第三章運算器和執(zhí)行器

1、 第二節(jié)第二節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器 一、電動執(zhí)行機構(gòu)一、電動執(zhí)行機構(gòu) 二、氣動執(zhí)行機構(gòu)二、氣動執(zhí)行機構(gòu) 三、閥門定位器三、閥門定位器 四、調(diào)節(jié)機構(gòu)四、調(diào)節(jié)機構(gòu) 五、執(zhí)行器的選型五、執(zhí)行器的選型 v 執(zhí)行器的構(gòu)成：執(zhí)行器的構(gòu)成： 執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置。執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生推力或位移的裝置。 調(diào)節(jié)機構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置，調(diào)節(jié)機構(gòu)直接改變能量或物料輸送量的裝置， 通常稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。通常稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。 v 執(zhí)行器的分類：執(zhí)行器的分類： 氣動、電動和液動氣動、電動和液動 第二節(jié)第二節(jié) 執(zhí)行器執(zhí)行器 一、電動執(zhí)行機構(gòu)一、電動執(zhí)行機構(gòu) 電動執(zhí)行機構(gòu)有角行程和直行程兩種，是以兩相交 流電機為

2、動力的位置伺服機構(gòu)，它將輸入的直流電 流信號線性地轉(zhuǎn)換成位移量。 （一）基本結(jié)構(gòu)和工作原理（一）基本結(jié)構(gòu)和工作原理 伺服放大器 位置發(fā)送器 伺服電機操作器減速器 閥位 指示 放大器執(zhí)行機構(gòu) 420mA Ii If 電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖 090O （二）伺服放大器（二）伺服放大器 組成：信號隔離器、 綜合放大電路、觸 發(fā)電路、固態(tài)繼電 器等。 信號隔離器采用光 電隔離電路，實現(xiàn) 信號隔離和電流 電壓轉(zhuǎn)換。 綜合放大和觸發(fā)電 路見圖。 作用是將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩， 并且當伺服放大器沒有輸出時，電機又能可靠地制動。 （三）執(zhí)行機構(gòu)（三）執(zhí)行機構(gòu) 組成：伺服電機、減速

3、機構(gòu)、位置發(fā)送器等。 伺服電機伺服電機 減速器減速器 把伺服電機高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的輸出功率轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)輸 出軸的低轉(zhuǎn)速、大力矩的輸出功率，以推動調(diào)節(jié)機構(gòu)。采 用正齒輪和行星齒輪機構(gòu)相結(jié)合的機械傳動機構(gòu)。 i ( ) z1 擺輪的齒數(shù) z2 內(nèi)齒輪的齒數(shù) 行星齒輪機構(gòu) 相結(jié)合的減速 比： z2 z1 z1 位置發(fā)送器位置發(fā)送器 作用：將輸出軸090的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成420mADC直流 電流，作為閥位信號和反饋信號。 氣 氣 二、氣動執(zhí)行機構(gòu)二、氣動執(zhí)行機構(gòu) 接受電/氣轉(zhuǎn)換器 (或電/氣閥門定位器) 輸出的氣 壓信號，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出力和推桿直位移量， 以推動調(diào)節(jié)動作。 有薄膜式執(zhí)行機構(gòu)和活塞式執(zhí)行

4、機構(gòu)： 薄膜式：氣壓推動薄膜并帶動連桿運動, 結(jié)構(gòu)簡單, 動 作可靠，維修方便，價格較低，但輸出行程小； 活塞式：氣壓推動活塞并帶動連桿運動，輸出推力大， 行程長，但價格較高，只用于特殊需要的場合。 氣動薄膜式執(zhí)行結(jié)構(gòu)氣動薄膜式執(zhí)行結(jié)構(gòu) 有正作用(信號壓力增加時推桿向下動作，ZMA)和 反作用(信號壓力增加時推桿向上動作，ZMB)兩種 型式。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)見右圖。 當信號壓力通過上膜 蓋1和波紋膜片2組成 的氣室時，在膜片上 產(chǎn)生推力,使推桿5下 移并壓縮彈簧 6。當 彈簧力與膜片推力相 平衡時，推桿穩(wěn)定在 相應(yīng)的位置上。 膜片的有效面積有： 200、280、400、630、 1000、16

5、00cm2等。 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 在平衡狀態(tài)時，氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)的力平衡方程 式可表示如下： 式中： P1 Cs Ae L = L 推桿位移； Ae 膜片有效面積； P1 輸入壓力； Cs 彈簧剛度。 輸入輸出特性見右圖。 存在非線性偏差和正反 行程偏差。 動態(tài)特性動態(tài)特性 在動態(tài)情況下，輸入信號管線存在阻力，管線和薄 膜氣室近似作為氣容，故執(zhí)行機構(gòu)可看成一個阻容 環(huán)節(jié)，薄膜氣室壓力P1與控制器輸出壓力P0關(guān)系為： RCS+1 1 = = P1 P0TS+1 1 式中 R、C分別為氣阻、氣容，T為時間常數(shù)。 可得控制器輸出壓力P0與推桿位移L之間的關(guān)系為： (TS+1)Cs Ae = = L

