего процесса различных элементов.

В струйных элементах любого типа можно выделить две функ­ циональные части: силовую часть, служащую для преобразова­ ния и передачи энергии, и управляющую часть, предназначенную для изменения направления и условий распространения силовой струн.

Элементы различных типов отличаются одни от других в ос­ новном способом воздействия на силовую струю, т. е. управля­ ющей частью. Силовая же часть в элементах различных типов выполняет одни и те же функции и отличается только конструк­ тивным исполнением, связанным с особенностями управляющей части.

Рассмотрим более подробно структуру силовой части (управ­ ляющую часть, включающую сопла управления и стенки, рас­ смотрим при анализе конкретных элементов). Силовая часть состоит из сопла питания, приемных и часто вентиляционных (атмосферных) каналов.

Сопло питания П (рис. 2) служит для преобразования потен­ циальной энергии давления в кинетическую энергию струп, по­ ступающей в рабочую камеру. В рабочей камере.почти вся по­ тенциальная энергия давления преобразована в кинетическую.

Приемные каналы'В служат для обратного преобразования кинетической энергии струи (или ее части), попадающей в соот­ ветствующий канал, в потенциальную энергию. Приемные кана­ лы располагаются на противоположной по отношению к соплу питания стороне рабочей камеры (исключение составляют удар­ ные и вихревые элементы). Большинство типов логических эле­ ментов имеет один или два приемных канала.

Атмосферные каналы служат для уравнивания давления в ра­ бочей камере с давлением окружающей среды и для отвода из рабочей камеры в атмосферу той части расхода струи, которая не используется нагрузкой, подключенной к данному выходу. Кроме того, из окружающего пространства через атмосферные каналы внутрь элемента засасывается рабочая среда, необходи­ мая для восполнения расхода, эжектируемого струей.

Работа силовой части элемента характеризуется выходной характеристикой элемента, представляющей собой зависимость

12

Рис. 5. Выходные характеристики:

а — релейный элемент; 1 — единичная; 2 — нулевая характеристика; б — универсальная характеристика; / — характеристика нагрузки; 2 — характеристика переключения при работе на данную нагрузку

расхода на выходе от давления на том же выходе при неизменных сигналах на входах. На рнс. 5, а приведена типичная вы­ ходная характеристика (кривая 1 для единичного давления на выходе, кривая 2 — для нулевого). Как видно, расход на выходе уменьшается по мере увеличения давления рв или, что то же, по мере увеличения сопротивления нагрузки, подключенной к дан­ ному выходу. Полный расход части струи, попадающей в прием­ ный канал, равен Qc. По мере увеличения сопротивления на­ грузки уменьшается доля расхода, идущего на нагрузку и соот­ ветственно увеличивается доля расхода, отводимая в атмосферу. Так, при рв —р'в через нагрузку проходит расход QB, а расход

Q c— Q'B сбрасывается в окружающее пространство, часть его

вновь эжектируется струей. В пределе, когда выходной канал за­ глушен, сбрасывается расход Qc.

Используются также универсальные характеристики типа показанных на рис. 5, б.

Работа силовой части определяется двойным преобразовани­ ем энергии: сначала потенциальная энергия потока в сопле пре­ образуется в кинетическую энергию струи, распространяющейся в рабочей камере, затем в приемном канале происходит обрат­ ное преобразование кинетической энергии струи в потенциаль­ ную энергию. В гл. Ill подробно рассмотрены закономерности этого преобразования.

Работа управляющей части элементов различного типа опре­ деляется рядом специфических гидромеханических эффектов: соударением поперечных и встречных струй; турбулизацией ла­

13

минарной струн; притяжением струн к твердой стенке; закрут­ кой струи. Для понимания сущности рабочего процесіса и для разработки методов проектирования элементов необходим гид­ ромеханический анализ этих явлений (см. гл. ІИ).

3.Конструкции струйных элементов

Внастоящее время определилось несколько тенденций конст­ руктивного оформления струйных элементов, отличающихся способами монтажа и соединений между элементами. Рассмот­ рим основные типы конструкций.

1.Одиночные струйные элементы, имеющие штуцера и пред­ назначенные для соединения при помощи гибких шлангов. Такие элементы выпускает большинство зарубежных фирм: Corning Glass, General Electric, Aviation Electric и др. В СССР элементы такой конструкции'разработаны Волжск — ВНИИАШ и исполь­ зованы мм же для создания ряда устройств.

2.Струйные элементы для сборки в- вертикальные пакеты или установки на плоскость, предназначенные для соединения посредством каналов, выполненных в платах. Элементы в таком конструктивном исполнении разработаны НИИТеплоприбором.

дульном исполнении занимают минимальный объем в расчете на один элемент. С другой стороны, производство одиночных эле­ ментов требует меньшего количества технологической оснастки, так как в этом случае небольшой номенклатуры элементов (как правило, одного— двух типов) оказывается достаточно для по­ строения широкого класса устройств. В случае использования многофункционального элемента [40] эта номенклатура может быть сведена к одному многофункциональному элементу. Боль­ шинство зарубежных фирм выпускает элементы двух типов — одностабильные элементы ИЛИ — НЕ ИЛИ и триггеры с раз­ дельными входами.

Построение систем на базе одиночных элементов позволя­ ет быстрее наладить их производство ввиду ограниченной номен­ клатуры деталей. Причем в случае, если соединения между эле­ ментами производятся посредством канавок в платах, а не трубками, увеличение габаритных размеров по сравнению с мо­ дульной конструкцией оказывается незначительным.

