Пневматический исполнительный механизм двустороннего действия

 

Пневматический исполнительный механизм двустороннего действия относится к области машиностроения и может быть использован в летательных аппаратах. Изобретение позволяет обеспечить работоспособность пневматического исполнительного механизма при низких рабочих давлениях и упрощении его конструкции. Пневматический исполнительный механизм двустороннего действия содержит в корпусе цилиндров два поршня с общим подвижным элементом и каналы для подвода и сброса воздуха. Канал для подвода воздуха выполнен в корпусе цилиндров между поршнями. Каждый из поршней установлен с рабочим ходом между каналом для подвода воздуха и соответствующим каналом для сброса воздуха. Между поршнями и стенками цилиндров выполнен зазор площадью S_вх, определяемой зависимостью 0 < S_сбр/S_п ≅ 0,8 и 0 < S_у/S_сбр ≅ 0,5, где S_сбр - площадь отверстия канала на сбросе, S_п - площадь поршня, S_у - площадь утечек при закрытом канале на сбросе. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в силовых приводах, например, летательных аппаратах.

В указанных приводах широко применяются исполнительные механизмы в виде силового цилиндра двустороннего действия, содержащего поршень и каналы, которые попеременно используются для подвода или сброса рабочего тела (жидкости, сжатого воздуха) [1]. Для исключения перетекания рабочего тела из одной рабочей полости цилиндра в другую, снижающего развиваемое полезное усилие на поршне, по периметру поршня устанавливаются резиновые уплотнительные манжеты. При этом для гарантированного исключения перетекания рабочего тела устанавливается несколько манжет. В результате увеличивается сила трения поршня о цилиндр, существенно снижая полезное развиваемое усилие. При низких же рабочих давлениях исполнительный механизм становится не работоспособным. В известном устройстве [2] для герметизации рабочих полостей применены незамкнутые резиновые оболочки, одним концом прижатые к фланцу с патрубком для подвода воздуха, а другим - к поршню. В указанном устройстве полностью исключено перетекание рабочего тела при снижении усилия трения о стенки цилиндра. Но при этом усложняется конструкция и имеет место зависимость усилия трения от давления рабочего тела и от хода поршня, что оказывает негативное влияние на стабильность характеристик исполнительного механизма. Другим примером исключения перетекания рабочего тела из одной рабочей полости в другую является известное устройство [3], принятое авторами за прототип, в корпусе цилиндра которого размещены два поршня, соединенные общим штоком. При этом рабочие полости со своими поршнями разделены перегородкой в виде двух неподвижных дисков с уплотнительными резиновыми кольцами, обеспечивающими качественное уплотнение дисков по образующей цилиндра. Тем не менее кольца на штоке и компрессионные одиночные кольца на поршнях создают заметное усилие трения, что затрудняет применение прототипа при низких рабочих давлениях (10⁴...2·10⁵ Па).

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение работоспособности пневматического исполнительного механизма при низких рабочих давлениях при упрощении его конструкции за счет разработки не традиционной схемы создания усилия на поршне, при которой не требуется установка на нем уплотнительных манжет. С этой целью в предлагаемом пневматическом исполнительном механизме двустороннего действия, содержащем в корпусе цилиндров два поршня с общим подвижным элементом и каналы для подвода и сброса воздуха, канал для подвода воздуха выполнен в корпусе цилиндров между поршня, каждый поршень установлен с рабочим ходом между каналом для подвода воздуха и соответствующим каналом для сброса воздуха, причем поршни установлены относительно стенок цилиндров с зазором, площадь которого S_вх определяется зависимостью где S_сбр - площадь отверстия канала на сбросе; S_п - площадь поршня; S_у - площадь утечек при закрытом канале на сбросе.

При этом в первом варианте устройства поршни установлены параллельно друг другу, оси цилиндров совмещены, а подвижный элемент выполнен в виде штока, установленного в крышках корпуса по оси цилиндров с возможностью перемещения. Во втором варианте поршни установлены в одной плоскости, цилиндры выполнены в виде тросов и расположены симметрично относительно оси симметрии поршней, а подвижный элемент выполнен в виде коромысла, которое закреплено средней частью на оси, пресекающей ось симметрии поршней под прямым углом и установленной в корпусе цилиндров с возможностью угловой прокачки. При этом поперечные сечения поршней и цилиндров могут иметь круглую или прямоугольную форму.

