Вибір регулювального органу та виконавчого механізму

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКА ДЕРЖАВНА ІНЖЕНЕРНА  АКАДЕМІЯ

Кафедра автоматизованого управління технологічними процесами

РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до курсового  проекту

з курсу: «Технічні засобі автоматизації»

Виконав:                                                                                             ст. гр. АТП-10-1

                                                                              Райда Р.В.

Перевірив:                                                                                        проф. каф. АУТП

                                                                                                                                                              Ніколаєнко А.М.

 

Запоріжжя 2013

ЗАВДАННЯ

         Розрахувати  та вибрати регулювальний орган,  розрахувати з’єднання регулювального  органу з виконавчим механізмом  і вибрати виконавчий механізм. Накреслити переріз регулювального  органу та принципову електричну  схему з’єднування пускача, виконавчого  механізму та дистанційного покажчика  положення вала виконавчого механізму. Побудувати безрозмірну статичну характеристику з’єднання виконавчого механізму з регулювальним органом та з’єднання регулювального органа з виконавчим механізмом.

Таблиця 1. Вихідні  дані. Таблиця 1. Вхідні дані

№п/п	14
Середовище	Пара
Максимальна витрата	1 кг/с
Надмірний тиск, початковий	10 кг/
Надмірний тиск, кінцевий	8 кг/
Абсолютна температура	623 К
Характеристика  мережі	Довжина прямих частин трубопроводу до та після РО відповідно 12 і 8 м. До РО - заворот на 90о униз на 8 м, перекривальний вентиль. Після РО - заворот на 90о мірча діафрагма та раптове розширення.
Статична  характеристика об’єкта

 

 

                                                            РЕФЕРАТ

Розрахунково-пояснювальна записка складається з 20 сторінок, містить 3 таблиці, додаток на одному аркуші та літературні джерела.

Курсовий проект виконується з  метою розрахунку та вибору регулювального органу, розрахунку з’єднання регулювального органа з виконавчим механізмом і вибору виконавчого механізму.

 

Регулюючий орган (РО), статична характеристика, трубопровід, пускач, двосідельний клапан, ПЕРЕПУСКНА характеристика, витрачальна характеристика, тиск, виконавчий механізм (ВМ), середовище.

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………………. 5

1. РОЗРАХНОК  ТА  ВИБІР  РЕГУЛЮВАЛЬНОГО  ОРГАНУ…………… 6

1.1. Визначення втрат тиску на заданому відрізку трубопроводу………….. 6

1.2. Розрахунок пропускної здатності, вибір регулювального органу та його перепускної характеристики…………………………………………………….. 12

2. РОЗРАХУНОК  З’ЄДНАННЯ РЕГУЛЮВАЛЬНОГО  ОРГАНА З ВИКОНАВЧИМ  МЕХАНІЗМОМ………………………….. …………………14

2.1. Будова безрозмірної статичної характеристики з’єднання виконавчого механізму з регулювальним органом……………………………………………14

2.2. Графічний метод розрахунку з’єднання регулювального

органу з виконавчим механізмом……………………………………………. 16

3. ВИБІР ВИКОНАВЧОГО МЕХАНІЗМУ………………………………….17

ВИСНОВОК…………………………………………………………………….19

ЛІТЕРАТУРА………………………………………………………………….. 20

 

ВСТУП

Виконавчі пристрої – це пристрої автоматичних систем керування, призначені для безпосереднього впливу на об’єкт керування.

Одною з відповідальних ланок системи  автоматичного регулювання є  виконавчий пристрій, що містить дросельний регулювальний орган (клапан, затулка  та ін.), виконавчий механізм та пусковий пристрій. Від того, наскільки правильно розрахована перепускна здатність і зроблено вибір характеристик регулювального органу, залежіть якість регулювання, оскільки вигляд перепускної характеристики регулювальних органів обумовлений деякими зовнішніми чинниками.

