HG第六章執(zhí)行器

基本要求：

1．理解氣動控制閥的基本結(jié)構(gòu)、主要類型及使用場合。

2．理解氣動執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及其選擇原則。

3.了解控制閥的流量特性的意義，串聯(lián)管道和并聯(lián)管道對流量特性的影響。

4．了解電氣轉(zhuǎn)換器及電-氣閥門定位器的用途及工作原理。

5．了解電動、液動執(zhí)行器的基本原理。第六章執(zhí)行器1概述執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分。作用：接受控制器的輸出信號,直接控制能量或物料等調(diào)節(jié)介質(zhì)的輸送量,達(dá)到控制溫度、壓力、流量、液位等工藝參數(shù)的目的。分類：按能源形式可分為氣動、電動、液動三大類。氣動執(zhí)行器用壓縮空氣作為能源，特點是結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、平穩(wěn)、輸出推力較大、維修方便、防火防爆，而且價格較低，因此廣泛地應(yīng)用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中。它可以方便地與氣動儀表配套使用，經(jīng)過電-氣轉(zhuǎn)換器或電-氣閥門定位器可將電信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.1MPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號，仍然可用氣動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器：以電動機(jī)作為動力源，推動機(jī)構(gòu)動作。能源取用方便，信號傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。液動執(zhí)行器：以液壓站提供的流體（液壓油）高壓為動力源，推動機(jī)構(gòu)動作。2第一節(jié)

氣動執(zhí)行器組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)。氣氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)：推動裝置，它按控制信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，推動控制機(jī)構(gòu)動作，是將信號壓力的大小轉(zhuǎn)換為閥桿位移的裝置?？刂茩C(jī)構(gòu)：控制部分，它直接與被控介質(zhì)接觸，控制流體的流量，是將閥桿的位移轉(zhuǎn)換為流過閥的流量的裝置。另外還有輔助裝置：閥門定位器和手輪機(jī)構(gòu)等。3一.執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類：薄膜式：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維修方便，應(yīng)用廣泛?；钊剑和屏^大，主要適用于大口徑、高壓降控制閥或蝶閥的推動裝置。氣氣輸入信號空氣壓力：0.02~0.1MPa輸出：直線行程或角行程按連桿最大位移——行程確定規(guī)格：10，16，25，40，60，100mm4執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正反作用形式正作用：壓力增加，閥桿向下。反作用：壓力增加，閥桿向上。氣動彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)在薄膜或活塞上增加彈簧，使其行程與氣壓成正比——常用于連續(xù)變化量的調(diào)節(jié)。無彈簧氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常用于開關(guān)方式調(diào)節(jié)。5氣動薄膜控制閥外形圖氣動薄膜控制閥外形圖6氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)—圖a.正作用式氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—上膜蓋；

2—波紋膜片；

3—下膜蓋；4—支架；5—推桿；6—彈簧；7—彈簧座；8—調(diào)節(jié)件；9—連接閥桿螺母；

10—行程標(biāo)尺圖b.反作用式氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—上膜蓋；

2—波紋膜片；3—下膜蓋；4—密封膜片；5—密封環(huán)；6—填塊；7—支架；8—推桿；9—彈簧；10—彈簧座；11—襯套；12—調(diào)節(jié)件；13—行程標(biāo)尺7二.

控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，局部阻力可以改變的節(jié)流元件。根據(jù)不同的使用要求，控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種。常用種類：直通單座控制閥直通雙座控制閥角形控制閥三通控制閥隔膜控制閥蝶閥（翻板閥）球閥凸輪撓曲閥籠式閥81、直通單座控制閥閥體內(nèi)只有一個閥芯與閥座。特點：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、全關(guān)時泄漏量少。缺點：在壓差大的時候，流體對閥芯上下作用的推力不平衡，這種不平衡力會影響閥芯的移動。直通單座閥92、直通雙座控制閥

