RU2112149C1

RU2112149C1 - Electromagnet-operated air distributor

Info

Publication number: RU2112149C1
Application number: RU95107377A
Authority: RU
Inventors: А.А. Заславский; В.П. Тихонов; Е.Е. Шорников; В.С. Фимушкин
Original assignee: Конструкторское бюро приборостроения
Priority date: 1995-05-06
Filing date: 1995-05-06
Publication date: 1998-05-27
Also published as: RU95107377A

Abstract

FIELD: air-operated actuating mechanisms. SUBSTANCE: air distributor has two nozzles, electromagnet with spring-loaded armature built integral with flap and placed between nozzles, air ducts running to nozzles. Each nozzle is made in the form of gap between two concentric tubes made of nonmagnetic material. Electromagnet armature is made in the form of disk whose diameter is not smaller than that of nozzle tube; it has central bore to pass shaft secured in one of stators of valve-type electromagnet and spring-loaded on both ends by cylindrical springs which are installed in stator holes; stators and coils are placed in internal tubes of each nozzle with clearance h between them determined by using dependence

, where X_m is maximum armature travel; d is diameter of nozzle internal tube; b is internal tube wall thickness; stator poles are shifted from effective ends of their nozzles through amount of clearance to prevent seizure. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при разработке пневматических исполнительных механизмов, например летательных аппаратов, содержащих для распределения рабочего тела в полостях исполнительного механизма распределитель с электромагнитным приводом. The present invention relates to mechanical engineering and can be used in the development of pneumatic actuators, for example aircraft, containing a distributor with an electromagnetic drive for distributing the working fluid in the cavities of the actuator.

Известен воздушный двухпозиционный распределитель с приводом от электромагнитов [1] , который состоит из одного плунжера, двух промежуточных плунжеров и двух электромагнитов, управляющих работой промежуточных плунжеров. Наличие в нем дополнительной пневматической ступени регулирования (на промежуточных плунжерах) позволяло разгрузить электромагниты при обеспечении существенных потоков регулирования в исполнительном механизме. В то же время дополнительная ступень ухудшает динамику распределения в целом, что не позволяет применить аналог в быстродействующих приводах летательных аппаратов, а также усложняет конструкцию. Known air two-position distributor driven by electromagnets [1], which consists of one plunger, two intermediate plungers and two electromagnets that control the operation of the intermediate plungers. The presence in it of an additional pneumatic control stage (on intermediate plungers) made it possible to unload the electromagnets while ensuring significant control flows in the actuator. At the same time, an additional step worsens the dynamics of distribution as a whole, which does not allow the analogue to be used in high-speed drives of aircraft, and also complicates the design.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и принятый авторами за прототип является известный воздушный распределитель с приводом от электромагнита [2]. Он состоит из двух сопел, которые выполнены в виде втулок с центральным отверстием и при помощи каналов могут соединяться с рабочими полостями исполнительного механизма. Между соплами установлен якорь втяжного электромагнита, служащий одновременно клапаном для перекрытия сопел. Полость, в которой перемещается якорь, соединена каналами и пазами в якоре с выходным отверстием. Для перемещения якоря при обесточенной катушке последний подпружинен. Указанный пневмораспределитель имеет более высокое быстродействие, но при необходимости увеличения расхода воздуха помимо увеличения диаметра сопла требуется увеличивать ход якоря, что ухудшает динамику электромагнита. Вторым недостатком прототипа является тот фактор, что в электромагнитах одностороннего действия, срабатывающих под действием электромагнитной силы, а отпускающих под действием пружины, высокое быстродействие достигается за счет потребления существенной электрической мощности, которая в летательных аппаратах ограничена. The closest technical solution to the proposed and adopted by the authors for the prototype is a well-known air distributor driven by an electromagnet [2]. It consists of two nozzles, which are made in the form of bushings with a central hole and can be connected to the working cavities of the actuator using channels. An anchor of a retractable electromagnet is installed between the nozzles, which simultaneously serves as a valve for shutting off the nozzles. The cavity in which the anchor moves is connected by channels and grooves in the anchor to the outlet. To move the anchor with a de-energized coil, the latter is spring-loaded. The specified pneumatic distributor has a higher speed, but if it is necessary to increase air flow, in addition to increasing the nozzle diameter, it is necessary to increase the armature stroke, which affects the dynamics of the electromagnet. The second disadvantage of the prototype is the fact that in single-acting electromagnets that act under the influence of electromagnetic force and release under the action of a spring, high speed is achieved due to the consumption of significant electric power, which is limited in aircraft.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение расхода воздуха распределителя без увеличения потребляемой электрической мощности и при повышении его быстродействия за счет исключения зависимости расхода воздуха от хода якоря. The aim of the invention is to increase the air flow of the distributor without increasing the consumed electrical power and increasing its speed by eliminating the dependence of air flow on the armature travel.

