4. Исполнительные механизмы
Исполнительными механизмами (ИМ) CAP и дистанционного управления называют устройства, осуществляющие перемещение РО в соответствии с поступающими от управляющего устройства сигналами.
Регулирующими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты и другие органы, способные производить изменение количества энергии или рабочего вещества, поступающего в ОУ. При этом перемещение рабочих органов может быть как поступательным, так и вращательным в пределах одного или нескольких оборотов. Следовательно, ИМ с помощью рабочего органа осуществляет непосредственное воздействие на ОУ.
Для управления ИМ сигнал управляющего устройства за счет энергии внешнего источника усиливается по мощности до необходимого уровня.
В совокупности вышеперечисленные элементы составляют исполнительное устройство, структурная схема которого и обозначение на функциональных схемах автоматики приведены на рис. 7.9.
Рис. 1.63. Исполнительное устройство:
а – структурная схема; б – обозначения элементов
исполнительного устройства на функциональной технологической схеме
В общем случае ИМ состоят из совокупности следующих элементов: исполнительного двигателя – источника силового воздействия на РО; передаточного или преобразовательного устройства, располагающегося между исполнительным двигателем и РО и предназначенного для получения определенной скорости, направления или характера перемещения РО; конечных выключателей, служащих для ограничения перемещения РО и фиксации его положения в схемах управления и автоматического регулирования; элементов управления (пускателей, реле, золотников, клапанов и др.), защиты (предохранительных и переливных клапанов, муфт ограничения крутящего момента и др.), сигнализации и контроля (дистанционных указателей положения и др.).
Основные параметры ИМ:
номинальное значение крутящего момента на выходном валу или усилия на выходном штоке;
максимальное значение вращающего момента или усилия;
зона нечувствительности (в пределах которой изменение величины управляющего сигнала не вызывает движения ИМ);
постоянная времени, характеризующая инерционное запаздывание начала движения ИМ после подачи на его вход управляющего сигнала;
время оборота выходного вала ИМ или хода его штока; величина инерционного выбега выходного вала ИМ.
Перемещение выходного органа ИМ после выключения механизма, работавшего в установившемся режиме, называют выбегом. Движущиеся массы работающего ИМ приобретают кинетическую энергию, которая гасится на пути выбега. Инерционный выбег оказывает существенное влияние на качество процесса регулирования, особенно при сокращенном ходе ИМ. Так, если выбег составляет 2 % максимального хода ИМ и ход его ограничен 0,3–0,6 м, то при линейной характеристике РО перерегулирование составит значительную величину – 6,6–3,3 %. Уменьшение выбега осуществляют установкой и настройкой тормозных устройств.
На работу САР оказывает влияние свободный ход выходного органа ИМ при отсутствии управляющего сигнала. Он возникает из-за зазоров в рабочих частях ИМ и износа их контактных поверхностей, влияет на границы устойчивости CAP и может быть причиной возникновения в ней автоколебаний. В зависимости от типа ИМ свободный ход ограничивается следующими значениями: 0,2–0,5 мм для прямоходовых; 0,75–1,00º для однооборотных; до 3,00º для многооборотных.
Важнейшие показатели ИМ – их различные статические и динамические характеристики. По своим динамическим свойствам ИМ – интегрирующее звено с передаточной функцией вида:
где Тим – время полного перемещения выходного органа ИМ при максимальном выходном сигнале.
Для преобразования ИМ в пропорциональное звено, в котором положение выходного органа пропорционально входному сигналу, ИМ охватывают местной жесткой обратной связью.
Классификация. Исполнительные механизмы классифицируют по следующим основным признакам: виду потребляемой энергии; характеру движения выходного органа; виду используемого двигателя и в зависимости от скорости движения выходного органа.
По виду потребляемой энергии ИМ делят на: электрические; пневматические; гидравлические (гидравлические механизмы, в которых в качестве энергоносителя используется масло, иногда называются «сервоприводами» или «сервомоторами»); прочие ИМ (использующие потенциальную энергию груза или сжатой пружины, энергию взрыва и др.).
