执行器知识大全Word下载.docx
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例如，靠介质压力带动的调节阀，当介质压力越高或超低时其执行机构就会动作。
此外还有靠介质温度、流量和液位驱动的自力式执行机构，它们只能用在简单控制场合。
这里只介绍气动和电动执行机构。
1、气动薄膜执行机构
气动薄膜执行机构的结构如图10-2所示。
由控制器来的20〜
100kPa）3操纵信号（对电动操纵信号，要经电/气转换器进行转换）作用在由上膜盖与波纹膜片构成的气室中，在波纹膜片上产生向下的推力，克服压缩弹簧的弹力使推杆产生向下的行程。
靠连接螺母，推杆的行程可以传递给调节机构。
在图10-2中，操纵信号从上端引入，当信号压力增大时，推杆向
下移动，这种结构的执行机构称为正作用。
如果将操纵信号从下端a孔
引入，则压力增大时，推杆向上移动，这种结构称为反作用，当然这种情况还要考虑薄膜下面气室的密封问题等。
为定量分析信号压力与行程
之间的关系，分三种情况讨论
1）、无负载状态下的行程/压力关系
无负载状态是指控杆不与调节机构相连，也不考虑摩擦力的情况。
在这种情况下，薄膜只受信号压力和弹簧弹力的作用。
2）、带负载状态下的行程/压力关系
执行机构总是要带动调节机构一起动作的。
由于被调介质静压、压差和阀杆摩擦力的影响，控制机构的阀杆要对执行机构的推杆产生一个强烈的反作用，力，如图10-3所示。
这就要求执行机构能够产生足够大的推力，以克服反作用力，使阀杆到达应有的行程。
这个推力称为输出力，也是执行机构的重要指标。
图皿-3执行机构堡阀杆反柞冃力彭晌
在被调介质的压力很高的情况下，反作用力Fi往往是很大的，而且
是随行程变化而变化的，它对行程造成严重的影响。
可以采用两种方法使推杆准确到位。
一种方法是采用面积更大的薄膜，或采用刚度小的弹簧。
在反作用力Fi大，但基本不随行程变化，可视为定值的情况下，这种方法适用。
这也是直接增大输出力的方法。
另一种方法是给执行机构加装阀门定位器。
3）、阀门定位器及其作用
给执行机构装配阀门定位器，是克服阀杆反作用力，实现推杆准确到位的有效方法，被广泛采用，见图10-4。
在介绍阀门定位器之前，先引入喷嘴一挡板机构和功率放大器。
喷嘴一挡板机构是气动仪表中的基本元件之一,一般用符号二表
示。
其结构如图10-5所示。
喷嘴后的空间称为背压室，室内压力称为
喷嘴背压P背，此压力即为喷嘴一挡板机构的输出压力。
压缩空气（约
0.14MPa）作为气源，经恒气阻进入背压室后，再由喷嘴一挡板间的间隙徘出（一般入大气）。
这股气流经过恒气阻时，由于孔径很小（一般为0.15〜0.3mm）,将对压缩空气的流动造成很大的阻力，只有很少流量的气流通过恒节流孔进入背历室。
而背压室中的压力是随喷嘴一挡板间的相对位移而变化的。
当挡板靠近喷嘴时，阻力增大，背压室内的气体不易排出，贝SP背上升；
反之，挡板离开喷嘴时，阻力减小，由于喷嘴内径（一般为0.8〜1.2mm比恒节流孔径大得多，所以压缩空气很容易地跑到大气中，则P背下降。
因此喷嘴一挡板间的距离h不同，就有不同的P背，从而完成了将挡板的微小位移转换成气压信导的任务。
喷嘴一挡板间的距离h与背压室内的压力P背间的关系如图10-6所示。
积的量）放大、才能送至其他机构。
这个放大装置，就是功率放大器。
一般用符号启I表示。
气动阀门定位器接受气动调节器的输出信号，然后产生和调节器输出信号成比例的气压信号，用以控制薄膜片或活塞式气动调节阀。
下面讲讲与气动薄膜调节阀配套使用的力矩平衡式阀门定位器原理。
配薄膜执行机构的气动阀门定位器的原理如图所示:
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它是按力矩平衡原理工作的。
当进入波纹管1的信号压力增加时，
