книги из ГПНТБ / Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы

При отклонении струйной трубки под действием сиг­ нала х, например влево от среднего положения, большая часть жидкости будет попадать в левое приемное сопло. Давление Рі в левом сопле увеличится, в правом Рг уменьшится. Получающийся при этом перепад давле­ ний АР приводит в движение поршень исполнительного механизма в правую сторону. Соответственно отклонение струйной трубки вправо приводит к увеличению давле­

стие, расположенное выше сопл. Расстояние между на­ садком 3 и соплом 4 выбирается такое, чтобы слой жид­ кости, находящейся на пути вытекающей струи, не при­ водил бы к значительным потерям ее скорости (струя сохраняет на пути до сопл свою форму и энергию).

Усилители со струйными трубками просты по кон­ струкции и технологии изготовления. Они не имеют скользящих поверхностей и малых зазоров, которые мо­ гут засоряться. Поэтому, несмотря на большие габари­ ты и большой расход рабочей жидкости при среднем положении струйной трубки, эти усилители получили широкое распространение в промышленных регуляторах.

Усилитель с цилиндрическим золотником поступа­ тельного действия дан на рис. 12-3. Он состоит из гиль­ зы /, собственно золотника 2 (иногда называемого плун-

422

жером) и корпуса 4 с крышками 3 и 5. Гильза и золот­ ник составляют золотниковую пару, изготавливаемую с высокой точностью для исключения заедания и обес­ печения минимального трения.

Если сигнал х2 на входе в усилитель равен нулю, зо­ лотник находится в нейтральном положении, перекры­ вая рабочие окна гильзы; тем самым насос отсоединя­ ется от полостей исполнительного механизма, поршень

от начального положения. При перемещении золотника

проходящей через рабочие окна гильзы, с помощью ма­ лого усилия, приложенного к золотнику.

Преимуществами усилителей с золотником по срав­ нению с усилителями со струйной трубкой являются меньший расход жидкости при отсутствии управляюще­ го сигнала, меньшие габариты, большие мощность и бы­ стродействие; недостатками — чувствительность к засо­ рению, требование высокой точности при изготовлении, необходимость приложения значительных сил для уп­ равления золотником.

Усилитель сопло-заслонка приведен на рис. 12-4. Ра­ бочая жидкость от насоса поступает к постоянным дрос­

ми 5 и 3'. Перепад давлений на обоих соплах при этом одинаков, равны давления Pi и Р2 в междроссельных камерах 2 и 2', и исполнительный механизм, соединен­ ный с этими камерами, неподвижен.

Под действием входного сигнала заслонка 4 смеща­ ется от среднего положения, например вправо. Расход через правое сопло 3' уменьшится, давление Р2 повысит-

423

ся. Расход через левое сопло 3 при этом увеличится, а давление Pi уменьшится. Под действием перепада дав­

проходящими через междроссельные камеры, с по­ мощью малого усилия, приложенного к заслонке.

Расход и давление рабочей жидкости' в первом кас­ каде ниже, чем во втором. Усилие на выходе первого каскада значительно превышает усилие на выходе пер­ вичного измерительного преобразователя или электроме­ ханического преобразователя. Уровень выходного сигна­ ла с первого каскада таков, что силы трения, возникаю­ щие в золотниковой паре при больших давлениях и рас­ ходах, а также осевые гидродинамические силы, обус­ ловленные характером истечения жидкости через окна золотника, во втором каскаде двухкаскадных усилите­ лей сказываются меньше, чем в однокаскадных усили­ телях с золотниками. Следовательно, регуляторы с двухкаскадными усилителями имеют меньшую зону нечув­ ствительности. Кроме того, использование двух каскадов усиления позволяет повысить быстродействие исполни­ тельного механизма и развиваемое им усилие.

424

Обычно в гидравлических усилителях промышлен­ ных регуляторов требуется обеспечить пропорциональ­ ность между перемещением управляющего элемента первого каскада (например, струйной трубки или зас­ лонки) и перемещением золотника. Это может быть до­ стигнуто как с помощью пружин, противодействующих движению золотника, так и путем введения отрицатель­ ной обратной связи по положению золотника. Подроб­ ное описание схем гидравлических усилителей дано в [Л. 23, 24].

Динамические характеристики гидравлических уси­ лителей удовлетворительно описываются уравнением уси­ лительного звена в диапазоне рабочих частот регулято­ ров (до частот 5—10 рад/сек).

б) ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Принцип действия поршневых исполнительных механиз­ мов основан на перемещении поршня потоком жидкости, поступающим от гидравлического усилителя. В зависи­ мости от характера движения выходного вала поршне­ вые исполнительные механизмы могут быть с поступа­ тельным движением (прямоходные) и с вращательным движением (кривошипные).

