Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

Пневмораспределители предназначены для изменения направления, пуска и остановки потоков сжатого воздуха. В промышленных пневмосистемах широкое распространение получили пневмораспределители золотникового типа с запорно-регулирующим устройством в виде цилиндрического золотника. Конструкция таких пневмораспределителей проста и технологична. Основной задачей, необходимой для решения при конструировании, является обеспечение герметичности золотника. В отличие от гидрораспределителей этого типа, в пневмораспределителях применяют специальные уплотнения, препятствующие утечке воздуха через зазоры между золотником и корпусом (гильзой).

Примером решения этой проблемы является трехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель, конструктивная схема которого показана на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Золотниковый пневмораспределитель

В корпус распределителя запрессована гильза 2, относительно которой перемещается золотник 3. Перемещение золотника ограничено упорами, установленными в крышках 1. Для предотвращения перетечек воздуха через зазоры между гильзой 2 и поясками золотника 3 на поясках устанавливают эластичное уплотнение, обеспечивающее хорошую герметичность.

Наряду с золотниковыми в пневмораспределителях широкое применение получили и клапанные запорно-регулирующие устройства, которые практически не используют в гидрораспределителях из-за больших усилий, требуемых для управления.

На рис. 12.3. представлена конструктивная схема трехлинейного двухпозиционного пневмораспределителя клапанного типа с ручным управлением.

311

Из напорной пневмолинии сжатый воздух подводится к каналу b в корпусе распределителя, канал a соединен с атмосферой, канал c – с полостью 1 пневмоцилиндра одностороннего действия.

Рис. 12.3. Клапанный пневмораспределитель

В положении рукоятки управления 4, изображенном на схеме, клапан 5 прижат к седлу корпуса, а клапан 2 опущен. Полость 1 пневмоцилиндра соединена с атмосферой, а поршень пневмоцилиндра под действием возвратной пружины находится в исходном положении. При изменении положения рукоятки 4 клапан 5 опускается, а клапан 2 поднимается, перекрывая выход в атмосферу. Сжатый воздух поступает в пневмоцилиндр, и поршень движется вправо, совершая рабочий ход. Надежная герметизация клапанов достигается за счет плоских резиновых или фторопластовых прокладок 3, заделанных в металлические корпуса клапанов 2 и 5.

Относительно невысокое давление сжатого воздуха и небольшие площади клапанов не создают больших усилий на рукоятке управления. Однако при управлении потоками с большим расходом воздуха в пневмораспределителе требуются большие проходные сечения, следовательно, большие площади клапанов и большие усилия на управление. Это особо важно в случае необходимости использования электрического управления, в котором, как правило, используются маломощные сигналы управления. В таких случаях используют пневмораспределители непрямого действия.

На рис. 12.4. приведена конструктивная схема клапанного пневмораспределителя с электрическим управлением.

312

В исходном положении при отсутствии управляющего сигнала на электромагните 1 пружина 2 прижимает вспомогательный клапан 3 к седлу корпуса основного клапана 4, перекрывая канал m.

Рис. 12.4. Пневмораспределитель с электрическим управлением

Полость l сообщена при этом с атмосферой. Давление сжатого воздуха рвх, действуя на эффективную площадь S1 клапана 4, прижимает его к седлу корпуса распределителя. Пневмолиния А соединена с пневмолинией Б. При подаче управляющего сигнала электромагнит, втягивая якорь, сжимает пружину 2 и прижимает клапан 3 к седлу корпуса, тем самым закрывая выход из полости l в атмосферу и одновременно соединяя его с полостью К через открытый канал m. Давление сжатого воздуха рвх действует теперь и на площадь S2 клапана 4. Так как S2 > S1, результирующая сила давления перемещает клапан 4 влево и разъединяет пневмолинии А и Б, соединяя линию А с напорной пневмолинией. При снятии управляющего сигнала распределитель приходит в исходное положение. Такой двухпозиционный трехлинейный пневмораспределитель с электрическим управлением может быть использован, например, в качестве распределителя, представленного на схеме рис. 12.1,а.

