Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. Общая характеристика

Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы, так же как и электрические, широко применяются в системах автоматизации технологических процессов. Особенно большое применение пневматические и гидравлические исполнительные механизмы в настоящее время получили в автоматических системах химической, нефтяной, газовой промышленности и др.

Пневматические исполнительные механизмы используют энергию сжатого воздуха или газа.

Основные достоинства их следующие:

1. Простота осуществления реверса.

2. Возможность управления по заданной программе.

3. Возможность применения стандартных узлов и механизмов.

4. Простота устройства и относительно малая стоимость.

5. Возможность применения в условиях резкого изменения температуры окружающей среды.

6. Большая дистанционность работы (до сотен метров).

7. В пневмоприводах не требуются особые конструктивные мероприятия по отводу отработанной рабочей среды в резервуар. Отработанный воздух выпускается прямо в атмосферу, что значительно упрощает схему всей системы.

8. При появлении относительно небольших утечек рабочей среды практически отсутствуют отклонения от нормального функционирования пневмопривода.

Недостатками пневматических исполнительных механизмов являются:

1. Необходимость вспомогательного источника энергии для выработки требуемой мощности.

2. Выполнение специальных мероприятий по очистке и осушке сжатого воздуха.

3. Для поддержания постоянного давления сжатого воздуха в системе при изменяющихся внешних нагрузках требуется применение больших и тяжелых резервуаров (ресиверов).

4. Недостаточная надежность работы при низких и повышенных окружающих температурах. Это объясняется тем, что при минусовой окружающей температуре возможно заиндевение и даже закупорка льдом отверстий, подающих воздух, так как влага, содержащаяся в воздухе, замерзает; при повышенных же температурах окружающей среды может произойти воспламенение смазки.

5. Работа рывками и ударами, что может отрицательно отразиться на эксплуатации исполнительных механизмов. Рывки и удары возникают при резких колебаниях скорости движения механизмов, получающихся вследствие значительного изменения объема воздуха при изменении давления.

6. Непостоянство скорости перемещения выходного вала исполнительного механизма по его ходу.

7. Низкий общий К.П.Д. пневматических исполнительных механизмов. Средний К.П.Д. существующих пневматических двигателей находится в пределах 0,3–0,35, а при нарушении нормального режима падает до 0,1 и ниже. Низкий К.П.Д. пневмосистем объясняется наличием утечек воздуха, возникающих вследствие его малой вязкости.

8. Неустойчивость работы при малых скоростях движения, что также объясняется наличием утечек воздуха.

В гидравлических исполнительных механизмах носителем энергии является жидкость. В качестве последней может использоваться либо маловязкая (вода), либо вязкая (чаще всего масло) жидкость.

Гидравлические исполнительные механизмы, использующие в качестве рабочей жидкости воду, отличаются простотой конструкций, относительно малой стоимостью и безопасностью в работе.

К недостаткам их следует отнести:

1. Возможность коррозии внутренней рабочей поверхности исполнительного механизма, против которой в этих приводах приходится применять специальные меры.

2. Замерзание среды и возникновение отказов работы механизмов при окружающей температуре ниже 0° С.

3. Большие диаметры, габариты, вес, вследствие низкого давления энергоносителя (давление воды в системах редко бывает выше 5 кг/см2).

4. Трудности автоматизации работы гидравлических исполнительных механизмов, так как существующая аппаратура автоматики (золотники, пилоты и т. д.) рассчитана на масло и поэтому не может быть использована для работы на воде.

5. Необходимость специального отвода отработанной воды.

Гидравлические исполнительные механизмы, использующие в качестве рабочей жидкости масло, имеют следующие достоинства:

1. Отсутствие коррозии внутренней поверхности цилиндра.

2. Легкость осуществления бесступенчатого регулирования скорости исполнительного механизма.

3. Надежность в работе.

4. Возможность работы при отрицательной температуре (до -40° С) окружающей среды.

5. Возможность работы при повышенных температурах (до +50° С) окружающей среды.

6. Легкость получения больших усилий и мощностей при малых размерах и весе механизмов (за счет использования энергоносителя высокого давления) и наименьшее вследствие этого по сравнению с другими типами приводов отношение веса исполнительного механизма к развиваемой им мощности.

