气动液动执行器复习重点修正版.docx

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气动液动执行器复习重点修正版

气动、液动执行器部分

一、执行器的作用：

执行器的作用：

在自动控制系统中，接受调节器的控制信号，自动地改变操作变量，达到对被控参数（如温度压力液位等）进行调节到设定值的目的。

使生产过程按预定要求正常运行。

二、执行器的构成：

执行器的构成：

执行器由执行机构和调节机构组成。

执行机构是产生推力或位移的部分，调节机构是指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称为调节阀或阀门。

应说明的是，在电动执行器中执行机构和调节阀基本是可分的两个部分，在气动执行器中两者是不可分的，是统一的整体。

执行器由执行机构和控制（调节）机构两个部分构成：

执行机构——根据控制信号产生推力（薄膜、活塞、马达…）。

它是执行器的推动装置，它按控制信号的大小产生相应的推力F（或输出力矩M）和直线位移l（或角位移θ），推动调节机构作用

调节机构——是执行器的调节部分，即执行器的开度发生变化，从而直接调节从阀芯、阀座之间流过的控制变量的流量

执行器还可以配备一定的辅助装置，常用的是阀门定位器和手操机构。

阀门定位器利用负反馈原理改善执行器的性能，使执行器能按控制器的控制信号，实现准确定位。

手操机构用于人工直接操作执行器，以便在停电或停气、调节器无输出或执行机构失灵的情况下，保证生产的正常运行。

执行器的分类:

按执行机构使用的工作能源分为三类气动执行器，气动执行器，电动执行器，液压执行器.

