Файл: Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики.pdf

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 Nu действующей на сильфон, к перемещению его днища /г, то эффективная пло­ щадь сильфона Ряс 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 F3C 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. ДЕ = Fach, где Іг — перемещение дна сильфо­ на; ДЕ — приращение объема.

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

на; Е — модуль упругости материала. Коэффициент А вычисляют по формуле

сильфона, ф = RJRв.

У бесшовного сильфона, изготовленного гидравлическим или механогидравлическнм 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

5 = 6

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 па различных расстояниях от оси. Так, для

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 па две группы — цилиндрические и плоские. Примеры двухбурточного Ti 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 II 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.

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 ширимы окна Ь, 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

обеспечить слежение с большей точностью, а зачастую и умень­ шить склонность системы к автоколебаниям.

Золотники с нулевым перекрытием изготовить чрезвычайно трудно, поэтому практически их не используют.

Основными размерами золотников являются диаметр бурти­ ка плунжера D, перекрытие к и зазор между гильзой и буртика­ ми плунжера е. Ввиду малой вязкости воздуха, утечки в пневма­ тических золотниках велики. Поэтому зазор е стремятся умень­ шить до минимума, доводя его, например, для золотников с D = = 10 ч -25 мм до величины меньше 0,010 мм. Перекрытие у не­

няют фрезерованием, а гильзу помещают в обойму 3 (рис. 26, а). Ввиду технологических трудностей при изготовлении гильзы ее часто выполняют в виде отдельных деталей, которые затем в со­ ответствующем порядке располагают в обойме (см. рис. 26, б), причем гильза в обойме может быть уплотнена как за счет за­ прессовки, так и с помощью резиновых колец.

В пневмоавтоматике находят применение плоские золотники (рис. 27) с пружинными и гидродинамическими подвесками, по­ зволяющими свести до минимума трение. Технология изготовле­ ния плоских золотников проще, чем технология изготовления цилиндрических золотников. Золотниковая пара состоит из плос­

к полости 4, ограниченной по торцам цилиндрическими штифта­ ми, а по бокам стенками. Золотник подвешен на шарнирных рычагах 2 и 6, вместо которых могут быть использованы плоские пружины. В нейтральном положении штифты 3 и 5 одинаково перекрывают торцовые отверстия каналов 9 и 10, соединяющих золотник с полостями поршневого привода. При возникновении силы, действующей на золотник 7, последний перемещается па-

61

раллельно корпусу 8, что приводит к открыванию каналов 9 и 10. Через образовавшиеся щели полости поршневого привода соеди­ няются соответственно с атмосферой и питающим давлением.

Расчет цилиндрического золотника сводится к выбору диа­ метра буртика плунжера и размера окон, другими словами, пло­ щади дросселирующей щели золотника, обеспечивающей задан­ ную максимальную установившуюся скорость поршня при задан­ ной максимальной нагрузке на поршень привода и заданном давлении питания золотника.

■Величину эффективного проходного сечения щели золотника находят пз формулы для максимальной установившейся скоро­ сти движения поршня

заданных давления питания ро и перепада давлений на поршне Ар при условии равенства эффективных площадей f\ = / 2 = /

дросселирующих щелей и истечении в среду с давлением, рав­ ным 0,1 МПа (рис. 26, а). Перепад давления на поршне

Ар =

где N — постоянная нагрузка на поршень (включая силу трения) в MH; F„ — площадь поршня в м2.

Разрешая выражение (23) относительно /, получим

/ = 1\ + Іо (рис. 28), причем гильза 2 может иметь и одно прямо­ угольное окно, тогда / = /ь Из уравнения для площади проход­ ного сечения дросселирующего окна определяют наибольший ход уп плунжера 1 золотника, обеспечивающий реализацию мак­ симальной заданной скорости ѵ поршня:

где р — коэффициент расхода, который принимают равным 0,8 при значительных открытиях. Исходя из неравенства b > ун, вы­ бирают ширину окна в гильзе 2.

Приведенный расчет максимального хода плунжера относит­ ся к золотниковой паре с нулевым перекрытием. Остальные гео-

* Подробный вывод формулы (23) и пояснения по графику на рис. 181 см. гл. VIII.

62