книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

струйных систем организуют от сети высокого давления, пони­ жая его до необходимого уровня.

Организация питания от сети высокого давления. Для пи­ тания устройств, построенных на элементах струйной техники, может быть использован эжектор. На рис. 7 представлена схема организации питания с применением эжектора, который состоит из корпуса 5, сопла питания 4, приемного сопла 6 и фильтра 10 [1]. Как известно, диаметр питающего сопла должен быть меньше диаметра приемного сопла. Воздух из линии

8

Рис. 7. Схема питания струнного устройства от сетн высокого дав­ ления

высокого давления проходит через маслоотделитель 1, фильтр 2 и направляется к редуктору давления 3, который предназначен для настройки и поддержания постоянного давления перед питающим соплом 4. Выходя пз сопла 4 и попадая в приемное сопло 6, струя создает разрежение внутри корпуса 5.

Таким образом, применять эжектор в данном случае' выгодно, так как при расширении воздуха высокого давления к нему добавляется прошедший через фильтр 10 атмосферный воздух и общий расход воздуха значительно возрастает. После эжектора перед подачей в струйное устройство 9 воздух под­ вергают вторичной очистке от пыли с помощью фильтра 7 из ткани ФПП. Манометр низкого давления 8* служит для контро­ ля давления, поступающего к струйному устройству, а также для настройки редуктора 3. Применение фильтра из ткани ФПП при питании струйных устройств с каналами, линейные размеры которых меньше 0,5 мм, обязательно. Как показывает опыт, отсутствие такого фильтра и применение любого другого при линейных размерах, меньших указанного, приводит через неко­ торое время к неминуемому засорению одного или нескольких элементов. При этом следует иметь в виду, что пыли не должно быть в самих элементах и коммуникационных каналах, соеди­ няющих их, в бассейнах питания монтажных плат, а тайнее в шлангах, расположенных между фильтром 7 и струйным уст­ ройством 9 перед началом сборки. Для этого при сборке самого струйного устройства и его соединении с питающей магистра­ лью необходимо поддерживать соответствующую чистоту, и вся

* Обычно применяют стрелочные манометры МЮОО с пределом измере­ ния 0—1000 мм вод. ст. 4-го класса точности.

20

пыль из каналов и шлангов должна быть предварительно

удалена.

Фильтр из ткани ФПП представляет собой капсулу, заклю­ ченную в корпус, который соединен винтами с платой. В корпусе и плате имеются подводящий и отводящий штуцеры. Капсула (В-03) с тканью ФПП выпускается серийно нашей промыш­

ленностью.

При исследовании струйных элементов и устройств на их входы подают сигналы низкого давления, величина которых

цели служит редуктор низкого давления (рис. 8). Его основной деталью является мембрана 1, управляющая с помощью штока шариком конического сопла 5. Вместе с разделительной мем­ браной б мембрана I образует мембранную камеру, давление в которую поступает с выхода эжектора 2, образующего совме­ стно с коническим соплом 5 усилитель сопло-заслонка. К эжек­ тору подводится давление питания р0. Выходное давление р формируется в мембранной камере и устанавливается с помо­ щью ручки настройки 7. При вращении этой ручки изменяется натяжение пружины 4 и ее усилие передается через рычажную систему и серьгу 3 на шток мембраны 1. В случае, например, увеличения расхода воздуха, поступающего в нагрузку, дав­ ление падает, мембрана 1 со штоком, под действием усилия, передаваемого задающей пружиной 4, поднимается, и шарик прикрывает сопло 5. Давление р снова возрастает.

Кредуктору низкого давления подается очищенный от пыли

имасла воздух с избыточным давлением 20—30 кПа, которое устанавливается редуктором высокого давления. Величину

давления после редуктора измеряют водяным манометром или наклонным микроманометром.

Источники питания низкого давления и организация пита­ ния по замкнутому контуру. В качестве источников сжатого воздуха низкого давления для питания приборов струйной техники используют различного рода вентиляторы. На рис. 9 представлен блок питания, созданный в ИАТ на основе серийно выпускаемого электропылесоса «Уралец». В блоке питания использован основной узел пылесоса — универсальный коллек­

21

торный электродвигатель в паре с двухступенчатым центро­ бежным воздушным вентилятором. В блоке питания предусмот­ рены нагнетающий и всасывающий штуцеры, что необходимо для организации питания по замкнутому контуру.

