Щучинский - Электромагнитные приводы исполнительных механизмов (1984)

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Основными направлениями экономического и  социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» поставлена задача «Повысить технический уровень и качество продукции машиностроения, средств автоматизации и приборов, значительно поднять  экономичность и производительность выпускаемой техники, ее  надежность и долговечность».

Одним из основных элементов автоматизированных  систем управления технологическими процессами,  связанными с потоками жидких и газообразных сред, является  трубопроводная арматура с электромагнитным приводом или его комбинациями с гидравлическими и пневматическими приводами.

Арматура с электромагнитным приводом представляет собой устройство, устанавливаемое на трубопроводах,  агрегатах, емкостях и прочем технологическом  оборудовании, предназначенное для дистанционного и местного  управления потоками жидких и газообразных сред  посредством электрического сигнала. Электромагнитный привод трубопроводной арматуры отличается высоким  быстродействием, малым потреблением электроэнергии, простотой, технологичностью изготовления, герметичностью и  вакуумной плотностью рабочей полости относительно внешней среды. Долговечность конструкций арматурного  электромагнитного привода обеспечивает 10 млн. циклов  срабатывания и более. Электромагнитный привод обладает рядом преимуществ в сравнении с электродвигательным: отсутствием механических передач и преобразователей движения; возможностью ремонта электрических узлов без разгерметизации привода; высокой точностью останова запорного органа арматуры в заданном положении  вследствие отсутствия выбега; возможностью использования ЭВМ для управления.

Благодаря указанным достоинствам арматура с  электромагнитным приводом широко применяется для  автоматизации производственных процессов во всех отраслях  народного хозяйства. По ряду важнейших  технико-экономических показателей с ней не могут конкурировать другие типы автоматизированной трубопроводной арматуры. Основными элементами арматуры с электромагнитным приводом являются исполнительный механизм,  непосредственно воздействующий на поток рабочей среды, и  управляющий им электромагнитный привод. В конструкции электромагнитных приводов  бессальниковой арматуры, нашедшей преимущественное  распространение, предусмотрена разделительная трубка, образующая совместно с конструктивными деталями исполнительного механизма герметизированную относительно внешней  среды полость, заполненную рабочей средой. Элементы  магнитной системы таких приводов непосредственно  находятся в агрессивной рабочей среде под воздействием ее  температуры и давления. Герметизирующая разделительная трубка выполняется, как правило, из маломагнитного  металла, что обусловливает большой немагнитный зазор для рабочего магнитного потока. При питании обмотки  электромагнитного привода переменным напряжением в  материале разделительной трубки наводятся мощные вихревые токи, оказывающие экранирующее действие на рабочий магнитный поток. Элементы магнитной системы не всегда могут быть изготовлены шихтованными и часто  выполняются сплошными, что также увеличивает потери на  вихревые токи и перемагничивание материалов. При всем этом обмотки приводов находятся в условиях интенсивного  теплового воздействия рабочей среды. Перечисленные  особенности предопределяют ряд принципиальных отличий  электромагнитных приводов трубопроводной арматуры от  электромагнитов общетехнического назначения и выделяют их в отдельную группу арматурных электромагнитных  приводов (АЭМП).

С развитием техники и усложнением условий  эксплуатации особое значение приобрели требования надежности и долговечности, уменьшения массы, габаритов,  потребляемой мощности, снижения стоимости изготовления и  эксплуатации арматурных электромагнитных приводов.  Решение этих вопросов осложняется тем, что в известной  технической литературе методы расчета и проектирования электромагнитных приводов трубопроводной арматуры  отражены крайне недостаточно. Настоящая книга имеет цель восполнить этот пробел и систематизировать опыт проектирования электромагнитных приводов  трубопроводной арматуры.

В конструкции электромагнитных приводов  бессальниковой арматуры, нашедшей преимущественное  распространение, предусмотрена разделительная трубка, образующая совместно с конструктивными деталями исполнительного механизма герметизированную относительно внешней  среды полость, заполненную рабочей средой. Элементы  магнитной системы таких приводов непосредственно  находятся в агрессивной рабочей среде под воздействием ее  температуры и давления. Герметизирующая разделительная трубка выполняется, как правило, из маломагнитного  металла, что обусловливает большой немагнитный зазор для рабочего магнитного потока. При питании обмотки  электромагнитного привода переменным напряжением в  материале разделительной трубки наводятся мощные вихревые токи, оказывающие экранирующее действие на рабочий магнитный поток. Элементы магнитной системы не всегда могут быть изготовлены шихтованными и часто  выполняются сплошными, что также увеличивает потери на  вихревые токи и перемагничивание материалов. При всем этом обмотки приводов находятся в условиях интенсивного  теплового воздействия рабочей среды. Перечисленные  особенности предопределяют ряд принципиальных отличий  электромагнитных приводов трубопроводной арматуры от  электромагнитов общетехнического назначения и выделяют их в отдельную группу арматурных электромагнитных  приводов (АЭМП).

С развитием техники и усложнением условий  эксплуатации особое значение приобрели требования надежности и долговечности, уменьшения массы, габаритов,  потребляемой мощности, снижения стоимости изготовления и  эксплуатации арматурных электромагнитных приводов.  Решение этих вопросов осложняется тем, что в известной  технической литературе методы расчета и проектирования электромагнитных приводов трубопроводной арматуры  отражены крайне недостаточно. Настоящая книга имеет цель восполнить этот пробел и систематизировать опыт проектирования электромагнитных приводов  трубопроводной арматуры. Перемещение в рабочей полости арматуры или удержание в заданном положении

Конструкция ЛЭМП содержит катушку, подвижный сердечник, полюс, наружный магнитопровод,  разделительную трубку, возвратную пружину, выходной силовой  элемент с узлом регулировки его перемещения и контакты или гибкий шнур для подключения питания к катушке. В ряде конструкций сердечник арматуры выполняет  функцию выходного силового элемента. С помощью катушки создается магнитодвижущая сила (МДС), необходимая для проведения магнитного потока по магнитопроводу.

С помощью подвижного сердечника энергия магнитного поля катушки преобразуется в механическую и передается запирающему элементу исполнительного механизма  арматуры. Между поверхностями сердечника, полюса и  наружного магнитопровода имеются немагнитные зазоры, количество, размеры и форма которых определяются  конструктивным исполнением ЛЭМП. Зазоры, в которых  возникают магнитные усилия в направлении перемещения  сердечника, являются рабочими, остальные паразитными. К  паразитным относятся зазоры, необходимые для уменьшения остаточной индукции в деталях магнитопровода и  вызываемого ею залипания сердечника. Размеры паразитных  зазоров обусловлены конструктивными и технологическими факторами. К конструктивным факторам относится наличие разделительной трубки, а также немагнитных втулок и шайб, служащих для уменьшения трения между  подвижными и неподвижными деталями магнитопровода.  Технологическими факторами определяются зазоры, образованные за счет допусков на изготовление сопрягаемых деталей  магнитопровода. В некоторых ЛЭМП с разделительной трубкой размер паразитных зазоров соизмерим с рабочим ходом сердечника и даже превосходит его. Это характерно для АЭМП с рабочим ходом сердечника 0,8—2,5 мм при  толстостенной разделительной трубке и при изготовлении деталей магнитопровода из коррозионностойких сталей с большим значением коэрцитивной силы, что вызывает необходимость применения толстых немагнитных прокладок между  торцами полюса и сердечника. Следует отметить, что существуют ЛЭМП, в которых используются только потоки рассеяния и полюс отсутствует. Такие ЛЭМП рассчитаны на небольшое тяговое усилие, которое при питании переменным  напряжением составляет примерно 0,5 Н при рабочем зазоре 6— 7 мм. Они отличаются простотой конструкции и отсутствием зависимости теплового режима обмотки от положения сердечника.

Перемещение сердечника, при котором происходит движение запирающего элемента исполнительного  механизма, называется рабочим ходом. Номинальным ходом  называется наибольшее перемещение сердечника, при котором обеспечивается номинальное тяговое усилие. Номинальное тяговое усилие АЭМП должно  обеспечиваться на всем перемещении сердечника в пределах номинального хода при рабочем (нагретом) состоянии обмотки, допустимых колебаниях напряжения и частоты питающей сети, максимальной температуре рабочей и окружающей сред, а также при наличии заданных  климатических и механических воздействий. Ток в обмотке ЛЭМП, при котором начинается движение сердечника,  называется током срабатывания /Ср. Ток, при котором  происходит отпускание сердечника, называется током  отпускания (отпадания) /0Тц. ЛЭМП подразделяются на длинноходовые и короткоходовые. К короткоходовым относятся ЛЭМП с диаметром сердечника более 3£M0M. К длинноходовым относятся конструкции с диаметром сердечника 36МОМ. Усилие, необходимое для перемещения запирающего элемента исполнительного механизма, называется  перестановочным (внешним) усилием. Зависимость  перестановочного усилия от перемещения связанного с  запирающим элементом сердечника называется силовой  характеристикой исполнительного механизма). Тяговой характеристикой АЭМП называется зависимость тягового усилия от перемещения сердечника при  неизменном токе обмотки.