12.2. Логические элементы пневмосистем

Особенности газа, прежде всего его высокая сжимаемость, ограничивают сферу применения пневматических приводов в системах непрерывного действия (аналоговые системы), где требуется плавность хода, стабильность скоростей при изменяющихся нагрузках, точность позиционирования. Пневмоприводы чаще всего используют в дискретных системах, таких, например, как подача и зажим заготовок при механической обработке, транспортировка деталей от места обработки до места сортировки или складирования, открытие и закрытие люков, задвижек и т.п. Очевидно,

313

что и сигналы управления таким приводом должны быть дискретными, а формировать сигналы должны дискретные элементы управления.

В пневматических системах для формирования сигнала управления используют пневматические логические элементы, работа которых основана на законах алгебры логики.

12.2.1. Основы алгебры логики

Логика – наука, изучающая формы мышления, ход рассуждений и умозаключений, оперируя понятием высказывание.

Под высказыванием понимают предложение, о котором можно судить, является ли оно истинным или ложным. Например, высказывание «Идет снег» будет истинным, если на улице идет снег, или ложным, если погода ясная. Высказывания могут быть простые и сложные. Примером простого высказывания может служить приведенное выше предложение. Сложное высказывание получается при объединении простых высказываний путем использования логических связей, выраженных союзами «и», «или», «если …, то» и другими. Из двух простых высказываний «Деталь бракуется по отклонению размера диаметра от заданного», «Деталь бракуется по отклонению размера длины от заданного» путем использования логической связи «или» можно построить сложное высказывание «Деталь бракуется при отклонении размеров диаметра или длины от заданных».

Первое и второе простые высказывания будут истинными (деталь бракуется), если будет зафиксировано отклонение размеров от заданных значений, и будут ложными при отсутствии отклонений.

Сложное высказывание будет истинным или ложным в зависимости от того, какими будут простые высказывания. По логике приведенное сложное высказывание будет истинным, если одно из простых высказываний или, тем более, оба будут истинными. Только если оба простых высказывания будут ложными, сложное высказывание будет тоже ложным.

Алгебра логики, основателем которой был английский ученый Буль, переводит логические рассуждения в область алгебраических исчислений высказываний.

Простое высказывание в алгебре логики называется переменной, а

сложное – логической функцией.

Вид логической функции определяется видом логической связи. В рассмотренном примере сложное высказывание будет логической функци-

ей «или».

Для исчисления высказываний используется двоичная система, в которой переменная и функция могут иметь только два значения (ноль или единица). Принимают за условие, что истинное высказывание имеет значение «единица», а ложное – «ноль». Переменные обозначают латинскими буквами x;y;z, а функции – буквой f.

314

Представим логические высказывания, приведенные выше, в виде таблицы состояний логической функции двух переменных (таблица

12.1).

Таблица 12.1

Проанализировав численные значения f при различных значениях х и y c учетом того, что в алгебре логики 1 + 1 = 1, можно заключить, что логическую функцию «ИЛИ» в аналитическом виде можно выразить как

f = x + y,

т.е. функцией сложения. Реализация этой функции на каких-либо элементах (гидравлических, электрических, пневматических) называется логиче-

ской операцией «ИЛИ», или операцией логического сложения.

Рассмотрим еще один пример. Из двух простых высказываний «Точильный станок работает только при нажатой кнопке», «Точильный станок работает только при опущенном экране» с помощью логической связи «и» строим сложное высказывание «Точильный станок работает только при нажатой кнопке и опущенном экране». Используя принятые обозначения и правила счета в алгебре логики, логические высказывания представляем в виде таблицы состояний логической функции «И» для двух переменных (табл. 12.2).

Таблица 12.2

Аналитически логическую функцию «И» для двух переменных можно представить как

f = x·y,

т.е. функцией логического умножения. Реализация этой функции называ-

ется логической операцией «И», или операцией логического умножения.

