Пневматични регулатори на налягане
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2009
Най-използвани видове редукционни клапани и възможности за приложението им в различни пневматични системи
Пневматичното оборудване е конструирано да работи при определено налягане, което на практика често се различава от налягането в системата. Именно предназначението на пневматичния регулатор на налягане (air pressure regulator), известен още като редукционен клапан (pressure reducing valve), е да установи определено вторично работно налягане на изхода си и да го поддържа постоянно. При това, задача на пневматичния регулатор е стойността на работното му налягане да не се влияе от колебанията на дебита и захранващото, т.е първичното налягане, което е по-високо. Типични приложения на редукционния клапан са регулиране на необходимото налягане за пневматични инструменти, като: отвертки, гайковерти, секачи, бормашини, къртачи, вибратори за бетон, бояджийски пистолети и др., както и всички приложения, в които се изисква регулиране на налягането.
Предимства на редукционните клапани
Плюсовете от използването на пневматичен регулатор биха могли да се систематизират в няколко основни направления. Сред тях са:
l С един източник на налягане могат да се захранват консуматори с различни изисквания по отношение на работното налягане;
l Системата работи по-икономично, защото загубите на сгъстен въздух, които биха се получили, ако се работи с налягане по-голямо от необходимото за конкретното приложение, се свеждат до минимум. Като правило, всяко увеличение на налягането с 0.1 bar добавя 1% към енергийните разходи за сгъстен въздух;
l Увеличава се експлоатационният живот на компонентите, защото работа с налягане, по-голямо от препоръчваното, повишава износването;
l Повишава се безопасността на работа, чрез редуциране на налягането в отделните клонове.
Добре е да се има предвид, че повишението на работното налягане води до неефективно използване на енергията на въздуха и до повишено износване, но, от друга страна, ниското работно налягане съществено влошава ефективността на силовата верига на системата. Практически е установено, че оптималният икономически и технически компромис включва използване на налягания с големина около 6 bar в силовата верига и 4 bar в управляващата верига.
Пневматичните регулатори обикновено се инсталират в комбинацията филтър-регулатор-омаслител, известна още и като пневмоподготвяща група. Както личи от наименованието й, тя е предназначена да подготви сгъстения въздух непосредствено преди подаването му към пневматичното оборудване или машината.
Разнообразие от разновидности и модели
Съществуват много разновидности пневматични регулатори, конструирани както за най-общи, така и за специални приложения. Например пневматични регулатори за универсално използване, прецизни регулатори, регулатори с непряко (пилотно) управление, електропневматични регулатори, регулатори за газови бутилки, регулатори за природен газ и др. Последните два вида не са обект на разглеждане в статията, тъй като се различават с редица специфики и разновидности.
Пневматичните регулатори за обща употреба
(general purpose regulators) са с характеристики, които задоволяват изискванията на повечето индустриални приложения. На фиг. 1.1 са показани статичните дебитни характеристики на малък регулатор, изобразяващи изходното налягане p2 като функция на масовия дебит q, при постоянно входно налягане p1. По отношение на идеалния регулатор тези линии би следвало да бъдат прави, успоредни на хоризонталната ос, т. е. не би трябвало да има промяна в изходящото налягане. Регулатор с подобна характеристика не е подходящ за приложения със значителни промени в дебита, тъй като се наблюдава съществено намаляване на изходящото налягане с нарастване на дебита, или т. нар. отрицателен статизъм (pressure droop). Друг неблагоприятен ефект е хистерезисът, изразяващ се в установяване на различни налягания при един и същи дебит в зависимост от увеличаването или намаляването на дебита.
Като цяло, характеристичните криви на всички регулатори са подобни на показаните на фиг. 1.1. Конкретната им форма зависи най-вече от вътрешната конструкция на редукционния клапан. Като правило, с нарастване на размерите на регулатора кривите са с по-малък наклон, т. е. по-малък статизъм - фиг. 1.2, представяща типични характеристики на един 1/4" регулатор.
Прецизните регулатори
(precision regulators) се използват в приложения, в които е необходимо налягането да се контролира в тесен диапазон. Типични техни приложения са инструменталните системи, пневматичните спирачни системи и медицинските устройства. Логично, конструкция е по-сложна, а цената им - по-висока. На фиг. 1.3 е показана дебитната характеристика на прецизен регулатор. Видно е, че тя се доближава много до характерната за идеален регулатор.