¡1）气动执行器是以压缩空气为能源的执行器。

主要特点是：

①输出推力大，②本质安全防爆，③维护方便，④便宜等。

缺点是需要压缩空气系统，灵敏度和精度差，滞后大，不宜远传（150m以内）。

¡2）电动执行器是以电为能源的执行器：

主要特点是：

①能源取用方便，②便于集中控制，③停电时执行器保持原位不动，不影响设备安全，④灵敏度和精度高，⑤和电动控制仪表配合方便。

缺点是结构复杂，体积大，推力小，价格贵。

¡3）液动执行器以液体为能源的执行器：

特点是：

①推力最大，②抗偏离能力强，③运行平稳，④响应快

缺点是造价昂贵，体积庞大笨重，特别复杂和需要专门工程。

三、常用阀门的特点和工作场合：

常用调节阀结构示意图及特点——直通单座调节阀

双导向结构单导向结构

直通单座调节阀：

1.阀体内只有一个阀芯和一个阀座。

2.结构简单、泄漏量小（甚至可以完全切断）

3.允许压差小（双导向结构的允许压差较单导向结构大）。

它适用于要求泄漏量小，工作压差较小的干净介质的场合。

在应用中应特别注意其允许压差，防止阀门关不死。

常用调节阀结构示意图及特点——直通双座调节阀

直通双座调节阀：

1.阀体内有两个阀芯和阀座。

2.因为流体对上、下两阀芯上的作用力可以相互抵消，因此双座阀具有允许压差大

3.上、下两阀芯不易同时关闭，因此泄漏量较大的特点。

它适用于阀两端压差较大，泄漏量要求不高的干净介质场合，不适用于高粘度和含纤维的场合。

常用调节阀结构示意图及特点——角形调节阀

角形调节阀：

1.阀体为直角形

2.流路简单、阻力小，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒状物质的调节。

3.角形阀一般使用于底进侧出，此时调节阀稳定性好，

4.在高压差场合下，为了延长阀芯使用寿命，也可采用侧进底出。

但侧进底出在小开度时易发生振荡。

5.角形阀还适用于工艺管道直角形配管的场合。

常用调节阀结构示意图及特点——三通调节阀

合流三通调节阀分流三通调节阀

三通调节阀：

1.阀体有三个接管口，适用于三个方向流体的管路控制系统，大多用于热交换器的温度调节、配比调节和旁路调节。

2.在使用中应注意流体温差不宜过大，通常小于是150℃，否则会使三通阀产生较大应力而引起变形，造成连接处泄漏或损坏。

3.三通阀有三通合流阀和三通分流阀两种类型。

三通合流阀为介质由两个输入口流进混合后由一出口流出；三通分流阀为介质由一入口流进，分为两个出口流出。

常用调节阀结构示意图及特点——隔膜控制阀

隔膜控制阀：

1、采用耐腐蚀材料作隔膜，将阀芯与流体隔开。

2、结构简单、流阻小、流通能力比同口径的其他种类的阀要大。

由于介质用隔膜与外界隔离，故无填料，介质也不会泄漏。

3、耐腐蚀能力强，适用于强酸、强碱、强腐蚀性介质的控制，也能用于高粘度及悬浮颗粒状介质的控制。

常用调节阀结构示意图及特点——蝶阀

蝶阀：

1.蝶阀是通过挡板以转轴为中心旋转来控制流体的流量。

2.结构紧凑、体积小、成本低，流通能力大

3.特别适用于低压差、大口径、大流量的气体形或带有悬浮物流体的场合

4.泄漏较大

5.蝶阀通常工作转角应小于70℃，此时流量特性与等百分比特性相似

6.多用于开关阀

常用调节阀结构示意图及特点——套筒阀

套筒阀

套筒阀：

1.套筒阀的结构比较特殊，阀体与一般的直通单座阀相似，但阀内有一个圆柱形套筒，又称笼子，利用套筒导向，阀芯可在套筒中上下移动。

2.套筒上开有一定形状的窗口（节流孔），套筒移动时，就改变了节流孔的面积，从而实现流量调节。

3.套筒阀分为单密封和双密封两种结构，前者类似于直通单座阀，适用于单座阀的场合；后者类似于直通双座阀，适用于双座阀的场合。

4.套筒阀具有稳定性好、拆装维修方便等优点，因而得到广泛应用，但其价格比较贵。

常用调节阀结构示意图及特点——偏心旋转阀

偏心旋转阀：

1.转轴带动阀芯偏心旋转

2.体积小，重量轻，使用可靠，维修方便，通用性强，流体阻力小等优点，适用于粘度较大的场合，在石灰、泥浆等流体中，具有较好的使用性能。

常用调节阀结构示意图及特点——“O”形球阀

“O”形球阀：

1.阀芯为一球体

2.阀芯上开有一个直径和管道直径相等的通孔，转轴带动球体旋转，起调节和切断作用。

3.该阀结构简单，维修方便，密封可靠，流通能力大

4.流量特性为快开特性，一般用于位式控制。

常用调节阀结构示意图及特点——“V”形球阀

“V”形球阀：

1.阀芯也为一球体

2.但球体上开孔为V形口，随着球体的旋转，流通截面积不断发生变化，但流通截面的形状始终保持为三角形。

3.该阀结构简单，维修方便，关闭性能好，流通能力大，可调比大

4.流量特性近似为等百分比特性，适用于纤维、纸浆及含颗粒的介质。

四、调节阀流量系数的计算：

调节阀工作原理：

从流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。

对于不可压缩的流体，由能量守恒原理可以推导出调节阀的流量方程式为：

当A一定，（p1－p2）不变时，流量仅随阻力系数ξ变化。

阻力系数主要与流通面积（阀门开度）有关，也与流体的性质和流动状态有关。

调节阀阻力系数的变化是通过阀芯行程的改变来实现的。

即改变开度就改变ξ，达到调节Q的目的。

（开度↑→ξ↓→Q↑）

调节阀特点：

局部阻力可变的节流元件。

阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座间流通面积，即改变了阀的阻力系数，从而改变被控介质的流量。

调节阀的流量方程：

K为调节阀流量系数（表示调节阀的结构参数）

式中：

Q为体积流量；A为阀连接管横截面积；ζٕ为阀阻力系数（由阀体结构决定）；p1、p2、△p为阀前压力、阀后压力、阀前后压差；ρ为液体密度；

¡流量系数是反映调节阀口径大小的一个重要参数

式中，△p为调节阀前后压差（kPa），ρ为流体密（t/m3）

¡由于流量系数K与流体的种类、工况以及阀的开度有关，为了便于调节阀口径的选择，必须给给出一个统一的条件，并将在这一条件下的流量系数用KV表示。

流量系数KV的定义:

