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

от криволинейной стенки, существенно меньше мощности основного потока.

Легко представить, как на струйных пневмоэлементах, построенных по приведенным схемам, можно реализовать логическую операцию отри-

цания «НЕ» ( f = х).

Если в пневмоэлементах, построенным по схемам рис. 12.8,а и б, канал 1 соединить с пневмолинией, сигнал в которой соответствует значению функции f, а канал 2 – с атмосферой, то, подавая поток управления pупр в соответствии со значением переменной x, при х = 0 получим f = 1, а при х = 1 соответственно f = 0.

На рис. 12.9,а представлена схема струйного пневмоэлемента, в котором реализуется операция логического умножения «И» при взаимодействии двух струй.

Рис. 12.9. Реализация логических функций на струйных пневмоэлементах: а) функция «И»; б) функции «НЕ» и «ИЛИ»

Очевидно, что в этом случае f = 1 только при х = 1 и у = 1. Действительно, если сопла x и y расположить под определенным уг-

лом и направить через них одинаковые по мощности струи, то в точке взаимодействия обе струи изменят направление движения и результирующая струя будет направлена в канал, с которого снимается сигнал f.

Более универсальными и поэтому более распространенными являются струйные пневмоэлементы, в которых используются как взаимодействие струй между собой, так и взаимодействие струй с криволинейными стенками каналов.

На рис. 12.9,б показана схема такого пневмоэлемента, позволяющая реализовать несколько логических функций при разных вариантах соединения его каналов с внешними пневмолиниями.

Например, при соединении канала z с напорной пневмолинией, а каналов y и f2 с атмосферой на пневмоэлементе будет реализована функция

321

логического отрицания «НЕ», сигнал о значении которой снимается из ка-

нала f1.

Действительно, при отсутствии сигнала x струя из сопла канала z, попав внутрь пневмоэлемента, "прилипает" к стенке с криволинейным профилем А и поступает в канал f1 (f = 1). При подаче управляющего сигнала x (х = 1) произойдет отрыв основной струи от криволинейного профиля А, и она попадет в канал f2, а это значит, что значение функции f = 0. Таким образом, режим работы пневмоэлемента соответствует таблице состоя-

ния 12.3.

Если, оставив канал z соединенным с напорной пневмолинией, соединить канал f1 с атмосферой, то на этом же пневмоэлементе реализуется и функция логического сложения «ИЛИ», значение которой снимается из

канала f2.

Очевидно, что при этом основная струя попадет в канал f2 (f = 1) при подаче управляющего сигнала либо по каналу x (х = 1), либо по каналу y (у = 1), либо в оба эти канала одновременно. При отсутствии сигналов в обоих каналах x и y основная струя, "прилипая" к криволинейному профилю А, попадет в атмосферу через канал f1 (f = 0). Итак, в данном случае на пневмоэлементе реализуется функция, соответствующая таблице состояния 12.1, а значит, операции логического сложения «ИЛИ».

Практической реализацией рассмотренного принципа являются со-

временные струйные пневмоэлементы системы «Волга».

На рис. 12.10,а показано расположение каналов в пневмоэлементе СТ55 системы «Волга», реализующего операции «ИЛИ» и «НЕ ИЛИ».

в)

Рис. 12.10. Струйный пневмоэлемент СТ-55 системы «Волга»:

а) схема расположения каналов; б) внешний вид; в) условное обозначение

322

Пневмоэлемент имеет канал питания 1, всегда соединенный с напорной пневмолинией, давление в которой р 0,02…0,03 МПа, четыре канала управления 2, 3, 6 и 7 и два выходных канала: выход «ИЛИ» – 5 и выход «НЕ ИЛИ» – 4. Рабочую камеру пневмоэлемента образуют рассекатель A и диффузор B. В рабочую камеру поступает основной поток воздуха через сопло, соединенное с каналом питания 1, и управляющие струи через соответствующие сопла, соединенные с каналами 2, 3, 6 и 7. Для обеспечения нормальной работы пневмоэлемент имеет вентиляционные камеры C, открытые в атмосферу.

В пневмоэлементе ось сопла, соединенного с каналом питания 1, смещена относительно оси диффузора B так, чтобы струя воздуха, подаваемая через сопло, при отсутствии сигналов управления всегда «прилипала» к правой стенке диффузора B и попадала в выходной канал 4. При подаче управляющего сигнала на входы 2 и 3 или на оба эти входа основной поток воздуха перебрасывается к противоположной стенке диффузора B и попадает в выходной канал 5. Таким образом, реализуется логическая операция «ИЛИ». После снятия управляющих сигналов поток воздуха возвращается к исходному направлению и вновь попадает в канал 4.

