Исполнительные механизмы и регулирующие органы

Исполнительный механизм автоматической системы – это устройство, приводящее в движение различные регулирующие органы (клапаны, дроссельные заслонки, задвижки, шиберы, краны и др.). Чтобы привести в движение исполнительный механизм, требуются затраты энергии извне. В зависимости от вида потребляемой энергии исполнительные механизмы могут быть электрическими, гидравлическими и пневматическими.

Электрические исполнительные механизмы применяются в комплекте с электрическими и электронными регуляторами. В этих исполнительных механизмах применяют двух- и трёхфазные асинхронные электродвигатели, тяговые электромагниты.

Схематическая конструкция тягового электромагнита представлена на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Схематическая конструкция тягового электромагнита

На катушку электромагнита подаётся напряжение питания u. В катушке создаётся магнитное поле, пронизывающее сердечник, сердечник намагничивается и втягивается в катушку. При этом через шток и шарнирное звено передаётся перемещение регулирующему органу (заслонка, клапан, задвижка) в положение «открыто». Если напряжение питания u отключить, то сердечник под действием собственной массы и пружины опускается вниз и перемещает регулирующий орган в другое положение («закрыто»). Такая конструкция нашла широкое применение в клапанах – отсекателях газовых сетей как устройств автоматики безопасности.

Достоинство исполнительных механизмов с тяговыми электромагнитами – простота конструкций, быстродействие и возможность получения непосредственно линейных перемещений, недостаток – значительные габариты при больших усилиях на штоке, низкая точность перемещений, удары и рывки при работе, наличие релейной статической характеристики, не позволяющей получить пропорциональный закон регулирования.

Исполнительные механизмы, выполненные на основе применения электродвигателей с редукторами, могут быть однооборотными или многооборотными. В однооборотных исполнительных механизмах угол поворота выходного вала редуктора не превышает 360º. В многооборотных исполнительных механизмах выходной вал делает несколько оборотов или вращается непрерывно (рис. 2.21).

a)

L 1

N

б)

Рис. 2.21. Схематическая конструкция исполнительного механизма с электродвигателем и редуктором:

а – с трёхфазным асинхронным электродвигателем; б – с однофазным конденсаторным электродвигателем

В трёхфазных электродвигателях питающее напряжение подаётся на зажимы L1, L2, L3 (три фазы), в однофазных – на L1, N (фаза и нейтраль).

Многооборотные исполнительные механизмы широко применяются при автоматизации различных процессов в системах ТГВ. Многооборотный исполнительный механизм может сообщать как вращательное, так и поступательное движение, а наличие реостата обратной связи даёт возможность реализовать различные законы регулирования. В некоторых многооборотных механизмах отсутствует реостат обратной связи, поэтому этот механизм применяют в схемах двухпозиционного регулирования. Однооборотный исполнительный механизм применяется для перемещения, например задвижек, клапанов, шиберов, кранов. Наличие реостата обратной связи в нём позволяет осуществлять различные законы регулирования. К отмеченным достоинствам электрических исполнительных механизмов можно добавить доступность энергии в стационарных условиях. Недостатки исполнительных механизмов на основе электродвигателей – значительные габариты при больших усилиях на выходном валу редуктора, необходимость в большинстве случаев преобразования вращательного движения в поступательное.

При автоматизации систем ТГВ широко применяют пневматические исполнительные механизмы, обладающие малой инерционностью и позволяющие получить большие перестановочные усилия. Эти механизмы применяют в основном для передачи поступательных движений. По принципу действия их можно разделить на две группы: поршневые и мембранные.

Поршневые исполнительные механизмы могут быть одностороннего и двустороннего действия. В конструкцию поршневого исполнительного механизма входят цилиндр, шток с поршнем, система уплотняющих устройств и распределительное устройство. Достоинство пневматических поршневых исполнительных механизмов – простота конструкции, возможность получения больших перестановочных усилий, недостаток – большие габариты и значительные рывки при работе механизма.

В системах ТГВ широкое применение нашли мембранные исполнительные механизмы (рис. 2.22).

Мембранные исполнительные механизмы имеют мембрану, соединённую со штоком, посредством которого движение сообщается клапану, шиберу, задвижке или другому механизму. При подаче сжатого воздуха в надмембранное пространство исполнительного механизма мембрана прогибается, перемещая шток. Между давлением воздуха над мембраной и перемещением штока существует пропорциональная зависимость, позволяющая применять эти исполнительные механизмы в пропорциональных регуляторах. Недостаток пневматических исполнительных механизмов заключается в том, что для их работы необходим источник сжатого воздуха (компрессор) с фильтром. Достоинство пневматических исполнительных механизмов – возможность использования во взрывоопасных средах, например в газовых сетях.

Рис. 2.22. Схематическая конструкция мембранного исполнительного механизма

Гидравлические исполнительные механизмы (рис. 2.23) предназначены для преобразования давления жидкости (масла, воды, глицерина и др.), поступающей от гидравлического насоса, в механическое перемещение, например поршня со штоком. Гидравлические исполнительные механизмы позволяют получить при небольших габаритах большие перестановочные усилия на штоке, одновременно достигается высокая точность линейных перемещений.

Рис. 2.23. Схематическая конструкция поршневого гидравлического

исполнительного механизма

Недостаток гидравлических исполнительных механизмов – высокие требования к чистоте обработки сопрягаемых деталей и необходимость в источнике сжатой жидкости.

Регулирующие органы предназначены для непосредственного воздействия на объект регулирования, чтобы устранить появившееся отклонение регулируемой величины от заданного значения. Регулирующие органы изменяют приток вещества или энергии и выполняются, как правило, в виде клапанов, задвижек, шиберов, заслонок. В системах автоматики регулирующие органы часто составляют с исполнительным механизмом единое целое. Главное требование к конструкции регулирующих органов – линейность их статической характеристики.