Пневматические конденсаторы

Пневматическим зарядом называется количество газа, заключенного в камере. За­рядка камеры осуществляется при ее соединении с источником внешнего давления. При этом происходит изменение массы газа, заключен­ного в камере, т. е. изменяется ее энергия. Спо­собность камеры аккумулировать энергию вы­ражается коэффициентом С, имеющим размерность м³ кг/Дж и называемым пневматической емкостью.

Пневматическая емкость

Выражение для С получается в результате интегрирова­ния уравнения состояния газа в предположе­нии изотермического процесса и равно

C = V/RT.

Нерегулируемая камера выполняется обыч­но цилиндрической формы. Толщина стенок камеры должна быть такой, чтобы обеспечивать пренебрежимо малые изменения объема при из­менении давления. Регулируемые камеры выполняются с при­менением уплотненного поршня, сильфона или упругой мембраны. Такие камеры могут изменять объем с посредством механической или пневматической регулировки.

Конструктивная схема механически регулируемой мембранной камеры приведена на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Механически регулируемая мембранная ка­мера

1 – корпус, 2 – мембрана, 3 – винт, 4 - шайба

Объем, ограниченный внутренней поверх­ностью корпусаи мембраной, изменяется при помощи винта, вращающегося в шайбеи воздействующего на мембрану.

Пневматическая регулировка объема камеры осуществляется в пневматических конденсаторах. Пневматические конденсаторы — это эле­менты, в которых накапливание заряда, т.е. изме­нение массы газа, осуществляется за счет изменения объема. Пневматический конденсатор содержит две камеры, разделен­ные подвижной упругой перегородкой. Подвижную перегородку также выполняют в виде силь­фона, поршня или с помощью специального резинового чулка.

Схема поршневого конденсатора приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема поршневого конденсатора

1- корпус, 2 – поршень, 3 - пружина

Под действием разности давлений перемещение х упругой перегородки равно

,

где F - эффективная площадь упругой перего­родки; k - ее жесткость.

Масса воздуха, находящегося в камере, определяется как

,

где V₀ — начальный объем; — плотность.

В предположении, что давление р₁ изме­няется незначительно, выражение для расхода воздуха имеет вид

,

где С = — пневматическая емкость.

В автоматике находят применение воздушные гидро­аккумуляторы (рис. 2.10), представляющие собой герметизированные камеры, частично заполненные воздухом.

Воздушный гидро­аккумулятор

Жидкость, заполняя камеру, сжимает воздух над своей поверхностью, который при этом оказывает упругое противодействие наподобие пружины.

Рис. 2.10. Воздушный гидро­аккумулятор

Для такого аккумулятора емкость определяется как

,

где s – площадь поперечного сечения аккумулятора, h - толщина слоя воздуха над уровнем жидкости, m - масса воздуха, g - ускорение силы тяжести; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура.

Воздушныйаккумулятор может управляться путем изменения массы воздуха в камере от внешнего источника сжатого воздуха. Передаточный коэффициент воздушного аккумулятора равен

.

Из этого следует, что коэффициент передачи нелинейно зависит от массы воз­духа и, следовательно, меняется в процессе управления, что необходимо учитывать при разработке таких систем.

Конструктивно воздушный гидроаккумулятор прост и удобен. Он способен развивать высокие давления при сравнительно небольших габаритах, хорошо переносит вибрации и ускорения, но не допускает опрокидыва­ния, так как при этом воздух может быть вытеснен в гидросистему. Для его стабиль­ной работы требуется постоянство температуры и хороший теплообмен с окружа­ющей средой, поскольку емкость зависит от температуры.

Часто для отделения жидкости от воздуха пневмогидравлические аккумуляторы содержат плавающий поршень, что позволяет таким аккумуляторам занимать произвольное положение в пространстве. Чтобы избежать трения при движении поршня, вместо него используют также резиновые диа­фрагмы. Пневмогидравлические ак­кумуляторы могут обладать большой емкостью за счет повышенной степени сжатия воздуха.

Мембраны

Мембраны являются одним из основных элементов пневматических приборов и предназначены для преобразования пере­пада давлений в механические перемещения. Упругие металличе­ские мембраны в пневматических регулирующих и вычислитель­ных приборах, как правило, не применяют, так как они имеют значительную жесткость и уже при малых перемещениях центра в сильной степени изменяют свою эффективную площадь, что в пневматических вычислительных приборах приводит к нарушению заданного уравнения баланса сил и появлению погрешности. В мембранных исполнительных механизмах металлические мембраныне используют из-за их сравнительно небольших прогибов.

Мембраны

Эффективной площадью мембраны называют условную пло­щадь, равную частному от деления внешнего рабочего усилия, развиваемого мембраной под действием перепада давления, на этот перепад, т. е.

F_Э = N/∆p.

Эффективная площадь мембраны существенно зависит от перемещения х ее центра от нулевого уровня, за который принимается плоскость заделки. При увели­чении х эффективная площадь мембраны так же, как и развиваемое ею усилие N, падает. Если нет упора и мембрана про­гибается свободно, то развиваемое ею усилие и эффективная площадь равны нулю. В данном случае развиваемое мембра­ной усилие полностью компенсируется внутренними силами, воз­никающими в материале мембраны.

Неметаллические мембраны, имеющие ряд преимуществ, имеют также и существенные недостатки. Основным недостат­ком является нестабильность рабочих характеристик. Резина подвержена интенсивному старению. Например, у некоторыхсортов резины модуль упругости значительно возрастает в течение нескольких месяцев. При этом чувствительность пневматических приборов резко уменьшается. Со временем из-за изменения свойств материала мембраны может измениться начальная установка мембраны относительно управляемого ею сопла. Это ведет к появлению дополнительных погрешностей у прибора. Чтобы избежать этого, обычно вводят регулировку сопла.

В пневматических устройствах, где требуется большие перемещения и постоянство эффективной площади мембран, применяют манжетную или чулочную мембрану, представляющую собой цилиндрическую оболочку, изготовленную из кордной ткани, нити которой распо­ложены под некоторым углом к образующей цилиндра (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Манжетная мембрана

Нижняя часть цилиндрической оболочки прикрепляется к неподвижному цилиндру 1, а верхняя часть - к жесткому центру, выпол­ненному в виде легкого полого подвижного цилиндра 2 с дном. Давление воздуха прижимает оболочку к цилиндру и жесткому центру. При движении жесткого центра мембрана благодаря на­личию гофра перекатывается с цилиндра на жесткий центр, либо наоборот. Основной недостаток манжетной мембраны состоит и том, что давление p₁ всегда должно быть больше давления р₂ .

Пневмораспределители или клапаны используются для пуска и остановки потока рабочего газа, а также для изменения его направления и величины.

Клапанами обычно называют пневмораспределители для пуска и остановки потока рабочего газа. Их рабочие органы могут занимать только фиксированные упорами положения. В отличие от них пропорциональные пневмораспределители могут позиционировать рабочие органы в промежуточных положениях.

Пневмораспределители

Пневмораспределители имеют входные и выходные каналы или линии для соединения с другими элементами пневмосистемы. Простейший закрывающий клапан имеет один входной и один выходной канал. Другим важным параметром пневмораспределителей является число управляемых позиций, то есть положений рабочих органов, позволяющих коммутировать входные и выходные каналы. Чем больше число управляемых позиций, тем больше вариантов коммутации имеет пневмораспределитель. Простейший пневмораспределитель является двухпозиционным. Для перевода пневмораспределителя из одной позиции в другую необходим управляющий сигнал. Позиция пневмораспределителя при отсутствии управляющего сигнала называется нормальной или нейтральной.

Графически пневмораспределитель обозначается в виде набора квадратов в соответствии с числом управляемых позиций. Номера каналов проставляются только у квадрата, обозначающего нейтральнуюпозицию. Если пневмораспределитель имеет четыре канала и две позиции, то он называется 4/2-пневмораспределителем или четырехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Четырехлинейный двухпозиционный пневмораспределитель

Стрелками указывается направление коммутации потоков в каждой из позиций. В приведенном примере канал 1 соединяется с каналом 4, а канал 3 - с каналом 2 в нейтральнойпозиции. Во второй позиции канал 1 соединяется с каналом 3, а канал 4 - с каналом 2.

Заглушка канала обозначается символом ^. Внутренние соединения указываются в соответствии с рис. 3.2, на котором представлен 4/3- пневмораспределитель.

Fig. 3.2. Четырехлинейный трехпозиционный пневмораспределитель

В этом пневмораспределителе в нейтральнойпозиции канал 3 заглушен, а каналы 1,2 и 4 соединены между собой.