在调节阀前后压差为100KPa，流体密度为1g/cm3（即5～40℃的水）的条件下，调节阀全开时，每小时通过阀门的流体量（m3）

△p的单位为KPa,则：

根据上述定义，一个KV值为32的调节阀，则表示当阀全开、阀前后压差为100KPa式，5~40℃的水流过阀的流量为32m3/h。

以上公式只适用于一般液体介质。

由于液体的种类和性质将影响流量系数K的大小，因此对不同的流体必须考虑其对K的影响，例如对低雷诺数的液体、气体、蒸汽等，都不能直接采用以上公式，需要对以上公式进行修正，在使用时，查阅相关手册。

流量系数C：

给定行程下，温度为5～40℃的水，阀两端压差为1kgf/cm2时每小时流经调节阀的体积（以m³表示）

流量系数Cv：

温度为60°F（15.6℃）的水，在1磅/平方英寸[1lb/in2（7kpa）]压降下，每分钟流过调节阀的美加仑数

C为工程单位制的流量系数。

Cv为英制单位的流量系数。

Kv为国际单位的流量系数。

注：

C、Cv、Kv之间的关系为Cv=1.17Kv,Kv=1.01C数值关系为Kv＝1.01C＝0.8569Cv

五、调节阀的流量特性：

调节阀流量特性是指介质流过调节阀的相对流量与阀门的相对开度（即相对位移）之间的关系。

式中，Q/Qmax为流量，调节阀某一开度时流量Q与全开时流量Qmax之比，l/L为相对位移，调节阀某一开度时阀芯位移l与全开时阀芯位移L之比。

由于流过调节阀的流量变化不仅与阀的开度有

关，同时还与阀前后压差大小有关。

阀开度变化→阀前后压差变化→流量变化。

为了分析方便，我们将流量特性分为理想流量特性和实际的工作流量特性。

先假定阀门压差固定（即理想流量特性），然后再讨论阀门在管路中实际工作的情况（即实际流量特性）。

1理想流量特性

a.直线流量特性

调节阀的相对流量与相对位移成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。

b.等百分比流量特性（对数流量特性）

等百分比特性的曲线的斜率是随着流量增大而增大，但等百分比特性的流量相对变化值是相等的，即流量的变化的百分比是相等的。

特点：

Q↑→放大系数K↑小开度→K小→控制平稳缓和

大开度→K大→控制灵敏有效

（1）串联管道时工作流量特性

在实际使用过程中，S过大，阀上的压降大，要消耗过多能量；S过小，流量特性会发生严重的畸变，对控制不利。

因此，在实际使用时，S值不低于0.3

例如在现场使用中，调节阀选的过大或生产在低负荷状态，调节阀将工作在小开度。

为了使调节阀有一定的开度而把工艺阀门关小增加管道阻力，使流过调节阀的流量降低，这样，S值下降，流量特性畸变，控制质量恶化。

（2）并联管道时工作流量特性：

调节阀一般都装有旁路，用于手动操作和维护。

当生产量提高或调节阀选小了时，只好将旁路阀打开，此时调节阀就改变为工作流量特性。

以x代表并联管道时调节阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax

之比，可以得到x不同时的工作流量特性。

串、并联管道结论：

①串、并联管道都使阀的理想流量特性发生畸变,串联管道的影响更严重；

②串、并联管道都会使控制阀的实际可调范围降低,并联管道尤为严重；

2串联管道使系统总流量减少,并联管道使系统总流量增加

3串、并联管道都会使调节阀的放大系数减小,即输入信号变化所引起的流量变化值减小；串联管道时调节阀若处于大开度,则S值降低对放大系数的影响更为严重；并联管道时控制阀若处于小开度,则X值降低对放大系数的影响更为严重

