Категории: ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Как уже указывалось, исполнительное устройство предназначено для реализации сигнала управления, вырабатываемого регулирующим устройством автоматического регулятора. Воздействие на процесс осуществляется изменением расхода проходящей через исполнительное устройство среды таким образом, чтобы это воздействие вызвало изменение регулируемого параметра в нужном направлении. Исполнительное устройство, широко применяемое в газовой промышленности, показано на рис. 15.1,а. Оно состоит из двух основных частей: исполнительного механизма и регулирующего органа. Перестановочное усилие в одном направлении создается давлением сжатого воздуха на эластичную мембрану 1 в рабочей полости исполнительного механизма, а в противоположном — за счет усилия упругости пружины 3. Опорный диск 2, к которому жестко прикреплен шток 4, расположен на верхнем торце пружины. Нижним торцом пружина опирается на шайбу 5, которая поджата резьбовой втулкой 6. Последняя может перемещаться по резьбе в кронштейне 9. Шток исполнительного механизма соединен со штоком 12 регулирующего органа при помощи соединительной гайки 7, снабженной указателем. На кронштейне прикреплена шкала 8 исполнительного устройства. В корпус 13 регулирующего органа ввинчены два седла 15, образующие вместе с затвором 14 проходное сечение для регулируемой среды. Уплотнение штока 12 регулирующего органа осуществляется при помощи сальника 11, выполненного из шевронных фторопластовых колец, опирающихся на пружину. В процессе эксплуатации сальник может быть подтянут гайками 10. Конструкция и размеры сальниковой камеры позволяют заменить набивку из фторопластовых колец асбестовой. При этом вместо пружины в сальниковой камере устанавливают промежуточный фонарь, а в резьбовое отверстие сальниковой камеры вместо пробки помещают лубрикатор для подачи смазки. Под действием давления сжатого воздуха мембрана 1, преодолевая противодействие пружины 3, перемещает шток 4 исполнительного механизма, шток 12 регулирующего органа и затвор 14. Последний, перемещаясь относительно неподвижных седел 15, изменяет проходное сечение регулирующего органа, а следовательно, и расход проходящей через него среды. Технологическая обвязка исполнительного устройства 1 при его установке на трубопроводе (рис. 15.1,6) предусматривает запорные задвижки 3 и 4, а также регулирующий вентиль 2 на обводной линии. Такая схема позволяет осуществлять ремонт или замену исполнительного устройства при направлении потока через обводную линию. Исполнительные устройства принято классифицировать по различным признакам. В зависимости от вида используемой энергии исполнительные устройства подразделяются на пневматические, электрические и гидравлические. По условному давлению исполнительные устройства делятся на группы: низких давлений (до 1,6 МПа); средних давлений (до 16,0 МПа); высоких давлений (до 150 МПа). В зависимости от конструкции регулирующего органа различают исполнительные устройства: односедельные, двухседельные, трехходовые, шланговые, диафрагмовые, шаровые, заслоночные и клеточные. В зависимости от материала основных деталей регулирующего органа выпускают исполнительные устройства: чугунные, стальные (из углеродистой стали), нержавеющие (из нержавеющей стали) и специальные. В зависимости от расположения входного и выходного патрубков исполнительные устройства могут быть проходными и угловыми. По виду действия исполнительные механизмы подразделяются на нормально открытые (НО), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное сечение полностью открывается, и нормально закрытые (НЗ), в которых при прекращении подвода энергии, создающей перестановочное усилие, проходное сечение полностью закрывается. По защищенности от воздействия окружающей среды исполнительные устройства изготавливают в обыкновенном и взрывозащищенном исполнении.
