КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Силовые гидроцилиндры Силовые цилиндры по своим схемам и конструкциям очень разнообразны. В зависимости от выполняемых операций они могут быть одностороннего и двустороннего действия, т. е. совершать работу под действием жидкости при движении поршня или плунжера только в одном или в двух направлениях. В первом случае поршень возвращается в исходное положение благодаря собственному весу или под действием пружины. Гидроцилиндры могут быть с выходом штока или плунжера только в одну сторону – цилиндры с односторонним штоком, или в обе стороны – цилиндры с двусторонним штоком. Гидроцилиндры могут также иметь несколько штоков или плунжеров, расположенных один в другом так, что общий ход их будет больше длины корпуса – это телескопические цилиндры. На рисунке 6.31 приведены схемы некоторых цилиндров, а на рисунке 6.32 показан пример конструкции цилиндра. 215 Рисунок 6.31. Схема силовых цилиндров Рисунок 6.32. Пример конструкции силового гидроцилиндра Уплотнение поршня чаще всего выполняется поршневыми кольцами, но может быть выполнено и с применением различных манжет. Шток уплотняется манжетами, сальниковой набивкой или круглыми резиновыми кольцами. Усилие R, получаемое на штоке цилиндра, в общем виде выглядит: R = p 1 f 1 – p 2 f 2 – Rmp где p 1 и p 2 – давление в напорной и сливной полостях цилиндра; f 1 и f 2 – эффективные (рабочие) площади поршня; Rmp – суммарное усилие трения поршня и штока в местах уплотнения. 216 Скорость v перемещения поршня определяется количеством жидкости Q, поступающей в цилиндр в единицу времени (при отсутствии объемных потерь – утечек через уплотнения и перетечек между полостями): f Q v Так как в цилиндрах с односторонним штоком справа и слева от поршня эффективные площади неодинаковы, то скорости поршня в эти стороны, при одинаковых подачах жидкости, будут различны. Для получения равных скоростей перемещения поршня в обоих направлениях при одной и той же подаче жидкости применяются цилиндры с односторонним штоком, площадь сечения которого в два раза меньше площади поперечного сечения поршня (D² = 2d²). Такие цилиндры иногда называют дифференциальными. Для перемещения поршня вправо (рис. 6.33) обе полости цилиндра соединяют между собой и подключают к насосу. Жидкость из штоковой полости возвращается обратно в цилиндр. Рисунок 6.33. Включение дифференциального силового цилиндра Скорость перемещения поршня при этом в обе стороны будет определяться выражением: 2 40 d Q v где v в м/мин; Q в л/мин; d в см. 217 Создаваемое усилие (без учета трения), меньшее, чем можно получить, если подавать жидкость в поршневую полость – В последнем случае – 4 2 D p R При небольших перемещениях широко применяются мембранные или диафрагменные силовые цилиндры (рис. 6.34). Рисунок 6.34. Диафрагменный силовой цилиндр Их положительным свойством является практическое отсутствие перетечек между полостями, дешевизна, простота изготовления и малый вес. Величина развиваемого усилия у этих цилиндров уменьшается по ходу штока (прогибу диафрагмы) и зависит от материала и конструкции диафрагмы. В связи с этим в зависимости от материала и формы диафрагмы ход штока практически колеблется в пределах 0,15…0,25 диаметра диафрагмы. Моментные гидроцилиндры Схемы моментных гидроцилиндров показаны на рисунке 6.35. Эти цилиндры применяются для периодических возвратно-поворотных движений на углы практически меньшие 300º. Уплотнение поворотной лопасти по торцу и радиусу значительно сложнее 4 2 d p R 218 уплотнения цилиндров. Это затрудняет применение таких конструкций для работы при высоких давлениях. Рисунок 6.35. Схемы моментных гидроцилиндров Рабочий объем моментных гидроцилиндров с лопастью: b z r r q 360 2 1 2 2 где r 2 и r 1 – наибольший и наименьший радиусы лопасти; z – число лопастей; b – ширина лопасти; φ – полный угол поворота лопасти (вала). Вращающий момент на валу цилиндра: 219 bz r r p M 2 2 1 2 2 Угловая скорость ω лопасти при постоянной подаче Q и отсутствии утечек: 2 1 2 2 2 r r b Q Для высоких давлений применяются моментные гидроцилиндры с кривошипно- шатунным механизмом. Они имеют большие габариты по сравнению с лопастными, но уплотнение поршня у них может быть выполнено более надежно. Угол поворота вала связан с подачей в него рабочей жидкости более сложной зависимостью. В крайних положениях поршня скорость поворота вала уменьшается при неизменной подаче жидкости. Наличие рычага на валу за счет радиуса его крепления. 