Исполнительные элементы

Исполнительные элементы в автоматических системах управления предназначены для осуществления воздействия на объект управления. В большинстве случаев управляющее воздействие заключается в изменении потока энергии или количества вещества, поступающего в управляемый объект. При этом исполнительный элемент может быть усилителем. Регулирующими органами исполнительного элемента являются клапан, шибер, направляющая лопатка, устройства для подачи инструмента или для зажима обрабатываемой детали (например, заготовки обуви), тормозные устройства и т.д.

По виду используемой энергии эти элементы подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические. Применяются также комбинированные исполнительные элементы, например электрогидравлические. Выбор исполнительного элемента, использующего тот или иной вид энергии, обусловливается многими факторами, среди которых основными являются: категория пожаро- и взрывоопасности производства; состояние окружающей среды (температура, влажность и загрязненность окружающего воздуха в месте установки исполнительного элемента); усилие, необходимое для перемещения регулирующего органа (например, клапана), а также требования к динамическим свойствам исполнительного элемента, который, например, в автоматической системе регулирования значительную часть времени работает в переходных режимах. Поэтому от исполнительных элементов требуется высокая чувствительность и малая инерционность.

Электрические исполнительные элементы переменного и постоянного тока могут быть электромагнитными и электродвигательными. Схема устройства простейшего электромагнитного (соленоидного) вентиля приведена на рисунке 24. Такие исполнительные элементы используются для регулирования потока жидкости или пара. При возбуждении катушки электромагнита 1 шток 2 втягивается и открывает игольчатый клапан 3, золотник 4 перемещается, что обеспечивает доступ жидкости или пара на объект. После отключения тока вентиль закрывается.

Таким образом, в данном случае существует только два положения (две позиции) вентиля — или он полностью открыт, или полностью закрыт. В связи с возникновением явления гидравлического удара такие исполнительные элементы используются на трубопроводах с небольшими условными проходами (d < 100 мм).

На рисунке 25 показана упрощенная схема одной из многих конструкций фрикционных электромагнитных муфт, предназначенных для включения и отключения механических передач.

Рис. 24. Электромагнитный соленоидный клапан

Рис. 25. Фрикционная электромагнитная муфта

На ведущем валу 9 установлен электромагнит 7 с обмоткой возбуждения 6. Контактные кольца 8 и щетки 10 служат для подвода тока к обмотке, которая вращается вместе с валом. На ведомом валу 1 расположен якорь 4, который перемещается по шпонке 2. При возбуждении обмотки якорь притягивается к электромагниту и прижимается к шайбе 5. Благодаря значительной силе трения вращение с ведущего вала передается на ведомый. При отключении обмотки возбуждения пружина 3 возвращает якорь в исходное положение. Трущиеся поверхности изготовляются из материалов с большим коэффициентом трения.

На рисунке 26 показана упрощенная схема муфты с ферромагнитным наполнителем (порошковой муфты). Эти муфты в последнее время получают все более широкое распространение благодаря способности плавно изменять передаваемый вращающий момент и частоту вращения ведомого вала.

Рис. 26. Порошковая муфта

На ведомом валу 6 укреплен электромагнит 4 с обмоткой возбуждения 3. Контактные кольца 5 и щетки 7 служат для подвода тока к обмотке. На ведущем валу 1 укреплен полый цилиндр 2. Вся полость внутри муфты заполняется порошкообразным ферромагнитным наполнителем.

В качестве ферромагнитного наполнителя применяются сухие или полужидкие смеси, состоящие из зерен ферромагнитного материала (размером от 4 до 50 мк), смешанных с трансформаторным маслом или графитом. При отсутствии тока в обмотке возбуждения передаваемый муфтой момент очень мал, т.к. его величина определяется только вязким трением ферромагнитного наполнителя. При возбуждении электромагнита ферромагнитные зерна устанавливаются вдоль силовых линий, образуя мостики, связывающие ведущую и ведомую части муфты, и заставляя их двигаться совместно.

В электродвигательных исполнительных элементах приводом регулирующего органа являются электрические двигатели переменного и постоянного тока различных типов. В промышленности для этих целей широко используются исполнительные механизмы ДР и ПР. Устройство исполнительного механизма типа ДР показано на рисунке 27.

