ГЛАВА IX. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

В пневматических приводах САР для перемещения органов управления в качестве энергоносителя используется энергия газа (холодного или горячего), поступающего от специального источника. Любой пневматический привод состоит из пневматического усилителя и пневматического исполнительного устройства (двигателя.) Распределение потоков газа между двумя рабочими камерами пневматического исполнительного устройства, регулирование его давлений и расходов осуществляются пневматическим усилителем. Разность давлений в полостях пневматического двигателя образует силу, вызывающую перемещение поршня и штока нагруженного двигателя со скоростью, определяемой расходной характеристикой.

Так как мощность воздействия, управляющего пневматическим усилителем, мала (единицы ватт), а разность мощностей воздействия двух газовых потоков на поршень пневматического двигателя велика (киловатты), то последний имеет высокий коэффициент усиления по мощности при незначительной массе конструкции привода. Это позволяет в большинстве случаев создавать надежные, простые и компактные пневматические усилители. При большой энергоемкости и значительном быстродействии пневматические усилители отличаются от гидравлических, как правило, наличием лишь одного каскада усиления по мощности, а также менее жесткими допусками на изготовление их элементов и узлов.

Основные технические характеристики пневматических усилителей на холодном и горячем газе приведены в табл. XI.I.

1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Пневматическим усилителем (ПУ) автоматизированного привода называют устройство, предназначенное для преобразования и усиления по мощности слабого механического сигнала электромеханического преобразователя в более сильное воздействие газового потока на пневматический двигатель (ПД) с целью изменения величины и знака скорости выходного вала ПД.

Таблица IX.1 (см. скан) Основные технические характеристики пневматических усилителей

Пневматический усилитель увеличивает общий коэффициент усиления по мощности системы привода за счет использования дополнительной энергии газового потока (сжатый воздух, горячий газ любого состава). В большинстве случаев выходная величина электромеханического преобразователя (ЭМП) представляет собой угол а поворота оси якоря , жестко связанной с подвижной частью пневматического распределительного устройства (ПРУ: струйная трубка, заслонка, золотник и т. п.). За счет перемещения подвижных частей ПРУ происходит регулирование потоков газа, поступающих в приемные или входные штуцеры пневматического двигателя (приемники ПД).

Все пневматические усилители разделяют на три класса систем регулирования.

Система непрерывного действия. Между управляющим воздействием ЭМП и параметрами потоков газа ПУ существует непрерывная функциональная связь.

Система импульсного действия. Величины параметров потоков газов ПУ представляют собой последовательность импульсов, частота повторения которых зависит от величины управляющего воздействия ЭМП в отдельные (дискретные) моменты времени.

Системы релейного действия. Величины параметров потоков газов ПУ остаются постоянными вне зависимости от значения величины управляющего воздействия на входе, а их полярность определяется только знаком этого воздействия.

В свою очередь, каждая система пневматических усилителей классифицируется по принципу дроссельного управления на пять различных типов:

пневматические усилители с управляющими дросселями на входе и выходе (ПУ со струйной трубкой);

пневматические усилители с управляющими дросселями на входе в одну полость и на выходе из другой (ПУ с золотником);

пневматические усилители с управляющими дросселями только на выходе (ПУ с соплом—заслонкой);

пневматические усилители с управляющими дросселями только на входе (ПУ с заслонкой);

пневматические усилители комбинированного типа.

В основу такого деления положен принцип изменения газовых потоков при втекании и вытекании газа. Так, в пневматическом усилителе со струйной трубкой изменяются два газовых потока при втекании и два при вытекании газа из полости пневматического двигателя (регулирование по входу и выходу). В пневматическом усилителе с золотником газовые потоки при втекании во вторую полость и вытекании из первой полости практически отсутствуют, а при втекании в первую полость и вытекании из второй — переменные, зависящие от величины управляющего воздействия (регулирование — по входу в одну полость и выходу из другой). В пневматическом усилителе с соплом—заслонкой газовые потоки при втекании — постоянные (не зависят от управляющего воздействия), а при вытекании — переменные, зависящие от величины управляющего воздействия (регулирование — по выходу). В пневматическом усилителе с заслонкой газовые потоки при вытекании — постоянные, а при втекании в полости пневматического двигателя — переменные, зависящие от управляющего воздействия (регулирование по входу).

