2.3. Исполнительные устройства

Исполнительные устройства предназначены для непосредственного воздействия на управляемый объект или его органы управления.

Исполнительные устройства, применяемые в системах автоматики, очень разнообразны. По физической природе они делятся на электрические, гидравлические, пневматические, механические и комбинированные [1].

По конструкции различают электродвигательные, электронные, электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные исполнительные устройства.

Управление исполнительными устройствами осуществляется, как правило, через усилители мощности. Помимо того, непосредственно к исполнительному устройству может подводиться энергия от дополнительного источника.

Исполнительные устройства должны удовлетворять следующим требованиям:

- их мощность должна превосходить мощность, необходимую для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работы;

- статические характеристики исполнительных устройств должны быть, по возможности, линейными и иметь минимальную зону нечувствительности, т.е. такую зону, в пределах которой изменения управляющего сигнала не вызывают перемещение управляемого органа;

- достаточное быстродействие;

- простота и экономичность регулирования выходной величины;

- малая потребляемая мощность.

В качестве исполнительных устройств в системах автоматики в основном применяются электромагнитные реле, электромагниты, электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и поршневые, гидравлические и пневматические двигатели.

Широкое распространение получили электрические исполнительные устройства, т.е. устройства, преобразующие энергию электрического тока в механическую энергию с целью воздействия на объект управления.

Электрические исполнительные устройства делятся на электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным устройствам относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты, а к электродвигательным – двигатели постоянного и переменного тока и шаговые (импульсные).

Электромагнитные исполнительные устройства, основным элементом которых является электромагнитный привод, как правило, используются для поступательного перемещения органов управления, а электрические двигатели – для поворотного [5].

Электрические исполнительные устройства.

Электромаг­ниты предназначены для выполнения быст­рых перемещений рабочего органа на не­большие расстояния и в основном для уп­равления гидравлическими или пневмати­ческими вентилями, кранами, задвижка­ми, золотниками.

В зависимости от величины хода яко­ря электромагниты могут быть длиннохо­довыми и короткоходовыми. Один из видов исполнительного устройства – про­стой электромагнитный вентиль (солено­идное исполнительное устройство) – приводит в действие клапан, открывающий и закрывающий доступ рабочей жидкости или сжатого воздуха в привод машины (рис. 2.9, а). При прохождении по катуш­ке 1 электрического тока стальной якорь 2 втягивается внутрь соленоида и открывает клапан 3.

На принципе электромагнитного при­тяжения основаны устройства и действие электромагнитных муфт (рис. 2.9, б), получивших широкое применение в автоматизированных станках и других машинах, где при их помощи производятся раз­личные переключения в кинематических цепях без прерывания движения. На веду­щем валу 4 жестко закреплен корпус 5 электромагнита. Якорь 2 расположен на ведомом валу 9. Между корпусом 5 и якорем 2 помещен фрикционный диск 6. В корпусе 5 находится катушка 7, которая питается постоянным током через контакт­ные кольца и щетки. При прохождении че­рез обмотку катушки электрического то­ка в корпусе возникает магнитный поток, пронизывающий фрикционный диск и за­мыкающийся через якорь. Якорь притяги­вается к корпусу, и движение ведущего вала 4 передается ведомому валу 9. При прекращении подачи тока в катушке пру­жина 8 отталкивает якорь 2 от корпуса 5 и движение ведомого вала прекращается.

Рис. 2.9. Электромагнитные исполнительные устройства: а – вентиль; б – муфта

В случае, когда необходимо реверсив­ное вращение ведомого вала при неизмен­ном вращении ведущего вала, применяют реверсивные сдвоенные муфты.

Реле. Одним из наиболее pacпростpa­ненных элементов автоматики является реле – устройство, реагирующее на изменение тех или иных факторов замыканием или размыканием своих контактов под воздействием электрического тока, свето­вой энергии, давления жидкости или газов, уровня жидкости, температуры и т. п.

По принципу действия реле подразде­ляют на электромеханические (электромагнитные, магнитоэлектрические, элект­родинамические и индукционные), элект­ронные, тепловые, механические и ряд других.

Электромагнитные реле по­лучили наибольшее распространение в си­стемах электроавтоматики и служат в основном для коммутации электрических цепей. Действие реле (рис. 2.10) заключа­ется в притяжении стального якоря 2 к сердечнику 3 электромагнита, по обмот­ке 4 которого пропускается управляющий ток. При отсутствии тока якорь оттягива­ется от сердечника возвратной пружиной 1. Якорь замыкает или размыкает контакты 5. Электромагнитные реле по роду используемого тока подразделяются на реле по­стоянного и переменного тока.