Прецизните регулатори, монтирани непосредствено след ресивера на компресора, се захранват с променливо входно налягане p1, тъй като обикновено компресорът работи между две предварително настроени налягания. Ефектът от промяната на входното налягане върху изходното налягане, т.нар. характеристика на налягането, за типичен 1/4" регулатор, е показан на фиг. 1.4. При малък дебит в размер на 20 l/min, входното налягане се променя от 2 bar до 10 bar и обратно до 2 bar. В резултат изходното налягане се изменя в границите +/- 5%. За разлика от тях, при прецизните регулатори описаният ефект е много малък.
Регулаторите на налягане в пневматичните системи обикновено не показват проблеми със стабилността. Колебания могат да се наблюдават при регулатори с вътрешен предпазно-изпускателен клапан в моментите на отварянето му към атмосферата.
Регулаторите с пряко действие
(direct acting regulators) са най-широко разпространени. Принципна конструктивна схема на подобен регулатор е показана на фиг. 2.1. В изходна позиция - под действие на пружината (7), чрез мембраната (2) и стеблото (6), затворът с еластично уплътнение (5) е максимално отдалечен от седлото (3). Следователно, входният и изходният канал на регулатора са свързани помежду си. Пружината (4) придържа регулиращия елемент притиснат към мембраната, от долната страна на която действа изходното налягане p2. При постъпване на сгъстен въздух, налягането p2 се повишава до стойност, при която силата от налягането върху мембраната се изравни със силата на пружината (7). След тази стойност затворът (5) се повдига и притваря управляващия процеп, при което преминаващият поток се дроселира и въздухът напуска регулатора с налягане, което съответства на настройката на пружината, чрез винта (1). В регулаторите, както е видно и в разглежданата конструкция, често се вгражда втори клапан с предпазни функции (relieving pressure regulator). Ако по някаква външна причина, налягането във вторичната страна се увеличи до стойности, които са по-високи от настройката, например при промяна на натоварването на захранвания пневматичен изпълнителен механизъм, мембраната се повдига – фиг. 2.2, през отвора в мембранната тарелка (8). Въздухът изтича в атмосферата през отвора за вентилиране (9). На фиг. 2.3 е показан стандартният символ за условно изобразяване на пневматичен регулатор с предпазен клапан.
В някои конструкции за подобряване на функционалността се използва балансиран регулиращ елемент, от двете страни на който действа едно и също налягане. По този начин се елиминира влиянието на налягането върху позицията на затвора и размерът на дроселиращото сечение. Резултатът е значително повишаване на чувствителността и качеството на регулиране. Вместо плоски мембрани, в някои регулатори се използват силфони, за да се увеличи преместването на затвора.
Вместо мембрана, във функцията на чувствителен елемент е възможно да се използва бутало – фиг. 3. Решението е характерно за малките и миниатюрните регулатори
Типични техни приложения са отличаващите се с високи налягания. Буталото има по-голяма ефективна площ на чувствителния елемент при дадени габарити. Като цяло, обаче, малките и миниатюрните регулатори реагират по-бавно.
Най-типичната област, в която се използва този тип регулатори, е за повишаване икономичността на работа в системи с пневмоцилиндри (economizer valves). В много случаи цилиндрите развиват големи сили по време на работния си ход, докато при обратния ход се преодоляват много малки сили. Чрез подходящо включване във веригата за управление на пневмоцилиндъра, един регулатор може да се настрои на възможно най-ниското налягане, осигуряващо устойчиво движение на буталото. Регулаторът функционира само по време на неработния ход. Това води до значителни икономии на сгъстен въздух, т.е. до по-висока икономическа ефективност.
