Мембранные приводы широко используются в устройствах для механизации и автоматизации трубопроводной, запорной, регулирующей, запорно-регулирующей арматуры, применяющейся во многих отраслях промышленности, технологических системах, включая производства, работающие в специфических условиях воздействия агрессивных сред [1].
Мембранные устройства [2, с. 686, 3], а также торообразные, торовые [4] относятся к механизмам камерного, оболочкового типа, где энергией давления в камере создают силовое воздействие на гибкий элемент, перемещая в требуемое положение закрепленный на нем подвижный рабочий орган. При этом метод их функционирования основан на том, что силовое воздействие на гибкий элемент определяется произведением величины давления на эффективную площадь гибкого элемента, которая не изменяется в процессе работы.
Применение нового метода работы данных устройств [5], основанного на использовании эффективной площади гибкого элемента для регулировки силового воздействия на подвижный рабочий орган от давления рабочей среды, расширяет функциональные возможности и повышает их технические характеристики.
В одномембранных и двухмембранных устройствах, реализующих данный метод работы, на штоке установлен ограничитель изгибной деформации мембраны, выполненный в виде плоского упора, который, взаимодействуя с ней при определенном давлении рабочей среды в камере, увеличивает эффективную площадь мембраны, выполняя функцию дополнительной опоры на шток.
Исследования [6] показали расширение функциональных возможностей мембранных приводов путем обеспечения увеличения усилия на штоке в конце его прямого хода от величины давления рабочей среды и уменьшения усилия на штоке при обратном его ходе за счет изменения эффективной площади мембраны без изменения габаритных размеров устройства.
Одним из недостатков современных пневматических приводов является существенная зависимость величины хода подвижного рабочего органа от полезной нагрузки. В мембранных приводах данную зависимость снижают применением мембраны с жестким центром, увеличивающим её эффективную площадь, а соответственно, и силовое воздействие на штоке, создаваемое давлением рабочей среды. Однако уменьшение соотношения размеров жесткого центра к мембране уменьшает величину хода штока.
Цель исследования
Установить влияние полезной нагрузки на величину хода штока в пневматическом приводе с ограничителем изгибной деформации мембраны и подтвердить эффективность использования изменения в процессе работы эффективной площадью мембраны.
Материалы и методы исследования
Для исследования влияния эффективной площади мембраны на механические характеристики привода нами разработан лабораторный стенд (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1. Лабораторный стенд для исследования параметров одномембранного привода: а) вид общий; б) схема стенда
Лабораторный стенд состоит из корпуса 1 (рис. 1, б), в котором закреплена мембрана 2 с жестким центром 3, соединенным со штоком 4. Рабочая камера А соединена с датчиком давления 6 и через регулятор давления 14 с источником пневмопитания. На штоке с возможностью регулировки положения x установлена пластина 5, датчик 6 его перемещения, а также датчик давления 7 в рабочей камере А. Информация с датчиков поступает через АЦП 8 на ЭВМ 9. На штоке закреплен обводной элемент 10, на котором по оси штока закреплен нерастяжимый трос 11, соединенный через ролик 12 с грузом 13.
Материал мембраны резина ИРП – 1266; толщина мембраны 1 мм; диаметр мембраны 105 мм, диаметр штока 8 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследована зависимость величины хода штока от размера жесткого центра относительно мембраны для разных величин давления в рабочей камере и полезной нагрузки.
Пример результатов исследований приведен на рис. 2.
Рис. 2. Графики зависимости перемещения штока от соотношения радиуса r жесткого центра к радиусу R мембраны при полезной нагрузке N = 5 Н
Графики показывают существенное влияние величины соотношения размеров жесткого центра и мембраны, на характер изменения хода штока.
Величина хода штока снижается, несмотря на увеличение силового воздействия на него давления в рабочей камере. Это связано с тем, что при увеличении относительного размера жесткого центра уменьшается размер деформируемой части мембраны.
Применение ограничителя мембраны, не встроенного в нее, позволяет оптимизировать размер деформируемой части мембраны в зависимости от полезной нагрузки на привод. В отсутствии полезной нагрузки на привод при давлении p в рабочее камере А (рис. 3, а) ограничитель изгибной деформации не взаимодействует с ней, а при создании полезной нагрузки (рис. 3, б) взаимодействует, увеличивая ее эффективную площадь.
