Расширение области применения автоматического управления точностью обработки на основе струйно-вихревых датчиков перемещений Пантелеев Юрий Павлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор струйно-пневматических бесконтактных датчиков перемещений для автоматизации управления и контроля 10

1.2« Анализ результатов предшествующих теоретических исследовании вихревых процессов и постановка задачи исследования 26

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙНО-

ВИХРЕВЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕНИЯ 42

2.1. Анализ рабочего процесса в струйно-вихревом датчике перемещений и принятие расчетных моделей 42

2.2. Вывод зависимости для ограниченных измерительных зазоров 59

2.3. Получение аналитической зависимости функции преобразования с учетом эжекцион-

ного истечения , . 70

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ

СТРУЙНО-ВИХРЕВЫХ СИСТЕМ 80

3.1. Исследование распределения статического давления в вихревой камере 80

3.2. Исследование и анализ структуры сбросного потока 92

3.3. Экспериментальное исследование и анализ рабочих характеристик струйно-вихревых датчиков перемещений 106

Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СТРУЙНО-ВИХРЕВЫХ СИСТЕМ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ 125

4.1. Исследование и оценка влияния основных геометрических параметров на рабочие характеристики вихревых СДРПК 125

4.2. Анализ источников погрешностей разработанных вихревых СДРПК и оценка их

величины 137

4.3. Промышленные испытания и внедрение результатов исследований 153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 180

ОПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 184

ПРИЛОЖЕНИЯ 193

• Обзор струйно-пневматических бесконтактных датчиков перемещений для автоматизации управления и контроля
• Анализ рабочего процесса в струйно-вихревом датчике перемещений и принятие расчетных моделей
• Исследование распределения статического давления в вихревой камере
• Исследование и оценка влияния основных геометрических параметров на рабочие характеристики вихревых СДРПК

Введение к работе

Проблема обеспечения заданной точности и производительности изготовления деталей, эффективного использования автоматизированных технологических комплексов и оборудования является одной из важнейших задач, поставленных ХХУІ съездом КПСС перед машиностроителями.

В связи с этим особую актуальность в настоящее время приобретает создание систем автоматического управления точностью обработки (САУТО) и систем автоматизации контроля и диагностирования технологического оборудования.

Одно из препятствий, сдерживающих разработку и внедрение указанных систем, обусловлено трудностями измерения и контроля линейных и других параметров, выражаемых через перемещение, непосредственно в рабочих зонах технологического оборудования в условиях серийного производства.

Поэтому неслучайно в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года"указано на необходимость "опережающими темпами развивать производство ... приборов и датчиков систем комплексной автоматизации сложных технологических процессов, агрегатов, машин и оборудования" [і] .

Основными направлениями совершенствования датчиков перемещений, являющихся основным звеном получения измерительной информации при создании систем автоматизированного управления точностью обработки и контроля технологического оборудования, является повышение их точности, пределов бесконтактных измерений, быстродействия и помехозащиленности как за счет использования новых принципов и схем построения, так и за счет существенного улучшения известных путем более детального изучения используемых в них физиче- ских явлений и закономерностей.

Исследованиями и разработками как в нашей стране, так и за рубежом была доказана целесообразность и перспективность использования принципов струйной техники (пневмоники) при создании датчиков (измерительных преобразователей) различных физических величин и в частности, датчиков перемещений и положения [2-8] .

К основным достоинствам струйных датчиков размерного и позиционного контроля (СДРПК) следует отнести большие передаточные отношения рабочих характеристик, малые габариты, бесконтактность измерений, позволяющая контролировать легкодеформируемые и прецизионные детали как из ферромагнитных, так и неферромагнитных материалов и пластмасс, конструктивная простота и дешевизна изготовления, долговечность.

Преимущества СДРПК по сравнению с индуктивными, емкостными, электроконтактными, оптико-электронными и другими средствами измерения перемещений открывают новые возможности и области применения при создании САУТО и систем автоматизации контроля и диагностирования технологических комплексов и оборудования особенно для высокотемпературных, взрыво-пожароопасных, агрессивных условий эксплуатации и в зонах, подверженных воздействию вибрации,мощных магнитных, электрических, радиационных и другого рода полей.

Большие заслуги в деле изучения и развития пневматических методов и средств измерения линейных перемещений принадлежат известным советским ученым О.Б. Балакшину, С.С. Волосову, А.Я.Рос-товых, Н.Н. Маркову, Ю.Г. Городецкому, А.В. Высоцкому, А.П.Куроч-кину, Е.И. Педю, Ф.В. Цидулко, B.C. Вихману, В.В. Кондашевскому, П.М. Полянскому и др.

