Пневмораспределители. 
Пневматические системы автоматики

Типы и расчет параметров пневмораспределителей

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

Клапанами обычно называют иневмораспределители 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 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, т. е. 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 пневмораспрсдслитсля 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 нейтральную позицию. Если пневмораспределитель имеет четыре канала и две позиции, то он называется 4/2-пневмораспределителем или четырехлинейным двухпозиционным пневмораспределителем (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Четырехзинейный двухпозиционный пневмораспределитель

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

бб Заглушка канала обозначается символом 1. Внутренние соединения указываются в соответствии с рис. 3.2, на котором представлен 4/3-пневмораспределитель.

Рис. 3.2. Четырехлинейный трехпозиционный пневмораспределитель

В этом пневмораспределителе в нейтральной позиции 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 нейтральной позиции 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 нейтральную позицию.

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.

Золотниковые конструкции 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.

Поворотные конструкции 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.

На рис. 3.4 показана схема подвижного элемента пневмораспределителя в виде конуса.

Рис. 3.4. Схема конусного подвижного элемента

В этой конструкции величина проходного зазора равна.

Средняя длина окружности зазора может быть определена как.

Тогда площадь сечения зазора.

Подвижный элемент считается полностью открытым, если площадь А равна площади седла. При этом.

Тогда.

Дифференцируя (3.3) по X, получим коэффициент передачи от рабочего хода подвижного элемента к площади зазора:

Графические зависимости (3.5) и (3.6) приведены соответственно на рис. 3.5, а, б.

При 0 = 90 градусов конусный подвижный элемент переходит в плоский.

Во многих случаях подвижный элемент функционирует на малых зазорах в непосредственной близости к седлу. Тогда справедливо линеаризованное уравнение:

а коэффициент передачи от рабочего хода подвижного элемента к площади зазора запишется как.

Рис. 3.5. Функциональные характеристики конусного подвижного элемента

Аэродинамическая сила, действующая на подвижный элемент, зависит от перепада давлений на нем. Ее точное вычисление затруднительно, поэтому для приближенных вычислений предполагают, что давление перед зазором равномерно во всем объеме и равно Pi, а после зазора сразу становится равным Р₂. Для конусного подвижного элемента это предположение дает уравнение для силы:

где A_s — площадь седла, А_/2 — площадь зазора.

Для конусного подвижного элемента с углом в 45 градусов пользуются эмпирическим уравнением для определения аэродинамической силы:

Конусный клапан может быть сбалансирован с помощью сдвоенного подвижного элемента (рис. 3.6), что позволяет направлять потоки в противоположные стороны и компенсировать усилия за счет обратной симметрии схемы.

Рис. 3.6. Схема балансировки конусного клапана

Для шарового подвижного элемента с диаметром D и диаметром седла dуравнение для определения площади зазора при D>d имеет вид:

а при D

Максимальное значение для X при D>d определяется из выраже;

ния:

а при D<, d — из выражения:

На рис. 3.7 приведена зависимость X^/d от d/D.

Рис. 3.7. Функциональная характеристика шарового подвижного элемента

Для заданного диаметра седла максимальное значение достигается при равенстве диамегров шарового подвижного элемента и седла. Дифференцируя (3.11) и (3.12) по X, получим:

где.

На рис. 3.8 приведены рабочие характеристики при различных отношениях диаметров седла и шарового подвижного элемента.

Рис. 3.8. Рабочие характеристики шарового подвижного элемента

Формы производных рабочих характеристик шарового подвижного элемента приведены на рис. 3.9. Они отражают значения передаточного коэффициента.

Случай d/D = 0 идентичен плоскому подвижному элементу, так как он относится к бесконечно большому диаметру шарового подвижного элемента.

В общем случае передаточный коэффициент уменьшается с уменьшением диаметра шарового подвижного элемента. Передаточный коэффициент остается наиболее постоянным при отношении диаметров седла и шарового подвижного элемента между 0,7 и 0,8. При отношении диаметров 0,75 производная находится в диапазоне между 0,66 и 0,67 до половины Х_т1Х.

При отношении диаметров седла и шарового подвижного элемента между 0,8 и 1,0 передаточный коэффициент изменяется значительно.

Рис. 3.9. Значения передаточного коэффициента шарового подвижного элемента

Эмпирическое уравнение для определения аэродинамической силы шарового подвижного элемента записывается как.

Учет аэродинамической силы важен для обеспечения стабильной работы пневмораспределителя при закрытии и открытии каналов.

Пневматические золотники по конструкции можно разделить на две группы — цилиндрические и плоские. Примеры двухбурточного и трехбурточного цилиндрических золотников представлены на рис. 3.10, где показана также схема подключения поршневого исполнительного механизма.