Рассмотренные логические функции «И» и «ИЛИ» являются базовыми. Вместе с логической функцией отрицания (функция «НЕ») они являются основой для построения более сложных логических функций.

Логическая функция «НЕ» – функция одного переменного, используется в том случае, если переменная будет истинной, а функция – ложной, или наоборот. Другими словами, функция всегда изменяет (переворачива-

315

ет) значение переменной. Поэтому часто функцию «НЕ» называют инвер-

сией, а операцию – инвертированием.

Аналитически логическую функцию отрицания записывают в виде

ƒ = х.

Таблица 12.3 представляет таблицу состояния этой функции. Таблица 12.3

12.2.2. Реализация логических операций на мембранных пневматических элементах

Во всех рассматриваемых логических пневматических элементах сигнал, соответствующий функции, и сигналы переменных реализуются в виде потока сжатого воздуха с давлением р, которое приблизительно равно 0,15МПа избыточной шкалы. Наличие потока сжатого воздуха в пневмолинии или в канале пневмоэлемента соответствует сигналу, равному единице, а отсутствие – нулю.

На рис. 12.5,а представлена конструктивная схема пневмоэлемента, в котором запорно-регулирующим устройством является мембрана 6, зажатая между корпусом 5 и крышкой 1. При отсутствии сигналов мембрана 6 находится в нейтральном положении и все каналы 2, 3 и 4 сообщаются между собой.

Рис. 12.5. Логический пневмоклапан «ИЛИ»: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

Если в каналы 2 и 4 подавать сигналы, соответствующие двум переменным x и y, а из канала 3 снимать сигнал функции f, то на пневмоэлементе реализуется логическая функция, соответствующая таблице состояния 12.1, т.е. логическое сложение.

Действительно, если сжатый воздух подать в канал 2 (х = 1), а канал 4 соединить с атмосферой (y = 0), то под действием давления сжатого возду-

316

ха мембрана 6 сместится влево, прижмется к седлу корпуса 5 и перекроет канал 4. Поток воздуха пройдет в канал 3, что означает f = 1.

При комбинации переменных х = 0, y = 1 сжатый воздух подается в канал 4, мембрана 6, прижимаясь к седлу крышки 1, перекрывает канал 2, и сжатый воздух поступает в канал 3 (f = 1).

Если х = 1 и y = 1, то сжатый воздух поступает и в канал 2, и в канал 4. В каком бы положении не находилась мембрана, воздух всегда поступит в канал 3.

Только при отсутствии потока сжатого воздуха в каналах 2 и 4 (х = 0, y = 0) в канале 3 также не будет потока сжатого воздуха (f = 0).

На таком пневмоэлементе реализуется только логическое сложение, поэтому он называется пневмоклапан «ИЛИ». Его условное обозначение показано на рис. 12.5,б.

Более универсальным является один из основных элементов унифицированной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), конструктивная схема которого представлена на рис. 12.6,а.

в) г)

Рис. 12.6. Мембранные пневмоэлементы системы УСЭППА: а) конструктивная схема; б) условное обозначение;

в) условное обозначение пневмореле; г) характеристика пневмореле

Запорно-регулирующее устройство этого пневмоэлемента (мембранный блок состоит из трех мембран 9, 10 и 11, зажатых между деталями корпуса. Одновременно все три мембраны закреплены на подвижном цилиндрическом стержне. За счет эластичности мембран стержень может подниматься вверх, перекрывая сопло 2 в крышке 12, или опускаться вниз,

317

перекрывая при этом сопло 7 в крышке 8. Между мембранами внутри корпуса образуются четыре полости А, В, С, D, которые соединяются с внешними пневмолиниями, соответственно, каналами 3, 4, 5 и 6.

Центральная мембрана, разделяющая полости В и С, имеет большую эффективную площадь, чем две другие. Поэтому, если подать сжатый воздух в полость В, мембранный блок под действием силы давления на мембрану большей площади опустится вниз.