閥體內(nèi)有兩個閥芯和兩個閥座。特點：流體流過的時候，不平衡力小。缺點：容易泄漏。直通雙座閥103、角形控制閥角形閥的兩個接管呈直角形。特點：流路簡單、阻力較小，適于現(xiàn)場管道要求直角連接，介質(zhì)為高黏度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒狀的場合。流向一般是底進(jìn)側(cè)出。角形閥114、三通控制閥

共有三個出入口與工藝管道連接。按照流通方式分：合流型和分流型兩種

三通閥（A）（B）（A）分流型（B）合流型125、隔膜控制閥

采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。特點：結(jié)構(gòu)簡單、流阻小、流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。不易泄漏。耐腐蝕性強(qiáng)，適用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的控制，也能用于高黏度及懸浮顆粒狀介質(zhì)的控制。注意執(zhí)行機(jī)構(gòu)須有足夠的推力。隔膜閥136、蝶閥特點：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小。缺點：泄漏量大。蝶閥147、球閥節(jié)流元件是帶圓孔的球形體（A）或是一種V形缺口球形體（B）。特點：（A）轉(zhuǎn)動球體可起到控制和切斷的作用（B）轉(zhuǎn)動球心使V形缺口起節(jié)流和剪切的作用,其特性近似于等百分比型。球閥（A）（B）158、凸輪撓曲閥

閥芯呈扇形球面狀，與撓曲臂及軸套一起鑄成，固定在轉(zhuǎn)動軸上。特點：密封性好。重量輕、體積小、安裝方便，適用于要求控制和密封的場合凸輪撓曲閥169、籠式閥特點：可調(diào)比大、振動小、不平衡力小、結(jié)構(gòu)簡單、套筒互換性好，更換不同的套筒可得到不同的流量特性，閥內(nèi)部件所受的汽蝕小、噪聲小，是一種性能優(yōu)良的閥，特別適用于要求低噪聲及壓差較大的場合。缺點：不適用高溫、高黏度及含有固體顆粒的流體?；\式閥17三、控制閥的流量特性定義：是指被控介質(zhì)流過閥門的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關(guān)系，即：1．控制閥的理想流量特性不考慮控制閥前后壓差變化時得到的流量特性。取決于閥芯的形狀。主要有：直線、等百分比(對數(shù))、拋物線及快開等。181．控制閥的理想流量特性直線特性：對數(shù)特性：等百分比拋物線特性：快開特性：19（1）直線流量特性指控制閥的相對流量與相對開度成直線關(guān)系。20（1）直線流量特性將前式積分可得（6-3）邊界條件：l=0時，Q=Qmin;l=L時Q=Qmax把邊界條件代入式（11-3），可分別得（6-4）R為控制閥的可調(diào)范圍或可調(diào)比。

Qmin不等于控制閥全關(guān)時的泄漏量，一般是Qmax的2％～4％。注意！21（1）直線流量特性將式（11-4）代入式（11-3），可得（11-5）注意：當(dāng)可調(diào)比R不同時，特性曲線在縱坐標(biāo)上的起點是不同的。

22（1）直線流量特性舉例當(dāng)R=30,l/L=0時，Q/Qmax=0.33假設(shè)R=∞,位移變化量為10%在10％時，流量變化的相對值為在50％時，流量變化的相對值為在80％時，流量變化的相對值為

在流量小時，流量變化的相對值大；在流量大時，流量變化的相對值小。23（2）等百分比（對數(shù)）流量特性

等百分比流量特性是指單位相對行程變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成正比關(guān)系。（6-6）將（6-6）積分