Основными факторами, сдерживающими широкое практическое применение струйных датчиков перемещений в автоматизированных системах управления и контроля, являются их относительно малые диапа- зоны измерений и жесткие требования к очистке потребляемого сжатого воздуха ввиду использования в проточной части датчиков местных сужений и дросселей.

Проблемой существенного расширения диапазона измерений и повышения помехозащищенности струйных датчиков перемещений как в нашей стране (ИГО" АН СССР, НИИтеплоприбор, Волжск-БНИИАШ, НТО "НИИ-тракторосельхозмаш", Волгоградский и Таллинский политехнические институты, ЭНИМС, МВТУ им. Баумана, Ижевский механический институт и др.), так и за рубежом (VBb Pentacon, Festo Pneumatic, hlozgzen Си, CoZnLng,GEass Walks, Pitneu-bawes, bendlx Согрогасіоп и др.) интенсивно занимаются многие исследователи.

Работа ведется в направлении изучения физических процессов и закономерностей течений, используемых для получения оптимальных характеристик СДРШС, установления связи рабочих характеристик с конструктивными параметрами, совершенствования методов расчета и исследований, разработки новых схем и отработки конструкций, пригодных для использования в серийном производстве.

Необходимости совершенствования струйных датчиков перемещений в указанных направлениях способстует также бурное развитие струй-но-пневматического направления в технике автоматического управления и контроля.

Анализ схем и предварительная оценка метрологических и эксплуатационных характеристик известных СДРШС позволили сделать вывод о том, что к числу наиболее перспективных СДРШС относятся вихревые, работа которых основана на использовании свойств закрученных воздушных потоков.

Однако в настоящее время положительные качества вихревых СДРШС не могут быть реализованы из-за недостаточной изученности используемых в них физических процессов и закономерностей и отсутствия методов расчета их рабочих характеристик.

Цель работы заключается в исследовании и разработке струйно-вихревых датчиков перемещений аналогового и дискретного действия, обладающих широким диапазоном измерений, универсальностью рабочих характеристик и не требующих высокой степени очистки питающего сжатого воздуха, и создание на их основе систем автоматического управления точностью обработки и систем автоматизации контроля и диагностирования работы технологического оборудования для различных видов машиностроительных производств.

Научная новизна. Впервые достаточно полно изучены возможности и основные закономерности ограниченных вихревых воздушных потоков для расширения пределов измерений струйных датчиков перемещений. Изучены основные закономерности течений в вихревых СДРШ аналогового и дискретного типов, установлены связи их рабочих характеристик с основными конструктивными параметрами.

Получены зависимости для расчета функций преобразования вихревых СДРІЖ при различных режимах их работы, позволившие создать основы расчета вихревых СДРІЖ.

Выявлены факторы, влияющие на погрешность вихревых СДРБК, и исследована степень чувствительности их рабочих характеристик к различным влияющим факторам.

Практическая ценность. Разработаны вихревые СДРШ, позволяющие создавать на их основе системы автоматического управления точностью обработки и системы автоматизации контроля и диагностирования работы технологического оборудования, качественно отличающиеся от существующих систем широкими пределами измерений, защищенностью от воздействия пыли, шлама, смазочно-охлаждающих жидкостей и не требующих тщательной очистки питающего сжатого воздуха. Разработанные вихревые СДРШС открывают широкие возможности для использования богатого арсенала серийно выпускаемых пневматических элементов мембранной и струйной техники в системах автоматизации управления и контроля.

Практическая ценность также состоит в создании основ расчета вихревых СДРПК аналогового и дискретного действия, позволяющих проводить их расчет и проектирование для конкретных задач на уровне современных требований.

Автор выносит на защиту:

Предлагаемую классификацию СДРПК и методику экспериментальных исследований физической картины течений в вихревой камере и в сбросном потоке вихревых СДРПК.

Исследование связей геометрических параметров вихревых СДРПК с их рабочими характеристиками.

Методику инженерного расчета рабочих характеристик вихревых СДРПК аналогового и дискретных типов при различных режимах их работы.

Исследование степени влияния на рабочие характеристики вихревых СДРПК неблагоприятных факторов внешней среды и динамических факторов.

Исследование метрологических и эксплуатационных характеристик разработанных вихревых СДРПК в составе САУТО режущих частей сельскохозяйственных машин на плоскошлифовальных станках 3772В и ЗП772.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе на основе проведенного обзора и анализа схем и характеристик струйных датчиков перемещений предлагается классификация СДРПК, обосновывается выбор струйно-вихревой схемы построения СДРПК, приводится анализ результатов предшествующих исследований вихревых течений и определяются конкретные задачи исследования.

