执行机构原理及结构

执行器的工作原理及结构

一、概述

执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用。人们常把它称为实现生产过程控制的手足，因为它在自动化控制系统中接受调节器的控制信号，自动的改变调节变量，达到对被调参数（如温度、压力、流量、液位等）进行调节的目的，使生产过程按预定要求正常进行。

执行器根据执行机构使用的能源不同可可分为气动、电动和液动三大类。

电动执行器

电动执行器是以电能为动力的，它的特点是获取能源方便，动作快，信号传递速度快，且可远距离传输信号，便于和数字装置配合使用等。所以电动执行器处于发展和上升时期，是一种有发展前途的装置。其缺点是结构复杂，价格贵和推动力小，同时，一般来说电动执行器不适合防火防爆的场合。但如果采用防爆结构，也可以达到防火防爆的要求。

气动执行器

气动执行器是以压缩空气为动力的，具有结构简单、动作可靠稳定、输出力大、维护方便和防火防爆等优点。所以广泛应用于石油、化工、冶金、电力等部门，特别适用于具有爆炸危险的石油、化工生产过程。其缺点是滞后大，不适宜远传（150m以内），不能与数字装置连接。

目前，国内外所选用的执行器中，液动的很少。

执行器的基本结构

执行器由执行机构和调节阀（调节机构）两个部分组成，执行机构是执行器的推动装置，它根据控制信号的大小，产生相应的推力，推动调节阀动作。调节阀是执行器的调节部分，在执行机构推力的作用下，调节阀产生一定的位移或转角，直接调节流体的流量。

为了保证执行器能够正常工作，提高调节质量和可靠性，执行器还必须配备一定的辅助装置。常用的辅助装置有阀门定位器和手轮机构。阀门定位器利用反馈原理改善执行器性能，使执行器能按调节器的控制信号，实现准确定位。手轮机构用于直接操作调节阀，以便在停电、停气、调节器无输出或执行机构损坏而失灵的情况下，生产仍能正常工作。

二、气动执行机构

气动执行机构接受气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，并将其转换成相应的推杆直线位移，以推动调节阀动作。

气动执行机构主要有两种类型：薄膜式与活塞式。薄膜式执行机构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉，是最常用的一种执行机构；活塞式执行机构允许操作压力可达500kpa，因此输出推力大，但价格较高。

气动执行机构又可分为有弹簧和无弹簧两种，有弹簧的气动执行机构较之无弹簧的气动执行机构输出推力小、价格低。

气动执行机构有正作用和反作用两种形式。当信号压力增加时推杆向下动作的叫正作用式执行机构；信号压力增加时推杆向上动作的叫反作用式执行机构

气动薄膜执行机构使用弹性膜片将输入气压转变为推杆的推力，通过推杆使阀芯产生相应的位移，改变阀的开度，气动活塞式执行机构以汽缸内的活塞输出推力，由于汽缸允许压力较高，可获得较大的推力，并容易制成长行程执行机构。一个典型的气动薄膜型执行机构主要由弹性薄膜、压缩弹簧和推杆组成。

图为薄膜气动阀结构示意图

当信号压力P进入气室时，此时压力乘以膜片的有效面积得到推力，使推杆移动，弹簧受压，直到弹簧产生的反作用力与薄膜上的推力平衡为止。信号压力越大，推力越大，推杆的位移计弹簧的压缩量也越大。推杆的位移范围就是执行机构的行程。推杆则从零走到全行程，阀门就从全开（或全关）到全关（或全开）。

一般控制气源的装置有电磁阀，全开或全关，定位器能实现调节作用。

气动活塞式执行机构

气动活塞式执行机构，其基本部分为气缸，气缸内活塞随气缸两侧压差而移动。两侧可以分别输入一个固定信号和一个变动信号，或两侧都输入变动信号。它的输出特性有比例式及两位式两种。两位式是根据输入执行机构活塞两侧的操作压力的大小，活塞从高压侧推向低压侧，使推杆从一个极端位置移到另一极端位置。比例式是在两位式基础上加有阀门定位器后，使推杆位移与信号压力成比例关系。

