第五章 调节阀和执行机构

第五章执行器

第一节概述

一、执行器基础知识

执行器是自动控制系统的终端部分，直接安装在工艺管道上，通过接受调节器发出的控制信号，改变阀门的开度或电机的转速来改变管道中的介质流量，从而把被调参数控制在所要求的范围内，从而达到生产过程自动化。因此，执行器是自动控制系统中一个极为重要而又不可缺少的组成部门。

执行器按其能源形式可分为气动、电动和液动三大类。气动执行器习惯称为气动薄膜调节阀，它以压缩空气为能源，具有机构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、本质防爆、价格便宜、维修方便等独特的优点，因此被广泛应用在石油、化工、冶金、电力等工业部门中。

执行器常称调节阀，又称控制阀。它由执行机构和调节机构（也称调节阀）两部分组成，其中，执行机构是调节阀的推动部分，它按控制信号的大小产生相应的推力，通过阀杆使调节阀阀芯产生相应产生相应的位移（或转角）。调节机构是调节阀的调节部分，它与调节介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的目的。

二、气动执行器

一个气动调节系统由气源及减压过滤系统、电/气转换器（电/气阀门定位器）、气动执行器（执行机构和调节机构）构成。

1．气动执行机构

气动执行机构主要由膜盒、膜片、弹簧和阀杆等组成。气动执行机构有薄膜式（有弹簧）及活塞式（无弹簧）两类，后者往往采用较高的气压范围，使用于需要推力较大的场合。薄膜式执行机构的输入气压一般为20～100kPa；但也有40～200 kPa的，这时在调节器与执行机构之间应装设比例继动器或高气源阀门定位器，将调节器的输出气压提高。

执行机构是调节阀的推动装置，它根据控制信号压力的大小而产生相应的输出力来推动调节机构动作。当压力信号p增大时，推杆向下动作的为正作用；推杆向上动作的为反作用，但其工作原理是相同的。当压力信号进入薄膜气室时，橡胶膜片由于气体的作用而产生推力，使阀杆移动，压缩弹簧，直至弹簧的反作用与膜片上的作用力相平衡。输出推杆位移量L与输入气压信号P成正比关系，引入调节阀的压力信号不同，得到的位移量也不同，由此控制调节阀的开度。其输出位移的最大范围L为执行机构的行程。

2．调节机构

调节机构主要由阀体、阀座、阀杆、阀芯、上阀盖和密封填料等组成。调节机构是气动执行器的调节部分。在执行机构的推力作用下，当阀杆移动时，调节机构中的阀芯产生位移，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而改变被控介质的流量，以克服干扰对系统的影响，达到调节的目的。

调节阀的主要类型：直通单座调节阀；直通双座调节阀；角形调节阀；套筒型调节阀。

3. 电气转换器

电气转换器即是一个把电信号转换为气信号的设备，把控制室来的电Ⅲ型4～20mA信号，成比例的转化为20～100kPa的压力信号。来推动调节阀工作。当4～20mA信号输入电气转换器后经过滤波作用于线圈，其产生的磁强受永久磁钢的影响使线圈产生移动，改变了喷嘴与线圈挡板的距离，从而引起喷嘴背压的改变，其压力作用于气动功率放大器使输出发生变化，产生20～100kPa的气动信号。

4.电/气阀门定位器

电/气阀门定位器是由电气转换和阀门定位两部分组成。电气转换部分和电气转换器类似。4～20mA输入信号经过力矩马达磁钢后产生一力矩，其力矩使主杠杆差生位移并带动挡板移动。使挡板与喷嘴之间的位移发生变化，从而改变了喷嘴的背压使气动功率放大器的输出发生变化，输出的气动信号使调节阀阀杆产生移动。其位移经阀门定位的反馈杆反馈到反馈凸轮上，使反馈凸轮旋转带动负杠杆移动从而使主杠杆受到一反馈力。当反馈力与力矩磁钢产生的力矩平衡时调节阀阀杆停止移动。

三、电动执行机构

以我公司应用较多的PS电动执行机构为例。

PS直行程电动执行机构(PSL)最大行程达到100mm，最大推力可达25kN，适合于直线动作的开关和调节控制.主要由相互隔离的的电器控制部分和齿轮轴部分组成，电机连接两隔离部分的中间部件。电机按伺服放大器的控制要求旋转，先经过高效率齿轮减速，再经大减速比具有自锁性能的蜗轮蜗杆组件传送到输出轴，作直行程运动。输出轴的径向锁定装置上连接一个杆，杆随同输出轴同步运动，通过一个与它连接的关板将位置转换成电信号给伺服放大器作为比较和阀位反馈输出，同时执行机构的行程也可由开关盘上的两个主限位开关限制。PSL同阀杆的联接采用盘簧柔性联接方式，这种联接一方面可以克服由于阀杆同输出轴不同轴，带给阀门的损害；另一方面可以通过压缩盘簧来预置阀门的关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。

PSQ 90°角行程电动执行机构，输出力矩为50Nm-700Nm，适合于90°旋转阀门（如球阀.蝶阀）和风门的开关与调节控制。PSQ角行程执行机构主要是由相互隔离的电器控制部分和齿轮传动部分组成，电机做为连接两隔离部分的中间部件。电机转矩通过主齿轮传送到行星齿轮，主齿轮驱动行星齿轮带动中空的齿轮，以此带动输出轴做0～90°的转动。中空齿轮比二级齿轮少三个齿，因此可以由行星齿轮驱动，行星齿轮转一周中空齿轮转动三个齿。行星齿轮的外部始终啮合一个蜗杆齿轮，运行时也不分开，这种设计使电机在故障或阀门转矩意外增加时可以直接通过手轮进行手动。执行机构有两个螺纹止档机械限位，也有两限位开关来实现电限位，每一个转向的行程范围可以通过限位开关的设置来控制，阀门开度由一个凸起的显示器指示，独特的转矩开关可调整从50%～100%的最大转矩，实现转矩保护，以防止阀门被卡死时造成的阀杆损坏。

四、电液阀

电液阀是用被调介质压力作为动力源，通过电磁阀的开关来控制介质流过膜套的方向从而实现阀的开关。其主要用在仪表风铺设比较困难，被调介质实现两位式控制的场合。

电液阀的工作原理：

电液阀由主阀、常开电磁阀、常闭电磁阀组成。常开电磁阀装在阀的上游管路。常闭电磁阀装在阀的下游管路。当电磁阀通电后，上游高压管路介质被挡住，阀套中的介质被排到下游管路。膜片两端产生压差，主阀打开。反之，主阀关闭。在流动过程中，常开线圈通电，压力截聚在阀套中，阀门通过液压锁定在一恒定的流量。

五、特阀

特阀是催化反应区的待生塞阀、重油单动滑阀、汽油单动滑阀、半再生单动滑阀、一再双动滑阀、二再双动滑阀的通称。因为这些调节系统不同与一般的调节阀，其执行机构为风动马达或气缸需要动力风来带动，调节距离大。与普通调节阀相比特阀有以下特点：

1、安装在催化反应区的重要位置，其运行的精度及可靠程度直接关系着工艺的生产和安全。

2、仪表设备复杂繁多，要求精度高。

3、安装、调试过程复杂烦琐。

4、没有工艺副线，维修维护时间短。

5、维修时需协同工艺、机修不同工种人员进行。

第二节选型与设计

一、调节阀：

1.调节阀口径的确定：

1)调节阀口径的确定，应符合下列规定：

A.根据工艺正常流量计算的流量系数C计值，经适当放大，圆整为C选，使其符合制造厂提

供的流量系数系列，由此确定调节阀口径。

B.对于S≥0.3的一般工况，可采用下列方法估算调节阀流量系数放大倍数：

C选／C计≥m

式中：

m-----流量系数放大倍数（线性调节阀取1.63，等百分比调节阀取1.97）

C.圆整后的C选值应保证调节阀的相对行程处于表1规定的范围。