Вторая глава посвящена изучению рабочего процесса в вихревой камере и сбросном потоке вихревого СДРПК, на основе которого принимаются расчетные схемы и выводятся зависимости для расчета функций преобразования P_c^zf($) при различных режимах работы.

В третьей главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований газодинамических параметров течений в вихревой камере и сбросном потоке, а также выходных характеристик вихревых СДРШ аналогового и дискретного действий.

В четвертой главе исследована связь геометрических и конструктивных параметров разработанных вихревых СДРЇЇК с их рабочими характеристиками, приведен анализ источников погрешностей вихревых СДРШС и рассмотрен комплекс вопросов, связанных с практическим использованием разработанных вихревых СДРПК в (ЮТО и системах автоматизации контроля и диагностирования технологического оборудования.

Г Л А В A I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1« Обзор струйно-пневматических бесконтактных датчиков перемещений для автоматизации управления и контроля

Для получения первичных сигналов в автоматических приборах размерного контроля, системах автоматического управления регулирования, системах счета, блокировки и путевого контроля в машиностроении начинают все больше применяться аэрогидродинамические (струйные) методы измерения расстояний и перемещений, основанные на использовании таких физических процессов,как дросселирование потоков, взаимодействие струй, вихреобразование, отрыв вихрей от поверхности помещенного в поток тела, преобразование ламинарного течения жидкости или раза в турбулетное [9fI7] .

Измеряемое расстояние или величина перемещения в таких устройствах преобразуется в выходной сигнал, который в виде расхода или давления воздуха может восприниматься ротаметрическими или манометрическими указателями, индицирующими, усиливающими, преобразующими или непосредственно исполнительными элементами систем.

Возможность использования струйных бесконтактных датчиков (измерительных преобразователей) размерного и позиционного контроля (СДРШ) определяется в основном параметрами их рабочих характеристик: характером и величиной выходного сигнала, величиной рабочей зоны, величиной чувствительности, потребляемой и выходной мощностью, временными характеристиками, уровнем питающего давления, уровнем устойчивости к различным окружающим факторам и др.

Большое разнообразие возможных областей применения СДРПК приводит к необходимости создания многочисленных исполнений, отличающихся схемными и конструктивными решениями [18,19] .

В настоящее время не существует общепринятой классификации СДРПК. Деление их на группы в зависимости от величины зоны чувствительности [7, 20f22] довольно условно и, зачастую, приводит к тому, что датчики, работа которых основана на различных принципах, принадлежат одной группе.

На рис. I.I. приведена классификация СДРПК, основанная на принципе исполнения (торцевые, щелевые, лучевые, комбинированные). Такой подход к классификации является наиболее удачным, так как у СДРПК существует взаимосвязь между конструктивным исполнением и используемым аэрогидродинамическим эффектом [23].

Ниже рассматриваются основные из приведенных в классификации датчиков, дается сравнительный анализ метрологических схем,приводятся области рационального применения каждого отдельного вида датчика.

Наиболее известным и широко применяемым в приборах контроля размеров является дроссельный датчик "сопло-заслонка", представляющий собой пневматическое сопло с последовательно включенным входным дросселем. Исследованию датчика данного типа посвящена обширная литература [24f28] .

В датчике "сопло-заслониа" использована зависимость весового .расхода воздуха от площади кольцевого сечения, образованного торцем сопла и измеряемой поверхностью.

Площадь кольцевого сечения изменяется с изменением измеряемого линейного перемещения, что приводит в пределах рабочей зоны датчика к изменению весового расхода через кольцевое сечение и,в конечном счете, к изменению давления на выходе датчика.

На рис. 1.2. представлена общеизвестная метрологическая схема датчика "сопло-заслонка" и характер графической зависимости выходного давления датчика от измеряемого расстояния. Воздух под постоянным избыточным давлением поступает на входной дроссель I,

ЛучеДые (сггруинО- . акустические; щепебые

Струйные бесконтактные датчики поіицианною и размерного контроло (С ЬРГ)К)

_т

Торцевые

л

С релейным Зфхре/етом измерительны^ (пропсрциона/чныё)

КомЕиниробанные й ^ я

Рис. I.I. Классификация струйных бесконтактных датчиков позиционного и размерного контроля (СДРЖ)

Выход

77777777777777.

Рис. 1.2. Метрологическая схема я характеристика манометрической системы датчика "сопло-заслонка" ограничивающий расход в измерительной цепи датчика, и истекает в атмосферу через сопло 2, обращенное к объекту 3, расстояние до которого измеряется. Выходной сигнал датчика формируется в междроссельной камере 4 и в некотором диапазоне рабочей зоны находится в обратно пропорциональной зависимости от расстояния между торцем сопла 2 и поверхностью объекта 3.