С этой целью в предлагаемом воздушном распределителе с электромагнитным приводом, содержащем два сопла, электромагнит с подпружиненным якорем, совмещенным с заслонкой и размещенным между соплами, каналы подвода воздуха к соплам, каждое сопло выполнено в виде зазора между двумя концентричными трубками из немагнитного материала, якорь электромагнита выполнен в виде диска диаметром не менее диаметра внешней трубки сопла, имеет центральное отверстие, которым установлен с зазором на оси, закрепленной в одном из статоров клапанного электромагнита, и поджат с двух сторон цилиндрическими пружинами, установленными в отверстиях, выполненных в статорах. При этом статоры с катушками размещены во внутренних трубках каждого сопла с зазором, определяемым зависимостью

,
где
X_m - максимальный ход якоря; d - диаметр внутренней трубки сопла; b - толщина стенки внутренней трубки, а полюса статоров смещены относительно рабочих торцев своих сопел на величину зазора от залипания.To this end, in the proposed air distributor with an electromagnetic drive containing two nozzles, an electromagnet with a spring-loaded armature, combined with a shutter and placed between the nozzles, air supply channels to the nozzles, each nozzle is made in the form of a gap between two concentric tubes of non-magnetic material, the magnet armature made in the form of a disk with a diameter not less than the diameter of the outer tube of the nozzle, has a central hole, which is installed with a gap on the axis, fixed in one of the valve stators Agnita, and is pressed from both sides coil springs mounted in holes made in the stator. In this case, stators with coils are placed in the inner tubes of each nozzle with a gap determined by the dependence

,
Where
X _m is the maximum stroke of the anchor; d is the diameter of the inner tube of the nozzle; b is the wall thickness of the inner tube, and the poles of the stators are offset relative to the working ends of their nozzles by the amount of clearance from sticking.

Новые полезные свойства предлагаемого устройства обеспечиваются благодаря тому, что в нем в отличие от прототипа увеличение площади сопла (для увеличения расхода) не связано с ходом заслонки (якоря). Ниже представлены выражения для площадей сопел и сброса из них в прототипе и предлагаемом устройстве:
в прототипе

в предлагаемом устройстве:

S_сбр.= π•X_m(d₁-d)
где:
D - диаметр сопла в прототипе,
X_m - ход якоря,
d₁ и d - соответственно диаметры внешней и внутренней трубки сопла в предлагаемом устройстве.New useful properties of the proposed device are provided due to the fact that in it, unlike the prototype, an increase in the nozzle area (to increase the flow rate) is not related to the stroke of the shutter (anchor). Below are the expressions for the area of the nozzles and discharge from them in the prototype and the proposed device:
in prototype

in the proposed device:

S _sb. = π • X _m (d ₁ -d)
Where:
D is the diameter of the nozzle in the prototype,
X _m - the course of the anchor,
d ₁ and d are, respectively, the diameters of the outer and inner nozzle tubes in the proposed device.

