Диссертация (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент), страница 3

В РД прямого действиясигнал с чувствительно элемента поступает непосредственно на регулирующийэлемент, а чувствительный элемент с задающим устройством выполняютфункции как измерительного, так и приводного устройства. РД прямогодействия относятся к классу статических, то есть величина выходного давлениязависит от режима работы (изменения входного давления и расхода рабочейсреды из объекта регулирования).

РД непрямого действия имеют в своемсоставевспомогательноеустройствоимпульсный–механизм,осуществляющий перемещение регулирующего элемента в соответствии суправляющим сигналом, который поступает от внешнего источника энергии.РД непрямого действия имеют более высокую точность регулирования, а такжес их помощью можно осуществлять программное регулирование.4.Регулированиеможетосуществлятьсяплавно(вручнуюилиотэлектромагнитного привода) или ступенчато (с помощью электромагнитного,электромоторного или пневматического устройства).5.По структурным схемам РД делятся на одноконтурные и двухконтурные.Одноконтурные имеют в своем составе два звена (измерительное иисполнительное), связанные через ОР в замкнутую систему. Двухконтурные РДпредставляютсобойразличныекомбинациииздвуходноконтурныхрегуляторов.

Так, при последовательном соединении двух одноконтурных РДустройство носит название двухступенчатого регулятора и используется при17высоком входном давлении, когда одноконтурный регулятор не можетобеспечить достаточную точность регулирования. Параллельное соединениеиспользуется при больших расходах рабочей среды, и полученный такимобразом двухконтурный РД называют регулятором с задатчиком.6.Кромедвухконтурныхсистемрегулированияодногопараметра,существуют системы одновременного регулирования двух параметров.

Такиесистемы делят на два типа: с детекторной связью контуров и со связьюизмерительныхустройств(системымногосвязногорегулирования).Вдетекторных системах один из контуров функционирует независимо отдругого, а связь осуществляется путем использования в качестве задающегоэлементадлявторогоконтуравыходногодавления из ОР первого.Характерным для регуляторов многосвязного регулирования, в отличии отсистем с детекторной связью, является взаимовлияние функционированияконтуров в обоих направлениях.1.1.2. Основные характеристики и требования к регуляторам давленияВ соответствии с нормативными документами [17], [19], [20], [73],основными характеристиками РД, обеспечивающими его эксплуатационныепоказатели и указываемыми в паспорте устройства, являются:−зона регулирования;−зона нечувствительности;−коэффициент передачи;−постоянная времени;−диапазон настройки;−диапазон регулирования;−пропускная способность;−пропускная характеристика;−временная (переходная) характеристика;−номинальное давление;−номинальный диаметр;18−рабочее давление;−температура рабочей среды;−массогабаритные характеристики.В ряде случаев к РД предъявляются особые требования, связанные сусловиями работы устройства, и к вышеперечисленным характеристикам могутдобавиться такие показатели как уровень звукового давления, вибрации и др.[83].Важнымэксплуатационнымпараметромможеттакжеявлятьсядлительность переходных процессов, возникающих в системе при внесениивозмущений.

Длительностью переходного процесса в теории автоматическогорегулирования называется время, прошедшее с момента оказания на системувнешнеговозмущающеговоздействиядодостиженияустановившегосязначения регулируемого параметра во временной области.На этапе проектирования РД основные показатели либо задаются, либоопределяются предварительными расчетами, а впоследствии проверяются припомощииспытаний.Параметры,характеризующиеособенности РД, вычисляют при помощиконструктивныегидравлических, силовых ипрочностных расчетов [15], [16], [64], [82], [83]. Для определения параметров,характеризующих рабочие процессы в РД, в том числе точность регулированияидлительностьпереходныхпроцессов,используютстатическиеидинамические характеристики.Под статической характеристикой РД понимают зависимость выходногодавления pвых от входного давления pвх при некотором установившемся расходегаза через РД G .Графическое изображение статических характеристикпредставлено на Рисунке 1.1.19Рисунок 1.1.Статические характеристики [36] одноконтурных РД пристепени неразгрузки клапана α > 0 и α < 0 .1 – безрасходный режим; 2 – максимальный расход;3 – минимальный расходКак было сказано ранее, работа РД невозможна без ОР.

