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調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的工作原理與分類研究
點擊次數(shù)：380 發(fā)布時間：2010-9-27
調(diào)節(jié)閥是物料或能量供給系統(tǒng)中*的重要組成部分，而執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵組成部件。針對執(zhí)行機構(gòu)對調(diào)節(jié)閥工作性能的影響，分析了調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)類型，討論了不同類型執(zhí)行機構(gòu)的組成、工作原理和特點，在此基礎(chǔ)上對不同類型的執(zhí)行機構(gòu)適用范圍進行了探討，為調(diào)節(jié)閥的選擇提供指導(dǎo)作用。
1引言
調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、核電、化工等流體控制場合，是工業(yè)生產(chǎn)過程zui常用的終端控制元件。執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥門是組成調(diào)節(jié)閥的兩大部件，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)控制信號驅(qū)動調(diào)節(jié)閥門，對通過的流體進行調(diào)節(jié)，從而改變操縱變量的數(shù)值[1～2]。作為調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動部分，執(zhí)行機構(gòu)在很大程度上影響著調(diào)節(jié)閥的工作性能。本文討論了調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)，并對各種類型執(zhí)行機構(gòu)的性能特點進行了分析。
2調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)
按操作能源的不同，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)可分為氣動執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)和電液執(zhí)行機構(gòu)。
2.1氣動執(zhí)行機構(gòu)
氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)是zui常用的氣動執(zhí)行機構(gòu)[3]，工作原理如圖1所示。將20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號P通入薄膜氣室中，在薄膜上便產(chǎn)生一個向下的推力，驅(qū)動閥桿部件向下移動，調(diào)節(jié)閥門打開。與此同時，彈簧被壓縮，對薄膜產(chǎn)生一個向上的反作用力。當(dāng)彈簧的反作用力與氣壓信號在薄膜產(chǎn)生的推力相等時，閥桿部件停止運動。信號壓力越大，在薄膜上產(chǎn)生的推力就越大，彈簧壓縮量即調(diào)節(jié)閥門的開度也就越大。
氣動薄膜調(diào)節(jié)閥將與執(zhí)行閥桿剛性連接的調(diào)節(jié)閥運動部件視為一典型的質(zhì)量-彈簧-阻尼環(huán)節(jié)，系統(tǒng)運動受力模型如圖2所示。系統(tǒng)在運動過程滿足以下方程：
方程式（1）
式中：m為與執(zhí)行閥桿剛性連接的運動部件總質(zhì)量；x為閥桿位移；c為阻尼系數(shù)；f為摩擦力；Fs為信號壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力；G為運動部件總重力；Ft為調(diào)節(jié)閥所控流體在閥芯上的壓力差產(chǎn)生的不平衡力；k為彈簧剛度系數(shù)。當(dāng)閥桿由下往上運動時，式（1）等號左端各項符號變負。
圖2系統(tǒng)運動受力模型
式（1）中的摩擦力是造成調(diào)節(jié)閥死區(qū)與滯后的主要原因[4]。對于氣動執(zhí)行機構(gòu)而言，由于工作介質(zhì)的可壓縮性比較大，使得摩擦對其動態(tài)響應(yīng)特性的影響更為顯著。當(dāng)生產(chǎn)過程受到擾動的影響，雖然調(diào)節(jié)閥控制器的輸出產(chǎn)生了一個用于糾正偏差的控制信號，但由于摩擦的存在，使得該信號并沒有產(chǎn)生相應(yīng)的閥桿位移。這就要求控制器輸出更大的信號，只有當(dāng)控制信號超過一定范圍，即死區(qū)，才能使閥桿產(chǎn)生位移。死區(qū)的存在使調(diào)節(jié)不能及時進行，有時還造成調(diào)節(jié)的過量，使調(diào)節(jié)閥的控制品質(zhì)變差。
為了減小調(diào)節(jié)閥死區(qū)與滯后的影響，除了改進閥桿密封填料結(jié)構(gòu)，采用合適密封材料等外，目前的主要改進措施是通過給氣動調(diào)節(jié)閥配備氣動閥門定位器[2]，如圖3所示。波紋管1的信號壓力大小由調(diào)節(jié)閥控制器調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)閥控制器的輸出增大時，波紋管1的信號壓力也增大，主杠桿2便繞支點3作逆時針轉(zhuǎn)動，于是噴嘴5與擋板4的距離減小，噴嘴的背壓升高，此背壓經(jīng)過放大器6放大后，進入薄膜氣室7的壓力也開始升高，閥桿8向下移動，并帶動反饋桿9繞支點10作逆時針轉(zhuǎn)動，與反饋桿9安裝在同一支點的反饋凸輪11跟著作逆時針轉(zhuǎn)動。與此同時，副杠桿12在滾輪13的作用下開始繞支點14作順時針轉(zhuǎn)動，反饋彈簧15被拉伸。當(dāng)反饋彈簧15對主杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管1上的力達到力矩平衡時，調(diào)節(jié)閥氣動執(zhí)行閥桿達到平衡位置。因此，通過氣動閥門定位器可以在輸入信號與氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行閥桿位移（即調(diào)節(jié)閥開口量）之間建立起一對應(yīng)的關(guān)系。
圖3帶閥門定位器的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥工作原理添加氣動閥門定位器后可以在一定程度上減小氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的死區(qū)與滯后，但要*解決死區(qū)與滯后的影響，需從根本上解決調(diào)節(jié)閥的摩擦力補償?shù)葐栴}。
除氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)外，還有氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行閥桿通過氣缸驅(qū)動。
2.2電動執(zhí)行機構(gòu)
