6.2. Пневматические усилители

Среди пневматических усилителей широко распространены распределители типа сопло-заслонка (рис. 17), работающие по принципу дросселирования. Управляющее устройство усилителя состоит из дросселя 1 постоянного сечения, к которому подводится рабочий воздух с постоянным давлением р_Р, и дросселя переменного сечения в виде сопла 6 инжекционного типа с заслонкой 5, движимой измерителем через рычаг 4. Последовательно соединенные дроссели образуют делитель давления воздуха. Выходное давление р_ВЫХ в трубопроводе 3 и в полости исполнительного механизма 2 зависит от зазора между заслонкой 5 и соплом 6, через которое воздух стравливается в атмосферу (с уменьшением зазора давление растет, а с увеличением — уменьшается).

Рис. 17. Схема действия пневматического усилителя с соплом-заслонкой

Изменение давления в рабочей полости мембранного ИМ одностороннего действия приводит к пропорциональному перемещению его выходного штока. Усилители с дроссельным УУ являются статическими. В динамике для них характерна максимальная скорость перемещения выходного звена в момент смещения управляющего золотника (заслонки) с последующим уменьшением ее до нуля.

Рассмотренные гидравлические и пневматические усилители просты по конструкции, однако необходима специальная очистка рабочей среды, которая постоянно расходуется как при установившихся, так и при переходных режимах, что требует дополнительных затрат энергии на работу компрессоров и насосов.

Безрасходные дроссельные усилители характеризуются расходом воздуха только в переходных режимах, а при установившихся расход воздуха практически отсутствует.

Рис. 18. Схемы действия пневматических безрасходных усилителей

Пневматический безрасходный компенсационный усилитель (рис. 18, а) представляет собой камеру 3, в которой расположен шток с клапанами. Верхний клапан 2 прижимается пружиной 1 к неподвижному седлу штуцера, к которому подводится сжатый воздух постоянного давления p_P. На нижний клапан 7 опирается подвижное седло 6, закрепленное на эластичной мембране 8. Полость камеры 3 соединяется трубопроводом 4 с мембранным ИМ 5 одностороннего действия.

Работа усилителя основана на принципе компенсации (уравновешивания) усилий. Входным параметром является усилие F_Д, действующее от датчика на седло мембраны. При установившемся режиме оба клапане закрыты, величина выходного сигнала р_ВЫХ усилителя пропорциональна силе F_Д, т.е. усилие, развиваемое датчиком, уравновешивается давлением р_ВЫХ, действующим на активную площадь f_a мембраны: F_Д = р_ВЫХ f_a.

При увеличении усилия F_Д шток вместе с седлом 6 смещается вверх, открывая через клапан 2 доступ рабочему воздуху в камеру. С увеличением давления р_ВЫХ внутри камеры возрастает усилие, действующее на мембрану 8, прогибая ее вниз. Когда усилия будут равны, шток займет среднее положение и дальнейший рост давления р_ВЫХ прекратится. При уменьшении усилия F_Д мембрана под действием давления воздуха прогибается вниз, образуя между клапаном 7 и седлом 6 зазор, через который воздух из полости ИМ стравливается в атмосферу. Давление воздуха р_ВЫХ в камере понижается и разность сил, действующих на мембрану, уменьшается. Под действием силы F_Д мембрана прогибается вверх и стравливание воздуха в атмосферу через клапан 7 прекращается.

Рассмотренный безрасходный усилитель является статическим, так как наблюдается однозначное соответствие между силой F_Д, давлением р_ВЫХ воздуха и положением s штока ИМ.

В тех случаях, когда усилители должны обладать высоким быстродействием при большой выходной мощности, применяют двухкаскадные усилители с дроссельным УУ в первом каскаде и компенсационным — во втором.

Пневматический безрасходный двухкаскадный усилитель с дроссельным делителем давления в первом каскаде и шариковым УУ во втором (рис. 18, б) широко распространен в пневматических системах регулирования и управления. Входным параметром усилителя является положение y_Д заслонки 10 относительно сопла 11, которое однозначно определяет давление р воздуха, поступающего через дроссель 9 в междроссельную камеру Г. Управляющее устройство второго каскада состоит из трех раздельных камер А Б, В. Рабочий воздух под давлением р_Р =1,4·10⁵ Па подводится в камеру А, которая через шариковый клапан 15 сообщается с камерой Б. В камере Б формируется выходной сигнал р_ВЫХ, идущий к мембранному ИМ одностороннего действия (на схеме не показан). Камера В постоянно сообщена с атмосферой и образована двумя мембранами 12 одинаковой активной площади с общим жестким центром, отделяющим камеру Б от камеры Г При установившемся режиме давление в камерах Б и Г равно, т.е. р = р' = р_ВЫХ .

Силы, действующие на жесткий центр со стороны первого и второго каскадов усиления, уравновешены и шариковый клапан находится в закрытом состоянии. По сигналу y_Д датчика меняется положение заслонки 10, что приводит к изменению давления в камере Г и нарушению равновесия сил жесткого центра, вызывающих его движение. При уменьшении давления в камере Г (заслонка 10 сместилась вверх, в результате чего р < р') жесткий центр движется вверх и его штуцер 13 отходит от шарика 15, который прижат к седлу диафрагмы 14 пружиной. Через отверстие в штуцере и камеру В воздух из камеры Б и полости ИМ выходит в атмосферу, выравниваются силы, действующие на жесткий центр, и он возвращается в исходное положение. При выравнивании давлений р и р' в камерах Б и Г наступает равновесие сил и сопло прижимается к шарику, а новому положению заслонки соответствует новое выходное давление р_ВЫХ = р' = р. Смещение заслонки вниз вызывает пропорциональный рост давления в камере Г, движение вниз шарика под действием силы жесткого центра и рост давления р_ВЫХ до нового значения р.

Таким образом, в динамике давление в камере Б изменяется до тех пор, пока не сравняется с давлением в камере Г, а в статике каждому положению y_Д заслонки соответствует вполне определенное значение выходного давления р_ВЫХ.

При установившихся режимах рассмотренный статический усилитель обладает незначительным расходом воздуха в атмосферу вследствие малого сечения дросселя 9 первого каскада и нулевым расходом через шариковый клапан второго каскада, что приводит к значительной экономии воздуха. В динамике обеспечиваются достаточно высокая мощность и быстродействие усилителя вследствие большого проходного сечения шарикового клапана второго каскада.