2 Виконавчі пристрої пневматичних регуляторів. Будова принцип роботи.

Виконавчі пристрої є складовою частиною будь-якої системи автоматичного регулювання. Вони різноманітні по конструкції, але всі складаються з двох частин: виконавчого механізму і регулюючого органу.

Виконавчі механізми. Призначені для роботи з будь-яким пневматичним регулятором, випускаються в основному мембранного (мембранно-пружинного) і поршневого типів.

Рисунок 1 - Мембранний виконавчий механізм.

Мембранним виконавчим механізмом (рис. 1) є перетворювач тиску стислого повітря в пропорційне переміщення вихідного елементу (штока, важеля) при відносно невеликій величині цих переміщень (від 6 до 100 мм). Він складається з верхньої 3 і нижньої 6 кришок, між якими поміщена еластична мембрана 5. Під мембраною розташований металевий диск 4, що є жорстким центром мембрани. Він спирається на пружину 7, поміщену в корпус 8. Нижній кінець пружини спирається на опору 9. В центрі диска 4 закріплений шток 13. Кронштейн 11 служить для кріплення виконавчого механізму до корпусу регулюючого органу. Через отвір 2 в кришці 3 в камеру під мембраною по імпульсній трубці 1 подається стисле повітря від регулятора. Камера під мембраною сполучена з атмосферою. Механізм перетворить тиск повітря, що поступає в камеру над мембраною, в зусилля, що стискає пружину 7, і в лінійне переміщення штока 13, положення якого указується стрілкою 12 на шкалі 10.

При відсутності тиску повітря в камері над мембраною пружина 7 через жорсткий центр притискує мембрану 5 до виступів верхньої кришки 3. Шток 13 займає крайнє верхнє положення. Тиск повітря в камері над мембраною може змінюватися від атмосферного до 0,1 Мпа. При тиску повітря 0,1 МПа стиснення пружини буде максимальним, і шток знаходитиметься в крайньому нижньому положенні. При зниженні тиску повітря в камері над мембраною пружина розтискає і перемістить рухому систему механізму вгору на величних, при якій встановиться нова рівновага сил.

На рис. 2, а показана статична характеристика мембранного виконавчого механізму (МВМ). Допустима різниця значень між прямим і зворотним ходами , не повинна перевищувати 2% повного ходу штока. На величину гістерезису великий вплив роблять сили тертя в сальнику штока регулюючого органу. Виконавчі механізми випускають з мембранами, діаметр закладення яких знаходиться в межах 125 - 500 мм. Вони можуть комплектуватися з позиціонерами і ручними дублерами.

Позіционери призначені для створення додаткових зусиль на штоку виконавчого механізму при появі на регулюючому органі великих неврівноважених зусиль. Вони забезпечують підвищену швидкодію і точність установки штока.

На рис. 11.2б показана принципова схема позиціонера з мембранним чутливим елементом. Пневматичний сигнал від регулятора поступає в глуху камеру В, утворену мембранами 1 і 2, зібраними в один блок.

а б

Рисунок 2 - а) Статична характеристика мембранного виконавчого механізму ( переміщення штока): б) принципова схема опозиціонера.

Площа мембрани 1 більше площі мембрани 2. На жорсткий центр мембрани 2 спирається хвостовик 3 подвійні конічні клапани 4. Останній змінює перетин двох отворів в камері 1, створюючи два дроселі змінного перетину: на притоці повітря живлення в камеру А і на виході повітря з камери А через камеру А в атмосферу. Камера А з'єднується з виконавчим механізмом. Пружина 5 і шток 6 створюють негативний зворотний зв'язок. При установці позиціонера на виконавчому механізмі шток 6 входить в отвір верхньої або нижньої кришки і стикається з жорстким центром мембрани.

При незмінній величині пневматичного сигналу, що поступає від регулятора, мембранний блок нерухомий, і тиск в камері А не змінюється. При збільшенні пневматичного сигналу мембранний блок переміщається вниз унаслідок нерівності площ мембран 1 і 2 і стискає пружину 5. Одночасно з мембранним блоком переміщається вниз і подвійний конічний клапан 4, в результаті цього притока повітря в камеру А на лінії живлення збільшується, а вихід повітря в атмосферу зменшується.

Рисунок 3 - Схема виконавчого механізму з опозиціонером.

1 - позиціонер; 2 - імпульсна лінія; 3 - виконавчий механізм; 4 - підведення командного тиску повітря; 5 - підведення тиску повітря, що управляє.

Із зростанням тиску в камері А порушується рівноважний стан виконавчого механізму, що приводить до прогину його мембрани. Шток, що спирається на мембрану механізму, 6 позиціонера переміщається вгору і стискає пружину 5. Коли протидія пружини зрівноважить силу, створену збільшеним тиском в камері В, переміщення мембранного блоку, клапана 4 і зміна тиску в камері А припиняються.

При зменшенні сигналу, що поступає від регулятора, позиціонер діє у зворотному напрямі. Тиск повітря в лінії живлення рівний 0,25 МПа, повний хід штока 6 рівний 6 мм.

На рис. 3 показана схема мембранного виконавчого механізму з позиціонером.

Дублери призначені для ручного переміщення штока виконавчого механізму у разі аварійного припинення подачі повітря від регулятора, а також тоді, коли необхідно обмежити переміщення штока. Є дублери двох видів: центральний і бічний.

Мембранний виконавчий механізм зі встановленим на нім центральним ручним дублером показаний на рис. 4. Дублер складається з маховика 1, сполученого з ходовим гвинтом 2, що переміщається в корпусі 3. При обертанні маховика гвинт переміщає жорсткий центр мембрани і сполучений з ним шток 5 механізму.

Поршневі виконавчі механізми застосовують в тих випадках, коли потрібні великий хід і великі зусилля.

Рисунок 4 - Виконавчий механізм з центральним дублером.

На рис. 5 приведена схема поршневого виконавчого механізму ПСП-1. Пневматичний сигнал від регулятора підводиться в камеру А і тисне на мембрану 2, створюючи зусилля, направлене вліво. До жорсткого центру цієї мембрани прикріплений шток 6, лівий кінець якого управляє положенням золотника 1, а правий сполучений з пружиною 5 жорстким зворотним зв'язком.

Рисунок 5 - Поршневий виконавчий механізм.

При русі золотник 1 сполучає робочі порожнини циліндра 4 по обох сторонах поршня 3 або з атмосферою, або з лінією живлення повітрям, тиск в якій складає 0,3 M 0,6 МПа. При цьому поршень 3 переміщається до тих пір, поки в результаті зміни сили натягнення пружини не відновиться рівновага сил, що діють на поршень. Поршень 3 сполучений з штоком виконавчого механізму. Таким чином, кожному значенню вхідного тиску відповідають цілком певні положення поршня і штока виконавчого механізму. Для відділення робочої порожнини циліндра від камери А встановлений мембранний пакет 7.

Регулюючі органи. Найбільше застосування як регулюючі органи отримали клапани, що є регульованими опорами. Принципова схема простого клапана приведена на рис. 6. Корпус 1 роздільний перегородкою на дві частини. Потік речовини проходить через сідло 2; а у перегородці над сідлом розташовано затвор 3, прикріплений до штока 4 та виведений з корпусу клапана через сальникове ущільнення.

Рисунок 6 - Принципові схеми клапанів:

а - односідельного, б - двосідельного.

Клапан може бути нормально відкритим (рис. 6, а) і нормально закритим (рис. 6, б). Прохідний перетин клапана залежить від відстані між сідлом 2 і затвором 3.

Для регулювання великих витрат застосовують двосідельні клапани, основна перевага яких в тому, що затвор клапана розвантажений. Сила, що розвивається регульованим середовищем, діє одночасно, але в протилежних напрямах, на обидва жорстко зв'язаних плунжера затвора клапана, що обумовлено перепадом тиску на клапані.

За величиною умовного тиску випускаємі одно і двосідельні клапани поділяються на три модифікації: низького (до 1,6 МПа), середнього (від 2,5 до 16 МПа) і високого тиску (від 20 до 150 МПа).

Регулюючі триходові клапани призначені для автоматичного регулювання і підтримки у встановлених межах заданого параметра середовища у відвідному патрубку, що досягається зсувом середовищ, що поступають до клапана по патрубках, що підводять (рис. 7).

Принцип дії клапанів заснований на зміні співвідношення кількостей рідини, що поступає через патрубки клапана, що підводять.

Рисунок 7 - Триходовий клапан з мембранним виконавчим механізмом.

Клапан складається з регулюючого органу 16 і пневматичного мембранно-пружинного виконавчого механізму 11. Основною частиною регулюючого органу 16 є корпус 2, в якому є два патрубки. Знизу до корпусу кріпиться третій патрубок 1. Зверху корпус 2 закритий кришкою 5, яка кріпиться на болтах 14. У корпус 2 і патрубок 1 вмонтовані сідла 3 і 4. До внутрішніх ущільнюючих фаскам сідел приганяє плунжер (затвор), що легко переміщається в них, 17, який має форму полого циліндра з двома рядами прямокутних вікон, розташованих по його колу. На середній частині плунжера є виступаючий поясочок з ущільнюючими фасками. До дна плунжера кріпиться шток 15, ущільнений у верхній кришці 5 сальником 13. Для підтяжки сальника служить пристрій 12, а для мастила — масельничка 6.

Мембранно-пружинний виконавчий механізм кріпиться на верхній кришці 5 клапана болтами 14. Шток клапана 15 пов'язаний з штоком 8 виконавчого механізму 11 гайкою 7. Мембрана 9, грибок 10 і шток 8 виконавчого механізму, шток 15 і плунжер 17 регулюючого органу складають рухому систему. Для кріплення на трубопроводі клапан має фланці.

При відсутності тиску командного повітря плунжер клапана пружиною виконавчого механізму встановлюється в крайнє верхнє положення. При цьому прохід середовища, що поступає у вхідний горизонтальний патрубок, припиняється, а прохідний перетин клапана для середовища, що поступає у вертикально розташований вхідний патрубок, відкривається повністю. При подачі командного сигналу рухома система клапана починає переміщатися. При цьому прохідний перетин, через який поступає середовище з нижнього патрубка, починає зменшуватися, а прохідний перетин, через який поступає середовище з горизонтального патрубка, збільшується.

Площа прохідних перетинів плунжера 17 підібрана таким чином, що витрата середовища через вихідний патрубок, за умови збереження початкових параметрів на входах і виході клапана, залишається незмінним, а характеристика змішування — лінійною. При зниженні тиску в мембранній камері виконавчого механізму рухома система клапана починає переміщатися вгору під дією пружини виконавчого механізму.

Клапани для кожного умовного проходу випускаються в чотирьох різновидах з плунжерами, що мають рівновеликі вікна (виконання I, II і III) з різними коефіцієнтами витрати і нерівновеликі вікна (виконання IV). У клапанах, що мають плунжери з рівновеликими вікнами для збереження постійності витрати через них при будь-якому положенні плунжера тиск в двох трубопроводах, що підводять, повинен бути однаковим.

Діафрагмові регулюючі клапани застосовують для зміни потоку агресивних рідин (рис. 8) Між корпусами виконавчого механізму і регулюючого органу затиснута кислотостійка мембрана 3.

Рисунок 8 - Діафрагмовий клапан.

На нижньому кінці штока 1 виконавчого механізму укріплений плунжер грибоподібної форми. При переміщенні штока 1 вниз плунжер 2 прогинає мембрану 3, зменшуючи прохідний перетин клапана. Внутрішня поверхня 4 корпуси клапана футеровані кислотостійкою емаллю або іншими матеріалами.

