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

ся равным давлению окружающей среды (или даж е несколько больше), т. е. перепад на канале управления Др — ру — ру.

Таким образом, после переключения перепад на канале управ­ ления при том нее давлении управления ру становится меньше.

Следовательно, уменьшается п расход, соответствующий одному и тому же давлению управления.

Очевидно, элемент, имеющий входную характеристику, пред­ ставленную на рис. 104, б, кривыми а и Ь, не может быть непо­

средственно использован в качестве логического элемента. Дело в том, что логический элемент должен переключаться при подаче на его вход избыточного давления, элемент же с рассмотренной

ние геометрии и введение дросселей.

Изменяя геометрию элемента, например, увеличивая его дли­ ну, можно повысить давление срабатывания и давление отпус­ кания до желаемой величины. Однако при этом увеличивается и расход срабатывания. В первом приближении это равносильно смещению точек срабатывания п отпускания вдоль линий а и b (рис. 104, б). Очевидно, такой способ приводит к увеличению

расхода срабатывания и, как следствие, к уменьшению нагру­ зочной способности.

Рассмотрим теперь, к чему приводит введение дросселей 1 и

2, установленных на входах в каналы управления (рис. 104, а). Влияние дросселей на режим работы подробно анализировалось в ряде работ [122]; здесь рассмотрим их роль в несколько ином аспекте.

На рис. 104, б представлены входная характеристика — ли­ нии а и b и характеристика дросселя с. Характеристика дросселя

в данном случае представляет собой зависимость расхода, про­ ходящего через дроссель, от давления на его выходе. Вход дрос­ селя является входом элемента. Когда давление на входе в дрос­ сель равно атмосферному, характеристика проходит через начало координат. При увеличении давления на входе характе­ ристика дросселя параллельно двигается вправо. Отрезки, отсекаемые на оси давлений, соответствуют давлению на входе в дроссель. Кривая 2 характеризует момент срабатывания, кри­ вая 1 — момент отпускания, кривая 3 — переключенное состо­

яние.

Если точка отпускания лежит ниже характеристики дроссе­ ля с, соответствующей атмосферному давлению на входе (точка 4, рис. 104, б), то элемент после снятия сигнала управления не

вернется в исходное состояние, т. е. имеем элемент памяти. П о­ ложение точки отпускания на линии переключенного состояния зависит от конфигурации элемента и сопротивления дросселя 2 (рис. 104, а).

На практике удобно иметь результирующую входную харак­ теристику, представляющую собой зависимость расхода через

230

дроссель от давления на его входе. Так как дроссель включен последовательно с каналом управления, то для получения ре­ зультирующей входной характеристики необходимо к абсциссам кривой с прибавить абсциссы кривых а и Ь. Проделав это, полу­ чим линии d и е, представляющие собой скорректированную входную характеристику (рис. 104, б). Если избыточное давле­

ние на входе элемента, имеющего такую характеристику, равно

линию исходного состояния d). Когда давление на входе дости­

гает величины р-Ср, элемент переключается (вертикальная ли­ ния, соответствующая давлению ру = рср, пересекает линию

переключенного состояния). Если теперь уменьшать давление на входе, то обратное переключение (отпускание) произойдет при давлении отпускания р0тп.

Величина давления отпускания р0тп может быть уменьшена путем увеличения сопротивления дросселя, соединяющего канал 2 с атмосферой (дроссель смещения). При достаточно большом

сопротивлении этого дросселя давление отпускания становится

(рис. 104, а). Именно такой способ используют для переключе­

ния режимов работы многофункционального элемента [40]: име­

увеличения давления срабатывания до нужной величины удает­ ся без увеличения расхода срабатывания (точки Р и 5 имеют

одинаковые ординаты). Поэтому элементы с входными дроссе­ лями характеризуются более высокой нагрузочной способно­ стью. Кроме того, введение дросселей позволяет уменьшить ска­ чок давления и расхода при переключении элемента. Это нагляд­ но видно из рисунка 104, б (расстояние между кривыми d и е меньше расстояния между кривыми а и Ь).

Рассмотренный способ управления называется расходным, управлением. В датчиках уровня, конечных выключателях, кла­

виатурах и различных реле перемещения используется переклю­ чение элемента путем изменения сопротивления, через которое канал управления соединяется с атмосферой (например, посред­ ством перекрытия сопла управления).

Рассмотрим случай, когда вход дросселя соединен с окружа­ ющей средой. Характеристика дросселя с проходит через начало координат (рис. 104, в). При увеличении сопротивления дроссе­ ля характеристика с поворачивается против часовой стрелки.