Рис. 2.10. Схема электромагнитного реле

Тепловое реле срабатывает в результате изменения температуры. Основ­ной частью большинства тепловых реле яв­ляется биметаллическая пластина, состоя­щая из двух спаянных пластинок из раз­личных металлов, имеющих разные коэф­фициенты температурного расширения. При пропускании тока по обмотке биме­таллическая пластина, нагреваясь, изги­бается и замыкает рабочие контакты. Теп­ловые реле находят широкое применение в различных схемах защиты, например в схеме защиты электродвигателей от пере­грузки. В схемах автоматики применяют тепловые реле типов ТРВ –113, ВПУ, РВТ – 150, РТ и другие.

Реле времени – это специальное устройство, предназначенное для получе­ния заданной выдержки времени при включении или выключении электрических це­пей. Увеличение времени срабатывания или отпускания реле достигается магнит­ным, электрическим или механическим способом. Магнитный способ замедления действия реле предусматривает увеличение времени изменения магнитного потока. В этом случае на магнитопровод реле надева­ют медный короткозамкнутый виток, в котором при подаче напряжения на обмотку реле возникает электрический ток, соз­дающий размагничивающий магнитный по­ток. Промежуток времени от момента включения обмотки реле до момента его срабатывания увеличивается. Отечествен­ной промышленностью выпускаются электромагнитные реле серии ЭРЭ – 100 с выдерж­кой времени от 0,25 до 16 с и более.

Гидравлические исполнительные уст­ройства. Устройствами с гидравлическим принципом действия являются прежде все­го гидравлические двигатели с поступатель­ным или вращательным движением. К пер­вому виду относятся двигатели поршне­вые и мембранные, а ко второму – рота­ционные (лопастные и поршневые). Чаще других в качестве исполнительных меха­низмов используются поршневые гидро­двигатели поступательного движения. Ос­новной частью такого двигателя служит гидроцилиндр с поршнем, закрепленным на штоке, который в свою очередь жестко соединяется с рабочим органом машины.

Для получения вращательного движе­ния в гидравлических системах применяют гидродвигатели с осевым расположением поршней мощностью 0,6; 1,2; 2,5; 5 и 10 кВт. Достоинство гидропривода – вы­сокое давление рабочей жидкости при срав­нительно малых габаритных размерах, что позволяет получить на выходе большую мощность и осуществить плавное бессту­пенчатое регулирование скорости движе­ния. В настоящее время строительные машины, в большинстве своем, оборудуются гидроприводом [1, 5].

Пневматические исполнительные устройства. Эти устройства (рис. 2.11), в основном поршневые и мембранные, по сво­ей конструкции аналогичны гидравлическим и применяются для приведения в действие дроссельных клапанов, зажим­ных приспособлений, тормозных колодок и т. п. Поршневые устройства, которые на­иболее часто применяются в транспортных системах и манипулятарах, имеют стан­дартные диаметры от 75 до 300 мм. У мем­бранныx устройств диаметры от 175 до 230 мм.

Пневматические устройства дешевле гидравлических, более просты в изготов­лении и эксплуатации. Они не требуют высокого качества уплотнения, не реагируют на изменение температуры и имеют более простые пусковые приспособления. Одна­ко при больших рабочих усилиях пневма­тические устройства должны иметь значи­тельные габаритные размеры. Кроме того, такие устройства не могут обеспечить вы­сокой точности перемещений и плавности подачи.

Рис. 2.11. Пневматические исполнительные механизмы: а) поршневой двустороннего действия;

б) мембранный; I и II – полости цилиндра; 1 – штуцер; 2 – канал для подачи воздуха; 3 – цилиндр;

4 – шток; 5 – поршень; 6 – отверстие для подачи воздуха; 7 – резиновая мембрана; 8 – крышки;

9 – диск; 10 – пружина; 11 – втулка; 12 – гайка; 13 – шток привода;

14 – шкала положения регулирующего органа

Гидро– и пневмоавтоматикa и элемен­ты их управлении находят широкое применение при автоматизации технологических процессов бетоносмесительных узлов, арматурных работ на заводах железобетонных конструкций, а также в системах автоматического управления путевыми и строительными машинами [1].