Пневматические исполнительные механизмы

Пневматический исполнительный механизм (далее – ПИМ) является неотъемлемой и основной конструктивной частью пнев- матического привода (пневмопривода), включающего помимо ПИМ сети подготовки сжатого воздуха (компрессоры воздуха, фильтры и др.) и его распределения.

Рабочим телом в пневматических устройствах является сжа- тый воздух, представляющий собой смесь азота, кислорода (по объему примерно 78 и 21 % соответственно) и других газов, со- держащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.

Сжимаемость газа оказывает значительное влияние на сниже- ние быстродействия системы, особенно при значительной нагрузке или при значительных ускорениях.

Пневматические системы автоматизированного управления сегодня, в эпоху микропроцессоров и широкого применения циф-

ровой электроники, смотрятся несколько архаично, они достаточ- но громоздкие, к тому же сжатый воздух расходуется при работе пневматических систем.

В связи с этим ПИМ являются гораздо менее распространен- ным классом ИМ в сравнении с ЭИМ в системах автоматизации (около 4 % от объема всех ИМ). Вместе с тем простота конструк- ции пневмоприводов и, как следствие, достаточно высокая надеж- ность и ремонтопригодность позволяют успешно использовать такие приводы в современных системах автоматизированного управления технологическими процессами. При этом ПИМ широ- ко применяются там, где регламентированы требования по взры- возащите (нефтяное, газовое хозяйство и т.п.).

ПИМ предназначены для преобразования изменений давле- ния воздуха Р на выходе регулятора в перемещение h регулирую- щего органа – клапана, заслонки, шибера, крана и тому подобного. Регулирующий орган изменяет расход потока жидкости, газа, пара и тому подобного, вводимого в объект управления, и тем самым вызывает изменение регулируемой выходной координаты.

По типу привода ПИМ подразделяются на мембранные и поршневые, по виду движения РО – прямоходные и поворотные (моментные пневмодвигатели).

К прямоходным относятся поршневые, сильфонные, камер- ные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных кон- струкций, к поворотным – такие же, но с винтовым или лопастным рабочим элементом. Шланговые и мембранные РО – это бессаль- никовые регулирующие органы, которые используются для изме- нения расхода агрессивных и загрязненных жидкостей. Наиболь- шее распространение получили поршневые пневмодвигатели, ко- торые называют также пневмоцилиндрами.

Еще один тип пневмоприводов – пневмомоторы, работающие с неограниченным вращательным движением выходного звена. Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на поршневые, мембранные, пластинчатые, винтовые и турбинные. Упрощенная классификация ПИМ представлена на рис. 1.11.

Зачастую ПИМ комплектуются ручными дублерами с целью обеспечения возможности ручного управления затвором РО, а также позиционерами (усилителями мощности) для повышения быстродействия и точности установки выходного звена ИМ.

К основным параметрам пневматических устройств относят- ся: условный проход, диапазон давления воздуха, расходная ха- рактеристика, параметры управляющего воздействия, параметры выхода, утечки, время срабатывания, допускаемая частота вклю- чений, показатели надежности, размер, масса и др.

Рис. 1.11. Классификация ПИМ

 

ИМ обозначаются следующим образом: тип, вид действия, диаметр заделки мембраны, ход штока, наличие дополнительного устройства.

Пример обозначения: МИМ-ППХ-320-25-10, т.е. мембранный исполнительный механизм прямого действия, прямоходный, диа- метр заделки мембраны 320 мм, ход штока 25 мм, дополнительное устройство отсутствует.

Мембранные пневматические исполнительные механизмы (МПИМ) могут быть одностороннего и двойного действия. В устройствах одностороннего действия движение мембраны в одном направлении производится усилием возрастающего дав-

ления газа, а в противоположном – усилием пружины. В устройст- вах двойного действия движение мембраны в обе стороны осуще- ствляется усилием от давления газа в надмембранную и подмем- бранную области.

 

Рис. 1.12. Принципиальная схема МПИМ: 1 – клапан; 2 – шток; 3 – возвратная пружина; 4 – мембрана;

5 – сальник

Работа наиболее распространен- ных МПИМ одностороннего действия заключается в следующем (рис. 1.12).

Под действием давления возду- ха Р, подаваемого в герметичную мембранную «головку» 4 сверху (над- мембранную область), шток 2, пре- одолевая противодействие пружины 3, изменяет положение клапана 1, тем самым изменяя его проходное сече- ние. Степень открытия сечения клапа- на пропорциональна давлению возду- ха Р, подаваемого на мембранный ме- ханизм. Противодействующее усилие и возврат штока в исходное положе- ние при отсутствии давления в над-

мембранной полости осуществляются с помощью пружины 3. Мембрана изготавливается обычно из прорезиненной ткани тол- щиной 2–4 мм с жестким центром.

Поскольку при снятии давления Р мембрана всегда перемеща- ется вверх, в зависимости от конструкции регулирующего органа различают нормально открытые и нормально закрытые клапаны.