К пневматическим усилителям комбинированного типа относятся все остальные усилители, например усилители, у которых в зависимости от величины управляющего воздействия может быть на отдельных участках различный принцип регулирования, т. е. при малых сигналах управляющего воздействия принцип регулирования ПУ со струйной трубкой, а при больших — с золотником. К комбинированным усилителям относятся также ПУ с многокаскадными принципами усиления сигнала возмущающего воздействия с использованием дополнительного более мощного вида энергии.

Для изучения устройства пневматического усилителя со струйной трубкой и выяснения его принципа действия на рис. IX. 1 показана конструктивная схема ПУ, а на рис. IX.2, а — схема газовых потоков. Газовый поток проходит через штуцер 1 и переходную втулку 3, Струйная трубка 2 и приемные окна 5 и 6 разделяют

входной поток на два изменяющихся в зависимости от угла поворота оси 4 ЭМП переменных потока втекания в первую и во вторую полости ПД. При этом потоки вытекания из полостей будут также изменяться в зависимости от угла поворота. При непрерывной системе автоматического регулирования между управляющим воздействием или углом поворота оси ЭМП (а) и параметрами потоков существует непрерывная функциональная связь.

Рис. IX. 1. Конструктивная схема пневматического усилителя со струйной трубкой: — расход газа в первую полость; — расход входного разового потока во вторую полость; — расход входного газового потока

Рис. IX.2. Пневматический усилитель со струйной трубкой: а — схема газовых потоков; 1, 2 — входные отверстия приемника давлений; б — схема пневматического моста

Основой этой связи являются обычно линейный режим работы ЭМП и взаимосвязанное изменение проходных сечений дросселей (или газовых сопротивлений для всех четырех потоков газа т. е. работу пневматического усилителя со струйной трубкой можно представить эквивалентной схемой пневматического моста усилителя, показанной на рис. IX.2, б. Последний питается избыточным газовым потоком с постоянными параметрами входного и выходного давлений (Рвых) и имеет переменные газовые сопротивления втекания в первую полость и во вторую вытекания из первой и из второй полостей причем при увеличении обязательно пропорционально изменяется (уменьшается) а при увеличении пропорционально уменьшается и наоборот (рис. IX. 2, а). Пневматический усилитель со струйной трубкой является общим случаем схемы построения пневматических усилителей, а все остальные (три схемы ПУ) являются частными случаями этой общей

схемы, в которой будут изменяться не все газовые сопротивления.

Так, пневматический усилитель с соплом—заслонкой, приведенный на рис. IX.3, имеет переменные газовые сопротивления только при вытекании газа из полостей а газовые сопротивления при втекании имеют постоянные значения.

Рис. IX.3. Конструктивная схема пневматического усилителя с соплом — заслонкой

Рис. IX.4. Конструктивная схема пневматического усилителя с золотником: 1 — ось — тяга; 3 — пластина; 4 — пластинчатая пружина; 5, 7, 8 — каналы; 6 — корпус

Переменные газовые сопротивления на выходе образуются прикрытием сопел 1 и 6 соответственно заслонками 2 и 5, перемещающимся на величину пропорциональную углу а поворота оси причем между углом поворота оси и перемещением х заслонок существует непрерывная связь с помощью передаточного механизма 3. Следовательно, схема пневматического моста ПУ с соплом — заслонкой отличается от общей схемы пневматического моста со струйной трубкой (см. рис. IX.2, б) только тем, что в данном случае газовые сопротивления втекания — постоянные.

Рис. IX.5. Конструктивная схема пневматического усилителя с заслонкой

Пневматический усилитель с плоским золотником, показанный на рис. XI.4, отличается от предыдущих ПУ тем, что у него при отклонении оси 1 ЭМП в одну сторону происходит передвижение пластины 3 и изменение расхода втекания (газового сопротивления втекания и вытекания (значения газовых сопротивлений втекания и вытекания практически бесконечно велики). При отклонении оси ЭМП в другую сторону происходит