Обозначения основных видов пневмораспределителей даны в Приложении 3.

Управление пневмораспределителями может осуществляться механическим, электрическим, пневматическим или комбинированным способами. На рис. 3.3 представлен 2/2-пневмораспределитель с механическим кнопочным управлением.

Рис. 3.3 Пневмораспределитель с механическим управлением

В нейтральнойпозиции пневмораспределителя 1 пневматическая линия разъединена. При нажатии на кнопку 2 пневмораспределитель занимает вторую позицию и пневматическая линия соединяется. При отпускании кнопки пружина 3 возвращает пневмораспределитель в нейтральнуюпозицию.

Обозначения различных способов управления пневмораспределителями представлены в Приложении 4.

По конструктивному исполнению различают распределители с запор­ными элементами:

- седельного типа: шаровые, конусные, тарельчатые, дисковые;

- золотникового типа: с цилиндрическим золотником, с плоским золотником;

- поворотного типа.

В распределителях седельного типа каналы прохода сжатого воздуха открываются и закрываются посредством запорных элементов, которые взаимодействуют с седлами соответствующей формы. Уплотнение по площади контакта запорного элемента с седлом обычно достигается за счет применения эластичных материалов в месте контакта. В седельных распределите­лях почти нет деталей, подверженных износу, так как отсутствуют пары тре­ния, поэтому они имеют большой срок службы. Кроме того, они нечувствительны к загрязнениям и могут работать в неблагоприятных условиях. Однако для переключения таких распределителей необходи­мо значительное усилие, чтобы преодолеть действие возвратной пру­жины или возвратного давления.

Распределитель седельного типа

Золотниковые распределители имеют подвижной элемент в виде золотника, установленного в гильзе, который коммутирует каналы при осевом перемещении. Эти конструкции более универсальны с точки зрения функциональных возможностей, но и более сложны.

Золотниковые распределители

Поворотные распределители содержат внутренний элемент с проточками, которые при повороте совмещаются с каналами в корпусе и коммутируют их. К их преимуществам относится компактность, но они предназначены только для невысоких давлений.

Поворотный распределитель

Сильфоны

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную в радиальном направлении цилиндрическую трубку (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Цельнометаллический сильфон

Под действием давления или силы, приложенной вдоль оси, изменяется длина сильфона. Функции, выполняемые сильфонами, весьма разнообразны. Они применяются для упругого соеди­нения трубопроводов, расположенных под углом и со смещени­ем по оси, их используют в качестве пневматического объема переменной емкости или уплот­нителей в регулируемых дросселях, а также для разграничения двух сред в манометрических датчиках.

В пневмоавтоматике сильфоны используют для построения высокоточных вычислительных устройств, так как сильфоны хоро­шо сохраняют свои характеристики и, в особенности, при тех незначительных перемещениях, какие имеют место в этих уст­ройствах. В приборостроении применяют сильфоны с диаметрами от 7 до 150 мм и толщиной стенки от 0,08 до 0,3 мм.

Сильфоны

При необходимости повысить жесткость сильфона его устанавливают 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 влия­ния упругих свойств сильфона на статическую характеристику. Для экономии места пружину размещают внутри сильфона. Уве­личение жесткости сильфона за счет увеличения толщины стен­ки невыгодно, так как материал работает на изгиб и при том же прогибе возрастут напряжения.

При очень больших давлениях, когда прочность тонкостенного сильфона оказывается недостаточной, применяют многослой­ные сильфоны, что ведет к уменьшению напряжений и увеличе­нию чувствительности по сравнению с однослойными сильфонами той же толщины. Однако вследствие трения слоев у многослой­ных сильфонов увеличивается гистерезис.

При конструировании приборов стремятся установить сильфоны так, чтобы они работали на сжатие, так как в этом случае они выдерживают давление до двух раз выше, чем при работе на растяжение.

Если сильфоны используют в пневматических вычислительных устройствах, работающих по принципу компенсации сил, то давление обычно подается внутрь сильфона, так как переме­щение сильфона при этом мало и потеря устойчивости пря­молинейной формы оси исключена.

Для расчета эффективной площади сильфона применяют эмпирическую формулу, дающую хорошее совпа­дение с экспериментом:

,

где R_Н и R_В - соответственно наружный и внутренний радиусы сильфона.

Перемещение сильфона под действием давления р равно перемещению сильфона под действием осевой сосредоточенной силы

N₁ = F_ЭС p.

Если при увеличении давления в сильфоне дно сильфона, перемещаясь, встречает на своем пути упор (рис. 2.16), то сила N, с которой сильфон действует на упор:

N = F_ЭС p — c₁ h₀ = F_ЭС (p – p₀) ,

где р - давление в сильфоне; c₁ - жесткость сильфона; h₀ - ход сильфона до упора; p₀ - давление, при котором дно сильфона дошло до упора.

Рис. 2.16. Схема действия сильфона на упор

При отсутствии упора N = 0 и вся сила, создаваемая давлением, уходит на растяжение сильфона. В этом случае справедливо равенство

F_ЭС p = c₁ h.

При совместной работе сильфона и винтовой цилиндрической пружины (рис. 2.17 а, б) усилие, действующее на сильфон со сто­роны пружины, можно подсчитать по формуле

N = h c₂,

где с₂ - жесткость пружины.

а) внутренняя пружина б) наружная пружина

Рис. 2.17. Схема работы сильфона совместно с винтовой цилиндрической пружиной

Эта же сила может быть выражена через параметры сильфо­на. Если h = h₀ , тополучим

Статическая характеристика сильфона, представляющая со­бой зависимость перемещения h от давления или осевой силы, линейна для довольно значительных перемещений.

Следует отметить разницу между эффективной площадью мембраны F_Э и эффективной площадью сильфона F_ЭС. При рассмотрении в предыдущем разделе эластичных мембран понятие жесткости не вводилось, при этом эффективная площадь мем­браны оказывается зависящей от величины хода при любых воз­можных смещениях жесткого центра. Если ввести понятие жесткости, под которой понимается отношение силы N₁, действующей на сильфон,к перемещению его днища h, то эффективная пло­щадь сильфона F_ЭС будет постоянной при условии сохранения постоянства жесткости. Это имеет место на линейном участке статической характеристики. Таким образом, произведение эф­фективной площади мембраны F_Э на давление р дает внешнее рабочее усилие, а соответствующее произведение эффективной площади сильфона F_3C на давление - полную силу, часть кото­рой 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 условную площадь, равную частному от деления приращения объема па перемещение днища. Для сильфона площадь поршневого действия может быть приближенно принята равной эффектив­ной площади, т. е.

∆V = F_эс h,

где h - перемещение дна сильфо­на; ∆V — приращение объема.

Жесткость сварных сильфонов, у которых толщина мате­риала δ во всех точках практически одинакова, рассчитывают по формуле

,

где n - число рабочих гофров; R_н - наружный радиус сильфо­на; Е — модуль упругости материала. Коэффициент А вычисляют по формуле

,

где μ_П - коэффициент Пуассона; ψ - безразмерный параметр сильфона, а

ψ = R_Н /R_В .

У бесшовного сильфона, изготовленного гидравлическим или механогидравлическим способом путем вытяжки заготовки, толщина стенки в различных точках различная. Во внутренних точках на радиусе R_В (рис. 2.18) толщина стенки равна толщине δ₀ трубки-заготовки.

Рис. 2.18. Изменение толщины стенок сильфона

С увеличением радиуса толщина убывает. Тол­щина стенки сильфона в зависимости от радиуса может быть рассчитана по эмпирической формуле

.

Для расчета бесшовных сильфонов вместо δ³ подставляют его осредненное значение, равно среднему арифметическому из кубов толщин сильфона в несколь­ких точках, взятых на различных расстояниях от оси. Так, для точек, отстоящих от оси на расстояниях и R_Н (соответственно точек 1, 2, 3на рис. 2.18),эти толщины будут

Усредненное значение определяют из выражения

У промышленных сильфонов в паспортах жесткость указывается, и необходимость в ее расчете отпадает.

На рис. 2.19 приведены зависимости развиваемых сильфоном усилий при изменении его объема с увеличением рабочего хода для эффективного диаметра 145 мм и различных рабочих давлений.

Рис. 2.19. Характеристики сильфонов

Рабочее давление: 1 – 2 бара, 2 - 4 бара, 3 - 6 бара, 4 – объем

Условное обозначение сильфона дано на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Условное обозначение сильфона