Управляющие сигналы, поступающие по каналам 6 и 7, являются запретительными, т. е. при их наличии сигнала на выходном канале 5 не будет, даже при наличии сигналов управления в каналах 2 и 3.

Пневмоэлемент СТ-55 является базовым элементом. Используя несколько таких элементов и меняя комбинации соединений его выходных пневмолиний, можно реализовать любые логические функции.

Внешний вид элемента «Волга» показан на рис. 12.10,б. Конструктивно элементы системы «Волга» представляют собой соединение двух пластмассовых пластин, на которых, например, методом штамповки образованы канавки, соответствующие определенному рисунку (рис. 12.10,а). Если соединить (склеить) две пластины с зеркальным расположением канавок, то в такой детали образуются соответствующие камеры и каналы, заканчивающиеся цилиндрическими ниппелями, на которые надеваются пластмассовые трубки внешних пневмолиний.

С целью увеличения компактности и сокращения числа пластмассовых соединительных трубок несколько элементов системы «Волга» образуют блоки. В этом случае элементы монтируются на общей монтажной плате. Ниппели каждого элемента вставляются в соответствующие отверстия монтажной платы, которые с помощью внутренних каналов соединяются по определенной схеме. Такая конструкция проста и технологична, что обеспечивает низкую стоимость струйных элементов и блоков управления, построенных с их использованием.

323

12.3. Пневматические системы контроля размеров

Основным элементом пневматических систем контроля размеров является пневмодроссель «сопло-заслонка». Известно, что площадь проходного сечения такого пневмодросселя Sдр определяется зазором между срезом сопла и плоскостью заслонки (рис. 12.11,а) и равна площади боковой поверхности цилиндра высотой z и диаметром основания dс:

Sдр = π dс·z.

Рис. 12.11. Использование пневмодросселя «сопло-заслонка»: а) принципиальная схема; б) схема измерения размера h детали А

z = H – h, где Н – фиксированная высота расположения среза сопла над базовой плоскостью измерительного стола, а h – высота детали А. Контролируя каким-то образом Sдр и величину z, можно контролировать размер детали h как h = H − z.

В промышленных измерительных пневмосистемах используется два способа контроля величины z: ротаметрический и манометрический.

Ротаметрический способ заключается в том, что о величине z судят по величине весового расхода воздуха через пневмодроссель «соплозаслонка».

Схема пневматической системы контроля размеров, в которой используется ротаметрический способ, представлена на рис. 12.12,а.

Согласно формуле 10.9, расход воздуха через дроссель при постоянном перепаде давлений на нем зависит от Sдр, т.е. от размера z. Следовательно, если обеспечить постоянный перепад давлений (р1 – р2 = const), то, контролируя расход воздуха, можно судить о величине зазора z, а значит, и высоты детали А, используя соответствующий тарировочный график.

Редукционный пневмоклапан 1 обеспечивает постоянство давления на входе в пневматическое измерительное устройство (р0 = const). Расходомер 2 (ротаметр) обеспечивает измерение весового расхода G воздуха через измерительное сопло 3. По показаниям ротаметра судят о величине z и размере детали А, используя график зависимости G = ψ(z) (см. рис. 12.12,г).

324

При этом V определяется по формуле V = G/Sт ρ g, где G – весовой расход воздуха, а Sт – площадь поперечного сечения зазора между поплавком и стенками тубы. При некотором значении G поплавок расположится в том сечении трубы, где величина скорости V будет удовлетворять равенству F1 = F2. Если величина G увеличится, то возрастет и скорость V воздуха в том сечении, где располагался поплавок, а значит, увеличится и величина перепада давления на поплавке. Нарушится равенство сил, действующих на поплавок, и он начнет подниматься. Это движение поплавка прекратится тогда, когда он займет какое-то новое положение, при котором снова F1 = F2.

Скорость потока воздуха в новом сечении будет такой же, как в начальном, и F2 cнова станет равной F1, что и будет соответствовать новому установившемуся положению поплавка. Таким образом, перепад давления на поплавке при установившемся его положении всегда остается постоянным.