Для обеспечения сброса воздуха из сопла без дроссерирования площадь сброса должна быть по крайней мере не меньше площади сопла. На основании этого условия из выражений для площадей сопел и сброса получаем:
для прототипа X_m ≥ D/4
для предлагаемого устройства

.To ensure air discharge from the nozzle without throttling, the discharge area must be at least not less than the area of the nozzle. Based on this condition, from the expressions for the nozzle and discharge areas, we obtain:
for prototype X _m ≥ D / 4
for the proposed device

.

Полученные зависимости показывают, что ход якоря в прототипе зависит от диаметра сопла, а в предлагаемой конструкции от ширины зазора между трубками сопла. Это обстоятельство позволяет в предложенном устройстве при одинаковом расходе воздуха с прототипом существенно уменьшить ход якоря, что приводит к значительному повышению быстродействия электромагнита. На основании приведенных выше выражений для площадей сопел и сброса можно получить степень уменьшения хода якоря в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом:

,
где:
m=d/D, n=b/D.The obtained dependences show that the stroke of the anchor in the prototype depends on the diameter of the nozzle, and in the proposed design on the width of the gap between the nozzle tubes. This circumstance allows the proposed device with the same air flow with the prototype to significantly reduce the course of the armature, which leads to a significant increase in the speed of the electromagnet. Based on the above expressions for the areas of nozzles and discharge, you can get the degree of reduction of the armature in the proposed device compared with the prototype:

,
Where:
m = d / D, n = b / D.

Так для равных расходов воздуха в прототипе и предлагаемом устройстве при m= 1 и n=0,1 имеет K = 2,21, т.е. ход якоря уменьшается по сравнению с прототипом более, чем в два раза. So for equal air flow in the prototype and the proposed device with m = 1 and n = 0.1 has K = 2.21, i.e. the course of the anchor is reduced by more than two times compared with the prototype.

Уменьшению времени срабатывания электромагнита также способствует постановка двух статоров и двух пружин. При этом за счет снижения усилия пружины и уменьшения хода якоря уменьшается потребная электрическая мощность, что компенсирует увеличение потребляемого тока за счет постановки второго статора с обмоткой. Для исключения залипания якоря на упоре сопла выполнены из немагнитного материала. The setting of two stators and two springs also helps to reduce the response time of the electromagnet. At the same time, due to a decrease in the spring force and a decrease in the armature stroke, the required electric power is reduced, which compensates for the increase in the current consumption due to the setting of a second stator with a winding. To prevent sticking of the anchor on the stop, the nozzles are made of non-magnetic material.