В зависимости от сопротивления элемент может быть либо в ис-

231

ходном, либо в переключенном состоянии. Характеристика 2 соответствует срабатыванию, а характеристика 1 — отпусканию

элемента.

Обратные характеристики имеют вид, представленный на рис. 8, а.

Безразмерные характеристики. Безразмерные характеристи­ ки (см. гл. I) показывают, в какой мере работоспособность эле­

мента зависит от давления питания.

Безразмерные выходные характеристики при определенной

ширине приемного канала элемента зависят от величины числа Рейнольдса. Если ширина приемного канала Ьв не превышает

1,5ЬП, то безразмерные расход и давление на выходе увеличива­ ются с увеличением числа Рейнольдса (см. рис. 105, а). При значениях Ьв > (1,5 - г - 2)ЬП безразмерная выходная характерис­

тика практически не зависит от Ре, т. е. точки, соответствующие различным давлениям питания, ложатся на одну кривую. Как видно, выбрав соответствующую ширину приемного канала, мо­ жно обеспечить независимость безразмерных выходных харак­

теристик от числа Рейнольдса.

Безразмерные входные характеристики при низких числах

Рейнольдса существенно зависят от давления питания (при прочих равных условиях оно определяет число Рейнольдса): с увеличением давления питания (и соответственно Re) увели­ чивается безразмерное давление срабатывания. Причиной этого является зависимость эжекционных свойств струи от Re при низких значениях числа Re (см. п. 5 гл. III). При достаточно больших значениях Re, как показывают исследования [74], без­ размерные входные характеристики не зависят от Re.

Безразмерные входные характеристики, снятые при различ­ ных значениях Re, приведены на рис. 105, б. Как видно, линия

232

исходного состояния (сплошные линии на рис. 105, б) при увели­ чении числа Рейнольдса смещается в сторону уменьшения дав­ ления и увеличения расхода. Это объясняется увеличением эжек-

практически не изменяется с изменением Re. Последнее связано с тем, что давление и расход в переключенном состоянии опре­ деляются в основном сопротивлением канала управления, а ие эжекционными свойствами струи.

Влияние нагрузки на переключение. Давление (и расход) срабатывания, если не приняты специальные конструктивные меры, существенно зависит от нагрузки на выходах: с увеличе­ нием сопротивления нагрузки давление срабатывания умень­ шается. Причиной этому являются обратные потоки, вытекаю­ щие из приемного канала.

4. Совершенствование рабочей части элемента

Элементы, использующие притяжение струи к стенке, имеют определенные недостатки, ухудшающие их эксплуатационные характеристики. Поэтому используют конструктивные усовер­ шенствования, позволяющие устранить те или иные недостатки или уменьшить их нежелательное воздействие.

Основными среди указанных недостатков являются следую­ щие: влияние нагрузки на переключение, невозможность работы при низких числах Рейнольдса (т. е. сравнительно высокое ми­ нимальное давление питания) и скачкообразное изменение со­ противления канала управления при переключении. Рассмотрим пути уменьшения этих недостатков.

Уменьшение чувствительности к нагрузке. Причиной влияния нагрузки на переключение является противодавление на стенке рабочей камеры, возникающее при дросселировании выходного канала. Это противодавление создается в результате того, что часть струи, попадающей в приемный канал, не потребляется нагрузкой и образует обратный поток, вытекающий из приемно­ го канала (рис. 106, а). Соударяясь с основной струей, этот по­

ток создает противодавление, способствующее отрыву струи от стенки.

Влияние нагрузки на переключение можно оценить величиной

233

Sb

Рис. 106.Уменьшениевлияниянагрузкинапереключение:

в к ан але управления

лым сопротивлением нагрузки; 2) уменьшение влияния обрат­ ного потока. В первом случае происходит уменьшение рср.от, во

втором — повышение рср.гл.

К мероприятиям первого типа можно отнести введение пре­ пятствия на стенке (рис. 106, б), которое тормозит струю, теку­ щую вдоль стенки, т. е. создает противодавление. Давление сра­ батывания при малых сопротивлениях нагрузки уменьшается, при больших же сопротивлениях нагрузки оно остается неиз­ менным.

На рис. 106, в приведены графики зависимости давления и

расхода срабатывания от высоты уступа на стенке. Как видно, давление срабатывания, соответствующее открытому выходу, при некоторой высоте уступа равно давлению срабатывания при заглушенном выходе. Этот способ достаточно эффективно уменьшает влияние нагрузки на переключение, однако, как по­ казывают опыты, при этом расход на выходе уменьшается на 15—20%- В связи с этим использование указанного способа не всегда рационально.