Рис. 3. JO. Двухбурточный цилиндрический золотник:

I — плунжер: 2 — гильза, 3 — обойма

Золотник состоит из плунжера с буртиками, гильзы с окнами и обоймы. Плунжер должен свободно перемещаться в гильзе, при этом пневматическое сопротивление для утечки воздуха в атмосферу должно быть достаточно большим, т. е. радиальный зазор между гильзой и плунжером должен быть минимальным. Материалы, из которых изготавливают гильзу и плунжер, должны иметь наименьшее трение в паре при отсутствии смазки, близкие температурные коэффициенты расширения, чтобы избежать заклинивания плунжера в гильзе при изменении температуры, а также иметь максимальное сопротивление истиранию.

Принцип работы золотника состоит в том, что плунжер, перемещаясь, изменяет соответствующим образом проходные сечения окон и тем самым создает различные сопротивления для воздуха, поступающего в пневмоцилиндр и вытекающего в атмосферу, отчего зависит скорость передвижения поршня. Отклоняясь в противоположную сторону от нейтрального положения, плунжер изменяет функциональное назначение окон, превращая окно наполнения в окно опорожнения, и наоборот, тем самым изменяет направление движения поршня на обратное. Сжатый воздух питания подводится к окну, расположенному посредине золотника.

Различают золотники с положительным, отрицательным и нулевым перекрытием. У золотников с положительным перекрытием ширина окна меньше ширины пояска буртика плунжера, т. е. h ^b. В нейтральном положении буртики плунжера перекрывают окна гильзы и тем самым запирают воздух, находящийся в силовом цилиндре. Поэтому золотники с положительным перекрытием по. иучили еще название отсечных золотников. Недостаток золотников с положительным перекрытием состоит в наличии зоны нечувствительности, определяемой разностью между шириной буртика и шириной окна. Это проявляется в том, что всякое перемещение плунжера от нейтрали на расстояние, меньшее, чем половина указанной разности, че приводит к открытию окон и, следовательно, к движению штока поршня исполнительного механизма.

Буртики плунжера золотника с отрицательным перекрытием имеют ширину, меньшую ширины окна, что устраняет зону нечувствительности. Однако с этим связан и основной недостаток такого золотника: даже при нейтральном положении плунжера имеется утечка рабочего воздуха в атмосферу. В связи с этим золотники с отрицательным перекрытием называют еще проточными золотниками. Ширина окна в таких золотниках обычно больше ширины буртика плунжера на величину до 0,02 мм. Однако золотники с отрицательным перекрытием применяют значительно чаще, чем золотники с положительным перекрытием, так как они дают возможность в приводах с отрицательной обратной связью обеспечить слежение с большей точностью, а зачастую и уменьшить склонность системы к автоколебаниям.

Золотники с нулевым перекрытием изготовить чрезвычайно трудно, поэтому практически их не используют.

Основными размерами золотников являются диаметр буртика плунжера D, перекрытие х и зазор между гильзой и буртиками плунжера. Ввиду малой вязкости воздуха утечки в пневматических золотниках велики. Поэтому зазор стремятся уменьшить до минимума, доводя его, например, для золотников с D = 10 ?+? 25 мм до величины меньше 0,01 мм. Перекрытие х необходимо выбирать по возможности наименьшим. Диаметр шейки плунжера d> ширину пояска h и расстояние между поясками е выбирают из конструктивных соображений, но с учетом того, что плунжер не должен создавать на пути движения воздуха сопротивление, соизмеримое с сопротивлением дросселирующих щелей.

Окна в гильзе могут быть круглыми. Однако круглые окна не позволяют получить линейную зависимость площади проходного дросселирующего сечения от хода плунжера Поэтому получили распространение золотники с прямоугольными окнами в гильзе, имеющие небольшую ширину и значительную длину в виде части дуги окружности. Такие окна выполняют фрезерованием, а гильзу помешают в обойму. Ввиду технологических трудностей при изготовлении гильзы ее часто выполняют в виде отдельных деталей, которые затем в соответствующем порядке располагают в обойме (см. рис. 3.11), причем гильза в обойме может быть уплотнена как за счет запрессовки, так и с помощью резиновых колец.

Рис. 3.11. Грехбурточныи цилиндрический золотник

Расчет цилиндрического золотника сводится к выбору диаметра буртика плунжера и размера окон, т. е. к выбору площади дросселирующей щели золотника, обеспечивающей заданную максимальную установившуюся скорость поршня при заданной максимальной нагрузке на поршень привода и заданном давлении питания золотника.

Величину эффективного проходного сечения щели золотника находят из формулы для максимальной установившейся скорости движения поршня:

где.