На фиг. 1 и 2 изображена предлагаемая авторами конструкция воздушного распределителя с электромагнитным приводом, который состоит из двух идентичных сопел, в сборе правого (1) и левого. Каждое сопло содержит две концентричные трубки, внешнюю 2 и внутреннюю 4. Трубки выполнены из немагнитного материала и жестко соединены друг с другом при помощи четырех перемычек В. Внутренняя трубка имеет дно Г с щелями А для сброса воздуха в атмосферу. К дну Г при помощи гайки 5 закреплен статор 9 электромагнита клапанного типа с катушкой 12. В центре статора левого сопла установлена на резьбе ось 7, на которой центральным отверстием размещена заслонка 10, выполненная из магнитомягкой стали. Заслонка одновременно служит якорем электромагнита и может свободно перемещаться вдоль оси 7. С двух сторон заслонка поджата винтовыми пружинами 6, при помощи которых выставляется в среднее положение между соплами. Для этой цели используются винт 16 и винтовая часть оси 7. Сопла, образованные зазором между трубками 2 и 4, со стороны нерабочей части закрыты крышками 3, и в своей задней верхней части имеют вырез Д, которым присоединяются к рабочим полостям исполнительного механизма. В качестве зазора от залипания используется воздушный зазор δ₃ между полюсами электромагнита и рабочим торцем сопла, выставляемый при помощи прокладок 8 при установке статора в трубке 4. Оба сопла, правое и левое, соединены друг с другом при помощи винтов 13, гаек 14 и втулок 15, образуя пневмораспределитель с электромагнитным приводом, который работает следующим образом. При подачи сигнала управления в обмотку статора левого сопла якорь под действием электромагнитных сил притягивается в левую сторону и перекрывает выход из левого сопла, недоходя до полюсов левого статора на величину δ₃ . Давление воздуха в рабочей полости исполнительного механизма, связанного с левым соплом, повышается. Одновременно полностью открывается выход из правого сопла, которое соединяет другую полость исполнительного механизма с атмосферой. Давление в указанной полости падает и под действием разности давления в полостях пневматического исполнительного механизма происходит перемещение его рабочего органа. При смене полярности сигнала управления якорь под действием электромагнитных сил и сжатой пружины левого сопла перемещается к правому соплу, закрывает выход из него, процесс наполнения и опорожнения в рабочих полостях исполнительного механизма меняется местами и его рабочий орган перемещается в другую сторону.In FIG. Figures 1 and 2 show the design of the air distributor proposed by the authors with an electromagnetic drive, which consists of two identical nozzles, assembled right (1) and left. Each nozzle contains two concentric tubes, external 2 and internal 4. The tubes are made of non-magnetic material and are rigidly connected to each other by means of four jumpers B. The inner tube has a bottom Г with slots A for air discharge into the atmosphere. A stator 9 of a valve-type electromagnet with a coil 12 is fixed to the bottom of D using a nut 5. An axis 7 is mounted on the thread of the left nozzle in the center of the stator, on which a shutter 10 made of soft magnetic steel is placed by a central hole. The damper simultaneously serves as the anchor of the electromagnet and can move freely along axis 7. On both sides, the damper is pressed by coil springs 6, by means of which it is set in the middle position between the nozzles. For this purpose, a screw 16 and a screw part of the axis 7 are used. The nozzles formed by the gap between the tubes 2 and 4 are closed by caps 3 from the inoperative side and have a cutout D in their upper upper part, which are connected to the working cavities of the actuator. The air gap δ ₃ between the poles of the electromagnet and the working end of the nozzle is used as a clearance gap, set by means of gaskets 8 when the stator is installed in the tube 4. Both nozzles, right and left, are connected to each other by screws 13, nuts 14 and bushings 15, forming a pneumatic valve with an electromagnetic drive, which operates as follows. When a control signal is supplied to the stator winding of the left nozzle, the armature is attracted to the left by the action of electromagnetic forces and blocks the exit from the left nozzle, not reaching the poles of the left stator by δ ₃ . The air pressure in the working cavity of the actuator associated with the left nozzle increases. At the same time, the exit from the right nozzle opens completely, which connects the other cavity of the actuator with the atmosphere. The pressure in the specified cavity drops and under the influence of the pressure difference in the cavities of the pneumatic actuator, its working body moves. When the polarity of the control signal is changed, the armature under the influence of electromagnetic forces and the compressed spring of the left nozzle moves to the right nozzle, closes the exit from it, the process of filling and emptying in the working cavities of the actuator changes places and its working body moves in the other direction.

Claims

An air distributor with an electromagnetic drive, containing two nozzles, an electromagnet with a spring-loaded armature combined with a damper and placed between the nozzles, air supply channels to the nozzles, characterized in that each nozzle is made in the form of a gap between two concentric tubes of non-magnetic material, an electromagnet anchor, made in the form of a disk with a diameter not less than the diameter of the outer tube of the nozzle, it has a central hole, which is installed with a gap on the axis, fixed in one of the valve stators Agnita, and is biased from both sides by coil springs mounted in holes made in the stator coils are arranged in the inner tubes of each nozzle with a gap h determined dependence

where X _m is the maximum stroke of the anchor;
d is the diameter of the inner tube of the nozzle;
b is the wall thickness of the inner tube,
and the poles of the stators are offset relative to the working ends of their nozzles by the amount of clearance from sticking.