Расхода рабочейсреды из ОР определяется нуждами потребителей. Выделяют три основныемодели ОР [36] :−ОР первого типа: имеет постоянный объем, и расход рабочей среды изнего в окружающую среду определяется перепадом давлений;−ОР второго типа: имеет переменный объем, и процесс истечения рабочейсреды определяется законом изменения вместимости ОР;−ОР третьего типа: расход газа определяется химическими реакциями, независящими от изменения давления.Для одноконтурного регулятора, работающего на ОР первого типа,уравнение статической характеристики имеет вид:20∆pвыхнннµшн S эф.

ш pвыхYвыхн()−−αSppС эф.вх вхвхµснπd cς sin(ϑ )Yвхн pвхн µш µснYвых S эф.шYвхн pвхн× н− 1ннµ µ Y S Y p ш с вых эф.ш вх вх =µш S эф.шYвыхS эф.вых + Сµс πd cς sin(ϑ )Yвх pвх×(1.1)Для одноконтурного регулятора, работающего на ОР второго типа,уравнение статической характеристики имеет вид:∆pвыхQmaxнαSэф.вх ( pвх − pвх ) − С µ нπd ς sin(ϑ ) RTсcннннp  µ Qp Y× нвыхн  с вх вх − 1pвхYвх  µс Qmax pвхYвх =QSэф.вых + Сµсπd cς sin(ϑ ) RT Yвх pвх×(1.2)Для одноконтурного регулятора, работающего на ОР третьего типа,уравнение статической характеристики имеет вид:∆pвых =Gmax RTнαSэф.вх ( pвх − pвх ) − С нµс πd cς sin(ϑ ) pвхн Yвхн µснGpвхн Yвхн× − 1 µс Gmax pвхYвх ×(1.3)Sэф.выхнВ формулах (1.1)-(1.3) приняты следующие обозначения: ∆pвых = pвых − pвых- отклонение выходного давления от давления настройки; Q - объемный расходрабочей среды; G - массовый расход рабочей среды; α - степень неразгрузкиклапана от давления p вх (для неразгруженных клапанов обратного хода α = −1 ,для неразгруженных клапанов прямого хода α = 1 ); S эф - эффективная площадь,на которую действует соответствующее давление; С - суммарная жесткостьупругих элементов; µ с , µ ш - коэффициенты расходов дроссельного сеченияклапанного узла и дроссельной шайбы (на выходе из ОР) соответственно; d с , d ш- диаметры седла и дроссельной шайбы соответственно; ς - коэффициент,учитывающий конусность клапана; ϑ - половина угла конуса клапана; Yвх , Yвых -21величины, учитывающие перепад давлений на клапанном узле и дроссельнойшайбе соответственно, определяемые по следующим зависимостям:k +12k +12k  k k  k −1kпри 0 < β ≤ β кр .Y=β − β  при β кр < β ≤ 1 и Y = k −1  k + 1Дополнительным верхним индексом «н» отмечены значения параметровпри настройке.

В качестве давления настройки принимается давление, накоторое настраивается регулятор при максимальном расходе и максимальномвходном давлении.При помощи статических характеристик проводят оценку величиныотклонения выходного давления от давления настройки ∆pвых , а также степеньвлияния на эту величину некоторых эксплуатационных и конструктивныхфакторов.Так, анализ уравнений (1.1) - (1.3) позволяет сделать выводы о том, какимобразом процесс истечения из ОР влияет на ∆pвых . Очевидно, что приодинаковых условиях ∆pвых для РД, работающего на ОР первого и ОР второготипа, будет выше, чем при работе на ОР третьего типа.

Однако при малыхрасходах этот эффект пренебрежимо мал. В свою очередь, ∆pвых для РД,работающего на ОР третьего типа, не зависит от давления настройки, в отличиеот систем с ОР первого и ОР второго типов.Увеличение диапазона входного давления pвхн уменьшает величину ∆pвых , анувеличение p выхприводит к ее повышению для ОР первого и ОР второго типов.Чем выше расход из ОР, тем выше ниже ∆pвых .Оценкавлияниягеометрическихпараметровнетакоднозначна.Например, увеличение диаметра седла клапана ведет, с одной стороны, куменьшению отклонения ∆pвых , с другой – к увеличению неразгрузки клапана.Из Рисунка1.1. видно, что для клапанов с α ≤ 0 величина ∆pвых больше, значит,предпочтительнее выбирать клапаны обратного хода, у которых α > 0 .22Увеличение жесткости упругих элементов для клапанов с α ≤ 0 также приводитк увеличению ∆pвых .Итак, статические характеристики описывают только установившиесярежимы.