Исполнительные механизмы трубопроводной арматуры с АЭМП могут содержать вспомогательные узлы: ручной дублер для управления исполнительным механизмом при исчезновении напряжения питания или при выходе из строя обмотки, устройство сигнализации положения  запирающего элемента или сердечника, фиксатор положения запирающего элемента или сердечника. Конструктивно эти узлы могут входить как в ЛЭМП, так и в исполнительный механизм. В зависимости от положения запирающего элемента исполнительного механизма при обесточенной  обмотке ЛЭМП, арматура подразделяется на нормально  закрытую (НЗ) и нормально открытую (НО). В НЗ  арматуре при отсутствии тока в обмотке проход рабочей среде через проходной канал исполнительного механизма  закрыт. В НО арматуре при отсутствии тока в обмотке проход рабочей среде открыт. Преимущественное распространение получили конструкции арматуры, запирающий  элемент которых перемещается с помощью АЭМП  возвратно-поступательно, параллельно направлению потока рабочей среды в проходном канале седла запорного  органа. Такие конструкции арматуры называются  клапанами с  электромагнитным приводом.

На рис. 1  изображена конструкция НЗ клапана с  электромагнитным приводом.  Корпус 1 исполнительного механизма имеет седло а проходного канала Da и входной (А) и выходной (Б)  патрубки. Электромагнитный привод содержит  катушку 4, подвижный сердечник 3,  размещенный внутри  герметизирующей  разделительной трубки 5, верхний торец которой с  помощью развальцовки и сварки соединен с  полюсом 8, возвратную пружину 7 и магнитопровод, стянутый  винтом 12. Магнитопровод состоит из кожуха 11, верхней и нижней шайб 10, втулок 9 и 15, регулировочных колец 6 из ферромагнитного материала и разделительной втулки 14 из немагнитного материала.

Для снижения акустического шума при работе полюс 8 снабжен медным короткозамкнутым витком 13.  Запирающий элемент выполнен в виде резиновой шайбы 2,  закрепленной на нижнем торце сердечника 3.  Герметизация рабочей полости корпуса 1 исполнительного  механизма относительно окружающей среды обеспечивается разделительной трубкой 5, фланец которой выполняет функцию крышки корпуса 1 и крепится к нему винтами 17. Герметичность корпуса обеспечивается резиновым  уплотнением 18. Катушка защищена от проникновения окружающей среды с помощью резинового кольца 16. Кожух  и Детали 9, 10, 14 и 15, не контактирующие с рабочей средой, выполнены из стали марки 10. Сердечник 3 и  полюс 8, находящиеся в непосредственном контакте с  рабочей средой, изготовлены из прецизионного сплава марки 16Х.

Описанный клапан характеризуется тем, что  перемещение запирающего элемента и преодоление воздействия на него рабочей среды во время рабочего цикла  осуществляются только за счет тягового усилия АЭМП. Такие  клапаны называются клапанами непосредственного действия. В зависимости от степени разгрузки запирающего  элемента от воздействия рабочей среды клапаны  непосредственного действия могут выполняться с неуравновешенным (рис. 1) или с уравновешенным (см. рис. 5,а) запирающим элементом. В последних запирающий элемент с помощью манжет, сильфона, мембран, выполнения запорного органа с двумя седлами и уплотнениями в определенной степени разгружен от одностороннего давления рабочей среды.

Тяговое усилие большинства типов АЭМП резко уменьшается с увеличением рабочего зазора, т. е. хода сердечника. Увеличение хода сердечника вызывает резкое возрастание габаритов и потребляемой мощности АЭМП. Это ограничивает применение АЭМП непосредственного действия для клапанов с большим значением Dy и  большим перепадом давления рабочей среды. Поэтому в арматуростроении широко применяются разгрузочные  (управляющие) запирающие элементы, перекрывающие разгрузочное отверстие, Но сечению во много раз меньшее основного проходного канала. С помощью  разгрузочного запирающего элемента используется энергия рабочей среды и осуществляется управление основным  запирающим элементом арматуры [18, 23]. Исполнительный механизм в таких конструкциях двухступенчатый. Примером применения АЭМП для управления двухступенчатым исполнительным механизмом арматуры являются  конструкции, рассматриваемые в § 3. На рис. 2 показана  классификация АЭМП, охватывающая характерные  конструкции, выпускаемые отечественной промышленностью и  ведущими зарубежными фирмами, и учитывающая  перспективные направления развития [18, 24]. По характеру движения сердечника и связанного с ним выходного  силового элемента ЛЭМП подразделяются на тянущие,  толкающие, поворотные, удерживающие и реверсивные. В тянущих АЭМП линейное перемещение сердечника со связанным с ним выходным силовым элементом под  действием магнитного поля направлено от точки приложения противодействующих сил, обусловленных 