Электрические ИМ применяют на невзрывоопасных объектах. К ним могут быть отнесены теплоэнергетические установки и котельные. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с пневматическими и гидравлическими. Подвод энергии к электрическим ИМ проще, так как монтаж кабеля осуществляется легче, чем импульсных трубопроводов. Трассы кабельных линий не требуют такого пристального повседневного внимания эксплуатационного персонала, какое требуется для пневматических и гидравлических трасс.
Однако электрические ИМ хуже, чем пневматические и гидравлические, работают в местах повышенной влажности и температуры. Одни из главных недостатков электрических ИМ – это выбег сервомотора и люфт в редукторной передаче.
Пневматические ИМ по стоимости выгодно отличаются от электрических. Однако в некоторых случаях пневматические механизмы не могут быть применены. К этим случаям относятся необходимость больших перестановочных усилий РО (более 30 000–40 000 Н) и передача команды от управляющего устройства к ИМ на большое расстояние (более 300 м). В этом случае возникают значительные запаздывания в исполнении команды.
Гидравлические ИМ имеют в основном те же достоинства и недостатки, что и пневматические ИМ, однако могут развивать значительные перестановочные усилия и применяются преимущественно на мобильных машинах. По характеру движения выходного органа ИМ делят на поворотные и прямоходные.
Поворотные ИМ бывают однооборотные и многооборотные.
По виду используемого двигателя ИМ делятся на электродвигательные, электромагнитные, поршневые и мембранные.
В зависимости от скорости движения выходного органа различают ИМ с постоянной скоростью и ИМ, у которых скорость перемещения выходного органа пропорциональна выходному сигналу.
В сельскохозяйственном производстве наибольшее распространение получили электрические ИМ, которые можно разделить на 2 основные группы: электромагнитные и электродвигательные.
К первой группе относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными клапанами, вентилями, золотниками и т. п. Сюда же можно отнести ИМ с различными видами электромагнитных муфт. Характерная особенность ИМ этой группы состоит в том, что необходимое для перестановки рабочего органа усилие создается за счет электромагнита. Являющегося неотъемлемой частью ИМ. Соленоидные механизмы обычно применяются только в системах двухпозиционного регулирования.
Ко второй группе относятся электрические ИМ с электродвигателями. Электродвигательные ИМ обычно состоят из двигателя, редуктора и тормоза (последнего может и не быть). Сигнал управления поступает одновременно к двигателю и тормозу, механизм растормаживается и двигатель приводит в движение выходной орган. При исчезновении сигнала двигатель выключается, а тормоз останавливает механизм. Простота схемы, малое число элементов, участвующих в формировании регулирующего воздействия, и высокие эксплуатационные свойства сделали ИМ с управляемыми двигателями основой для создания исполнительных устройств современных CAP.
Существуют, хотя и не получили широкого распространения, ИМ с неуправляемыми двигателями, которые содержат управляемую электрическим сигналом механическую, электрическую или гидравлическую муфту. Характерная их особенность заключается в том, что двигатель работает непрерывно в течение всего времени работы системы регулирования, а сигнал управления передается рабочему органу через управляемую муфту.
Вопросы для самоконтроля
Приведите пример использования сравнивающего устройства на сельскохозяйственной машине.
Назовите основные характеристики задающих устройств.
Приведите классификацию усилительных устройств.
Назовите характеристики усилительных устройств.
Приведите пример использования исполнительных механизмов на сельскохозяйственных машинах.
МАТЕРИАЛЫ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Лабораторная работа № 1
«Исследование характеристик фотодатчиков и фотореле»
Цель работы: ознакомиться с устройством и характеристиками фотодатчиков с внешним (фотоэмиссионным) и внутренним (фоторезистивным и фотогальваническим) фотоэффектом; снять и построить вольтамперные и световые характеристики; изучить устройство и работу фотореле.
Задачи работы.
1. Изучить устройство и принцип действия фотодатчиков.
2. Ознакомиться с характеристиками фотоэлементов.
3. Определить экспериментально вольтамперные и световые характеристики фотоэлементов и их статическую, интегральную и удельную чувствительность.
4. Изучить устройство и принцип действия фотореле ФР-2.
5. Экспериментально определить порог срабатывания фотореле по освещенности.
Методика выполнения работы изложена в практикуме «Средства автоматики и автоматизация производственных процессов», с. 5–15.