При соответствующей тарировке ротаметра по положению поплавка можно судить об изменении расхода через пневмодроссель и, следовательно, об изменении величины зазора z и размера детали h.

Вкачестве расходомеров при ротаметрическом способе контроля размеров могут использоваться и другие приборы, например, трубка Пито или трубка Вентури.

Основным недостатком ротаметрического способа измерения является сложность передачи полученного результата измерения на расстояние. Поэтому в системах пневмоавтоматики большее распространение получил манометрический способ.

Манометрический способ основан на измерении давления в камере между двумя последовательно соединенными пневмодросселями (см. подраздел 10.3). Согласно формуле 10.11, это давление будет зависеть от соотношения площадей проходных сечений пневмодросселей. Схема пневмосистемы контроля размеров, в которой используется манометрический способ, представлена на рис. 12.12,б.

Внапорную пневмолинию с давлением р0 последовательно включены настраиваемый пневмодроссель 1 и измерительный пневмодроссель «со- пло-заслонка» 2. Между ними расположена камера, давление в которой р

измеряется манометром. Считая давление р0 и площадь проходного сечения дросселя 1 постоянными, формулу (10.11) можно представить в виде

p = В+АS22 или р = f(S2),

где А и В – постоянные величины;

S2 – площадь проходного сечения измерительного дросселя «соплозаслонка».

Характер графика функции р = f(S2) будет таким же, как на рис. 10.4. Поскольку величина площади S2 зависит от величины зазора z, то эту зависимость можно перестроить и получить в виде р = φ(z) (рис.12.12,г).

326

График функции р = φ(z), как и график на рис. 10.4, будет нелинейным. Поэтому диапазон измерений будет ограничен величиной линейной зоны (участок аb на графике).

Для увеличения линейного участка графика можно рекомендовать эжекторный вариант манометрической системы. Принципиальная схема такой измерительной системы приведена на рис. 12.12,в.

Здесь о величине зазора z судят по давлению p . График зависимости p = φ(z) при этом изменяется так, что его линейный участок получается в диапазоне от точки a до точки c (см. рис. 12.12,г).

Следует также отметить, что и ротаметрические, и манометрические датчики контроля размеров будут фиксировать изменение величины z только при условии, если πdс·z < πdс2/4 , т.е. в пределах изменения z от 0 до 0,25dc. Таким образом, пределы измерения таких датчиков ограничены диаметром сопла dc.

На рис. 12.13. показаны конструктивные схемы некоторых измерительных головок пневматических датчиков контроля размеров, которые используются в массовом производстве.

Рис. 12.13. Примеры измерительных головок: а) пробка; б) скоба

На рис. 12.13,а показана пневматическая пробка, контролирующая размер отверстия. Она позволяет не только контролировать диаметр, но и при относительном повороте пробки и детали измерять овальность и другие погрешности формы поверхности детали. Строгое соблюдение соосности пробки и отверстия необязательно, поскольку датчик будет реагировать на суммарный зазор между соплами пробки и стенками отверстия.

На рис. 12.13,б показана пневматическая скоба, которая может контролировать точность изготовления диаметра вала и при необходимости погрешность формы детали.

Очевидным преимуществом пневматических датчиков размеров является то, что они осуществляют бесконтактное измерение: не изнашивается измерительный инструмент (головка), не нарушается чистота обработки поверхности детали. Кроме того, такие датчики легко включаются в систему автоматизированного контроля и в общую систему автоматизации технологического процесса.

327

пневматический привод. Для этого используется энергия выхлопных газов того же двигателя. Выхлопные газы, направляемые на выход (в атмосферу), перед глушителем 3 проходят через пневматический двигатель 5. В качестве пневматического двигателя обычно используется пневматическая турбина. Выхлопные газы, проходя через турбину 5, приводят её во вращение. Она в свою очередь приводит во вращения компрессор 4. В большинстве конструкций турбина 5 и компрессор 4 имеют общий вал.

Таким образом, система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, в большинстве случаев, включает собственно систему подачи воздуха в камеры сгорания двигателя и пневмопривод компрессора этой системы.

Далее остановимся на элементах, входящих в состав рассмотренной системы турбонаддува.

Воздухозаборник 1 представляет собой трубопровод специальной формы, забирающий воздух из атмосферы.