此外，还有一种长行程执行机构，其结构原理与活塞式执行机构基本相同，它具有行程长、输出力矩大的特点，输出转角位移为90o，直线位移为40～200mm，适用于输出角位移和力矩的场合。

阀门定位器

阀门定位器是气动执行器的—种辅助仪表，它与气动执行器配套使用。在的气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的，门定位器接受调节器的输出信号后，去控制气动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位移又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此定位器和执行器组成了一个闭环回路，阀门定位器能够增加执行机构的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能提高信号与阀位间的线性度，克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响，从而

保证调节阀的正确定位。

图为智能阀门定位器的功能图

三、电动执行器的工作原理:

电动执行机构的工作原理都是利用电机的正反转来实现阀门的开关。

1、电动执行器的分类：

电动执行机构一般有开关型与调节型两种，智能执行机构可实现开关型和调节型的选型，电动执行器按运动形式可分为直行程和角行程两种，按停止种类划分也可分为力矩停与行程停两种，现阶段的智能型电动执行机构在生产过程中根据不同需要两种形式都可以选择，电动执行器按装配的阀门与减速机构不同有多回转型（3600）和部分回转型（900）

2、电动执行机构的构成

a) 电动机;

b) 减速传动机构;

c) 转矩控制(机械式或电子式);

d) 行程控制(机械式或电子式);

e) 位置指示(机械式或电子式);

f) 位置信号反馈(用户要求时提供);

9) 手动操作机构:

h) 手一电动切换;

i) 功率控制(用户要求时提供)。

3、电动执行机构通用技术要求

电动执行机构应在下列条件下正常工作:

a) 环境条件。

1) 海拔应不高于1000m;

2) 工作环境温度:

开关型电动执行机构一0℃一+800C

调节型电动执行机构一20℃一+600C

3) 工作环境相对湿度不大于90% (250C );

4) 工作环境不含有强腐蚀性、易燃、易爆的介质。

b) 电源条件。

1) 电压额定值:

三相38 0X (1 士10 % ) V

单相22 0X (1 士10 %)V

2) 频率值50 X (1士1%)H z.

c) 特殊条件。

特殊电源条件和特殊环境条件中使用的电动执行机构可另行规定。

4、电动执行机构配用的电动机应能满足电动执行机构的各项性能要求。

4.1 电动执行机构外表面应平整、光滑，不得有裂纹、毛刺及磕碰等影响外观质量的缺陷，表面涂漆

层应附着牢固、平整、光滑、色泽均匀，无油污、压痕和其他机械损伤。

4.2电动执行机构接线部分应有接地螺钉及标志。

4.3 电动执行机构手动操作机构应有开关方向指示，宜为面向手轮顺时针为“关”，逆时针为“开”。

4.4电气接线应符合接线图的要求，布线光滑平整，固定牢固，导线不得开裂，绝缘层不得损伤。电动执行机构的动力电源和控制信号的进线应分开。

4.5 电动执行机构各裸露带电回路之间，以及带电零部件与导电零部件或接地零部件之间(不包括印刷电路板)的电气间隙和爬电距离应符合要求。

4.6电动执行机构配置现场位置指示机构时，该指示机构指针的指向应与输出轴的开关旋向一致，

并且运行中无停顿、滞后现象，旋转角度范围应为80'-280'。

4.7电动执行机构配置位置发送器时，所供电源电压应为直流12V^-30V，其输出位置信号应为

(4 -20) mADC，与电动执行机构最终输出实际位移的误差应不大于输出位置信号示值范围的11%.

4.8 电动执行机构在空载下的噪声，用声级计计量应不大于声压级75dB (A).

4.9 电动执行机构所有载流部分与外壳间的绝缘电阻应不低于20MU 0

4.10 手一电动切换机构应灵活可靠，电动时手轮不得转动(摩擦力带动除外)。

4.11 电动执行机构的最大控制转矩应不小于额定转矩。最小控制转矩应不大于额定转矩，同时应不大于最大控制转矩的50%.