Наибольшее же распространение получили мероприятия второго типа. Рассмотрим способы уменьшения влияния нагруз­ ки на переключение, связанные с компенсацией влияния обрат­ ных потоков при большом сопротивлении нагрузки. Одним из наиболее распространенных способов является использование вогнутого дефлектора на разделителе, отражающего часть рас­ хода струи в область между струей и стенкой, противоположной

234

той, вдоль которой течет струя. В результате в этой области повышается давление, и струя под действием указанного давле­ ния прижимается к стенке. Действие отраженного потока ана­ логично действию отрицательной обратной связи, причем мощ­ ность отраженного потока, а следовательно, и прижимающее усилие, действующее на струю, тем больше, чем больше сопро­ тивление нагрузки, т. е. чем меньше расход, проходящий через нагрузку. Более подробно действие вогнутого дефлектора будет описано в следующем параграфе.

Введение вогнутого дефлектора в значительной степени ком­ пенсирует противодавление, стремящееся оторвать струю от стенки. Однако это влияние остается значительным, так как об­ ратные потоки продолжают воздействовать на струю.

Наиболее перспективными представляются методы, позво­ ляющие, путем специального выбора конфигурации приемных каналов, отвести обратный поток, вытекающий из приемных ка­ налов, в атмосферный канал так, чтобы не происходило соударе­ ния обратного потока с основной струей. Этого можно достиг­ нуть, если стенку приемного канала несколько сместить так, чтобы расстояние от нее до разделителя было больше расстоя­ ния от разделителя до стенки рабочей камеры. На конце стенки нужно выполнить отсекающий уступ. Конфигурация такого эле­ мента приведена на рис. 106, г.

Эффективность отвода отраженных потоков повышается, если входную часть приемного канала выполнить наклоненной в сто­ рону атмосферного канала (рис. 106, г). В этом случае обратный

поток идет вдоль смещенной стенки приемного канала, притяги­ вается к отклоненной стенке входной части и отводится в атмос­ ферный канал. Используя этот способ, можно сделать равными давления срабатывания, соответствующие открытому и заглу­ шенному выходному каналу. Более того, изменяя угол наклона входного участка и смещение стенки, можно добиться такого положения (противоположного обычному), когда с увеличением сопротивления нагрузки давление срабатывания увеличивается.

Известен также способ независимого согласования основно­ го элемента с нагружающими элементами, состоящий в том, что

доля струи *. В результате характеристики каждого выходного участка оказываются независимыми от остальных.

Наконец, для стабилизации струи предлагается вводить ло­ патки в рабочей камере, обтекая которые, струя стремится сохра­ нить среднее положение **. Однако два последних способа, ус­ ложняющие конструкцию .элемента, не получили широкого при­

235

шается с уменьшением числа Рейнольдса. Расширить диапазон давлений питания можно двумя путями:

определяющую эжекционную способность струп. При этом зона, в которой безразмерные характеристики элемента не зависят от Re расширяется в область низких давлений. Для уменьшения критического числа Re предлагается искусственно повышать шероховатость стенок сопла [122].

2. Введением внутренней обратной связи, позволяющей ис­ ключить влияние эжекцнонных свойств струн на переключение элемента. Благодаря этому элемент может иметь безразмерные характеристики, независящие от давления питания [40].

Устранение эффектов скачкообразного изменения давления на входе. Для того чтобы скачкообразное изменение давлений в каналах управления не отражалось на работе устройств, мож ­ но использовать открытое управление [105]. Схематическое изо­ бражение конфигурации элемента с таким управлением пред­ ставлено на рис. 107. В этом элементе сигнал в канал управления поступает из сопла 1 через камеру 2, соединенную с окружаю­

щей средой. Давление в камере равно давлению окружающей среды. Поэтому разрежение в области между струей и стенкой, имеющее место, когда струя притянута к этой стенке, не переда­ ется в сопло 1, а следовательно, и в соединенные с ним каналы.

Сопло управления 1 может быть выполнено в виде пассивно­

го элемента, например, одного из изображенных на рис. 102. Такой элемент будет реализовывать н определенные логические функции.

Описанный способ, хотя и позволяет достичь цели, но приво­ дит к усложнению конструкции и снижению нагрузочной способ­ ности элемента.

Скачкообразное изменение сопротивления канала управле­ ния может быть уменьшено до приемлемого уровня введением дросселей (см. п. 3 гл. V ). Для этого элемент должен иметь до­ статочно малый расход срабатывания.

23f>

5. Внутренняя обратная связь

Под внутренней обратной связью будем понимать организа­ цию потоков в рабочей камере, приводящую к возникновению эффектов, аналогичных введению обратной положительной или отрицательной связи внешней коммутацией выходов и входов. Внутренняя обратная связь позволяет, например, уменьшить влияние нагрузки на переключение, расширить диапазон рабочих давлений и уменьшить длину рабочей камеры. Элементы с внут­ ренней обратной связью получили широкое распространение. Достаточно сказать, что почти все отечественные элементы, основанные на взаимодействии струи со стенкой, используют внутреннюю обратную связь, возникающую в результате выпол­ нения вогнутого дефлектора на разделителе.