Рис. 9. Блок питания, созданный на основе использования пылесоса «Уралец»

Продолжительный опыт применения пылесоса «Уралец» в лабораторных условиях для питания схем на струйных эле­ ментах показал, что каналы элементов часто засоряются угольной пылью от щеток элек­ тродвигателя. Поэтому в рас­

сматриваемой конструкции блока питания прогоняемый центро­ бежным вентилятором воздух не соприкасается с щетками дви­ гателя.

Основными узлами блока питания являются коллекторный электрический двигатель 2, двухступенчатый центробежный вентилятор 4, укрепленный на оси двигателя, корпус 1, а также нагнетающий 5 и всасывающий 3 штуцеры.

При эксплуатации блок питания нагружали двумястами элементами типа СЛ (см. гл. IV). Блок создавал давление порядка 2 кПа. Напряжение питания электродвигателя, соот­ ветствующее этому режиму работы, устанавливалось равным 100 В при потребляемой мощности 90 Вт*. Мощность, потреб-

* При работе электродвигателя в режиме пылесоса напряжение на его клеммах равно 220 В.

22

Глава II

ЭЛЕМЕНТЫ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ

Любая система пневмоавтоматики состоит из простейших ячеек, которые принято называть элементами. Выпускаемые в настоящее время промышленностью пневматические приборы и системы управления состоят из проточных элементов — пнев­ матических сопротивлений, сопел (насадок), емкостей, комму­ никационных каналов, упругих элементов — мембран, сильфо­ нов, распределительных элементов — управляющих золотников, струйных трубок и т. д. Само понятие «элемент» довольно ус­ ловно. В более сложных устройствах под элементом понимают целый узел, выполняющий какую-либо законченную операцию. Например, в электротехнике наряду с широко известными простейшими элементами, такими, как резистор, конденсатор, катушка индуктивности и др., в более сложном устройстве — моделирующей установке элементом может быть решающий усилитель, содержащий некоторое число ламп, транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д. Часто термин «элемент» употребляют в функциональном смысле независимо от вида аппаратуры и энергии, например, как это имеет место для дис­ кретных и аналоговых элементов автоматики. Функциональные элементы состоят из простых конструктивных элементов. Так, пневматическое реле УСЭППА включает три мембраны и два переменных дросселя, а струйный элемент аналогичного функционального назначения имеет четыре сопла и систему каналов.

В настоящей главе рассмотрены лишь простейшие кон­ структивные элементы пневматических устройств. Функцио­ нальные пневматические элементы будут рассмотрены в после­ дующих главах.

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ДРОССЕЛИ)

Пневматические дроссели являются одним из основных конструктивных элементов пневматических устройств и служат для создания сопротивления течению газа и перепада давлений. Подводимый ко входу пневматического сопротивления газ, протекая через него, создает определенный перепад давлений,

24

подобно тому, как электрический ток, проходя через резистор, создает падение напряжения.

В любом пневматическом сопротивлении полный перепад давления равен сумме падений давления на отдельных участках течения. Потерн давления учитывают коэффициентом сопро­ тивления

зующие соответственно потери на входе, на выходе и на трение при течении газа по каналу дросселя. Суммарные потери давле­ ния на дросселе в самом общем случае пропорциональны квад­ рату скорости

где V— средняя скорость воздуха после сопротивления; р — плотность воздуха. В частности, для трубы

1 г*

Ьтр Л d ’

где А, — коэффициент трения; I и d — длина и диаметр. Коэффи­ циент трения л можно определить, например, по графику Никурадзе.

Полный перепад давления в цепочке последовательно сое­ диненных дросселей можно рассчитать, если известны скорости течения для отдельных участков цепи. Скорости течения ме­ няются по направлению течения. Если перепад давлений неве­ лик и числа М потока малы ‘, то можно вести расчеты процесса дросселирования газа, в том числе и воздуха, пользуясь форму­ лами, выведенными для несжимаемой жидкости. Для опреде­ ленных типов дросселей характерны специфические законы распределения скоростей и зависимости между скоростями, расходами и перепадами давлений. Наиболее важной харак­ теристикой пневматического сопротивления является его рас­ ходная характеристика. Под расходной характеристикой пони­ мают зависимость расхода газа через дроссель от перепада давлений на дросселе (разности давлений до и после дросселя). Пневматические сопротивления различают по следующим признакам: по конструкции и назначению, характеру течения воздуха, виду расходной характеристики.