изменение газовых сопротивлений втекания и вытекания (значения газовых сопротивлений втекания и вытекания остаются постоянными). Схема пневматического моста ПУ с золотником (см. рис. IX.2, б) имеет при положительном угле а переменные газовые сопротивления втекания в первую полость и вытекания из второй полости При отрицательном угле а наоборот:

переменные сопротивления втекания во вторую полость и вытекания из первой. Таким образом, имеет место второй частный случай общей схемы ПУ. Схема ПУ с заслонкой (рис. IX.5) отличается от предыдущих схем ПУ тем, что при отклонении оси 3 ЭМП изменяются газовые сопротивления втекания (проходные сечения шайб и 5), а газовые сопротивления вытекания (проходные сечения 2 и 4) остаются постоянными. Схема пневматического моста такого усилителя может быть получена из общей схемы (см. рис. IX.2, б) при переменных сопротивлениях втекания и постоянных сопротивления» вытекания

Рис. IX.6. Конструктивная схема двухкаскадного пневматического усилителя: — расход газа входного каскада; — расход газа силового каскада: 1 — поршень заслонки; 2 — заслонка; 3 — втулка; 4 — палец; 5 — тяга заслонки; а — угол отклонения струйной трубки

Пневматические усилители, которые не вошли в приведенную выше классификацию, можно объединить в один класс — пневматических усилителей комбинированного типа. Сюда относятся усилители, у которых при непрерывном изменении величины управляющего воздействия возможны два различных принципа действия, т. е. при одних величинах управляющего воздействия пневматический усилитель работает как ПУ со струйной трубкой, а при других — как ПУ с золотником и т. п.

К типу комбинированных пневматических усилителей также относятся многокаскадные пневматические усилители, т. е. два, три и т. п. последовательно включенных однокаскадных пневматических усилителей ранее рассмотренных типов. Только двухкаскадных пневмоусилителей можно построить до двух десятков различных типов. На рис. IX. 6 показана типовая конструкция двухкаскаднбго ПУ. Входной каскад такого пневматического усилителя представляет собой усилитель со струйной трубкой, а силовой каскад содержит пневмоусилитель с соплом — заслонкой,

Исследование работы пневматического распределительного устройства при строгом учете всех физических процессов является сложной газодинамической задачей. Трудности решения этой задачи обуславливаются взаимодействием дозвуковых и сверхзвуковых газовых струй, переменностью давлений в различных сечениях каналов газораспределительного устройства и наличием пограничных слоев на поверхностях изменяющихся площадей. Однако, как показали эксперименты, в подавляющем большинстве случаев может быть принято допущение о квазистационарности газовых потоков. Это значительно упрощает расчет пневматического распределительного устройства, так как при этом допущении массовый расход газа через отверстие может быть описан формулами

при

при

где секундный расход газа через отверстие при докритическом режиме;

— то же при сверхкритическом режиме;

— площадь отверстия;

— коэффициент расхода;

— давление и температура газа перед отверстием; — давление и температура газа за отверстием;

— газовая постоянная;

— показатель политропы;

— величины отношений давлений при докритическом и сверхкритическом режимах истечения газа;

- функция отношений давлений, равная

а — постоянная величина,

— постоянная величина,

— функция,

К — постоянная величина,

Принятое допущение о квазистационарности газовых потоков означает, что изменение параметров газа в агрегатах газовых магистралей, соединяющих входной штуцер с впускными отверстиями выходной штуцер с выпускными отверстиями пренебрежимо малы, т. е. принимается, что изменение параметров газа происходит только в проходных сечениях

В выражениях (IX. 1) и (IX.2) наличие пограничного слоя учитывается коэффициентом расхода Определение коэффициентов расхода для конкретных случаев может быть проведено расчетным путем. Однако при изменении площади и формы проходного отверстия, а также при взаимодействии газовых струй коэффициент (I может значительно изменяться, и для его определения становится необходимым проведение экспериментальных продувок при различных режимах работы Часто принимается, что коэффициент расхода неодинаков для различных отверстий, но для каждого отверстия в рабочем диапазоне давлений остается приблизительно постоянным и равным от 0,85 до 0,95.