6.4. Пневматические исполнительные механизмы Рабочим телом в пневматических устройствах является сжатый воздух, представляющий собой смесь азота, кислорода (по объему примерно 78 и 21% соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара. Пневматические исполнительные механизмы работают на сжатом воздухе, газе низкого давления 1…1,5 МПа. В качестве последнего могут быть использованы отработанные газы реактивного двигателя или специального газогенератора. Отличие пневматических устройств от гидравлических обусловлены различиями в свойствах газа и рабочей жидкости. Сжимаемость газа оказывает значительное влияние на быстродействие системы, особенно при значительной нагрузке или при значительных ускорениях. К основным параметрам пневматических устройств относятся: условный проход; диапазон давления; расходная характеристика; параметры управляющего воздействия; параметры выхода; 220 утечки; время срабатывания; допускаемая частота включений; показатели надежности; размер; масса. Исполнительный механизм в пневматической системе автоматического регулирования должен отвечать следующим основным требованиям: развивать переустановочное усилие, достаточное для преодоления реакции (сопротивления) рабочих частей регулирующего органа на всем диапазоне перемещения при наихудших допустимых условиях эксплуатации; обладать детектирующим действием, т. е. передавать воздействие только в одном направлении – от регулятора (регулирующего устройства) к регулирующему органу и регулируемому объекту; чувствительность, гистерезис и люфт исполнительного механизма должны быть соизмеримы со значениями аналогичных показателей других звеньев контура регулирования (датчика, регулирующего устройства и др.); скорость перемещения выходного звена исполнительного механизма при номинальной нагрузке должна соответствовать (быть равной или больше) скорости разгона регулируемого объекта; конструкция должна содержать дополнительные устройства, такие как ручной привод местного управления регулирующим органом, местный указатель положения рабочих частей регулирующего органа, тормоз, стопорящий выходное звено в достигнутом положении при исчезновении давления питающего воздуха. В пневмодвигателях энергия сжатого воздуха преобразуется в энергию движения выходного звена. Они предназначены для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций и пр. Основные типы пневмодвигателей, их назначение и области применения представлены в таблице 7. Различают пневмодвигатели с поступательным движением выходного звена, пневмодвигатели с неограниченным углом поворота выходного звена и пневмодвигатели с неограниченным вращательным движением выходного звена (пневмомоторы). 221 К первым относятся поршневые, сильфонные, камерные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных конструкций, ко вторым – такие же, но с лопастным рабочим элементом. Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели, которые называют также пневдоцилиндрами. Различают двухпозиционные и многопозиционные двигатели. Поворотные пневмодвигатели могут быть поршневыми и пластинчатыми. Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на поршневые, мембранные, пластинчатые, винтовые и турбинные. Поршневые пневматические исполнительные механизмы так же, как и гидравлические, имеют силовой цилиндр с поршнем и дроссельное устройство. Мембранные пневматические исполнительные устройства могут быть одностороннего и двойного действия. В устройствах одностороннего действия движение мембраны в одном направлении производится усилием возрастающего давления газа, а в противоположном – усилием пружины. В устройствах двойного действия движение мембраны в обе стороны осуществляется усилием возрастающего давления газа. Таблица 7. Основные типы пневмодвигателей, их назначение и области применения Двигатели Схема двигателя Область применения 1. Пневмодвигатели с поступательным движением выходного звена: Поршневые (пневмоцилиндры): *одностороннего действия Подъемники и механизмы, в которых движение в одну из сторон производится под действием внешних сил или собственного веса. Величина перемещений до (8–10) D и усилий до 30 кН * одностороннего действия с пружинным возвратом Зажимные, фиксирующие, переключающие и другие устройства. Величина перемещений до (0,8–1,5) D и усилий 0,04–6 кН * двустороннего действия с односторонним штоком Транспортирующие, погрузочно–разгрузочные, зажимные и