§ 3. Исполнительные механизмы

Исполнительные механизмы предназначены для управления ре­гулирующими органами в соответствии с выходным сигналом регу­лирующего устройства.

В зависимости от вида энергии, используемой для создания пе­рестановочного усилия, исполнительные механизмы подразделены на пневматические, электрические и гидравлические.

Основные преимущества электрических исполнительных механиз­мов — большие перестановочные усилия, значительная (практиче­ски любая) длина хода штока. Недостатки — относительно большая масса; сложность наладки, обслуживания и ремонта; высокая стои­мость; необходимость взрывозащищенного исполнения. Последнее обстоятельство значительно ограничивает область применения элек­трических исполнительных механизмов.

Преимущества пневматических исполнительных механизмов — простота конструкции, низкая стоимость, пожаро- и взрывобезопасность. Недостатки — ограниченность расстояния между исполнитель­ным механизмом и регулирующим устройством, а также необходи­мость создания системы снабжения сжатым воздухом.

Основное преимущество гидравлических исполнительных меха­низмов — большие перестановочные усилия; недостатки — необходи­мость создания специальной гидравлической системы питания и сложность обслуживания.

В связи с этими обстоятельствами в нефтяной и газовой промыш­ленности применяют в основном пневматические исполнительные механизмы, которые и рассмотрим в

дальнейшем.

Пневматические исполнительные ме­ханизмы классифицируют по различным признакам.

В зависимости от вида чувствитель­ного элемента, воспринимающего энер­гию сжатого воздуха и преобразующего ее в перестановочное усилие на выход­ном элементе, различают мембран­ные, сильфонные и лопастные исполнительные механизмы.

В зависимости от характера движе­ния выходного элемента существуют прямоходные и поворотные ис­полнительные механизмы.

Конструкция и принцип действия мембраннно-пружинного ис­полнительного механизма были рассмо­трены в §1 настоящей главы (см. рис. 15.1,а). Следует отметить, что подвижная система в такой конструк­ции подвержена значительному влиянию внешних сил. Поэтому для улучшения статических и динамических свойств пневматических ме­ханизмов широко применяют специальные устройства, которые на­зывают позиционерами.

Основная роль позиционера—обеспечение пропорциональной за­висимости между входным (изменение давления сжатого воздуха) и выходным (перемещение штока) сигналами исполнительного меха­низма.

На рис. 15.3 показана схема позиционера типа ПР. Чувствитель­ный элемент его—мембранная сборка двух мембран с различной эффективной площадью. Так как эффективная площадь нижней мембраны 5 больше эффективной площади верхней мембраны 4, то поступающее в мембранную полость давление с выхода регулирую­щего устройства создает усилие, направленное вниз. Это усилие

уравновешивается усилием пружины 6 обратной связи. Позиционер крепится к исполнительному механизму таким образом, что опорный диск последнего непосредственно перемещает шток 5. Пружина об­ратной связи одним концом упирается в гайку 7, а другим—в мем­бранную сборку. С другой стороны к штоку 3 мембранной сборки с помощью пружины 1 прижимается золотник 2 (шарик). Переме­щением гайки 7 относительно штока 8 осуществляется предваритель­ный натяг пружины обратной связи с целью обеспечения начала работы позиционера при минимальном давлении на входе в ка­меру А.

Работа позиционера совместно с исполнительным механизмом сводится к следующему. При увеличении давления в камере А сбор­ка мембран прогибается вниз, преодолевая упругость пружин 6. При этом шарик 2 также опускается, закрывая отверстие между камера­ми В и 5 (последняя соединена с атмосферой). Сжатый воздух из линии питания начинает поступать в рабочую полость исполнитель­ного механизма, что вызовет перемещение опорного диска испол­нительного механизма. В этом случае шток 8 переместится вверх и сожмет пружину 6 обратной связи. В момент, когда эта пружина уравновесит усилие со стороны сборки мембран, нарастание давле­ния в камере Вив рабочей полости исполнительного механизма прекратится. Система придет в состояние равновесия при новом положении мембраны исполнительного механизма (а следовательно, и его штока), пропорциональном приращению давления на выходе регулирующего устройства РУ.

