книги / Основы пневмоавтоматики

3—5 мм. Рабочие диаметры таких мембран лежат в пределах ЗОО-^-бОО мм.

Мембраны из полотна для пневматических вычислительных устройств, работающих в нормальном диапазоне рабочих давле­ ний, изготавливают как плоскими, так и гофрированными с од­ ним полукруглым гофром (рис. 21, а, б). Жесткий центр мембра­ ны образуется двумя металлическими, чаще всего дюралевыми, дисками. По наружному контуру мембрану зажимают в корпусе, и она удерживается силами трения. Для крепежных болтов и воз-

Рис. 21. Различные типы резиновых и резино-тканевых мембран, применяемых в устройствах пневмоавтоматики:

а — плоская мембрана из мембранного полотна (МП); б — мембрана из МП с гофром; в — резиновая мембрана низкого давления с залитым жестким центром; г — мембрана низкого давления; д — сдвоенная резино­

душных каналов по окружности мембраны предусматривают от­

обычно не имеют гофра. Жесткий центр таких мембран изготов­ ляют из тонкого (0,4—0,5 мм) дюралевого листа и в нем проби­ вают отверстия для облегчения и для прочного соединения с ма­ териалом мембраны (рис. 21, в). Если жесткий центр не обвола­

снабжают буртиком (рис. 21, г). Ширина буртика должна быть

рассчитана так, чтобы материал мембраны не получил повреж­ дения из-за слишком высокого удельного давления в месте кон­ такта. По ранту мембраны низкого давления приклеивают рези­

новое кольцо, служащее для ее центрования в корпусе, натяже­ ния и герметизации рабочих камер.

При изменении знака перепада давлений на гофрированной мембране положение гофра резко меняется и мембрана «про­ хлопывает». Это явление крайне нежелательно, так как при этом изменяется эффективная площадь мембраны и объем мембран­ ной камеры, что нарушает заданный баланс сил и изменяет по­ стоянную времени вычислительных приборов. Поэтому при про­ ектировании пневматических регулирующих и вычислительных приборов необходимо обеспечить такие условия работы мембра­ ны, чтобы знак перепада давлений на ней не менялся. Если уст­ ранить «прохлопывание» путем выбора схемы не удается, при­ меняют сдвоенные гофрированные мембраны (рис. 21, д). По­ лость, ограниченная мембранами, в данном случае сообщается с атмосферой. В таких условиях перепад давлений не изменяет своего знака. Фирма Санвик предложила применять сдвоенные плоские мембраны, во внутреннюю полость которых заводят дав­ ление питания (рис. 21, е). Так как рабочее давление в любой из мембранных камер прибора ниже давления питания, «прохлопывания» не наступает.

Эффективной площадью мембраны называют условную пло­ щадь, равную частному от деления внешнего рабочего усилия, развиваемого мембраной под действием перепада давления, на этот перепад, т. е. Рэ = N/Ap. Эффективная площадь мембраны существенно зависит от перемещения х ее центра от нулевого

уровня, за который принимается плоскость заделки. При увели­ чении х эффективная площадь мембраны так же, как и разви­ ваемое ею усилие N, падает. Если нет упора и мембрана про­ гибается свободно, то развиваемое ею усилие N и эффективная площадь Рэ равны нулю. В данном случае развиваемое мембра­

ной усилие полностью компенсируется внутренними силами, воз­ никающими в материале мембраны.

Формула для определения эффективной площади эластичной

муле не отражена зависимость эффективной площади от физи­ ческих свойств материала мембраны и необходимо заранее знать максимальный прогиб xmdiX. Максимальны^ прогиб xmax можно определить, если считать, что образующая^ 1 мембраны в неко-

52

тивное. Величину jcmax можно определить для вялой мембраны 1 из мембранного полотна, зная прогиб ее центра, образующийся при приложении к жесткому центру некоторой силы. При этом следует допустить, что значение прогиба мембраны Хо опреде­

ляется при отсутствии нагрузки, действующей на жесткий центр.