* Потери по длине и местные потери зависят от геометрии дросселя и режима течения и учитываются коэффициентом трепня А и местных потерь £.

V

1 Число М = ------критерии подобия, выражающийся как отношение ско-

а

роста потока к скорости звука в том же месте.

25

По назначению дроссели делят на постоянные, регулируе­ мые п переменные. В постоянных дросселях пневматическое сопротивление не изменяется в процессе работы пневматиче­ ского устройства. Сопротивление регулируемых дросселей мо­ жет быть установлено любым в определенных пределах, обусловленных конструкцией дросселя п проходными сече­ ниями.

Настройка осуществляется вручную. Сопротивление пере­ менных дросселей изменяется в процессе работы пневматиче­ ского устройства.

По характеру течения газа в каналах дросселей их делят на ламинарные п турбулентные. Турбулентные дроссели характери­ зуются малыми отношениями длины I канала дросселя к его диаметру d н турбулентным режимом течения газа. Обычно в турбулентных дросселях l/d ^ 10. Так как канал имеет малую длину, а скорость течения велика, то протекающий по дросселю газ не успевает обменяться теплом со стенками канала, п термо­ динамический процесс в дросселях такого типа можно считать адиабатическим. Течение газа в турбулентных дросселях может происходить как с дозвуковыми, так п со звуковыми скоростями (соответственно различают докритпческпй и надкритический ре­ жимы течения). Если не принимаются специальные меры (напри­ мер, расширяющиеся насадки), то скорости течения в каналах с турбулентными дросселями в их выходных сечениях не могут превысить скорости звука. Режим истечения через турбулент: ный дроссель определяется величиной отношения давлений рі и р2 до и после него. Отношение давлений, при котором проис­ ходит переход от дозвуковой скорости к звуковой, называется критическим и обозначается (Дг/ДіЬр. Перепад давления, а следовательно, и основные потерн в турбулентных дросселях обусловлены сжатием потока на входе в дроссель и расширени­

жим течения в ламинарных дросселях может быть только докритнческпм.

Возникновение критических режимов течения возможно только лишь при высоких скоростях турбулентного потока-. Так как длина каналов ламинарных дросселей велика, при течении воздух успевает обменяться теплом со стенками канала. Поэтому обычно принимают, что термодинамический процесс изменения состояния газа в дросселе является изотермическим. Потери дав­ ления в ламинарных дросселях происходят за счет сил вязкого трения, распределенных по длине. Местные сопротивления на входе в дроссель и на выходе из него весьма малы по сравнению с потерями по длине, поэтому ими часто пренебрегают.

26

В зависимости от величины рабочих давлений и температуры газа до и после дросселя, а у переменного дросселя также и степени его открытия один и тот же дроссель может работать как турбулентный или как ламинарный. Характер течения газа в дросселе определяется условиями работы. В цилиндрическом капилляре переход от ламинарного режима течения к турбулент­ ному происходит при критическом числе Рейнольдса Re = 2300 *, при Re > 2300 поток турбулентный, при Re < 2300 — ламинар-

Рнс. 11. Различные виды дросселирующих элементов:

а — капилляр; б — жиклер; а — щелевоіі цилиндрический дроссель; г — ко­ нус — конус; д — конус — цилиндр; е — дроссель с переменной длиной канала; ж — сопло— заслонка; з — шарик— конус; и — шарик — цилиндр; к — сотовый дроссель

ный. Критическое значение числа Рейнольдса является прибли­ женным и меняется в зависимости от таких факторов, как шеро­ ховатость стенок канала, тип дросселя и др. Например, перемен­ ный дроссель типа сопло — заслонка (рис. 11, ж) при малых открытиях работает как ламинарный, а при больших — как тур­

* Для капилляра критерий подобия, число Рейнольдса Re = -----, где

V

V—средняя скорость газа, d — диаметр капилляра, ѵ — коэффициент кинема­ тической вязкости.

