Регулирование дроссельных сечений с помощью безмоментного шагового двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА

о.и. Ратманский, к.т.н., г.в. Кудряшов, ЗАО «Центральное конструкторское бюро арматуростроения»

регулирование дроссельных сечений с помощью БЕзмомЕнтного шагового двигателя

Проблема регулирования сечений с помощью шагового двигателя актуальна сегодня и напрямую связана с будущим арматуростроения. Настоящая работа посвящена созданию и исследованию режимов регуляторов непрямого действия с регулированием дроссельных сечений с помощью шагового двигателя.

На рисунке 1 показан регулятор непрямого действия с регулируемым дроссельным сечением с помощью двигателя шагового реверсивного (ДШР). Предложенный способ регулирования обоснован следующим. Последние исследования [1] показали, что возникающий на заслонке вследствие действия аэродинамических сил момент принимает довольно большие значения. Использование ДШР непосредственно для вращения вала заслонки нецелесообразно, т. к. приводит к увеличению массы и габаритов и снижению точности регулирования. Было предложено решение «безмоментного» шагового двигателя — когда двигатель управляет воздушным зазором между кулачком (поз. 8) и седлом (поз. 6), вследствие чего отпадает необходимость создания двигателя с большим крутящим моментом. Рассмотрим устройство, принципиальная схема которого изображена на рис. 1. Воздух, поступающий от малорасходного питающего редуктора (ПР) поз. 3, пропускается через задающий дроссель (поз. 4). ПР поддерживает практически постоянное давление. Когда сечение между седлом (поз. 6) и кулачком (поз. 8) полностью перекрыто, на пневмоприводе (поз. 9) дежурит максимальное давление. По мере открытия сечения (зазор между седлом и кулачком) расход через это переменное сечение возрастает, вследствие чего давление в проточной камере (поз. 5) и, следовательно, на пневмоприводе (поз. 9) будет падать. На рис. 2 представлена схема регулирующего органа типа «поворотная заслонка» с сильфонным пневматическим приводом. Из основных элемен-

тов можно выделить сильфон (поз. 3), пружину (поз. 2) и шток (поз 5). Давление в пневмоприводе(поз. 4)действует на сильфон, создавая перестановочное усилие, которое передается вдоль штока. При падении давления пружина распрямляется и шток перемещается вверх.

Шток поворачивает рычаг (поз. 7), который жестко связан с осью заслонки. В результате открытия заслонки изменяется сечение трубы и осуществляется регулирование.

Регулируя величину зазора с помощью поворота кулачка, установленного на валу ДШР, мы регулируем давление в пневмоприводе и угол поворота заслонки.

Результаты разработки и исследования

Целью исследований является выбор и расчет дроссельного сечения и кулачка регулятора давления по представленной схеме на рис. 1. Требования по точности поддержания выходного давления, например, в воздушных системах самолетов, составляет 1..5 % Рвых, что обеспечивается поворотом заслонки на угол не более 0,5°.Л°. Следовательно, необходимо стремиться к минимальному приращению или снижению давления в пневмоприводе при повороте кулачка на один шаг. Расчет кулачка выполняется исходя из известной задачи о двух дросселях [2] [3].

Для решения данной задачи составим несколько уравнений. Составим уравнение баланса расходов: М"1 ' Рупр "

"■-«■У—т:

Уравнение баланса расходов: = G2 (3);

Подставив в уравнение (1) вышеописанные формулы (1) и (2), получим:

(сЦ' • * ' Р"Р' ^ =

= («У

2 .