Предельная величина рабочего диапазона датчиков "сопло-заслонка" определяется из условия эквивалентности проходного сечения сопла 2 и проходного сечения кольцевого зазора высотой о .

Из этого условия имеем где d - диаметр проходного сечения сопла; и_пр- предельное значение рабочего диапазона.

Из неравенства (1.1) получаем: дпр ~jr .

Таким образом, рабочий диапазон датчиков "сопло-заслонка" зависит от величины измерительного сопла и не превышает 0,8 мм (предельный диаметр измерительного сопла ограничен экономическими соображениями и не превышает, как правило, 2 мм).

Линейный диапазон измерения датчиков "сопло-заслонка" имеет величину не более 0,15 мм (рис. 1.2.).

Датчики нашли широкое применение в пневматических приборах контроля размеров, в позиционном контроле на ограниченных зазорах, в устройствах настройки и управления [29] .

Датчики "сопло-заслонка" обладают высокой чувствительностью, достигающей величины 2 МПа/м.

Помимо высокой чувствительности к преимуществам датчиков "сопло-заслонка" можно отнести простоту их реализации и миниатюр-ност:ь, позволяющую производить размерный и позиционный контроль в труднодоступных местах. Существует возможность легко комбиниро- вать их между собой с целью осуществления безбазового измерения, контроля различных геометрических параметров, суммы или разности размеров [зо] .

Основными недостатками датчиков "сопло-заслонка" являются малые пределы измерения, ограничивающие область их использования. Кроме того, схема датчика содержит входной дроссель, как правило, имеющий малое проходное сечение, что значительно повышает требования к очистке питающего воздуха [31,32] .

Более широкие пределы измерения расстояний по сравнению с датчиком типа "сопло-заслонка" имеет дроссельный датчик ежекторного типа [33] , метрологическая схема и характеристика которого приведена на рис. 1.3.

Воздух под постоянным избыточным давлением истекает из входного сопла I непосредственно в измерительное сопло 2 и далее через измерительный зазор, образованный поверхностью измеряемого объекта 3 и торцам измерительного сопла в атомсферу.

Выходное давление формируется в измерительной камере 4, между входным и измерительным соплами, и служит мерой расстояния О в пределах рабочей зоны датчика.

В датчиках эжекторного типа воздух эжектируется из измерительной камеры, что приводит к более резкому падению выходного давления, которое может достигать даже отрицательных значений.

Таким образом, эффект эжектирования увеличивает диапазон изменения выходного давления по сравнению с датчиком "сопло-заслонка" и расширяет линейный участок выходной статической характеристики [34]

Датчики эжекторного типа имеют рабочий диапазон до 1,5 мм и линейный участок измерения до 0,3 мм при максимальной чувствительности 1,5 МПа/м.

Датчики эжекторного типа нашли применение в размерном конт-

Выход

Pc Lrm S.cmJ

Рис. 1.3. Метрологическая схема и характеристика манометрической системы эжекторного датчика роле, в устройствах бесконтактного счета массовых деталей, в активном контроле при механической обработке и др.

Для позиционного и путевого контроля и управления применение эжекторных датчиков также ограничено ввиду малости рабочего диапазона.

Существенное расширение пределов измерения перемещений стало возможно, благодаря разработке конструкций коаксиальных СДРПК [35t37J .

Существует три основные разновидности коаксиальных датчиков, отличающихся чувствительностью и величиной рабочей зоны.

На рис. 1.4. представлены конструктивные схемы коаксиальных датчиков (с конусно-расходящимся соплом (а), с цилиндрическим соплом (б) и с конусно-сходящимся соплом (в)) и графические зависимости выходного давления датчиков от измеряемого расстояния (г).

Воздух, подаваемый в датчик под постоянным давлением, истекает из кольцевого зазора I, образованного корпусом 2 и центральной вставкой 3, формирующей сбросную струю конусно-расходящейся, цилиндрической или конусно-сходящейся формы.

Вследствие эжекционных свойств замкнутой сбросной струи в области выходного канала 4 образуется зона пониженного давления.

В случае присутствия объекта 5 в области сбросной струи часть потока питания отражается от него в зону выходного канала, тем самым повышая давление на выходе датчика.

Характеристики (рис. 1.4,г) имеют нелинейный характер, а величины измеряемых расстояний приближаются к диаметрам кольцевых сопел на их торце.

Датчик с конусно-расходящимся соплом имеет меньшую чувствительность и больший рабочий диапазон по сравнению с датчиком с конусно-сходящимся соплом.

