Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы

Пневматические и гидравлические ИМ имеют одинаковый принцип действия, основанный на перемещении выходного органа под действием давления газа или жидкости. Схемы основных типов пневматических и гидравлических ИМ показаны на рис. 4.4.

Пневматические исполнительные механизмы воспринимают энергию сжатого воздуха и преобразуют ее в перестановочные усилия выходного штока. Они отличаются простотой, высокой надежностью, малой стоимостью и низким эксплуатационным расходом. Пневматические ИМ могут работать при больших колебаниях температуры воздуха. Скорости их при соответствующем выборе размеров проходных сечений достигают больших величин (порядка нескольких метров в секунду). Усилия же, развиваемые пневматическим приводом, сравнительно невелики. Это связано с тем, что давление воздуха в промышленных пневмосетях составляет обычно 0,4... 0,6 МПа. Одни из основных характеристик пневматических исполнительных механизмов – это величины перестановочного усилия и перемещения выходного звена. Недостаток пневматических ИМ заключается в том, что в связи с сжимаемостью воздуха он не может с высокой точностью отслеживать входной сигнал.

В зависимости от способа возврата штока в исходное состояние пневматических ИМ бывают пружинные и беспружинные. В зависимости от вида рабочего органа их делят на мембранные, поршневые, сильфонные и лопастные.

В пружинных пневматических ИМ перестановочное усилие в одном направлении создается за счет действия сжатого воздуха, а в противоположном направлении – силой упругости пружины.

В беспружинных пневматических ИМ перестановочное усилие в обоих Направлениях создается за счет действия сжатого воздуха. Поворотные движения рабочего органа (вала) в ПИМ создаются путем механического преобразования поступательного движения штока в угловое (см. рис. 4.4, д, е).

Поршневые пневматические ИМ используют для управления РО, требующими перемещения штока до 400 мм (см. рис. 4.4-в). Основные элементы поршневого ПИМ – цилиндр и поршень с деталями уплотнения. Они развивают перестановочное усилие до 100 кН.

Сильфонные пневматические ИМ применяются при малых (от 1 до 6 мм) перемещениях РО (см. рис. 4.4-г).

В лопастных пневматических ИМ (см. рис. 4.4-е) первичный силовой элемент – лопасть, помещенная в камеру квадратного сечения. Лопасти имеют угол поворота 60° и 90° и применяются преимущественно в системах двухпозиционного регулирования.

Наибольшее распространение получили мембранные пневматические ИМ, которые развивают перестановочные усилия до 40 кН и обеспечивают перемещение выходного органа от 4 до 100мм (см. рис. 4.4, а, б, д). В мембранных ИМ сила, действующая на мембрану, определяется как произведение давления в рабочей полости (или перепад давления Δр на мембране) на эффективную площадь. Практически все конструкции мембранно-пружинных ИМ позволяют корректировать значение предварительного сжатия пружины, то есть в некоторых пределах изменять значение давления в рабочей полости, при котором начинается перемещение выходного элемента. Например, для проходных мембранных ИМ 10 < р_н < 40 кПа. В ненагруженных ИМ (перестановочное усилие равно нулю) изменение усилия, развиваемого мембраной, уравновешивается силой упругости пружины. Они обеспечивают линейную зависимость между изменением давления в рабочей полости и ходом штока. Точность зависимости определяется постоянством эффективной площади и жесткости пружины.

В реальных условиях ИМ работает, преодолевая действие на подвижную систему не только усилия трения в подвижных соединениях, но также усилия статической и динамической неразгруженности затвора. Таким образом, внешние усилия, действуя на подвижную систему, искажают ходовую характеристику мембранно-пружинных ИМ, вводя нелинейность и гистерезис. Ширина петли часто доходит до 10... 15 кПа. Кроме того, в конце хода мембранно-пружинный ИМ развивает наибольшее перестановочное усилие. Это неудобно в тех случаях, когда именно в конце хода необходимо усилие для создания уплотнительного контакта между запирающими поверхностями затвора и седла. Для мембранно-пружинного ИМ характерны также низкие динамические свойства.

Гидравлические ИМ по конструкции и принципам работы подобны пневматическим. Они бывают одностороннего и двойного действия. У ИМ одностороннего действия перемещение поршня осуществляется в одну сторону силой давления рабочей среды, а в другую – усилием пружины. У ИМ двойного действия перемещение поршня при прямом и обратном ходе осуществляется давлением рабочей среды. На рис. 4.4-ж показан гидравлический исполнительный механизм с золотником.