MAŠINSKI FAKULTET U BEOGRADU Katedra za opšte mašinske konstrukcije

UPRAVLJAČKI MOTORI - AKTUATORI

Radni materijal za zadatak iz Osnova konstruisanja

Prof. dr Pauna Obradović

Beograd, 2005.

UPRAVLJAČKI MOTORI - AKTUATORI

Upravljački motor ili aktuator je uredjaj kojim se reguliše protok fluida tokom procesa. Konstruisan je tako da posredstvom spoljne energije, (vazduha pod pritiskom, električne energije ili pritiska tečnosti) pokrene zaptivno telo cevnog zatvarača. Pritom može da potpuno zatvori/otvori prolaz fluida ili pak osigura korektan položaj pokretnog tela cevnog zatvarača (zasuna, sfere, diska). Aktuator treba da bude tako konstruisan da reaguje na kontrolni signal i osigura tačan položaj pokretnog tela zatvarača kao i da ga vrati u potreban položaj u slučaju kvara ili prestanka dovoda energije. Upravljanje je uglavnom daljinsko a signal se može modemom ili posebnom linijom poslati i sa velike udaljenosti. Aktuatori se konstruišu tako da saopštavaju obrtno ili pravolinijsko kretanje vretenu cevnog zatvarača. Osnovna podela data je na sl. 1, a biraju se prema nameni i najvažnijim osobinama koje su prikazane u tablici 1. Aktuator Obrtno kretanje Pravolinijsko kretanje - sa dijafragmom (pneumatski)

- elektrohidraulični - Obrtanje za 900 - Višestruko obrtanje - elekromehanički pomoću direktno mehanizma - krilni motor - pneumatski - elektromehanički - sa dijafragmom - klipni Slika 1. Podela aktuatora - elektropneumatski - elektrohidraulični

Tablica 1: Glavne osobine osnovnih tipova aktuatora

Sa dijafragmom

Klipni Krilni El-mehan. El-pneum. El-hidraul.

Hod u mm do 105 neogran.

900 neogran. Neogran. neogran.

Brzina kretanja

Sporo srednje do vrlo brzo

srednja veoma sporo

Sporo do srednja

sporo do vrlo brzo

Opterećenje Sila / Moment

Malo do velikog intenzit.

Malo do veoma velikog intenzit.

Srednje Malo do velikog intenzit.

Malo do velikog intenzit.

Malo do veoma velikog intenzit.

Primeri aktuatora sa pravolinijskim kretanjem vretena

1

Na sledećim slikama biće prikazani primeri aktuatora sa pravolinjskim kretanjem vretena. Najčešće se primenjuje aktuator sa membranom i oprugom čiji su osnovni delovi prikazani na sl. 2, a detaljnije konstrukcije na sl. 3, 4 i 5.

Slika 2 Osnovni delovi pneumatskog aktuatora sa membranom i oprugom

Membrana je posebno oblikovan prednapregnut deo od elastomera. Izradjuje se kao glatka, izdubljena ili nabrana. Vazduh pod pritiskom deluje na membranu, podiže ili potiskuje naniže vreteno ventila a opruga ga vraća u prvobitni položaj nakon prestanka dejstva pritiska vazduha. Na slici 3 prikazana je konstrukcija sa "direktnim" dejstvom (popularni naziv ako se vreteno kreće naniže), a na sl. 4 sa "povratnim" dejstvom. Ventil se otvara podizanjem vretena aktuatora, a opruga ga zatvara. Na sl. 5 su dati primeri izvedenih aktuatora sa pravolinijskim kretanjem vretena firme Dwyer Instruments [3].

2

Slika 3 Aktuator sa membranom - "direktno" dejstvo

3

Slika 4. Aktuator sa membranom - sa "povratnim" dejstvom

Slika 5a Aktuatori sa pravolinijskim kretanjem vretena (Dwyer Instruments)

4

Slika 5b Primeri sklopa aktuatora i zatvarača (Dwyer Instruments)

U velikom broju slučajeva potrebno je obezbediti da se zatvarač zatvori potpuno ili pak ostane otvoren čak i u slučaju otkaza rada aktuatora (na primer u slučaju prestanka dovoda vazduha pod pritiskom). U sledećoj tablici dati su samo neki primeri kada treba zatvarač obavezno zatvoriti ili pak kada treba da ostane otvoren.

Da zatvarač ostane otvoren Da se zatvarač zatvori

Da se spreči porast pritiska u sistemu ili u njegovim komponentama.

Da se spreči curenje usled nastanka naprsline u sistemu.

Da se obezbedi i dalje cirkulacija fluida u sistemima gde se reguliše protok tečnosti za hladjenje.

Da se spreči širenje zapaljive tečnosti u rafinerijama ili hemijskim postrojenjima.

Da se spreči curenje ili isticanje Otrovnih gasova ili tečnosti.