Введение внутренней обратной связи осуществляется посред­ ством отсекания части струи и направления ее в область между струей и стенкой. Наиболее распространенным способом органи­ зации таких потоков является введение вогнутого дефлектора на разделителе.

Рассмотрим принцип действия элемента, имеющего выходные каналы 6, 8, наклонные стенки 3, 12, атмосферные каналы 4, 9,

стенкой 12 меньше ширины струи. Поэтому часть расхода струи отсекается кромкой 11 дефлектора 7, течет вдоль его вогнутой поверхности и направляется кромкой 5 в область между струей II стенкой 3. Далее поток Qoc, отраженный дефлектором, распре­

деляется следующим образом. Часть расхода, равная расходу <2э, эжектируемому струей, вновь эжектируется струей, образуя вихрь. Часть расхода Q y вытекает в окружающее пространство через канал 2. Оставшаяся часть Qa отраженного потока, минуя

Рис.108.Струйныйэлементсвнутреннейобратнойсвязью:

а — картина течения; б — расчетная схема

Ш

выходной канал 6, вытекает в окружающее пространство через канал 4. Таким образом,

шенное давление, которое искривляет отраженный поток до тех

чтобы поток попадал в атмосферный канал. Допустим, направ­ ление отраженного потока, сходящего с кромки 5, совпадает с направлением касательной к дефлектору в точке 5. Тогда, пре­

небрегая шириной отраженного потока, на основании рис. 108, б получаем

стенки в направлении оси сопла питания и в перпендикулярном

кой; ра — давление в атмосферном канале.

Считая, что избыточное давление в атмосферном канале рав­

противоположной стенки, то это приведет к увеличению импуль­ са отраженного потока, а следовательно, в соответствии с урав­ нением (346),— к увеличению противодавления рос, стремящего­ ся прижать струю к стенке 12. Таким образом, внутренняя об­

ратная связь при малых отклонениях стабилизирует положение струн (является отрицательной обратной связью).

238

Переключение элемента с внутренней обратной связью про­ исходит следующим образом. По мере увеличения сигнала уп­ равления точка притяжения струи к стенке смещается вниз по течению, пока струя не оторвется от стейки. Однако переклю­ чения не происходит, так как этому препятствует противодавле­ ние рос. При дальнейшем увеличении расхода управления ука­ занного противодавления оказывается недостаточно для удер­ жания струи и происходит переключение элемента. При этом меняется направление действия внутренней обратной связи, так как появляется отраженный поток с другой стороны струи. По­ этому после достижения давления переключения внутренняя обратная связь способствует переключению струи. Этим обеспе­ чивается релейность переключения.

Отсюда следует, что точка переключения элемента с внут­ ренней обратной связью не зависит от эжекционной способно­

постоянным в достаточно широком диапазоне изменения давле­ ния питания.

Уравнение (346) позволяет оценить влияние геометрических размеров на срабатывание элемента. Так, увеличение расстояния между кромкой дефлектора и концом стенки с приводит при про­

чих равных условиях к уменьшению противодавления и, следо­ вательно, к уменьшению давления срабатывания. К анало­ гичному результату приводит увеличение угла наклона дефлек­ тора ß.

Это объясняется тем, что при указанном изменении парамет­ ров уменьшается величина радиуса кривизны отраженного по­ тока,необходимая для его отвода в атмосферный канал.

Сказанное относится к случаю, когда кромки дефлектора рас­ положены вблизи атмосферных каналов. Однако возможны и другие варианты расположения дефлектора (рис. 109). В одном из них кромки дефлектора 2 расположены ближе к соплу 1, чем атмосферный канал 3 (рис. 109, о). В этом случае отраженный

поток разворачивается на угол в 180° и течет вдоль стенки в сто­ рону неработающего выходного канала, вызывая образование

внем остаточного давления рос.

Вдругом варианте (рис. 190, б) кромки дефлектора 2 распо­ ложены напротив атмосферных каналов 3 и 4. Здесь отраженный

поток сбрасывается в атмосферный канал и остаточных давле­

ний не возникает.

Наконец, в третьем варианте (рис. 109, в) кромки дефлекто­ ра 2 расположены за атмосферным каналом 3. В этом случае не

возникает противодавления (отсутствует эффект внутренней обратной связи), так как отраженный поток направляется непо­ средственно в атмосферный канал, не искривляясь.

239