電動執(zhí)行機構(gòu)是采用電動機和減速裝置來移動調(diào)節(jié)閥門的執(zhí)行機構(gòu)，需與電動伺服放大器配套使用，其系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。由于帶有位移傳感器實時檢測執(zhí)行閥桿的位移，故電動執(zhí)行機構(gòu)不需額外配備閥門定位器就可以組成位置反饋控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)閥執(zhí)行閥桿的位移信號作為調(diào)節(jié)閥控制器的反饋測量信號，將控制器輸出的設(shè)定信號與反饋測量信號進行比較，當(dāng)兩者有偏差時，改變對伺服放大器的輸出，使執(zhí)行閥桿動作，從而建立起輸入信號與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行閥桿位移（即調(diào)節(jié)閥開口量）一一對應(yīng)的關(guān)系。通常電動執(zhí)行機構(gòu)的輸入信號是標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號，輸出位移可以是直行程、角行程和多轉(zhuǎn)式等類型[2]。
圖4電動執(zhí)行機構(gòu)組成框圖
2.3電液執(zhí)行機構(gòu)
電液執(zhí)行機構(gòu)將輸入的標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號轉(zhuǎn)換為電動機的機械能，然后通過液壓泵，將電動機的機械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，并經(jīng)管道和控制元件向前傳遞，zui后借助液壓執(zhí)行元件（如液壓缸）將液壓油的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥閥桿（閥軸）完成直線（回轉(zhuǎn)角度）運動，控制調(diào)節(jié)閥閥門的開度。電液執(zhí)行機構(gòu)的組成及系統(tǒng)框圖如圖5所示，位移傳感器所形成回路實際起著閥門定位器的作用，建立閥桿位移信號與調(diào)節(jié)閥控制器輸出信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系。
圖6是某類電液執(zhí)行機構(gòu)的工作原理圖。工控機根據(jù)調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的設(shè)置，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后以模擬信號的形式輸出設(shè)定信號，使電液比例方向閥2的左位工作。液壓泵1輸出的壓力油一路給蓄能器3充液，儲備液壓能，以備快速關(guān)閉或開啟的應(yīng)急功能，另一路經(jīng)過電液比例方向閥2的左位進入液壓缸6的左腔，推動活塞右移，調(diào)節(jié)閥門7打開。位移傳感器實時檢測調(diào)節(jié)閥開口量，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將閥門開度信號輸入工控機，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥控制器的處理后，又將信號輸出給電液比例方向閥。電液比例方向閥根據(jù)傳來的信號符號與大小確定活塞的移動方向和位移量，也就是調(diào)整調(diào)節(jié)閥開口的大小。
電磁換向閥4用于實現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉或開啟的應(yīng)急功能，而手動換向閥5用于實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機械手輪降級操作。
圖5電液執(zhí)行機構(gòu)框圖
圖6電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)原理
3調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的應(yīng)用
氣動執(zhí)行機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低廉、抗環(huán)境污染等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于氣動執(zhí)行機構(gòu)的氣體工作介質(zhì)具有較強的可壓縮性，使氣動執(zhí)行機構(gòu)的抗偏離能力比較差，給位置和速度的穩(wěn)定控制帶來很大的影響[5]，不適于快速響應(yīng)和大的執(zhí)行速度場合，從而限制了氣動執(zhí)行機構(gòu)在大型控制項目中的進一步推廣。
電動執(zhí)行機構(gòu)動作迅速、響應(yīng)快、所用電源取用方便、便于進行遠距離的信號傳遞，特別是隨著電子與計算機技術(shù)在工業(yè)控制過程中的廣泛應(yīng)用，電動執(zhí)行機構(gòu)具有很大的發(fā)展前途。但由于電動執(zhí)行機構(gòu)由電機、減速齒輪箱、控制箱等組成，當(dāng)實現(xiàn)大推力時，電動執(zhí)行機構(gòu)體積太龐大，而且其封閉的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生熱，防火防爆差，降低了安全性。
液壓傳動以幾乎不可壓縮的高壓液體作為傳遞動力的介質(zhì)，能夠輸出大的力或力矩，動作靈敏，運行較為平穩(wěn)，傳動無間隙，可在高速下啟動、制動、換向[6~7]。隨著國家大型電站等工業(yè)項目的推進，對調(diào)節(jié)閥提出了大推力（推力矩）、長行程、高精度、快速響應(yīng)等控制要求。電液執(zhí)行機構(gòu)結(jié)合了電子技術(shù)和液壓技術(shù)兩個方面的優(yōu)勢，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號處理靈活、易于實現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點，有助于調(diào)節(jié)閥適應(yīng)大型工業(yè)項目提出的控制要求，同時也適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(tǒng)化、智能化不斷提高的發(fā)展趨勢。
4結(jié)束語
執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部件，執(zhí)行機構(gòu)類型不同的調(diào)節(jié)閥工作性能有很大的差異。控制過程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動作。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計的主要內(nèi)容，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的關(guān)鍵所在。在選擇調(diào)節(jié)閥前應(yīng)充分了解不同執(zhí)行機構(gòu)類型調(diào)節(jié)閥的特點、適用范圍，根據(jù)不同的需要選擇不同執(zhí)行機構(gòu)類型的調(diào)節(jié)閥。