Однако в ходе эксплуатации создается множество ситуаций, которыеприводят к выходу системы из устойчивого состояния. Например, во многихпневмосистемахкакбыстродействующиедо,клапаны,такипослеобеспечивающиерегулятораоткрытиеустановленыизакрытиемагистралей подвода и отвода газа. При их срабатывании возникаютпереходные процессы, как в системе, так и в самом РД. Они проявляются либов виде значительного повышения давления в выходных полостях регулятора иОР при открытии быстродействующего клапана на входе в регулятор (резкаяподача газа), либо «провале» выходного давления при открытии клапанов навыходных магистралях.

Эти процессы могут также сопровождаться ударамитарели клапана РД о седло и являться причиной возникновения автоколебаний.Любое изменение входных параметров - расхода потребителя G и входногодавленияpвх- влечет за собой изменение выходного параметраpвых .Возникающие при этом переходные процессы могут носить различныйхарактер и оказывают сильное влияние на рабочий процесс.Качественная и количественная стороны переходного процесса могут бытьвыявлены на основе анализа экспериментально полученных осциллограмм, атакже в результате непосредственного решения системы дифференциальныхуравнений, описывающих рабочий процесс в системе, состоящей из РД и ОР.Для нормального функционирования устройства необходимо, чтобы новое,наступившее по окончании переходного процесса состояние системы, былоустойчивым. Процесс перехода из одного состояния в другое в зависимости отвнутренних свойств системы может протекать плавно, а может сопровождатьсяколебаниями.

Иногда возникающие колебания носят незатухающий характер; вэтом случае новое равновесное состояние не будет достигнуто, а РД будетдинамически неустойчив.23Поддинамическойустойчивостьювтеорииавтоматическогорегулирования понимают способность системы возвращаться в состояниеравновесия после снятия внешних воздействий, которые вывели ее из этогосостояния [36].

При оценке динамической устойчивости РД рассматривается несам переходный процесс, а способность системы прийти в устойчивоесостояние.В практике проектирования РД для оценки динамической устойчивостинаиболее часто применяют критерии Рауса-Гурвица [36], согласно которымнеобходимым и достаточным условием устойчивости линейных системявляетсяположительноезначениеопределителяматрицыГурвица.Определитель Гурвица состоит из коэффициентов линеаризованных уравненийдинамической модели системы автоматического регулирования.Для одноконтурного регулятора, работающего на ОР первого типа,критерий динамической устойчивости имеет вид:2 k RT k RTК СК µш Sэф.шYш  +µш Sэф.шYш +  −Vорm m Vор(1.4)k RT−pвх µπd cς sin(ϑ )Yвых Sэф.вых > 0VорДля одноконтурного регулятора, работающего на ОР второго типа,критерий динамической устойчивости имеет вид: kQ 2 kQ К С  k RTК   +pвх µπd cς sin(ϑ )Yвх Sэф.выхн > 0+ −Vор Vор  Vор m m (1.5)Для одноконтурного регулятора, работающего на ОР третьего типа,критерий динамической устойчивости имеет вид:КС k RT−pвх µπd cς sin(ϑ )Yвх Sэф.вых > 0 ,mVор(1.6)где К - коэффициент вязкого трения; m - масса подвижных частей системы, V ор- вместимость полости ОР.24При выводе формул (1.4) - (1.6) принималось, что силы сухого тренияотсутствуют, аработа, затрачиваемая газом на перемещение подвижныхэлементов, пренебрежимо мала [36].Анализкритериевдинамическойустойчивостипозволяетсделатьследующие выводы.1.УвеличениерасходаулучшаетдинамическуюустойчивостьРД,работающих на ОР первого и ОР второго типа, и никак не влияет наустойчивость РД, работающего на ОР третьего типа.