Методичні вказівки та завдання для виконання контрольної роботи з дисципліни “Автоматизація гідромеліоративних систем” студентами спеціальності 7.092602 “Гідромеліорація” заочної форми навчання

 

Рис.1.Гідравлічний регулятор мембранного типу

Принцип дії мембранного регулятора побудований на зрівноваженні сил, що діють на клапан, положення якого визначає витрату регулятора.

В усталеному режимі зі сторони патрубка на клапан діє сила:

 ,(1)

де   — діаметр патрубка,   ;

 - тиск в патрубку,  ;

Fг – сила гідродинамічного тиску,  .

Сила гідродинамічного тиску:

 ,(2)

де  - густина води,   ;

v - середня швидкість води в патрубках,   ;

 - витрата регулятора,  .

Зі сторони надмембранної камери на клапан діє сила:

 (3)

де   — діаметр клапана,  ;

  - тиск в камері,  ;

  - сила, що передається на клапан від частини мембрани, яка знаходиться між клапаном і корпусом камери,  ;

  - маса клапана,  ;

  - прискорення вільного падіння,  .

В усталеному режимі:

 (4)

Рівність (4) відтворюється за рахунок зміни тиску в надмембранній камері, який залежить від величини проміжку між соплом і заслінкою, і витрати   , так як:

 (5)

Розрахункам параметрів будь-якої системи автоматичного регулювання повинен передувати аналіз її роботи, бо пояснення фізичних процесів, що протікають в елементах системи, і їх взаємодії запобігає помилкам. Тому аналіз роботи системи автоматичного регулювання рівня води у колодязі необхідно розпочати із того , як впливає основне збурення-зміна витрати води із колодязя, на процеси в елементах системи.

Найбільш важким є режим роботи системи автоматичного регулювання, коли збурення змінюється стрибком. Тому розглянемо процес в системі, який викликаний миттєвим збільшенням витрати води із колодязя на  . До цього система знаходилась в усталеному режимі (виконувалась умова (4)).

Збільшення витрат на   зумовить зниження рівня води в колодязі і поплавок почне опускатись під дією сили тяжіння і сили тиску води на заслінку, яка закріплена на поплавку. Проміжок між

соплом і заслінкою збільшуватиметься, що призведе до зменшення тиску на виході дросельної трубки  . При зменшенні   тиск в надмембранній камері   стане більшим за   і вода почне витікати із камери. Тиск в ній зменшуватиметься, сила   стане більшою сили   і клапан почне переміщуватись вверх, збільшуючи витрату регулятора  . Збільшення витрати регулятора призведе до збільшення гідродинамічної сили   і клапан ще швидше підніматиметься. Такий зв'язок витрати з переміщенням клапана називається додатним зворотним зв'язком.

Зі збільшенням витрати   буде сповільнятися зниження рівня води в колодязі. Відповідно сповільняться опускання поплавка, зміна тиску   і переміщення клапана. Цей процес буде йти доти, доки знову не наступить рівність (4), а клапан не займе такого положення, при якому витрата регулятора збільшиться на  , яка буде дорівнювати  .

Процес переходу від витрати   до витрати   може мати аперіодичний або коливально-затухаючий вигляд, як це показано на рис.2.а.

При зміні витрати на   рівень води в колодязі також буде змінюватись за аперіодичним або коливально-затухаючим законом, але він не досягне початкового значення  , а буде меншим на величину похибки регулювання   (рис.2,б).

 

Рис.2. Перехідна характеристика 

1.2. Розрахунки параметрів регулятора

Вихідними даними для розрахунків конструктивних параметрів регулятора є розрахункова витрата   в  , мінімальний напір в патрубку   в  , при якому забезпечується пропуск розрахункової витрати, і швидкодія.

За цих умов діаметр підвідного патрубка:

 (5)

де — коефіцієнт витрати регулятора, який за даними експериментальних досліджень Українського науково-дослідного інституту гідротехніки і меліорації дорівнює 0,44...0,45.

Розміри надмембранної камери визначають із рівняння (4) для закритого стану регулятора. Експериментальним шляхом встановлено, що необхідна герметичність закриття регулятора досягається тоді, коли:

 (6)

Підставивши в рівняння (6) значення   і   відповідно із рівнянь (1) і (3) і врахувавши, що в закритому стані регулятора   і  , одержимо:

 

Для визначення сили   виділимо на поверхні мембрани кільце шириною   , яке віддалене від центру на віддаль   (рис3). Якщо знехтувати розтягненням мембрани, то сила тиску на кільце площею  , яка передається на клапан,

 (8)

Інтегруючи (8) в межах від радіуса клапана   до радіуса мембрани  , одержимо:

 (9)

Підставивши в (9)   і  , будемо мати

 (10)

Клапан складається із двох сталевих дисків і двох гумових прокладок. Його маса незначна і при визначенні діаметра діафрагми нею можна знехтувати. За цієї умови рівняння (7) матиме вигляд:

 

або

 (11)

Із конструктивних міркувань діаметр клапана приймають рівним:

 ,(12)

де   - товщина стінки труби патрубка.

Для спрощення розрахунків можна прийняти, що  . Для цієї умови рівняння (11) зводиться до вигляду:

 (13)

Додатний корінь рівняння (13)   визначає діаметр мембрани.

Діаметр надмембранної камери приймають рівним діаметру мембрани. Віддаль від патрубка до площини верхнього фланця