Клапани шлангові регулюючі типу КРШ є виконавчими пристроями середніх витрат. Вони призначені для автоматичного регулювання рідких середовищ, що містять тверді частинки в зваженому стані, і кислот, в яких стійкі гумові патрубки.

Шланговим регулюючим органом (рис. 9) є гумовий корпус - патрубок 1, що пережимається двома валиками-траверсами. Патрубок поміщений в герметичний кожух. Останній утворений чавунним корпусом 2 і кришкою 3, з'єднання між якими ущільнене прокладкою 4. На випадок розриву патрубка в кришці 3 передбачено сальникове ущільнення штока 5. Сам патрубок 1 в корпусі 2 кожухи затискається конусами-фланцями ущільнювачів 6.

Верхня траверса 7 жорстко сполучена з штоком 5. Нижня траверса 8 прикріплена до верхньої за допомогою ролико-втулочного ланцюга. При переміщенні штока 5 з прикріпленою до нього траверсою 7 вниз нижня траверса 8 піднімається, і таким чином здійснюється пережимання патрубка.

Рисунок 9 - Шланговий регулюючий орган.

Витрата середовища через шланговий клапан змінюється в основному тільки в першій половині підйому штока, залежність між збільшенням витрати і підйомом штока приблизно лінійна.

Коефіцієнт гідравлічного опору двосідельного регулюючого клапана з умовним проходом 100 мм приблизно 4 - 6, для шлангового патрубка з таким же умовним проходом він рівний 0,3 - 0,4.

Оскільки в шлангових регулюючих клапанах середовище не контактує з рухомими частинами, чавунним корпусом і кришкою, клапани можна застосовувати для агресивних продуктів, в яких стінки патрубка зроблено з гуми відповідних марок.

Для зміни потоків газу і пари в трубопроводах великого діаметру як регулюючі органи застосовують заслінки. Регулюючі заслінки типу ТА призначені для середовищ з температурою до 200°С, типу ТБ - для середовищ з температурою 200 - 400 °С.

Принцип дії регулюючих заслінок заснований на зміні їх пропускній спроможності при повороті диска (затвора), що відбувається відповідно до сигналу, що поступає від регулятора або пристрою дистанційного керування.

Рисунок 10 - Заслінка.

Регулюючий орган в заслінках (рис. 10) ТА і ТБ є кільцевим корпусом 2, усередині якого обертається диск 1, зафіксований на піввісь 3 і 4. Піввісь 4 виведена з корпусу 2 назовні через сальникове ущільнення. На зовнішньому кінці ця піввісь укріплена стрілкою для контролю положення диска і кривошип 5, призначений для з'єднання диска з виконавчим механізмом. Положення диска щодо площини, перпендикулярної потоку, визначає величину прохідного перетину. Якщо прийняти за нуль положення диска, перпендикулярне до осі трубопроводу, то при вугіллі повороту = 90°С заслінка повністю відкрита. При = 0 прохідний перетин мінімальний, але не рівно нулю, оскільки затвор не забезпечує повного закриття поперечного перетину трубопроводу; завжди залишається невеликий кільцевий зазор.

При виборі виконавчих пристроїв по пропускній спроможності визначають наступні параметри цих пристроїв: умовну пропускну спроможність, діаметр умовного проходу, вид пропускної характеристики (для плунжерных клапанів), робочий тиск і діапазон перепаду тиску на клапані або заслінці.

Умовною пропускною спроможністю Кv_y називається номінальна витрата (м³/ч) рідини щільністю 1000 кг/м³, що протікає через повністю відкритий регулюючий орган при перепаді тиску на нім 0,1 МПа. Дійсна максимальна пропускна спроможність, що досягається при 100%-ном переміщенні плунжера K_V100, може відрізнятися від умовної на ± 10%. Умовна пропускна спроможність Кv_y залежить від діаметру умовного проходу регулюючого органу Dy і коефіцієнта її, залежного від вигляду регулюючого органу:

З методикою вибору і розрахунку виконавчих пристроїв можна ознайомитися в спеціальній літературі.