VRT

' Рати ' (-2

VRT

. Мч . Рупр . С1 = ^2 . М2 . Ратм . С2;

Б2 = та . dс . X; откуда

с1с • я • \12 • Рати • С2 ' к '

Так как давление окружающей среды можно считать постоянным в наземных условиях, уравнение (4) сводится к Х = К* . Рупр для критического перепада. Давление Р2 в серийно выпускаемых регуляторах назначается исходя из минимального давления на входе в регулятор и составляет примерно 1±0,1 ати. Давление Рупр для рабочих режимов составляет примерно 0,5.. .0,6 ати. Следовательно, для рабочих режимов имеет место критический перепад, где К* — константа. В случае с докритическим перепадом зависимость сложнее. Здесь для докритического перепада,

К / 2 К+1

K-аК-ак )о--

К / 2_ К + 1

а для критического, 1

. ^ . 2 \к -1 К

С = С, = -- • 1/ -- = const

1 \К + 1/ у К + 1

принятые обозначения:

108 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 6 \\ июнь \ 2006

НОВЫЕ РАЗРАБОТ^

а

I I

I ill

и)

ПЕНЗТШРОМАРМАТ

Шаровые краны для газопроводов ЭМ 50...1400 мм, РМ 1Д..12 МПа. Рабочая среда - природны газ при температуре до ЮС С.

Шаровые краны для нефтепроводов ОМ 50...1200 мм, Р1М 1,6—12 МПа Рабочая среда - товарная нефть, проводимые среды при шельфовой разработке нефтяных месторождений при температуре до 100°С (по требованию заказчика до 190°С).

Дублирующее уплотнение седел: металл по металлу и полиуретан (эластомер) по металлу обеспечивает стабильность герметичности кранов по классу «А» (ГОСТ 9544-93).

Управление кранами осуществляется

при помощи ручного привода, электропривода,

пневмогидропривода или пневмопривода.

Кран

обеспечивает возможность прохождения через него

очистного устройства.

Возможно

изготовление корпусов как в цельносварном варианте,

так и с разборной конструкцией корпуса. В зависимости от характеристик транспортируемой среды, а также по желанию заказчика шаровые краны изготовливаются из углеродистой стали (сталь 20, сталь 09Г2С), титана (сплав ВТ1-0), а также

из коррозионностойких сталей (сталь 08Х18Н10Т или сталь 10Х17Н13М3Т).

По присоединению к трубопроводу

краны изготавливаются как во фланцевом исполнении,

так и с концами под приварку.

ИРШВИРНАПЬНЫЙ пород К ТРУБОПРОВОДНОЙ

ОАО «ПЕНЗТЯЖПРОМАРМАТУРА», Россия, 440028, г. Пенза, пр-т Победы, 75/а, http://www.ptpa.ru Отдел продаж: телефон/факс (8412) 44-90-20 (многоканальный), e-mail: sales@ptpa.ru.

ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА

Рис. 1. Принципиальная схема регулятора избыточного давления непрямого действия. 1 - малорасходная питающая магистраль; 2 - клапан электромагнитный; 3 - малорасходный питающий редуктор; 4 - задающий дроссель; 5 - проточная камера; 6 - сбросной дроссель переменного сечения; 7 -ДШР; 8 - кулачек; 9 - пневмопривод; 10 - ЗРУ; 11 - контроллер, который формирует цифровой сигнал для ДШР. D1 - сигнал от датчика наружного давления; D2 - сигнал от датчика температуры; D3 - сигнал от датчика давления в объекте регулирования;

12 3 4

Вход

d1, d2 — соответственно диаметр задающего дросселя и эквивалентный диаметр S2

т, т2 — коэффициенты, учитывающие тип сечения.

S1, S2 — площадь сечения, соответственно, задающего дроселя и переменного сечения воздушного зазора. К, R — коэффициенты, которые характеризуют газ. Т — температура газа. G1 — расход среды через задающий дроссель.

G2 — расход среды через переменное

сечение седло-кулачок.

Ратм — давление окружающей среды.

Рупр — давление управляющее, которое

воздействует на пневмопривод.

Р2 — давление после ПР.

Х — зазор между кулачком и седлом.

Выход

В зависимости от угла поворота можно выстроить профиль кулачка, задав, таким образом,закон изменения зазора от угла поворота шагового двигателя. А это, в свою очередь, определит закон изменения давления в пневмоприводе в зависимости от угла поворота шагового двигателя, давления перед задающим дросселем и давлением окружающей среды.