Датчик с цилиндрическим кольцевым соплом по указанным пара-

Выход

Выход

Выход

Питание SCnnl

Рис. 1,4. Конструктивные схеш коаксиальных датчиков с конусно-сходящимся соплом (а), с цилиндрическим соплом (б), с конусно-расходящимся соплом (в) и зависимости выходного давления от измеряемого расстояния (г) метрам занимает промежуточное положение.

Бее три разновидности коаксиальных датчиков уступают по чувствительности рассмотренным датчикам, но значительно превосходят их по пределам измерения. Чувствительность коаксиальных датчиков находится в пределах 0,05-0,2 МИа/м.

Имея рабочую зону до 10 мм, датчики коаксиального типа могут успешно применяться в системах автоматического управления и контроля.

В технологических процессах датчики коаксиального типа могут быть использованы для контроля относительного положения отдельных частей механизмов, контроля наличия и положения деталей на рабочих позициях и др.

Датчики коаксиального типа конструктивно сложнее рассмотренных выше датчиков.

Кроме того, малая величина кольцевого зазора при недостаточной степени очистки питающего воздуха может служить причиной выхода датчика из строя по причине засорения.

Выше были рассмотрены струйные датчики размерного и позиционного контроля с односторонним расположением питающих и приемных сопел (торцевые).

На рис. 1.5. представлены схемы СДРПК с двусторонним расположением приемного и питающего сопел (щелевые) [А] .

Особенностями их является наличие специальной переключающей пластины, контактно связанной с контролируемым объектом, и бесконтактно - с датчиком.

Наличие переключающей пластины в щели датчика или прерывает струю питания, как это показано на рис. 1.5,а, или нарушает режим течения встречных струй (рис. 1.5,6).

Датчик щелевого типа (рис. 1.5,а) представляет собой две со-осно расположенные трубки I и 2, причем внутренний диаметр прием- /у////////////

Питание.\> _^Vv ^{]f-—^r-} >///////;//////;////./// bbixod

Пластина

Питание

Первклнзчаюіиая пластина

_{ПЇГ^І^НЇ} ////////////// )//////////////////

Рис, 1.5. Принвдпиальные схемы работы датчиков щелевого типа "трубка-трубка" (а) и соударения (б) ной трубки 2 больше, чем внутренний диаметр трубки І, в которую подается питающий воздух.

При отсутствии переключающей пластины 3 в щели датчика струя воздуха из питающей трубки беспрепятственно проходит до приемной трубки, где часть ее скороштного напора преобразуется в давление, которое и используется как выходной сигнал датчика. При введении переключающей пластины в щель датчика струя, ударяясь о нее, рассеивается, а выходная трубка датчика сообщается с атмосферой.

Этот датчик прост в конструктивном отношении, имеет высокий коэффициент полезного действия, но использование его в запыленной и загрязненной атмосфере ограничено из-за подверженности засорению.

Щелевой датчик, представленный на рис. 1.5,6 защищен от попадания внутрь его механических частиц, находящихся в атмосфере, благодаря непрерывному истечению воздуха из обоих трубок.

Общим недостатком рассмотренных датчиков щелевого типа является наличие контактной связи переключающей пластины с контролируемым объектом.

Датчики обоих типов применяются, в основном, в системах путевого контроля как путевые или конечный переключатели.

Имеются сведения об использовании датчиков щелевого типа для измерительных целей [38] , но наличие механической связи объекта с переключающей пластиной делает измерительную систему в целом бесперспективной из-за высокой критичности точностных характеристик к влиянию дестабилизирующих факторов механической связи(из-нос, нежесткость крепления, разрегулировка и др.).

На рис. 1.6. изображена схема, иллюстрирующая принцип работы струйно-акустического датчика позиционного контроля.

В струйно-акустических датчиках позиционного контроля используется свойство ламинарной струи воздуха турбулизоваться под воз-

Атмосфера

Т~Атпоссрера

Питание

Питание

Атпоссрера

Езыход _rJL

Питание

Питание

Ряс. 1.6. Принципиальная схема работы струйно-акустического датчика действием звуковых колебаний [39] .

Датчик состоит из генератора звуковых колебаний (свистка) I и чувствительного элемента струйного турбулентного усилителя 2.

В турбулентном усилителе 2 ламинарная струя, вытекая из канала питания 3, течет через камеру, сообщенную с атмосферной.Если акустический сигнал не поступает, течение струи остается ламинарным и в выходном канале 5 создается давление. Под действием акустического сигнала происходит турбулизация струи и выходное давление уменьшается, сигнализируя об отсутствии объекта в зоне действия датчика.

Если в промежуток между генератором звуковых колебаний и свистком внести предмет 4, то акустическое воздействие на струю прекратится и на выходе датчика вновь появится давление.

Рабочий диапазон струйно-акустических датчиков достигает 3-7 метров.