Фильтр 2 системы турбонаддува двигателя внутреннего сгорания служит для очистки воздуха с целью получения в дальнейшем топливновоздушной смеси высокого качества и, следовательно, обеспечения её нормального сгорания. Принципиально он не отличается от обычных воздушных фильтров, используемых на автомобильных и тракторных двигателях, а также в двигателях других самоходных машин.

В качестве компрессора 4 в большинстве систем турбонаддува двигателей внутреннего сгорания используются динамические лопастные компрессоры. Такие пневмомашины достаточно подробно были рассмотрены в подразделе 11.1.1, причем наибольшее распространение получили центробежные одноступенчатые компрессоры. Принципиальную конструкцию такого компрессора можно получить из компрессора, приведенного на рис.11.1,а, если поток газа после рабочего колеса направить на выход. Такие компрессоры надежны в работе, так как не имеют пар трения, выполняемых с высокой точностью. Некоторую сложность при производстве лопастных компрессоров представляет собой изготовление рабочего колеса и корпуса компрессора (они обычно изготовляются литьем). Эксплуатируются центробежные компрессоры при относительно высоких частотах вращения, поэтому основным элементом, определяющим надежность работы и срок службы компрессора, является его подшипник (или подшипники).

Кроме динамических, в качестве компрессоров используются также объемные пневмомашины. Объемные компрессоры обычно приводятся во вращение непосредственно от коленчатого вала двигателя, и в двигателестроении их чаще называют нагнетателями. Наибольшее применение в качестве нагнетателей получили поршневые, роторно-поршневые и другие роторные компрессоры, принципиальные конструкции которых приведены в подразделе 11.1.2.

Эти компрессоры (с приводом от вала двигателя) по сравнению с лопастными компрессорами (с приводом от пневматической турбины) могут обеспечивать достаточно стабильную подачу в широком диапазоне скоро-

329

сти вращения. Они позволяют существенно повышать мощность двигателя при средних и малых скоростях вращения его вала. При этих скоростях вращения коленчатого вала двигателя подача лопастного компрессора может быть меньше требуемого расхода воздуха из-за небольшого количества отработанных газов, направляемых от двигателя через турбину привода на выхлоп. Однако объемные нагнетатели имеют существенно бóльшие габариты и массу.

Современные системы принудительной подачи воздуха в двигатели внутреннего сгорания с использованием объемных компрессоров позволяют повышать их мощность в 1,25…1,4 раза. Большее повышение мощности ограничивается невозможностью значительного повышения давления из-за утечек воздуха через зазоры в компрессоре. Использование лопастных компрессоров с приводом от пневматической турбины позволяет увеличивать мощность двигателя в 1,5…2 и более раз. Необходимо учитывать, что объемные компрессоры могут повышать мощность двигателя внутреннего сгорания в широком диапазоне скоростей вращении его вала, а лопастные компрессоры эффективно работают в зоне высоких скоростей.

Как было отмечено в подразделе 11.1.3, в компрессорах, в соответствии с законами термодинамики, при сжатии происходит нагревание воздуха. Однако подвод нагретого воздуха к двигателю не целесообразен, так как это влечет за собой уменьшение массового заполнения его рабочих камер воздушно-топливной смесью и ухудшение теплового режима двигателя. Для устранения отмеченных отрицательных моментов воздух после компрессора охлаждается, проходя через теплообменник-охладитель 6. В большинстве систем наддува для этого используется система охлаждения двигателя, однако может быть использован и обдув пневмопривода воздухом окружающей среды.

Пневматическая турбина 5, применяемая для привода компрессора, использует энергию выхлопных газов двигателя, давление которых на выходе из рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания достигает 0,4…0,5 МПа. Выхлопные газы направляются на лопатки пневмотурбины и приводят её во вращение. В большинстве систем турбонаддува пневматическая турбина представляет собой лопастную динамическую машину с радиальным направлением потока выхлопных газов на входе. Её принципиальное устройство аналогично конструкции одноступенчатого центробежного компрессора, рассмотренного ранее, но рабочий поток через турбину направлен в противоположном (по сравнению с компрессором) направлении. Конструкция пневматической турбины также не имеет принципиальных отличий от однотипной гидравлической турбины, рассмотренной в подразделе 2.4. Между гидравлическими и пневматическими турбинами имеются отличия второстепенного характера. Они вызваны различием свойств жидкостей и газов, используемых в качестве рабочих тел. Эти различия в первую очередь касаются применяемых материалов,

330