Прямоходный исполнительный механизм (рис. 12-5) состоит из цилиндра 1, крышек 2 и 5, поршня 3, жестко связанного со штоком 7. Во избежание перетекания жидкости из одной полости в другую на поршне уста­ навливаются уплотнительные манжеты 4. Для предот­ вращения утечек шток 7 уплотняется сальником 6. По­ лости исполнительного механизма соединяются с выхо­ дом гидравлического усилителя. В зависимости от знака перепада давления поршень движется в ту или иную сторону. Выходом исполнительного механизма является перемещение штока 7, с которым соединен регулирую­ щий орган.

Усилие G, развиваемое исполнительным механизмом поступательного действия, не зависит от положения поршня и без учета потерь на трение определяется вы­ ражением

425

Расход жидкости Q на выходе гидравлического уси­ лителя при постоянной нагрузке на валу исполнительно­ го механизма в определенных пределах пропорционален положению управляющего элемента усилителя (напри­ мер, открытию золотника). Значит, и скорость поршня пропорциональна положению управляющего элемента. Уравнение движения системы, входом которой является перемещение управляющего элемента гидравлического усилителя, а выходом — перемещение у поршня испол­ нительного механизма, является уравнением интегри­ рующего звена. Этот факт часто используется в гидрав­ лических и электрогидравлических регуляторах для формирования интегральной составляющей закона ре­ гулирования.

Для создания вращательного движения в поршневых исполнительных механизмах используют кривошипношатунный механизм (рис. 12-6). Поступательное пере­ мещение поршня 1 преобразовывается во вращение ва­ ла 4 посредством шатуна 2 и кривошипа 3. Скорость

426

поворота и развиваемый момент несколько зависят от положения выходного вала. Так, изменение момента по ходу вала может достигать 10—15%. Однако прибли­ женно можно принять, что скорость поворота выходного вала определяется выражением (12-3) и для описания динамических свойствкривошипных исполнительных ме­ ханизмов также справедливо уравнение интегрирующе­ го звена.

Особенностью гидравлических исполнительных меха­ низмов является зависимость их характеристик от на­ грузки со стороны регулирующих органов. Нагрузки, действующие на исполнительный механизм, различны по своему виду. Они могут быть постоянными по вели­ чине и направлению, постоянными по величине и на­ правленными в сторону, противоположную перемещению. Кроме того, они могут зависеть от перемещения, скоро­ сти или ускорения перемещения.

Степень влияния нагрузки зависит от ее величины и вида, типа исполнительного механизма, а также типа управляющего его движением усилителя (в аналогич­ ных регуляторах с усилителями с золотниками и со струйной трубкой влияние нагрузок различно). Эффект нагрузок может сказываться, например, на уменьшении скорости движения исполнительного механизма, увели­ чении зоны нечувствительности, что обычно приводит к погрешности в воспроизведении желаемого закона дви­ жения регулятора и ухудшению качества переходного процесса в замкнутой системе регулирования.

По аналогии с определением областей нормальных режимов и линейных режимов, приведенным в гл. 1, введем понятие области допустимых нагрузок [Л. 25], под которой понимается область, в пределах которой частотные характеристики регулятора с нагруженным исполнительным механизмом достаточно близки к ча­ стотным характеристикам регулятора с ненагруженным исполнительным механизмом. Если появление нагрузок приводит к изменению частотных характеристик регуля­ тора, не вызывая появления нелинейностей, то методика построения области допустимых нагрузок аналогична методике построения области нормальных режимов. Ес­ ли появление нагрузки приводит к появлению нелиней­ ностей, то методика построения области допустимых на­ грузок аналогична методике построения области линей­ ных режимов.

427

в) ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ

Гидравлические устройства связаны между собой сое­ динительными линиями (трубопроводами), по которым движется рабочая жидкость. В тех случаях, когда эти устройства представляют собой единый конструктивный блок, линии между ними короткие. При удаленности устройств друг от друга приходится учитывать потери энергии, возникающие при движении жидкости в соеди­ нительных линиях.

Обычно в промышленных регуляторах из-за малого диаметра соединительных трубопроводов, малой скоро­ сти движения потока и относительно большой вязкости жидкости наблюдается ламинарный режим движения. При этом потери давления в прямом круглом трубопро­ воде

яй*

где (я — динамическая вязкость; /, d — длина и диаметр трубопровода; Q —расход жидкости.

На соединительных линиях обычно установлены раз­ личные клапаны, на некоторых участках может изме­ няться форма соединительных линий вследствие суже­ ния, расширения или поворота. Эти факторы создают местные гидравлические сопротивления и вызывают до­ полнительные потери давления

где £ — коэффициент местного сопротивления; v — сред­ няя по сечению трубы скорость потока; р —плотность жидкости.