6、 P0TS+1 K 式中 T為執(zhí)行機構(gòu)的放大系數(shù)。 三、閥門定位器三、閥門定位器 閥門定位器與氣動控制閥配套使用，它接受控制器 的輸出信號，成比例地輸出壓力至執(zhí)行機構(gòu)，推桿 移動后的位移量反饋至定位器，構(gòu)成一閉環(huán)系統(tǒng)。 定位器控制器 P0 氣源 位置 反饋 P1 閥門定位器示意圖 閥門定位器可增加執(zhí) 行器輸出功率，減小 信號傳遞滯后，加快 閥桿位移速度，提高 線性度，克服閥桿摩 擦力，保證正確定位。 電氣閥門定位器電氣閥門定位器 具有電 / 氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器的雙重作用， 它接 受電動控制器輸出的420電流信號，成比例地輸出 20100kPa(或40200kPa)氣動信號至執(zhí)行機構(gòu)。 組成組

7、成 轉(zhuǎn)換組件：永久磁鋼、線圈、杠桿、噴嘴、擋板及調(diào) 零裝置等。 氣路組件：氣動放大器、氣阻、壓力表、手 - 自動切 換閥。 反饋組件：反饋彈簧、反饋拉桿、反饋壓板等。 接線盒組件：接線盒、端子板及電纜引線等。 工作原理工作原理 見下圖 應(yīng)用場合應(yīng)用場合 推力大，可用于高差壓、大口徑、高壓、高溫、低 溫及介質(zhì)中含有固體懸浮物或粘性流體的場合。 動作速度快，可用于控制器與執(zhí)行機構(gòu)距離較遠的 場合。 可用于需分程控制的場合，兩臺定位器由一個控制 器操縱，每臺定位器的工作由分程點決定。 可改善控制閥的流量特性，通過改變反饋凸輪的幾 何形狀，使定位器的輸出特性發(fā)生變化，從而達到 修正流量特性的目的。 四

8、、調(diào)節(jié)機構(gòu)四、調(diào)節(jié)機構(gòu) 又稱控制閥(或調(diào)節(jié)閥)，是一個局部阻力可變的節(jié) 流元件。閥芯移動改變了閥芯 與閥座間的流通面積，即改變 了閥的阻力系數(shù)，使被控介質(zhì) 流量相應(yīng)改變。 （一）（一）控制閥結(jié)構(gòu)控制閥結(jié)構(gòu) 由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥 座、閥芯、閥桿、填料和壓板 等構(gòu)成。為適應(yīng)多種使用要求， 閥芯和閥體有不同的結(jié)構(gòu)，使 用的材料也各不相同。 閥的結(jié)構(gòu)型式閥的結(jié)構(gòu)型式 v 直通單座閥 v 直通雙座閥 v 角形閥 v 三通閥 v 蝶閥 v 套筒閥 v 偏心旋轉(zhuǎn)閥 v 高壓閥 閥芯型式閥芯型式 有直行程閥芯和角行程閥芯兩類。直行程閥芯又分 為：平板型、柱塞型、窗口型和多級閥芯。各種閥 芯的型式見下圖。

9、 角行程閥芯有偏心旋轉(zhuǎn) 型、蝶型和球型。見右。 流體對閥芯作用形式：流體對閥芯作用形式： 流開閥和流閉閥 閥芯的安裝形式：閥芯的安裝形式： 正裝閥和反裝閥 （二）（二）控制閥特性控制閥特性 控制閥的流量方程：控制閥的流量方程： Q = 式中 Q 體積流量，m3/h A 2(P1 P2) P1 、P2 閥前后壓力，100kPa 流體密度，g/cm3 A 閥接口流通面積，cm2 閥阻力系數(shù)，與閥門結(jié)構(gòu)、開度等有關(guān) = 5.09 A P 在閥口徑一定和P、 不變的情況下，流量Q僅隨阻 力系數(shù) 變化。 流量系數(shù)流量系數(shù) 上式可改寫為： )( KV P Q= KV= 5.09 A KV稱為流量系數(shù)，其大

10、小反映了通過閥門的流量， 即流通能力的大小。KV與流體性質(zhì)、閥結(jié)構(gòu)尺寸 有關(guān)，根據(jù)KV值可確定閥門口徑。 采用國際單位制時，流量系數(shù)定義為：在閥全開， 閥前后壓差為100kPa，流體密度為1g/cm3(5400C 的水)時，每小時通過閥門的流量數(shù)(m3)。 流量系數(shù)的計算流量系數(shù)的計算：將上式中P的單位取為kPa，可 得不可壓縮流體KV值的計算公式為： 10Q KV = P 在計算流量系數(shù)時，應(yīng)考慮不同流體的影響因素， 例如液體的粘度、氣體的壓縮因數(shù)等。流體的流 動狀態(tài)也影響KV的大小，當閥前后壓差達到某一 臨界值時的阻塞流狀態(tài)，KV計算要引入壓力恢復 系數(shù)、臨界壓差比等。 流量系數(shù)的見教材表

