Мембранные исполнительные пневмомеханизмы

В пневмосистемах, и в особенности в пневмоавтоматике с небольшими ходами исполнительных механизмов и давлениями (<10 кГ/см²), широко распространены пневмоаппараты, основанные на использовании упругих элементов (мембраны, сильфоны и пр.)- Эти аппараты применяются как в качестве исполнительных механизмов, так и в качестве чувствительных элементов, воспринимающих измеряемую величину.

В системах промышленной пневмоавтоматики применяются преимуще­ственно приборы с эластичными неметаллическими (резиновыми и пластмас­совыми) мембранами, которые отличаются простотой конструкции, а также возможностью обеспечения полной герметичности.

Принцип действия и основные расчеты этих устройств были рассмотрены выше, однако применительно к условиям работы в чувствительных эле­ментах пневмоавтоматики к мембранным устройствам предъявляется ряд дополнительных требований. В частности, характеристики узлов этих пнев-моприборов в значительной мере определяются свойствами их упругих элементов — эластичных мембран, определяемыми как качеством материа- • ла, так и их свойствами сохранять эффективную площадь при различных условиях работы (величинах хода, перепадах давления и пр.).

Наиболее важным параметром является постоянство эффективной пло­щади мембраны _v изменение которой является одним из основных источников погрешностей мембранных механизмов. Эти изменения эффективной пло­щади в функции изменения перепада давления и перемещения жесткого центра мембраны относительно плоскости ее защемления являются основной характеристикой мембранных пневмоприборов. Для обеспечения высокой чувствительности мембрана должна иметь малую жесткость на изгиб й быть податливой при растяжении -в окружном направлении, но должна быть достаточно жесткой при растяжении в радиальном направлении.

Обеспечение заданного закона изменения эффективной площади мембран­ного узла. Рассмотренное выше свойство мембран изменять свою эффектив­ную площадь при перемещении жесткого центра (см. стр. 58), которое для большинства случаев применения мембран является отрицательным фак­тором, поскольку оно ограничивает точность пневмоприборов, часто исполь­зуется для создания ряда специальных приборов пневмоавтоматики.

В частности, в системах пневмоавтоматики требуется обеспечить плавное бесступенчатое регулирование (изменение) эффективной площади мембраны по заданному закону.

На рис. 229, а изображена схема мембранного узла, эффективная пло­щадь мембраны которой регулируется смещением жесткого центра. Мем­бранное полотно 2 защемлено по периметру между верхней 1 и нижней 3 частями корпуса. Центральная часть полотна зажата на грибообразном штоке 4, который выполняет роль жесткого центра.

Внутренняя боковая поверхность нижней части корпуса 3 и внешняя боковая поверхность жесткого штока 4 выполнены по заданному профилю (обычно в виде усеченного прямого конуса с. равными углами конусности при вершине, составляющими 60°). Усилие давления подводимого воздуха передается на выход через шток 5 регулируемой длины.

При допущении, что участок свободного провисания на дуге ab (рис. 229, а) очерчен дугой круга и образующие конусов являются каса­тельными к этой дуге, эффективная площадь определяется текущими зна­чениями диаметров Dud граничных линий касания полотна мембраны с кони­ческими поверхностями. Последнее обусловлено тем, что участки мембран­ного полотна, лежащие на конических поверхностях корпуса и жесткого центра, в работе мембранного механизма не участвуют, причем при равных углах конусности дуга кривой участка провисания сохраняется постоянной для всех положенийжесткого центра по оси. Однако поскольку провисание мембранного полотна, определяющее эффективную площадь мембраны, изменяется при перемещении жесткого центра в осевом направлении, изменяется с положением этого центра также и эффективная площадь мембраны. Так, например, при максимальном смещении жесткого центра из некоторого текущего положения, определяемого диаметрами контакта полотна D и d, вверх (на рис. 229, а это положение изображено штриховой линией) контакт мембраны с внутренней поверхностью конуса корпуса 3 происходит по диаметрам D_max j> D и с внешней поверхностью конуса жест­кого штока 4 по диаметру основания конуса d_max •> d. В соответствии с этим эффективная площадь мембраны достигает в этом положении максимального значения, определяемого из выражения

Аналогично для крайнего нижнего положения жесткого центра текущие значения d и D принимают значения d_mm <d и D_min <D, причем d_min равно диаметру жесткого центра, a D_min — диаметру нижнего отверстия корпуса 3 (рис. 229, а).

В соответствии с этим минимальная эффективная площадь мембраны

Диапазон изменения эффективной площади

Следовательно, минимальная и максимальная эффективная площадь мембраны и диапазон изменения этой площади определяются наименьшими и наибольшими диаметрами оснований этих конусов.

Анализ уравнений и результаты испытаний показывают, что эффективная
площадь изменяется при перемещении жесткого центра от S_min до S_max по
параболе (вытяжкой полотна мембраны пренебрегаем). Соответственно жест­
кость мембраны, характеризуемая функцией S — f (х), где х — перемещение
центра, находится для рассматриваемой схемы и условий в линейной зави­симости от положения жесткого центра относительно его крайнего нижнего
положения.

Для расширения диапазона изменения эффективной площади мембран­ного прибора применяют схемы с двумя мембранами, соединенными с общим жестким центром в виде двух усеченных прямых конусов равной конусности, вершины которых обращены друг к другу (рис. 229, б).

Нетрудно видеть, что усилия, развиваемые этими мембранами при подаче воздуха в камеру, направлены в противоположные стороны, ввиду чего эффективная площадь такой двухмембраннои коробки равна разности эффек­тивных площадей ее мембран, которые определяются, как и в ранее рассмот­ренной схеме, текущими эффективными диаметрами D₁ и D ₂.

В соответствии с этим с помощью такой двухмембранной коробки можно получить как нулевую, так и отрицательную эффективную площадь мем­браны, т. е. усилие такого механизма может изменить свой знак. При пере­мещении общего центра 1 мембран вниз эффективная площадь нижней мем­браны 3 уменьшается, а верхней 2 — увеличивается. Поскольку эффектив­ная площадь всей мембранной коробки в этой схеме равна разности эффек­тивных площадей мембран 2 и 3, то при некотором положении жесткого центра /, в котором площади мембран равны, результирующая эффективная площадь равна нулю. При дальнейшем смещении жесткого центра в том же направлении эффективная площадь верхней мембраны 2 станет больше, чем нижней 3 (эффективная площадь станет «отрицательной»), в соответствии с чем изменится знак усилия на штоке.

Анализ показывает, что эффективная площадь такой мембранной коробки практически находится в линейной зависимости от перемещения ее жесткого центра, и следовательно, она обладает постоянной жесткостью.

Поиск по сайту: