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(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵組成部件。針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)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(jī)構(gòu)類型，討論了不同類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成、工作原理和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)適用范圍進(jìn)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(chǎng)合，是工業(yè)生產(chǎn)過程zui常用的終端控制元件。執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，對(duì)通過的流體進(jìn)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(dòng)部分，執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)，并對(duì)各種類型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

    2調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    按操作能源的不同，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    2.1氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是zui常用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]，工作原理如圖1所示。將20～100kPa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)P通入薄膜氣室中，在薄膜上便產(chǎn)生一個(gè)向下的推力，驅(qū)動(dòng)閥桿部件向下移動(dòng)，調(diào)節(jié)閥門打開。與此同時(shí)，彈簧被壓縮，對(duì)薄膜產(chǎn)生一個(gè)向上的反作用力。當(dāng)彈簧的反作用力與氣壓信號(hào)在薄膜產(chǎn)生的推力相等時(shí)，閥桿部件停止運(yùn)動(dòng)。信號(hào)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(dòng)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(yùn)動(dòng)部件視為一典型的質(zhì)量-彈簧-阻尼環(huán)節(jié)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)受力模型如圖2所示。系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(hào)壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力；G為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，式（1）等號(hào)左端各項(xiàng)符號(hào)變負(fù)。

圖2系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，由于工作介質(zhì)的可壓縮性比較大，使得摩擦對(duì)其動(dòng)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(dòng)的影響，雖然調(diào)節(jié)閥控制器的輸出產(chǎn)生了一個(gè)用于糾正偏差的控制信號(hào)，但由于摩擦的存在，使得該信號(hào)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(hào)，只有當(dāng)控制信號(hào)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(shí)進(jìn)行，有時(shí)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(jìn)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(jìn)措施是通過給氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥配備氣動(dòng)閥門定位器[2]，如圖3所示。波紋管1的信號(hào)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(shí)，波紋管1的信號(hào)壓力也增大，主杠桿2便繞支點(diǎn)3作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)入薄膜氣室7的壓力也開始升高，閥桿8向下移動(dòng)，并帶動(dòng)反饋桿9繞支點(diǎn)10作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與反饋桿9安裝在同一支點(diǎn)的反饋凸輪11跟著作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，副杠桿12在滾輪13的作用下開始繞支點(diǎn)14作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，反饋彈簧15被拉伸。當(dāng)反饋彈簧15對(duì)主杠桿2的拉力與信號(hào)壓力作用在波紋管1上的力達(dá)到力矩平衡時(shí)，調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)執(zhí)行閥桿達(dá)到平衡位置。因此，通過氣動(dòng)閥門定位器可以在輸入信號(hào)與氣動(dòng)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(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖3帶閥門定位器的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥工作原理添加氣動(dòng)閥門定位器后可以在一定程度上減小氣動(dòng)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(bǔ)償?shù)葐栴}。

    除氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，還有氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行閥桿通過氣缸驅(qū)動(dòng)。

    2.2電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用電動(dòng)機(jī)和減速裝置來移動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需與電動(dòng)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(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行閥桿的位移，故電動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(hào)作為調(diào)節(jié)閥控制器的反饋測(cè)量信號(hào)，將控制器輸出的設(shè)定信號(hào)與反饋測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，改變對(duì)伺服放大器的輸出，使執(zhí)行閥桿動(dòng)作，從而建立起輸入信號(hào)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(duì)應(yīng)的關(guān)系。通常電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)，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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成框圖

    2.3電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

    電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)將輸入的標(biāo)準(zhǔn)電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，然后通過液壓泵，將電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(jī)械能，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿（閥軸）完成直線（回轉(zhuǎn)角度）運(yùn)動(dòng)，控制調(diào)節(jié)閥閥門的開度。電液執(zhí)行機(jī)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(shí)際起著閥門定位器的作用，建立閥桿位移信號(hào)與調(diào)節(jié)閥控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    圖6是某類電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理圖。工控機(jī)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(hào)的形式輸出設(shè)定信號(hào)，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(chǔ)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(jìn)入液壓缸6的左腔，推動(dòng)活塞右移，調(diào)節(jié)閥門7打開。位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)節(jié)閥開口量，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將閥門開度信號(hào)輸入工控機(jī)，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥控制器的處理后，又將信號(hào)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(hào)符號(hào)與大小確定活塞的移動(dòng)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(shí)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(dòng)換向閥5用于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機(jī)械手輪降級(jí)操作。

圖5電液執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)的應(yīng)用

    氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低廉、抗環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體工作介質(zhì)具有較強(qiáng)的可壓縮性，使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(chǎng)合，從而限制了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在大型控制項(xiàng)目中的進(jìn)一步推廣。

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作迅速、響應(yīng)快、所用電源取用方便、便于進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳遞，特別是隨著電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制過程中的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有很大的發(fā)展前途。但由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速齒輪箱、控制箱等組成，當(dāng)實(shí)現(xiàn)大推力時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積太龐大，而且其封閉的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生熱，防火防爆差，降低了安全性。

    液壓傳動(dòng)以幾乎不可壓縮的高壓液體作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，能夠輸出大的力或力矩，動(dòng)作靈敏，運(yùn)行較為平穩(wěn)，傳動(dòng)無間隙，可在高速下啟動(dòng)、制動(dòng)、換向[6~7]。隨著國家大型電站等工業(yè)項(xiàng)目的推進(jìn)，對(duì)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(jī)構(gòu)結(jié)合了電子技術(shù)和液壓技術(shù)兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號(hào)處理靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點(diǎn)，有助于調(diào)節(jié)閥適應(yīng)大型工業(yè)項(xiàng)目提出的控制要求，同時(shí)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(shì)。

    4結(jié)束語

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部件，執(zhí)行機(jī)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(dòng)作。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)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(jī)構(gòu)類型調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)、適用范圍，根據(jù)不同的需要選擇不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型的調(diào)節(jié)閥。