Л. 8. Пути развития элементной базы автоматических систем с использованием газа и жидкости.

1. Перспективные направления пневмоавтоматики

2. Принцип управления пневматическими и гидравлическими приводами оболочкового типа.

. Перспективные направления пневмоавтоматики

К одному из направлений пневмоники относится направление – пневмоакустика. Оно базируется на использовании свойства воздушной струи взаимодействовать со звуковыми сигналами. Освоение этого направления позволяет расширить функциональные возможности технических средств пневмоавтоматики.

В последнее время возникла и бурно развивается во всем мире новая отрасль науки и техники – мехатроника. Историю мехатроники принято отсчитывать с 1969 года, когда Японская фирма Yaskawa Electric ввела новый термин «Мехатроника» («Mechatronics»), полученный комбинацией слов «МЕХаника» и элекТРОНИКА». Первоначально мехатронными системами считались только регулируемые электроприводы. По мере расширения области применения мехатронных систем расширилось и само понятие мехатроники. С современных позиций понимания терминологии часть данного словосочетания может означать искусство создания машин, вторая – организацию системы управления на базе использования различных физических эффектов, а их объединение – органическое соединение, взаимное проникновение энергетических и информационных потоков для выполнения требуемых функций и образование симбиоза силовой части оборудования и системы управления.

 

2. Принцип управления пневматическими и гидравлическими приводами оболочкового типа.

К приводам оболочкового типа относятся мембранные, камерные, торообразные, торовые приводы

Способ управления мембранными приводами

На базе мембранного преобразователя разработано большое количество мембранных клапанов. Традиционный мембранный клапан на протяжении многих лет служит рабочей лошадкой для регулирования различных потоков. В Древнем Риме мембранные клапаны использовались для регулирования расхода воды и температуры в горячих ваннах. В 1928 году южноафриканский горный инженер П. K. Саундерс изобрел промышленный мембранный клапан, принцип работы которого используется в промышленности до сих пор. Для регулировки положения штока традиционно используется зависимость

В 2014 г. в ВлГУ предложено регулирование мембранных приводов осуществлять не только давлением рабочей среды, но и величиной эффективной площади мембраны, т.е. использовать зависимость:

Свойство изгиба мембраны от давления рабочей среды снижает величину силы на штоке. Увеличение силового воздействия на шток достигают установкой на мембране постоянно контактирующего с ней жесткого центра. Функция жесткого центра заключается в устранении процесса изгиба части мембраны, то есть ограничения деформации мембраны относительно штока.

Новый способ управления мембранным приводом заключается в том, что регулируют эффективную площадь мембраны путем ограничения ее изгибной деформации относительно штока в процессе его работы.

Функционирование мембранных приводов рассмотрим на примере работы одномембранного камерного пневмомеханического преобразователя (рис. 7.1). Устройство состоит из корпуса 1 с закрепленной в нем мембраной 2 с жестким центром 3 и штоком 4 (рис. 8.1, а). В исходном положении давление в рабочей камере p равно нулю. При создании в рабочей камере давления p (рис. 8.1, б) силовое воздействие F изгибает мембрану, перемещая шток на величину х, которая регулируется давлением рабочей среды.

Для регулировки положения штока традиционно используется зависимость

а) б)

Рис. 8.1. Схема мембранного пневмомеханического преобразователя

Величина перемещения штока х зависит от создаваемого силового воздействия F. Для мембраны с жестким центром силовое воздействие F определяется произведением давления p на эффективную площадь S _эфф в соответствии с известным выражением:

,

где: R – радиус мембраны; r – радиус жесткого центра.

Из выражения видно, что величина силового воздействия на шток зависит не только от давления рабочей среды, но и от эффективной площади мембраны.

Таким образом, регулирование мембранных приводов можно осуществлять не только давлением рабочей среды, но и величиной эффективной площади мембраны, т.е. использовать зависимость:

Управление эффективной площадью позволяет в процессе работы привода регулировать силовое воздействие, получаемое на штоке не только от величины давления рабочей среды, действующей на мембрану.

Устройство (рис. 8.2, а) состоит из корпуса 1 с рабочей камерой 2, ограниченной мембраной 3 с закрепленным на ней штоком 4. На штоке установлен упор 5, зафиксированный ограничителем 6 на расстоянии l от поверхности мембраны.

Рис. 8.2. Схема этапов работы мембранного привода

В исходном положении, когда в рабочей камере давление воздуха равно нулю (p = 0), шток занимает исходное положение на расстоянии Х₀ от края корпуса.