控制阀流量特性的选择：

控制阀流量特性多采用经验准则或根据控制系统的特点进行选择，可从以下几个方面考虑：

1.从控制系统的控制品质考虑

2.从工艺配管情况考虑

3.从负荷变化情况考虑

▪在控制阀的理想流量特性中，由于抛物线的流量特性介于直线和等百分比之间，一般可用等百分比来代替，因此，生产中常用的流量特性是：

直线；等百分比；快开。

▪而快开特性只用于两位式调节及程序控制系统中，故控制阀流量特性的选择是指如何选择直线和等百分比流量特性。

1.考虑控制系统的控制品质

▪对于一个控制系统来说，若要保持其预定的品质指标，就应在控制系统的整个操作范围内，保持总的放大系数不变。

▪通常，变送器、控制器（在已整定好的情况下）和执行机构的放大系数是常数，但控制对象的放大系数往往是非线性的，即随着操作条件及负荷的变化而变化。

▪适当选择控制阀的流量特性，就可以用阀的放大系数的变化去补偿对象放大系数的变化，使系统总的放大系数保持不变或近似不变。

2.考虑工艺的配管情况

▪控制阀总是与管道或设备等连在一起使用，因此，存在的管道阻力将引起控制阀上的压差变化，使理想的流量特性发生畸变。

▪在实际使用中，应先根据系统的特点，选择希望得到的工作特性，然后再考虑工艺配管的情况来选择相应的理想特性。

3.考虑负荷变化的情况

▪直线特性的控制阀在小开度时流量的相对变化值大，过于灵敏，容易引起振荡，使阀芯和阀座受到破坏，因此在S值小，负荷变化幅度大的情况下，不宜采用。

▪等百分比特性控制阀的放大系数随阀门行程增加而增大，而流量的相对变化值是不变的，因此对负荷的波动有较强的适应性。

六、控制阀口径的计算和选择：

1.确定计算流量－根据生产能力、设备负荷及介质状况，确定Qmax和Qmin

2.确定计算压差－根据系统特点选定s值，然后确定计算压差（阀门全开时的压差）

3.计算流量系数－选择合适的计算公式或图表，求取最大和最小流量时的Kvmax和Kvmin

4.选取流量系数Kv－根据Kvmax在所选产品型式的标准系列中，选取大于Kvmax并最接近的那一级Kv值

5.验算控制阀开度和实际可调比－要求最大流量时阀开度不得大于90％，最小流量时开度不得小于10％；实际可调比不小于理想可调比

6.口径的确定－验证合适后，根据Kv值决定控制阀的公称直径和阀座直径

1.计算流量的确定

在选择最大计算流量时，既不能过多地考虑裕量，使控制阀口径偏大而经常工作在小开度；也不能片面强调控制质量，以致控制阀不能适应生产力的略有提高。

2.计算压差的确定

▪根据已选择的控制阀流量特性及系统的特点，选定s值，然后决定计算压差∆Pv

▪计算压差是指控制阀全开时，控制阀上的压差。

确定计算压差（s的选择）时必须兼顾控制性能和动力消耗量方面。

阀上的压差占整个系统压差的比值越大，流量特性的畸变越小，控制性能越能得到保证，但阀前后压差越大，动力消耗也越多。

计算压差确定步骤如下：

1）选择控制阀前后最近的压力基本稳定的两个设备作为系统的计算范围。

2）在最大流量的条件下，分别计算系统内控制阀之外的各项局部阻力所引起的压力损失，再求出它们的总和△PP。

3）选取S值S值一般希望不小于0.3，常选

4）求取控制阀计算压差△PV

3．计算流量系数Kmax

根据已决定的计算流量和计算压差，求得最大流量时的流量系数Kmax

4.选取流量系数KV

根据已求得的Kmax，在所选用的产品型式的标准系列中，选取大于Kmax并与其最接近的那一挡Kv值。

5.开度验算

两种常用流量特性控制阀在工作条件下（串联管道）的开度验算公式：

最大计算流量时的开度不大于90%，最小计算流量时的开度不小于10%

说明：

1.该验算公式只适用于液体，不能用于气体；

2.只适用于R＝30的情况

7.可调比验算

在串联管道情况下，实际可调比按以下公式验算：

若

则所选控制阀符合要求。

否则可采取增加系统压力或采用两个控制阀进行分程控制的方法来满足可调比的要求。

8.确定控制阀口径

根据K值决定控制阀的公称直径Dg和阀座直径dg

例3某控制系统拟选用一台直线特性气动直通单座调节阀（流开型）

已知：

流体为液氨,最大计算流量条件下的计算数据为:

p1=26200kPa,

Δp=24500kPa,WL=6300kg/h;ρL=0.58g/cm3,υ=0.1964x10-6m2/s;t1=313K;D1=D2=20mm

[解]

