Элементы гидроавтоматики

Дроссели

Для изменения расхода рабочего агента и понижения его давления примениют дроссели. По характеру изменения сечения дроссели делятся на постоянные (шайбы, диафрагмы, жиклеры, капилляры) и переменные (сопло-заслонка, золотники, игольчатые и конические). Принципиальные схемы дросселей приведены на рис.5.2.

В зависимости от скорости протекания жидкости дроссели подразделяются на ламинарные и турбулентные.

Рис.5.1. Гидравлическая (а) и расходная (б) статические характеристики переменных дросселей.

Статическая характеристика

Статика переменных дросселей описывается гидравлической x = f(h) и расходной G= f(h) характеристиками. Здесь x – гидравлический коэффициент местного сопротивления; h – перемещение подвижного элемента в дросселе от положения закрытия. Коэффициент x = 2DP/rw2, где DP – перепад давления на дросселе; r – удельный вес жидкости; w – скорость; G – расход жидкости через дроссель. Примерный вид статических характеристик показан на рис. 5.1. Рис.5.2. Общий вид и разрез струйной трубки. Линеаризация расходных характеристик переменных дросселей допустима при малых перемещениях h и невысоких перепадах давления (в области ламинарных режимов). Гидравлические характеристики золотника рассмотрены ниже. Постоянные дроссели характеризуются безразмерным коэффициентом гидравлического сопротивления и расходом G при фиксированном перепаде DP.

Преобразователи перемещения в давление

Наиболее распространненным преобразователем такого типа является струйная трубка (рис.5.2). Рабочий агент давлением питания P_п=(6-8)10⁵Па поступает в трубку, выходит из нее со скоростью 30-40 м/с и попадает в два приемных сопла, расположенных под углом друг к другу. Давление PП преобразуется в кинематическую энергию струи жидкости, вытекающей из трубки. В приемных соплах эта энергия вновь преобразуется в давления P₁ и P₂. При h = 0 струйная трубка занимает среднее положение относительно сопел, и P₁= P₂. При перемещении трубки давления в одном из сопел возрастает, а в другом понижается.

Сопло-заслонка. Конструктивно этот элемент аналогичен изучавшемуся ранее пневматическому преобразователю сопло-заслонка. На заслонку в гидравлическом преобразователе действует большое усилие от струи, поэтому иногда применяют частично уравновешанные дифференциальные схемы преобразователей (рис. 5.4).

Рис.5.4. Принципиальная схема дифференциального преобразователя сопло-заслонка.

В области низких частот сопло-заслонка является усилительным звеном с постоянным коэффициентом передачи при 0<h<0,05 мм.

Преобразователи типа сопло-заслонка не получили широкого распространения в устройствах промышленной гидроавтоматики.

Золотники. Этот тип преобразователей представляет собой переменный дроссель: перемещение золотника изменяет проходное сечение и, следовательно, давление Р_вых на выходе элемента. Схема однощелевого золотника показана на рис. 5.5.

Рис.5.5. Однощелевой золотник.

Для построения золотниковой пары требуется высокая точность обработки уплотняющих поверхностей. Допуски по диаметру составляют обычно микроны.

Различают одно-, двух- и четырехщелевые золотники различного конструктивного оформления. При перемещении золотник преодолевает силы инерции и трения о стенки, облитерационные усилия и реактивное действие струи жидкости. В преобразователях “перемещение-давление” обычно применяют небольшие усилие, поэтому для уравновешивания сил сопротивления приходится использовать более сложные четырехщелевые золотники.

Преобразователи силы в давление

В гидравлических преобразователях перемещения в давление для перестановки золотника, струйной трубки или заслонки требуется большие усилия. Поэтому в гидроавтоматике большее распространение получили преобразователи силы в давление. Принцип суммирования сил позволяет повысить статическую точность работы преобразователей (уменьшить зону нечувствительности, влияние люфтов, сил трения и т.п.).