а б
Рис. 3. Схемы изгибной деформации мембраны при работе привода: а) без воздействия полезной нагрузки; б) с полезной нагрузкой
С целью визуализации пятна контакта ограничитель был выполнен прозрачным (рис. 4). Без внешнего силового воздействия (рис. 4, а) на подвижный рабочий орган ограничитель не контактирует с поверхностью мембраны, а воздействие полезной нагрузки приводит к возникновению пятна контакта ограничителя с поверхностью мембраны. Чем больше величина полезной нагрузки, чем больше пятно контакта.
а) б)
Рис. 4. Мембрана с ограничителем её изгибной деформации при работе привода: а) без полезной нагрузки; б) с полезной нагрузкой
Исследована зависимость величины хода штока от полезной нагрузки на привод для разных величин давления в рабочей камере и полезной нагрузки. Ограничитель устанавливался вплотную к мембране.
Силовое воздействие F от давления p в рабочей камере определялось с учетом эффективной площади Sэфф мембраны, зависящей от пятна её контакта с ограничителем.
где R – радиус мембраны; rусл – условный радиус пятна контакта мембраны с ограничителем.
Условный радиус rусл вычисляется как средний радиус площади пятна контакта. Пример силового воздействия, создаваемого давлением при различной полезной нагрузке, с учетом изменения площади контакта мембраны с ограничителем, показан в таблице.
Таблица пятна контакта мембраны с ограничителем
|
N, Н |
Пятно контакта, мм |
Sпк, см2 |
rусл, мм |
F·10, Н |
|
0 |
8х8х8х8 |
2,01 |
8 |
5,33 |
|
5 |
11х11х11х11 |
3,79 |
11 |
5,77 |
|
10 |
18х21х15х15 |
9,34 |
17,25 |
6,62 |
|
15 |
22х24х20х16 |
13,19 |
20,5 |
7,1 |
|
20 |
25х26х22х20 |
16,97 |
25 |
7,84 |
|
32 |
30х30х26х25 |
24,17 |
27,75 |
8,33 |
|
50 |
37х37х33х33 |
38,46 |
35 |
9,72 |
|
60 |
39х40х36х37 |
45,34 |
38 |
10,35 |
Пример результатов исследований приведен на рис. 5.
Рис. 5. Графики зависимости перемещения и силы на штоке от полезной нагрузки N при давлении 0,015 МПа, где: 1 и 2 – соответственно перемещение и сила без ограничителя; 3 и 4 – перемещение и сила с ограничителем
Графики показывают, что в традиционном приводе полезная нагрузка существенно влияет на ход подвижного рабочего органа, так как силовое воздействие от давления не изменяется. Применение в устройстве ограничителя изгибной деформации мембраны приводит к повышению силового воздействия от давления, увеличивая ей эффективную площадь. Это позволяет снизить зависимость хода подвижного рабочего органа от величины полезной нагрузки.
В приводе без ограничителя изгибной жесткости мембраны с увеличением полезной нагрузки, действующей на шток, его ход уменьшается до нуля при N равном 50 Н, так как силовое воздействие на шток от заданного давления постоянно. Использование ограничителя приводит к увеличению силового воздействия на шток от заданного давления, так как увеличивается эффективная площадь мембраны.
Заключение
В данном устройстве при полезной нагрузке 50 Н установка ограничителя изгибной деформации мембраны позволяет увеличить ход подвижного рабочего органа от нуля до 7,8 мм.
Механическая характеристика привода по интегральной оценке повышается примерно в 1,29 раза.
Таким образом, использование метода изменения эффективной площади в процессе работы и устройств для его реализации не только расширяет функциональные возможности мембранных приводов, но и значительно улучшает их технические характеристики.
Библиографическая ссылка
Сысоев С.Н., Воздуган А.А., Тестов Д.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОМЕМБРАННОГО ПРИВОДА С ОГРАНИЧИТЕЛЕМ ИЗГИБНОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕМБРАНЫ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 6. – С. 144-149;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37047 (дата обращения: 23.11.2024).