Преимуществом мембранного привода является отсутствие подвижных уплотнений, так как рабочим элементом служит мембрана с жестким центром. Это обусловливает высокое каче ство уплотнения и совсем незначительное влияние сил трения. Недостаток мембраны — в слишком коротком ходе и ограничен ной передаче усилия с мембраны на шток. Последнее связано с тем, что усилие, развиваемое сжатым воздухом, идет на прео доление сил упругости мембраны. Поэтому в предельном поло жении шток не передает усилие.
Помимо обычных приводов, содержащих мембраны с жест кими центрами, в качестве исполнительных механизмов применя ют длинноходовые мембранные пневматические приводы с чу лочной мембраной и др. [16—18].
1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПОРШНЕВОЙ ПРИВОД ОДНОСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
Работа и статические характеристики поршневого привода одностороннего действия. На рис. 168, а представлена конструк тивная схема наиболее распространенного пневматического поршневого привода одностороннего действия. Приводом можно управлять с помощью золотника, крана, клапана пли других
Рмс. 168. Пневматический поршневой привод одностороннего дей ствия:
а — управляемый с помощью золотника; б — управляемый с помощью уси лителя сопло — заслонка
управляющих устройств. Привод может быть также присоединен в качестве исполнительного механизма к выходу регулятора АУС пли регулятора, построенного на элементах УСЭППА.
Рассмотрим работу поршневого привода одностороннего дей ствия. При срабатывании управляющего устройства питающее давление р0 поступает в рабочую подпоршневую полость Ѵ0.
Поршень под действием втекающего в открывшееся отверстие сжатого воздуха начинает перемещаться вправо, сжимая пружи ну. Приложенная к штоку поршня сила Nu может как помогать
Рис. 169. Статическая харак теристика поршневого привода одностороннего действия, уп равляемого золотником
движению, так п противодействовать ему. Все зависит от на правления действия приложенной силы. В обратном направлении поршень привода перемещается под действием силы сжатой пружины. Движение в обратном направлении начинается после того, как рабочая полость соединится с атмосферой, что осуще ствляется управляющим устройством (золотником, краном и т. д.). Двигаясь влево, поршень вытесняет воздух через отвер стие управляющего устройства в атмосферу. Здесь так же, как и в случае движения вправо, сила 'Ѵ„ может содействовать или
противодействовать перемещению поршня. Нерабочая камера, в кото рой расположена цилиндрическая пружина, сообщается с атмосферой через большое отверстие и поэтому при всех последующих расчетах принимаем, что давление в камере равно атмосферному.
Важными характеристиками пневматического поршневого приво да являются статические характери стики — зависимость перемещения штока поршня у от давления в ра бочей камере р\ в статике.
Статическая характеристика поршневого привода односто роннего действия, управляемого золотником, представлена на рис. 169. Аналитически в общем случае эту характеристику мож но получить из условия равенства сил на штоке:
{Р\ —Рг)Р = су» + с у ± УѴ„ + NTpsign у + NB, |
(132) |
где р[ — давление в рабочей камере; ря— давление окружающей среды (в частном случае атмосферное давление); F — площадь поршня; ун — начальное сжатие пружины; с — жесткость пружи ны; NH— сила, приложенная к штоку поршня; у — перемещение
поршня; Дтр — сила трения; у — скорость перемещения поршня;
.'Ѵв — сила тяжести движущихся частей привода. Найдем из уравнения (132) перемещение штока
_ F . , У » с ± JV„+ іѴтр s i g n і / і /Ѵв f ,Ѵ0
где
Л'о = У„с ± Nи+ УѴтр sign у + NB.
Функция sign у введена для того, чтобы учесть изменение направления силы трения УѴтр при изменении направления дви жения штока поршня. Знак плюс перед NTV будет при совпаде нии направления действия силы с направлением действия силы пружины, а знак плюс перед Na ставят при вертикальном распо-
ложении оси поршня штоком вверх и т. д. Нетрудно понять, что при горизонтальном расположении осп штока NB= 0. Статичес
|
|
|
|
|
кая характеристика |
(рис. 169) имеет гистерезис. |
Часто |
бывает |
необходимо |
получить перемещение |
штока |
поршня |
пневматического |
при |
вода одностороннего действия |
в зависимости от перемещения |
рабочего органа управляюще |
го устройства в статике. В этом |
случае |
в качестве |
управляю |
щего |
устройства может |
быть |
|
|
|
|
|
|
использован |
усилитель |
соп |
Рпс. 170. Статическая характерис |
ло — заслонка |
(рис. 168, б). |
тика поршневого привода односторон |
Статистическая |
характеристи |
него действия, |
управляемого усилите |
лем сопло — заслонка |
ка показана на рис. 170. |
|
|
|
Пример 13. Определить наименьшее избыточное давление в рабочей ка |
мере привода |
одностороннего |
действия, |
необходимое |
для перевода поршня |
в крайнее правое положение, а также избыточное давление, при котором пор
шень привода начнет двигаться из крайнего правого положения влево |
(схема |
на рпс. 168, а). |
|
Диаметр поршня D = 0,12 м; рабочий ход S = 0,15 м; начальное сжатие |
пружины //„ = 0,04 м: жесткость с = 8 кН/м; сила, приложенная к |
штоку, |
,Ѵ Н = 1 кН; силу трения принимаем постоянной N rp = 0,2 кН *. |
|
1. Так как поршень перемещается вправо, sign у = +1. Силу тяжести подвижных частей привода не учитывают, так как ось расположена горизонтально.