Рис. 27. Исполнительный механизм ДР

Однофазный электродвигатель переменного тока 3 (напряжение 220 В, мощность 60 Вт) через редуктор 2, состоящий из шести пар сменных зубчатых колес, приводит во вращение выходной вал 1, сочлененный с регулирующим органом. Кроме выходного вала, имеется шток 4, перемещающийся возвратно-поступательно. Шток также может соединяться с регулирующим органом. Частота вращения выходного вала ступенчато меняется в широких пределах при смене зубчатых колес редуктора.

Внутри корпуса исполнительного механизма типа ДР располагается специальное устройство, обеспечивающее останов регулирующего органа в крайних положениях (например, верхнем или нижнем) после поворота выходного вала на угол 180°.

Исполнительный механизм ПР содержит два однофазных электродвигателя 1 (рис. 28), роторы которых жестко посажены на общем валу, а статоры смонтированы так, что их магнитные поля вращаются в противоположных направлениях.

Таким образом, имеется возможность реверсирования вращения выходного вала в зависимости от того, какой статор подключен к цепи питания. В корпусе исполнительного механизма имеются концевые выключатели 2 и реостат, который используется как датчик обратной связи по положению регулирующего органа или как датчик указателя угла поворота выходного вала. Угол поворота выходного вала можно изменять от 0 до 180° путем настройки концевых выключателей. В исполнительных механизмах ПР-М установлен двухфазный реверсивный двигатель.

Рис. 28. Исполнительный механизм ПР

На рисунке 29 изображен исполнительный механизм, который состоит из червячного редуктора 1, штурвала 3, короткозамкнутого трехфазного электродвигателя 2, рычага соединения исполнительного механизма с регулирующим органом 6, колонки дистанционного управления (КДУ) 5 и индукционного датчика 4. Такие исполнительные механизмы развивают на выходном валу вращающий момент до 1000 Н∙м. Для сравнения укажем, что вращающий момент на выходном валу исполнительных механизмов ДР и ПР составляет 10 Н∙м.

Рис. 29. Исполнительный механизм с колонкой

дистанционного управления

На рисунке 30 показана КДУ (со снятой крышкой). В ней установлены потенциометр указания положения регулирующего органа 1, индуктивный датчик 3, концевые выключатели 4. Все электрические соединения выведены на клеммную сборку 2. Плунжер индуктивного датчика и движок потенциометра указателя положения связаны рычажной передачей с тягой 5, положение которой определяется углом поворота выходного вала исполнительного механизма. Указатель положения представляет собой стрелочный прибор постоянного тока со шкалой, деления которой даны в процентах максимального перемещения регулирующего органа.

Рис. 30. Колонка дистанционного управления

В последние годы начали широко использоваться бесконтактные исполнительные механизмы (БИМ). В таких исполнительных механизмах реализуется схема бесконтактного управления электродвигателем через дроссели насыщения или магнитные усилители. Обмотки переменного тока дросселя включаются между датчиками двигателя и источником питания. При изменении силы тока в подмагничивающей обмотке дросселя изменяется полное сопротивление обмоток переменного тока, что создает возможность регулирования напряжения на входе электродвигателя. В пневматических исполнительных элементах усилие, необходимое для перестановки регулирующего органа, создается путем давления сжатого воздуха на мембрану или поршень. Соответственно различаются мембранные и поршневые пневматические исполнительные элементы, которые могут быть пружинными и беспружинными. В пружинных устройствах давление сжатого воздуха подводится к одной рабочей полости, и перестановочное усилие в одном направлении создается силой давления сжатого воздуха, а в обратном направлении — упругими силами сжатой пружины. В этом случае значительная часть усилия тратится на сжатие пружины. От этого недостатка свободны беспружинные исполнительные элементы, у которых перестановочное усилие в противоположных направлениях создается действием давления с обеих сторон мембраны или поршня. В этом случае давление, с одной стороны, возрастает, а с другой – уменьшается.

