Вопросы для самопроверки

1. Какую функцию выполняет исполнительный механизм в системах автоматического управления?

2. Дайте классификацию и поясните принцип работы насосных и реологических ИУ.

3. Дайте классификацию и поясните принцип работы основных групп исполнительных механизмов (ИМ).

4. Назовите основные технические характеристики ИМ.

Должен знать: разновидности, принципы действия и характеристики исполнительных механизмов (ИМ).

Должен уметь: различать разные системы ИМ, выбирать в зависимости от условий эксплуатации, рассчитывать характеристики ИМ.

Тема 11. Регулирующие органы

Литература: [6, 12], [14], п.п. 6.1-6.5

Устройство, позволяющее изменять направление или расход потока вещества или энергии в соответствии с требованиями ТП называют регулирующим органом (РО).

Работоспособность РО определяется его характеристиками: диапазоном регулирования и рабочей расходной характеристикой.

Отношение максимального расхода среды G_max к минимальному G_min соответствующему перемещению РО из одного крайнего положения h_min в другое h_max, называют диапазоном регулирования

R= G_max/G_min.

Зависимость расхода среды от положения РО h называют рабочей расходной характеристикой

G=f(h).

При разработке, выборе и наладке РО для обеспечения возможности эффективного управления технологическим процессом в широком диапазоне нагрузок и при разных режимах следует обеспечить достаточный диапазон регулирования и линейную рабочую характеристику в пределах этого диапазона. Используемые в сельскохозяйственном производстве РО можно разделить на три группы.

Регулирующие органы объемного типа (рис. 11.1, а). Они изменяют расход среды за счет изменения ее объема (например, ленточные питатели-дозаторы компонентов сыпучих смесей). Материал на ленту поступает непосредственно из бункера через воронку в его нижней части. На фронтальной грани воронки в вертикальных направляющих перемещается заслонка, посредством которой осуществляется регулирование производительности питателя.

Для исключения заклинивания ленты высота щели h между заслонкой и лентой должна быть не менее (2,5...3)d_max, где d_max – максимально возможный размер частиц материала.

Рис. 11.1. Регулирующие органы:

a  ленточный питатель (объемный), б - вибрационный питатель;

в - ленточный питатель (скоростной); г - тарельчатый питатель;

д - шнековый питатель; е - секторный питатель; ж - тарельчатый клапан;

з - золотниковый клапан; и - поворотная заслонка

Регулирующие органы скоростного типа. Они изменяют производительность РО за счет изменения его частоты вращения. К РО этого типа относят устройства для регулирования частоты вращения вытяжных вентиляторов систем вентиляции, шнековых питателей-дозаторов и т.д.

Рациональный выбор рабочего органа и его конструктивное оформление в значительной степени обеспечивают надежность устройства и точность дозирования.

Вибрационные питатели (рис. 11.1, б) предназначены для подачи из бункера, не имеющего дна, мелко- и крупнокусковых материалов. Подачу материала регулируют изменением амплитуды выпрямленного напряжения, подводимого к электромагнитам питателя. Электромагниты, жестко связанные с корпусом лотка, заставляют его вибрировать с определенной частотой. Материал вследствие небольшого наклона лотка перемещается к его концу со скоростью, зависящей от амплитуды питающего напряжения. Достоинства вибрационных питателей – отсутствие вращающихся частей, плавное и практически безынерционное регулирование производительности.

Ленточные питатели (рис. 11.1, в) предназначены для выдачи сыпучих материалов с различными размерами фракций. Производительность питателя зависит от размеров фракций материала и скорости перемещения ленты V. Последнюю можно изменять с помощью частоты вращения электропривода или бесступенчатого вариатора, управляемого ИМ.

Тарельчатые (дисковые) питатели (рис. 11.1, г) предназначены для подачи из бункеров преимущественно мелкозернистых и мелкокусковых материалов. Тарельчатый питатель представляет собой круглый плоский диск (тарель), устанавливаемый под бункером и вращаемый специальным приводом желательно с возможностью регулирования частоты вращения п.

Между бункером и тарелью устанавливают манжеты и нож, с помощью которых осуществляется регулирование сечения потока материала. Более точное регулирование осуществляют поворотом ножа или изменением частоты вращения тарели. Производительность питателя зависит от изменения физических свойств материала, высыпающегося на тарель.

Шнековые питатели (рис. 11.1, д) более всего пригодны для выдачи мелкозернистых и мелкодисперсных материалов.

Производительность шнекового питателя пропорциональна квадрату диаметра рабочего винта D, шагу S и частоте его вращения п.

Секторные питатели (рис. 11.1, е) предназначены для выдачи мелкозернистых материалов. Основа конструкции секторного питателя – вращающийся барабан, разделенный радиальными перегородками на несколько секторов.

