Румянцев / Литература / Исполнительные механизмы

14

Исполнительные устройства (ИУ). Назначение, классификация и область применения.

ИУ предназначены для воздействия на процесс в соответствии с командной информацией от управляющего устройства. Выходным параметром ИМ является расход вещества или энергии, поступающих на объект регулирования, а входным — сигнал управляющего устройства.

ИУ можно разделить на две большие группы: электромоторного типа и электромагнитного типа.

Место ИУ в типовой структурной схеме системы регулирования показано на рис. 1. Правильный выбор и расчет исполнительных устройств имеет первостепенное значение, поскольку эти устройства являются конечными в цепях автоматического регулирования любой сложности, вследствие чего погрешности в работе ИУ непосредственно влияют на качество протекания автоматизируемого процесса.

Вещество или энергия

Возмущения

Исполнительное

устройство

Регули-рующий орган

Испол-ните-льный меха-низм

Сумматор

Объект управления

Управляющее устройство

Задатчик

Датчик

Рис. 1. Исполнительное устройство в типовой системе управления.

ИУ обычно содержат следующие функциональные блоки: блок усиления или позиционер, исполнительный механизм, регулирующий (рабочий) орган, блок ручного управления (дублер), датчик положения, блок обратной связи, блок сигнализации конечных положений. В зависимости от конкретных условий структура и конструкция ИУ могут существенно различаться. Так, например, при управлении некоторыми электрическими аппаратами (крупными электродвигателями, электрическими ваннами и т. д.) регулируемым параметром является поток электрической энергии. В этом случае необходимость в исполнительном механизме и регулирующем органе отпадает. Роль исполнительного устройства выполняет блок усиления. В ряде устройств регулирующий орган является частью технологической оборудования. Например, при регулировании толщины проката в качестве регулирующего органа выступают валки, которые являются частью прокатного стана. Такого рода устройства не являются продукцией приборостроения и здесь не рассматриваются.

Приборостроительной промышленностью выпускаются универсальные исполнительные устройства, которые можно использован для управления различными технологическими процессами. Схем классификации исполнительных устройств приведена на рис. 2.

Основными функциональными блоками ИУ являются исполнительные механизмы и регулирующие органы. По виду потребляемой энергии исполнительные механизмы делятся на электрические, гидравлические и пневматические. Для указанных видов исполнительных механизмов имеются наборы вспомогательных устройств, усилителей мощности и пускорегулирующей аппаратуры.

Электрические исполнительные механизмы получили наибольшее распространение, поскольку для них не требуется промежуточных преобразователей энергии — компрессоров и насосов. Они позволяют получить довольно большие перестановочные усилия при ограниченном быстродействии и высокой точности позиционирования.

Исполнительные устройства
Исполнительные механизмы		Регулирующие органы		Комплектные ИУ и системы		Вспомогательные устройства
Электрические		Дроссепирующие		С электроприводом		Усилители мощности
Пневматические		Дозирующие		С пневмоприводом		Пускатели
Гидравлические		Манипулирующие		С гидроприводом		Позиционеры
						Сигнализаторы положения
						Устройства управления

Рис. 2. Схема классификации исполнительных устройств.

Пневматические исполнительные механизмы просты, надежны к удобны в эксплуатации, пожаробезопасны. Поэтому они широко применяются в пожаро- и взрывоопасных производствах (окрасочные и промывочные отделения, производство легковоспламеняющихся веществ). Пневматические механизмы имеют высокое быстродействие и точность позиционирования при умеренных перестановочных усилиях.

Гидравлические ИМ применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить большие перестановочные усилия при высоком быстродействии и точности позиционирования. Гидравлические ИМ сложны в изготовлении и требуют специальных источников рабочей жидкости — масляных насосов высокого давления.

В особую группу выделяются комплектные исполнительные устройства. Они представляют целостную конструкцию из исполнительного механизма и регулирующего органа. В состав этих изделий входят электрогидроклапаны и электропневмоклапаны, предназначенные для коммутации небольших расходов жидких и газообразных веществ. По функциональному назначению ИУ этой группы делятся на регулирующие и запорнорегулирующие.

ИУ делятся на группы по: виду пропускной характеристики ИУ, допустимой температуре регулируемой среды, материалу основных деталей.

По способу уплотнения выходного штока регулирующего орга­на ИУ делятся на сальниковые, бессальниковые (например с сильфонным уплотнением штока). В зависимости от вида подсоеди­нения к трубопроводу — на фланцевые, муфтовые, линзовые, цапфовые, приварные.

По виду действия ИУ делятся на нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочные усилия, проходное сечение полностью открывается, и нормально закрытые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочные усилия, проходное сечение полностью перекрывается.