7. Возможность частых и быстрых переключений (реверсов) при возвратно-поступательном и вращательном движениях.

8. Небольшие инерционные массы роторов исполнительных механизмов, благодаря чему не требуются специальные устройства, предохраняющие рабочие органы приводных устройств от перегрузок.

9. Отсутствие необходимости смазки механизмов, так как они смазываются самой рабочей средой.

10. Относительная простота автоматизации.

11. Простота и удобство управления.

12. Высокий К.П.Д.

13. Возможность независимой работы нескольких исполнительных механизмов от одного источника питания.

14. Гибкость в конструктивном исполнении, так как приводной двигатель и гидромотор не связаны между собой определенным местоположением.

15. Плавность работы, постоянство скорости движения.

К недостаткам масляных систем относятся:

1. Необходимость применения источника энергии и системы трубопроводов для ее передачи.

2. Необходимость строгой герметичности системы, так как утечки масла приводят к ненормальной работе механизмов и могут способствовать возникновению пожара.

3. Небольшая дистанционность работы.

4. Чувствительность к изменению температуры окружающей среды. Вязкость масла изменяется с изменением температуры, что приводит к изменению характеристик исполнительных механизмов.

К общим достоинствам пневматических и гидравлических исполнительных механизмов относятся:

1. Относительная безопасность в работе (опасность поражения током исключена).

2. Возможность установки и работы во взрывоопасных и затапливаемых помещениях.

3. Возможность контроля величин давления и сил в системах при помощи простых и дешевых средств – манометров.

4. Высокое быстродействие системы.

В зависимости от характера использования в исполнительном механизме энергии рабочей среды пневматические и гидравлические исполнительные механизмы разделяются на две категории:

I. Объемные исполнительные механизмы, в которых используется энергия давления рабочей среды.

II. Динамические (кинематические) исполнительные механизмы, в которых используется кинетическая энергия движущихся воздуха, газа или жидкости.

К динамическим исполнительным механизмам относятся исполнительные механизмы с двигателями в виде лопаточной машины (турбинные).

Турбинные исполнительные механизмы развивают высокие мощности и большие обороты при относительно малых габаритах. Они успешно применяются для привода некоторых вентиляторов, центробежных насосов, генераторов электрической энергии и т. д.

В зависимости от характера движения, которое осуществляет выходной вал двигателя исполнительного механизма, пневматические и гидравлические объемные исполнительные механизмы можно разделить на две большие группы:

1. Исполнительные механизмы с двигателями поступательного движения (мембранные, сильфонные, плунжерные и поршневые).

2. Исполнительные механизмы с двигателями вращательного движения (ротативного типа).

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

МЕМБРАННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

В мембранном исполнительном механизме силовым элементом является эластичная мембрана. Эти механизмы просты в устройстве, изготовлении и эксплуатации. Они обладают высоким быстродействием и широко применяются для привода регулирующих и смесительных клапанов для жидкости и газа, когда для работы регулирующего органа не требуется больших перемещений ведущего звена.

Недостатками мембранных исполнительных механизмов являются:

а) мембранный привод из-за непрочности мембраны не может применяться при больших давлениях среды (в большинстве случаев давление рабочей среды, подаваемой на мембрану, не может быть выше 10 кг/см2);

б) вследствие этого мембранные исполнительные механизмы получаются громоздкими и тяжелыми;

в) имеют относительно небольшой ход;

г) тяговое усилие мембранного исполнительного механизма вследствие изменения эффективной площади мембраны по его ходу не постоянно.

Мембранные исполнительные механизмы: а – одностороннего действия; б – двустороннего действия.

Мембранные исполнительные механизмы разделяются:

ü по количеству силовых органов — на одномембранные, двухмембранные и четырехмембранные;

ü по особенностям схемы — на исполнительные механизмы одностороннего действия (с пружиной или грузом для обратного хода) и двустороннего действия, когда давление подается в обе полости привода;

ü по виду движения выходного вала исполнительного механизма — на исполнительные механизмы, осуществляющие поступательное движение приводного органа, (исполнительные механизмы с односторонним и двусторонним штоком), и исполнительные механизмы, которые осуществляют вращательное движение приводного механизма (рычажные исполнительные механизмы, а также мембранные исполнительные механизмы с шестеренным устройством);

ü по конструкции силового органа мембранные исполнительные механизмы могут разделяться на исполнительные механизмы -с плоской и гофрированной мембранами. Последние более сложны в устройстве, но в них обеспечивается постоянство эффективной площади мембраны по ходу штока, а также большой ход выходного вала исполнительного механизма при небольшом диаметре привода.

Мембраны, применяемые в исполнительных механизмах, могут изготовляться из резины, прорезиненной ткани или пластмассы.

Резиновые мембраны обладают наибольшей чувствительностью, но они наименее прочны. Наибольшей прочностью обладают мембраны из пластмассы, но они менее чувствительны. Поэтому наибольшее применение в исполнительных механизмах имеют мембраны, изготовленные из специальных прорезиненных тканей или так называемых мембранных полотен. Такие мембраны имеют высокую чувствительность и обладают достаточной прочностью.

СИЛЬФОННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Эти механизмы весьма перспективны в тех случаях, когда для управления приводным механизмом требуется сравнительно небольшое перестановочное усилие при небольшом ходе ведущего звена. В сильфонном исполнительном механизме силовым элементом является гофрированная трубка сильфон. Преимущества сильфонных механизмов заключаются в незначительных габаритах, простоте конструкции, малом весе и относительно низкой стоимости; они обладают высоким быстродействием и не требуют уплотнения выходного штока.

Положительным свойством сильфонного механизма является еще и то, что он обладает постоянством развиваемого усилия на выходном штоке (по его ходу) вследствие неизменности эффективной площади сильфона.

Недостатком сильфонных приводов является то, что они имеют небольшие выходные перестановочные усилия, получающиеся вследствие невысокой величины (из-за условий прочности сильфона) рабочего давления.

Типовые схемы сильфонных исполнительных- механизмов:

а – с подачей давления во внутреннюю полость сильфона; б – с подачей давления снаружи сильфона;

в – с рабочей пружиной, размещенной несоосно штоку

ПОРШНЕВЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

В отличие от мембранных и сильфонных исполнительных механизмов, поршневые приводы могут использовать большое давление рабочей среды (до 150 кг/см2 и выше), иметь большие перестановочные усилия на выходном штоке и его большой ход. Поршневые приводы – самые распространенные исполнительные механизмы поступательного движения.

При применении в них специального преобразовательного устройства (кривошипно-шатунного, рычажного или шестеренного, храпового механизмов или обгонной муфты) они могут действовать с приводными механизмами, рабочий орган которых совершает вращательное движение.

Поршневые пневматические и гидравлические приводы по количеству силовых органов могут выполняться одно-, двух- и четырехпоршневыми;

− по их расположению: с параллельным расположением поршней, действующих в одном направлении (с траверсой); с параллельным расположением поршней, действующих в противоположном направлении, а также с параллельным расположением сдвоенных поршней;

− по конструктивной схеме – одностороннего действия (с пружиной) и двустороннего действия (без пружины);

− по схеме действия привода – исполнительные поршневые механизмы, сообщающие поступательное движение приводному органу (прямоходные) с односторонним или двусторонним штоком и исполнительные механизмы, сообщающие приводному органу вращательное движение в одном направлении с кривошипно-шатунным. рычажным, винтовым или шестеренным устройством.

ПЛУНЖЕРНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

По конструкции и принципу действия плунжерные исполнительные механизмы похожи на поршневые исполнительные механизмы. В обоих типах механизмов имеются неподвижные рабочие цилиндры и поступательно движущиеся силовые органы, которые перемещаются под действием давления среды.

Но в отличие от поршневых механизмов, в которых рабочее давление действует только на торцевую поверхность поршня, в плунжерных исполнительных механизмах давление среды действует как на торцевую, так и на боковую поверхности плунжера. Если в поршневых исполнительных механизмах внутренний диаметр цилиндра точно соответствует диаметру поршня, то в плунжерных исполнительных механизмах внутренний диаметр рабочего цилиндра больше, чем диаметр силового элемента – плунжера. Поэтому плунжерные исполнительные механизмы по сравнению с поршневыми имеют большие размеры при том же тяговом усилии. Так же как и поршневые механизмы, плунжерные исполнительные механизмы бывают как одностороннего действия, так и двустороннего.

Первые осуществляют поступательное движение приводного органа, вторые – поступательное или вращательное.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ПРОЧИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭНЕРГИЮ ПАРА ЛЕГКОКИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ

Принцип действия исполнительных механизмов, использующих энергию пара легкокипящей жидкости основан на физическом законе парообразования жидкости под действием тепла (например, фреона).

При пропускании электрического тока через нагреватель жидкий фреон под действием тепла начинает переходить в парообразное состояние.

Под действием давления пара силовой сильфон (или мембрана) перемещается и изменяет положение соответствующего регулирующего органа приводного механизма.

Величина действующей силы определяется давлением паров фреона, которое в свою очередь зависит от количества подводимого тепла.

Для изменения величины давления, действующего на сильфон или же для обратного хода исполнительного механизма часть паров фреона (или все количество) пропускается в холодильник, где пары конденсируются. Обратный ход исполнительного механизма осуществляется, с помощью обратной пружины.

Достоинством таких приводов является большое удобство, их применения при дистанционном и автоматическом управлении без сложной системы трубопроводов, нуждающейся в абсолютной герметичности; простота устройства и ухода за ними; возможность работы при температурах окружающей среды от -40 до +60°С.

Главным недостатком исполнительного механизма такого типа является его невысокое быстродействие вследствие значительной инерционности процесса парообразования и конденсации фреона.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭНЕРГИЮ ВЗРЫВА

В настоящее время в определенных системах (главным образом в авиационной и ракетной технике) находят применение исполнительные механизмы, использующие для своей работы энергию взрыва.

Основными достоинствами таких механизмов являются простота устройства и принципа действия механизма, значительное усилие, развиваемое механизмом, значительное быстродействие исполнительного механизма.

К недостаткам подобных приводов относятся: опасность для персонала при работе с данными исполнительными механизмами, после каждого срабатывания исполнительного механизма нужно менять патрон с взрывчатым веществом. Поэтому исполнительные механизмы, использующие для своей работы энергию взрыва, применяются, главным образом в аварийных системах.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ; ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНУЮ ЭНЕРГИЮ ПАДАЮЩЕГО ГРУЗА ИЛИ СЖАТОЙ ПРУЖИНЫ

Исполнительные механизмы, использующие потенциальную энергию падающего груза, очень просты в устройстве и эксплуатации.

Их разделяют на механизмы с грузом, укрепленным непосредственно на штоке запорного устройства, и механизмы с грузом, укрепленным на рычаге. Последние называются рычажными грузовыми исполнительными.

Рычажные грузовые исполнительные механизмы в настоящее время используются в регулирующих и редукционных клапанах и регуляторах давления прямого действия с мембранными приводами одностороннего действия. Перестановочные усилия в грузовых исполнительных механизмах определяются весом грузов.

Недостатки грузовых исполнительных механизмов следующие:

1. Грузовые исполнительные механизмы удобны к применению для перекрывания труб относительно небольших проходов. При больших проходах трубопроводов требуется большой вес груза, что значительно увеличит габариты привода.

2. Грузовые исполнительные механизмы дают возможность работать затвору только по принципу «полное открытие – полное закрытие» и поэтому пригодны лишь для полного дросселирования потока транспортируемой жидкости или газа.

3. Перекрытие трубопровода при помощи грузового исполнительного механизма производится очень быстро, что может привести к возникновению гидравлических ударов в нем.

Исполнительные механизмы, использующие потенциальную энергию сжатой пружины, по принципу действия схожи с грузовыми исполнительными механизмами. Однако в отличие от грузовых приводов они имеют сравнительно небольшие приводные усилия, которые ограничиваются размерами пружин. Кроме того, перестановочные усилия в пружинных исполнительных механизмах не являются постоянными величинами уменьшаясь по ходу выходного вала.

Дата добавления: 2014-01-03