Гидравлические и пневматические усилители

Для увеличения сигнала по мощности в гидравлических и пневматических устройствах автоматики применяются усилители на золотниковых, струйных и дроссельных элементах, а также с использованием мембранных устройств с жестким центром.

Схема золотникового усилителя без исполнительного устройства представлена на рис.2.19, а. Усилитель состоит из штока 1 с буртиками 7, гильзы 5 и корпуса 6. Шток с буртиками называется плунжером золотника и связан с чувствительным элементом х. Рабочий средой является масло, вода или воздух, которые от насоса через трубку 3 подводятся во внутреннюю полость гильзы.

Рис.2.19. Схемы гидравлических и пневматических усилителей

В нейтральном положении буртики 7 закрывают окна каналов 2 и 4, соединяющих полости золотника с исполнительным механизмом. При перемещении плунжера влево рабочая среда из трубки 3 по каналу 4 попадает в исполнительный механизм, который приводится в движение. Через другие отверстия от исполнительного механизма рабочая среда поступает в сливную трубу 8. При перемещении плунжера вправо исполнительный механизм получает движение в обратную сторону.

Входная мощность золотниковых усилителей, расходуемая на движение плунжера, обычно составляет несколько ватт, тогда как н.а выходе исполнительного механизма, подбирая площадь открытия золотника и давление в напорной трубе, можно получить мощность до 100 кВт. Коэффициент усиления по мощности золотниковых усилителей в ряде случаев достигает значений порядка 10⁴÷10⁵.

Принцип работы усилителя со струйными трубками основан на преобразовании энергии движущейся жидкости в энергию давления.

Усилитель работает следующим образом (рис.2.19, б). В корпусе усилителя 4 располагается струйная трубка 8 с конической насадкой 7. Корпус имеет входной канал 2 и выходной канал 1. Трубка может поворачиваться вокруг оси 10, перпендикулярной плоскости рисунка. Смещение трубки производится толкателем 9, соединенным с чувствительным элементом.

С помощью пружины 3 устанавливается первоначальное положение струйной трубки. При этом струя жидкого масла, вытекая из наконечника трубки, попадает в оба канала 5 приемного сопла. При отклонении трубки из среднего положения давление P₁ в одном из каналов возрастает, а давление Р₂ в другом падает. Под действием разности давлений исполнительный механизм 6 перемещается в ту или иную сторону. Коэффициент усиления усилителя со струйной трубкой достигает 10⁴.

Статические характеристики рассмотренных усилителей выражают зависимость изменения расхода или давления в приемных каналах от смещения управляемого элемента - плунжера золотника или струйной трубки. Как правило, эти характеристики нелинейны.

Динамические характеристики с учетом массы плунжера или струйной трубки и сопротивления их движению учитывают первую и вторую производные по перемещению х. Поэтому эти усилители представляются динамическими звеньями второго порядка с передаточными функциями вида .

Усилитель с элементом типа «сопло-заслонка» (рис.2.19, в) состоит из дросселя 1 с постоянным проходным сечением f₁ междроссельной камеры 2, сопла 3 сечением f₂ и заслонки 4, вместе представляющих собой дроссель с переменным проходным сечением. Рабочая среда подводится в усилитель под постоянным давлением P₁ Она протекает через дроссель, междроссельную камеру, сопло_; а затем через зазор между торцом сопла и заслонкой. Междроссельная камера соединяется с рабочей камерой исполнительного механизма. Заслонка перемещается от чувствительного элемента.

Положение заслонки регулирует расход рабочей среды Q₁ через сопло, а следовательно, и через дроссель 1, поэтому давление Р₂ и расход Q₂ в камере изменяются. Затрачивая небольшую мощность на управление заслонкой, на выходе усилителя получаем значительную мощность N = P₂Q₂.

Мембранные усилители давления с постоянными коэффициентами усиления имеют две мембраны с жесткими центрами, которые образуют подвижную систему (рис.2.20, а). Из уравнения равновесия сил получим:

или

где Р_вх, Р_вых - давления на входе и выходе соответственно; F_1, F₂ - площади мембран; k=F₂/F₁ - коэффициент усиления.

Рис.2.20. Схемы мембранных усилителей:

а - с любым коэффициентом усиления; б - с коэффициентом больше единицы

При включении мембран по несколько измененной схеме (рис.2.20, б) получаем:

или

т. е. коэффициент усиления k = F₂/(F₂ - F₁) всегда больше единицы.

С ростом выходной мощности требуется затрачивать больше энергии для перемещения управляющего элемента, что снижает чувствительность усилителя. Для получения необходимой мощности усилителя и высокой чувствительности рекомендуется применять несколько последовательно соединенных ступеней усиления. Усилитель первого каскада с ограниченным расходом и малым давлением рабочей среды приводит в действие усилитель второго каскада с большим расходом и более высоким давлением рабочей среды. Коэффициент усиления двухкаскадных усилителей может достигать десятков тысяч.

Дата добавления: 2014-01-11