5. Работа и статические характеристики пневмопривода

На рис. 5 а представлена конструктивная схема наиболее распространенного пневматического поршневого привода одно­стороннего действия. Приводом можно управлять с помощью зо­лотника, крана или других управляющих устройств [6].

Рассмотрим работу поршневого привода одностороннего дей­ствия. При срабатывании управляющего устройства питающее дав­ление р₀ поступает в рабочую подпоршневую полость объемом V_o. Поршень под действием втекающего в открывающееся отверстие сжатого воздуха начинает перемещаться вправо, сжимая пружину.

Рис. 6. Схема пневматического поршневого привода одностороннего

действия:

а - управляемого с помощью золотника; б - управляемого с помощью усили­теля сопло-заслонка; d диаметр штока; D - диаметр поршня; F_H - сила воз­действия на шток; у - перемещение поршня; А - расстояние между соплом и заслонкой; р₀, p₁, р_a, - соответственно давление питания, в рабочей камере и окружающей среды; V_a - объем рабочей полости

Приложенная к штоку поршня сила F_H может, как помогать дви­жению, так и противодействовать ему. Все зависит от направле­ния действия приложенной силы. В обратном направлении пор­шень привода перемещается под действием силы сжатой пружи­ны. Движение в обратном направлении начинается после того, как рабочая полость соединится с атмосферой, что осуществляет­ся управляющим устройством (золотником, краном и т.д.). Двига­ясь влево, поршень вытесняет воздух через отверстие управляю­щего устройства в атмосферу. Как и в случае движения вправо, сила F_H может содействовать или противодействовать перемеще­нию поршня. Нерабочая камера, в которой расположена цилинд­рическая пружина, сообщается с атмосферой через большое от­верстие, и поэтому при всех последующих расчетах принимаем, что давление в камере равно атмосферному.

В ажной характеристикой пневматического поршневого приво­да является статическая характеристика — зависимость переме­щения штока поршня у от давления в рабочей камере р₁ в статике.

Рис.6. Статическая характеристика пневматического поршневого привода одностороннего действия, управляемо­го золотником:

S_n - площадь поршня; F_ТР - сила трения; F_o - сила давления в начале движения поршня; остальные обозначения см. на рис. 5

Статическая характеристика пневматического поршневого при­вода одностороннего действия, управляемого золотником, пред­ставлена на рис. 6. Аналитически в общем случае характеристи­ку можно получить из условия равенства сил на штоке:

(1)

где р₁ - давление в рабочей камере; р_a - давление окружающей среды (в частном случае атмосферное давление); S_n — площадь поршня; у_н - начальное сжатие пружины; с - жесткость пружи­ны; F_H - сила, приложенная к штоку поршня; у - перемещение поршня; F_TР - сила трения; v_n - скорость перемещения поршня; G -сила тяжести движущихся частей привода.

Определим из уравнения (1) перемещение штока

(2)

где

(3)

Функция signν_n введена для того, чтобы учесть изменение на­правления силы трения F_TР при изменении направления движе­ния штока поршня. Знак «+» перед F_TР ставят при совпадении на­правления действия силы с направлением действия силы пружи­ны, а знак «+» перед G ставят при вертикальном расположении оси поршня штоком вверх и т. п. Нетрудно понять, что при гори­зонтальном расположении оси штока G = 0. Статическая характе­ристика (см. рис. 8) имеет гистерезис [6].

Часто бывает необходимо получить перемещение штока порш­ня пневматического привода одностороннего действия в зависи­мости от перемещения рабочего органа управляющего устройства в статике. В этом случае в качестве управляющего устройства мо­жет быть использован усилитель сопло-заслонка (рис. 5, б), ста­тическая характеристика которого представлена на рис. 7.

Рис. 7. Статическая характерис­тика пневматического поршнево­го привода одностороннего дей­ствия, управляемого усилителем сопло-заслонка: обозначения см. на рис. 5

Из анализа уравнения статической характеристики пневмати­ческого поршневого привода следует, что перемещение штока не­однозначно зависит от входного параметра. Причиной является сила трения, которая меняет знак при изменении направления движения. Кроме того, при движении поршня величина силы тре­ния изменяется, что обусловлено изменением давления р₁ в рабо­чей камере, неровностями поверхности цилиндра и т.д. Как след­ствие, появляется нелинейность и нестабильность статической ха­рактеристики.

Для получения линейной и стабильной характеристики пнев­матический поршневой привод замыкают отрицательной обрат­ной связью.