Золотниковые распределители

Уплотнение между каналами в золотниковых распределителях обеспечивается либо за счет очень малых зазоров между самим золотником и корпусом (рис. 3.2а), либо за счет установки на золотнике О-образных колец или манжет. Распределители с дисковым золотником (с «подвешенным» диском) как и клапанные распределители выгодно отличаются сравнительно коротким ходом при переключении и незначительным износом (рис. 3.2б).

Способ управления золотником зависит от поставленной задачи. Существует множество способов ручного, электрического и пневматического управления, а также их различные комбинации. Например, основным элементом управления может служить электромагнит, но для случая потери электропитания предусмотрено ручное дублирование.

Различают способы непосредственного воздействия на золотник распределителя для его переключения и способы возврата золотника в исходное положение. Воздействие на золотник может осуществляться от кнопки, педали, ролика путем прямого пневмоуправления (давлением воздуха), от электромагнита непосредственно или за счет пилотного (непрямого) управления электромагнитом, действием возвратной пружины.

На рис. 3.3. показаны схема и устройство 2/2‑распределителя с прямым электромагнитным управлением и пружиной 11 возврата золотника в исходное состояние.

При подаче электрического тока на обмотку 2, последняя создает электромагнитную силу, преодолевающую усилие пружины возврата 11, в результате чего сердечник электромагнита 3 перемещается вверх, открывая доступ сжатого воздуха из отверстия входа 9 к отверстию выхода 10.

	Рис. 3.3. Конструктивная схема 2/2-распределителя с прямым управлением: а – в закрытом состоянии, б – в открытом состоянии, в – пневматическая схема распределителя, 1 – вставка; 2 - обмотка электромагнита; 3 - сердечник электромагнита (золотник); 4 - паз в сердечнике; 5 - пружина уплотнителя; 6 – уплотнитель; 7 - корпус золотника; 8 - контактная коробка; 9 - отверстие входа (поз. 1 на рис. «в»); 10 - отверстие выхода (поз. 2 на рис. «в»); 11 - пружина возврата

Такой распределитель в исходном состоянии не соединяет выходное отверстие 10 с атмосферой, и поэтому его используют довольно редко, в основном в качестве отсечного клапана.

В качестве распределителя чаще используется 3/2‑распределитель, пневматическая схема и конструкция которого показана на рис. 3.4. Такой распределитель может быть как нормально открытый, так и нормально закрытый. Отверстие для сброса воздуха в атмосферу в таком распределителе может быть выполнено во вставке (тогда он является нормально закрытым) или в корпусе золотника (тогда он является нормально открытым).

Нормально закрытые 3/2‑распределители используют для управления пневмоцилиндром одностороннего действия, непрямого управления другими распределителями, а также для подачи и отключения сжатого воздуха.

Нормально открытые 3/2‑распределители используются в том случае, когда необходимо иметь пневматический сигнал при отсутствии напряжения или когда шток в исходном состоянии должен быть выдвинут. Такие распределители реализуют логическую функцию «НЕ». Если сигнал на электромагнит не поступает (логический 0), на выходе возникает пневматический сигнал (логическая 1-ца). Нормально открытый распределитель называют еще инвертором.

		Рис. 3.4. Пневматические и конструктивные схемы 3/2‑распределителей с прямым электромагнитным управлением: а – пневматическая схема 3/2-распределителя нормально закрытого, б ‑ его конструктивная схема; в – пневматическая схема 3/2 распределителя нормально открытого, г – его конструктивная схема

С целью снижения затрат электроэнергии на питание распределителей и повышения их быстродействия используют непрямое управление распределителями. В этом случае электрический сигнал поступает на электромагнит, который переключает якорь-затвор пилотного клапана, а уже затем пневматический сигнал пилотного клапана воздействует на золотник главного распределителя. То есть осуществляется положительная обратная связь по давлению (рис. 3.5).

Главное отличие этого распределителя от модели с прямым электромагнитным управлением заключается в наличии дополнительного внутреннего пилотного клапана, роль которого в конструкции на рис. 3.5 выполняет якорь электромагнита, снабженный уплотнительными элементами.

Пилотный клапан может рассматриваться как усилитель, который увеличивает усилие, развиваемое электромагнитом. В исходном состоянии (рис. 3.5а) давление питания, подводимое к отверстию 1, прижимает нижний затвор 5 золотника к седлу, не позволяя воздуху проходить от отверстия питания 1 к выходному отверстию 2. При этом выходное отверстие 2 через выхлопное отверстие 3 сообщается с атмосферой.

При подаче электрического сигнала на обмотку электромагнита 1 его якорь 2, поднимаясь, открывает нижнее седло пилотного клапана, и сжатый воздух от отверстия 1 через обводной канал в корпусе и открытое нижнее седло пилотного клапана поступает в полость над приводным поршнем 3. Площадь поршня 3 больше площади нижнего затвора 5 золотника, поэтому поршень 3, сжимая пружину 6, опускает золотник вниз до соприкосновения верхнего затвора 4 с седлом, отсекая отверстие 2 от отверстия 3 и соединяя отверстие 1 (давление питания) с отверстием 2 (рис. 3.5б).

		Рис. 3.5. Схема 3/2 распределителя с электромагнитным пилотным (непрямым) управлением: а – в нормально закрытом положении, б – после включения электромагнита, 1 - обмотка электромагнита; 2 - сердечник электромагнита (якорь); 3 - приводной поршень золотника; 4 - верхний затвор золотника; 5 – нижний затвор золотника; 6 - пружина возврата

При снятии электрического сигнала якорь 2 под действием своей пружины перекрывает доступ воздуха повышенного давления в полость над приводным поршнем 3 и соединяет эту полость с атмосферой. Под действием давления, действующего на золотник снизу, оба затвора 4 и 5 поднимаются вверх, и распределитель приходит в исходное, нормально закрытое положение, показанное на рис. 3.5а.

4/2 и 5/2‑распределители с непрямым пилотным управлением принципиально не отличаются от вышеописанного 3/2‑распределителя. Они имеют большее количество параллельно работающих золотников или более сложные золотники.

Распределители, как правило, устанавливаются на общей плате управления, но с целью сокращения времени прохождения пневматического сигнала могут устанавливаться в непосредственной близости от исполнительного устройства или даже непосредственно на его корпусе.

В пневматических и электропневматических системах широкое применение получили регуляторы давления (редукторы), которые служат для поддержания постоянного давления в системе независимо от колебаний давления источника сжатого воздуха. Редуктор может только понижать давление в подключенной за ним пневмосистеме, поэтому его настраивают на минимальное давление источника сжатого газа. Например, если известно, что давление источника может колебаться в пределах 7‑8 бар, то редуктор сможет обеспечить постоянное давление, равное или меньшее 7 бар.

Схема редуктора давления изображена на рис. 3.6. Основой его работы является перемещение мембраны, находящейся под перепадом измеряемого давления и давления окружающей среды.

Сжатый воздух под давлением источника Р₁поступает от входного патрубка 1 к седлу 2 клапана 3 и под давлением Р₂ < Р₁ истекает через выходной патрубок 6 в систему. В общем случае на клапан с одной стороны («сверху») действует перепад давления DР = Р₁ - Р₂ и усилие пружины 4, а с другой стороны («снизу») – усилие пружины 12, которое регулируется винтом 13. Таким образом, положение клапанов 3 и 7 относительно своих седел 2 и 11 и, следовательно, их проходное сечение зависит от выбранного усилия пружины 12 при постоянном усилии пружины 4.

Пусть при некотором положении регулировочного винта 13 и давлении Р₁ установилось некоторое необходимое для питания системы давление Р₂ (рис. 3.6а).

Если давление Р₂ несколько увеличится (например, в связи с уменьшением расхода воздуха в системе), мембрана 10, сжимая пружину 12, переместится вниз, что, как показано на рис. 3.6 б, приведет к уменьшению проходного сечения между клапаном 3 и его седлом 2, увеличению сопротивления регулятора и снижению давления Р₂ до первоначально установленной величины.

Если давление Р₂ возрастет слишком сильно, вплоть до величины Р₁, что может наступить при полном прекращении потребления системой сжатого воздуха и негерметичности клапана 3 самого редуктора, мембрана 10 с седлом 11 опустится настолько сильно, что клапан 3 полностью закроется, откроется проходное сечение между перепускным клапаном 7 и его седлом 11, и избыток воздуха через отверстие 14 вытечет под оболочку корпуса 15 и далее в атмосферу через отверстия 9.

При необходимости подачи воздуха только в одном разрешенном направлении используются обратные клапаны (пневмодиоды). В другом, противоположном направлении, такие клапаны полностью блокируют поток воздуха. На практике затвором может служить шарик, плоский или конический диск. Клапан может иметь пружину, прижимающую затвор к седлу (рис. 3.7).

		Рис. 3.7. Схема конструкции обратного клапана с запорным элементом в виде диска: а – пропуск прямого потока, б – клапан заперт для обратного потока; 1 – корпус; 2 - седло клапана; 3 - запорный элемент; 4 - пружина

Для увеличения скорости обратного перемещения цилиндра одностороннего действия используются клапаны быстрого выхлопа. За счет увеличенного проходного сечения линии выхлопа эти клапаны (рис. 3.8) практически не оказывают сопротивления движению воздуха, что позволяет двигаться поршню в обратном направлении с максимальной скоростью. Для наилучшего использования свойств такого клапана его желательно устанавливать как можно ближе к обслуживаемому исполнительному механизму.

При проходе воздуха в прямом направлении через отверстие 1(рис. 3.8а) он прижимает запорный элемент 4 к седлу 2, что приводит к герметизации этого седла и предотвращению прохода воздуха через канал 3 выхлопа в атмосферу.

В этом случае сжатый воздух свободно проходит к каналу 2питания системы, отжимая к центру эластичную отбортовку 6 запорного элемента 4.

Если воздух начинает движение в обратном направлении (рис. 3.8в), запорный элемент 4 перемещается в сторону седла прямого хода 5 и прижимается к нему, предотвращая выход воздуха через канал 1.