В зависимости от взаимного расположения входного и выходного патрубков ИУ делятся на проходные и угловые.

Основные характеристики ИУ.

Общие технические требования к ИУ определяются ГОСТ 14770—69. В соответствии с этим стандартом исполнительные устройства строятся на основе базовых конструкций с блочным принципом построения, обеспечивающим повышенный уровень унификации и общую технологическую базу для производства, а также взаимокомплектуемость и взаимозаменяемость при использовании.

Диапазон изменения входных сигналов и величина перемещения штока (или вала) исполнительного устройства соответствуют требованиям стандартов, указанных в табл. 1.

Исполнительные устройства выпускаются в вибропрочном исполнении, противостоящем разрушающему действию вибрации с ускорением 2,5 м/с² в диапазоне частот от 5 до 80 Гц. При этом значение амплитуды должно быть не более 1,5 мм.

По защищенности от воздействия окружающей среды исполнительные устройства изготовляются в обыкновенном и взрывозащищенном исполнениях. Исполнительные устройства в обыкновенном исполнении могут работать в условиях воздействия окружающей среды, в которой допускается наличие загрязняющих соединений в концентрациях, ограниченных «Нормами Главной государственной санитарной инспекции» № 272—59 от 10.01.59 г.

Взрывозащищенное исполнение характеризуется защищенностью исполнительных механизмов и дополнительных блоков. Категории защиты указываются в технической документации на исполнительные механизмы и дополнительные блоки.

В зависимости от устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха при эксплуатации исполнительные устройства делят на группы, указанные в табл. 2.

Таблица 1

Стандарты на входные сигналы и величины перемещений исполнительных устройств

Типы исполнительных устройств	Разновидности исполнительных устройств	Диапазон изменения входных сигналов	Величина перемещения штока (вала)
Пневматические	Мембранные	ГОСТ 9468—75	ГОСТ 9687—70
	Поршневые		ГОСТ 6540—68
	Мембранные	Определяется в техни­ческой документации, утвержден­ной в уста­новлен­ном порядке	ГОСТ 9887—70
Гидравлические	Поршневые		ГОСТ 6540—68
Электрические	Прямоходные, пово­ротные	ГОСТ 9896—69	ГОСТ 7192—74

Стандартом предусмотрены следующие классы точности ИУ: 1,5; 2,5; 4,0; 6,0.

Вероятность безотказной работы исполнительных устройств. должна быть не ниже 0,98 за 2000 ч работы при доверительной вероятности Р = 0,8.

ИУ характеризуются тремя группами параметров:

параметрами, которые определяют работоспособность ИУ в конкретных условиях эксплуатации;

параметрами, необходимыми для расчета статической характеристики регулирующего органа;

параметрами, определяющими статические и метрологические характеристики исполнительного механизма и исполнительного устройства на холостом ходу (при отсутствии в регулирующем органе регулируемой среды).

Таблица 2

Классификация исполнительных устройств по параметрам окружающей среды

Группы исполнительных устройств	Интервалы температур, °С	Относительная влажность во всем интервале температур, %•
I	От —50 до +50	30—80
II	От —30 до + 50
III	От —15 до +50

Регулирующие органы. Классификация и области применении.

В соответствии с принципом блочно-модульного построения разработана унифицированная система исполнительных устройств ГСП (СИУ ГСП), объединяющая все виды общепромышленных исполнительных устройств больших, средних и малых расходов. состоящих из различных исполнительных механизмов и регулирую­щих органов. Система СИУ ГСП предусматривает повышение технического уровня ИУ и их надежности, взаимозаменяемость исполнительных устройств, исполнительных механизмов и регулирующих органов, высокую степень унификации ИУ, возможность _: их работы со средами, имеющими температуру от —180 до 4600°С и давление до 800 кг/см², а также с широкой гаммой химически агрессивных, токсичных и других сред. Все исполнительные устройства СИУ ГСП могут комплектоваться позиционерами и другими дополнительными блоками.

В этом разделе кратко рассмотрены регулирующие органы (РО), которыми комплектуются исполнительные устройства СИУ ГСП.

В зависимости от условной пропускной способности РО делятся на четыре группы:

РО больших расходов — регулирующие заслонки с условной пропускной способностью от 40 до 25 000 м³/ч (условные проходы от 50 до 100 мм);

РО средних расходов — регулирующие клапаны с условной пропускной способностью от 2 до 500 м³/ч (условные проходы от 10 до 300 мм);

РО малых расходов — регулирующие клапаны с условной пропускной способностью от 0,1 до 4,0 м³/ч (условные проходы от 6 до 25 мм);

РО микрорасходов — регулирующие клапаны с условной пропускной способностью менее 0,1 м³/ч и условным проходом менее 10 мм.