В частном случае (барабанный питатель) сектор может быть и один. Секторный питатель устанавливают под бункером. Материал выдается за счет поочередного заполнения и опорожнения секторов в процессе вращения ротора.

Производительность регулируют, изменяя частоту п вращения рабочего органа.

Недостатком питателя является зависимость степени заполнения секторов от числа оборотов п вращения ротора.

Регулирующие органы дроссельного типа. Они изменяют расход вещества за счет изменения скорости и площади сечения потока жидкости или газа при прохождении его через дросселирующее устройство, гидравлическое сопротивление которого – переменная величина. Типы дроссельных РО:

• плунжерные – расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор», форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h – положение штока);

• шланговые – расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ1).

• диафрагмовые – используют гибкие мембраны;

• заслоночные – используют поворотные заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода;

• краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол;

• задвижки (шиберы) – расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода.

Регулирующие клапаны (рис. 11.1, ж и з) отличаются формами плунжера 1 и седла 2.

Регулирующие органы характеризуются многими параметрами, основными из которых являются: пропускная и условная пропускная способности, условное и рабочее давление, перепад давления на РО и условный проход.

Пропускной способностью K_v называется расход жидкости с плотностью 1000 кг/м³, пропускаемой РО при перепаде давления на нем 105 Па. Пропускная способность измеряется в кубических метрах в час (м³/ч).

Условной пропускной способностью К_vу называется номинальное значение пропускной способности РО при максимальном (условном) ходе затвора, выраженное в кубических метрах в час (м³/ч). Условная пропускная способность зависит от типа РО и размера его условного прохода D_у.

Условным давлением Р_у называется наибольшее допустимое давление среды на РО при нормальной температуре. Прочность металлов с повышением температуры понижается. Поэтому для арматуры и соединительных частей предусматривается также максимальное рабочее давление.

Максимальное рабочее давление  это наибольшее установленное давление среды на РО при фактической температуре. Рабочее давление при одном и том же условном давлении зависит от свойств металла деталей РО и температуры среды. Разрешается превышение фактического рабочего давления до 5% сверх установленного для заданной температуры.

Перепад давления на РО определяет усилия, на которые рассчитывают ИМ, а также износ дроссельных поверхностей. Для многих видов исполнительных устройств, в которых затвор не разгружен от статического и динамического воздействий среды, предельно допустимый перепад давления устанавливают в зависимости от мощности ИМ.

Условным проходом D_у в РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках. Стандартные размеры условных проходов не распространяются на размеры прохода внутри корпуса.

Кроме приведенных параметров РО, определяющих в основном их конструкцию и размеры, имеются и другие параметры, которые учитывают при выборе РО в зависимости от конкретных условий их применения.

Пропускная характеристика (внутренняя или идеальная) устанавливает зависимость пропускной способности относительно степени перемещения затвора (РО) h_po при постоянном перепаде давления; K_v = f(h_po).

Конструктивная характеристика устанавливает зависимость изменения относительно проходного сечения РО от степени его открытия, т.е. F_po/F_max = f(h_po), где F_po  площадь проходного сечения при перемещении h_po РО; F_max  проходное сечение РО при полном открытии. Она отражает только конструктивные особенности данного РО, не связывая их с особенностями потока, протекающего через него, а также с особенностями источника регулируемой среды и регулируемого объекта. При соответствующем профилировании дроссельные устройства регулирующих клапанов могут иметь любые конструктивные характеристики, приспособленные к конкретным условиям работы автоматических систем регулирования. Дроссельные устройства серийно выпускаемых регулирующих клапанов профилируются обычно с линейной или равнопроцентной пропускной характеристикой. Так как степень открытия РО определяется углом поворота выходного вала ИМ

h_po = f(_им), (11.1)

то конструктивную характеристику можно записать в виде

F_po = (_им), (11.2)

где _им  угол поворота выходного вала ИМ.

При линейной пропускной характеристике приращение пропускной способности пропорционально перемещению затвора:

dK_v = Cdh_po,

где С  постоянная величина.

При равнопроцентной пропускной характеристике приращение пропускной способности при перемещении затвора пропорционально текущему значению пропускной способности: dK_v/dh_po = CK_v.

Регулирующие заслонки относятся к непрофилирующим РО и имеют пропускные характеристики, близкие к равнопроцентным. На рис. 11.2 показаны зависимости относительной пропускной способности K_v/К_vу от степени открытия РО h_po для линейной и равнопроцентной пропускных характеристик РО, а также для пропускной характеристики регулирующей заслонки.

Рис. 11.2. Пропускные характеристики дроссельных РО: