Файл: Лебедев И.В. Элементы струйной автоматики.pdf

Рис. 2. Струйные элементы с передачей энергии в направлении оси сопла:

а — элемент, основанный на соударении струЛ; о — элемент, основанный па взаимодействии струн со стенкой; в — турбулентный усилитель; г — кромочный усилитель

углубления в пластмассовых или металлических платах, либо сквозные прорези в плоских пластинах, закрытые крышками [4, 17, 40]. Турбулентные усилители (рис. 2, в) обычно являются пространственными элементами. Они состоят из цилиндрической камеры, имеющей цилиндрические соосные сопла питания, при­ емный канал и радиальные каналы управления.

Рассмотрим работу элементов. Силовая струя рабочей жид­ кости вытекает из сопла питания П в рабочую камеру К, пере­ секает ее и попадает в один из приемных каналов В, в котором устанавливается давление высокого уровня, соответствующее 1. В элементах второго и четвертого типа (рис. 2, б, г) струя попа­ дает в канал В в результате того, что она притягивается к стен­ ке вследствие возникающего поперечного перепада (эффект Коанда).

В элементах двух остальных типов приемный канал В распо­ ложен соосно с соплом питания, поэтому, если струя, вытекаю­ щая из сопла питания, не отклоняется от первоначального на­ правления, то она попадает в упомянутый канал. Поскольку дав­ ление в камере близко к давлению окружающей среды, то в дру­ гом приемном канале давление также мало отличается от дав­ ления окружающей среды.

Рассмотрим теперь, как осуществляется изменение величи­ ны выходных сигналов в каждом из рассматриваемых элемен­ тов. Если в элементах первого типа (рис. 2, а) в каналы У пода-

8

вать сигнал управления, то по мере увеличения мощности струи управления будет увеличиваться угол отклонения силовой струи от первоначального направления; при этом уменьшится поток (а следовательно, и давление), попадающий в нижний канал В,

иувеличится поток, идущий в верхний канал В. При достаточ­ ной мощности сигнала управления в верхнем канале В устано­ вится сигнал высокого уровня, а в нижнем канале В — низкого (см. рис. 2, а). При дальнейшем увеличении сигнала управления давление в верхнем канале В начинает уменьшаться, что в боль­ шинстве случаев нежелательно. Поэтому при проектировании систем на струйных элементах указанное снижение давления необходимо учитывать.

Элементы первого типа могут использоваться в качестве ана­ логовых и дискретных элементов, причем для получения релей­ ных характеристик в элементах этого типа вводится обратная связь, соединяющая верхний приемный канал В с одним из ка­ налов управления. При определенной глубине обратной связи можно получить элемент памяти. Отметим, что введение обрат­ ной связи исключает из работы один из выходов, что уменьшает логические возможности элемента этого типа при использовании его в качестве дискретного элемента.

Вэлементах второго типа (рис. 2, б) для изменения уровня выходного сигнала в каналы управления У подается сигнал. При достаточной его мощности струя отрывается от стенки С2 и притягивается к противоположной стенке С t. Элемент обладает релейной характеристикой переключения без введения обратной связи. В зависимости от соотношения геометрических размеров элемент может выполнять либо логические функции ИЛИ (на верхнем выходе В) и НЕ — ИЛИ (на нижнем выходе В ), либо может служить элементом памяти.

Вэлементе третьего типа (рис. 2, в) геометрические размеры

идавление питания выбираются с таким расчетом, чтобы струя, вытекающая из сопла питания, в отсутствие сигналов управле­ ния оставалась ламинарной. При подаче в каналы У сигнала управления ламинарное течение переходит в турбулентное. При этом динамический напор части струи, попадающей в приемный канал В , существенно уменьшается, т. е. уровень выходных сиг­ налов изменяется. При снятии управляющего сигнала происхо­ дит обратное преобразование режима течения, и на выходе восстанавливается сигнал высокого уровня.

Работа элементов четвертого типа — кромочных усилите­ лей — так же, как и элементов второго типа, основана на эффек­ те притяжения струи к стенке. В отличие от элементов второго типа, в кромочных усилителях стенка имеет форму кромки, бла­ годаря чему удается получить аналоговый элемент с большим коэффициентом усиления. В этом элементе по мере увеличениясигнала управления, подаваемого в канал У, кривизна струи уменьшается и, следовательно, поток, попадающий в нижний

9

Вихревые элементы.

В элементах этой группы используется эффект повышения гид­ равлического сопротивления, возникающий при закрутке потока. Поэтому вихревые элементы являются резистивными элемента­ ми. Применяемые в практике вихревые элементы имеют различ­ ные конструктивные особенности, но общим для всех является наличие в рабочей камере закрученного потока.

Предложенный первоначально п широко используемый в на­ стоящее время вихревой элемент имеет плоскую цилиндрическую рабочую камеру, в которой питание осуществляется радиальной подачей потока, а управление — тангенциальной (рнс. 3, а).

При отсутствии потока управления (Qy = 0) струя питания поступает в рабочую камеру К, расширяется в ней и затем вы­ ходит через центральное отверстие в одной из торцевых крышек камеры.