（1）阻塞流判别查表得FL=0.9,Pc=11378kPa,Pv=1621kPa,则

产生阻塞流的临界压降为:

由于ΔP=24500kPa>ΔPcr=20106kPa,故为阻塞流。

例3：

某系统中，需选用一台直线流量特性的直通双座调节阀。

被调介质为水，工艺要求，最大流量Qmax=120m3/h，最小流量Qmin=40m3/h,最小压差ΔPmin=50KPa,s=0.5,试确定调节阀的口径。

答：

计算流通能力

根据Kv=140，查直通双座调节阀流通能力表，得较大一档的Kv=250.

验算开度：

最大流量时的开度：

最小流量时的开度：

所以

，满足要求。

验算可调范围：

根据Kv=250,查表得调节阀口径为DN=125mm。

七、气动执行机构，调节阀，执行器的正反作用及选择方式：

执行器的作用方式

正作用：

当输入信号增大时，执行器的开度增大，即流过执行器的流量增大

正作用气动调节阀通常称为气开阀

反作用：

当输入信号增大时，流过执行器的流量减小,反作用气动调节阀通常称为气关阀

¡选择原则：

从安全要求出发。

¡信号压力中断时，应保证设备和操作人员的安全。

如果阀处于打开位置时危害性小，应用气关式，以使气源系统发生故障，气源中断时，阀门自动打开，保证安全。

反之，阀处于关闭时危害性小，则应选用气开阀。

¡如加炉炉的燃料气应采用气开阀，即当信号中断时应切断进炉燃料，以免炉温过高发生事故。

¡如控制进入设备易燃气体的控制阀，应选用所开式，以防爆炸，若介质为易结晶物料，则选用气关式，以防堵塞。

如果介质是有强腐蚀性的，再生产过程中不允许溢出，调节阀的作用形式？

气开阀

如果后面的环节不允许没有物料，调节阀的作用形式？

气关阀

调节机构的正反作用:

正作用：

阀芯向下，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积减少。

反作用：

阀芯向上，阀杆下移时，阀芯与阀座间的流通面积增大。

执行机构的正反作用：

执行器的正反作用：

（1）正作用执行机构+正装调节机构=气关式执行器

（2）反作用执行机构+正装调节机构=气开式执行器

（3）正作用执行机构+反装调节机构=气开式执行器

（4）反作用执行机构+反装调节机构=气关式执行器

气开式－随信号压力的增大流通截面积也增大

气关式－随信号压力的增大流通截面积减小

正装－指阀芯向下移动时，阀芯与阀座间的流通面积减小

反装－指阀芯向下移动时，阀芯与阀座间的流通面积增大

调节器的正作用与反作用（如何保证系统是负反馈的）:

输出信号随输入信号的增加而增加的环节称为正作用环节

输出信号随输入信号的增加而减小的环节称为反作用环节

例如：

对于调节器来说，测量值增大，输出增大，称为正作用调节器

能否构成负反馈系统和系统中各环节的特性有关

八、阀门定位器的原理及用途：

阀门定位器是气动执行器的主要附件，与气动执行器配套使用阀门定位器接受控制器的输出信号，成比例地输出信号至执行机构，当阀杆移动后，其位移量又通过机械装置负反馈至定位器，构成一闭环系统。

阀门定位器是控制阀的主要附件.它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移倍与控制器输出信号之间的一一对应关系。

因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。

该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。

¡阀门定位器能增大调节阀间的输出功率，较少调节阀信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度克服阀杆的摩擦力并消除不平衡力的影响，从而保证阀门的正确定位。

