Пневмоусилители, классификация, назначение, статические и динамические характеристики усилителя типа сопло-заслонка.

Широкое использование позиционных следящих приводов, осуществляющих регули­рование положения исполнительных органов, вызвало необходимость применения мощных силовых систем управления, обеспечивающих хорошее быстродействие и точ­ную отработку управляющих сигналов при больших нагрузках и скоростях. Центральное место в этих системах отведено усилителям, осуществляющим усиление входных сигна­лов и управление исполнительными механизмами. Особая потребность в этих устрой­ствах возникает при создании различных электрогидравлических и электропневматиче­ских следящих систем, так как используемые в них электромеханические элементы, пре­образующие электрическую энергию в механическое перемещение, имеют ограничен­ные габариты и часто не могут преодолеть усилия на управляющих элементах исполни­тельных механизмов.

Гидроусилитель (пневмоусилитель) - устройство или совокупность устройств, преоб­разующих движение управляющего элемента в движение управляемого элемента боль­шей мощности с одновременным согласованием этих движений по скорости, направле­нию и перемещению.

Увеличение передаваемой мощности происходит за счет энергии, подводимой с по­мощью рабочего тела (жидкости, воздуха и т.д.) под давлением от насосной станции, гидроаккумулятора, компрессора и других питающих источников.

В технике регулирования и управления применяются в основном два типа усилите­лей: с дроссельным (золотниковые или типа сопло-заслонка) и со струйным управле­нием. Первые наиболее распространены в практическом применении. В них при изме­нении входного сигнала, заданного в виде перемещения, происходит дросселирование рабочего тела, то есть изменение сопротивления истечению путем деформации потока, что вызовет изменение расхода и давления рабочего тела на выходе усилителей.

Обычно усилители строятся по трем отличающимся друг от друга методам управле­ния: без обратной связи (разомкнутые), с обратной связью (замкнутые) и с комбини­рованной системой управления.

В настоящее время известны различные схемы и конструкции усилителей, которые классифицируются по выделенным общим признакам.

По числу каскадов усилители можно разделить на однокаскадные и многокаскадные. От числа каскадов зависят принципиальные схемы, выбор управляющих элементов, энер­гетические показатели, статиче­ские и динамические характе­ристики.

По числу дросселей (рабочих щелей, окон), содержащихся в распределителях усилителей, последние могут быть с одним дросселем (однощелевые), с двумя дросселями (двухщелевые) и многодроссельными, имеющими много рабочих ще­лей. Дроссели изменяют ско­рость рабочего тела по величи­не и направлению. Наибольшее распространение получили уси­лители с двумя и четырьмя дросселями. Все более широкое применение находят много­дроссельные усилители.

По расположению дроссе­лей, включенных в поток рабо­чего тела, усилители различаются последовательным и параллельным соединением дросселей. Наиболее часто применяющимся усилителям в практике характерны семь ти­пов принципиальных схем (рис. 5.1). Более сложные схемы (рис.5.1, д, е, ж) составлены на основе более простых схем (рис. 5.1, а, б, в, г). Таким образом очень важно свести все схемы к более простым, что упростит анализ и исследование характеристик и свойств усилителей. По схемам, представленным на рис.5.1.б, г, д, е выполняются золотниковые усилители, по схемам на рис. 5.1, а, ж — золотниковые и типа сопло-заслонка, а по схе­ме на рис.5.1, в — золотниковые и со струйной трубкой.Знаки + и — означают соответ­ственно увеличение и уменьшение площадей проходных сечений дросселей в процессе регулирования. Параллельные схемы включения дросселей (рис.5.1, д, е, ж) часто назы­вают дифференциальными или мостовыми, так как они являются аналогом широко из­вестного в электротехнике электрического моста Уитстона, содержащего четыре посто­янных или переменных сопротивления. К одной его диагонали обычно подключается источник питания, а к другой - потребитель (регулируемое устройство).В нашем случае последним является исполнительный механизм.

Статические характеристики однощелевого пневматического усилителя (преобразова­теля) сопло-заслонка. Пневматические усилители изображаются аналогично схемам, приведенным на рис.5.2., а и б, за исключением того, что на вход усилителя под давле­нием р_д подается сжатый воздух и через регулируемый дроссель 2 сопло-заслонка он вы­текает в атмосферу, где давление р_с равно атмосферному. При расчете статических ха­рактеристик усилителя можно принять следующие допущения; утечки воздуха отсутст­вуют; температура сжатого воздуха в процессе работы не изменяется; коэффициент рас­хода регулируемого дросселя сопло-заслонка не зависит от перемещения заслонки; по­тери давления на нерегулируемых участках сопла и магистралях отсутствуют; объем меж­дроссельных камер постоянный.Расход сжатого воздуха (газа) через дроссель:

критическая скорость; к — показатель адиабаты, к= 1, 4;

R — газовая постоянная;

Г—абсолютная температура воздуха перед дросселем; р_вх — давление воздуха перед дросселем (все давления подставляются абсолютных единицах); < р(о) - функция расхода давление в полости за дросселем, в которую поступает воздух.

При расчете можно принимать согласно различным формулам (уравнениям Сен-Венана и Ванцеля. Ф.Е.Санвилла и др.). Однако более предпочтительной можно считать гиперболическую функцию расхода:

Она сравнительно проста и позволя­ет достаточно точно осуществлять ста­тический и динамический расчеты.

Для систем с низкими давлениями или в случае использования ламинар­ных дросселей можно применять более простую функцию расхода: