Гидропневмоавтоматика и гидропривод мобильных машин. Средства гидропневмоавтоматики

80________________________________________________________________________ Глава 4

денные формулы действительны для случая равенства диаметров dg приемных отверстий диаметру отверстия сопла струйной трубки,т.е. <//=</2 =4/.

При этом принимается также, что при наибольшем отклонении струйной трубки угол между плоскостью приемной платы и плоскостью торца сопла струйной трубки близок к нулю.Углы О/ и 02 (рис.4.19) в градусах вычисляют по следующим выражени­ ям:

Соответствующие отношения эффективных площадей, значения которых необходи­ мы для определения по графику на рис.4.21 давлений Р, и в полостях пневмоприво­ да вычисляют по формулам:

Распределители со струйной трубкой имеют следующие достоинства:

- малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости, так как наименьшим проходным сечением у них является отверстие насадка струйной трубки;

-малая инерция и небольшое трение подвижных частей, что увеличивает чувстви­ тельность и быстродействие всей системы,

-практически отсутствует "уход" нуля, т.е. нарушение равновесия распределителя в нейтральном положении с изменением температуры, а следовательно, и вязкости жид­ кости.

Кнедостаткам распределителей со струйной трубкой относят конструктивную и тех­ нологическую сложность, возможность возникновения вибрации струйной трубки при некоторых сочетаниях конструктивных параметров распределителя и давления питания.

Энергетическим недостатком распределителей со струйной трубкой является то, что при нейтральном положении и малых смещениях трубки они имеют большие потери расхода питания.Ввиду этого распределители со струйной трубкой применяют в основ­ ном в качестве устройств управления предварительных каскадов усиления.

Конструкции распределителей со струйной трубкой имеют свои сложности,связан­ ные с узлом подвода жидкости или воздуха к струйной трубке.Для упрощения подвода жидкости создаются различные конструкции распределителей с механическим откло­ нением струи,являющиеся разновидностью распределителей со струйной трубкой. Схе­ мы таких распределителей показаны на рис.4.22,а-в.

На рис.4.22,а приведена схема отклонения струи с помощью подвижного сходяще­ гося насадка. В такой конструкции каналы можно выполнять прямоугольного сечения, что упрощает ряд вопросов,связанных с регулировками распределителя. Однако приме­ нение таких распределителей ограничено из-за потери управляемости при низких тем­ пературах и "ухода" нуля при изменении вязкости жидкости.

Деление струи между приемными окнами можно осуществлять также с помощью

Глава 5- Гидраклические и пневматические

усмлрпели

5.1. Назначение и классификация усилителей

Широкое использование позиционных следящих приводов,осуществляющих регули­ рование положения исполнительных органов, вызвало необходимость применения мощных силовых систем управления, обеспечивающих хорошее быстродействие и точ­ ную отработку управляющих сигналов при больщих нагрузках и скоростях. Центральное место в этих системах отведено усилителям,осуществляющим усиление входных сигна­ лов и управление исполнительными механизмами. Особая потребность в этих устрой­ ствах возникает при создании различных электрогидравлических и электропневматических следящих систем,так как используемые в них электромеханические элементы,пре­ образующие электрическую энергию в механическое перемещение, имеют ограничен­ ные габариты и часто не могут преодолеть усилия на управляющих элементах исполни­ тельных механизмов.

Гидроусилитель (пневмоусилитель) —устройство или совокупность устройств,преоб­ разующих движение управляющего элемента в движение управляемого элемента боль­ шей мощности с одновременным согласованием этих движений по скорости, направле­ нию и перемещению.

Увеличение передаваемой мощности происходит за счет энергии, подводимой с по­ мощью рабочего тела (жидкости, воздуха и т.д.) под давлением от насосной станции, гидроаккумулятора, компрессора и других питающих источников.

Втехнике регулирования и управления применяются в основном два типа усилите­ лей: с дроссельным (золотниковые или типа сопло-заслонка) и со струйным управле­ нием. Первые наиболее распространены в практическом применении. В них при изме­ нении входного сигнала, заданного в виде перемещения, происходит дросселирование рабочего тела,то есть изменение сопротивления истечению путем деформации потока, что вызовет изменение расхода и давления рабочего тела на выходе усилителей.

Обычно усилители строятся по трем отличающимся друг от друга методам управле­ ния: без обратной связи (разомкнутые),с обратной связью (замкнутые) и с комбини­ рованной системой управления.

Внастоящее время известны различные схемы и конструкции усилителей, которые классифицируются по выделенным общим признакам.

По числу каскадов усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные.

чего тела, усилители различаются последовательным и параллельным соединением дросселей. Наиболее часто применяющимся усилителям в практике характерны семь ти­ пов принципиальных схем (рис. 5.1). Более сложные схемы (рис.5.1,д,е,ж) составлены на основе более простых схем (рис. 5.1, а, б, в, г). Таким образом очень важно свести все схемы к более простым, что упростит анализ и исследование характеристик и свойств усилителей. По схемам,представленным на рис.5.1.б,г,д,е выполняются золотниковые усилители,по схемам на рис. 5.1,а,ж —золотниковые и типа сопло-заслонка,а по схе­ ме на рис.5.1,в - золотниковые и со струйной трубкой.Знаки + » - означают соответ­ ственно увеличение и уменьшение площадей проходных сечений дросселей в процессе регулирования. Параллельные схемы включения дросселей (рис.5.1,д,е,ж) часто назы­ вают дифференциальными или мостовыми,так как они являются аналогом широко из­ вестного в электротехнике электрического моста Уитстона,содержащего четыре посто­ янных или переменных сопротивления. К одной его диагонали обычно подключается источник питания,а к другой —потребитель (регулируемое устройство). В нашем случае последним является исполнительный механизм.

5.2. Назначение, основные элементы, принцип действия одноще­ левых усилителей типа сопло-заслонка

Усилители,содержащие сопло и заслонку и получившие название усилителей соплозаслонка,служат для увеличения мощности сигналов управления в пневматических, ги­ дравлических приводах и системах автоматического регулирования. Они чаше применя­ ются в качестве первого или промежуточного каскадов усиления сигналов и реже - для непосредственного воздействия на исполнительный механизм.

Простейший однощелевой усилитель сопло-заслонка,схема которого показана на рис. 5.2,, состоит из двух последовательно соединенных дросселей: нерегулируемого дроссе­ ля 1, имеющего постоянное сопротивление, и регулируемого дросселя 2 типа сопло-за­

84 Глава 5

слонка, изменяющего сопротивление при смещении заслонки 3 относительно сопла 4. Междроссельная камера 11 сообщается через исполнительную магистраль 9 с рабочей полостью 7 исполнительного элемента 5 (распределителя или двигателя). Рабочее тело под постоянным давлением ро подается в усилитель через дроссель 1. Кроме того в не­ которых случаях оно подводится ко второй рабочей полости 8 исполнительного устрой­ ства, создавая в ней опорное давление для обеспечения реверса поршня. Вэтом случае, как правило, пружина 6 не устанавливается. Подсоединение полости 8 показано штри­ ховой линией Ю.Такие усилители еще называют трехходовыми,так как они должны со­ держать три магистрали для подачи рабочего тела, слива его и соединения с исполни­ тельным механизмом. Заслонка 3 по форме может быть любой: плоской, сферической, конической или выполненной в виде иглы.

В некоторых усилителях сопло-заслонка поток рабочего тела может быть направлен как от сопла к заслонке, так и наоборот. Эти различия сказываются на величине и на­ правлении усилия, воздействующего на заслонку. При движении жидкости от заслонки к соплу рабочий зазор имеет большую вероятность засорения механическими примеся­ ми. Направление потока от сопла к заслонке конструктивно проще делает усилитель и позволяет надежнее осуществлять фильтрацию, а также исключает самозахлопывание регулируемого дросселя сопло-заслонка,так как воздействие струи на заслонку вызыва­ ет разжимающее усилие,способствующее увеличению рабочего зазора в дросселе.

Принципиальная схема усилителя изображена на рис. 5.2,6. Принцип действия уси­ лителя сопло-заслонка (рис.5.2.,а) следующий.Заслонка 3 перемещается специальным управляющим элементом, например, электромеханическим преобразователем. При на­ чальном зазоре Х0 давление рабочего тела в междроссельной камере 11 равняется на­ чальному,то есть уравновешивающему нагрузку на исполнительном элементе 5, и рабо­ чее тело к последнему не поступает.Если происходит перемещение заслонки 3,то изме­ няются сопротивление дросселя 2 и расход рабочего тела через сопло-заслонку. В зави­ симости от положения заслонки между дросселями устанавливается определенное дав­ ление Pi которое распространяется в полость 7 исполнительного элемента 5. Поршень Последнего перемешается до тех пор, пока не установится равновесие между упругим усилием пружины 6 (или силой давления рабочего тела в полости 8,если она соедине­ на со входом усилителя) и силой давления в полости 7,действующего на поршень.

