книги / Основы пневмоавтоматики

его входе есть сигнал, соответствующий условной единице. В этом случае оба сопротивления окажутся запертыми и в емкостях апериодических звеньев 17а и 17б окажутся запомненными значе­ ния давлений, которые там существовали в момент подачи на вход клапана 2 условной единицы. Причем совершенно безраз­ лично, оказалась в этот момент на выходе клапана 2 единица

или ноль. Клапаном 2 управляет элемент сравнения 6, на кото­

ром осуществляется сравнение давлений /?б и р3.

Выходное давление формируется в емкости апериодического звена Ка и через повторитель 12 заводится на элемент памяти 11, управляемый так же, как и клапан 2, сигналом, поступающим с элемента сравнения 6. После элемента памяти 11 выходной

сигнал повторяется и усиливается мощным и точным повторите­ лем 10.

Для создания сигналов, управляющих клапанами 4 и 13,

предназначен трехмембранный элемент 5, выходной сигнал ко­

сравнения 6 будет ноль, а на выходе импульсатора 8 единица. В этом случае сопло элемента памяти 11 окажется закрытым, и

на выходе устройства будет сигнал давления, соответствующий предыдущему периоду измерения. Клапан 2 будет открыт, и

221

Глава VI

СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ СТРУЙНОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ

1. РАСЧЕТ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СТРУЙНОЙ ЦЕПИ

Виды соединений элементов пневматических струйных схем.

Построение систем управления с применением элементов струй­ ной пневмоавтоматики связано с выбором функциональной схе­ мы и пневматическим расчетом соединения элементов в этой схеме. Функциональная схема определяется алгоритмом управ­ ления. Общие методы синтеза логических и цифровых схем при заданных полных наборах элементов рассмотрены в специальных монографиях [2, 36] и могут быть рекомендованы для составле­ ния дискретных схем на струйных, струйно-мембранных или иных пневматических элементах.

Если логическая схема струйной системы управления состав­ лена, то возникает задача расчета рабочих режимов элементов и составление на базе этого расчета принципиальной схемы.

Любая струйная система управления, кроме источника энер­ гии сжатого воздуха, включает пневматические элементы, пре­ образующие устройства и коммуникационные каналы связи.

В настоящее время широкое распространение в пневмоавто­ матике получили элементы и системы, работающие при постоян­ ных уровнях расходов и давлений, необходимых для питания и управления. По аналогии с электрическими цепями постоянного тока такое направление в пневмоавтоматике можно назвать техникой постоянных токов. При этом расходы и давления имеют фиксированные значения, а течение после окончания переходного процесса переключения элементов обычно является установив­ шимся. Установившийся режим характеризуется тем, что расхо­ ды и давления не изменяются в течение сколь угодно длительного промежутка времени и производные давления и расхода по вре­ мени равны нулю, т. е.

с определением параметров цепи, можно выполнять, применяя методы электротехники [60, 62].

223

Имеются активные и пассивные элементы схем. К первым из них подводится питание, вторые лишь преобразуют входные сиг­

зывается линейной. На самом деле все реальные пневматические элементы имеют нелинейные характеристики и пневматические цепи являются нелинейными. Однако в ряде случаев указанная идеализация процессов может быть принята, и в определенном диапазоне рабочих режимов пневматические цепи можно рас­ сматривать как линейные.

Существенным отличием пневматических цепей от электриче­ ских является то, что по трубопроводам, каналам и функцио­ нальным элементам протекает газ, имеющий неизмеримо боль­ шую массу, чем масса электронов.

Соединение сопротивлений пневматической цепи называется последовательным, если по цепи проходит один и тот же общий расход. На отдельных последовательно включенных участках с разными пневматическими сопротивлениями образуются пере­ пады давлений, зависящие от величины сопротивлений и прило­ женного к цепи давления. Потери давления происходят также в трубопроводах и коммуникационных каналах за счет сил трения.

Соединение сопротивлений называется параллельным, если все они находятся под одинаковым перепадом давлений. Расхо­ ды в параллельно соединенных пассивных элементах зависят от их проводимостей и перепада давления.

Как отмечалось ранее, для линейных пневмосопротивлений расход пропорционален проводимости и перепаду Q = аАр, для

нелинейных пневмосопротивлений расход является нелинейной функцией перепада давления. Например, для ламинарного сопротивлений расход сжимаемого газа может быть опре­ делен по формуле (9), а для турбулентных — по формулам (4) и (5).

Полный расход через все, соединенные параллельно, пневма­ тические сопротивления равен сумме расходов через отдельные сопротивления.