波纹管1使之杠杆2绕支点15偏转，孔板13靠近喷嘴14,喷嘴背压升高，此背压经放大器16放大后的压力PA输入到气动执行膜室8，并带动反馈杆9绕支点4偏转，反馈凸轮与跟着作逆时针方向转动，通过涡轮10使副杠杆6绕支点7顺时针偏转，从而使反馈弹簧拉伸，弹簧11
对封存杠杆2的拉力达到力矩平衡时，阀门定位器达到平衡状态。
此时,一定的信号压力就对应于一定的阀杆位移，即对于一定的阀门开度。
弹簧12是调零弹簧，调整其顶紧力可以改变挡板的初始位置，弹簧3是迁移弹簧，使定位器在接受不同范围的输入信号时，仍能产生相同范围的输出信号。
加装阀门定位器，不仅能改善行程/压力关系，而且膜头压力来自就近的功率放大器，充放气流量大，加快了推杆的动作速度。
改变凸轮形状，还可改变行程/压力关系，具有很大的灵活性。
执行机构装配阀门定位器后的行程/压力关系，不受调节机构的反作用力的影响。
事实上，这构成了一个闭环控制系统，控制器来的压力信号是这个控制系统的给定值，推杆行程是被控参数，反作用力是干扰。
加到膜头上去的压力直接来自功率放大器，可以达到气源压力，所以会具备很大的输出力，足以克服反作用力，使推杆准确到位。
除了行程/压力关系。
一般还会用额定行程、行程误差和输出力（力矩）来衡量执行机构的性能。
装配阀门定位器后，多项性能指标会得到
改善
气动多弹簧薄膜执行机构是一种新型产品，见图10-8所示。
其薄
膜采用较深的盆形结构，有效面积变化小；
压缩弹簧采用多弹簧组合的形式，以减小高度；
精确的设计和加工省去了压缩弹簧的凋节件，可免去预紧量调校。
这种产品体积小，重量较轻，装校简单。
2、气动活塞执行机构
活塞执行机构加固10-9所示。
当通入活塞上、下气室的压力R、
P2入不相等时，活塞就会在压差作用下移动，带动推杆产生行程。
这种执行机构的行程/压力关系是两位式的。
要得到线性关系须配装相应的阀门定位器。
与薄膜执行机构相比较，活塞执行机构的额定行程长（可达400mm）输出力大。
适合与大口径、高压差调节机构配用。
3、电动执行机构
电动执行机构接收由控制器来的4〜20mA操纵信号，通过控制电动机的正、反转产生推杆的直行程或角行程。
因为操纵信号功率小，不可能驱动电机转动，所以要配备功率放大器，构成一个以行程为被控参数的自动控制系统。
这种执行机构实际是一整套系统，包括信号比较、
功率放大、单相低速
同步电动机、减速传动机构相位置反馈电路等几部分组成。
一般前
两部分集中在一块仪表中，称为伺服放大器，一般装在室内；
后三部分集中在一起，一般被简称为执行机构（与执行机构系统不同），安装在现场。
系统构成如图10-10所示。
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1）、伺服放大器
伺服放大器采用220V交流电源，将控制器送来的和位置反馈电路送来的两个4〜20mA言号相比较，将偏差放大后触发正或反转可控硅电路，输出足够功率的电流以驱动电机转动。
2）、执行机构
执行机构中的低速（如60r/min）同步电动机按照伺服放大器输出的驱动电流产生相应的正、反转。
传动机构把电机转子的转动转换成推杆的直行程或角行程，同时减速以增大力矩。
传动机构还带有制动轮和制动盘，以便在断电或无驱动电流时保持原行程。
位置反馈电路利用差动变压器把推杆的实际行程转化成4〜20mA电流，送入到伺服放大器中作此较用，以保证行程与控制器送来的操纵信号成对应的关系。
这种关系由位置反馈电路的性质决定，一般是线性关系。
随着大功率电子器件的小型化，也可以将伺服放大器与执行机构一
体化，使得系统更紧凑
第三节调节机构
一种典型的调节机构如图10-13所示。
通过法兰将它安装在工艺管道上，流体从A进入，经过流道及阀芯阀座间隙，从B流出。
阀芯通过阀杆与执行机构的推杆相连，当推杆上下移动时阀芯也上下移动，改变间隙的流通阻力，从而控制流体流量。