определяют для заданных давления питания р₀ и перепада давлений на поршне Ар при условии равенства эффективных площадей // =/2 =/дросселирующих щелей и истечении в среду с давлением, равным 0,1 МПа. Перепад давления на поршне:

где N — постоянная нагрузка на поршень, включающая силу трения, F/7-площадь поршня.

Разрешая выражение для максимальной установившейся скорости движения поршня относительно/, получим:

где и — максимальная заданная скорость движения поршня при заданной нагрузке на поршень N. Задавшись диаметром плунжера Д выбирают длину окна гильзы золотника / = // + h (рис. 3.12), причем гильза может иметь и одно прямоугольное окно. Тогда / = /у.

Рис. 3.12. Поперечное сечение золотника: 1 — плунжер: 2 — гильза.

Из уравнения для площади проходного сечения дросселирующего окна определяют наибольший ход ун плунжера золотника, обеспечивающий реализацию максимальной заданной скорости v поршня:

где р — коэффициент расхода, который принимают равным 0,8 при значительных открытиях окон. Исходя из неравенства b > ун> выбирают ширину окна в гильзе Приведенный расчет максимального хода плунжера относится к золотниковой паре с нулевым перекрытием. Остальные геометрические размеры плунжера и гильзы выбирают из конструктивных соображений. Для определения максимального расхода воздуха, идущего на наполнение полости поршневого привода при установившейся скорости и, воспользуемся выражением:

Подставляя сюда Р~Р / RT и v, получим:

Давление р/ исключим, воспользовавшись выражением для ф/. Тогда окончательно можно записать:

Соответствие конструкции золотникового распределителя и его условного обозначения отображено на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Соответствие конструкции золотникового распределителя и его условного обозначения

Работа распределителя сбалансирована по усилию. Высокое давление Р действует на противоположные равные площади D и ?, а низкое давление — на противоположные равные площади F и G.

В золотниковых распределителях особое значение имеет величина перекрытия в сочетании с формой седла и угла буртика плунжера. На рис. 3.14 показано количественное влияние величины перекрытия на площадь пропускания потока.

Рис. 3.14. Влияние величины перекрытия на площадь пропускания потока

Недостаточное перекрытие приводит к увеличенному потоку в зоне перекрытия. Идеальное перекрытие практически сложно реализуемо. Избыточное перекрытие приводит к появлению мертвых зон, пропорциональных величине перекрытия. Эти зоны могут быть уменьшены путем закругления углов буртика плунжера. Для прямоугольных буртиков плунжера аэродинамические силы стремятся закрыть поток и их величина зависит от хода плунжера, как это показано на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Зависимость аэродинамических сил от хода плунжера для различных рабочих давлений

Усилие возрастает на малых величинах хода и затем становится практически постоянным. Оно может быть уменьшено на 10% путем оптимизации формы буртика плунжера.

Схема поворотного клапана представлена на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Схема поворотного клапана: 1 — линия; 2 — поворотный элемент.

Поворотный элемент клапана, установленный в линии, позволяет при своем вращении открывать или перекрывать поток рабочего газа.

Разновидностью поворотного клапана является конструкция с дисковым поворотный элементом, показанная на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Конструкция с дисковым поворотный элементом.

Недостатком такой конструкции является наличие утечек при перекрытии линии и большого момента на поворотном элементе. Зависимость этого момента от угла открытия клапана приведена на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Зависимость момента от угла открытия клапана

Из приведенной зависимости видно, что оптимальный диапазон открытия данного вида клапана ограничивается примерно 60°. В связи с этим незакрытым остается некоторый угол а₀ (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Схема работы дискового поворотного элемента

Если трубопровод имеет цилиндрическую форму с диаметром Д то диск должен иметь форму эллипса с малой осью D и большой осью D/cos а₀. Когда клапан открыт на угол а, газ проходит между диском и стенкой трубопровода. В предположении, что поток параллелен стенке, его минимальное сечение равно разности между нормальным сечением трубопровода и проекцией диска. Для тонкого диска такой проекцией будет эллипс с большой осью D и малой осью D cos (a + a₀)/cos а₀. Тогда проходное сечение равно:

Проходя через сужающееся сечение между диском и стенкой, скорость потока возрастает, а статическое давление падает. В результате перепад давлений на диске стремится закрыть клапан. Это явление может быть уменьшено с помощью выполнения диска специальной формы.

Эмпирическая формула для аэродинамического момента может бьггь записана в виде:

где Р] и Pi- давления перед диском и за диском,.

F₃ (а)= 0,1 942 а ²у если а ^ 1,047.

где P_2c- критическое давление по отношению к Pj.