5.3. Характеристики однощелевого усилителя сопло-заслонка

Статические характеристики гидравлического усилителя. Характеристика, выражаю­ щая зависимость между установившимися величинами расхода на выходе усилителя (рис .5.2.) и давлением р, в его междроссельной камере при различных установивших­ ся значениях расстояний х между соплом и заслонкой и постоянном входном давлении ^>о,является обобщенной статической характеристикой.Ее еще называют внешней.Такая

характеристика связывает между собой три зависимых переменных (давление, расход и перемещение).

При расчете статических характеристик часто пользуются идеализированной моде­ лью гидроусилителя.Для идеа1 ьного усилителя сопло-заслонка можно принять следую­ щие допущения: рабочая жидкость невязкая; коэффициент расхода регулируемого дрос­ селя сопло-заслонка не зависит от перемещения заслонки; потери давления на нерегу­ лируемых участках сопла и в магистралях отсутствуют; давление слива равно нулю; дав­ ление на входе в усилитель имеет постоянную величину.

Расход Q, рабочей жидкости через дроссель:

где fi - коэффициент расхода рабочей жидкости через дроссель; А - проходное се­ чение дросселя; Лр — перепад давлений рабочей жидкости до и после дросселя; р - плотность рабочей жидкости.

где ц, VI Ц2 ~ коэффициенты расхода соответственно нерегулируемого дросселя 1 и дросселя 2 сопло-заслонка; A jn А2 ~ площади проходных сечений отверстий дросселей 1 н 2, po^^ Pi —давления на входе в усилитель и в междроссельной камере.Для дроссе­ ля 1 с цилиндрическим отверстием;

где d, - диаметр отверстия в дросселе 1.3а площадь проходного сечения дросселя 2 можно принять анощадь боковой поверхности цилиндра с высотой XQ, равной началь­ ному зазору между соплом и заслонкой, и диаметром сопла,то есть:

(5.4.)

Подставив выражения (5.3) и (5.4) в уравнение (5.2) и сделав преобразования, по­ лучим:

одношелевого гидравлического усилителя при неподвижном исполнительном механиз­ ме.Такую характеристику можно также получить экспериментальным путем.

отношение расхода (2га,действительно прошедшего через дроссель о переменным про­ ходным сечением, к теоретическому Qj,соответствующему истечению без потерь энер­ гии (жидкость принимается идеальной).

При перемещении заслонки 3 вправо (рис.5.2.,а) , когда дс>0, баланс расходов в уз­ ле 1 (рис .5.2,6) выражается равенством:

Q i + Q ^ = Q i -

Расход через исполнительную магистраль 9;

Q, = ^ 2^ с(хо +

Если х<0,то Q/=Q2~^Qj и расход:

Tid^

Чтобы упростить практическое использование характеристик усилителей при анатитическом описании работы систем,записывают обобщенные статические характеристи­ ки в линеаризованном виде:

Коэффициенты этих линеаризованных уравнений увязаны между собой зависимос­ тью;

Статические характеристики однощелевого пневматического усилителя (преобразова­ теля) сопло-заслонка. Пневматические усилители изображаются аналогично схемам, приведенным на рис.5.2.,а и б,за исключением того,что на вход усилителя под давле­ нием Pq подается сжатый воздухи через регулируемый дроссель2 сопло-заслонка он вы­ текает в атмосферу, где давление Рс равно атмосферному. При расчете статических ха­ рактеристик усилителя можно принять следующие допущения; утечки воздуха отсутст­ вуют; температура сжатого воздуха в процессе работы не изменяется; коэффициент рас­ хода регулируемого дросселя сопло-заслонка не зависит от перемещения заслонки; по­ тери давления на нерегулируемых участках сопла и магистралях отсутствуют; объем междроссельных камер постоянный. Расход сжатого воздуха (газа) через дроссель:

где ц - коэффициент расхода; А - площадь поперечного сечения канала дросселя; v^= '^R T — критическая скорость; к — показатель адиабаты, А= 1,4; R — газовая посто­ янная; J -абсолютная температура воздуха перед дросселем; р„ - давление воздуха пе­ ред дросселем (все давления подставляются абсолютных единицах); tp(a)- функция рас­ хода; а=Ртх/р,^ р ,^ —давление в полости за дросселем, в которую поступает воздух.

При расчете <р(а) можно принимать согласно различным формулам (уравнениям Сен-Венана и Ванцеля. Ф.Е.Санвилла и др.). Однако более предпочтительной можно