Лабораторна робота 8

Тема: Дослідження пневматичного виконавчого

механізму без позиціонера

8.1 Мета роботи: ознайомитись з конструкцією та принципом дії пневматичних виконавчих механізмів; експериментально визначити статичні характеристики виконавчого механізму без позиціонера з різним навантаженням.

8.2 Теоретичні відомості про пневматичні виконавчі механізми

У системах автоматичного і дистанційного управління для переміщення регулюючих органів застосовують пневматичні виконавчі механізми /ПВМ/, які виконують функцію перетворення командного пневматичного сигналу P_К від пневматичного автоматичного регулятора /при дистанційному управлінні - від задавача/ у вхідний сигнал регулюючого органу /РО/ - переміщення h штока 2 із затвором РО 1 і відносно сідла 3 ( рис.1, а).

ПВМ відрізняються пожежо- і вибухобезпечністю, високою надійністю, простотою обслуговування. Але для них вимагається система забезпечення сухим і чистим повітрям; відстань від керуючих пристроїв до ПВМ обмежена.

За видом чутливого елемента, який перетворює тиск повітря у перестановочне зусилля ПВМ підрозділяються на мембранні, поршневі, сильфонні і лопатеві. З них тільки лопатеві безпосередньо створюють обертовий рух вихідної ланки.

Найбільш поширені пневматичні виконавчі пристрої /ПВП/, що складаються з мембранного виконавчого механізму /МВМ/ і односідлового регулюючого органу /РО/. Вони можуть бути пружинні і безпружинні. В пружинних МВМ ( рис.1, а) зусилля для перестановки затвора РО в одному напрямку створюється тиском P_К, а в зворотному - силою пружності пружини 6. Тиск P_К надходить у герметичну мембранну "головку"(робочу порожнину), в якій міститься мембрана 4 із прогумованої тканини завтовшки 2...4 мм з жорстким центром /металевим диском діаметром Д  0.7 Д_М діаметра мембрани/. Камера під мембраною з'єднана з атмосферою.

У безпружинних МВМ перестановочні зусилля в обох напрямках створюються дією тисків повітря з двох сторін мембрани.

За експлуатаційними якостями пружинні конструкції більш універсальні: при аварійному вимкненні подачі енергії пружина встановлює затвор РО в одне з крайніх положень – відкрите або закрите, в залежності від виду дії МВМ. Безпружинна конструкція більш проста, але за відсутності енергії положення затвору в ній не фіксується. На практиці пружинний варіант більш розповсюджений для МВМ, безпружинний – для поршневих.

Рис.1. Схема мембранного виконавчого механізму /а/ і графік його статичної характеристики /б/.

Залежно від напрямку руху вихідного елемента МВМ (штока 2) під дією командного тиску розрізняють виконавчі механізми:

прямої дії, в яких при підвищенні тиску повітря в робочій порожнині вільний кінець штоку віддаляється від площини закріплення мембрани;

зворотної дії, в яких при підвищенні тиску в робочій порожнині вільний кінець штоку приближається до площини закріплення мембрани .

У поєднанні з односідловим і діафрагмовим РО механізм прямої дії забезпечує виконання “нормально відкритий”, а механізм зворотної дії – “нормально закритий”, тобто при вимкненні керуючого сигналу в першому варіанті станеться повне відкриття, а в другому – повне закриття проходу РО.

МВМ класифікуються за розмірами мембранних “головок”: 160, 200, 250, 320, 400, 500 мм. МВМ класифікуються також за значеннями умовного ходу h_y: 4, 6, 10, 16, 25, 40, 60, 100 мм.

Умовний хід h_y – номінальне значення повного ходу штока (або затвора РО), h_y  0,1 Д_м. Дійсний h – значення ходу затвора РО, відповідне значенню командного сигналу Р_к у даному пристрої. Відношення поточного ходу h до умовного h_y називають відносним ходом і позначають l. Приведений хід h_п – значення ходу розраховане пропорційно командному сигналу, виходячи із максимального дійсного ходу.

Статична характеристика МВМ – залежність ходу h від тиску Р_к /рис.1,б/ називається ходовою характеристикою.

Ходова характеристика МВМ близька до лінійної, однак має деяку зону гістерезису, яка становить 2…15% найбільшого значення Р_к. Ця величина залежить від зусиль тертя в сальнику 5, від перепаду тисків регульованого середовища на РО, від характеристики пружини і ефективної площі мембрани F_e, яка визначається за формулою:

F_е = (Д²+ДД_М+Д²_М),

де Д_м – діаметр закріплення мембрани;

Д – зовнішній діаметр опорного диску (звичайно приймається Д  0,8 Д_м).

Під ефективною площею F_е мембрани розуміють площу, добуток якої на тиск у робочій порожнині МВМ дорівнює силі, що передається опорним диском мембрани на шток, а під діаметром Д_м – максимальний діаметр, обмежуючий рухому частину мембрани. Чим більший діаметр Д диску, тим менша нелінійність статичної характеристики /зона гістерезису/. Чим менше зона гістерезису, тим якісніше здійснюється процес регулювання в автоматичних системах. Із зростанням F_E зона гістерезису зменшується до 2…3% і практично не впливає на якість процесу регулювання, однак при цьому зростає об’єм надмембранної камери і погіршуються динамічні характеристики кола “пневмолінія - МВМ”. У динамічному відношенні МВМ із зоною гістерезису 2…3% можна вважати підсилюючою ланкою при частотах  < _Н = 0,3 рад/с. Якщо зона гістерезису становить 5…8%, то _Н зменшується на порядок. Для зменшення зони гістерезису і поліпшення динамічних характеристик МВМ застосовують позиціонери /підсилювачі потужності/.

Стандартизовані значення діаметра закріплення мембрани і відповідні їм ефективні площі наведені в таблиці:

Дм, мм	160	200	250	320	400	560
Fе, см2	160	250	400	630	1000	1600

Крім МВМ, застосовуються також поршневі, лопатеві і сильфонні виконавчі механізми. Сильфонні ВМ застосовуються рідко, переважно в спеціальних конструкціях з малими значеннями ходу і перестановочного зусилля, при роботі з агресивними середовищами. Поршневі виконавчі механізми на відміну від мембранних дозволяють досягти великого переміщення штока і більшого перестановочного зусилля, і мають окрему область застосування. Основні елементи поршневого виконавчого механізму показані на рис.3. Під дією тиску Р_к поршень 3 переміщується в циліндрі 1 герметичність забезпечується манжетою 2. Конструкції поршневих виконавчих механізмів можуть бути різними. В одній з найтиповіших конструкцій /рис.3,а/ повітря підводиться до поршня з одного боку, розвиваючи зусилля для переміщення поршня. Воно врівноважується вантажем 4, або силою пружини 5 / рис.3, б /, або дією тиску Р_К2 / рис.3, в /. Лопатеві ВМ компактні, мають хороші динамічні властивості, обертовий рух вихідної ланки, надійні і довговічні в роботі, проте складніші у виготовленні і серійно не випускаються.

5