На рис. 12.6,б показано условное обозначение такого пневмоэлемента. Для использования рассмотренного пневмоэлемента при реализации

логических операций необходимо, чтобы он работал в режиме реле.

При этом мембранный блок должен находиться в определенном положении, при котором он перекроет либо сопло 2, либо сопло 4. Для этого в полости В или С создают постоянный «подпор», подавая туда сжатый воздух с давлением подпора рп ≈ 0,5рпит, где рпит – рабочее давление питания в пневмосистеме (рпит 0,15МПа). На условном обозначении эту полость заштриховывают (см. рис. 12.6,в).

В пневмореле каналы 3 и 7 соединяют, образовывая выход реле, с которого снимается сигнал о значении логической функции f.

На рис. 12.6,г показана идеальная характеристика такого пневмореле. При рвх < рп мембранный блок за счет давления подпора поднят вверх. Сопло, к которому подведено давление питания рпит, перекрыто. Выход через открытое нижнее сопло соединен с атмосферой (рвых = 0). При рвх > рп мембранный блок опускается, открывает верхнее сопло и закрывает нижнее. Выход изолируется от атмосферы и соединяется с давлением питания рпит (рвых = рпит). Меняя соединение каналов 2, 4, 5 и 6 с внешними пневмолиниями, на пневмореле можно реализовать все основные логические операции, рассмотренные в подразделе 12.2.1.

При реализации операции отрицания «НЕ» каналы пневмореле соединяются с пневмолиниями так, как показано на рис. 12.7,а.

Рассмотрим работу этого пневмореле, используя таблицу состояний 12.3. Если х = 0, то под действием давления подпора мембранный блок опущен вниз, сопло, соединенное с напорной пневмолинией, открыто, а нижнее сопло закрыто. Сжатый воздух с давлением рпит проходит на выход

реле, f = 1. Если х = 1, то под действием давления рвх = рпит > рп мембранный блок перемещается вверх, перекрывает верхнее сопло и открывает

нижнее, соединяя тем самым выход реле с атмосферой, f = 0. Таким обра-

зом, реализуется функция f = х.

318

при вибрациях и значительных перегрузках. С учетом этого в современных пневматических системах большее распространение получили струйные пневмоэлементы.

12.2.3. Реализация логических операций на струйных пневматических элементах

Струйные элементы не имеют подвижных механических частей. Их работа основана на взаимодействии потоков воздуха (струй) между собой или со стенками каналов, по которым проходит поток. Отсутствие подвижных частей делает эти элементы надежными, долговечными и работоспособными в самых сложных условиях эксплуатации. Их быстродействие, хотя и уступает электронным элементам, но выше, чем мембранных пневмоэлементов.

Примеры схем взаимодействия струй между собой и со стенками каналов в струйных пневмоэлементах представлены на рис. 12.8.

Рис. 12.8. Струйные пневмоэлементы, работающие по принципу: а) взаимодействия струй; б) взаимодействия струи

скриволинейной поверхностью

Вструйном элементе, приведенном на рис. 12.8,а, при отсутствии

сигнала управления pупр струя воздуха из сопла, по которому поступает поток под давлением питания pпит, попадет в канал 1 (сплошная линия). Если же подать поток воздуха через канал управления, то в результате взаимодействия двух струй (основной и управляющей) основная струя отклонится и попадет в канал 2 (пунктирные линии).

Вструйном элементе, приведенном на рис. 12.8,б, при отсутствии

сигнала управления pупр струя воздуха из сопла, по которому поступает поток под давлением питания pпит, встретив на своем пути криволинейную стенку «прилипает» к ней и попадает в канал 1. Если подать управляющий

поток воздуха под давлением pупр, то основной поток оторвется от стенки и попадет в канал 2. В этом пневмоэлементе сочетаются и взаимодействие струи с криволинейной стенкой, и взаимодействие двух струй. При этом мощность потока управления, необходимая для отрыва основного потока

320