Выпускаются регулирующие органы средних расходов следующих видов: заслоночные РО, клапаны регулирующие двухседельные, клапаны регулирующие односедельные, клапаны регулирующие трехходовые, клапаны регулирующие шланговые, клапаны регули­рующие диафрагмовые, клапаны регулирующие шаровые.

Рассмотрим особенности каждого из указанных видов РО.

Заслоночные РО (конструктивная схема — рис. 9.3) являются регулирующими орга­нами относительно больших расходов и имеют наибольшие условные пропускные способно­сти из всех рассматриваемых РО. В них отсутствуют застойные зоны, в которых могут скапли­ваться механические частицы и грязь. Размеры и масса заслоночных РО сравнительно невелики. Наиболее целесообразно применение заслоночных РО с большими услов­ными проходами (150 мм и выше). Конструкция заслоночных РО сравнительно проста, а их стоимость по сравнению с РО других типов невелика.

Основные недостатки традиционных конструкций заслоночных РО — наличие значи­тельных неуравновешенных крутящих моментов, действующих на диск, и трудность получе­ния высокой герметичности. Однако в современных конструкциях заслоночных РО эти недостатки устраняются. Величина крутящего момента существенно снижается применением специальных профильных дисков. Благодаря этому появилась возможность использовать за­слоночные РО при высоких перепадах давления регулируемой среды. Создаются также запорно-регулирующие конструкции заслоночных РО.

Двухседельные РО (см. рис. 9.3, а) являются наиболее широко распространенным видом РО в отечественной и зарубежной практике. Эти РО созданы с целью обеспечения возможности применения РО при более высоких перепадах регулируемой среду за счет разгрузки затвора. Несмотря на усложнение конструкции, увеличение металлоемкости и габаритов, разгрузка затвора Э двухседельных РО по сравнению с односедельными улучшает качество регулирования и снижает необходимое перестановочное усилие привода, а следовательно, габариты и массу привода. Условная пропускная способность двухседельных регулирующих органов в 1,6 раза выше, чем у односедельных при тех же условных проходах. Благодаря этому до середины шестидесятых годов двухседельные регулирующие клапаны были практически основным применяемым типом ИУ как в СССР, так и за рубежом. Однако двухседельным регулирующим органам присущ целый ряд недостатков основными из которых являются: негерметичность, большие габариты и масса, высокая стоимость, неудовлетворительные кавитационные и шумовые характеристики, наличие застойных зон, высокие эксплуатационные затраты. Эти недостатки дали толчок к поиску новых конструкций.

Односедельные регулирующие органы, как проходные, так и угловые (конструктивная схема — см. рис. 9.3, б и в) начали применяться раньше двухседельных. Они технологичнее двухседельных, менее металлоемки, позволяют добиться лучшей герметичности. Отсутствие застойных зон в односедельных РО позволяет применять их для регулирования вязких сред. Улучшенные кавитационные и шумовые характеристики позволяют использовать односедельные РО при сравнительно больших перепадах давления. Высокая ремонтопригодность дает значительную экономию при эксплуатации. Основным недостатком, ограничивающим применение традиционных конструкций односедельных РО, является неразгруженность затвора, вызывающая необходимость применения сравнительно мощных исполнительных механизмов.

В последнее время появился ряд конструкций односедельных РО, лишенных этого недостатка и сохраняющих все указанные выше преимущества. Разгрузка затвора производится, как правило, путем помещения его в специальную обойму (так называемую клетку), которая одновременно является и направляющей затвора. Такой регулирующий орган называется клеточным. В некоторых конструкциях клеточных РО затвор представляет собой обычный поршень (см. рис. 3, г), а в обойме выполнены профилированные окна для получения определенной пропускной характеристики; в других конструкциях профилированные окна находятся на затворе, а в обойме выполнены цилиндрические или прямоугольные отверстия.

Имеются конструкции разгруженных односедельных РО с отверстием в затворе, что позволяет уравнять давления над и под затвором. Односедельные РО могут быть и запорно-регулирующими. В этом случае герметичность достигается с помощью мягкой прокладки.

Трехходовые РО (конструктивная схема — см. рис. 3, д и е) предназначены для смешения двух потоков в один или для разделения одного потока среды на два. Трехходовые

регулирующие органы находят применение в целом ряде технологических процессов: смешение потоков при регулировании температуры теплоносителя, подготовка промывочных растворов и т. п. Применение трехходовых регулирующих клапанов как смесительных, так и разделительных, приводит к значительному эффекту в связи с уменьшением количества приводов, позиционеров, ручных дублеров, запорной аппаратуры и повышением надежности. Указанные преимущества объясняются тем, что один трехходовый клапан заменяет в схеме регулирования два двух- или односедельных РО.