Преобразователь силы в давление на струйной трубке. Необходимое для перемещения струйной трубки усилие создается с помощью мембранного (сильфонного) узла, к которому подводится давление Рд от датчика или от утройства обратной связи (рис. 5.7). К струйной трубке прилагается и усилие от пружины обратной связи ОС. Для изменения усилия (момента) применяют систему рычагов с подвижным корректором К.

Золотниковый преобразователь. Сила, необходимая для перемещения золотника, создается мембранным (сильфонным) устройством, пружинами или поршнями, на которые действует давление Рд от датчика (см. рис. 5.5).

Двухкаскадный усилитель предназначен для преобразования усилия от датчика в давление рабочего агента и усиления его мощности (расхода). Принципиальная схема двухкаскадного усилителя показана на рис. 5.8.

Сумматоры

В гидроавтоматике используют преимущественно принцип суммирования сил на рычажных устройствах, в частности на струйной трубке (см.рис. 5.7). одна из суммируемых сил создается, как правило, с помощью упругого элемента, например пружины. На одном рычаге удобно суммировать две силы. Однако в гидравлических регуляторах часто требуется суммировать сигналы от датчика, устройства обратной связи и задатчика. В таких случаях осуществляют предварительное суммирование с помощью пружинных устройств или дополнительных рычагов.

Интеграторы

Простейший гидравлический интегратор представляет собой циллиндр с подвижным поршнем (рис. 5.9.а), который перемещается при появлении перепада давлений в полостях DР=Р₁-Р₂.

Рис.5.9. Принципиальные схемы прямоходного (а),

прямоходно-двухштокового (б) и кривошипного (в) интеграторов.

Для выравнивания скоростей перемещения поршня при разных знаках DР применяют двухштоковые интеграторы (рис. 5.9,б) с достаточно большим значением h (до 200 мм).

В полости цилиндра подают масло под высоким давлением – (6-12)10⁵ Па, поэтому для уплотнения штоков применяют набивные сальники и манжеты, в которых возникают значительные силы трения Ф_т. для уменьшения трения используют кривошипные поршневые интеграторы (рис. 5.9, в) с вращательным движением выходного штока (вала). Максимальный угол поворота штока a обычно равен 90^о.

Гидравлические прямоходные и кривошипные интеграторы используют в АСР в качестве исполнительных механизмов (см. ниже).

Дифференциаторы

На рис.5.10 показана принципиальная схема элемента, передаточная функция которого W(s)=h(s)/ DР(s)=kTs/(Ts+1) описывает динамические свойства реального дифференцирующего звена (DР=Р₁-Р₂). Дифференциатор называется иногда изодромным устройством.

Принцип действия.

При появлении разности давлений Р1-Р2>0 поршень 1 начинает перемещаться вправо, сжимая пружину 2 и вытесняя часть рабочего агента из полости 3 небольшое количество жидкости перетекает при этом и через обводную линию 4 с регулируемым дросселем ДИ. Скорость перемещения штока в начальный момент времени пропорциональна величине Р1-Р2. Далее перепад давлений Р1-Р2 начинает постепенно уменьшаться как вследствие изменения объемов полостей 5 и 3 и увеличения усилия от пружины 2, так и в результате перетекания жидкости через дроссель ДИ и действия устройства обратной связи (при использовании изодрома в регуляторе). Под действием пружины 2 поршень начнет постепенно перемещаться влево, а рабочий агент будет перетекать из полости 5 в полость 3, причем скорость обратного движения штока зависит от степени открытия ДИ. Равновесное состояние достигается при равенстве давлений в полостях 5 и 3 и среднем положении поршня (т.е. отсутствии натяга или сжатия пружины).

Рис.5.10. Принципиальная схема дифференциатора:

1 - поршень; 2 - пружина; 3,5 - полости цилиндра; 4 - обводная линия.

Область нормальных режимов работы дифференциатора ограничена частотой 0<=w<w_н=0,2 рад/с при Т_и<20 с или 0<=w<w_н=0,1 рад/с при Т_и=80-100 с. значение Т_и определяется степенью открытия дросселя ДИ.