щадь Рэ и , следовательно, развиваемое мембраной внешнее уси­ лие N с учетом прогиба х ,

что особенно важно при расчете мембранных ис­ полнительных механиз­ мов, где прогиб мембраны имеет сравнительно боль­ шую величину.

В мембранных испол­ нительных механизмах мембраны обычно работа­

ют совместно с цилиндрическими пружинами, воспринимающими основную долю усилия N. Если в мембранных исполнительных

механизмах мембрана должна обеспечивать максимальный ход при сохранении достаточного усилия, то в пневматических вычи­ слительных устройствах мембраны должны работать в таких ус­ ловиях, при которых их перемещения были бы минимальными. Для этого, например, создают постоянные перепады на дроссе­ лях (см. гл. III) и т. д. Это связано с тем, что изменение эффек­ тивной площади мембраны приводит к появлению погрешности в реализации той или иной математической операции пневмати­ ческим прибором. Прогибы мембран, применяемых в пневмати­ ческих приборах, колеблются в пределах нескольких сотых до­ лей миллиметра, поэтому для расчета эффективных площадей таких мембран обычно используют формулу Ликтана для х = 0,

т. е.

Мембраны с гофром имеют более стабильную эффективную площадь, нежели плоские мембраны, что особенно важно для

1 Вялой мембраной называют такую мембрану, которая в некотором диа­ пазоне перемещений не создает сопротивления прикладываемой к ней силе и остается в том положении, в которое ее передвинули.

53

мембран, применяемых в пневматических вычислительных уст­ ройствах. Наличие жесткого центра, как это видно из приведен­ ной формулы, увеличивает эффективную площадь мембраны. Однако чрезмерное увеличение жесткого центра приводит к уве­ личению жесткости мембраны. Как правило, диаметр жесткого центра составляет 0,4—0,85 от диаметра заделки.

Неметаллические мембраны, имеющие ряд преимуществ, имеют также и существенные недостатки. Основным недостат­ ком является нестабильность рабочих характеристик. Резина подвержена интенсивному старению. Например, у некоторых сортов резины модуль упругости значитель­ но возрастает в течение нескольких месяцев.

При этом чувствительность пневматических приборов резко уменьшается. Со временем из-за изменения свойств материала мембра­ ны может измениться начальная установка мембраны относительно управляемого ею сопла. Это ведет к появлению дополнитель­ ных погрешностей у прибора. Чтобы избе­ жать этого, обычно вводят регулировку сопла

В пневматических устройствах, где тре­ буются большие перемещения и постоянство эффективной площади мембран, применяют

манжетную мембрану, представляющую собой цилиндрическую оболочку, изготовленную из кордной ткани, нити которой распо­ ложены под некоторым углом к образующей цилиндра (рис. 23). Нижняя часть цилиндрической оболочки прикрепляется к непод­ вижному цилиндру, а верхняя часть — к жесткому центру, выпол­ ненному в виде легкого полого подвижного цилиндра с дном. Давление воздуха прижимает оболочку к цилиндру и жесткому центру. При движении жесткого центра мембрана благодаря на­ личию гофра перекатывается с цилиндра на жесткий центр, либо наоборот. Основной недостаток манжетной мембраны состоит в том, что давление р\ всегда должно быть больше давления р2.

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную в радиальном направлении цилиндрическую трубку (рис. 24, а).

Под действием давления или силы, приложенной вдоль оси, из­ меняется длина сильфона. Функции, выполняемые сильфоном, весьма разнообразны: сильфоны применяют для упругого соеди­ нения трубопроводов, расположенных под углом и со смещени­ ем по оси, их используют в качестве пневматического объема переменной емкости (например, в системе УСЭППА) или уплот­ нителей в регулируемых дросселях, а также для разграничения двух сред в манометрических датчиках и т. д. Но в основном в пневмоавтоматике сильфоны используют для построения вы­ сокоточных вычислительных устройств, так как сильфоны хоро­ шо сохраняют свои характеристики и, в особенности, при тех

54

незначительных перемещениях, какие имеют место в этих уст­ ройствах. В приборостроении применяют сильфоны с диамет­ рами от 7 до 150 мм и толщиной стенки 0,08—0,3 мм.

Сильфоны изготавливают из цельнотянутой тонкостенной трубки гидравлическим или механогидравлическим способами. При первом способе трубку закрепляют в зажимах специально­ го станка. На определенном расстоянии друг от друга вдоль трубки устанавливают разъемные кольца. В трубку под давле­

лический способ имеет то преимущество, что вытяжка материала происходит как внутрь, так и наружу, поэтому утоныиение мате­ риала на гребнях гофр получается меньшим, чем при гидравли­ ческом способе, при котором вся вытяжка происходит наружу. Так как в процессе изготовления сильфона материал претерпе­ вает значительные пластические деформации, для изготовления сильфонов из цельнотянутых трубок применяют такие материа­ лы, как фосфористая бронза Бр.ОФ6,5-0,4, полутомпак Л80. Упругие свойства этих материалов весьма низки, и сильфоны, изготовленные из этих материалов, обладают значительным ги­ стерезисом.

При работе в агрессивных средах и в зоне высоких темпера­ тур (до 400° С) применяют сильфоны из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Гистерезис таких сильфонов достигает 2—4%. Хоро­ шие упругие свойства имеют сильфоны, изготовленные из бериллиевых бронз Бр.Б2, Бр.Б2,5, Бр.БНТ1,9 и сплава Н36ХТЮ, ко­ торые допускают глубокую вытяжку. После вытяжки сильфоны проходят термообработку.

Изготовление сильфонов из цельнотянутых трубок — весьма трудоемкий процесс. Поэтому сильфоны изготавливают также путем сварки из отдельных кольцевых пластин. На рис. 24, б, в

показаны различные типы сварных сильфонов. Сварной сильфон представляет собой блок, состоящий из отдельных мембранных

55

коробок. Благодаря наличию глубоких гофров чувствительность сварных сильфонов выше, чем чувствительность сильфонов, из­

сварных сильфонов при формовке испытывает меньшую вытяж­ ку, чем при изготовлении из цельнотянутых трубок. Для устра­ нения «прохлопываний» отдельных мембран, из которых состоит сварной сильфон, на них наносятся гофры (рис. 24, в). Благо­

даря этому сильфоны имеют меньшую нелинейность характери­ стики и больший допустимый ход. Главным недостатком сварных сильфонов является их низкая коррозионная стойкость из-за на­ личия сварных швов.

При необходимости повысить жесткость сильфона его уста­ навливают совместно с винтовой цилиндрической пружиной. Если сильфон изготовлен из материала с низкой упругостью, то, выбрав жесткость пружины в несколько раз больше жесткости сильфона, можно практически избавиться от какого-либо влия­ ния упругих свойств сильфона на статическую характеристику. Для экономии места пружину размещают внутри сильфона. Уве­ личение жесткости сильфона за счет увеличения толщины стен­ ки невыгодно, так как материал работает на изгиб и при том же прогибе возрастут напряжения.

При очень больших давлениях, когда прочность тонкостенно­ го сильфона оказывается недостаточной, применяют многослой­ ные сильфоны, что ведет к уменьшению напряжений и увеличе­ нию чувствительности по сравнению с однослойными сильфонами той же толщины. Однако вследствие трения слоев у многослой­ ных сильфонов увеличивается гистерезис.

При конструировании приборов стремятся установить силь­ фоны так, чтобы они работали на сжатие, так как в этом случае они выдерживают давление в 1,5—2 раза выше, чем при работе на растяжение.

Если сильфоны используют в пневматических вычислитель­ ных устройствах, работающих по принципу компенсации сил, то давление обычно подается во внутрь сильфона, так как переме­ щение сильфона при этом ничтожно и потеря устойчивости пря­ молинейной формы оси исключена.

Для расчета эффективной площади сильфона применяют ши­ роко известную эмпирическую формулу, дающую хорошее совпа­ дение с экспериментом:

п я(Яв + Ян)2

f , t = — ;— ,

где Rn и R B— соответственно наружный и внутренний радиусы

сильфона.

56

Перемещение сильфона под действием давления р равно пе­

ремещению сильфона под действием осевой сосредоточенной си­ лы A/i = Рэср.

Если при увеличении давления в сильфоне дно сильфона, пе­ ремещаясь, встречает на своем пути упор (рис. 25, а), то сила N y

с которой сильфон действует на упор:

где р — давление в сильфоне; С\ — жесткость сильфона; До — ход сильфона до упора; ро — давление, при котором дно сильфона

дошло до упора.

При отсутствии упора iV = 0 и вся сила, создаваемая давле­ нием, уходит на растяжение сильфона. В этом случае уравнение (20) вырождается в равенство F9Cp = c\h.

Рис. 25. К расчету сильфонов:

При совместной работе сильфона и винтовой цилиндрической пружины (рис. 25, б, в) усилие, действующее на сильфон со сто­

роны пружины, можно подсчитать по формуле

где с2— жесткость пружины.

Эта же сила может быть выражена через параметры сильфо­

Статическая характеристика сильфона, представляющая со­ бой зависимость перемещения Д от давления или осевой силы, линейна для довольно значительных перемещений.

Следует отметить разницу между эффективной площадью мембраны Рэ и эффективной площадью сильфона /\1С. При рас­

57

смотрении в предыдущем разделе эластичных мембран понятие жесткости не вводилось, при этом эффективная площадь мем­ браны оказывается зависящей от величины хода при любых воз­ можных смещениях жесткого центра. Если ввести понятие жест­ кости, под которой понимается отношение силы N u действующей

на сильфон, к перемещению его днища Л, то эффективная пло­ щадь сильфона Еэс будет постоянной при условии сохранения постоянства жесткости. Это имеет место на линейном участке статической характеристики. Таким образом, произведение эф­ фективной площади мембраны F3 на давление р дает внешнее

рабочее усилие, а соответствующее произведение эффективной площади сильфона FBC на давление — полную силу, часть кото­

рой в общем случае идет на создание внешнего рабочего усилия, а часть — на растяжение сильфона. Однако все сказанное не исключает возможности при описании жестких мембран вводить в рассмотрение жесткость.

Под площадью поршневого действия сильфона понимают ус­ ловную площадь, равную частному от деления приращения объе­ ма на перемещение днища. Для сильфона площадь поршневого действия может быть приближенно принята равной эффектив­ ной площади, т. е. AV = FBCh, где h — перемещение дна сильфо­ на; AV — приращение объема.

Жесткость сварных сильфонов [3], у которых толщина мате­ риала б во всех точках практически одинакова, рассчитывают по формуле

на; Е — модуль упругости материала. Коэффициент А вычисляют

по формуле

сильфона, ф = R J R Q.

У бесшовного сильфона, изготовленного гидравлическим или механогидравлическим способом путем вытяжки заготовки, тол­ щина стенки в различных точках различная. Во внутренних точ­ ках на радиусе RB (рис. 25, г) толщина стенки равна толщине 6о

трубки-заготовки. С увеличением радиуса толщина убывает. Тол­ щина стенки сильфона в зависимости от радиуса может быть рассчитана по эмпирической формуле

б = б 0-^-.

Для расчета бесшовных сильфонов используют формулу (22), куда вместо б3 подставляют его осредненное значение, равное

58

среднему арифметическому из кубов толщин сильфона в несколь­ ких точках, взятых на различных расстояниях от оси. Так, для

точек, отстоящих от оси на расстояниях R B, —^ —- и RH (соот-

ветственно точек 1, 2, 3 на рис. 25, г), эти толщины будут

Усредненное значение определяют из выражения

У сильфонов, выпускаемых нашей промышленностью, всегда есть паспорта с указанием жесткости, поэтому на практике необ­ ходимость в ее расчете отпадает.

