Тема №19. Регулирующие органы.

Регулирующий орган - элемент в цепи воздействий, оказывающий непосредственное влияние на управляемый объект. Это воздействие может осуществляться изменением количества энергии (вещества), проходящего через объект, либо путем изменения характеристик (режима) объекта.

В первом случае на объект влияют распределительные органы, во втором - регулирующие устройства. Функциональные и конструктивные признаки регулирующих органов зависят от вида рабочей среды (жидкость, газ, электроэнергия и т. п.) и назначения объекта. Как правило, распределительные органы конструктивно не связаны с объектом, тогда как регулирующие устройства обычно являются частью его конструкции.

В функцию распределительных органов входит изменение расхода различных рабочих сред. Их называют дроссельно-регулирующей арматурой. По назначению последняя подразделяется на запорную, дроссельно-регулирующую, предохранительную и специальную. Термин «дроссельно-регулирующая» несколько условен, так как процессы регулирования в гидросистемах почти всегда сопровождаются дросселированием, за исключением дозирующих устройств, на которых поддерживается постоянный перепад давлений регулируемой среды.

Дроссельными называют регулирующие органы, для которых характерно уменьшение перепада давлений, т. е. относительно большая потеря энергии среды. Распределительный орган перераспределяет потери давления в магистрали Δ р _м и в самом органе Δ р _р.о, что показано на рис. 1 (р_н и р_к - начальное и конечное давление в объекте). Суммарные потери давления Δ р, оставаясь постоянными, делятся на различные составляющие в зависимости от степени открытия дросселя (расхода V). Дроссельно-регулирующие органы представляют собой сложные местные сопротивления, в которых изменяется геометрия проходного сечения, параметры среды, режимы течения, появляется кавитация и др.

 

Рис. 1.

Основными характеристиками распределительных регулирующих органов являются:

условный проход D _у - номинальный внутренний диаметр входного патрубка;

условное давление р _у- наибольшее рабочее давление, допускаемое при заданных температуре рабочей среды и материале арматуры;

условный ход s_y - ход затвора регулирующего органа от полного открытия до полного закрытия (для поворотных регулирующих органов - угол поворота α_у);

коэффициент местного сопротивления при полном открытии ζ;

степень открытия т - отношение текущего значения хода s или угла поворота а к условному: т = s/s _у= α/α_у);

пропускная способность К - массовый расход жидкости с плотностью ρ = 1 т/м³ при перепаде давления Δ р= 0,1МПа;

расходная характеристика G = f(s) или G = f(m) - зависимость расхода от положения затвора регулирующего органа. На рис. 2 показаны типичные формы расходных характеристик (Р - равнопроцентная, П - параболическая и Л - линейная), из которых наилучшее качество регулирования обеспечивают линейная и равнопроцентная. В ряде случаев используется пропускная характеристика K = f(m);

Рис. 2.

конструктивная характеристика F = f(m) - зависимость площади проходного сечения от степени открытия, которая определяет форму расходной характеристики. Выбор вида конструктивной характеристики называют профилированием регулирующего органа.

В зависимости от конструкции затвора регулирующего органа принято классифицировать по характеру перемещения подвижных элементов затвора: на арматуру с перемещением затвора параллельно потоку (клапаны и золотники), перпендикулярно к потоку (шиберные задвижки), с вращением затвора (поворотные заслонки, краны) и со сжатием проходного канала (шланговые и диафрагмовые клапаны). На рис. 3, а показана схема односедельного проходного клапана, на рис. 3, б - двухседельного углового, рис. 3, в - поворотной заслонки, рис. 3, г - плунжерного клапана.

Рис. 3.

Примерные расходные характеристики тарельчатого и конического клапанов показаны на рис. 4, а, профильного клапана и золотника - на рис. 4, б и поворотного золотника (крана) – на рис. 4, в.

Рис. 4.

Двухседельные, или двухпоточные, конструкции обладают меньшим сопротивлением и почти разгружены от перепада давлений на затвор, чем уменьшается требуемое перестановочное усилие. Регулирующий орган может работать по схеме НО (нормально открытый) и НЗ (нормально закрытый), критерием служит отсутствие управляющего воздействия. Как правило, регулирующий орган не должен выполнять функцию запорной арматуры, хотя в последнее время в целях сокращения номенклатуры изделий совмещают обе его функции.

Как известно, изменение расхода в системе может быть достигнуто воздействием на сеть, включая распределительные регулирующие органы, и на управляемые гидравлические машины. Поле статических характеристик в координатах р - V показано на рис. 5, из которого видно, что режимная точка О, определяющая заданный расход, может изменять свое положение за счет изменения сопротивления системы R и характеристики нагнетателя Н.

