Виконавчий механізм

Викона́вчий механі́зм (ВМ), Викона́вчий елеме́нт (рос. исполнительное устройство, англ. actuator) — у системах автоматичного регулювання — пристрій, що безпосередньо здійснює механічне переміщення (чи поворот) органу регулювання об'єкта управління і змінює його стан.

Складають одну з останніх ланок системи автоматичного регулювання. Використовуються для управління органами регулювання . Виконавчий механізм, як правило, складається з трьох основних пристроїв: сервомотора (серводвигуна), джерела живлення та навантаження.

Загальний опис

Місце виконавчого механізму (ВМ) у системі автоматичного регулювання (САР) показано на рис. 1.

Зміна положення органу регулювання викликає зміну потоку енергії або матеріалу, що надходять на об'єкт, і тим самим впливає на робочі машини, механізми і технологічні процеси, усуваючи відхилення регульованої величини заданого значення. Виконавчий механізм не лише змінює стан керованого об'єкта, але і переміщає регулюючий орган відповідно до заданого закону регулювання при мінімально можливих відхиленнях. У більшості випадків виконавчі механізми діють від сторонніх джерел енергії, оскільки безпосереднє управління виконавчим механізмом від первинних елементів регулювання (реле, датчиків тощо) неможливе внаслідок їхньої малої потужності, недостатньої для впливу на регулюючий орган.

Виконавчий механізм, як правило, складається з сервомотора постійного або змінного струму та джерела живлення. Ряд виконавчих механізмів включають також підсилювачі.

Класифікація виконавчих механізмів

За видом споживаної енергії виконавчі механізми поділяють на електричні, пневматичні і гідравлічні. Найбільшого поширення набули електричні ВМ. Пневматичні і гідравлічні виконавчі механізми застосовуються у разі необхідності отримання великої потужності при переміщенні робочого органу та у вибухонебезпечних середовищах.

Конструкції виконавчих механізмів різноманітні. У першу чергу вони розрізняються за характером руху вихідної ланки (прямохідні і поворотні) і за видом чутливого елемента, який перетворює енергію командного сигналу в переміщення вихідної ланки. Вид використовуваної енергії також позначається на конструктивному оформленні виконавчого механізму.

За конструктивними ознаками розрізняють також:

• Кривошипно-шатунний виконавчий механізм
• Кривошипно-кулісний виконавчий механізм
• Синусний виконавчий механізм
• Кривошипно-коромисловий виконавчий механізм
• Маніпулятор-виконавчий механізм
• Мальтійський виконавчий механізм
• Осцилювальний виконавчий механізм

Електричні виконавчі механізми

Електричні виконавчі механізми можуть бути контактними і безконтактними. Пусковим пристроєм контактного виконавчого механізму є реверсивний магнітний пускач, безконтактного — магнітний підсилювач.

У загальному випадку електричні виконавчі механізми складаються з наступних основних елементів: реверсивного електродвигуна; редуктора, що знижує частоту обертання вихідного вала; вихідного елемента, що передає зусилля або крутильний момент регулювальному органу; додаткових пристроїв (кінцевих вимикачів), що забезпечують зупинку виконавчого механізму в крайніх положеннях; пристроїв зворотного зв'язку для роботи в системах автоматичного регулювання або для дистанційного показу положення вихідного елемента виконавчого механізму; штурвал ручного привода (деякі модифікації).

У залежності від модифікації цих ВМ у них використовуються двофазні конденсаторні електродвигуни з порожнистим ротором, що мають добрі динамічні характеристики і допускають тривалу роботу в застопореному режимі при повній напрузі живлення, а також трифазні асинхронні електродвигуни з короткозамкнутим ротором (для виконавчих механізмів великої потужності).

Як пристрій зворотного зв'язку застосовують реостатні, індуктивні і феродинамічні перетворювачі переміщення.

Покажчики положення вихідного вала, що комплектуються з деякими електричними ВМ, являють собою стрілочні прилади зі шкалою 0—100%.

Найбільше поширення в збагачувальній промисловості отримали електричні ВМ типу МЭО та ИМ 2/120.

Пневматичні виконавчі механізми (ПВМ)

За видом чутливого елемента, який перетворює тиск стисненого повітря в перестановочне зусилля, пневматичні ВМ поділяються на мембранні, поршневі, сильфонні і лопатеві. З них тільки лопатеві безпосередньо створюють поворотний рух вихідної ланки; інші своїм переміщенням створюють поступальний рух штока, який потім за допомогою додаткового пристрою може бути перетворений у поворотний. Тиск використовуваного в пневматичних ВМ стисненого повітря зазвичай не перевищує 0,6 МПа.

У мембранному виконавчому механізмі переміщення вихідного штока в одному напрямі створюється тиском стислого повітря в мембранній порожнині, а в іншому — силою стислої пружини (пружинні мембранні виконавчі механізми). Ці механізми мають вихідний шток з поворотно-поступальним рухом, як правило, конструктивно пов'язаний з регулювальними органами. У залежності від напряму руху штока при підвищенні тиску повітря у мембранній порожнині розрізнюють механізми прямої і зворотної дії. У поршневих виконавчих механізмах зусилля, що переміщує вихідний шток, створюється тиском робочого середовища в поршневих порожнинах. У порівнянні з мембранними вони мають більшу величину переміщення вихідного штока.

Гідравлічні виконавчі механізми

Гідравлічні виконавчі механізми знайшли широке застосування в системах управління літаками. У механічних системах управління золотник управління виконавчим механізмом переміщується проводкою управління літаком. У системах дистанційного керування літаком (Fly-by-Wire) виконавчий механізм керується електричними сигналами і такі механізми мають кілька режимів роботи:

-Активний, коли виконавчий механізм отримує команди від комп'ютера системи управління літаком і відхиляє рульову поверхню відповідно до отриманого сигналу.

-Режим вільного переміщення (Bypassed), коли механізм не виконує команди системи управління і дозволяє рульовій поверхні переміщатися вільно. При цьому інший виконавчий механізм, який також керує даною рульовою поверхнею, буде працювати, не відчуваючи опору від даного (Bypassed) механізму.

-Режим демпфування, коли виконавчий механізм не виконує команди системи управління і дозволяє рульовій поверхні переміщатися, але обмежує кутову швидкість відхилення. Таким чином захищаючи рульову поверхню від виникнення флатера. Цей режим дозволяє іншому виконавчому механізму, також підключеному до цієї поверхні, керувати рульовою поверхнею з достатньою швидкістю.

-Режим блокування, коли виконавчий механізм не виконує команди і не дозволяє рульовій поверхні рухатися. Цей режим використовується в разі, коли відмовляють обидва виконавчі механізми, що керують рульовою поверхнею. Це забезпечує гідравлічний «замок», що фіксує положення рульової поверхні.^[1]

Технічні вимоги до виконавчих елементів

1. потужність сервомотора повинна забезпечувати при всіх режимах зміну положення регулюючого органу з заданою швидкістю;
2. лінійне або кутове переміщення сервомотора на виході повинно бути узгоджене з відповідним переміщенням регулюючого органу;
3. характеристика сервомотора повинна бути пропорційна вхідному сигналу;
4. відношення кінетичної енергії рухомих частин до потужності сервомотора повинно бути мінімальним.

Механічна характеристика виконавчого механізму — це залежність кутової швидкості вала двигуна ω_дв від приведеного до вала двигуна моменту опору М_о, потрібного для здолання робочим органом навантаження, тобто ω_дв = f(М_о).

Див. також

• Автоматизація
• Актуатор
• Задавач
• Елемент порівняння
• Регулюючий орган
• Регулятор
• Датчик