Прямолинейные мембранные и поршневые исполнительные элементы, дополненные рычажной передачей, обеспечивают поворотное перемещение регулирующего органа (например, заслонки в трубопроводе).

На рисунке 31 показана конструкция пружинного мембранного клапана, устанавливаемого на трубопроводе с малыми расходами вещества. Эластичная мембрана из прорезиненной ткани 1, зажатая между двумя крышками, плотно прилегает к металлическому диску (грибку) 2, который является жестким центром мембраны и связан со штоком 3. На конце штока 3 располагается односедельный клапан 4. Цилиндрическая пружина 5 опирается на регулировочную гайку 6, с помощью которой регулируется степень предварительного сжатия пружины 5.

Рис. 31. Мембранный клапан

Через отверстие в верхней крышке в рабочую полость (камеру) под мембраной поступает сжатый воздух (обычно от пневматического усилителя или управляющего устройства). Полость под мембраной сообщается с атмосферой. Таким образом, изменение давления воздуха, поступающего в рабочую полость над мембраной, преобразуется в изменение усилия, сжимающего пружину, а затем в перемещение штока 3 рабочего органа —клапана 4. Перемещение рабочего органа прекратится, когда упругое противодействие пружины станет равным силе, действующей со стороны мембраны. Эта сила равна произведению избыточного давления на эффективную площадь мембраны.

Гидравлические исполнительные элементы чаще всего бывают поршневого типа, однако при небольших давлениях рабочей жидкости и небольшой длине хода рабочего органа могут применяться и мембранные гидравлические исполнительные элементы. Обычно гидравлические поршневые исполнительные элементы применяются при давлении рабочей жидкости в диапазоне 2,5∙10⁶—2∙10⁷ Па, поэтому они могут развивать большие перестановочные усилия при небольших размерах. Как правило, гидравлические поршневые элементы не имеют возвратных пружин, а перемещение поршня в обоих направлениях осуществляется благодаря давлению жидкости.

На рисунке 32 показана схема действия гидравлического поршневого исполнительного механизма двухстороннего действия с золотниковым управлением. Масло по трубопроводу 4 под давлением р₀ (давление создается шестеренным насосом) подается в цилиндрический золотник 5. Золотник представляет собой цилиндр с расположенным внутри него двойным поршнем 2. В нейтральном положении, изображенном на рисунке, он закрывает оба окна m и n, через которые по соединительным каналам 1 масло может поступать в рабочий цилиндр 7.

Рис. 32. Поршневой исполнительный механизм

Если поршень золотника переместить вверх от нейтрального положения, то масло начнет поступать в полость рабочего цилиндра, расположенную над поршнем 6, и последний благодаря разности давлений (р ₂ > p ₁) будет перемещаться вниз. Масло из-под поршня будет сливаться через сливную трубку 3. При перемещении поршня золотника вниз поршень будет двигаться в обратном направлении. Шток поршня 6 перемещает регулирующий орган, например клапан на трубопроводе.

Перестановочное усилие, необходимое для перемещения поршня золотника, составляет обычно 10—50 Н, а для малых моделей — всего 0,2—5 Н. При этом вдоль штока поршня рабочего цилиндра могут развиваться усилия в 103 раза большие. Таким образом, рассмотренный гидравлический исполнительный элемент является также гидравлическим усилителем силы и мощности.

На рисунке 33 показана одна из возможных конструкций рабочего цилиндра гидравлического поршневого исполнительного элемента. В полость цилиндра масло поступает через штуцера 5 и 2. На выходе из цилиндра шток 3 поршня 4 имеет вилку 1 для соединения с регулирующим органом.

Рис. 33. Рабочий цилиндр гидравлического поршневого

исполнительного элемента

На рисунке 34 приведена конструкция кривошипного гидравлического привода исполнительного элемента. В рабочем цилиндре 1 находится поршень 2. С помощью шатуна 3 палец поршня соединен с кривошипом 5, который сидит на выходном валу 4. На наружном конце выходного вала крепится рычаг 6, который обеспечивает перемещение регулирующего органа. Масло в рабочую полость гидравлического привода подается через штуцера 7 и 8.

Рис. 34. Кривошипный гидравлический привод

Дата добавления: 2014-01-04