上阀盖的作用非常重要，它不仅对阀杆导向，而且起密封作用。
上阀盖内的密封填料被压板压紧后阻止了流道中流体沿阀杆的泄漏所示的是普遍型上阀盖，适于常温流体。
对于高温、深冷流体，散热型上阀盖，以防填料因温度过高过低而失效，可采用波纹管密封型上阀盖以彻底避免外漏。
1、调节机构的种类
。
图中
可采用
对于挥发性有毒流体，
按阀芯动作的方式不同，可将调节机构分成直行程和角行程两大类。
阀杆带动阀芯沿直线运动的调节机构属于直行程类。
图10-13所示
的就是一种直行程调节机构，称为直通单座阀。
所谓直通是指入、出口在同一直线上，与此相对应的是角通和三通调节机构。
所谓单座是指只有一组阀芯和阀座，特点是阀芯阀座间的泄漏量（阀芯压紧阀座后仍能流过的流量）很小，但不平衡力（流体对阀芯产生的轴向力，即对执行机构的反作用力）较大。
其他几种常见的直行程类调节机构如图10-14所
直通双座阀（图中（a））有两套阀芯阀座，流体从两个环形间隙中流过。
流体对上、下两个阀芯所产生的轴向力可以部分抵消，所以不平衡力较小；
单两套阀座不易同时关严，所以泄漏量较大。
三通调节阀（图
巾（b））有两条流道。
流体从一端进从另两端出的
的又称为分流三通阀；
从两端进从另一端出的又称为合流三通阀。
三通调节阀多用于换热器及旁路的冷热流控制。
合流三通阀的冷热流温差不宜太大，以免在阀体内造成过大的应力而导致损坏。
角形调节阀（图中
（c））的流道比较简单，不易堵塞，适于高粘度、含颗粒流体的流量控制；
与直通类阀门相比较，少一个开口，所以从结构耐压看，能适于高压场合。
隔膜调节阀（图中（d））采用耐腐蚀阀体和隔膜代替阀芯和阀座，由隔膜控制流量，不会外漏，适于腐蚀、有毒流体的调节。
筒套调节阀（图中（e））是一种性能优良的阀，其阀座是一个空心圆柱形套筒、侧面开有一定形状的窗口；
阀芯也是一个空心圆柱筒，它与套筒紧密配合，可在套筒内上下移动，通过改变窗口流通面积来控制流量。
圆柱筒阀芯的上下是连通的，所以不平衡力极小。
这种调节阀的噪声小，稳定性好，阀芯互换性强。
阀芯按转角运动的调节机构属于角行程类。
几种常见的角行程调节机构见图10-15所示。
它们的阀芯相对于阀座转动，改变间隙阻力.从而控制流量。
蝶阀（图中（a））适于安装在粗管上，例如用于控制大流量的气体等。
现在有一种偏心蝶阀，既可在一定范围内控制流量，也可完全切断流量。
球阀（图中（b））及V型球阀（图（c））适于含颗粒流体的控制偏心旋转阀（图中（d））的阀芯呈球面，在压力作用下挠曲臂能产生挠曲变形，使阀芯球面与阀座密封圈紧密接触，密封性能良好，适于既要求控制又要求关断流体的场合。
另外，根据其他特点还有滑阀、闸阀、针阀等调节机构，这里就不一一叙述了。
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2、执行机构的选择
调节机构是直行程类的，就应选用直行程执行机构；
调节机构是角行程类的，就应选用角行程执行机构。
如果调节机构产生的不平衡力较小，行程也较短，可选用薄膜执行机构；
如果不平衡力较大，管径粗行程长，可选用活塞执行机构。
如果选用了薄膜执行机构，要求增加输出力，改善行程/信号压力关系，可加装阀门定位器；
对活塞执行机构，除用在两位式场合外都要装配阀门定位器。
在没有配置气源的场合可以使用电动执行机构，但要注意有无防爆要求。
3、调节机构的选择
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降、流速）和流体性质（粘度、含悬浮物、蒸汽压、腐蚀性、毒性等）综合考虑选择适当的阀形。
对腐蚀性介质要选用相应防腐材质的阀内件。
调节阀的耐压与温度有关，温度升高耐压会下降，有些材质当承受温度过高后会导致耐压的永久性下降，如图10-22所示。
2）、泄漏量泄漏量定义为：
在全关位置巳施加一定的关闭力时，流体在一定压力、压差下流过阀的流量。
一般按相对于额定流量系数的百分比、将泄漏指标划分成8级。
注意，测定泄漏量时要求在膜头上施加一定的关闭力，这与可调比中的最小流量是不同的。
3）、流量特性的选择根据工艺对象的特点选择阀的流量特性，使得被控对象与调节阀组成的广义对象具有好的特性（线性），会有利于控制系统的控制效果。
4）、额定流量系数及口径的选择根据工艺参数来选择额定流量系数。
按表达式流量系数显然与口径（公称通径，即入口法兰内径）大小有关。
口径的选择具有重要意义，口径选得过小，额定流量系数就小，全开后仍无法流过足够的流量；
口径选择过大，尺寸大，价格高，而且在正常流量下调节阀工作在小开度范围，不稳定，易振荡。
选择口径前要先计算出所需要的额定流量系数，据此查厂家提供的调节阀规格表（如表10—4），以确定合适的口径。
可按下述步骤计算口径：
（1）确定工艺上的最大流量Qmax。
（2）确定最大流量下的阀压降△PQma。
这就需知道管道阻力配置情
况，并由此算出S值来（有时在管道设计资料中直接给出S）。
（3）判断该状态下是否出现了阻塞流；
是否需要低雷诺数修正。
对高压差、易汽化介质、高粘度介质等场合要特别注意。
（4）计算出最大流量下的流量系数，按已定的阀形查表得到最接近
的额定流量系数G。
注意选取的Cg不能小于计算C值，以确保能流过最大流量。
（5）开度验算。
按选取的流量特性来验算工艺最大最小流量对应的开度。
一般希望开度在10%—90%之间。
（6）可调比验算。
工艺上的最大最小流量之比相对全开全关流量之比要小。
第四节调节阀流量特性的选择一个反馈控制系统的特性是由控制器与广义对象所组成，当控制器的参数被确定之后，系统的特性也就被决定了。
在生产过程中，负荷的变化将可能导致被控对象的特性发生变化，而参数已调整（又称整定）好的控制器只能适用于一个确定的对象特性，因此，如控制器参数不变就难以适应不同负荷的工况，对于预先可知的缓慢的负荷变化，可以根据负荷变化设法人工地或自动地进行控制器参数的调整，以求达到系统正常运行的目的。
但是由于随机性的负荷变化，特别是当变化幅度大而变化频繁时，人工整定就不可能，因此需要考虑控制系统自身具有克服负荷变化的能力。
现在提出的调节阀流量特性的选择是把调节阀看成广义对象的一部分，当被控对象特性在负荷改变发生变化时，起着修正对象特性的作用、用它的补偿作用使得广义对象特性基本保持不变。
调节阀特性补偿示意图如图14-4所示。
由上面调节阀流量特性选择的基本准则可知，若被控对象为线性时，调节阀可采用直线工作特性，而对于那些随负荷变化具有非线性的被控对象，调节阀则应选非线性工作特性。
另外需要指出的是，还应考虑工程应用时调节阀的前后实际压降情况，进行工作特性的修正。
调节阀气开、气关形式的选择
调节阀气开、气关形式的选择原则主要是从工艺生产的安全要求出发。
当气压信号中断（即无控制信号）时，视调节阀处在全开或全关哪一位置对生产造成的危害大小而定。
如图14-5所示的加热炉出口温度控制系统，控制进入加热炉内燃料流量，需用气开阀，当调节阀的信号压力突然中断时立即关闭调节阀，切断燃料，以避免炉内温度继续升高而烧坏炉管。
如果调节阀的开关形式对生产安全影响不大时，则可根据产品质量、节约能源及物料性质等方面来考虑。
在后面将要介绍的精馏塔的各种控制系统中，为保证塔顶产品的质量，塔顶回流量凋节阀应选气关式。
而加热用的蒸汽调节阀，绝大部分采用气开式，目的在于当信号压力中断时不致于使塔内温度升得过高。
但设备内的介质如温度过低会产生结晶或凝固状态时，则必须选用气关阀。
因此，对调节阀气开、气关形式的选择，除考虑其基本原则外，还应根据实际情况合理选择。
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