Простота и высокая надежность в запыленной атмосфере является отличительным признаком этих датчиков.

Струйно-акустические датчики могут применяться для контроля наличия и положения крупногабаритных деталей, в системе блокировки опасных зон технологического оборудования и других задач.

Имеются сведения о разработке струйных интерферометров, позволяющих производить размерный контроль с точностью до сотых долей миллиметра на расстоянии до 0,5 метра [40] .

На рис. 1.7. приведены схемы, иллюстрирующие работу комбинированных датчиков: с присоединением струи к стенке (а) и "трубка-трубка" - датчик соударения (б).

Датчик с присоединением струи к стенке (рис. 9,а) представляет собой комбинацию датчика типа "трубка-трубка" с соосным расположением сопел и струйного одностабильного логического элемента [41] . _{fc^ /\Ч\\ЧЧЧЧ\\Ч\\Ч 1^ Ж}

_а is] Р4

При перемещении управляющего клина І в направлении струи питания происходит ее разделение на два потока: сбросной (паразитный) 2 и управляющий 3. За счет эффекта Коанда управляющий поток 3 дискретно примыкаем; к стенке датчика и часть его скоростного напора восстанавливается в приемном канале 4 в давление выходного сигнала.

Определенное соотношение геометрических параметров датчика позволяет иметь выходную характеристику с шириной петли гистерезиса до I мкм.

Это является основным преимуществом описываемого датчика.позволяющим использовать его при автоматизации размерного контроля.

Датчик имеет малый КВД. Кроме того, наличие механических подвижных элементов, обеспечивающих подвод управляющего клина.усложняет измерительную систему и делает ее бесперспективной.

Комбинация датчика "трубка-трубка" с датчиком соударения (рис. 1.7,6) позволяет значительно расширить пределы контролируемых расстояний благодаря тому, что датчик соударения в этой системе, помимо функционального назначения, играет роль промежуточного усилителя.

Датчик представляет жесткую механическую систему, состоящую из активного сопла I, формирующего основную силовую струю и датчика соударения 2.

При перекрытии основной силовой струи датчика контролируемым объектом действие ее на соударяющиеся струи прекращается и на выходе датчика появляется выходной сигнал.

В случае отсутствия контролируемого объекта 3 в зоне действия датчика основная силовой струя нарушает режим течения соударяющихся струй, что приводит к исчезновению выходного сигнала датчика.

Помимо значительных контролируемых расстояний к преимущест- вам датчика можно отнести то, что он имеет прямой коммутационный эффект и не подвержен засорению окружающей средой»

1,2. Анализ результатов предшествующих теоретических исследований вихревых процессов и постановка задачи исследования

Вихревые течения, наблюдаемые в природе и технике, отличаются большим многообразием частных видов и масштабов - от циклонических циркуляции и смерчей до микромасштабных вихрей, которые мшжно рассматривать как элементы турбулентных течений [42J ..

В промышленности успешно применяются основанные на использовании свойств закрученных потоков такие устройства, как циклоны, центробежные форсунки, вихревые горелки, трубы Ранка-Хилыпа,вихревые расходомеры и газоанализаторы, вихревые усилители и др. [43_г50] .

В зависимости от назначения устройств вихревые камеры имеют различные конструкции, обеспечивающие наиболее эффективное протекание того или иного процесса.

Накопленный теоретический и экспериментальный материал по аэродинамике вихревых камер был ползгчен, в основном, на моделях циклонных камер, применяющихся в котельной технике и химической технологии. Значительно худе изучена аэродинамика коротких вихревых камер и совершенно отсутствуют исследования особенностей течения в вихревых датчиках перемещений, отличающихся своей конфигурацией, относительными размерами и условиями работы.

В вихревом СДРШС используется свойство поступательно-вращательного движения потока, генерируемого в вихревой камере, реагировать на объект при значительном его удалении от вихревой камеры [ 51,52 J . -

Поступательно-вращательное движение потока может быть создано рядом устройств: цилиндрической камерой с одним или нескольки- ми тангенциальными вводами, цилиндрической камерой с винтовым завихряющим аппаратом; цилиндрической камерой, в которой осуществляется принудительное вращение центральной области.

Б данной работе будет рассмотрено только создание поступательно-вращательного движения с помощью цилиндрической камеры с тангенциальными вводами сжатого воздуха.

Характеристики и свойства любого устройства, основанного на вихревых процессах, закладываются и определяются газодинамическ-ми и геометрическими параметрами используемых вихревых камер.