27

булентный. Поэтому подразделение дросселей на турбулентные и ламинарные весьма условно. Однако следует иметь в виду, что турбулентные и ламинарные дроссели отличаются способом из­ менения сопротивления. Сопротивление, а следовательно, н пере­ пад давлении турбулентных дросселей изменяется обычно за счет изменения проходного сечения, а у ламинарных — за счет изменения длины канала дросселя.

По виду расходной характеристики дроссели делят на линей­ ные и нелинейные. В линейных дросселях зависимость массового расхода газа от перепада давлений на дросселе линейна, т. е.

G= а{Р\ —Рг).

где а — проводимость дросселя.

В нелинейных дросселях расход газа нелинейно зависит от перепада давлений на дросселе, и часто эта зависимость имеет следующий вид:

G = ß V Рі—р2,

где ß — постоянный коэффициент.

При расчете расхода газа через турбулентные дроссели необ­ ходимо учитывать потери в результате сжатия потока на входе в канал дросселя и расширения его при выходе из дросселя, ха­ рактеризуемые коэффициентом расхода ц. В общем случае коэф­ фициент расхода р представляет собой сложную функцию гео­ метрических параметров дросселя и критериев подобия — чисел Re и М. В общем виде коэффициент расхода можно представить как отношение действительного расхода Gn к теоретическо­ му 1 GT:

При проведении исследований и практических расчетов коэф­ фициент расхода определяют экспериментально. Для ряда слу­ чаев истечения коэффициент расхода можно определить анали­ тически.

Известно, что [9] коэффициент расхода при истечении жидко­ сти из отверстия в тонкой стенке определяется так: р = хср, где к — коэффициент сжатия струи2; ср — коэффициент скорости.

При одних и тех же условиях истечения коэффициент [8] сжа­ тия струи несжимаемой жидкости будет меньше, чем сжимаемой.

Пневматические сопротивления различных типов представле­

F

площади наиболее узкой части струн к площади отверстия.

28

переменным — дроссели сопло — заслонка, шарик — конус, ша­ рик — цилиндр (рис. 11, ж, з, и).

К турбулентным дросселям можно отнести дроссели сопло — заслонка, конус — цилиндр, шарик — конус, жиклер, шарик — цилиндр. К ламинарным дросселям относятся дроссели конус — конус, капилляр, дроссель с переменной длиной канала и щеле­ вой дроссель. Если требуется обеспечить большой расход при ламинарном течении, то применяют сотовый дроссель (рис. 11, к). Сотовый дроссель состоит из нескольких капилляров, включен­ ных параллельно. Расход через такой дроссель равен сумме рас­ ходов через отдельные капилляры.

В конструкции регулируемых дросселей предусмотрена ручка настройки, с помощью которой в турбулентных дросселях для изменения сопротивления меняют площадь проходного сечения, а в ламинарных дросселях — длину канала дросселя. Последнее обстоятельство объясняется необходимостью получения хорошей повторяемости характеристики и обеспечения плавности регули­ рования и связано с тем, что расход через ламинарный дроссель пропорционален четвертой степени диаметра и обратно пропор­ ционален длине, а расход через турбулентный дроссель пропор­ ционален площади сечения. Примером конструкции дросселя с переменной длиной канала может служить регулируемый дрос­ сель, на поверхности плунжера которого проточена спиральная канавка (рис. 11, е). При повороте ручки настройки смещается плунжер относительного цилиндрического корпуса, а следова­ тельно, меняется рабочая длина канала, определяющая-величину сопротивления.

Рассмотрим методы расчета и основные расчетные зависимо­ сти пневматических сопротивлений. Пневматические сопротивле­ ния различных типов отличаются характером течения потока в каналах и в местах входа в сопротивление и выхода из него. Поэтому каждому конкретному случаю течения и типу дросселя будут соответствовать отличные от других расчетные формулы.

Пневматическое сопротивление типа жиклер. Жиклер пред­ ставляет собой пневматическое сопротивление, выполненное в виде цилиндрического отверстия в стенке (рис. 11, б), у кото­ рого отношение l/d мало (l/d 2 ч- 3), т. е. по величине этого отношения жиклер находится между отверстием в тонкой стенке (l/d = 0) и насадком (l/d = 2 н- 3).

Характер течения в дросселях такого вида турбулентный, а термодинамический процесс принимают адиабатическим, так

29