Достоинства и недостатки различных методов монтажа отме­ чены в табл. 1, где цифры соответствуют месту, занимаемому тем или иным способом монтажа [55]. Сравниваются три спосо­ ба: соединение при помощи трубок, соединение элементов и мо­ дулей посредством канавок в платах и смешанный (гибридный) способ монтажа.

14

Как видно, в большинстве случаев предпочтительным являет­ ся монтаж элементов на платах. Однако способ монтажа на трубках обладает такими достоинствами, как легкодоступность и простота замены элементов. Поэтому его целесообразно ис­ пользовать для построения устройств единичного или мелкосе­ рийного производства и, в частности, для автоматизации дейст­ вующего оборудования.

При серийном производстве устройств струйной автоматики достоинства монтажа на платах неоспоримы. В этом случае до­ статочно отладить головной образец устройства; размножение же устройств сведется к воспроизведению каналов и отверстий в платах.

4. Статические характеристики струйных элементов

Для анализа качества струйных логических элементов и со­ гласования элементов в схемах обычно используются следую­ щие три вида статических характеристик: характеристики пере­ ключения, выходные и входные. Кроме того, необходимо ввести в рассмотрение обратные характеристики, позволяющие оце­ нить уровень помех, специфичных для струйных элементов и обу­ словленных взаимной связью входов и остаточными давлени­ ями [39].

Характеристика переключения представляет собой зависи­ мость давления (расхода) на выходе от давления (расхода) на входе элемента.

Наиболее приемлемой характеристикой логического элемен­ та явилась бы идеальная релейная характеристика (рис. 6, а) [7]. Характеристики переключения логических элементов бывают двух типов [8]: характеристики повторителя (П-характеристики)

рср) сигнал рв на выходе соответствует низкому уровню. Если

15

Рис. 6. Характеристики переключения:

а — идеальная релейная с начальным давлением на выходе, равном 0; б — идеальная релейная с начальным давлением на выходе, равным \\ в — релейная П-характеристн* на с гистерезисом; г — релейная характеристика элемента памяти; д — релейные ха­ рактеристики двух взанмоинверсных выходов одного струйного элемента; е — ІІ-ха- рактеристика с конечным коэффициентом усиления; ж — П-характернстнка с ко­ нечным коэффициентом усиления

же давление на входе превышает давление срабатывания, то на

ВЫХОДе ПОЯВЛЯеТСЯ С И Г Н а Л ВЫСОКОГО УРОВНЯ /7в т а х.

Вэлементе с И-характеристикой (рис. 6, б) при давлении на входе, меньшем давления срабатывания, сигнал на выходе соответствует высокому уровню, а при давлении управления, превышающем давление срабатывания — сигналу низкого уровня.

Как видно из рис. 6, а, б, если давление входного сигнала меньше давления срабатывания, то элемент сохраняет первона­ чальное состояние. Если же ру ^ рср, то происходит переклю­ чение элемента. Таким образом, элемент с такой характеристи­ кой не будет реагировать на сигналы помехи, если их уровень не достигает величины рсѵ.

Если струйный элемент имеет два выхода, то для одного из них характеристика переключения является И-характеристикой,

адля другого — П-характеристикой.

Вреальных струйных элементах получение идеальной харак­ теристики практически невозможно. Характеристики реальных струйных элементов являются либо релейными характеристика­ ми с гистерезисом (рис. 6, в, г, д), либо характеристиками с ко­ нечным коэффициентом усиления (рис. 6, е, ж). Причем величи-

■16 -

Рв = f(Qy)> QB = f(Py) при работе на любую нагрузку, если только имеется ее характеристика.

Входная характеристика представляет собой зависимость расхода Q на входе от давления р на том же входе. Входные характеристики могут быть либо однозначными, состоящими из одной ветви (рис. 7, а), либо двухзначными (рис. 7, б). Ко второ­ му типу относятся характеристики элементов, использующих притяжение струи к стенке. Здесь при переключении элемента происходит скачкообразное изменение давления в камере, при­ водящее к скачкообразному изменению расхода при неизмен­ ном давлении на входе. К первому типу относятся характерис­ тики турбулентного усилителя, элемента, основанного на соуда­ рении струй (без обратной связи) и др. Входная характеристика может иметь зону неустойчивой работы (рис. 7, в ) .

Обратные характеристики [39] позволяют оценить уровень помех, обусловленных взаимосвязью входных сигналов и оста­ точными давлениями. Будем различать обратные входные и об­ ратные выходные характеристики.

Обратные входные характеристики представляют собой зави­ симость расхода Q, вытекающего из канала управления, от давления р в этом канале. Эти характеристики снимаются при максимальном возможном давлении на втором входе. Типичная обратная характеристика входа представлена на рис. 8, а (кри­ вая /). Как видно, характер зависимости аналогичен характеру выходной характеристики элемента, т. е. с увеличением давле­ ния расход уменьшается.

Обратная входная характеристика дает представление об уровне обратных расходов, вытекающих из канала управления, на который не подан сигнал высокого уровня. Причинами обра­ зования этих расходов являются образование межструйной об­ ласти повышенного давления при соударении двух струй в огра­ ниченном пространстве (см. гл. Ill); образование области

Рис. 7. Входные характеристики:

а — однозначная; б — двухзначная; в — с зоной неустойчивости (/ — линии исходного состояния; 2 — линия переключенного состояния)

18