РЕГУЛИРУЮЩИЕ ОРГАНЫ
Регулирующим органом называется звено исполнительного устройства, представляющее собой переменное гидравлическое сопротивление, которое воздействует на расход среды, изменяя свое проходное сечение. На рис. 15.2 показаны схемы регулирующих органов промышленных исполнительных устройств. В двухседельных регулирующих органах (рис. 15.2,а) корпус имеет два седла, а затвор, проходящий через эти седла, имеет два утолщения с дросселирующими и запирающими поверхностями. Перемещение затвора относительно седел изменяет площадь прохода среды. Основным преимуществом двухседельного регулирующего органа является возможность разгрузки затвора от одностороннего действия силы, создаваемой статическим давлением среды. В большинстве случаев на затворах двухседельных регулирующих органов кроме дросселирующих имеются запирающие поверхности, и поэтому с целью обеспечения возможности сборки и разборки регулирующего органа диаметр прохода верхнего седла делают большим, чем диаметр прохода нижнего седла, для того чтобы через него прошло нижнее утолщение затвора. Разные размеры проходов седел создают неуравновешенность сил гидростатического давления среды на затвор, но эта неуравновешенность невелика, так как невелика разность диаметров верхнего и нижнего седел. Двухседельные регулирующие органы всегда проектируются таким образом, чтобы изменение их исполнения с нормально открытого (НО) на нормально закрытое (НЗ) осуществлялось лишь пере-монтированием относительного расположения затвора и седел при сохранении всех деталей. Односедельные регулирующие органы (рис. 15.2,6) могут быть проходными и угловыми. В проходных направление потока среды при входе и выходе не изменяется, а в угловых — при выходе изменяется на 90° по отношению к направлению на входе. Одностороннее действие статического давления среды создает необходимость применения исполнительных механизмов большой мощности. При движении со стороны, противоположной расположению штока, т. е. «под затвор», она отнимает затвор от седла. Исполнительный механизм должен создать перестановочное усилие, способное преодолеть силу давления среды на затвор. Это усилие зависит от перепада давления на затворе и площади прохода в седле. При движении среды со стороны расположения штока, т. е. «на затвор», давление среды способствует закрытию затвора, прижимая его к седлу. В этом случае при определении силы, действующей на затвор, необходимо кроме статического давления среды учитывать «затягивание» затвора. Последнее объясняется тем, что под затвором образуется вакуумная полость, размеры которой в связи с турбулентностью потока изменяются. Поэтому при неизменном положении затвора его «затягивает» в проход седла с переменной силой. Односедельные регулирующие органы применяют лишь в случаях, когда невозможно применение разгруженных двухседельных регулирующих органов: при незначительных условных проходах трубопроводов, при регулировании потоков вязких жидкостей и неоднородных сред (взвесей, пульп и т. п.), а также в случаях, когда необходимо полностью перекрыть поток при закрытии регулирующего органа. Возможность обеспечения герметичности закрытия прохода является важным преимуществом односедельных регулирующих органов. Трехходовые регулирующие органы (рис. 15.2,в) можно применять для непрерывного или двухпозиционного регулирования. Для непрерывного регулирования применяют два вида конструкций: разделительные и смесительные. Первые предназначены для разделения потока в изменяющихся соотношениях между двумя линиями (А=В+С), как это показано на рис. 15.2,б, вторые применяют в случаях, когда необходимо смешение двух потоков с переменным соотношением в один (В+С=А). При этом в отличие от конструкции, показанной на рис. 15.2,в меняются направление потока С и конфигурация внутренних перегородок корпуса. Для двухпозиционного регулирования их используют в том случае, когда поток попеременно направляется то в одном, то в другом направлении или когда два потока поочередно двигаются в одном направлении. В трехходовых регулирующих органах направление потока осуществляется таким образом, чтобы исключить явление «затягивания» затвора в проходы седел. Конструкция органа выбирается такой, чтобы давление среды отжимало каждую из двух дросселирующих частей затвора от соответствующего седла (рис. 15.2,в). Регулирующие заслонки (рис. 15.2,г) изменяют пропускную способность при повороте диска под действием исполнительного механизма. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с вышерассмотренными регулирующими органами. В регулирующих заслонках нет зон, в которых могут скапливаться механические частицы и грязь. Поток регулируемой среды значительно меняет свое направление при проходе через заслонку, поэтому сопряженные дросселирующие поверхности изнашиваются меньше, чем в регулирующих клапанах. Кроме того, заслонки имеют сравнительно несложную конструкцию, небольшие габариты, массу и стоимость. Основные недостатки регулирующих заслонок — трудность обеспечения плотного перекрытия регулируемого потока; наличие значительных неразгруженных усилий, действующих на диск заслонки. Неразгруженность диска заслонки объясняется следующими обстоятельствами. При проходе среды (рис. 15.2,г) давление на обе половины диска уравновешено только в момент полного перекрытия потока. При промежуточных положениях диск разделяет поток на две неравные части: большая часть потока проходит