При этом эластичная упругая отбортовка 6 запорного элемента 4 расправляется и способствует герметизации канала 1. Через открывшееся седло выхлопа 2 воздух свободно выходит по короткому каналу 3 большого сечения в атмосферу.

Для изменения скорости перемещения исполнительных элементов (например, поршней пневмоцилиндров) используются регулируемые дроссели с обратным клапаном, который устанавливается параллельно дросселю (рис. 3.9).

При подаче давления в прямом направлении (рис. 3.9а) воздух проходит через регулируемый винтом 4 дроссельный зазор 7, а обратный клапан 8 закрыт под действием пружины 6 и перепада давления на дросселе.

При движении воздуха в обратном направлении (рис. 3.9б) он движется как через дроссельный зазор 7, так и свободно проходит через отверстие 9, которое в данном случае открыто, т.к. поток воздуха отжимает обратный клапан 8. В таком положении дроссель практически не оказывает сопротивления потоку воздуха.

В электрических схемах управления системами электропневмоавтоматики широко применяются различные выключатели, переключатели и реле, которые могут быть нормально открытыми (в исходном положении контакты разомкнуты) или нормально замкнутыми (в исходном положении контакты замкнуты). Кроме того, эти элементы могут иметь фиксацию положения управляющего элемента (например – кнопки).

На рис. 3.10, 3.11 изображены конструктивные схемы простейших кнопочных выключателей и переключателей.

	Рис. 3.11. Конструктивная схема и условное обозначение простейшего выключателя с фиксацией положения

Для фиксации конечных положений в электропневматических системах широко применяются герконы (герметичные контакты), которые конструктивно представляют собой контактную пару, заключенную в герметичный, как правило, стеклянный корпус. При приближении к магнитному полю контакты геркона замыкаются, поэтому на контролируемом подвижном элементе необходима магнитная вставка, которая воздействует на контакты геркона. Для промышленного применения герконы дополнительно помещают в прочные корпуса, наполненные эластичной эпоксидной композицией.

Схема применения геркона при контроле поршня пневмоцилиндра показана на рис. 3.12. При приближении поршня к контактам геркона магнитная вставка воздействует на них, и контакты замыкаются.

	Рис. 3.12. Применение геркона в качестве датчика положения: а – поршень вне зоны чувствительности геркона, б – поршень в зоне чувствительности геркона, 1 – цилиндр; 2 - магнитное кольцо (вставка); 3 – поршень; 4 – геркон; 5 - корпус геркона; 6 - вывод электрических контактов

Для удобства настройки момента срабатывания геркона в одном корпусе с ним часто устанавливают светодиод, загорающийся при срабатывании контактов геркона. В этом случае геркон имеет три провода: один для подключения к положительной шине источника, другой для подключения к отрицательной шине источника и третий - для отвода сигнала.

Трехпроводные герконы в схемах обозначаются квадратом с тремя выводами и указанием типа геркона, которые кроме магнитных могут быть индуктивными, емкостными и оптическими (рис. 3.13).

	Рис. 3.13. Условные изображения трехпроводных датчиков электронного типа: а – магнитный на базе геркона, б - индуктивный, в - емкостной, г - оптический

В промышленных системах электропневмоавтоматики наиболее часто применяют магнитные герконы и индуктивные датчики, реже – оптические и еще реже – емкостные.

Индуктивные датчики реагируют только на металлические объекты. С лицевой поверхности датчик излучает осциллирующее магнитное поле. Если в пределы его действия попадает металлический объект, то возникающие вихревые токи изменяют магнитное поле. Это изменение воспринимается электронной схемой датчика, которая выдает выходной сигнал.

Действие оптических датчиков основано на изменении состояния фотодиода или фоторезистора в зависимости от яркости попавшего на них пучка света. Эти датчики чаще всего используют для подсчета деталей сложной формы.

Емкостные датчики реагируют на изменение электростатического поля и чаще всего используются для точного измерения очень малых перемещений.

Одним из элементов, наиболее часто использующихся в электропневмоавтоматике, является электромагнитное реле. Даже с появлением электронных систем управления (свободно программируемых контроллеров) и других жестко программируемых устройств (тиристоров) электромеханические реле по-прежнему широко используются в связи с их сравнительно низкой стоимостью и большим разнообразием: от небольших, длиной 10 мм с многочисленными контактами для передачи данных, до больших и мощных, называемых контакторами, которые способны пропускать большие токи и напряжения.

Типичная конструкция трехконтактного переключающего реле показана на рис. 3.14.

		Рис. 3.14. Конструктивная схема переключающего электромагнитного реле: 1 – корпус; 2 – скоба; 3 - обмотка реле; 4 - стальной сердечник; 5 - пружина возврата; 6 - подвижная стальная пластина; 7 - подводящий провод; 8 - подвижный контакт; 9 - подводящий контакт; 10 - нормально замкнутый контакт; 11 - нормально разомкнутый контакт; 12,13 - контакты обмотки реле