Гидравлическое сопротивление участка от сечения іѵ— п до сечения в — в оказывается относительно небольшим. Если при подаче управляющего потока поток питания закручивается, то это явление сопровождается характерным распределением ста­ тического давления поперек камеры. Гидравлическое сопротив­ ление движению потока через камеру существенно возрастает, что приводит к изменению давления питания рп н расхода пита­ ния Q„. Таким образом, изменяя величину Qy расхода управления (например, изменением давления управления ру), можно управ­ лять величинами расхода Q„ (а при наличии нагрузки — и дав­ ления) выходного потока. Рассмотренная схема соответствует вихревому усилителю (триоду).

Эффект значительного возрастания гидравлического сопро­ тивления при возникновении закрутки потока положен в основу работы вихревых диодов. При работе диода в прямом направле­ нии поток через центральное отверстие в одной из торцевых

.10

крышек поступает в камеру,- расширяется в ней, а затем через тангенциальное сопло выходит из камеры (рис. 3, б).

При работе диода в обратном направлении поток через тан­ генциальное сопло поступает в камеру, где возникает закручен­ ное (вихревое) течение, и выходит из камеры через центральное отверстие.

Гидравлическое сопротивление при течении в обратном на­ правлении оказывается значительно большим, чем при течении в прямом направлении. Поэтому при одинаковом перепаде, дав­ ления расход, проходящий через диод в прямом направлении, оказывается большим, чем в обратном.

Как уже указывалось, при работе вихревого элемента в каме­ ре вследствие закрутки потока возникает специфическое распре­ деление статического давления. Это давление, замеренное на торцевой крышке, убывает по радиусу от цилиндрической по­ верхности камеры к выходу іг в центральной области напротив выходного отверстия достигает минимума. При некоторых усло­ виях в этой области может иметь место вакуум. Поэтому, если в указанной крышке сделать малое отверстие, то через него в ка^ меру элемента будет засасываться жидкость из окружающего пространства. В этом случае вихревой элемент будет работать как эжектор. .

Ударные элементы. В элементах этой группы (рис. 4) две струп, вытекающие из соосных сопел навстречу одна другой, при встречном соударении образуют веерную (радиальную) резуль­ тирующую струю. Подача управляющего сигнала вызывает сме­ щение веерной струи вдоль общей оси сопел, в результате чего

отсутствии управляющего сигнала веерная струя располагается внутри камеры 2, связанной с выходным каналом. Управляющим воздействием является подача поперечной струп из сопла 3. При увеличении мощности этой струи веерная струя " смещается в сторону сопла 1, и величина давления в камере 2 уменьшается.

Рис. 4. Ударный модулятор:

а — модулятор поперечного удара; о — модулятор прямого удара

п

вне камеры 2. Управляющее воздействие осуществляется пода­ чей из сопла 4 кольцевой струи, концентричной со струей, выте­ кающей из сопла 1. Увеличение мощности этой струи вызывает смещение веерной струи в сторону камеры 2, в результате чего давление в камере 2 увеличивается по мере увеличения мощно­ сти потока управления.

Элементы этого типа могут использоваться как аналоговые усилители с высоким коэффициентом усиления и как дискрет­ ные логические элементы.

Общие черты рабочего процесса различных элементов.

В струйных элементах любого типа можно выделить две функ­ циональные части: силовую часть, служащую для преобразова­ ния и передачи энергии, и управляющую часть, предназначенную для изменения направления и условий распространения силовой струн.

Элементы различных типов отличаются одни от других в ос­ новном способом воздействия на силовую струю, т. е. управля­ ющей частью. Силовая же часть в элементах различных типов выполняет одни и те же функции и отличается только конструк­ тивным исполнением, связанным с особенностями управляющей части.

Рассмотрим более подробно структуру силовой части (управ­ ляющую часть, включающую сопла управления и стенки, рас­ смотрим при анализе конкретных элементов). Силовая часть состоит из сопла питания, приемных и часто вентиляционных (атмосферных) каналов.

Сопло питания П (рис. 2) служит для преобразования потен­ циальной энергии давления в кинетическую энергию струп, по­ ступающей в рабочую камеру. В рабочей камере.почти вся по­ тенциальная энергия давления преобразована в кинетическую.

Приемные каналы'В служат для обратного преобразования кинетической энергии струи (или ее части), попадающей в соот­ ветствующий канал, в потенциальную энергию. Приемные кана­ лы располагаются на противоположной по отношению к соплу питания стороне рабочей камеры (исключение составляют удар­ ные и вихревые элементы). Большинство типов логических эле­ ментов имеет один или два приемных канала.

Атмосферные каналы служат для уравнивания давления в ра­ бочей камере с давлением окружающей среды и для отвода из рабочей камеры в атмосферу той части расхода струи, которая не используется нагрузкой, подключенной к данному выходу. Кроме того, из окружающего пространства через атмосферные каналы внутрь элемента засасывается рабочая среда, необходи­ мая для восполнения расхода, эжектируемого струей.

Работа силовой части элемента характеризуется выходной характеристикой элемента, представляющей собой зависимость

12