11、3-1計算公式,也可參閱控制 閥工程設(shè)計手冊。 控制閥的可調(diào)比控制閥的可調(diào)比 控制閥所能控制的最大與最小流量之比。以R 表示。 理想可調(diào)比理想可調(diào)比 控制閥前后壓差不變時的可調(diào)比： s Qmax R = Qmin = KVmax KVmin 實際可調(diào)比實際可調(diào)比 (考慮閥前后壓差變化時的可調(diào)比) 串聯(lián)管道時的可調(diào)比 Rr = R= R Pmin Pmax P P1 Q 令 S = Pmin Pmax 并聯(lián)管道時的可調(diào)比 令閥全開時的流量與總管最大流量之比：x Q1max Qmax 則： Rr = R R (R - 1)x 1 1 x Q1 Q P 并聯(lián)管道并聯(lián)管道可調(diào)比特性可調(diào)比特性串聯(lián)管道串

12、聯(lián)管道可調(diào)比特性可調(diào)比特性 S x RrRr 30 30 1.0 1.0 0 0 控制閥的流量特性控制閥的流量特性 指介質(zhì)流過控制閥相對流量(與相對位移( Q1max Qmin ) 之間的關(guān)系，即： l L ) Q1max Qmin = f ( l L ) 理想流量特性理想流量特性(閥前后壓差不隨閥的開度而變) v直線特性： Q/Qmax= K ( l/L )+ C ( n=0) v對數(shù)特性： Q/Qmax= R (l/L-1) ( n=0) v拋物線特性：Q/Qmax= 1/R 1+(R 1) l/L 2 v快開特性：隨著開度增大, 流量很快達最大。 n Q Q K Lld QQd )( )

13、/( )/( max max 各種流量特性及其閥芯形狀如圖所示。 1 快開；2 直線；3 拋物線；4 修 正拋物線；5 等百分比。 工作流量特性工作流量特性(閥前后壓差隨閥的開度而變) 串聯(lián)管道時的工作流量特性 Qmax表示管道阻力等于零時的閥全開流量。 并聯(lián)管道時的工作流量特性 v 使理想流量特性發(fā)生畸變, 串聯(lián)管道尤為嚴重, 放 大大系數(shù)隨開度增大而減小, 并聯(lián)管道總比原來小。 v 使控制閥可調(diào)比降低，并聯(lián)管道尤為嚴重。 v 串聯(lián)管道使總流量減少，并聯(lián)管道則增加。 結(jié)論結(jié)論 （二）（二）空化作用及其避免空化作用及其避免 閃蒸與空化閃蒸與空化 閃蒸是液體通過閥節(jié)流后，縮流處靜壓降至低于飽 和

14、蒸汽壓時，部分液體汽化成氣液兩相共存的現(xiàn)象。 當靜壓回升到飽和蒸汽壓以上時，閃蒸形成的氣泡 破裂，重新轉(zhuǎn)化為液體，其過程稱為空化。 空化的破壞作用：空化的破壞作用：損壞材質(zhì)、振動和噪音 空化的避免空化的避免 閥前后壓差不大于最大允許壓差 Pc： Pc Kc (P1 P2) P1 、P2分別為閥入口壓力和飽和蒸汽壓,Kc為氣蝕系數(shù)。 四、執(zhí)行器的選擇四、執(zhí)行器的選擇 包括結(jié)構(gòu)型式、流量特性、閥門口徑等的選擇。 （一）（一）結(jié)構(gòu)型式的選擇結(jié)構(gòu)型式的選擇 執(zhí)行機構(gòu)的選擇執(zhí)行機構(gòu)的選擇 是根據(jù)能源、工藝條件、介質(zhì)性 質(zhì)等來確定執(zhí)行機構(gòu)的規(guī)格品種。對于氣動執(zhí)行器， 從工藝生產(chǎn)的安全考慮, 選擇其作用方式

15、是氣開式 或是氣關(guān)式。 按執(zhí)行機構(gòu)的正反作 用和調(diào)節(jié)機構(gòu)的正反 安裝方式，實現(xiàn)氣動 執(zhí)行器的氣開、氣關(guān) 時有四種組合方式。 調(diào)節(jié)機構(gòu)的選擇調(diào)節(jié)機構(gòu)的選擇 是根據(jù)流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、工 藝條件和過程控制的要求，并兼顧經(jīng)濟性來確定合 適的結(jié)構(gòu)形式。 （二）（二）控制閥流量特性的選擇控制閥流量特性的選擇 從控制品質(zhì)考慮從控制品質(zhì)考慮 在負荷變化的情況下，應(yīng)使控制 系統(tǒng)總的放大系數(shù)不變。例如對于放大系數(shù)隨負荷 增大而減小的對象，選用放大系數(shù)隨負荷增大而變 大的等百分比特性閥門，使系統(tǒng)總放大系數(shù)不變。 從工藝配管情況從工藝配管情況 選擇相應(yīng)的控制閥，見下表。 配管情況 閥的工作特性 閥的理想特性 S = 0.6 1S = 0.3 0.6 直線 直線 拋物線 拋物線 等百分比 等百分比 直線拋物線 等百分比 等百分比直線等百分比 從負荷變化情況考慮從負荷變化情況考慮 在負荷