В процессе исследования были отработаны следующие типы кулачков: А) Эксцентриковый. К * (а) = г • со5(|30 + а) + + VI?2 - (г • Б1п(|30 + а))2,

где г — радиус эксцентриситета, Ь0 — начальный угол, R — радиус сферы Б) Архимедов. R * (а) = R - а/20,

Рис. 2. Схема регулирующего органа типа «поворотная заслонка» с сильфонным пневматическим приводом. 1 - поворотная заслонка; 2 - пружина; 3 - сильфон; 4 - силь-фонный пневмопривод; 5 -шток; 6 - выходная шайба, формирующая необходимый расход, 7 - рычаг, связанный с осью заслонки

где R — начальный радиус кулачка. Профиль кулачка выполнен в форме «архимедовой спирали». В) Сложный профиль. Профиль рассчитан с учетом характеристик пневмопривода и решением задачи о двух дросселях для заслонки и расходной шайбы (см. рис. 2 поз. б), формирующей расход. Были созданы компьютерные программы, учитывающие конструктивные параметры изделий и позволяющие получить графические зависимости давления в пневмоприводе от угла поворота шагового двигателя, а также просчитывать ход штока (см. рис. 2 поз. 5), угол поворота заслонки (поз. 1) и выходное давление перед шайбой (поз. б) в случае установившихся режимов. С помощью расчетов и эксперимен-

производство и комплексные поставки

фуОопроводнои арматуры

/

/

КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ, ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ, ОБРАТНЫЕ

ЗАТВОРЫ ОБРАТНЫЕ, ДИСКОВЫЕ КРАНЫ ШАРОВЫЕ

www.tdzt.ru

I

а I'

ш -

и *** ™

№ К* 3- -

т1о Р]Г О'В Ь1 й д о -м

задви^-ЗНАМЯ ТРУДА

о-.. : / ■ !

(812) 347-70-27, Санкт-Петербург, ул. Магнитогорская, д. 11, е-таМ: office@tdzt.ru

110 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 6 \\ июнь \ 200Б

\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

№ 6 \\ июнь \ 2006

тальных данных было определено «полезное» давление пневмопривода, необходимое для регулирования в рабочем режиме. Это давление составляет

0.5..0.6 кгс/см2.

Это позволило спроектировать кулачки со сложным профилем, так, что 70 % хода кулачка приходится на рабочий режим, что значительно повышает возможности регулирования. Также было установлено, что диапазон изменения зазора составляет 28 мкм, что требует тщательности в изготовлении поверхности кулачка. Выводы

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложена и исследована схема регулятора давления непрямого действия с регулированием дросселирующего сечения с помощью безмоментного ДШР.

2. Предложены и исследованы различные профили кулачков, обеспечивающие минимальное изменение давления в пневмоприводе при повороте кулачка на один шаг.

3. Наилучшие результаты получены на

кулачках с профилем типа «Архимедов» и максимальным углом поворота 450. При этом изменение давления в пневмоприводе за один шаг составило 0,01..0,015 кг/см2, что приводит к повороту заслонки в серийно выпускаемом регулирующем органе на 0,5..0,70. 4. Получена компьютерная модель серийного изделия для статики, позволяющая просчитывать давление в пневмоприводе, давление выхода, угол поворота заслонки, перемещение штока, а также спрофилировать кулачок под нужный закон изменения выходного давления, задав дискретность ДШР. Программа также позволяет произвести сравнение стандартного (Архимедова) профиля и вновь полученного, а также сохранить данные в виде таблиц для станков с ЧПУ.

Литература

1. О.И. Ратманский, Терентьев В.В., Кудряшов Г.В. «Регуляторы параметров воздушных систем самолетов». Всеукраинский научно-технический журнал «Промислова Пдравлтка 1 Пневманика» № 3(5), 2004 г.

2. М.Д. Голубев. Газовые регуляторы давления. М.Машиностроение. 1964 г.

3. О.И. Ратманский И.Р. Кричкер. Арматура реактивных систем управления КЛА. М. Машиностроение. 1980 г.

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА \\ 111