Регулирующие клапаны выпускают двух типов: одно- и двух- седельные. Односедельные клапаны (см. рис. 1.12) испытывают одностороннее действие давления регулируемой среды; оно выра- жается в «сжатии» или «отжатии» самого седла при изменении направления движения среды через регулирующий орган. Такой эффект является нежелательным, так как нарушает процесс регу- лирования. Для устранения этого эффекта используют двухсе- дельный клапан. Два седла и затворы позволяют потоку регули-

руемого газа или жидкости протекать одновременно в противопо- ложных направлениях, в результате чего регулирующий орган яв- ляется разгруженным.

Односедельные клапаны требуют более мощного исполнитель- ного механизма, так как на шток воздействует сила давления среды.

В двухседельном клапане сила, развиваемая исполнительным механизмом, затрачивается только на перемещение регулирующе- го органа, независимо от давления и скорости протекания регули- руемой среды. Однако такие клапаны менее герметичны, чем од- носедельные.

Регулирующие органы имеют линейные или равнопроцентные пропускные характеристики. Статические характеристики боль- шинства МПИМ близки к линейным, однако они обладают зоной гистерезиса, составляющей 2–15 % от наибольшего значения Р. Эта величина зависит от усилий трения в сальнике 5, перепада давления на регулирующем органе, характеристик пружины и эффективной площади мембраны. Перемещения штока h в среднем достигают 50– 70 мм, и эффективная площадь Р мембраны зависит от h. По мере возрастания Р зона гистерезиса уменьшается до 2–3 % и практиче- ски не влияет на качество переходных процессов в СУИМ.

В динамическом отношении МПИМ с зоной гистерезиса 2– 3 % можно считать усилительными звеньями при частоте среза до 0,3 рад/с. Если зона гистерезиса составляет 5–8 %, то частота среза уменьшается на порядок. Динамика МПИМ по каналу давление воздуха на входе в камеру – перемещение штока при малых воз- мущениях приближенно описывается апериодическим звеном. В общем случае постоянная времени МПИМ зависит от переме- щения штока h.

Основные технические характеристики мембранных ПИМ представлены в табл. 1.3.

Для уменьшения зоны гистерезиса и улучшения динамиче- ских характеристик МПИМ на исполнительный механизм уста- навливают дополнительные компенсирующие усилители мощно- сти, называемые позиционерами.

Таблица 1.3

Технические характеристики мембранных ПИМ

 

Эффективная площадь мембраны, см^2	250	400	630	1000
Диаметр заделки, мм	200	250	320	400
Условный ход штока, мм	5, 10, 16	16, 25	25, 40	40, 60
Вид действия	НО, НЗ	НО, НЗ	НО, НЗ	НО, НЗ
Входной сигнал, МПа	0,02–0,4		0,02–0,25
Наибольшее усилие, необхо- димое для вращения на махо- вике дублера, кгс	12	16	25	32
Масса привода без дополни- тельных блоков, кг	11,0	11,5	14,0	15,0

 

Различают позиционеры, работающие по схеме компенсации перемещений и схеме компенсации сил. В позиционерах обоих ти- пов МПИМ охватывается отрицательной обратной связью по по- ложению штока, что исключает влияние на статические характе- ристики сил трения в сальнике, перепад давления на регулирую- щем органе и т.п. Одновременно с этим увеличение расхода воздуха, подаваемого в МПИМ, заметно улучшает динамические характеристики последнего.

Принципиальные схемы позиционеров обоих типов показаны на рис. 1.13.

В позиционере, работающем по принципу компенсации пере- мещений (см. рис. 1.13, а), сигнал Р подается в сильфон 1, связан- ный рычажным механизмом 2 со штоком 3. При изменении Р ры- чаг вращается относительно опоры О ₁ и перемещает золотник 5, изменяя тем самым подачу воздуха в камеру МПИМа (сигнал P _п). Мембрана МПИМ занимает новое положение, и рычаг 2 начинает поворачиваться относительно оси О ₂, т.е. начинает работать отри- цательная обратная связь.

В позиционере, построенном по схеме компенсации сил (см. рис. 1.13, б), функции сильфона выполняет мембрана 1, пере- мещения которой через золотник 5 влияют на расход и давление

воздуха, подводимого в камеру МПИМ 4. Перемещения мембраны МПИМ через толкатель 6 и пружину отрицательной обратной свя- зи 7 уравновешивают силу, действующую на мембрану со стороны давления Р.

а                                                                       б

Рис. 1.13. Принципиальные схемы позиционеров: а – с компенсацией перемещений; б – с компенсацией усилий; 1 – чувствительный элемент (сильфон, мембрана); 2 – рычаг; 3 – шток МИМ; 4 – надмембранная камера; 5 – золотник; 6 – толкатель; 7 – пружина обратной связи

 

Позиционеры первого типа используют в МПИМ с большими перемещениями штока (40–70 мм), позиционеры с компенсацией усилий – в МПИМ с малыми перемещениями (10–40 мм).