В выражения (IX. 1) и (IX. 2) входит еще один переменный параметр — показатель политропы характеризующий термодинамического процесса при течении газа через отверстие, который может изменяться от показателя адиабаты при отсутствии теплообмена между газом и металлом ПРУ до показателя изотермы при равенстве температур . Учитывая, что геометрические размеры элементов ПРУ (сопел, дросселей) малы и что основное расширение и охлаждение газа происходит в приемнике газовой энергии после можно принять, что теплообменом между элементами ПРУ и газовым потоком можно пренебречь. Тепловые потери при этом составляют незначительную часть газового потока.

Тогда в выражении (IX. 1) и (IX.2) можно принять к и

где — показатель адиабаты;

где удельная теплоемкость при постоянном давлении;

— то же, при постоянном объеме.

Показатель адиабаты к для различных газов (пороховой газ, горячий газ, воздух и т. п.) может быть определен расчетным путем или экспериментально. Он изменяется в ПРУ от 1,2 до 1,41.

Возможное количество режимов истечения газа в усилителе —16. Многие из этих режимов возникают редко, причем их можно избежать соответствующим выбором площадей проходных сечений и величин давлений газов. Обычно при расчетах пневматических усилителей рассматривают четыре режима, которые в зависимости от площадей проходных сечений, перепадов давлений и типов пневмоусилителей могут быть сведены к одному или двум основным режимам.

Рассмотрим расчетные зависимости для массового расхода газа через газовые сопротивления усилителя с использованием формул (IX. 1) и (IX.2).

1. Докритическое течение газа при втекании и вытекании возникает, если выполнено условие

2. Докритическое течение газа при втекании и сверхкритическое — при вытекании возникает, если выполнено условие

3. Докритическое течение газа при вытекании и сверхкритическое — при втекании возникает, если выполнено условие

4. Сверхкритическое течение газа при втекании и вытеканий возникает, если выполнено условие

где — секундный расход, давление и температура газа в первой и второй полостях втекания и вытекания.

Рассмотрение даже четырех основных режимов работы газового распределительного устройства значительно усложняет его анализ, так как давление в обеих полостях меняется, что означает смену режимов работы Чтобы обойти это осложнение, введем для любых режимов работы ПРУ новые формулы расхода газа через входные и выходные отверстия следующего вида:

где — расходы при втекании и вытекании при сверхкритическом режиме истечения;

безразмерные параметры;

здесь — давление и температура на входе в пневматический усилитель;

— давление окружающей среды (атмосферное).

Тогда безразмерные функции будут иметь следующий вид:

Графики нелинейных функций и приведены на рис. IX.7, из которых видны границы режимов истечения газа в На участке работа ПРУ физически невозможна. небольшом участке 1—2 имеется сверхкритическое втекание и докритическое вытекание газа из на наибольшем участке работы имеются сверхкритические режимы течения газа при втекании и вытекании; на участке 3—4 наблюдается сверхкритический режим вытекания и докритический режим втекания.

Введение нелинейных функций Ф и Ф значительно облегчает исследование работы так как позволяет при расчете статических характеристик применять графо-аналитические методы расчета, а при анализе динамики — аппроксимировать эти нелинейные функции в некотором диапазоне изменения при помощи обычных численных методов. Так, например, для сжатого воздуха методом наименьших квадратов зависимость аппроксимируется для всего диапазона изменения трехчленом

Рис. IX.7. Графики нелинейных функций

График этой функции показан на рис. IX.7. При этом максимальная ошибка может быть 10—15%. С уменьшением диапазона изменения ошибка аппроксимациии уменьшается.

Знание зависимостей расхода газа в ПРУ [см. формулы (IX. 1) и (IX.2)] позволяет определить уравнение пневматического усилителя. Уравнением пневматического усилителя будем в дальнейшем называть зависимость изменения разности массовых расходов и разности давлений в приемниках от изменения командного сигнала или соответствующего изменения площадей проходных отверстий

При отсутствии командного сигнала пневматический усилитель находится в нейтральном (равновесном) положении. При выводе уравнений пневматических усилителей различных типов будем принимать это положение за исходное, а параметры равновесного режима обозначать нулевыми индексами, т. е.

При подаче на пневматический усилитель командного сигнала изменяется соотношение площадей втекания и вытекания

и равновесие в полостях нарушается, т. е. имеем

Для вывода уравнений пневматических усилителей рассмотрим конкретные их типы.