Za upravljanje loptastih ili leptirastih zatvarača (sl. 6 i 7) potrebno je primeniti aktuator sa obrtnim kretanjem vretena

Loptasti zatvarači

5

Primeri aktuatora sa obrtnim kretanjem vretena

Slika 6. Loptasti zatvarači sa aktuatorom

Slika 7. Leptirasti zatvarači sa zakretnim motorom (aktuatorom)

6

Aktuatori sa obrtnim kretanjem vretena dele se na krilne i klipne. Krilni funkcionišu tako što se sa jedne ili druge strane krila dovodi vazduh ili ulje pod pritiskom i tako se zaokreće vreteno zatvarača. Mora se voditi računa o krutosti cele konstrukcije, kućište je iz dva ili tri dela pa će zaptivanje biti loše ukoliko su deformacije kućišta velike. Na sl. 8 dat je crtež ovog aktuatora, a na sl. 9 izgled kućišta sa ili bez ugradjene spiralne opruge koja osigurava da se vratilo zatvarača vrati u prvobitni položaj i pri havarijskim uslovima.

Slika 8. Krilni aktuator - proizvodjač Kinetrol [3].

Slika 9. Krilni aktuator sa i bez spiralne opruge

7

b) Slika 10. a) Krilni Sklop aktuator – sklop krila sa vretenom b) Sklop aktuatora i ventila

Slika 11. Sklopni crtež krilnog aktuatora

Slika 12. Klipni zakretni motori (aktuatori) pretvaraju pravolinijsko kretanje klipa u obrtno kretanje vretena. Obrtno kretanje se dobija na više načina. Na slici 13 pravolinijsko kretanje klipa 18 i

8

poluge 5 se obuhvatnicom 2 i osovinicom 4 pretvara u obrtno kretanje izlaznog vratila 3 aktuatora. Mana ovog rešenja je što se habaju dodirne površine usled visokog intenziteta kontaktnog napona na dodiru obuhvatnice i osovinice.

Slika 13 Pneumatski klipni zakretni motor (aktuator) sa obuhvatnicom i oprugom

Slika 14 Hidraulični klipni aktuator sa zupčanicom i zupčanikom

Bolje rešenje pretvaranja pravolinijskog kretanja klipa u obrtno vretena je konstrukcija sa zupčanicom (zupčastom letvom) i zupčanikom. Može se usvojiti rešenje sa jednim ili dva cilindra. Rešenje sa dva cilindra je bolje ako se izvede tako da oba cilindra saopštavaju moment zupčaniku. Ekonomičnije je jer se pritisak vazduha prenosi na dve površine klipa i dobija se dvostuko veća vrednost momenta uz iste površine klipova i cilindara. Čak se može izvesti i rešenje sa četiri cilindra. Sigurno vraćanje vretena zatvarača u početni položaj vrši se jednom ili vise opruga postavljenih sa čeonih strana motora.

9

Slika 15 Pneumatski klipni aktuator sa zupčanicom i zupčanikom

Sl. 16 Neka izvodjenja klipnih aktuatora

Slika 16. Sklop klipnog aktuatora sa dve zupčanice i zupčanikom

10

Za veoma velike obrtne momente na vretenu zatvarača (T > 500 Nm) primenjuju se i elektromehanički aktuatori. To je najčešće pužni prenosnik sa posebnim izvodjenjem pužnog zupčanika kao što je prikazano na sl. 17. Vratilo puža pokreće se pomoću elektomotora; učestanost obrtanja je manja od 100 min-1. Prenosni odnosi su 50 ili 75. Može se pokretati i ručno pomoću točka prečnika većeg od 300 mm. Vreteno zatvarača se klinom vezuje za pužni zupčanik.

Sl. 17 Pužni prenosnik posebne konstrukcije sa zaokretanjem pužnog zupčanika za 900

Primeri primene

U sistemima grejanja

11

U postrojenjima naftne industrije

U ostalim postrojenjima

Napomena Materijal je namenjem studentima kao radni materijal i pomoć pri izradi projektnog zadatka iz Osnova konstruisanja. Prikazani su samo osnovni tipovi upravljačkih motora - aktuatora na osnovu kojih će studenti predlagati i nova, svoja rešenja, vršiti analizu, ocenu i birati najbolje rešenje koje ispunjava uslove date zadatkom. Literatura 1. Wayne Ulanski: "Valve and Actuator Tecnology", McGraw-Hill. Inc, London, 1991. 2. "European Valves" - Referentni praktikum o ventilima i proizvodjačima, UK 1999. 3. Katalozi proizvodjača i fotografije preuzete sa Interneta: Dwyer Instruments, Inc, http://www.dwyer-inst.com Rotork Controls Ltd, http://www.rotork.com ©KINETROL Ltd, http://www.kinetrol.com/ Oden Control, http://www.odencontrol.se/

12