В приложения, характеризиращи се с чести промени в изходното налягане по време на работа, се прилагат регулатори с пневматично управление
При тях, за генериране на определена сила, противостояща и определяща изходното налягане, се използва не пружина, а управляващо налягане, което въздейства върху чувствителния елемент – мембрана или бутало. Пример за начин на включване на подобен регулатор в пневматична система и условното му обозначение е показан на фиг. 4. С позиция 1 е означен прецизен пневматичен регулатор, а позиция 2 - регулатор с пневматично управление. Илюстрираното техническо решение се използва, когато регулаторът трябва да се инсталира на място, неудобно за настройка. По този начин се разделят задаващият и регулиращият механизъм. Типично, решението се използва в конвенционалните пневматични спирачни системи на превозни средства, където командата за спиране следва да бъде пренесена от педала през дълги линии до спирачните цилиндри. За да се избегнат значителните хидравлични загуби и големите обеми между педала и спирачните цилиндри, които иначе трябва да се допълват при всяко задействане на спирачката, се използва регулатор с пневматично управление. Той действа като усилвател (booster valve), а именно слаб сигнал от педала се усилва, управлявайки поток с определено налягане и почти неограничен дебит. Подобни регулатори се използват и във взривоопасни производства, за да се избегнат електрически управляващи сигнали.
Регулаторите с непряко (пилотно) управление
(pilot-operated regulators) също функционират на основата на описания вече принцип на пневматично управление. При тях, управляващият (пилотен) клапан, задаващ налягането, и основният регулатор са обединени в общ корпус. Логично е, че при големи дебити и налягания, пружината на регулатор с пряко действие би трябвало да има много големи размери. Предназначението на пилотния клапан е да доставя управляващо налягане за позициониране на регулиращия елемент на регулатора, като поддържа постоянна разликата между изходното и управляващото налягане. Всяко изменение на изходното налягане въздейства върху пилотния клапан, който променя управляващото налягане към регулатора.
Регулаторите от този тип се характеризират с много малка грешка при регулиране. Затова повечето прецизни регулатори са с непряко управление. Недостатък е, че са по-бавни като бързодействие. Друга тяхна специфика е, че за да функционира пилотният клапан, през него преминава непрекъснато определен управляващ дебит дори и при дебит нула през регулатора. Това е характерно и в затегателните устройства, а това определя дадена постоянно загубена мощност. В съвременните конструкции управляващият дебит е много малък – около 2 l/min.
Чисто механичните пневматични регулатори се отличават с редица предимства, сред които: ниска цена, здрава конструкция, отсъствие на необходимост от допълнителен източник на енергия. Използването им в автоматизирани приложения, обаче, е силно затруднено. Особено, ако процесите изискват промяна в налягането, централизираното му управление или при монтаж на регулатора на труднодостъпно място.
Затова са разработени т.нар. пневматични регулатори с електрическо/електронно управление (electrically/ electronically operated pressure regulators). Съществуват две основни групи електропневматични регулатори. При първата, електрически двигател завърта винта за настройка до достигане на желаното налягане. Характерно за втората група е, че управляващата пружина е заменена с пропорционален електромагнит, който генерира сила, строго пропорционална на електрически управляващ сигнал (типично 0 - 5 VDC, 0 - 10 VDC или 4-20 mA). Тъй като силата, създавана от електромагнит, е ограничена и много по-малка от постиганата с пружина, силите от триене трябва да са възможно най-малки. Един от начините да се постигне това включва използване на подходящо модулиран електрически сигнал, който поддържа механичните части постоянно в движение, за да се намали триенето. В други конструкции, за да не се използват уплътнения с триене, се залагат силфонни уплътнения. Независимо от конструкцията, преобразувател следи изходното налягане и формира електрически сигнал, съответстващ на големината на налягането. Вграден в регулатора процесор сравнява текущата стойност с управляващия сигнал и подава въздействие, целящо увеличаване или намаляване на изходното налягане. Ако е необходимо, регулаторът би могъл да осигури изходящ електронен сигнал за централизирано управление на процесите, за събиране и обработка на данни и др. Произвеждат се и модели с цифрово управление.
Описаният вид регулатори имат няколко ограничения. Поради присъщите свойства на електромагнитите, те се използват в приложения с ниска честота. Малката сила, създавана от електромагнита, ограничава размерите на чувствителния елемент, а следователно намалява и максималния дебит (пропускателната способност). Често електропневматичните регулатори се използват като пилотни, за управление на по-големи регулатори с пневматично управление.
Продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 6/2024