Правильно розрахований регулювальний  орган не повинен спотворювати характеристики лінійного агрегату. Більше того, він може усувати нелінійності статичної характеристики об’єкта. Для цього, наприклад, запроваджують проміжну ланку з відповідною нелінійною статичною характеристикою між регулювальним органом і виконавчим механізмом.

 

1. РОЗРАХНОК ТА ВИБІР РЕГУЛЮВАЛЬНОГО ОРГАНУ

Вихідні дані для розрахування:

Максимальне витрата середовища в нормальних умовах (масова G_max):

Q_min = (1/4 1/3)Q_max

-Абсолютний тиск на початку Р_нач та в кінці Р_кін частини трубопроводу;

-Абсолютна температура середовища Т (незмінна для всієї частини трубопроводу);

-Характеристика мережі;

-Статична характеристика об’єкта.

Послідовність розрахунку:

1.1. Визначення втрат тиску на заданому відрізку трубопроводу

         Загальні  втрати тиску на заданому відрізку  трубопроводу складаються зі  втрат на відрізку трубопроводу  до ΔРл₁, та після ΔРл₂ регулювального органу, а також на самому РО ΔРро. Розрахунок вміщує визначення спочатку ΔРл_1, а потім ΔРл₂ по одній і тій же схемі та по однім і тим же формулам, але для різних умов і властивостей середовища до і після РО.

         Втрати  на РО визначаються з різниці  загального перепаду тиску у  мережі ΔР_мер та сумарних втрат тиску в лінії до ΔР₁ та після ΔР₂  РО.

         Масова витрата Gmax не залежить від тиску та температури ні для рідини, ні для газів, ні для пари, а тому незмінна на всьому розрахунковому відрізку трубопроводу.

1.1.1 Густина пари до РО, кг/м³:

= · = 3,457

    

    1.1.2 Динамічна в’язкість середовища при Р_поч і Т:

                µ₁ = 2,31·10^-5 [Па·с].

1.1.3 Розрахункова швидкість середовища в трубопроводі V₁ до РО, для пари, м/с:

тут – діаметр трубопроводу, мм

V – допускна швидкість середовища, м/с, V = 30 [м/с].

Знайдену  величину D округляють до близького  стандартного D_ст значення:

D_ст = 200 мм.

    [м/с].

     1.1.4 Число Рейнольдса для середовищ Re₁ до РО для пари: ,

 

      1.1.5 Коефіцієнт тертя для частини трубопроводу до РО, λ:

   Для круглих сталевих  труб при турбулентному режимі (Re > 2300)   

     1.1.6 Втрати тиску в лінії ΔР_л1 до РО при розрахунковій максимальній витраті Gmax:

ΔР_л1 = ΔР_пр1 + ΔР_м1

де

  тут ΔР_пр1 – втрата тиску на прямих відрізках трубопроводу при максимальній    витраті до РО, Па;

         ΔР_м1 – втрати тиску в місцевих опорах при максимальній витраті до РО, Па;

         λ₁ – коефіцієнти гідравлічного опору тертя, які залежать від режиму руху потоку до РО;

         ξ₁ – коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів (заворот на 90^о, перекривальний вентиль) до РО;

         L₁ – довжина прямих частин трубопроводу до РО;

         D_ст – діаметр прямих частин трубопроводу до РО;

       V₁ – середні по перерізу швидкості потоку в трубопроводі до РО, м/с;

         ρ₁ – густина середовища, кг/м³;

     1.1.7 Знайдемо Р₁ – абсолютний тиск середовища до РО та  Р₂ – абсолютний тиск середовища після РО, [МПа]:

1.1.8  Густина пари після РО, кг/м³:

= · = 2,756

     1.1.10 Динамічна в’язкість середовища при Р₂ і Т: 

µ ₂ = 2,31·10^-5  [Па·с].