Подача пневмопитания в рабочую камеру приводит к повышению в ней давления. Возрастает сила, действующая на шток до F ₁ (рис. 8.2, б). Шток перемещается на расстояние Х₁ от величины давления p ₁ в рабочей камере. При этом эффективная площадь мембраны остается постоянной, так как мембрана еще не контактирует с упором 5.

При дальнейшем увеличении давления до p ₂ (рис. 8.2, в) в рабочей камере, мембрана прогибаясь, входит в контакт с упором. Это приводит к увеличению эффективной площади мембраны, увеличивая силу F ₁ на штоке до F ₂.

Снижение величины давления в рабочей камере приводит к уменьшению и размыканию контакта мембраны с упором, что уменьшает эффективную площадь мембраны и снижает силовое воздействие на шток от величины давления.

Данный метод регулировки мембранных приводов, расширяет их функциональные возможности. Это позволяет без изменения габаритных размеров получить увеличение усилия на штоке в конце его прямого хода от величины давления рабочей среды и уменьшение усилия на штоке при обратном его ходе за счет изменения эффективной площади мембраны.

Способ управления торообразными приводами

Использование регулирования эффективной площади расширяет функциональные возможности торообразных приводов (рис. 8.3).

 

Рис. 8.3. Этапы работы торообразного привода.

В корпусе 1 (фиг. 8.3, а) закреплена торообразная оболочка 2 фиксатором 3. Оболочка также закреплена фиксаторами 4 и 5 на штоке 6, образуя герметичную гибкую нерастяжимую камеру с полостью А, находящейся под давлением p рабочей среды, например, воздуха. При одинаковых размерах торцевых поверхностей камеры, когда радиус наружного торцевого кольца слева R _л равен радиусу справа R _п, а радиус внутреннего торцевого кольца слева r _л равен радиусу справа r _п, силовое воздействие на шток влево F _л равно силовому воздействию, направленному вправо F _п . Шток в данной ситуации, независимо от величины давления p рабочей среды в полости А, может занимать любое положение х₀ относительно корпуса в пределах возможного его рабочего хода.

Увеличение правой площади внутренней кольцевой торцевой поверхности камеры, когда r _п становится больше r _л (фиг. 8.3, б), приводит к увеличению F _п и перемещению штока вправо с текущей координатой относительно корпуса х_iп .

Увеличение левой площади внутренней кольцевой торцевой поверхности камеры, когда r _л становится больше r _п (фиг. 8.3, в), приводит к увеличению F _л и перемещению штока влево с текущей координатой относительно корпуса х_iл .

Уменьшение правой площади наружной кольцевой торцевой поверхности камеры, когда R _л становится больше R _п (фиг. 8.3, г), приводит к уменьшению F _п и перемещению штока влево относительно корпуса.

Уменьшение левой площади наружной кольцевой торцевой поверхности камеры относительно правой, когда R _л становится меньше R _п (фиг. 8.3, д), приводит к уменьшению F _л и перемещению штока вправо относительно корпуса.

Регулировка эффективной площади камеры позволяет управлять величиной и направлением силового воздействия на рабочий орган привода.

 

Литература

1. Сысоев С.Н. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие / Владим. гос. ун–т; Владимир, 2001. с. 32)

2. Пат. 2586379 Российская Федерация,МПК³ B25 J 13/00, F01 B 19/00, F 04B 43/00. Способ управления штока камерного привода / Сысоев С.Н. – 2014150959; заявл. 17.12.2014; опубл. 10.06.2016, бюлл. №16. – 9с.

3. Пат. 2409514 Российская Федерация, МПК³ B 66 C 1/54. Захватное устройство / Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В., Бакутов А.В., Никитин Р.А. –№ 2009145335/11; заявл. 07.12.2009; опубл. 20.01.2011, бюлл. № 19. – 3с.

4. Сысоев С.Н. Принципы и методы нахождения технических решений. Метод исследования функционально–физических связей / С.Н. Сысоев. – Владимир: Изд–во Владим. гос.ун–та, 2007. – 214 с. ISBN 5–89368–775–2.

5. Заявка № 2014144809 на патент РФ. Способ работы мембранного привода с жесткими центрами / Сысоев С.Н., Черкасов Ю.В., Воздуган А.А., заявл.05.11.2014; опубл.27.05.2016, бюлл. №15. –1с.