сверху, а меньшая — снизу. В результате на заслонку будет действовать крутящий момент, стремящийся ее закрыть. При переходе диска в диапазон угла поворота 60—90°, вследствие неравномерного распределения скорости сверху и снизу заслонки, крутящий момент достигает максимума в зоне 65—75°, а затем резко падает до нуля в момент полного открытия. До недавнего времени регулирующие заслонки находили весьма ограниченное применение. Однако с увеличением условных диаметров трубопроводов применение их следует признать перспективным. Диафрагмовые регулирующие органы (рис. 15.2,д) применяют, как правило, для регулирования потоков агрессивных сред. В них затвор делают в виде упругого элемента — мембраны, которая, перемещаясь под действием исполнительного механизма относительно седла, изменяет площадь прохода среды. Одновременно диафрагма является разделительной перегородкой, отделяющей все подвижные металлические детали от соприкосновения со средой. При этом диафрагму изготовляют из кислотостойкого материала, а на внутреннюю поверхность чугунного корпуса регулирующего органа наносят кислотостойкое покрытие. Основные преимущества дифрагмовых регулирующих органов — возможность применения дешевых антикоррозионных материалов вместо дорогостоящих нержавеющих сталей, а также отсутствие сальника; недостатки—неразгруженность затвора и ограничения величины давления и температуры регулируемых сред. В шланговых регулирующих органах (рис. 15.2,е) регулируемая среда проходит.через эластичный патрубок (шланг). Затвор представляет собой два валика, между которыми расположен шланг. Валики сближаются или расходятся в плоскости, перпендикулярной к оси прохода корпуса. При движении вниз верхнего валика, управляемого штоком регулирующего органа, нижний валик перемещается вверх; при движении верхнего валика вверх нижний валик перемещается в обратном направлении. Передача усилия с верхнего валика на нижний осуществляется с помощью цепной или рычажной передачи. Шланговые регулирующие органы обладают рядом преимуществ: ввиду прямоточной конструкции исключается застой продукта; дроссельная часть герметично перекрыта и отделена от штока привода, что позволяет обойтись без уплотнения штока; обеспечивается надежное перекрытие трубопровода; возможна быстрая и удобная замена эластичного патрубка при выходе его из строя. Основные недостатки шланговых регулирующих органов — невысокая температура регулируемых сред (до 80 °С) и небольшое рабочее давление (до 1 МПа); значительная неуравновешенность затвора; сравнительно небольшой срок службы эластичного патрубка. Шланговые регулирующие органы могут регулировать потоки самых разнообразных сред. В зависимости от среды их эластичные патрубки изготовляют из бензостойких, маслобензиностойких, химически стойких эрозионных материалов. Применение таких материалов вместо дорогостоящих нержавеющих сталей дает большой экономический эффект. Шаровые регулирующие органы (рис. 15.2,ж) оборудованы затвором поворотного типа, выполненным в виде сферы с цилиндрическим отверстием. При повороте вала привода сфера поворачивается, изменяя сечение прохода. Они конструктивно несложные, надежные в эксплуатации, дешевые, легкие и герметичные в широком диапазоне регулируемых сред, условных проходов и рабочих давлений. Седла шаровых регулирующих органов изготовляют обычно из эластичного материала (фторопласта, резины, нейлона и т. п.). Благодаря прямоточной конструкции эти регулирующие органы особенно эффективны при регулировании потоков высоковязких сред, пульп с абразивными частицами и т. п. Шаровые регулирующие органы могут быть как полнопроходными, так и суженными. Полнопроходные имеют диаметр прохода в шаре, равный диаметру прохода присоединительных концов, а суженные—приблизительно на 20% меньше. В некоторых конструкциях выходной патрубок выполняется по форме расширяющейся части сопла Вентури. В результате незначительного гидравлического сопротивления шаровые регулирующие клапаны монтируют, как правило, на трубопроводах с меньшим условным проходным диаметром, используя для этой цели конусные переходы. Клеточные регулирующие органы (рис. 15.2) получают в настоящее время все большее распространение. Свое название они получили по характерной для них детали-клетке, внутри которой перемещается затвор. Клетка зажимается между седлом и верхней крышкой корпуса. Шток регулирующего органа жестко связан с затвором. Применяют два варианта конструкции этого устройства. В одном из них профилированные отверстия делают в клетке, а затвор имеет вид обычного поршня (как показано на рис. 15.2,з). В другом варианте на затворе делаются профилированные отверстия, а на клетке — цилиндрические или прямоугольные отверстия. При перемещении затвора относительно клетки меняется проходное сечение регулирующего органа. Благодаря каналам давления среды под затвором и над ним равны и, следовательно, затвор уравновешен. Отличительная особенность клеточных регулирующих органов — отсутствие резьбовых соединений внутри корпуса, что позволяет их ремонтировать без демонтажа корпуса регулирующего органа с трубопровода. Хорошая ремонтопригодность дает при эксплуатации значительную экономию средств. Клеточные регулирующие органы могут быть как проходными, так и угловыми.
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).
|
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-28 lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда... |