      1.1.11 Розрахункова швидкість середовища в трубопроводі V₂ після РО, м/с для пари:

тут –  діаметр трубопроводу, мм

V – допускна швидкість  середовища, м/с, V = 30  [м/с].

Знайдену  величину D округляють до близького  стандартного D_ст значення:

D_ст = 200 мм.

  [м/с].

   

   1.1.12 Число Рейнольдса для середовищ Re₂ після РО для пари: ,

     1.1.13 Коефіцієнт тертя для частин трубопроводу після РО, λ₂.

   Для круглих сталевих труб при турбулентному режимі (Re > 2300)   

     1.1.14 Втрати тиску в лінії  ΔР_л2 після РО при розрахунковій максимальній витраті G_max:

ΔР_л2 = ΔР_пр2 + ΔР_м2

де

         тут ΔР_пр2 – втрата тиску на прямих відрізках трубопроводу при максимальній витраті після РО, Па;

         ΔР_м2 – втрати тиску в місцевих опорах при максимальній витраті після РО, Па;

         λ₂ – коефіцієнти гідравлічного опорах тертя, які залежать від режиму руху потоку після РО;

         ξ₂ – коефіцієнти місцевих гідравлічних опорів (заворот на 90^о, мірча діафрагма, раптове розширення) після РО;

         L₂ – довжина прямих частин трубопроводу після РО;

         D_ст – діаметр прямих частин трубопроводу після РО;

         V₂ – середні по перерізу швидкості потоку в трубопроводі до та після РО, м/с;

         ρ₁₍₂₎ – густина середовища, кг/м³;

1.1.15 Втрата тиску в регулювальному органі при максимальній розрахунковій витраті, [МПа]:

ΔР_ро = ΔР_мер – (ΔР_л1+ΔР_л2),

де ΔР_мер = Р_поч – Р_кін – загальний перепад тиску в мережі, [МПа].

ΔР_мер = 0,9807-0,7845 = 0,196 [МПа]

ΔР_ро = 0,196 - (0,000893 + 0,00142) = 0,194[МПа]

1.2 Розрахунок пропускної здатності, вибір регулювального органу та його перепускної характеристики.

1.2.1 Розрахувати необхідне значення перепускної здатності К_{v max} в залежності від G_max і ΔР_ро, [м³/год].

         Для потоку  водяної пари:

1.2.2 Стосовно переліку типорозмірів дросельних РО, вибираємо РО з умовною перепускною здатністю К_{v у}, яка більше розрахункового значення К_{v max} на 20%:

К_{v у} ≥ 1,2 К_{v max}

К_{v у} = 1,247,16 = 56,59

Таблица 2. Вибір РО.

Двухсідельний
Діаметр умовного проходу,[ мм]	Умовний тиск, [МПа]	Умовна перепускна здатність  Кv у, [м3/год]
65	1,6	63

 

      1.2.3 Визначаємо відношення n перепаду тиску в лінії до перепаду тиску на РО при максимальному витраченні.

 1.2.4 По уточненому значенню перепаду на РО та прийнятому значенню К_vy визначаємо уточнене значення максимальної витрати через РО G´_max, використовуючи необхідну формулу:

1.2.5 Знайдемо відносне значення витрат q_max та q_min діленням G_max  і G_min  на G´_max:

G_min = 0,25 · G_max = 0,25 · 3600 = 900[кг/год]

    1.2.6 Вибираємо перепускну характеристику регулювального органа:

Аналіз збурень в об’єкті  показав, що для цього процесу  бажана лінійна витрачальна характеристика, то потрібно зробити вибір між  лінійною та рівно відсотковою перепускними характеристиками РО, виходячи з того, що при n<1,5 переважна лінійна перепускна характеристика, при n > 3 – рівновідсоткова. Для проміжних значень 1,5<n<3 може бути вибрана будь-яка з двох форм перепускної характеристики.

У нас n<1,5, тому вибираємо лінійну  перепускну характеристику.

