книги / Основы пневмоавтоматики

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

низкого давления

должна настраиваться и поддерживаться постоянной. Для этой 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 6 мембрана 1 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 /?0* 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.

_____________ т _____________ I

»—]

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 4Уукрепленный 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. Потери 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

где X — коэффициент трения; I и d — длина и диаметр. Коэффи­ циент трения X 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 1,* 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 трения X и местных потерь £.

рости потока к скорости звука в том же месте.

25

По назначению дроссели делят на постоянные, регулируе­ мые и 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 и 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 и турбулентные. Турбулентные дроссели характери­

длину, а скорость течения велика, то протекающий по дросселю газ не успевает обменяться теплом со стенками канала, и термо­ динамический процесс в дросселях такого типа можно считать адиабатическим. Течение газа в турбулентных дросселях может происходить как с дозвуковыми, так и со звуковыми скоростями (соответственно различают докритический 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 р {

и /72 до и после него. Отношение давлений, при котором проис­ ходит переход от дозвуковой скорости к звуковой, называется критическим и обозначается (рг/pi)кр. Перепад давления, а следовательно, и основные потери в турбулентных дросселях обусловлены сжатием потока на входе в дроссель и расширени­

жим течения в ламинарных дросселях может быть только докритическим.

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-

Рис. И. Различные виды дросселирующих элементов:

а — капилляр; б — жиклер; в — щелевой цилиндрический дроссель; г — ко­ нус — конус; д — конус — цилиндр; е — дроссель с переменной длиной ка­ нала; о/с — 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, v — 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, и пере­ пад давлений 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.

<3 = а (р !— р2),

где а — проводимость дросселя.

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

-О= Р V pi— Pz,

где (3 — 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 р. 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 б д 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 = хф, где х — коэффициент сжатия струи 2; ф — 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

площади наиболее узкой части струи к площади отверстия.

28

к регулируемым — дроссели конус — конус, конус — цилиндр и дроссель с переменной длиной канала (рис. 11, г, <?, е), а к

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

отношения жиклер находится между отверстием в тонкой стенке (l/d = 0) и насадком (l/d = 2- ^3) .

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

Предположим, что газ вытекает из резервуара большой емкости через отверстие с тонкими стенками. Размеры резервуа-

29

ра настолько велики, что скоростью газа перед отверстием можно пренебречь, т. е. IM= 0. В этом случае уравнение Бернул­ ли для газа имеет вид

Р2 Р1

Р2 Pi " С 2 ’

Су — теплоемкости соответственно при постоянном давлении и

объеме, pi и р2 — плотности воздуха на входе в пневматическое сопротивление и на выходе из него соответственно; £ — коэффи­ циент местного сопротивления; v2— скорость после дросселя.

Найдем выражения для скорости и расхода. Для этого решим последнее уравнение относительно v2:

Если постепенно уменьшать давление р2 после дросселя, ос­ тавляя постоянным давление р\ до него, то массовый расход G

воздуха вначале будет возрастать, а затем после достижения:

30