Рис. 3. Регулирующие органы:

а — двухседельный; б — односедельный проходной; в — односедельный угло­вой; г — клеточный; д — трехходовой смесительный; е — трехходовой разделитель­ный; ж — шланговый: з— диафрагмовый; ч — шаровой; к — заслоночный; л — малых расходов; м — микрорасходов.

Регулирующие органы малых расходов (см. рис. 9.3, л и м) имеют очень широкое рас­пространение в самых различных отраслях промышленности. Регулирующие органы малых расходов выполняются односедельными, угловыми или проходными, с фланцевым или муфто­вым присоединением к трубопроводу.

Электрические исполнительные механизмы.

Наибольшее распространение в системах промышленной автоматизации получили электрические исполнительные механизмы (ЭИМ).

В зависимости от характера перемещения выходного органа ЭИМ выпускаются трех разновидностей: многооборотные (МЭМ), однооборотные (МЭО), прямоходные (МЭП).

В зависимости от характера изменения положения выходного органа во времени ИМ могут быть постоянной скорости, переменной скорости и шаговые. В настоящее время приборостроительной промышленностью выпускаются практически только исполнительные механизмы постоянной скорости.

Широкое распространение ЭИМ постоянной скорости обусловлено тем, что в них используются простые и надежные электродвигатели, а также тем, что для управления ими применяются простые и экономичные усилители мощности.

ИМ постоянной скорости имеют постоянную мгновенную скорость перемещения выходного элемента. При рассогласовании между действительной и заданной величиной регулируемого параметра, превышающем пороговое, регулятор осуществляет включение двигателя и его ротор начинает вращаться с номинальной скоростью. Различные по величине перемещения регулирующего органа достигаются за счет различной продолжительности включения двигателя. Требуемый закон перемещения регулирующею органа формируется регулирующим устройством или ЭВМ и реализуется исполнительным механизмом за счет повторно-кратковременного включения двигателя с соответствующим соотношением между длительностями включенного и выключенного состояния.

В связи с этим важны динамические параметры ЭИМ, характеризуемые длительностью набора номинальной скорости и длительностью торможения (временем выбега). С целью улучшения этих характеристик применяют двигатели с повышенной частотой вращения, двигатели с полым ротором, а также тормоза.

Конструктивно ЭИМ состоит (рис. 4) из электродвигателя, базового редуктора с ручным дублером, контрольно-пусковой аппаратуры (указателя положения, датчика положения, крышки, коммутирующего штуцера), приставки, формирующей перемещение выходного вала. В зависимости от типа ЭИМ те или иные блоки могут отсутствовать.

Рис. 4. Структура построения электрических исполнительных механизмов

В качестве электропривода в выпускаемых ЭИМ используются асинхронные трехфазные двигатели общего назначения, питающиеся от сети переменного тока напряжением 380/220В, и асинхронные однофазные двигатели с полым ротором, допускающие работу в заторможенном состоянии. (Питание их осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В).

Важнейшим узлом ЭИМ является редуктор, снижающий скорость вращения выходного вала и увеличивающий выходной крутящий момент. Конструкция редуктора имеет существенное значение для обеспечения высоких технических и эксплуатационных характеристик ЭИМ.

Все используемые в ЭИМ редукторы можно разделить на две группы:

с самотормозящейся передачей и относительно низким к.п.д.;

с несамотормозящейся передачей и высоким к.п.д.

В редукторах первой группы имеется самотормозящаяся червячная или винтовая ступень. В редукторах второй группы используются цилиндрические, конические, планетарные передачи. Наиболее распространены ЭИМ с цилиндрическими редукторами, которые отличаются простотой изготовления, высоким к.п.д., долговечностью.

Для обеспечения фиксации выходного органа при снятии напряжения питания двигателя, а также для улучшения динамических характеристик применяется тормоз, связанный с одной из быстроходных ступеней редуктора.

Механизмы снабжены датчиками положения выходного органа, которые также могут быть использованы для осуществления обратной связи. Применяется один из следующих типов датчиков: индуктивный, индуктивный с устройством «люфт», реостатный, токовый.

Сигнал, предназначенный для управления ЭИМ и поступающий с выхода регулятора, обычно бывает недостаточным для управления двигателем механизма, поэтому для усиления сигнала применяются усилители. В зависимости от способа усиления управляющего сигнала ЭИМ подразделяются на механизмы с контактным и бесконтактным управлением. В первом случае управление производится с помощью реверсивного магнитного пускателя, а во втором— с помощью специального тиристорного или магнитного усилителя.