Подставив в уравнение (132) у = S, найдем искомое наи меньшее избыточное давление, необходимое для перевода порш ня в крайнее правое положение:
|
__ |
_ су„ + c S + АС + .Ѵ тр _ |
4(8000-0,04 + 8000-0,15+ 1000 + 200) |
_ |
Рх |
Pa |
F |
3,14 -0,122 |
~~ |
=2,42105Па = 0,242 МПа.
2.Для определения давления, при котором поршень из край него правого положения начнет перемещаться влево, можно вос
* Для манжетных уплотнений из резины п кожи сила трения пропорцио нальна перепаду давлений на поршне
.Ѵ'тр = лDl (/?I /?а)рт,
где D — диаметр цилиндра; I — ширина манжеты вдоль образующей рабочего
цилиндра; рт — коэффициент трения. |
|
|
Уплотнение резиновыми кольцами обеспечивает |
меньшую |
зависимость |
силы трения от давления. Сила трения штока в сальнике |
|
/Ѵ тр ^ |
|
|
где d — диаметр штока; / , — длина участка с мягкой |
набивкой; |
а — напряже |
ние трения. |
|
|
Более подробные сведения о расчете сил трения см. [27].
пользоваться последней формулой, изменив в ней знак перед -'Ѵтр на обратный, так как в этом случае sign у = —1, т. е. ско рость у отрицательная:
су а + c S + Л'н — N-тр _ 4(8000-0,04 + 8000-0,15+ 1000— 200) _
Р і — Ра = |
3,14.0,122 |
F |
= 2,23105Па = 0,223 |
МПа. |
Из анализа уравнения статической |
характеристики поршне |
вого привода следует, что перемещение штока неоднозначно за висит от входного параметра. Причиной является сила трения,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которая меняет знак |
при изменении |
направления |
движения. |
|
|
Кроме того, |
при движении |
|
|
поршня величина |
силы тре |
|
|
ния |
изменяется, |
что |
обу |
|
|
словлено изменением давле |
|
|
ния р\ в рабочей камере, не |
|
|
ровностями поверхности ци- |
|
|
линдр-а и т. д. |
Как следст |
|
|
вие |
этого, |
появляется |
нели |
|
|
нейность |
и |
нестабильность |
|
|
статической характеристики. |
Рис. 171. Поршневой привод односторон |
Для получения линейной |
него действия с отрицательной обратной |
и стабильной |
характеристи |
связью |
|
ки поршневой привод замы |
ной связью (рис. 171). |
|
кают отрицательной обрат |
Обратная связь устраняет |
влияние на |
грузки п силы трения на статическую характеристику, |
так как |
под поршень в этом случае через золотник подается такое дав ление, какое необходимо для преодоления возникшей нагрузки.
Работа поршневого привода одностороннего действия с отри цательной обратной связью протекает следующим образом. При увеличении управляющего давления ру сильфон 2 перемещает
плунжер 1 золотника влево. Открывается отверстие, через кото рое давление питания ро поступает в рабочую полость. Поршень, перемещаясь вправо, растягивает пружину 3 отрицательной об ратной связи. Сила, действующая со стороны пружины, возвра щает сильфон в прежнее положение. Плунжер золотника пере крывает отверстие, через которое в рабочую полость поступает давление питания, и поршень останавливается. Каждому значе нию управляющего давления соответствует строго определенное положение поршня. Уравнение статической характеристики та кого следящего привода может быть найдено из условия равен ства сил сильфона и пружины отрицательной обратной связи:
F c
У = — Р у — У , „
с
где ру — давление управления (избыточное); Fс — эффективная
площадь сильфона 7; с — жесткость пружины 3 отрицательной обратной связи; уи— начальный натяг пружины отрицательной обратной связи.
Динамика поршневого привода одностороннего действия. Проанализируем циклограмму поршневого пневматического при вода одностороннего действия (рис. 168, а).
Период времени от момента начала переключения распреде лителя (золотника) до момента начала движения поршня назы вается подготовительным периодом [16]. Время подготовитель ного периода /і склады вается из времени 1 1
открытия распредели теля, времени П рас пространения волны давления от распреде лителя до рабочей по лости и времени /3 на растания давления в рабочей полости до значения, при котором
поршень начинает дви |
Рис. |
172. Циклограмма работы поршневого |
гаться (см. циклограм |
П Х — |
привода одностороннего действия: |
му на рис. 172). |
прямой ход; В — выстой; О.Ѵ — обратным |
|
ход |
Разделение времени |
|
|
подготовительного периода на три указанных интервала не яв ляется строгим: это время нельзя представить в виде простой суммы указанных интервалов, так как уже в процессе переклю чения распределительного устройства волна давления может пройти путь от распределительного устройства до цилиндра и в то же время может начаться заполнение рабочей камеры и т. д. Иными словами, эти отрезки времени могут перекрывать друг друга. В дальнейшем будем считать, что время переключения распределительного устройства и время распространения волны давления от распределительного устройства до цилиндра имеют весьма малые значения по сравнению со временем от начала на полнения полости до момента начала движения поршня. Если время открытия распределителя велико, то его надо учесть.
Время распространения волны давления от распределителя до цилиндра можно вычислить, поделив длину трубки, связыва ющей распределитель с цилиндром, на скорость звука. После того как давление в рабочей полости достигнет значения, при котором усилие, создаваемое им па поршне, преодолеет силы сопротивления, поршень придет в движение. При перемещении поршня объем рабочей камеры будет увеличиваться, поэтому темп роста давления щ уменьшится. После того как поршень достигнет крайнего правого положения, давление в рабочей камере будет продолжать расти, пока не достигнет значения пи тающего давления ро. Вообще же давление до момента начала