Определяющими газодинамическими параметрами вихревых камер являются: статическое давление и тангенциальная скорость. Статическое давление, распределенное по радиусу камеры и тангенциальная составляющая вектора скорости потока, связаны известным уравнением радиального равновесия элемента потока [ 53] : dP*Qddz _} (1.2) где U

Для нахождения распределения давления путем интегрирования уравнения (1.2) необходимо знать закон распределения тангенциальной скорости по радиусу.

По данным ряда исследований [43,54j , закрученный поток в вихревой камере по характеру изменения тангенциальной скорости можно разделить на две области: внешнюю и центральную. Во внепшей области с уменьшением текущего радиуса скорость, как правило,возрастает, а в центральной - напротив, уменьшается.

Первоначально течение во внешней области пытались описать уравнением свободного плоского вихря [ 55] , для которого справедлив закон Uf-l-const (1.3)

Течение же в центральной зоне считали аналогичным вращению твердого тела, что соответствовало закону -^-- const. (1.4)

Остановимся на рассмотрении закономерностей течения внешней области.

Предельное соотношение (1.3) лишь в первом приближении отражает реальную картину течения. Б более поздних работах [54,5б] использовался обобщенный степенной закон распределения тангенциальных скоростей: U_rZ^mz const. (I_#5)

Предполагалось, что показатель степени т является постоянным для заданной вихревой камеры и лежит в пределах

В некоторых работах значения показателя т принимались в зависимости от числа ^оій потока.

Впоследствии было найдено, что показатель т является сложной функцией геометрических размеров камеры и параметров потока.

Величина тангенциальной составляющей скорости при неизменном расходе газа определяется площадью поперечного сечения входных щелей и, в значительно меньшей степени, длиной камеры и местоположением щелей. При этом скорость вблизи цилиндрической поверхности камеры оказывается значительно меньше скорости на срезе входной щели. Последнее происходит вследствие трения, изменения траектории, расширения воздушной струи, входящей в вихревую камеру-

Рядом исследователей были предприняты попытки получения закона распределения тангенциальных скоростей путем решения дифференциального уравнения движения жидкости в камере.

Движение жидкости в вихревой камере описывается дифферен- циальным уравнением Рейнольдса в цилиндрических координатах [2,57] : ^г _{дг г ' р эг У(1ъ^~* г "Ж" дг' г дг} > (1.6) _{ч)і_///.,:.//,'}- J=bJl± ifrui-VtlirW-U) Ъг г '}^и_'

Это уравнение существенно упрощено для условий в среднем установившегося закрученного потока несжимаемой жидкости в плоских вихревых камерах. Так, в основной части вихревой камеры (/5^-1^ ) (рис. 1.8.) осевая составляющая скорости Ц% практически равна нулю [58J . Кроме того, закрученный поток в камере полагают симметричным относительно оси. Используя условие неразрывности потока ( Ui Z -const ), показано, что в правой части первого уравнения системы (1.6) bW г ъг г^г ~^и '

Исследование турбулентной структуры потока в циклонных камерах показало, что средние квадратичные пульсации компонент вектора скорости ( ЦЇ ) и ( U'[p г в зоне RZ-tZtg практически постоянны и мало отличаются по величине.

С учетом этого первое уравнение системы (1.6) записывается в

Величина у^тг ~р ^г^г - ^гъ представляет собой радиальную составляющую касательного напряжения в плоскости,перпендикулярной оси I . Таким образом,

Во втором уравнении системы (1.6) ^^-рйїи'іЛ_п ; поэтому его можно записать в следующем виде: J^{( г}дг ~/ Ьг Ъг г

Поскольку при выполнении практических расчетов удобнее пользоваться средними значениями параметров потока, уравнения (1.7) и (1.8) целесообразно осреднить по высоте камеры.

Окончательно дифференциальное уравнение потока, осредненно-го по высоте И камеры, уравнение неразрывности для средних скоростей представлены в виде: ^Ml+ui_{iQ (i#ii) ъг г} ⁷ _Ju^z_d* где <^e ₌jz—_=Ц коэффициент количества движения, рассчитан- ный по абсолютным локальным скоростям и абсолютной средней скорости Ucp ;

II -f^Ud* Ucp л - абсолютная средняя скорость; ігг, 6/2 hU/ - составляющие касательного напряжения. В результате интегрирования уравнения (ІДО) с учетом того, что распределение тангенциальных скоростей по высоте И камеры при турбулентном течении близко к равномерному (d~i ), а также исключив из рассмотрения напряжение і ft » так как в рассматриваемой области оно имеет небольшую величину [59 J , получена зависимость для определения тангенциальной скорости во внешней области: U** -Ь\_{+0,075_ Ku^l5-d.t. A''*⁵ 7/,33 _(1Л2) ^ЩЧ-Т< ««'—, ''Si > ^Н~Щ ' ^D-ds