3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЗОЛОТНИКОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ (ЗОЛОТНИКИ)

Пневматические золотники по своей конструкции и принципу действия практически не отличаются от гидравлических золот­ ников и применяются для управления пневматическими поршне­ выми исполнительными механизмами.

Конструктивное оформление золотниковых пар очень разно­ образно. Однако по конструкции все золотники можно разделить на две группы — цилиндрические и плоские. Примеры двухбурточного и трехбурточного цилиндрических золотников представ­ лены на рис. 26. Там же схематически показана схема подклю­ чения поршневого исполнительного механизма.

Золотник состоит из двух основных элементов: плунжера 1 с буртиками и гильзы 2 с прямоугольными фрезерованными ок­

нами. Так как в пневмоавтоматике нет необходимости в возврат­ ных линиях для сброса отработанного воздуха, то золотники чаще всего выполняют с плунжером, имеющим два буртика (по­ яска). Плунжер должен свободно перемещаться в гильзе, при этом пневматическое сопротивление для утечки воздуха в атмо­ сферу должно быть достаточно большим, т. е. радиальный зазор между гильзой и плунжером должен быть минимальным. Мате­ риалы, из которых изготавливают гильзу и плунжер, должны иметь наименьшее трение в паре при отсутствии смазки, близкие температурные коэффициенты расширения, чтобы избежать за­ клинивания плунжера в гильзе при изменении температуры, а также иметь максимальное сопротивление истиранию.

Принцип работы золотника состоит в том, что плунжер, пере­ мещаясь от датчика или вручную, изменяет соответствующим образом проходные сечения окон, и тем самым создает различ­ ные гидравлические сопротивления' для воздуха, поступающего

59

в пневмоцилиндр и вытекающего в атмосферу, отчего зависит скорость передвижения поршня. Отклоняясь в противоположную сторону от нейтрального положения, плунжер изменяет функ­ циональное назначение окон, превращая окно наполнения в окно опорожнения, и наоборот, тем самым изменяет направление дви­ жения поршня на обратное. Сжатый воздух питания подводится к окну, расположенному посредине золотника.

Различают золотники с положительным, отрицательным и ну­ левым перекрытием. У золотников с положительным перекрыти­ ем ширина окна меньше ширины пояска буртика плунжера, т. е. h ^ Ь. В нейтральном положении буртики плунжера перекрыва­

ют окна гильзы и тем самым запирают воздух, находящийся

в силовом цилиндре. Поэтому золотники с положительным пере­ крытием получили еще название отсечных золотников. Недоста­ ток золотников с положительным перекрытием состоит в нали­ чии характерной зоны нечувствительности, определяемой разно­ стью между шириной буртика и шириной окна. Физически это проявляется в том, что всякое перемещение плунжера от нейтра­ ли на расстояние, меньшее, чем половина указанной разности, не приводит к открытию окон и, следовательно, к движению штока поршня исполнительного механизма.

Буртики плунжера золотника с отрицательным перекрытием имеют ширину /г, меньшую ширины окна 6, что устраняет зону нечувствительности. Однако с этим связан и основной недостаток такого золотника, заключающийся в том, что даже при нейтраль­ ном положении плунжера имеется утечка рабочего воздуха в ат­ мосферу. В связи с этим золотники с отрицательным перекры­ тием называют еще проточными золотниками. Ширина окна в таких золотниках больше ширины буртика плунжера на не­ большую величину, равную обычно 0,01—0,02 мм. Однако золот­ ники с отрицательным перекрытием применяют значительно ча­ ще, чем золотники с положительным перекрытием, так как они дают возможность в приводах с отрицательной обратной связью

60