Новые полезные свойства прямоугольного устройства обеспечиваются благодаря гарантированному зазору, введенному между поршнями и стенками цилиндров и служащему входным отверстием в каждый цилиндр, что обеспечивает перемещение поршней без трения о стенки цилиндров. При этом максимальное усилие, развиваемое исполнительным устройством, обеспечивается при соотношениях его конструктивных параметров, определяемых выше приведенной зависимостью. Основополагающим для получения указанной зависимости принималась физическая модель, полученная на основе известных уравнений газодинамики 4 и базирующаяся на выделении зон с движущимся газом в камерах исполнительного пневмомеханизма и распределительного устройства и зон с неподвижным газом вблизи поршней. При этом для каждой указанной зоны законы сохранения массы и энергии были сгруппированы в единую систему, что позволило при различных сочетаниях докритического и критического течения газа в различных конструктивных зонах исполнительного механизма при математическом моделировании на ЭВМ рассчитать его статические характеристики в безразмерном виде.

На фиг. 1 представлены графики полученной зависимости, где M - развиваемое усилие (момент), M_т - тормозное усилие (момент), f - отношение площади зазора между поршнем и стенкой цилиндра к площади отверстия канала на сбросе, y - отношение площади утечек при закрытом канале на сбросе к его площади. F_о - отношение площади канала на сбросе к площади поршня. При машинной обработке графиков фиг. 1 получена аппроксимирующая зависимость конструктивных соотношений исполнительного механизма для области обеспечения максимальных развиваемых усилий
0 < F_о ≅ и 0<y≅0,5.

На фиг. 2 изображены конструкции двух вариантов предлагаемого авторами пневматического исполнительного механизма двустороннего действия. Первый вариант, с поступательными перемещениями поршней, представлен на фиг. 2a, второй вариант, с угловым перемещением поршней, представлен на фиг. 2б). Объединяющей деталью исполнительного механизма является корпус цилиндров 1, в котором расположены цилиндры А и Б. В каждом цилиндре расположены поршни 3. Между поршнями в корпусе цилиндров выполнено отверстие 2 для подвода воздуха. По другую сторону каждого поршня выполнены отверстия 4 для сброса воздуха. В первом варианте (фиг. 2а) поршни закреплены на штоке 6, который имеет возможность перемещаться в крышках 5, установленных в торцах цилиндров А и Б.

Во втором варианте (фиг. 2б) поршни закреплены на коромысле 6, установленном на оси 5 в корпусе цилиндров с возможностью угловой прокачки.

В обоих вариантах поршни установлены с зазором относительно стенок цилиндров, необходимым для прохождения воздуха в рабочие зоны цилиндров. При этом в крайних рабочих положениях поршни всегда расположены между отверстиями 2 и 4 и не перекрывают их.

Поршни и цилиндры в первом варианте имеют круглую форму, а во втором - круглую или прямоугольную.

Низкие рабочие давления (≅ 2 · 10⁵ Па) позволяют использовать пластмассовые детали, что упрощает конструкцию исполнительного механизма и снижает трудоемкость его изготовления.

Функционирует предлагаемый пневматический исполнительный механизм следующим образом. Воздух с рабочим давлением поступает через отверстие для подвода воздуха 2 (фиг. 2) в корпус цилиндров между поршнями, откуда через зазоры между поршнями и стенками цилиндров в рабочие полости цилиндров А и Б. При подаче управляющего сигнала на распределительное устройство (в заявке не рассматривается) последнее закрывает отверстие для сброса воздуха 4 со стороны рабочей полости А и открывает со стороны полости Б. В рабочей полости А давление повышается, а в рабочей полости Б воздух выходит через отверстие для сброса и его давление падает до значения, близкого к атмосферному. Под действием перепада давления на поршнях (со стороны отверстий для сброса воздуха) поршни перемещаются в сторону открытого сбросного отверстия. При смене полярности входного сигнала закрывается сбросное отверстие 4 со стороны рабочей полости Б и открывается со стороны полости А. Процессы наполнения и опорожнения в рабочих полостях меняются местами, и поршни перемещаются в противоположную сторону.

Источники информации
1. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, том VI-VIII. -М.: Наука, 1981, том VII, с. 341, N 3804.

2. Авторское свидетельство N 1062437, кл. 15 15/00, 1982.

3. Авторское свидетельство N 1541424, кл. 15 15/00, 1987.

4.Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука, 1969, гл. V, 6, с. 217-243.

Формула изобретения

Пневматический исполнительный механизм двустороннего действия, содержащий в корпусе цилиндров два поршня с общим подвижным элементом и каналы для подвода и сброса воздуха, отличающийся тем, что канал для подвода воздуха выполнен в корпусе цилиндров между поршнями, а каждый поршень установлен с рабочим ходом между каналом для подвода воздуха и соответствующим каналом для сброса воздуха, причем поршни установлены относительно стенок цилиндров с зазором, площадь которого S_вх определяется зависимостью

при 0 < S_сбр/S_п ≅ 0,8 и 0 < S_у/S_сбр ≅ 0,5,
где S_сбр - площадь отверстия канала на сбросе;
S_п - площадь поршня;
S_у - площадь утечек при закрытом канале на сбросе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2