2.8 Виконавчі механізми. Види виконавчих механізмів
Виконавчі механізми — це пристрої, що здійснюють переміщення або зміну стану робочих органів, які впливають безпосередньо на технологічний процес в відповідності з сигналом, що управляє.
Робочими органами можуть бути вентилі, засувки, заслінки, клапани, супорти, каретки, движки реостатів, нагрівачі і так далі. Рух робочих органів може бути поступальним, поворотним (кут повороту — до 360°) або обертальним (кут пово-рота — більше 360°). Зміна стану може полягати в їх включенні або виключенні, зміні коефіцієнта передачі, реверсуванні (зміні напряму на протилежне) і так далі
До складу виконавчих механізмів може входити ряд елементів і пристроїв, що забезпечують потрібні статичні і динамічні характеристики. Це, наприклад, редуктор і розподільчі пристрої, що управляють потоком газу або рідини; виконавчі пристрої — електричні, пневматичні або гідравлічні підсилювачі потужності; датчики стану, що відображають положення робочих органів.
Статичні і динамічні характеристики виконавчих механізмів визначаються:
• величиною і швидкістю лінійного або кутового переміщення;
• моментом, що розвивається;
• похибкою;
• чутливістю;
• стійкістю.
У загальному випадку виконавчі механізми можна класифікувати по виду використовуваної енергії на електричні, пневматичні і гідравлічні.
Джерелом енергії для електричних ВМ являється, як правило, електрична мережа з напругою 220 або 380 В. Проте багато хто ВМ працює і при напрузі 36 В змінного струму або 12, 24, 27 В постійного струму (всілякі електромагнітні реле, пускачі, електромагніти, електродвигуни і так далі). Електричні ЇМ перетворять електроенергію в механічну енергію переміщення робочих органів або енергію їх вмикання-вимикання.
Джерелом енергії пневматичних ВМ зазвичай являється заводська мережу з тиском близько 6 - 105 Па. Проте їх живлення може здійснюватися і від автономних джерел, в якість яких може виступати не лише стисле повітря, але і стислий ПН при самих різних тисках, аж до 107 Па. Пневматичні ВМ зазвичай перетворять енергію стислого газу в механічну енергію переміщення робочих органів.
Гідравлічні ВМ використовують енергію тих, що знаходяться під тиском мінеральних масел, спирто-глицеринової суміші або спеціальних рідин. При цьому рідина знаходиться саме під тиском, оскільки вона не стискувана на відміну від повітря або газу, які можуть бути стислі. Тиск рідини може достигати значної величини, тому розвиваються величезні зусилля при малих габаритних розмірах ВМ. Гідравлічні ВМ перетворюють енергію рідини під тиском в енергію переміщення робочих органів.
Для управління потоком газу або рідини в пневматичних і гідравлічних механізмах використовуються розподільні пристрої, приведені в дію, як правило, за рахунок електричної енергії. Тому виконавчі механізми поділяються на електромеханічні, електропневматичні і електрогідравлічні.
По характеру дії на технологічний процес ВМ підрозділяються на аналогові (пропорційні) і дискретні (позиційні).
Аналогові ВМ можуть встановлювати робочий орган у будь-який проміжний стан, пропорційний величині керуючого сигналу (наприклад, відкрити вентиль на 22 % або повернути заслінку на 73°).
Дискретні ВМ встановлюють робочий орган тільки в конкретні фіксовані положення. Наприклад, дискретний сигнал, що подається на нагрівач, може включити його в перший, другий або третій стан або відключити. Клапан при подачі дискретного сигналу може або відкрити шлях рідини, або закрити.
Електропневматичні виконавчі механізми
Якщо від виконавчого механізму потрібно висока швидкодія і значна потужність, а також возвратно-поступовий рух, то доцільно використовувати електропневматичні ВМ. Вони складаються з розподільного пристрою, електромагніту, що управляє, і силового циліндра з поршнем.
Розподільний пристрій, приведений в дію керуючим електромагнітом, направляє потік повітря в ту або іншу порожнину циліндра або змінює величину тиску в порожнині. При цьому шток, сполучений з поршнем, переміщається в відповідному напрямі, управляючи положенням робочих органів.
В якості розподільних пристроїв в пневматичних механізмах використовуються золотники, струминна трубка і сопло-заслонка.
Пристрій виконавчого механізму із золотниковим розподілювачем і електромагнітом соленоїдного типу. За відсутності струму в обмотці електромагніту сердечник, пов'язаний з клапаном 1, під дією пружини щільно закриває золотник 3 і потік газу від пневмосети не може поступати в пневмоциліндр (рис. 47, а).
Рисунок 47 – Виконавчий механізм із золотниковим розподілювачем (у відкритим (а) та закритим (б) клапаном)
При подачі сигналу, що управляє, в обмотку 4 електромагніту в ній з'являється струм ІУ, під дією якого виникає електромагнітна сила, прагнуча втягнути сердечника 5 всередину котушки. Клапан переміщається і щільно перекриває золотник 2, відкриваючи золотник 3. Потік газу спрямовується через відкритий золотник в циліндр, створюючи тиск на поршень 9. Поршень переміщається, стискуючи циліндричну пружину 7 і передаючи через шток 8 зусилля навантаженню (рис.47,б). При знятті сигналу управління сердечник під дією пружини повертається н початковий стан, перекриваючи шлях газу в циліндр і сполучаючи порожнину циліндра через золотник 2 з атмосферою. Поршень під дією пружини повертається в початковий стан.
На рисунку 48 представлений пристрій електропневматичних старанних механізмів з розподільними пристроями типу струминна трубка і сопло-заслінка.
У першому випадку (рис. 48, а) струминна трубка 1, керованим поворотним електромагнітом, направляє потік газу від пнемо мережі в ліву (напрям Л) або праву (П) порожнину циліндра і сполучає відповідно праву або ліву порожнину з атмосферой. Поршень з штоком переміщається у бік меншого тиску, передаючи зусилля на навантаження
У другому випадку (рис. 48, б)
заслінка, керована аналогічним
електромагнітом, перекриває ліве або
праве сопло, піднімаючи тиск у відповідній
порожнині циліндра і з’єднуючи протилежну
порожнину з атмосферою. Поршень
переміщується у бік меншого тиску,
відповідно діючи на навантаження. Потік
газу від пневмосети поступає в порожнини
через дроселі, що забезпечують необхідний
перепад тиску в них.
Конструкції дросельних, струминних і золотникових розподільчих пристроїв можуть бути самими різними.
Основними недоліками електропневматичних виконавчих механізмів є підвищений шум при роботі, оскільки відпрацьоване повітря або газ випускається безпосередньо в атмосферу, і невисока точність виконання заданих керуючих дій через здатність газу стискуватися. Крім того, використання високого тиску в циліндрі створює певну небезпеку: при щонайменших його дефектах можливі розрив і руйнування циліндра.
Електрогідравлічні ВМ багато в чому аналогічні електропневматичним. Вони також мають аналогічні розподільні пристрої, електромагніти, що управляють, і поршневу систему; різниця лише в робочому середовищі (у гідроприводі — це рідина під високим тиском). На відміну від електропневматичних електрогідравлічні ВМ мають високу точність високою чутливістю, малими габаритними розмірами, великою потужністю, безшумністю і безпекою. В той же час електрогідравлічні ВМ мають нижчі швидкодію і складну конструкцію.
Використання в якості робочого середовища не стискуваної рідини робить електрогідравлічні механізми безпечними в експлуатації, у тому числі при надвисоких тисках. Широке застосування вони знайшли в маніпуляторах роботів.