При відомих  значеннях n, q_max i q_min знаходимо значення l_max та l_min (діапазон навантаження) для РО з лінійною  пропускною характеристикою:

l_max= 0,63

l_min= 0,175

         При цьому  коефіцієнт передачі К_РО знаходимо для l_max та l_min.

    К_{ро max}= 0,8;

К_{ро min}= 1,5

2. РОЗРАХУНОК  З’ЄДНАННЯ РЕГУЛЮВАЛЬНОГО  ОРГАНА  З ВИКОНАВЧИМ  МЕХАНІЗМОМ

         Для якісного  регулювання коефіцієнт передачі  САР повинен бути незмінним.  Його величина визначається добутком

К=К_об×К_р×К_вм×К_з×К_ро,

де К_об – коефіцієнт передачі об’єкта,

     К_р – коефіцієнт передачі регулятора,

     К_вм – коефіцієнт передачі виконавчого механізму,

     К_з – коефіцієнт передачі з’єднання,

     К_ро – коефіцієнт передачі регулювального органа.

         При вибраних  формах витрачальної та пропускної  характеристик, які забезпечують  сталість коефіцієнта передачі  регулювального органа, незмінність  К може бути отримана шляхом  компенсації нелінійності статичної  характеристики об’єкта нелінійністю  з’єднання виконавчого механізму  з регулювальним органом.

2.1 Будова безрозмірної статичної характеристики з’єднання виконавчого механізму з регулювальним органом.

2.1.1 Статичну характеристику об’єкта регулювання подаємо у безрозмірній формі:

         де Х_{вих об} і Х_{вх об} – безрозмірні значення вихідної та вхідної величини об’єкта регулювання;

         Х^і_вих і Х_{вих max} – і-те та максимальне значення розмірної вихідної величини  об’єкта регулювання;

         Х^і_вх і Х_{вх max} – і-те та максимальне значення розмірної вхідної величини  об’єкта регулювання.

2.1.2 Безрозмірну статичну характеристику об’єкта регулювання будуємо у першому квадранті координатної площини Х_{вих об}=f(Х_{вих ро}).

2.1.3 У другому квадранті цієї ж площини будуємо лінійну характеристику “виконавчий механізм – об’єкт регулювання” в безрозмірному вигляді.

2.1.4 Праву піввісь координатної площини ділимо на десять рівних інтервалів і, відповідно до схеми, будуємо у четвертому квадранті статичну характеристику з’єднання виконавчого механізму з регулювальним органом.

         Отримана  характеристика лінеаризує регульований  об’єкт, оскільки вона є дзеркальним  відображенням його статичної  залежності і забезпечує сталість  коефіцієнта передачі САР.

2.2 Графічний метод розрахунку з’єднання регулювального органу з виконавчим механізмом.

 2.2.1 Виділити на графіку φро=f(φвм), три точки, які найбільш вірогідно відображають його характеру бажаному діапазоні.

 

2.2.2 Визначити  прирощення кутів повороту вихідного  вала виконавчого механізму і відповідні їм прирощення кутів повороту регулювального органу.

 

2.2.3 Задаючи відстань  поміж вісями валів ВМ та РО  , а також , знаючи довжину кривошипа ВМ АВ=200мм, попередньо приймається розмір кривошипа РО DС1.

 

2.2.4 Задаючи початкові  кути положення кривошипів 20-30⁰ , збудувати їх взаєморозміщення у зручному масштабі(1:10).

2.2.5 Збудувати  нові положення кривошипів ВМ  та РО спочатку для прирощень  кутів Δφ”_вм = 15° та Δφ”_ро = 50°, а потім для Δφ’_вм = 37° та Δφ’_ро = 30°.

 

2.2.6 Для знаходження  положення точки Сіст:

• з’єднати прямими точки В1 і В`2, а також В`2 і В`3;
• із середини отриманих хорд уявленого кола збудувати перпендикуляри до взаємного їх перетинання. Точка перетину і є положенням точки Сіст.