Рис. 5.

Управляющее воздействие может быть осуществлено за счет изменения поворота лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата, изменения частоты вращения колеса, отжатия нагнетательных клапанов, переключения цилиндров и других мероприятий. Например, регулирование разрежения в топке котла осуществляется воздействием на направляющий аппарат дымососа или автоматическую гидромуфту его привода. В турбинах регулирующим устройством служит сопловой аппарат, неразрывно связанный с конструкцией турбины, в котельных установках при сжигании жидкого топлива регулирующим устройством может быть турбофорсунка, твердого топлива - шурующая планка. В случае, когда регулируемой является электроэнергия, например при наличии электрокалориферов, роль регулирующего устройства выполняют различные релейно-контакторные устройства, реостаты, трансформаторы и т. п. Распознавание регулирующего устройства в сложной схеме полностью зависит от четкого представления о функционировании конкретного технологического процесса.

Главной целью статических расчетов является определение статических характеристик. Помимо этого в задачу расчетов входит установление конструктивных величин элементов (жесткости пружин, площади мембран, плеч рычагов, геометрических размеров и др.), проведение прочностных, гидравлических и электротехнических расчетов. Должны быть также найдены настроечные величины, такие, как коэффициенты усиления, динамические постоянные и т. д.

В ходе расчета можно исходить из желаемого вида статической характеристики и определять конструктивные и настроечные параметры или путем анализа определять последние и проверять их соответствие требуемой статической характеристике. Статическим расчетам предшествует составление функциональной и конструктивной схем регулятора с нанесением основных размеров и значений параметров. На основании статических характеристик отдельных элементов может быть найдена регулировочная или режимная характеристика всей системы.

 

Рис. 6.

Покажем на примере принцип статического расчета графическим путем простейшей автоматической системы регулирования уровня в конденсатосборнике. Принципиальная схема представлена на рис. 6. Мембранный датчик 2 воспринимает перепад давлений в баке в зависимости от высоты столба жидкости Н и перемещает заслонку гидроусилителя 3 на величину г. В результате изменения давления р поршень сервомотора 4 перемещается на расстояние 5 и через передачу 5 переставляет на т затвор регулирующего клапана 6, изменяющего расход G, что приводит к восстановлению равновесного состояния в системе.

Построим статические характеристики элементов, откладывая на оси абсцисс значения входных величин на оси ординат - выходных (рис. 7).

Рис. 7.

Для датчика входной величиной является изменение уровня Н, выходной - линейное перемещение штока мембраны г, зависимость между которыми является характеристикой с рабочим участком z _max - z _min.Гидравлический усилитель представлен кривой p = f(z) с координатами z - перемещение заслонки и р - давление в выходной магистрали, идущей к сервомотору. Форма зависимости s = f(p) характерна для сервомоторов одностороннего действия, сервомоторы двустороннего действия имеют астатическую зависимость w = f(p), где s - перемещение штока, w - скорость перемещения поршня. Идеальная характеристика сервомотора - линейная, реальная ступенчатого вида - представлена на рис. 7, где Δ р - давление страгивания подвижных частей устройств. В случае, если между сервомотором и клапаном предусматривается передаточный механизм, то его характеристика m = f(s), например для равноплечего рычага, имеет линейный вид. Статическая характеристика G = f(m) регулирующего органа принята равнопроцентной.

Если равновесное состояние системы характеризуется значением параметра Н ₀, то можно, последовательно переходя от одной характеристики к другой, получить соответственно значения z₀, p ₀, s₀, т₀ и Go. Задаваясь максимальным и минимальным отклонениями, аналогичным образом получают предельные значения всех величин, показанных на схемах, и после этого строят статическую характеристику регулирования, или регулировочную характеристику, H = f(G), которая представляет собой взаимосвязь качественного и количественного параметров в системе. Это недостающая часть в информационном обеспечении системы, замыкающая цепочку воздействий при прохождении сигнала по контуру регулирования. Она соответствует внутренней физической обратной связи в объекте регулирования или на регулируемом участке. Ее горизонтальная конфигурация в известной мере условна. Форма статических характеристик элементов принята из практики регулирования. Совершенствование вида регулировочной характеристики зависит от характеристик отдельных устройств, которые могут быть рассчитаны или получены экспериментальным путем. Для компактности построения характеристики могут быть совмещены по квадрантам.