Общая характеристика и классификация исполнительных устройств

ТЕМА 29. Исполнительные устройства. Классификация исполнительных устройств. Исполнительные механизмы.

Исполни́тельное устро́йство — устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Состоит из двух функциональных блоков: собственно исполнительного устройства (если исполнительное устройство механическое, то его часто называют исполнительный механизм) и регулирующего органа, например регулирующего клапана, и может оснащаться дополнительными блоками.

 

Общая характеристика и классификация исполнительных устройств

 

Как уже указывалось, исполнительное устройство предназначено для реализации сигнала управления, вырабатываемого регулирую­щим устройством автоматического регулятора.

Воздействие на процесс осуществляется изменением расхода про­ходящей через исполнительное устройство среды таким образом, чтобы это воздействие вызвало изменение регулируемого параметра в нужном направлении.

Исполнительное устройство, широко применяемое в газовой про­мышленности, показано на рис. 1,а. Оно состоит из двух основ­ных частей: исполнительного механизма и регулирующего органа.

Перестановочное усилие в одном направлении создается давле­нием сжатого воздуха на эластичную мембрану 1 в рабочей полости исполнительного механизма, а в противоположном — за счет усилия упругости пружины 3. Опорный диск 2, к которому жестко прикреп­лен шток 4, расположен на верхнем торце пружины. Нижним тор­цом пружина опирается на шайбу 5, которая поджата резьбовой втулкой 6. Последняя может перемещаться по резьбе в кронштей­не 9. Шток исполнительного механизма соединен со штоком 12 ре­гулирующего органа при помощи соединительной гайки 7, снабжен­ной указателем. На кронштейне прикреплена шкала 8 исполнитель­ного устройства. В корпус 13 регулирующего органа ввинчены два седла 15, образующие вместе с затвором 14 проходное сечение для регулируемой среды. Уплотнение штока 12 регулирующего органа осуществляется при помощи сальника 11, выполненного из шеврон­ных фторопластовых колец, опирающихся на пружину. В процессе эксплуатации сальник может быть подтянут гайками 10. Конструк­ция и размеры сальниковой камеры позволяют заменить набивку из фторопластовых колец асбестовой. При этом вместо пружины в сальниковой камере устанавливают промежуточный фонарь, а в резьбовое отверстие сальниковой камеры вместо пробки помещают лубрикатор для подачи смазки.

Под действием давления сжатого воздуха мембрана У, преодоле­вая противодействие пружины 5, перемещает шток 4 исполнительно­го механизма, шток 12 регулирующего органа и затвор 14. Послед­ний, перемещаясь относительно неподвижных седел 15, изменяет проходное сечение регулирующего органа, а следовательно, и расход проходящей через него среды. Технологическая обвязка исполнительного устройства при его установке на трубопроводе (рис. 1,6) предусматривает запорные задвижки 3 и 4У а также регулирующий вентиль 2 на обводной ли­нии. Такая схема позволяет осуществлять ремонт или замену испол­нительного устройства при направлении потока через обводную линию.

 

Рис. 1 Исполнительное устройство

 

Исполнительные устройства принято классифицировать по раз­личным признакам. В зависимости от вида используемой энергии исполнительные устройства подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические.

По условному давлению исполнительные устройства делятся на группы: низких давлений (до 1,6 МПа); средних давлений (до 16,0 МПа); высоких давлений (до 150 МПа).

В зависимости от конструкции регулирующего органа различают исполнительные устройства: односедельные, двухседельные, треххо­довые, шланговые, диафрагмовые, шаровые, заслоночные и клеточ­ные.

В зависимости от материала основных деталей регулирующего органа выпускают исполнительные устройства: чугунные, стальные (из углеродистой стали), нержавеющие (из нержавеющей стали) и специальные.

В зависимости от расположения входного и выходного патрубков исполнительные устройства могут быть проходными и угловыми.

По виду действия исполнительные механизмы подразделяются на нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное се­чение полностью открывается, и нормально закрытые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестано­вочное усилие, проходное сечение полностью закрывается.