將前述邊界條件代入

（6-7）24快開、拋物線流量特性（4）拋物線流量特性（3）快開流量特性

這種流量特性在開度較小時就有較大流量，隨開度的增大，流量很快就達(dá)到最大。

快開特性的閥芯形式是平板形的，適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統(tǒng)。

252．控制閥的工作流量特性控制閥在調(diào)節(jié)過程中，同時將引起管道工況點的變化，進(jìn)而使閥門兩端壓差發(fā)生變化。閥門兩端壓差的變化又反過來影響通過閥門流體的流量。因此，除非是簡單的兩端恒壓（如水池放水閥），閥門的實際流量特性通常是十分復(fù)雜的。串聯(lián)管道的工作流量特性并聯(lián)管道的工作流量特性在實際生產(chǎn)中，控制閥前后壓差總是變化的，這時的流量特性稱為工作流量特性。26（1）串聯(lián)管道的工作流量特性串聯(lián)管道的情形12定義s=?P1/?P27（1）串聯(lián)管道的工作流量特性圖6-16管道串聯(lián)時控制閥的工作流量特性28（2）并聯(lián)管道的工作流量特性

控制閥一般都裝有旁路，以便手動操作和維護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)量提高或控制閥選小了時，只好將旁路閥打開一些，此時控制閥的理想流量特性就改變成為工作特性。圖6-17并聯(lián)管道情況顯然這時管路的總流量Q是控制閥流量Q1與旁路流量Q2之和，即Q＝Q1＋Q2。29（2）并聯(lián)管道的工作流量特性

以x代表并聯(lián)管道時控制閥全開時的流量Q1max與總管最大流量Qmax之比，可以得到在壓差Δp為一定時，而x為不同數(shù)值時的工作流量特性曲線。圖6-18并聯(lián)管道時控制閥的工作特性30（2）并聯(lián)管道的工作流量特性由上圖可見：當(dāng)x＝1，即旁路閥關(guān)閉時，控制閥的工作流量特性與理想流量特性相同。隨著x值的減小，即旁路閥逐漸打開，雖然閥本身的流量特性變化不大，但可調(diào)范圍大大降低了?？刂崎y關(guān)死，即l/L＝0時，流量Qmin大大增加。31（2）并聯(lián)管道的工作流量特性由上圖可見：在實際使用中總存在著串聯(lián)管道阻力的影響，控制閥上的壓差還會隨流量的增加而降低，使可調(diào)范圍下降得更多些，控制閥在工作過程中所能控制的流量變化范圍更小，甚至幾乎不起控制作用。采用打開旁路閥的控制方案是不好的，一般認(rèn)為旁路流量最多只能是總流量的百分之十幾，即x值最小不低于0.8。32結(jié)論①

串、并聯(lián)管道都會使閥的理想流量特性發(fā)生畸變，串聯(lián)管道的影響尤為嚴(yán)重。②串、并聯(lián)管道都會使控制閥的可調(diào)范圍降低，并聯(lián)管道尤為嚴(yán)重。③串聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量減少，并聯(lián)管道使系統(tǒng)總流量增加。④串、并聯(lián)管道會使控制閥的放大系數(shù)減小，串聯(lián)管道時控制閥大開度時影響嚴(yán)重，并聯(lián)管道時控制閥小開度時影響嚴(yán)重。33四、控制閥的選擇結(jié)構(gòu)與特性選擇結(jié)構(gòu)選擇：依據(jù)工藝條件（溫度、壓力等）和介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)（腐蝕性、黏度等）進(jìn)行選擇。流量特性選擇：依據(jù)工藝需要并結(jié)合整個管路系統(tǒng)的工況點（管路流量特性）選擇。氣開式與氣關(guān)式的選擇依據(jù)氣源斷開的安全性結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式選擇。閥門口徑的選擇依據(jù)實際流量調(diào)節(jié)范圍選擇。（流量系數(shù)）34四、控制閥的選擇結(jié)構(gòu)與特性選擇結(jié)構(gòu)選擇：依據(jù)工藝條件（溫度、壓力等）和介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)（腐蝕性、黏度等）進(jìn)行選擇。流量特性選擇：依據(jù)工藝需要并結(jié)合整個管路系統(tǒng)的工況點（管路流量特性）選擇。目前使用比較多的是等百分比流量特性。氣開式與氣關(guān)式的選擇依據(jù)氣源斷開的安全性結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式選擇。閥門口徑的選擇依據(jù)實際流量調(diào)節(jié)范圍選擇。（流量系數(shù)）35氣開式與氣關(guān)式的選擇在選擇氣動執(zhí)行器時，還必須考慮氣動執(zhí)行器的作用方式，如氣開（在有信號壓力輸入時閥開，無信號壓力時閥關(guān)）或氣關(guān)（在有信號壓力時閥關(guān)，無信號壓力時閥開）。確定調(diào)節(jié)閥開關(guān)方式的原則是：當(dāng)信號壓力中斷時，應(yīng)保證工藝設(shè)備和生產(chǎn)的安全。如閥門在信號中斷后處于打開位置，流體不中斷最安全，則選用氣關(guān)閥；如果閥門在信號壓力中斷后處于關(guān)閉位置，流體不通過最安全，則選用氣開閥。由于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正、反兩種作用方式，而閥也有正裝和反裝兩種方式，因此，實現(xiàn)氣動調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)就有四種組合方式

36氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合方式

序號執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥氣動執(zhí)行器序號執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥氣動執(zhí)行器圖8-25(a)圖8-25(b)正正正反氣關(guān)氣開圖8-25(c)圖8-25(d)反反正反氣開氣關(guān)37五、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝與維修保養(yǎng)位置選擇應(yīng)注意方便安裝維修；環(huán)境溫度：+60oC~-40oC盡量直立安裝在水平管道上，其它安裝方式應(yīng)加設(shè)支撐架；控制閥前后一般應(yīng)安裝手動截止閥，以便維修；安裝前應(yīng)進(jìn)行清洗；定期維護(hù)檢修。注意觀察密封與磨損情況。38六、電—?dú)廪D(zhuǎn)換在電控系統(tǒng)中，使用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須進(jìn)行電—?dú)廪D(zhuǎn)換。將控制器輸出的直流電信號轉(zhuǎn)換為氣壓信號；將執(zhí)行器的位置信號（氣壓）轉(zhuǎn)換為電信號，反饋給控制器，以便控制器能準(zhǔn)確的進(jìn)行控制。39第二節(jié)電動執(zhí)行器以電動機(jī)為核心動力源，將控制器輸出的直流電信號直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線行程的機(jī)構(gòu)。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類：角行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)：使輸出軸產(chǎn)生0~90o角位移；直線行程電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)：其他401、電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理伺服放大器伺服電動機(jī)減速機(jī)位置發(fā)送器輸入信號操作器輸出軸離合器手輪412、電動執(zhí)行器的選擇電動執(zhí)行器與氣動執(zhí)行器的差異主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其控制機(jī)構(gòu)基本相同。電動執(zhí)行器的選擇：根據(jù)控制機(jī)構(gòu)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)；根據(jù)扭矩選擇角行程執(zhí)行器；根據(jù)軸位移選擇直線行程執(zhí)行器；42補(bǔ)充：電—液執(zhí)行器以直流電信號為控制信號，以液壓為動力的執(zhí)行器。主要用途：與大功率、大位移控制機(jī)構(gòu)配套，用于大型設(shè)備的控制。如：大型高壓閥門的控制。通常，防爆性能較差，不能用于易燃、易爆及高溫場所。43電—液執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理液壓系統(tǒng)電控系統(tǒng)輸入信號反饋信號位置發(fā)送器輸出軸44第三節(jié)、電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器45一、電氣轉(zhuǎn)換器46電氣轉(zhuǎn)換器工作原理它是按力平衡原理設(shè)計和工作的。在其內(nèi)部有一線圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變送器）的電流信號送入線圈后，由于內(nèi)部永久磁鐵的作用，使線圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動擋板接近（或遠(yuǎn)離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動功率放大器上，放大后的壓力一路作為轉(zhuǎn)換器的輸出，另一路饋送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管的壓力，通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個反向的位移，此位移與輸入信號產(chǎn)生電磁力矩平衡時，輸入信號與輸出壓力成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號從4mA.DC改變到20mA.DC時，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.02～0.1MPa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信號的過程。

圖中調(diào)零機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋作用。47二、氣動閥門定位器48