функционированием исполнительного механизма. Такие АЭМП  применяются для управления запирающим элементом (основным, разгрузочным или обоими в определенной  последовательности) исполнительных механизмов запорных НЗ  клапанов и основным запирающим элементом исполнительных механизмов распределительных клапанов. Удерживающие АЭМП обеспечивают удержание под действием магнитного поля сердечника и выходного  силового элемента с заданным усилием удержания и снятие или уменьшение этого усилия по соответствующему  сигналу. Для таких АЭМП характерным параметром  является гарантированное значение усилия удержания  сердечника. В поворотных АЭМП при подаче напряжения на  обмотку выходной силовой элемент поворачивается на определенный угол, который в зависимости от  конструктивного исполнения составляет 60—90°. Угловое  перемещение силового элемента достигается либо выполнением магнитопровода с поворотным сердечником, либо  применением промежуточного преобразующего устройства. 

Такие АЭМП используются для приведения в действие  исполнительных механизмов с угловым перемещением  запирающего элемента, например в поворотных дисковых затворах, запорных и распределительных пробковых и шаровых кранах [23]. Применение поворотных АЭМП  ограничивается их малым крутящим моментом, громоздкостью, потерями на трение в промежуточном устройстве. Реверсивные АЭМП обеспечивают изменение  направления перемещения выходного силового элемента в  зависимости от характера электрического сигнала. Реверсивный АЭМП содержит два электромагнита, сердечники которых посредством выходного силового элемента механически взаимодействуют с запирающим элементом исполнительного механизма арматуры. При подаче напряжения на обмотку одного электромагнита его сердечник движется к полюсу и перемещает запирающий элемент в этом же направлении. При подаче напряжения на обмотку второго электромагнита его сердечник перемещает запирающий элемент в противоположном направлении. В реверсивных АЭМП может быть предусмотрен упругий элемент,  обеспечивающий перемещение и удержание (фиксацию)  выходного силового элемента в нейтральном положении при  обесточенных обмотках электромагнитов. Реверсивные АЭМП применяются преимущественно в распределительных  клапанах непосредственного действия. По количеству позиций выходного силового элемента АЭМП подразделяются на одно-, двух- и трехпозиционные. У однопозиционных АЭМП при включении обмотки выходной силовой элемент занимает определенное  положение. У двухпозиционных АЭМП выходной силовой  элемент занимает одно из двух положений в зависимости от того, на обмотку какого электромагнита поступает  напряжение. После обесточивания обмотки выходной силовой элемент сохраняет занятое им положение до подачи  напряжения на обмотку другого электромагнита. При этом выходной силовой элемент занимает другое крайнее  положение, в котором остается после выключения тока в  обмотке. Двухпозиционной является и конструкция АЭМП, магнитопровод которой содержит постоянный магнит. В  зависимости от полярности и амплитуды сигнала сердечник и выходной силовой элемент занимают одно из двух  устойчивых крайних положений. Различные типы клапанов с АЭМП такой конструкции выпускаются отечественной промышленностью и рядом зарубежных фирм. Выходной силовой элемент трехпозиционных АЭМП при отсутствии тока в обмотках находится в нейтральном положении.

В зависимости от рабочей температуры АЭМП  подразделяются на низкотемпературные (от —100 и ниже до + 50°С); нормальные (от —60 до +100°С) и  высокотемпературные (от —60 до +200°С и выше). АЭМП могут быть непосредственного действия или со встроенным пневмо- или гидроусилителем. В АЭМП  непосредственного действия усилие выходного силового  элемента создается только за счет энергии магнитного поля. Выходным силовым элементом в таких конструкциях  является непосредственно сердечник или связанный с ним шток. В отдельных конструкциях АЭМП с целью  повышения выходного усилия на силовом элементе и сокращения габаритов катушки и потребляемой электроэнергии используется дополнительно энергия находящейся под  давлением жидкой или газообразной среды. Конструкция таких приводов содержит встроенный пневмо- или  гидропривод, поршень или мембрана которого связаны с  выходным силовым элементом.