По защищенности от воздействия окружающей среды исполни­тельные устройства изготавливают в обыкновенном и взрывозащищенном исполнении.

 

Исполнительные механизмы

 

Исполнительные механизмы предназначены для управления ре­гулирующими органами в соответствии с выходным сигналом регу­лирующего устройства.

В зависимости от вида энергии, используемой для создания перестановочного усилия, исполнительные механизмы подразделены на пневматические, электрические и гидравлические.

Основные преимущества электрических исполнительных механиз­мов — большие перестановочные усилия, значительная (практиче­ски любая) длина хода штока. Недостатки — относительно большая масса; сложность наладки, обслуживания и ремонта; высокая стои­мость; необходимость взрывозащищенного исполнения. Последнее обстоятельство значительно ограничивает область применения элек­трических исполнительных механизмов.

Преимущества пневматических исполнительных механизмов — простота конструкции, низкая стоимость, пожаро- и взрывобезопасностъ. Недостатки — ограниченность расстояния между исполнитель­ным механизмом и регулирующим устройством, а также необходи­мость создания системы снабжения сжатым воздухом.

Основное преимущество гидравлических исполнительных меха­низмов — большие перестановочные усилия; недостатки — необходи­мость создания специальной гидравлической системы питания и сложность обслуживания.

В связи с этими обстоятельствами в нефтяной и газовой промыш­ленности применяют в основном пневматические исполнительные механизмы, которые и рассмотрим в дальнейшем.

Пневматические исполнительные ме­ханизмы классифицируют по различным признакам.

В зависимости от вида чувствитель­ного элемента, воспринимающего энер­гию сжатого воздуха и преобразующего ее в перестановочное усилие на выход­ном элементе, различают мембран­ные, сильфонные и лопастные исполнительные механизмы.

В зависимости от характера движе­ния выходного элемента существуют прямоходные и поворотные ис­полнительные механизмы.

Основная роль позиционера—обеспечение пропорциональной за­висимости между входным (изменение давления сжатого воздуха) и выходным (перемещение штока) сигналами исполнительного меха­низма.

На рис. 2 показана схема позиционера типа ПР. Чувствитель­ный элемент его — мембранная сборка двух мембран с различной эффективной площадью. Так как эффективная площадь нижней мембраны 5 больше эффективной площади верхней мембраны 4, то поступающее в мембранную полость давление с выхода регулирую­щего устройства создает усилие, направленное вниз. Это усилие уравновешивается усилием пружины 6 обратной связи. Позиционер крепится к исполнительному механизму таким образом, что опорный диск последнего непосредственно перемещает шток 8. Пружина об­ратной связи одним концом упирается в гайку 7, а другим — в мем­бранную сборку. С другой стороны к штоку 3 мембранной сборки с помощью пружины 1 прижимается золотник 2 (шарик). Переме­щением гайки 7 относительно штока 5 осуществляется предваритель­ный натяг пружины обратной связи с целью обеспечения начала работы позиционера при минимальном давлении на входе в ка­меру А.

Рис. 2 Схема позиционера типа ПР

 

Работа позиционера совместно с исполнительным механизмом сводится к следующему. При увеличении давления в камере А сбор­ка мембран прогибается вниз, преодолевая упругость пружин 6. При этом шарик 2 также опускается, закрывая отверстие между камера­ми В и Б (последняя соединена с атмосферой). Сжатый воздух из линии питания начинает поступать в рабочую полость исполнитель­ного механизма, что вызовет перемещение опорного диска испол­нительного механизма. В этом случае шток 8 переместится вверх и сожмет пружину 6 обратной связи. В момент, когда эта пружина уравновесит усилие со стороны сборки мембран, нарастание давле­ния в камере Вив рабочей полости исполнительного механизма прекратится. Система придет в состояние равновесия при новом положении мембраны исполнительного механизма (а следовательно, и его штока), пропорциональном приращению давления на выходе регулирующего устройства РУ.

Таким образом, позиционер представляет собой пневматический усилитель с обратной связью по положению выходного штока испол­нительного механизма. Длина необходимого хода штока настраива­ется перемещением гайки 7 относительно пружины обратной связи 6, что приводит к изменению числа рабочих витков.

Применение позиционера уменьшает гистерезис исполнительного механизма, увеличивает его перестановочное усилие (за счет использования увеличенного давления питания позиционера). При настройке автоматического регулятора на небольшое значение коэф­фициента усиления в случае небольшого отклонения текущего зна­чения регулирующего параметра от заданного приращение давления воздуха в рабочей полости исполнительного механизма будет также незначительным. В этих условиях для обеспечения пропорциональ­ного перемещения регулирующего органа необходимо применять позиционер.

Современные позиционеры выпускают в двух исполнениях — блочном и встроенном непосредственно в исполнительный механизм.

На поршневых пневматических исполнительных механизмах уста­навливают так называемые реверсивные позиционеры, которые направляют сжатый воздух питания либо в одну, либо в другую полость поршневого привода в зависимости от знака изменения регулируемого параметра.

В связи с перспективой развития электрических систем управ­ления на базе ЭВМ, а также ограниченностью области применения электрических исполнительных механизмов, представляют интерес смешанные системы. Одним из возможных вариантов реализации такой системы может быть сочетание электрического устройства управления, пневматического исполнительного механизма и электро­пневматического позиционера.

Пневматические исполнительные механизмы часто оснащены ручными дублерами, предназначенными для ручного механи­ческого перемещения затвора регулируемого органа при аварийном отключении сжатого воздуха.

Рис. 3. Схема поршневого поворотного пневматического исполнительного ме­ханизма

На рис. 3 показана схема поршневого поворотного пневмати­ческого исполнительного механизма с реверсивным позиционером. Поршневой привод состоит из цилиндра 1, поршня 2 и штока 3 и преобразует энергию сжатого воздуха в поступательное перемеще­ние штока. Передаточный механизм, включающий щеки 4 и пово­док 5, преобразует поступательное перемещение штока 3 в поворот­ное перемещение поводка 5, а, следовательно, и оси 02, на которой закреплена заслонка 6. Основные элементы позиционера - кула­чок 7, шток 8, пружина обратной связи 9, мембранная сборка 10 и золотник 11.

Схема работает следующим образом. При увеличении давления сжатого воздуха, поступающего от регулирующего устройства (РУ), сборка двух мембран 10 ввиду их различной эффективной площади перемещается влево. Золотник 11 пропускает воздух питания в ниж­нюю полость, соединенную с атмосферой. Поршень 2 поднимается, перемещая вверх шток 5, который, в свою очередь, поворачивает с помощью щек 4 поводок 5 по часовой стрелке. Заслонка 6 закры­вается. При повороте поводка 5 кулачок 7 толкает шток 8 позицио­нера. Пружина обратной связи 9 сжимается, перемещая сборку мембран 10, а следовательно, и золотник 11 вправо. Последний пере­крывает каналы, соединяющие позиционер с цилиндром привода.

При уменьшении давления сжатого воздуха от регулирующего устройства золотник 77 направляет воздух питания в верхнюю по­лость цилиндра привода, соединяя нижнюю полость с атмосферой. Перемещение поршня 2 вниз вызывает закрытие заслонки.

Установка кулачка 7 позиционера на поводке 5 передаточного механизма обеспечивает пропорциональную зависимость между при­ращением входного пневматического сигнала (от РУ) и углом пово­рота регулирующего органа (в нашем примере — заслонки).

Поршневые поворотные исполнительные механизмы предназна­чены для работы с шаровыми и заслоночными регулирующими орга­нами. Учитывая условия работы этих регулирующих органов на потоке регулируемой среды, конструкцией рассмотренного исполни­тельного механизма предусмотрено создание переменного крутящего момента, зависящего от угла поворота выходного элемента (по­водка 5).

 

Контрольные вопросы

1. Дайте классификацию исполнительных устройств

2. Объясните принцип действия поршневого поворотного исполнительного устройства

3. Каково назначение позиционера?

4. Назовите классификацию исполнительных устройств в зависимости от вида используемой энергии и обозначьте особенности каждой из групп данной классификации

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: