6.4. Пневматические исполнительные механизмы
Пневматические исполнительные механизмы (ПИМ) предназначены для преобразования входного сигнала давления, поступающего от регулирующего или командного прибора, в перемещение регулирующего органа, который изменяет приток или сток вещества или энергии в объект управления. Всякий ПИМ состоит из привода, воспринимающего командный сигнал давления, и регулирующего органа. ПИМ отличаются простотой, высокой надежностью, низкой стоимостью, малыми расходами на эксплуатацию, а также пожаро- и взрывобезопасностью. Последнее качество пневматических ПИМ – одно из самых важных для производства, связанного с пожаро- и взрывоопасными средами.
Исполнительные механизмы, входящие в системы автоматического регулирования, должны развивать достаточные перестановочные усилия для преодоления сил, противодействующих перемещению регулирующего органа на всем диапазоне перемещений, обладать детектирующими свойствами, иметь чувствительность, люфт и гистерезис, соизмеримые с аналогичными показателями других элементов системы.
По принципу действия ПИМ делят на механизмы поступательного движения, вращательного движения и струйные.
В свою очередь механизмы поступательного движения делят на поршневые, мембранные и сильфонные, а механизмы вращательного движения – на шестеренчатые, лопастные и поршневые.
Мембранный привод для исполнительных механизмов. В исполнительных механизмах с мембранным приводом перемещения регулирующего органа вызывается прогибом эластичной мембраны. Мембранный привод в настоящее время получил наибольшее распространение из-за отсутствия механического трения в уплотнениях и большей по сравнению с другими приводами чувствительностью к давлению.
Элементом, который преобразует входное давление в перемещение штока привода, служит эластичная мембрана 2 (рис. 6.58) с жестким центром 1. Усилие, развиваемое эластичной мембраной с жестким центром N, зависит от эффективной площади мембраны. Пропорциональность между входным давлением Рвх и ходом х штока 4 достигается за счет сил деформации уравновешивающей пружины 3.
Усилие, развиваемое мембранным приводом, при стандартных давлениях (0,2 – 1) 105 Па (0,2 – 1 ат) может достигать 500 и более килограммов.
Мембранные приводы могут быть одинарного и двойного действия.
На рис. 6.58, а, б показаны схемы мембранных приводов одинарного действия с пружиной под мембраной и над мембраной.
а б в
Рис. 6.58. Принципиальные схемы мембранных приводов
Как в том, так и в другом приводе пружины работают на сжатие при подаче входного давления. В приводах одинарного действия возврат штока в исходное положение осуществляется с помощью пружины.
В приводах двойного действия (рис. 6.58, в) давление воздуха управления подается с двух сторон мембраны. Поэтому движение штока в обоих направлениях вызывается подачей сжатого воздуха по ту или другую сторону мембраны.
Однозначная зависимость между входным давлением и ходом штока мембранного привода в процессе эксплуатации может меняться из-за изменяющихся сил трения в узлах регулирующего органа и привода. Для устранения этих явлений, а также для увеличения чувствительности исполнительных механизмов применяют специальные усилители давления с обратной связью по положению штока привода. Подобные усилители называются позиционерами и устанавливаются непосредственно на приводе.
В зависимости от принципа действия пневматические позиционеры подразделяют на позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений и схеме компенсации сил.
Схема позиционера, работающего по схеме компенсации перемещений, показана на рис. 6.59, а. Давление Pвх поступает в сильфон 6. Увеличение входного давления приводит к деформации сильфона, что в свою очередь вызывает уменьшение сброса воздуха в атмосферу через клапаны 5 усилителя мощности 1. Поэтому расход воздуха, поступающего от усилителя мощности к приводу 2, увеличивается. При этом шток 3 привода перемещается вниз и увлекает за собой рычаг 4, который приоткрывает клапаны 5 и увеличивает сброс воздуха в атмосферу.
Шток 3 перемещается до тех пор, пока не займет положение, пропорциональное поданному входному давлению, с точностью до статической ошибки. Таким образом, обратная связь по положению штока обеспечивает его однозначную установку в положение, соответствующее командному давлению. Это положение не зависит от величины трения в элементах привода и регулирующего органа.
а б
Рис. 6.59. Схемы пневматических позиционеров
Большей точностью в работе обладают позиционеры, построенные по схеме компенсации усилий (рис. 6.59, б). Входное давление Рвх поступает в камеру А и создает усилие на мембранах 4, имеющих разные эффективные площади (у нижней мембраны эффективная площадь больше, чем у верхней). Клапан 3 перемещается вниз и увеличивает подачу воздуха из камеры В в мембранный привод. Давление, действующее на мембрану привода, увеличивается. Последняя прогибается вверх и перемещает шток 1 позиционера. Перемещение штока 1 преобразуется в усилие с помощью пружины 2. Сжатие пружины вызывает на мембранном блоке дополнительное усилие, которое прикрывает клапан 3 и уменьшает давление воздуха, подводимого к мембранному приводу. Равновесие наступает тогда, когда усилие пружины, а следовательно, и положение мембраны и штока мембранного привода станут соответствующими поданному входному давлению воздуха. Через камеру Б воздух выходит в атмосферу при уменьшении входного давления.
Позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений, применяют в основном для мембранных приводов, имеющих большой ход штока (25 100 мм), а позиционеры, построенные по схеме компенсации сил, – для мембранных приводов, ход штока которых составляет 7–25 мм.
Поршневой привод. Поршневой привод в отличие от мембранного позволяет получить большое перемещение штока, что в некоторых случаях определяет целесообразность его применения. Основные элементы поршневого привода (рис. 6.60) – поршень 3 и цилиндр 1, герметичность между трущимися поверхностями которых обеспечивается манжетой 2. Под действием входного давления на поршне развивается усилие, которое будет поступательно перемещать регулирующий орган.
Конструктивно поршневые приводы бывают одинарного и двойного действия.
В приводах одинарного действия воздух подводится к поршню только с одной стороны, а сила, развиваемая при этом поршнем, уравновешивается либо противодействием груза 4 (рис. 6.60, а), либо силой упругой деформации пружины 5 (рис. 6.60, б). В поршневых приводах двойного действия (рис. 6.60, в) перемещение поршня в противоположных направлениях осуществляется подачей давлений Рвх1 и Рвх2 в ту или другую полость цилиндра.
а б в
Рис. 6.60. Схемы поршневых приводов
Диаметр D цилиндра привода находят при заданном перепаде давлений Р по усилию Npaсч на штоке, принятому в т раз больше заданного движущего усилия Nдв:
Величину коэффициента т для поршневых приводов с манжетным уплотнением принимают равной 1,5, а для поршней с металлическими кольцами – равной 1,1 1,3. Выпускают поршневые приводы с внутренним диаметром цилиндра от 30 до 300 мм. Для увеличения точности и уменьшения инерционности поршневых исполнительных механизмов их, как и мембранные, дополняют позиционерами. Такие поршневые приводы называют следящими.
На рис. 6.61 приведена схема поршневого следящего привода с мембранно-золотниковым позиционером. Привод состоит из цилиндра 5 и поршня 8, уплотнение между которыми обеспечивается кольцами 4. С помощью пружины 7 осуществляется преобразование величины перемещения в силу и вводится отрицательная обратная связь по положению поршня. Уплотнение 9 служит для разделения внутренней полости Цилиндра 5 от камеры Б.
Рис. 6.61. Схема поршневого следящего пневмопривода
Привод работает следующим образом. Давление Рвх поступает в камеру Б и деформирует мембрану 11 с жестким центром 10. Пропорциональность между давлением Рвх и деформацией мембраны достигается за счет пружины 12. При увеличении входного давления деформация мембраны увеличивается и золотник 2 передвигается влево. Воздух питания (обычно с давлением 6 105 Па) из полости А поступает в канал 1, и поршень 8, а вместе с ним и шток 6 передвигаются вправо. При этом пружина 7 растягивается и усилие, воздействующее на мембрану со стороны этой пружины, увеличивается, т. е. осуществляется отрицательная обратная связь по положению поршня.
Движение поршня происходит до тех пор, пока он не займет положение, пропорциональное входному давлению. При уменьшении входного давления воздух питания поступает в линию 3.