Общее падение давления Д Р 2 , затрачиваемое на прохождение жидкости по трубопроводу, представляет сумму падений давления на трение АРТ и в местных со­ противлениях ДРМ -

В качестве рабочих жидкостей в промышленных ре­ гуляторах наиболее широкое применение получили ми­ неральные масла (в частности, трансформаторное мас­ ло) и в некоторых случаях вода. Недостатком воды как рабочей жидкости является отсутствие смазывающих свойств, невозможность использования при низких тем­ пературах и вызываемая ею коррозия металлических

428

ки, и поэтому укажем лишь основные принципы ее по­ строения. Она включает в себя как гидравлические регуляторы, формирование законов регулирования кото­ рых производится с помощью гидравлических операци­ онных усилителей (см. [Л. 26]), выполняющих сумми­ рование, интегрирование, дифференцирование сигналов, так и гидравлическую часть комбинированных регуля­ торов. Последняя сочетается с электрическими и пнев­ матическими устройствами для выработки закона регу­ лирования и обеспечивает перемещение (или скорость перемещения) гидравлического исполнительного меха­ низма, пропорциональное соответственно электрическому или пневматическому унифицированному входному сиг­ налу. В зависимости от вида рабочей жидкости аппара­ тура ветви делится на две группы, работающие соответ­

и гидравлический усилитель. При работе с регулятора­ ми релейного действия применяются преобразователи релейного действия, обеспечивающие перемещение ис­ полнительного механизма с постоянной скоростью. При работе с регуляторами аналогового действия применя­ ются преобразователи, сигнал на выходе которых про­ порционален входному сигналу. Предусматривается вы­ полнение регуляторов как конструктивно единого изде­ лия (в том числе с системой маслоснабжения), так и в виде разобщенной системы блоков, связанных между со­ бой гидравлическими и электрическими соединитель­ ными линиями. Диапазон давлений при работе на масле значительно повышен по сравнению с используемым в настоящее время в общепромышленных регуляторах.

Скелетная схема электрогидравлических позиционе­ ров совпадет с приведенной на рис. 12-2, е. Выпуск та­ ких позиционеров (тип ПГ-ПА) начал завод «Теплоавтомат».

429

Глава тринадцатая

Г И Д Р А В Л И Ч Е С К И Е Р Е Г У Л Я Т О Р Ы З А В О Д А « Т Е П Л О А В Т О М А Т »

13-1. Н А З Н А Ч Е Н И Е И СТРУКТУРА

Гидравлические регуляторы завода «Теплоавтомат» пред­ назначены для регулирования расхода, давления, перепа­ да давлений," разрежения, уровня, соотношения расходов и давлений различных сред и могут работать в И-, П- и ПИ-режимах. Они являются одними из первых отечест­ венных промышленных регуляторов, построенных по блочному принципу. Замена отдельных блоков (уст­ ройств) позволяет создавать регуляторы, отличающиеся по формируемому ими закону, виду регулируемой вели­ чины, скорости и усилию, развиваемым исполнительным механизмом.

В номенклатуру регуляторов входят следующие ос­

ские исполнительные механизмы СПГП-2, СПГП-4, СПГП-5, СПГК-1, СПГК-2, СПГК-4; устройства обрат­ ной связи ИГ-1, ИГ-2, МНПИ-1.

Кроме того, в состав регуляторов может входить раз­ личная вспомогательная аппаратура: маслонасосные ус­ тановки МСА-18, МСА-1-50, МСА-2-125 (рабочая жид­ кость—трансформаторное масло); устройства ДСГ-1 и ПСГ-1 для синхронизации хода исполнительных механиз­ мов; клапаны КДУБ-1, КПІМ-2 и КЗМ-1 на соединитель­

Рассмотрим территориальное расположение этих уст­ ройств. Датчик, гидравлический усилитель и задатчик входят в единый блок (к нему в П- и ПИ-регуляторах присоединяются устройства обратной связи), размещаю­ щийся совместно с некоторыми вспомогательными уст­ ройствами в пультах или специальных колонках. На опе­ ративных щитах управления располагают клапаны ди­ станционного управления КДУБ-1, указатели положе­ ния, манометры. Исполнительные механизмы устанавли-

430

вают вблизи регулирующего органа, а синхронизирующие устройства и датчики положения — на исполнительном механизме. Максимальное расстояние между исполни­ тельным механизмом и усилителем 120 м по горизонта­ ли и 30 ж по вертикали. Маслонасосные установки раз­ мещаются вблизи пультов или колонок.

Устройства

синхронизации

положения

Устройства

обратной

связи

Рис. 13-1. Схема взаимодействия между устройствами.

Помимо отмеченных в § 12-1 общих преимуществ и не­ достатков гидравлических регуляторов к числу достоинств регуляторов завода «Теплоавтомат» можно отнести блоч­ ный принцип построения, наличие синхронизации поло­ жения исполнительных механизмов. Недостатками явля­ ются ограниченная номенклатура датчиков, отсутст­ вие ПИД-закона, неудобство реализации П-закона, невозможность суммирования более двух входных си­ гналов.

Областью применения гидравлических регуляторов завода «Теплоавтомат» являются простые одноконтурные системы, в которых для управления регулирующим орга­ ном требуются значительные усилия и быстродействие. Гидравлические регуляторы завода «Теплоавтомат» мо-

431