другие устройства. Величина 222 перемещений до (8–10) D и усилий до 45 кН * двустороннего действия с двусторонним штоком Устройства с требованиями равенства развиваемых усилий в обе стороны или управления конечными выключателями с нерабочей стороны штока. Величина перемещений до (8–10) D и усилий до 30 кН *сдвоенные (одно – или двустороннего действия) Зажимные устройства с ограничением радиального размера цилиндров. Величина перемещений до (0,8–1,5) D и усилий до 60 кН * телескопические (одно – или двустороннего действия) Устройства со значительной величиной перемещения рабочего органа при ограниченном осевом размере цилиндра в исходном положении Многопозиционные пневмоцилиндры: * двухпоршневые Устройства позиционирования, переключения передач и другие. Обеспечивают несколько фиксированных положений рабочего органа *однопоршневые с отверстиями в гильзе * многопоршневые * со встроенным реверсом Прошивочные, штамповочные, маркировочные, 223 чеканочные и другие устройства. Обеспечивают высокую скорость в одном или обоих направлениях * с гибким штоком Транспортирующие устройства со значительными перемещениями и требованиями к минимальному размеру цилиндра. Величина перемещений до 20 D и усилий до 45 кН. Трудно обеспечить уплотнения гибкого штока Вращающиеся пневмоцилиндры: * одно – или двустороннего действия (с полым и сплошным штоком) Зажимные устройства станков для обработки пруткового материала и штучных заготовок * сдвоенные То же, при необходимости обеспечения усилий зажима свыше 45 кН или ограничения размера по диаметру цилиндров Мембранные (одно – или двустороннего действия) Устройства зажимные, фиксирующие и другие с ограниченной величиной перемещения 0,1 D для плоских мембран с гофром. Величина усилий до 30 кН Сильфонные В датчиках и специальных устройствах с небольшой величиной хода и усилий 224 Камерные Для зажима деталей в нескольких точках. Обеспечивают постоянное усилие зажима при изменении размера деталей Шланговые Транспортирующие устройства со значительной величиной перемещения (до 10 и более, при небольших перемещаемых массах) 2. Поворотные пневмодвигатели: Двухпозиционные * поршневые Автоматические манипуляторы и загрузочные устройства; угол поворота обычно до 360 (и специальном исполнении до 1800), крутящий момент до 20 кН*м * шиберные Угол поворота до 300; крутящий момент до 500 Н*м Пневмомоторы: Шестеренные Приводы транспортеров, лебедок, комбайнов, сверильных машин в угольной и горнорудной промышленности Аксиально–поршневые Приводы ручного инструмента, сверлильных головок и других устройств Радиально–поршневые Приводы лебедок, 225 конвейеров и других устройств во взрывоопасных помещений, а также сверлильных машин с относительно высоким крутящим моментом Мембранные Приводы трубопроводной арматуры клапанного типа Пластинчатые Ручной инструмент, сверлильные и резьбонарезные головки, гайковерты и другие устройства Винтовые Приводы конвейеров, транспортеров и других машин Турбинные Приводы шлифовальных головок 6.5. Конструкции пневматических исполнительных механизмов Поршневые пневмодвигатели В пневмоцилиндрах происходит преобразование потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую энергию поршня. В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воздуха действует на поршень только в одном направлении, в другую сторону поршень со штоком перемещается под действием внешних сил или пружины (рис. 6.36). Такие пневмоцилиндры с пружинным возвратом обычно используют для выполнения небольших перемещений (0,8…1,5) D, так как встроенная пружина, сжимаясь, 226 значительно снижает усилие, развиваемое поршнем. Рисунок 6.36. Пневмоцилиндры одностороннего действия В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком под действием сжатого воздуха происходит в двух противоположных направлениях. Пневмоцилиндры этого типа нашли наибольшее применение в промышленности. В зависимости от предъявляемых требований их различают по конструктивным размерам и по схемам соединения с пневматической системой и атмосферой (рис. 6.37). 