Мембранный привод
MEMBRANE DRIVE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, гидравлическим и пневматическим приводам, работающим от воздействия газа или жидкости.
Наиболее эффективно применение устройства, осуществляющего возвратно-поступательное движение рабочего органа при увеличении давления питания привода.
Известен мембранный привод с одной мембраной (см. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М.: Машиностроение, 1964, с. 275-280), под которую подается рабочая среда. Мембрана соединена через закрепленный на ней жесткий центр со штоком, выполняющим функцию подвижного рабочего органа. Привод работает следующим образом. При повышении давления рабочей среды мембрана прогибается, перемещая шток. Величина перемещения штока определяется силовым воздействием на мембрану от величины давления рабочей среды. Для мембраны с жестким центром силовое воздействие F определяется произведением давления p на эффективную площадь в соответствии с известным (см. Сысоев С.Н. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т; Владимир, 2001, с. 32) выражением:
,
где: R - радиус мембраны; r - радиус жесткого центра.
Величина перемещения подвижного рабочего органа в данных устройствах задается перед началом работы только величиной давления рабочей среды, что ограничивает функциональные возможности привода и область его применения.
Известен мембранный привод (см. Сысоев С.Н. Элементы гидравлического и пневматического оборудования: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т; Владимир, 2001, с. 80-83), применяемый в элементах УСЭППА. В устройстве рабочая камера ограничена мембранами, имеющими разные по площади жесткие центры, соединенные штоком, выполняющим функцию рабочего органа. При увеличении давления питания в рабочей камере шток перемещается в направлении жесткого центра с большей площадью. Реализация перемещения штока в направлении исходного положения осуществляется уменьшением давления питания в рабочей камере, для чего требуется сигнал управления на распределительную аппаратуру. Это усложняет, систему управления и снижает быстродействие.
Известен мембранный привод (см. АС №427206, Бондарчука Л.С. и др., опубл. 05.05.74 г., БИ №17), в котором используют одну мембрану и дополнительную рабочую камеру.
Устройство выполнено с возможностью соединения и разъединения надмембранной полости с дополнительной пневмолинией давления рабочей среды. Это позволяет увеличивать усилие возврата штока при снятии избыточного давления в подмембранной полости. Реализация данной функции осуществляется приводным механизмом двухстороннего действия, что усложняет конструкцию, систему управления и снижает быстродействие.
Наиболее близким по технической сущности из известных является мембранный привод (см. патент №143729, Сысоева С.Н. и др., опубл. 27.07.2014 г., Бюл. №21), в котором используют две мембраны с жесткими центрами, а в процессе функционирования используют изменение эффективной площади его мембран. Данный привод является частью системы приводов и работает совместно с камерным приводом. В известных мембранных приводах повышение давления рабочей среды в рабочей камере сразу же приводит к перемещению подвижного рабочего органа. В устройстве перемещение подвижного органа начинается только при достижении в рабочей камере определенного давления, что определяет его конструктивное исполнение. Привод выполнен в виде корпуса с рабочей камерой, ограниченной двумя мембранами с жесткими центрами, соединенными со штоком. Причем площади жестких центров в исходном положении одинаковы, а один из них выполнен из двух составных частей с возможностью разъединения при определенном силовом воздействии на него от давления рабочей среды. Части жесткого центра удерживаются от разъединения магнитной защелкой. При подаче рабочей среды в рабочую камеру первоначально шток не перемещается, так как эффективные площади мембран одинаковы и силовые воздействия на него с противоположных сторон от мембран равны. При достижении в рабочей камере определенного давления рабочей среды силовое воздействие от него разъединяет части жесткого центра и эффективная площадь мембраны уменьшается. Это приводит к перемещению штока в направлении мембраны с большим по площади жестким центром.
В данном устройстве расширяются функциональные возможности привода за счет организации дополнительной зависимости величины силового воздействия на шток от давления рабочей среды в рабочей камере.
Однако устройство выполняет функцию только перемещения штока в одну сторону при увеличении давления рабочей среды в рабочей камере, что ограничивает его функциональные возможности.
Таким образом, данное устройство и все известные не могут выполнять функцию перемещения рабочего органа в прямом и обратном направлении от исходного положения при увеличении давления питания рабочей среды в рабочей камере, что ограничивает функциональные возможности мембранного привода.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей мембранных приводов путем обеспечения возвратно-поступательного перемещения рабочего органа без изменения габаритных размеров устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в мембранном приводе, содержащем корпус с рабочей камерой, ограниченной двумя мембранами с большим и меньшим по площади жесткими центрами, соединенными со штоком, на штоке над меньшим жестким центром с внешней стороны рабочей камеры установлена пластина площадью, превышающей площадь большего жесткого центра.
В мембранном приводе пластина может быть установлена на штоке с возможностью перемещения вдоль него, фиксации положения и регулирования расстояния до мембраны.
Пример применения предлагаемого устройства в мембранном приводе представлен на фиг. 1, 2. На фиг. 1, поз. а, б, в, г, д, показаны этапы работы устройства. На фиг. 2 показан график зависимости положения X штока в зависимости от давления p в рабочей камере.
Устройство (фиг. 1, поз. а) состоит из корпуса 1 с рабочей камерой, ограниченной верхней 2 и нижней 3 мембранами. Мембраны соединены со штоком 4. Нижняя мембрана 3 выполнена с жестким центром 5, закрепленным на штоке 4, а верхняя мембрана выполнена с жестким центром 6, площадь которого меньше площади жесткого центра 5. Над мембраной 2 на штоке 4 размещена пластина 7 площадью больше площади жесткого центра 5, установленная с возможностью перемещения вдоль него. Ограничителем 8 регулируют расстояние l от пластины 7 до мембраны 2.
В исходном положении ограничителем 8 настраивают требуемое положение пластины 7 относительно мембраны 2. Когда пневматическое давление в рабочей камере равно нулю, шток 4 занимает исходное положение относительно корпуса.
1
1
При повышении пневматического давления в рабочей камере, например, до p (фиг. 1, поз. б), так как эффективная площадь нижней мембраны больше эффективной площади верхней, шток 4 перемещается вниз на величину +x.
2
2
Дальнейшее повышение величины давления до p (фиг. 1, поз. в) приводит к увеличению хода +x штока. При этом верхняя мембрана, изгибаясь, касается пластины 7.
3
Увеличение давления до p (фиг. 1, поз. г) приводит к увеличению площади контакта пластины 7 с мембраной 2, увеличению ее эффективной площади. Сначала к шток прекращает перемещение вниз, а затем перемещается вверх к исходному положению относительно корпуса.
4
3
Дальнейшее повышение давления до p (фиг. 1, поз. д) приводит к перемещению штока 4 вверх относительно его исходного положения на величину -x.
В данном приводе в процессе его работы изменяется эффективная площадь мембран. Это приводит к тому, что при повышении давления в рабочей камере шток перемещается сначала в одну сторону, а затем возврат и перемещение в другую сторону от исходного положения.
Таким образом, расширяются функциональные возможности работы мембранных приводов путем обеспечения перемещения рабочего органа при увеличении давления питания рабочей среды в две стороны от исходного положения без изменения габаритных размеров.
В лаборатории СКБ «Поиск» Владимирского государственного университета исследован предлагаемый мембранный привод. Моделирование, макетирование, натурные исследования показали его промышленную применимость и эффективность.