По формуле (ІД2) путем подстановки Ь_р--Ц- -4г найдена тан- генциальная скорость Uy$ - на границе между внешней и центральной областями: ^Кь* u_f м+щ-^ул , ^(1ЛЗ где ip₌ \q2s у- ц— " безразмерный параметр вихревой камеры;

К$ - коэффициент возрастания скорости (КЯ ). При интегрировании уравнения неразрывности (I.II) получено выражение для радиальной составляющей скорости и_г-г-сопвЬ, ^=J-„ «!*>

Если учесть, что во внешней области абсолютная скорость по модулю практически совпадает с тангенциальной, т.е. и и^- О , то из выражения (1.9) может быть получено уравнение радиального равновесия элемента потока (1.2)

Коэффициент падения скорости К_и в работе [бо] определялся из уравнения количества движения, записанного для участка струи постоянного расхода, движущегося около цилиндрической стенки камеры.

При выводе формулы для Ки в работе [49] не учитывалось трение со стороны торцевых стенок. Кроме того, были сделаны допущения о том, что струя постоянного расхода имеет постоянную ширину, и кривизна цилиндрической стенки мала. Наиболее полное решение дано в работе [2] , где для определения коэффициента Ки получено следующее выражение: І-Кц -_ТС_Г± ₊ _g_ /. A )^z7 (I.I5) где і - коэффициент трения,

О - толщина пограничного слоя на торцевых и цилиндрической поверхностях; /-д- - относительная ширина тангенциального сопла; jf-_#. - относительная высота камеры.

Б работе [ 2 ] представлены кривые для определения Ки в зависимости от значений f , р и величины коэффициента трения С .

Таким образом, к настоящему времени разработаны расчетные методы, позволяющие с достаточной точностью определять тангенциальные скорости потока во внешней области вихревой камеры.

Рассмотрим теперь особенности методов расчета параметров в центральной области камеры.

Зависимость тангенциальной скорости от радиуса в работе [43] не находится из решения, а задается приближенным выражением, которое удовлетворительно описывает экспериментальные профили скорости: Mil - z-z-ZfmoK але)

После подстановки выражения (I,16) в систему уравнений стационарного движения вязкой несжимаемой жидкости в цилиндрических координатах получено: (I.I7) Uif так 1+Ь^г (I.I8) Upmcrx {1⁺fy^Z) _-т^гг_{\\?ги (lk) Г}д_Є = -|— " pr-L.

Значения масштабов Ъутм и Uymax , а также величина коэффициента f находились непосредственно из результатов аэродинамических продувок.

Значения указанных величин подлежат определению в каждом конкретном случае, так как зависят главным образом от геометрической конфигурации камеры.

Сопоставление расчетных профилей с опытными данными, выполненное в работе [ 53] , показывает, что полученное решение качественно правильно отражает структуру потока в вихревой камере. Что же касается профиля U_z , то последний из опытов определяется неточно и поэтому не может быть сопоставлен с расчетом.

Методика расчета, предложенная Л.А. Вулисом и Б.П.Устименко в работе [43J , была развита в работах [54,59] и на ее основе были обобщены существующие экспериментальные данные по аэродинамике циклонных камер. В указанных работах отмечается, что формула(І.Іб) справедлива только в узком интервале изменения геометрических параметров камеры.

Лучшую апроксимацию дает следующее выражение: где П - эмпирический коэффициент.

В некоторых работах [49] распределение давления в центральной зоне камеры находилось путем интегрирования уравнения (1*2). При этом характер распределения тангенциальных скоростей принимался постулативно по одной из следующих схем, приведенных на рис. 1.9.

В зоне % ^ 22 ?о закон распределения тангенциальных скоростей такой же, как во внешней области камеры (рис. І.9,а). В зоне %^ %о распределения скоростей подчиняется линейному закону: где Що - тангенциальная скорость на радиусе & .

В пределах центральной области 2^ % распределение тангенциальных скоростей подчиняется линейному закону (рис. 1.9,6).

В пределах центральной области тангенциальные скорости постоянны (рис. 1.9,в). Тангенциальные скорости распределены так же, как в свободном вихре (рис. 1.9,г). Uft = const.

Однако приведенные расчетные схемы плохо согласуются с экспериментальными данными и говорят о невозможности их использования при расчете вихревых СДРПК.

Согласно экспериментальным данным при приближении к центру камеры скорость Щ вначале возрастает, а затем, достигнув максимума в зоне 2₀ ^ 3 ^ Zg , уменьшается по закону, который отличается от линейного.

Одной из важнейших характеристик вихревых камер является коэффициент расхода камеры м .

В идеализированной схеме циклонного потока, положенной в ос-