227 Рис. 6.37. Пневмоцилидры двустороннего действия: а) без торможения; б) с торможением; в) с двусторонним штоком; г) сдвоенный Сдвоенные пневмоцилиндры используют в том случае, когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из–за недостатка места (используют два цилиндра или более последовательно соединенных между собой и работающих на один шток – в результате этого усилия сжатого воздуха, действующего на поршни, складывается) (рис. 6.37г). Недостатком сдвоенных пневмоцилиндров является увеличение длины цилиндра приблизительно в таком же соотношении, в каком увеличивается усилие. Вращающиеся пневмоцилиндры применяют в качестве силового привода патронов, оправок и других приспособлений, осуществляющих зажим штучных заготовок и пруткового материала на токарных, токарно-револьверных и других станках. 228 Эти пневмоцилиндры подразделяют на следующие типы: одностороннего действия; двустороннего действия; сдвоенные. В зависимости от исполнения штока вращающиеся цилиндры бывают со сплошным или полым штоком (рис. 6.38). Рисунок 6.38. Вращающиеся пневмоцилиндры: а) со сплошным штоком; б) с полым штоком Пневмоцилиндры с гибким штоком применяются для перемещения, хонингования, шлифования, полирования и прочее (рис. 6.39). Рисунок 6.39. Пневмоцилиндры с гибким штоком Пневмогидравлические цилиндры применяют для получения стабильной скорости перемещения штока, что особенно важно в приводах подач режущего инструмента станков (рис. 6.40). 229 Рисунок 6.40. Пневмогидравлические цилиндры Ударные пневмоцилиндры (рис. 6.41) делятся на: одностороннего действия; со встроенным ресивером, концентрично расположенным; золотниковым распределением; двустороннего действия. Рисунок 6.41. Ударные пневмоцилиндры: а) одностороннего действия со встроенным ресивером; б) со встроенным ресивером, концентрично расположенным, и золотниковым распределением; в) двустороннего действия Мембранные исполнительные механизмы одностороннего действия В качестве примера на рисунке 6.42 приведена схема мембранного исполнительного механизма одностороннего действия. Она состоит из корпуса 1, верхней крышки 2, которая плотно прижимает к корпусу эластичную мембрану 3, изготовленную из прочной прорезиненной ткани или других материалов. Под мембраной 3 расположен металлический диск 4, опирающийся на направляющийся стакан 6. Последний с диском 4 к мембране 3 поджимается пружиной 9. К центру стакана 6 прикреплена тяга 8, на другом 230 конце которой жестко закреплен регулирующий клапан 10. Рисунок 6.42. Схема пневматического мембранного исполнительного механизма одностороннего действия Работа мембранного исполнительного механизма заключается в следующем. Под воздействием давления воздуха Р, подаваемого через патрубок 5, происходит прогиб мембраны 3, который передается через тягу 8 на регулирующий клапан 10, закрывающий отверстие 12. В этом случае газ (жидкость), имеющий давление Рвх, из полости 13 не поступает в полость 11. При понижении давления воздуха Р в полости 7 над мембраной пружина 9 через тягу 8 на регулирующий клапан 10, закрывающий отверстие 12. В этом случае газ (жидкость), имеющий давление Рвх, из полости 13 не поступает в полость 11. При понижении давления воздуха Р в полости 7 над мембраной пружина 9 через направляющий стакан 6 и диск 4 прижимает мембрану 3 к верхней крышке 2. При этом тяга 8 и регулирующий клапан 19 перемещаются верх и открывается отверстие 12. Таким образом, в одном направлении тяга 8 движется под действием возрастающего давления воздуха Р, а в противоположном – под действием пружины 9. Основным недостатком мембранных пневматических исполнительных механизмов является малое применение тяги, ограничиваемое прогибом мембран. Максимальное перемещение мембраны может достигать 40 мм. Пневматические сервомоторы вращательного движения применяются реже. Поршневые и лопаточные пневматические сервомоторы отличаются от гидравлических главным образом конструкцией уплотнений поршня и штока. В качестве уплотнителей в пневматических сервомоторах применяют обычно резиновые, поливиниловые и другие кольца и манжеты, закладываемые в канавки с распорными кольцами. Ввиду сжимаемости рабочего агента – газа (воздуха), пневматические исполнительные элементы 231 без дополнительных устройств (обратные связи, порционеры) не могу обычно обеспечить требуемой точности переустановки регулирующего органа. Основной характеристикой пневматического сервомотора является скоростная характеристика, которую приближенно в зависимости от параметров сервомотора и рабочего агента можно, не учитывая нагрузки, определить по формуле: где o y x t k ; f – рабочее сечение усилителя; F c – площадь поршня (лопатки); x – перемещение усилителя; w ko – скорость звука; k = Cp/Cv; π1 = р 1 /р 2 ; р 1 и р 2 – давление в сервомоторе; р о – давление за усилителем; р а – давление окружающей среды. |