Управление     современными ПИМ, в том числе МПИМ, осуществ- ляют маломощными электрическими сигналами (преимущественно током в пределах 0–20 или 4–20 мА или на- пряжением в пределах 0–10 В). При этом часто такие ИМ относят к ком- бинированным и обозначают как электропневматические исполни-

тельные механизмы – ЭПИМ. Внеш- ний вид конструкции мембранного ЭПИМ приведен на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Внешний вид мембранного ЭПИМ, установленного на ЗРА

ЭПИМ подразделяют на электропневматические позиционе- ры и электропневматические преобразователи.

Электропневматический позиционер является регулятором положения подвижной системы регулирующего клапана. Как в любой замкнутой системе, здесь присутствует объект регулиро- вания (исполнительный механизм регулирующего клапана), регу- лятор (электропневматический позиционер), регулируемый пара- метр (положение штока клапана), сигнал действующего рассогла- сования (разница между заданным и действительным положением штока). Выходным сигналом регулятора (сигналом управления) является давление сжатого воздуха, поступающее в рабочую по- лость исполнительного механизма, или изменяющееся усилие та- рированной пружины. Изменяя выходное давление или усилие та- рированной пружины, позиционер обеспечивает соответствие по- ложения штока клапана задающему сигналу, компенсируя усилия, действующие на подвижную систему клапана (трение в подвиж- ных соединениях, статическое и динамическое воздействие регу- лируемой среды).

Если применяется регулирующий клапан с пневматическим позиционером, но имеется необходимость интегрировать этот кла- пан в электронную систему управления, то можно установить ме- жду системой и пневматическим позиционером электропневмати- ческий преобразователь.

Электропневматический преобразователь осуществляет по- следовательное преобразование по схеме ток управления – расход воздуха – давление воздуха – перемещение РО без контроля дей- ствительного положения штока ИМ. Такие преобразователи про- ще, надежнее, дешевле и по совокупности критериев практически не уступают электропневматическим позиционерам, если зона гистерезиса ничтожно мала. Электропневматический преобразо- ватель преобразует, как правило, стандартный токовый сигнал 4–20 мА в пневматический сигнал 0,2–1,0 бар или в сигнал любо- го другого диапазона в соответствии с имеющимся давлением сжатого воздуха.

Применение электропневматического преобразователя может быть целесообразно для малоинерционных систем управления, в которых применение довольно инерционных позиционеров явля- ется нежелательным. Например, регулирование расхода жидкости с применением позиционеров часто ведет к колебательности регу- лируемого расхода.

Поршневые пневматические исполнительные механизмы (ППИМ) применяют в тех случаях, когда требуется перемещать шток ИМ на большое расстояние h (0 < h < 300 мм) и/или с боль- шим перестановочным усилием.

Принципиальная схема ППИМ приведена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Принципиальная схема ППИМ: 1 – цилиндр; 2 – поршень;

3 – уплотнительные кольца; 4 – шток; 5 – возвратная пружина;

6 – крышки; 7 – уплотнения; 8 – шпильки; 9 – полости цилиндра

 

Работа ППИМ аналогична работе МПИМ и понятна из рисунка. Исполнительный механизм, не имеющий возвратной пружи-

ны, где возврат поршня в исходное положение осуществляется по- дачей воздушной среды в противоположную полость, называется двухходовым. Пневмоцилиндры этого типа нашли наибольшее применение в промышленности.

Для повышения точности и улучшения динамических харак- теристик поршневые приводы по аналогии с мембранными снаб-

жают пневматическими позиционерами (электропневматическими позиционерами), а сами приводы называют следящими.

Поворотные пневматические приводы типа ППР предназна- чены для управления трубопроводной арматурой (краны шаровые и пробковые, затворы дисковые и шиберные и т.п.) при аналого- вом или дискретном управлении положением запорного элемента, когда управляющее воздействие на шток запорного элемента тре- бует поворотного воздействия или приложения к нему вращатель- ного момента.

Поворотные пневматические приводы для ЗРА могут рас- сматриваться как некоторая разновидность поршневого пневмати- ческого привода, где поршень, выполненный в виде лепестка, пе- ремещается под давлением управляющего воздуха в специальной камере. Движение силового элемента (лепестка) пневмопривода непосредственно передается на вал запорного элемента трубопро- водной арматуры, обеспечивая его требуемое положение. Приме- няются также в автоматических манипуляторах и загрузочных устройствах с углом поворота до 360° и крутящим моментом до 20 кН·м.

Внешний вид поворотного пневматического привода пред- ставлен на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Пневмопривод лопастной типа ППР

Основные технические характеристики поворотного пневма- тического привода следующие:

– давление сжатого воздуха питания пневмопривода 0,25– 0,6 МПа;

– расход воздуха в установившемся режиме при давлении сжатого воздуха питания 0,6 МПа и температуре сжатого воздуха 10–40 °С – не более 0,5 м³/ч;

– время поворота выходного вала из одного крайнего положе- ния в другое при номинальной нагрузке – не более 3 с.

Поворотные пневматические приводы могут оснащаться до- полнительными блоками, обеспечивающими аналоговое или дис- кретное управление, а также сигнализацию положения вала. Взры- возащищенные блоки имеют взрывозащиту вида «взрывонепрони- цаемая оболочка».