Главная  Промышленность 

[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

струйные системы

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

В настоящее время во многих областях техники используют струйные системы управления (СУ). Появление струйной пневмоавтоматики, быстродействие элементов которой превышает быстродействие пневматических элементов с подвижными частялЛ! и электромагнитных релейных элементов, определило дальнейшее расширение областей применения элементов и устройств пневмоавтоматики.

Высокое быстродействие, надежность и малые размеры струйных элементов позволяют строить сложные комбинационные и цифровые устройства для управления станками, промышленными роботами и другими машинами.

Простота конструкции элементов, возможность изготовления их методом печатных плат из различных материалов, способность работы струйных СУ в условиях радиации, электромагнитных полей, вибрационных и ударных нагрузок, высоких и низких температур, а также в пожаро- и взрывоопасных условиях, отсутствие движущихся механических частей и возможность широкого выбора материалов для изготовления струйных элементов - все это приводит практически к неограниченному сроку службы струйных устройств и их широкому применению.

Для питания струйных элементов используют промышленную воду, минеральные масла, выхлопные газы двигателей. Однако наибольшее распространение получили пневматические струйные элементы, что связано с рядом преимуществ, получаемых при использовании воздуха в качестве рабочей среды.

В разработке и использовании струйных элементов и СУ в народном хозяйстве СССР достигнуты значительные успехи. Областями применения струйной автоматики являются машиностроение, энергетика, нефтехимия, горнорудная, деревообрабатывающая и легкая промышленности и другие отрасли народного хозяйства. Особенно высокий экономический эффект (по сравнению с электрп-ческими и другими системами управления) обеспечивается при использовании струйных систем для управления машинами, работающими в пожаро- и взрывоопасных условиях и при наличии электромагнитных и радиационных полей.

В станкостроении струйные системы целесообразно применять для управления стайками, промышленны.ми роботами, в которых в большей степени используются пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. В этом случае эффект достигается в результате упрощения обслуживания, сокращения простоев и увеличения надежности. Использование струйной автоматики целесообразно также в станках, прессах и промышленных роботах с напряженным циклом.

В США фирмы SPEEDFAM и BURDONS & OLIVER выпускают станки со струйными системами управления. В Италии струйные элементы фирмы IMPERIAL-RIV используют в автомобилестроительной промышленности, и в частности в системах контроля на ВАЗе в г. Тольятти. В Японии струйные СУ применяют в станкостроении, роботостроении, судостроении, рыболовстве и других областях.


Р. ш

и) J) л;

Рис. 9.1. Принципы действий основных струйных элементов

Высокая надежность и низкая стоимость струйных логических элементов определяют их широкое использование для построения сложных управляющих устройств, содержащих сотни и тысячи логических элементов.

Ниже описан накопленный волжским филиалом ВНИИАШ значительный опыт по созданию и промышленному применению элементов и устройств струйной пневмоавтоматики, а также приведены данные о внешних и других устройствах струйной автоматики, разработанных ЭНИМСом, ВНИИГидроприводом

и другими организация.мн.

Принцип действия основных элементов систем управления. В элементах струйных СУ используются в основном следующие гидромеханические явления:

1) изменение сопротивления истечению потока из канала (на рнс. 9.1, а показан элемент типа сопло-заслонка, у которого выходное давление Рв увеличивается прн уменьшении зазора s и уменьшается при увеличении зазора);

2) силовое воздействие рабочей среды (воздуха) на твердое тело, например на мембрану, поршень и др. (на рис. 9.1, б), сигнал Рупг, поступающий с выхода струйного логического элемента на вход усилителя мощности, воздействует иа верхнюю управляющую мембрану, заставляя ее прикрыть сопло; в результате давление в полости над нижней (силовой) мембраной возрастает и обеспечивает переключение клапана усилителя; иа выход поступает сжатый воздух высокого давления;




Рис. 9.2. Картина течений в рабочей камере струйных элементов

3) прерывание струи (этот способ используется в элементах типа сопло-приемный канал, в элементах с встречными потоками; в путевом струйном выключателе, схема которого приведена на рис. 9.1, в, выходной сигнал рв становится равным нулю, когда заслонка прерывает струю; в выключателе, приведенном на рис. 9.1, г, соударение встречных питающих потоков воздуха под давлением р„ препятствует засорению выходных отверстий и паза выключателя твердыми частицами; когда заслонка опускается, соударение встречных потоков прекращается, давление рв на выходе выключателя понижается, в результате чего переключается присоединенный струйный логический элемент; при отводе заслонки в исходное положение давление рв повышается и элемент переключается в первоначальное состояние);

4) создание потоков в результате соударения истекающих струй и потоков (используется в струйных измерительных кольцевых датчиках (рис. 9.1,<Э) и элементах с несколькими соударяющимися под углом струями);

5) изменение режима течения среды (имеет место в акустических элементах и турбулентных усилителях; при отсутствии управляющего сигнала ру у турбу-летного усилителя, приведенного на рис. 9.1, е, ламинарная струя под давлением питания Ри обеспечивает на выходе сигнал рв, поступающий на вход струйного дискретного или аналогового элемента; при наличии управляющего сигнала ру ламинарная струя турбулизуется и сигнал Рв становится равным нулю);

6) отклонение струи вследствие соударения струй (рис. 9.1, ж) и в результате притяжения струи к стеике (см. рис. 9.1,з, и).

Часто в одном и том же элементе струйной СУ используются несколько гидромеханических явлений. В путевом выключателе (рис. 9.1,/с), например, используются эффекты соударения струй и прерывания струи твердым телом. Рабочий процесс струйных логических элементов системы «Волга» основан на эффектах соударения струй, притяжения струи к твердой стенке и внутренней обратной связи.

Принципы действия струйных дискретных и аналоговых элементов «.Волга-ь. Картина течений в рабочей камере струйного дискретного элемента изображена на рис. 9.2, а. Силовая струя, вытекая из канала питания 3 в камеру элемента, ограниченную стенками / и 2, эжектирует среду из окружающего пространства, поэтому в зоне между силовой струей и стенками давление ниже атмосферного. Положение струи становится неустойчивым и струя отклоняется к одной из стенок. При этом пространство для прохода эжектируемой среды по одну сторону от силовой струи уменьшается. Давление с этой стороны струи падает, что приводит к увеличению кривизны струи. Процесс искривления струи нарастает лавинообразно до тех пор, пока струя не притянется к стенке /. Давление pi в полости у стенки / уменьшается, а давление р., в полости у стенки 2 возраста ет и струя удерживается у стенки / за счет поперечного перепада давлений t\p = р. - pj. При этом часть силовой струи, называемая отраженным потоком, отсекается дефлектором 4 и направляется в область между струей и стенкой 2, в результате чего со стороны стенки 2 давление достигает величины, равной Pi + Ро. с, где Ро. с - Давление потока обратной связи, определяемое величиной отраженного потока и геометрическими параметрами камеры элемента.

Увеличение расхода воздуха, подаваемого в управляющий канал 5, приводит к отклонению струи в сторону стенки 2. При этом отсекаемая дефлектором 4

часть струи растет, что приводит к увеличению в полости у стеики 2 давления, препятствующего отклонению струи, т. е. возникает отрицательная обратная связь. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто критическое взаимное положение струи и разделителя, при котором изменится режим . обтекания дефлектора. При этом возникает отраженный поток с противополож-

ной стороны дефлектора, обратная связь становится положительной и процесс переключения струи к стенке 2 происходит лавинообразно. Аналогично протекает процесс переключения струи от стенки 2 к стенке /. Давления в управляющем канале, при которых происходит смена режимов обтекания дефлектора и переключение струи, называют давлением срабатывания и давлением отпускания.

Работа струйных аналоговых усилителей основана на соударении управляющей и силовой струй, направленных под углом друг к другу. В результате их соударения возникает результирующий поток, направление которого не совпадает с направлением взаимодействующих струй. Для двух струй, соударяющихся под прямым углом (рис. 9.2, б) угол отклонения а результирующего потока в первом приближении

h Pabn

{р где Ji, J2 - количества движения соударяющихся струй, ру и рп - давление

в управляющем и питающем каналах; by и 6п - ширина управляющего и питающего каналов.

Требования, предъявляемые к элементам струйной техники. Для характеристики элементов струйной техники основными являются следующие показатели: быстродействие; потребляемая мощность; логические возможности; помехоустойчивость; надежность; температурный диапазон; стоимость.

Хорошие значения этих показателей у элементов струйной техники делают целесообразным применение струпных систем управления для автоматизации в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в машиностроении.

Конструктивное оформление. В связи с тем, что функции и области применения струйных систем управления различны, к настоящему времени выявлено несколько видов конструктивного оформления струйных элементов.

1. Функциональные модули, предназначенные для построения вычислительных устройств, представляют собой платы, на которых выполнены несколько (два и более) логических элементов и коммуникационные каналы. Такое конструктивное решение обеспечивает максимальную плотность монтажа, т. е. наибольшее число элементов на единицу объема устройства.

2. Струйные элементы, предназначенные для сборки в пакеты. Плотность монтажа ниже, чем в первом случае, поскольку на каждой функциональной плате выполнен только один элемент.

3. Струйные элементы и модули, имеющие штуцеры и предназначенные для монтажа как гибкими шлангами, так и с помощью печатных плат. Преимущества таких элементов - простота технологического процесса их производства и, простота обслуживания построенных на их базе струйных СУ. Элементы данного типа являются основными в комплексе струйных элементов «Волга».

Характеристики. Работу струйных дискретных и аналоговых элементов, а также внешних устройств струйной техники оценивают с помощью статических и динамических характеристик.