Таким образом, позиционер представляет собой пневматический усилитель с обратной связью по положению выходного штока испол­нительного механизма. Длина необходимого хода штока настраива­ется перемещением гайки 7 относительно пружины обратной связи 6, что приводит к изменению числа рабочих витков.

Применение позиционера уменьшает гистерезис исполнительного механизма, увеличивает его перестановочное усилие (за счет использования увеличенного давления питания позиционера). При настройке автоматического регулятора на небольшое значение коэф­фициента усиления в случае небольшого отклонения текущего зна­чения регулирующего параметра от заданного приращение давления воздуха в рабочей полости исполнительного механизма будет также незначительным. В этих условиях для обеспечения пропорциональ­ного перемещения регулирующего органа необходимо применять позиционер.

Современные позиционеры выпускают в двух исполнениях— блочном и встроенном непосредственно в исполнительный механизм.

На поршневых пневматических исполнительных механизмах уста­навливают так называемые реверсивные позиционеры, которые направляют сжатый воздух питания либо в одну, либо в другую полость поршневого привода в зависимости от знака изменения регулируемого параметра.

В связи с перспективой развития электрических систем управ­ления на базе ЭВМ, а также ограниченностью области применения электрических исполнительных механизмов, представляют интерес смешанные системы. Одним из возможных вариантов реализации такой системы может быть сочетание электрического устройства управления, пневматического исполнительного механизма и электро­пневматического позиционера.

Пневматические исполнительные механизмы часто оснащены ручными дублерами, предназначенными для ручного механи­ческого перемещения затвора регулируемого органа при аварийном отключении сжатого воздуха.

На рис. 15.4 показана схема поршневого поворотного пневмати­ческого исполнительного механизма с реверсивным позиционером. Поршневой привод состоит из цилиндра 1, поршня 2 и штока 3 и преобразует энергию сжатого воздуха в поступательное перемеще­ние штока. Передаточный механизм, включающий щеки 4 и пово­док 5, преобразует поступательное перемещение штока 3 в поворот­ное перемещение поводка 5, а, следовательно, и оси О₂, на которой закреплена заслонка 6. Основные элементы позиционера — кула­чок 7, шток 8, пружина обратной связи 9, мембранная сборка 10 и золотник 11.

Схема работает следующим образом. При увеличении давления сжатого воздуха, поступающего от регулирующего устройства (РУ), сборка двух мембран 10 ввиду их различной эффективной площади перемещается влево. Золотник 11 пропускает воздух питания в ниж­нюю полость, соединенную с атмосферой. Поршень 2 поднимается, перемещая вверх шток 3, который, в свою очередь, поворачивает с помощью щек 4 поводок 5 по часовой стрелке. Заслонка 6 закры­вается. При повороте поводка 5 кулачок 7 толкает шток 8 позицио­нера. Пружина обратной связи 9 сжимается, перемешая сборку

мембран 10, а следовательно, и золотник 11 вправо. Последний пере­крывает каналы, соединяющие позиционер с цилиндром привода.

При уменьшении давления сжатого воздуха от регулирующего устройства золотник 11 направляет воздух питания в верхнюю по­лость цилиндра привода, соединяя нижнюю полость с атмосферой. Перемещение поршня 2 вниз вызывает закрытие заслонки.

Установка кулачка 7 позиционера на поводке 5 передаточного механизма обеспечивает пропорциональную зависимость между при­ращением входного пневматического сигнала (от РУ) и углом пово­рота регулирующего органа (в нашем примере—заслонки).

Поршневые поворотные исполнительные механизмы предназна­чены для работы с шаровыми и заслоночными регулирующими орга­нами. Учитывая условия работы этих регулирующих органов на потоке регулируемой среды, конструкцией рассмотренного исполни­тельного механизма предусмотрено создание переменного крутящего момента, зависящего от угла поворота выходного элемента (по­водка 5).