6. Практическое занятие №2 усилительные органы

Выходной сигнал измерителя может быть использован для непосредственного воздействия на РО. Однако иногда мощность этого сигнала оказывается недостаточной и ее повышают в усилительных органах.

Усилительный орган (усилитель) — это устройство (рис. 12), в котором осуществляется увеличение мощности управляющего (входного) сигнала за счет вспомогательной энергии W_B постороннего источника питания. По виду вспомогательной энергии усилители делят на механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.

Структура и общий принцип действия механических, гидравлических и пневматических усилителей одинаковы. Рабочая среда, являющаяся вспомогательной энергией W_B, подается к управляющему устройству (распределителю), которое по сигналу от датчика e = f (у_Д) управляет подводом энергии W_B к исполнительному механизму. Здесь энергия рабочей среды преобразуется в механическую работу s по перемещению выходного звена. В автоматической системе регулирования это движение передается регулирующему органу, воздействующему на ОР. Совокупность УУ с ИМ образует усилитель мощности, их конструктивное исполнение зависит от вида вспомогательной энергии.

Рис. 12. Структурная схема усилительного органа.

В механическом усилителе УУ выполняют обычно в виде фрикционной муфты или рычажного реле, передающего механическую энергию сжатой пружины либо движущихся масс приводу РО.

В гидравлических и пневматических усилителях управляющие устройства по принципу действия делят на струйные, золотниковые, дроссельные, компенсационные и комбинированные.

6.1. Гидравлические усилители

В гидравлическом усилителе с отсечным золотником и поршневым ИМ двустороннего действия (рис. 13, а) масло под давлением р_Р подводится через втулку управляющего устройства 2 к золотнику 3. В среднем положении золотник своими полями перекрывает окна каналов, идущих в полости цилиндра исполнительного механизма 1, и поршень неподвижен.

Рис. 13. Схемы действия гидравлических усилителей с отсечным золотником и поршневым ИМ.

При смещении Δe золотника из среднего положения под воздействием датчика одна из полостей ИМ сообщается с напорной магистралью, а другая — со сливной. Под действием силы, вызванной разностью давлений масла в полостях, поршень перемещается и через шток воздействует на РО. Поршень будет перемещаться на расстояние Δs до тех пор, пока не дойдет до крайнего положения в цилиндре либо пока золотник не вернется в среднее положение. Направление движения поршня зависит от направления смещения золотника.

Зависимость между входным параметром Δе усилителя и выходным Δs может быть получена из условия неразрывности потока масла, поступающего в полость ИМ. Так, за время Δt объем масла, поступающего через напорное окно УУ, равен объему, в котором переместился поршень за тот же промежуток времени:

f_З v Δt = f_П Δs,

где f_З — площадь открытого золотником проходного сечения окна;

v — скорость потока масла в окне;

f_П — активная площадь поршня ИМ;

Δs — перемещение поршня за время Δt.

Эта зависимость справедлива, если пренебречь силами сопротивления движению поршня, сжимаемостью и протечками масла, инерцией движущихся масс ИМ. При прямоугольном сечении окон шириной b площадь f_З проходного сечения пропорциональна смещению Δе золотника: f_З = Δеb.

В гидравлическом усилителе с отсечным золотником и дифференциальным поршневым исполнительным механизмом (рис. 13, в) активная площадь нижнего основания поршня 7 исполнительного механизма 1 значительно больше площади верхнего (кольцевого) основания. Верхняя полость неуправляема, и в нее по каналу 8 непрерывно поступает масло под давлением р_Р из напорной магистрали. При среднем положении золотник 3 своим полем закрывает канал 9, ведущий в нижнюю полость ИМ, и поршень неподвижен. Смещение Δе золотника вверх под действием датчика приводит к сообщению нижней полости ИМ через канал 9 со сливом. От давления масла на верхнюю кольцевую поверхность поршень перемещается вниз. При смещении золотника вниз обе полости ИМ соединяются с напорной магистралью, что приводит к движению поршня под действием разности сил вверх. Движение поршня прекращается при установке управляющего золотника в среднее положение.

В рассмотренных усилителях золотниковые УУ просты по конструкции и обладают большой пропускной способностью рабочей среды, что позволяет получить высокую скорость движения поршня ИМ.

При автоматизации паровых СЭУ широко применяют гидравлические усилители со струйными УУ. В корпусе управляющего устройства типа струйного реле 4 (рис. 14, а) установлены напорное сопло 1, качающаяся струйная трубка (сопло) 3 и два приемных сопла (диффузора) 5, которые трубопроводами сообщаются с полостями поршневого исполнительного механизма 6 двустороннего действия. Вода (реже масло) под давлением р_р = (4÷8)10⁵ Па подводится через напорное сопло в диффузор струйной трубки 3, закрепленной на оси 2. Ось совершает качательные движения по сигналу от датчика. При выходе из сужающейся трубки 3 потенциальная энергия давления жидкости преобразуется в кинетическую, а в расширяющихся соплах 5 кинетическая энергия вновь превращается в потенциальную. Среднему положению  трубки относительно приемных окон соответствует одинаковое давление в выходных соплах 5 (p₁ = р₂) и полостях ИМ. Поршень при этом неподвижен. Смещение сопла 3 из среднего положения в положение  или  приводит к совмещению его с одним из сопел 5, вследствие чего растет давление в одной полости ИМ и падает в другой. Под действием разности давлении поршень перемещается либо до крайнего положения, либо до тех пор, пока сопло 3 не вернется в среднее положение. Жидкость, не попавшая в напорный трубопровод и вытесняемая поршнем при его движении, идет на слив под давлением р_СЛ через патрубок в корпусе струйного реле. Выходным параметром усилителя является перемещение s штока ИМ.

В струйном двухпоточном усилителе (рис. 14, б) напорные сопла 1, идущие от подводящего штуцера 7, и приемные сопла 5 закреплены неподвижно попарно друг против друга, а подводом жидкости к исполнительному механизму 6 управляет подвижная качающаяся заслонка 8, связанная с датчиком через вал 2.

При среднем положении  заслонки давление в приемных соплах 5, а следовательно, и полостях ИМ одинаково (р₁ = р₂). Отклонение заслонки от среднего положения в положение  или  приводит к разности давлений в полостях, вызывая перемещение поршня. Жидкость из полости с меньшим давлением идет на слив через диффузор и сливное отверстие в корпусе УУ. Поршень перемещается до тех пор, пока заслонка струйного реле не встанет в среднее положение.

Рис. 14. Схемы действия струйных гидравлических усилителей.

При среднем положении  заслонки давление в приемных соплах 5, а следовательно, и полостях ИМ одинаково (р₁ = р₂). Отклонение заслонки от среднего положения в положение  или  приводит к разности давлений в полостях, вызывая перемещение поршня. Жидкость из полости с меньшим давлением идет на слив через диффузор и сливное отверстие в корпусе УУ. Поршень перемещается до тех пор, пока заслонка струйного реле не встанет в среднее положение.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется кривошипно-шатунным механизмом в угол разворота α_С выходного вала и зубчатого сектора 9, передающего воздействие на РО.

Рассмотренные усилители являются астатическими, так как любое значение входного параметра Δe  0 вызывает изменение выходного параметра до максимального значения ΔS_max с постоянной скоростью. Движение выходного звена таких усилителей может быть ограничено при любом его промежуточном положении установкой УУ в среднее положение, т. е. при Δe=0. Для этого необходимо соответствующее воздействие датчика либо введение в усилитель отрицательной жесткой обратной связи, сущность которой состоит в действии на управляющее устройство ИМ противоположно действию измерителя.

Рис. 15. Схема действия гидравлического усилителя с ЖОС

Гидравлический усилитель с ЖОС (рис. 15) отличается от усилителя, показанного на рис. 14. а, тем, что через рычаг жесткой обратной связи АОВ передается обратное кинематическое воздействие от поршня 3 исполнительного механизма на подвижную втулку 1 золотника 2. Если при некотором воздействии измерителя золотник смещается относительно втулки из среднего положения вверх на расстояние Δe_Д, то верхняя полость исполнительного механизма сообщается с напорной магистралью, а нижняя — со сливной. Сила, вызванная разностью давлений р_Р — р_СЛ, движет поршень вниз. Он разворачивает рычаг АОВ относительно опоры О в положение А'ОВ' и смещает золотниковую втулку вверх на расстояние Δe_Ж, перекрывая золотником окна, идущие к исполнительному механизму. Движение поршня прекращается в момент установки втулки и золотника в среднее положение вследствие действия ЖОС. Такая обратная связь, принцип действия которой основан на компенсации (выравнивании) перемещений, является кинематической.

Таким образом, под действием кинематической следящей ЖОС ограничивается движение поршня ИМ и новому значению Δe_Д входного параметра усилителя соответствует новое значение Δs выходного параметра. Зависимость между этими величинами можно получить из условий движения золотника относительно втулки под действием датчика Δe_Д (поршень ИМ неподвижен) и втулки относительно золотника под действием жесткой обратной связи Δe_Ж (золотник неподвижен).

Таким образом, введение в усилитель отрицательной ЖОС позволило обеспечить жесткую связь между входным и выходным параметрами, а соотношение между ними регулируют обычно изменением коэффициента k_Ж.

Подобными свойствами обладают усилители с УУ типа дросселей переменного сечения и ИМ одностороннего действия.

Рис. 16. Схема действия гидравлического усилителя с дросселем переменного сечения.

В гидравлический усилитель одностороннего действия (рис. 16) масло под давлением р_Р (3 ÷ 4) 10⁵ Па поступает через дроссель 4 постоянного сечения, ограничивающий его максимальный расход. Затем масло идет на слив через дроссель переменного сечения в виде втулки 1 и проточного золотника 2, перемещаемого датчиком через шток 3. Два последовательно соединенных дросселя образуют делитель давления р_Р — р_СЛ, выходным сигналом которого является давление р_ВЫХ, поступающее в рабочую полость исполнительного механизма 5. При смещении золотника вниз уменьшается сечение сливных окон втулки и растет давление р_ВЫХ. Увеличивается давление масла на поршень ИМ площадью f_П. Преодолевая действие силовой пружины 6 с жесткостью с и предварительным натяжением z₀, поршень начинает движение при увеличении давления на выходе до давления страгивания.

На заданное давление страгивания ИМ настраивают изменением значения z₀. Минимальное давление р_ВЫХ выхода рабочей среды должно быть несколько ниже р₀, а устанавливают его подбором проходного сечения дросселя 4 при полностью открытых окнах золотниковой втулки 1.

Дальнейшее смещение Δe золотника вниз вызывает повышение давления р_ВЫХ, большее р₀ на значение Δр, и пропорциональное перемещение Δs выходного штока 7 ИМ, т.е усилитель является статическим. Движение золотника в обратном направлении вызывает понижение давления р_ВЫХ и противоположное движение поршня под действием силовой пружины. Разность сил, действующих на поршень со стороны давления рабочей среды и силовой пружины, определяет значение движущей силы ИМ на выходном штоке.

Исполнительный механизм, в котором движение выходного звена в одну сторону происходит под действием рабочей среды, а в противоположную —под действием силовой пружины, называется ИМ одностороннего действия. Недостатком таких механизмов является снижение движущей силы при понижении давления р_ВЫХ в рабочей полости.