К статическим характеристикам относятся:

входная (рис. 9.3, а), представляющая собой зависимость входного расхода Qy от входного давления ру в управляющем канале; входная характеристика позволяет оценить входные расходы элемента при различных режимах его работы и, следовательно, дает возможность правильно согласовать источник сигнала (струйный путевой выключатель, струйный элемент и др.) с управляющими входами элементов;

выходная (рис. 9.3, б), представляющая собой зависимость расхода Qb в выходном канале от давления рв в этом же канале; по выходной характеристике определяют нагрузочную способность элемента (датчика, путевого выключателя и т. п.) при работе его с логическими элементами или другими устройствами;




Рд Ротп pep Ру

Рис. 9.3. Характеристики дискретных элементов

0,1 0,1 0,3 o,pi/p„,;.fg

характеристика переключения (рис. 9.3, в), представляющая собой зависимость давления (расхода) на выходе элемента от давления (расхода) на любом из его входов. По характеристике переключения определяют порог срабатывания элементов, помехоустойчивость при их совместной работе.

На рис. 9.3, г приведена схема для снятия динамических характеристик элемента, к которым, в частности, относится показанная на рис. 9.3, д зависимость пропускаемой частоты от давления на входе. Это давление зависит от нагрузки, т. е. от числа элементов, подключенных к выходу элемента, и от сопротивления линий связи.

Работа аналоговых усилителей описывается статической характеристикой (рис. 9.4, а, б), которая показывает зависимость разности давлений на выходах

РВ2 ~ Рв1 Рв

Ру2 ~ Ру1

от разности давлений на управляющих входах

Отнощение


«4

«J

0,7 Ц6

0,5 «4 (?J 0.2

0.1 02


Рис, 9(4. Характерисги»и аналоговых усилителей 210

разности выходных давлений к разности давлений управления называется коэффициентом усиления по давлению. Введение отрицательной обратной связи в аналоговом усилителе обеспечивает его работу в релейном режиме. Характеристика переключения и схема релейного усилителя, который часто называют триггером Шмитта, показаны на рис. 9.4, в, г.

Быстродействие. Основным показателем быстродействия струйного элемента считают среднее время задержки распространения сигнала на один элемент при его включении и отключении, иначе говоря время от момента подачи сигнала «1» на вход до момента, когда выходной сигнал достигнет значения «Ь. Быстродействие устройств оценивается временем задержки и информации как в элементах, так и в линиях связи, а быстродействие счетных триггеров определяется максимальной частотой счета входных импульсов.

Наибольшее быстродействие имеют струйные элементы, построенные с использованием соударения струй: эффекта Коанда и эффекта внутренней обратной связи. У турбулентных усилителей быстродействие ниже. Обычно время переключения струйных логических элементов не превышает одной миллисекунды и зависит от геометрических размеров струйных элементов, давления питания и других факторов.

Потребляемая мощность. Мощность, потребляемая одним струйным элементом, мала и обычно не превышает сотых или десятых долей ватта. Однако при построении больших управляющих устройств потребляемая мощность может оказаться значительной. Поэтому комплекс элементов «Волга» имеет в своей номенклатуре как элементы большого размера, предназначенные для построения несложных устройств струйной автоматики, так и элементы малого размера с малой потребляемой мощностью для более сложных управляющих устройств. Элементы первого типа отличаются большим сечением питающего и других каналов и поэтому они менее требовательны к очистке питающей среды.

Уменьшение мощности, потребляемой элементами, достигается: снижением уровня давления питания струйных элементов при оптимальных проходных сечениях каналов; у элементов «Волга» минимальное давление питания равно 1,5- 2 кПа; уменьшением проходного сечения канала питания струйных элементов; приемлемое минимальное сечение канала питания зависит как от технологических возможностей, так и от условий работы управляющих устройств (от степени очистки питающей среды и ряда других факторов); кроме того, снижение потребляемой мощности может быть обеспечено при проектировании управляющего устройства путем определения минимального числа логических и других элементов, входящих в управляющее устройство, и выбора рационального источника питания.

Для струйных СУ с большим числом элементов чаще всего наиболее экономичным источником питания является вентилятор. Но в качестве источника питания сети низкого давления можно использовать и обычную заводскую сеть сжатого воздуха. В этом случае необходимо обеспечить хорошую очистку воздуха от влаги и механических частиц, а также использовать эжекторы, которые за счет подсоса воздуха из окружающей среды (точнее из выхлопного коллектора струйного управляющего устройства) позволяют существенно уменьшить потребление сжатого воздуха.

Логические возлюжности для систем струйных элементов определяются следующими показателями: числом входов; нагрузочной способностью; наличием двух взаимно инверсных выходов, что позволяет снимать одновременно как прямое, так и инверсное значение логической функции; числом логических функций, реализуемых одним элементом; возможностью объединения элементов в схемы для реализации различных логических функций и цифровых устройств; совместимостью по Уровням сигналов с другими системами элементов; наличием элементов, способных работать при длинных линиях связи, наличием индикаторных и других устройств.

У системы струйных элементов «Волга» все перечисленные показатели находятся на современном уровне.

Помехоустойчивость характеризует максимально допустимые давление помехи на входе, при которых не нарушается работа элемента (не происходит изменение состояния элемента). Причинами возникновения давления помех



[ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33