При последовательном соединении струйных элементов нель­ зя говорить о постоянстве расхода в цепи, так как к элементам может быть подведено давление питания и из элементов проис­ ходит утечка газа в атмосферу. Параллельное соединение струй­ ных элементов характеризуется тем, что полный расход в объ­ единенном выходном коллекторе равен сумме расходов через все выходные каналы элементов.

Другого типа соединения, называемые последовательно-па­ раллельными, образуют более сложные пневматические развет­ вленные цепи [61, 64].

224

В пневмоавтоматике различают цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Если волновыми процессами в цепях и длиной каналов можно пренебречь, то цепь можно рас­ сматривать как систему с сосредоточенными параметрами. Часто при расчетах пневмосистем такое рассмотрение бывает вполне допустимым, например, при расчете пневмокамер, проточных элементов, систем мембранной пневмоавтоматики. Если же дли­ ной трубопроводов или цепей нельзя пренебречь, то их необхо­ димо рассматривать как системы с распределенными парамет­ рами.

Для построения разветвленных пневматических схем необхо­ димо прежде всего знать внешние характеристики пневмоэле­ ментов. Внешние параметры большинства пневмоэлементов, в том числе струйных, удобно определять с помощью входных и выходных характеристик, являющихся аналогом вольт-амперных характеристик электронных элементов. Таким образом, методы расчета пневматических цепей до некоторой степени аналогичны методам расчета электрических цепей. Наличие однозначной за­ висимости давления в выходном и входном каналах от соответ­ ствующих им расходов освобождает от необходимости составле­ ния схемы замещения для данного пневматического элемента и позволяет вести его расчет графическим методом.

Графический метод расчета неразветвленной струйной цепи с линейными и нелинейными элементами. Рассмотрим графи­ ческий метод расчета последовательного соединения двух струй­ ных элементов с характеристиками произвольного вида. В общем случае входные и выходные характеристики элементов являются нелинейными. Их аналитическое выражение довольно сложно. Пусть для последовательного соединения двух одинаковых

входной характеристики для струйных элементов некоторых Т и­ тов, например элементов с турбулизацией питающей струи, не за­ висит от того, переключился элемент или нет (сплошная кривая на рис. 122, б). Для струйных элементов с силовым взаимодейст­ вием струй, с использованием свойств пристеночных течений и не­ которых иных сопротивление канала управления может меняться в зависимости от состояния переключения элемента и его вход­ ная характеристика может иметь вид кривой, показанной на рис. 122, б штриховой линией. В точке перегиба П происходит

переключение элемента, что может вызвать изменение сопротив­ ления канала управления, а следовательно, и изменение расхода. Давление питания элементов считается постоянным.

NВследствие наличия сопротивления коммуникационного кана­ ла связи и падения давления в нем выходная характеристика элемента будет несколько смещена вниз и примет вид кривой, показанной на рис. 122, д [кривая QB = /(рв)]. Действительно,

если на выходе струйного элемента с регулируемым дросселем а

(рис. 122, г), соединенным с окружающей средой, давление кото­ рой /?а, канал не подключен, то при некотором открытии регули­ руемого дросселя истечение происходит под перепадом давлений /?В1 — раЕсли же между выходным соплом элемента и регули­

руемым дросселем включен канал (рис. 122, в), то вследствие наличия гидравлических потерь вдоль канала возникает некото­ рый перепад давлений Ар. Истечение в окружающую среду будет

Рис. 122. Различные условия нагружения струйных элементов:

а — схема включения элемента через соединительный канал; б — входная характеристика элемента при переключении; в — схема на­ гружения переменной нагрузкой через соединительный канал; г — схема нагружения переменной нагрузкой без. канала; д — выходные характе­

ристики

происходить под перепадом на дросселе а: (рш — Ар) = /?в. Так

как /?в < рвь то расход через дроссель будет меньшим. Наи­ большее значение Ар принимает при полном открытии дросселя в окружающую среду, соответствующем наибольшей скорости в канале. Общей точкой характеристик с подсоединенным кана­ лом и без него является точка максимального набора давления Рв шах при полном закрытии нагрузочного дросселя. Наибольшее расхождение кривых будет иметь место при полном открытии дросселя. Характеристика QBI = / I (P B I) пРи подключении канала и изменении его длины изменяться не будет.

Нагрузкой для активного струйного элемента могут служить последовательно соединенные пассивные элементы, например, два дросселя ai и ct2, соединенные между собой каналом, поте­

рями в котором можно пренебречь (рис. 123, а). Допустим, что заданы выходная характеристика QB = f\ (рв) струйного элемен­

226

та и входные характеристики обоих дросселей Q1 = / 2(/?1) и. Q2 = fz(p2) (рис. 123, б). Определим путем графического построй

ения расход и давление на выходе нагруженного элемента, а так­

Если известны входная и выходная характеристики струйных элементов, то графический расчет рабочего режима при после­ довательном соединении двух элементов (рис. 122, а) сводится к следующему. Строят входную Qy = fi(py) и выходную QB =

= Ы/^в) характеристики соответственно двух последовательно включенных струйных элементов (рис. 122, а и 124). Точка А пе­

ресечения этих характеристик определяет расчетный режим, ко­ торый устанавливается при данном входном сопротивлении управляемого элемента. Этому режиму соответствуют рабочие параметры рраб и Qpa6Однако в установившемся режиме управ­ ляющий элемент может отдавать свою выходную мощность не полностью. Одна из задач — определение величин запасов по давлению и расходу. В ряде случаев представляет интерес дру­

гая постановка этой задачи — определение коэффициента ветв­ ления управляющего элемента *.

Графический способ расчета разветвленной струйной цепи с линейными и нелинейными элементами. Для решения постав­

ленных задач необходимо знать величины давления /?уср и расхо­ да QyCp, при которых происходит срабатывание управляемого элемента. Моменту срабатывания управляемого дискретного эле­ мента на его входной характеристике (рис. 124) соответствует точка С. Для обеспечения срабатывания на выходе управляюще­ го элемента должно быть давление рво = р УсР и расход Qycp.

Таким образом, срабатывание может быть обеспечено, если точ­

наибольшее количество подсоединяемых элементов и носит наз­ вание коэффициента ветвления.

Допустим, что в струйной разветвленной цепи к выходу од­ ного управляющего элемента подсоединено несколько управляе­ мых элементов (рис. 125, а), имеющих в общем случае нелиней­ ные характеристики. При этом на выходную характеристику управляющего элемента накладывается сетка его входных харак­ теристик (рис. 125, б). Каждая входная характеристика соответ­ ствует определенному числу подключаемых элементов (п = 1,2,

различные режимы работы цепи при разных нагрузках. Напри­

угольника OEA2F равна рабочей мощности iVpaб = С?раб*Рраб.

В ряде случаев известна не результирующая входная харак­ теристика, а входные характеристики отдельных элементов. Рассмотрим случай, когда один элемент нагружен двумя параллель-

1 Часто коэффициент ветвления называют коэффициентом нагрузочной способности.

228

но соединенными элементами, входные характеристики которых показаны на рис. 125, в. При известном давлении рв находят

величины Qyi и фуг. Тогда расход в неразветвленной части цепи

при параллельном соединении ру\ = руг, то для определения Qyc

необходимо произвести суммирование ординат кривых Qi = = fi(pyi) и Q2 = Ь(ДУ2) для одинаковых значений давления

а — схема подключения; б — график совместной работы управляющего и управляемых элементов; в — графический расчет рабочей точки двух парал­ лельно включенных управляемых элементов

рУ1 = ру2. Отложив на оси ординат отрезок OF, равный QB , и проведя из точки F прямую, параллельную оси абсцисс, до пере­ сечения с кривой Qyc = Qyi + Q y 2 = Ы/?в), находят давление рв. Точки пересечения прямой АЕ, проведенной параллельно оси ор­

динат, с входными характеристиками элементов определяют рас­

чения давления питания.

С увеличением давления питания и выходной мощности воз­ растает мощность, необходимая для управления элементами. По­ этому для увеличения выходной мощности иногда используют параллельное соединение управляющих элементов (рис. 126, а), работающих на одну нагрузку. Так как при параллельном соеди­ нении выходное давление одинаково, то результирующую харак­ теристику получают путем суммирования расходов, соответству­ ющих одинаковым давлениям. По заданным внешним характе­ ристикам р\ = fi(Qi) и р2 = /2 (Q2) (рис. 126, б) необходимо про­ суммировать расходы Qi и Q2. Для определения рас­

229

ределить режим, рассматривая пневматическую цепь в виде по­ следовательного соединения эквивалентного управляющего и управляемого элементов.

2. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАБОТЫ СТРУЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ

В связи с созданием различных типов струйных элементов важным является введение единых критериев оценки качества их работы [12]. Выбор критериев качества основан на результатах изучения гидродинамических свойств струйных элементов, ана­ лизе взаимодействия элементов в схеме и режимов их работы, изучении причин возможных отказов и учете статических свойств, нагрузочных характеристик и их динамики. Критерии позволяют определить условия, при которых обеспечивается функционально устойчивая работа струйных устройств и систем. В качестве кри­ териев могут быть выбраны некоторые показатели надежности.

Статической характеристикой давления называется зависи­ мость давления на выходах струйного элемента от изменения давления в каналах управления в статическом режиме. В даль­ нейшем будут рассмотрены статические характеристики давле­ ния при условии допустимых расходов на выходе, т. е. при до­ пустимых нагрузках

230