Довжина D Сіст визначає у масштабі дійсну довжину кривошипа РО.

Довжина тяги між  кривошипами РО та ВМ дорівнює довжині  відрізка В1Сіст.

Довжина кривошипа  РО = 430 мм.

Довжина тяги між кривошипами РО та ВМ = 1400 мм.

 

 

3. ВИБІР ВИКОНАВЧОГО МЕХАНІЗМУ

         Вибір виконавчого  механізму (ВМ) базується на зусиллі,  які він повинен розвивати  для зміни положення РО.

Зусилля, необідне для переміщення двосідельного клапана, складаеться з сили неврівноваженості статичного тиску середовища на затвор, сили тиску на шток і сили тертя штока по защінику. Сила статичної неврівноваженості затвора Р_з визнаеться як добуток різниці площ верхнього та нижнього сідел корпуса ΔF_с на максимальний перепад тиску Δ Р_ро до та після клапана, Н.

Рз = ΔРро ΔF_с

                             

Рз = 0,19410⁶⁵10^-4 = 388

Сила тиску середовища на шток визначаеться як добуток плоші перерізу штока в місці, де він проходить скрізь защіьник, на максимальний вихідний тиск за клапаном Р2, Н:

Рш=0,785 d²_ш Р₂

Р_ш = 0,785(1610^-3)^23,610⁶ = 723,456

Діаметр штока може бути визначено за тієї ж таблицею, що й ΔF_с.

 

P_po = 388 + 723,45 = 1111,45

 

При виборі ВМ, коли підраховані  зусилля для переставлення затвора  клапана, зважаємо, що між ВМ і РО існує механічне з’єднання, яке  складається з двох кривошипів, та тяги між ними. Тобто зважаємо, що між зусиллям і моментом існує  залежність вида Р=М/r, де r – довжина кривошипа.

М = Рr = 1111,450,2 = 222,29[Н×м],

 де r=200 [мм] – довжина кривошипу виконавчого механізму;

 

 

Після цього вибираємо  ВМ:

Таблиця 3. Вибір ВМ.

Тип	Номінальний крутячий момент   на вихідному валу, [Н×м]	Номінальний час повного  ходу вихідного вала, [с]	Номінальний хід вихідного  вала, [оберти]
МЭО –25/25-0.25	250	25	0,25

 

Креслимо принципову електричну схему  з’єднання ВМ з пускачем ПБР-2 і  дистанційним покажчиком положення  ДУП вала ВМ.

 

ВИСНОВОК

У курсовому проекті вибраний регулювальний орган – регулюючий поворотний клапан 6С-8-2, отримана статична характеристика з’єднання регулювального органу з виконавчим механізмом, що  лінеаризує регульований об’єкт, оскільки вона є дзеркальним відображенням його статичної залежності і забезпечує сталість коефіцієнта передачі САР,  вибраний виконавчий механізм -  МЭО –25/25-0,25.

 Графічно наведені: переріз регулювального органу (регулюючий поворотний клапан 6С-8-2), безрозмірна статична характеристика з’єднання виконавчого механізму з регулювальним органом, та з’єднання регулювального органу з виконавчим механізмом. Крім того, приведена принципова електрична схема з’єднання пускача ПБР-2, виконавчого механізму та дистанційного покажчика положення ДУП вала виконавчого механізму.

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Ніколаєнко А.М. Технічні  засоби автоматизації. Методичні  вказівки до курсового проекту  для студентів за фахом “Автоматизоване  управління технологічними процесами”  ЗДІА / Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 1999. – 56 с.

2. Ніколаєнко А.М. Виконавчі  пристрої та регулювальні органи. Методичні вказівки до курсового  проекту для студентів за фахом  “Автоматизоване управління технологічними  процесами” ЗДІА / Запоріжжя: Видавництво  ЗДІА, 2004. – 33 с.