它有以下用途：

¡1）用于高压介质：

克服阀杆产生的静摩擦力，也能克服流体不平衡力，改善基本特性

¡2）用于高压差：

压差大于1MPa时，介质对阀芯产生较大的不平衡力，定位器可以提高输出压力，克服不平衡力

¡3）用于高温或低温：

温度过高或过低时，摩擦力增大，产生较大误差。

¡4）用于介质中含有固体悬浮物，粘性流体，含纤维、易结晶的场合：

克服这些介质对阀杆移动产生的巨大阻力

¡5）增加执行机构的动作速度：

调节器与调节阀相距较远时，克服信号的传递滞后，使用电气转化器，让调节器输出的电流信号直接转换成气压信号操作调节阀。

¡6）用于调节阀口径较大的场合：

DN大于100mm、蝶阀口径大于250mm时，阀芯重，阀芯截面大及执行机构气室容积增大，响应特性变差。

配用阀门定位器。

¡7）用于活塞式执行机构的比例动作：

没有弹簧的活塞执行机构，是两位式动作。

要加比例动作的话，可以加上阀门定位器，可以用双向，也可用单向。

¡8）实现调节阀反向动作：

当气关阀需要改成气开式调节阀时，必须把阀芯反装，或采用反作用式执行机构，这样比较麻烦。

可以利用阀门定位器，把气关改成气关。

输入信号为20~100kPa，输出也是20~100kPa，阀杆行程从0~L，就是正作用，阀杆行程从L~0，就是反作用。

¡9）改善调节阀的流量特性：

调节阀的流量特性可以通过改变反馈凸轮的几何形状来改变。

反馈凸轮的几何形状不同，能改变调节器对定位器的反馈量，使定位器的输出特性变化，从而改变调节器的输出信号与调节阀位移之间的关系，即修正了流量特性

¡10）改善调节阀的静态特性：

用阀门定位器后，只要调节器输出气压略有改变，经过喷嘴-挡板系统及放大器的作用，可使调节阀膜头的气压有大的变化，以克服阀杆的摩擦和消除调节器不平衡力的影响，保证阀门位置按调节器发出的信号正确定位

¡11）改善调节阀的动态特性：

定位器改变了原来阀的一阶滞后特性，减小时间常数，使之成为比例特性

¡12）操作非标准信号的执行机构：

当以调节器的标准信号2-~100kPa去操作非标准信号40~200kPa的气动薄膜执行机构时。

可以有两种方法：

一种是在调节器与执行机构之间配用一个2:

1的气动继动器，把信号压力放大一倍；另一种方法就是采用阀门定位器，只要把气源压力从140kPa提高到250kPa，就可以操作非标机构

¡13）用于分程控制：

两台定位器由一台调节器来操纵，一台定位器的输入为20~60kPa，另一台定位器为60~100kPa，输出均为20~100kPa

¡14）用于气动、电动仪表的复合调节系统：

在调节系统中，检测和调节仪表为电动仪表，执行机构为气动仪表，因为电信号传输快、灵敏度高，而气动调节仪表则结构简单、使用方便、而且防爆。

在这种系统中，必须有电气转换器把0~10mA的电流信号转换为20~100kPa压力信号，为保证阀门的定位作用，还要装一台气动阀门定位器，也可以直接采用电-气阀门定位器

¡15）用于智能控制：

智能式电-气阀门定位器由于微处理机和功能模块的使用，可以进行不同组态，实现指示、报警、行程限定、分程控制等功能。

气动阀门定位器

¡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，用于控制气动调节阀。

¡按其工作原理：

位移平衡式和力（力矩）平衡式两大类

九、防爆标志的意义：

¡隔爆型电气设备（d）：

是指把能点燃爆炸性混合物的部件封闭在一个外壳内，该外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力并阻止和周围的爆炸性混合物传爆的电气设备。

   增安型电气设备（e）：

正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合物的火花或危险温度，并在结构上采取措施，提高其安全程度， 以避免在正常和规定过载条件下出现点燃现象的电气