調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與分類研究

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理與分類研究摘要：調(diào)節(jié)閥是物料或能量供給系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，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)閥閥廣泛應(yīng)應(yīng)用于火火力發(fā)電電、核電電、化工工等流體體控制場(chǎng)場(chǎng)合，是是工業(yè)生生產(chǎn)過(guò)程程最常用用的終端端控制元元件。執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)和調(diào)節(jié)節(jié)閥

2、門是是組成調(diào)調(diào)節(jié)閥的的兩大部部件，執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)根據(jù)控控制信號(hào)號(hào)驅(qū)動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)閥門門，對(duì)通通過(guò)的流流體進(jìn)行行調(diào)節(jié)，從從而改變變操縱變變量的數(shù)數(shù)值112。作為為調(diào)節(jié)閥閥的驅(qū)動(dòng)動(dòng)部分，執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)在很大大程度上上影響著著調(diào)節(jié)閥閥的工作作性能。本本文討論論了調(diào)節(jié)節(jié)閥的執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)，并對(duì)對(duì)各種類類型執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的性能特特點(diǎn)進(jìn)行行了分析析。2調(diào)節(jié)節(jié)閥執(zhí)行行機(jī)構(gòu) 按操作作能源的的不同，調(diào)調(diào)節(jié)閥執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)可分為為氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)、電動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)和電電液執(zhí)行行機(jī)構(gòu)。 2.11氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu) 氣動(dòng)薄薄膜執(zhí)行行機(jī)構(gòu)是是最常用用的氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)33，工工作原理理如圖11所示。將將201000kPaa的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)氣壓信

3、信號(hào)P通通入薄膜膜氣室中中，在薄薄膜上便便產(chǎn)生一一個(gè)向下下的推力力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)閥桿部部件向下下移動(dòng)，調(diào)調(diào)節(jié)閥門門打開(kāi)。與與此同時(shí)時(shí)，彈簧簧被壓縮縮，對(duì)薄薄膜產(chǎn)生生一個(gè)向向上的反反作用力力。當(dāng)彈彈簧的反反作用力力與氣壓壓信號(hào)在在薄膜產(chǎn)產(chǎn)生的推推力相等等時(shí)，閥閥桿部件件停止運(yùn)運(yùn)動(dòng)。信信號(hào)壓力力越大，在在薄膜上上產(chǎn)生的的推力就就越大，彈彈簧壓縮縮量即調(diào)調(diào)節(jié)閥門門的開(kāi)度度也就越越大。 氣動(dòng)薄膜調(diào)調(diào)節(jié)閥 將與執(zhí)執(zhí)行閥桿桿剛性連連接的調(diào)調(diào)節(jié)閥運(yùn)運(yùn)動(dòng)部件件視為一一典型的的質(zhì)量-彈簧-阻尼環(huán)環(huán)節(jié)，系系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)受力模模型如圖圖2所示示。系統(tǒng)統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)動(dòng)過(guò)程滿滿足以下下方程： 方程式（11） 式中中：m為為與執(zhí)行行閥桿

4、剛剛性連接接的運(yùn)動(dòng)動(dòng)部件總總質(zhì)量；x為閥閥桿位移移；c為為阻尼系系數(shù)；ff為摩擦擦力；FFs為信信號(hào)壓力力在薄膜膜上產(chǎn)生生的推力力；G為為運(yùn)動(dòng)部部件總重重力；FFt為調(diào)調(diào)節(jié)閥所所控流體體在閥芯芯上的壓壓力差產(chǎn)產(chǎn)生的不不平衡力力；k為為彈簧剛剛度系數(shù)數(shù)。當(dāng)閥閥桿由下下往上運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，式式（1）等等號(hào)左端端各項(xiàng)符符號(hào)變負(fù)負(fù)。 圖2系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)動(dòng)受力力模型式（11）中的的摩擦力力是造成成調(diào)節(jié)閥閥死區(qū)與與滯后的的主要原原因44。對(duì)對(duì)于氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)而言言，由于于工作介介質(zhì)的可可壓縮性性比較大大，使得得摩擦對(duì)對(duì)其動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特特性的影影響更為為顯著。當(dāng)當(dāng)生產(chǎn)過(guò)過(guò)程受到到擾動(dòng)的的影響，雖雖然調(diào)節(jié)節(jié)閥控制制器的輸

5、輸出產(chǎn)生生了一個(gè)個(gè)用于糾糾正偏差差的控制制信號(hào)，但但由于摩摩擦的存存在，使使得該信信號(hào)并沒(méi)沒(méi)有產(chǎn)生生相應(yīng)的的閥桿位位移。這這就要求求控制器器輸出更更大的信信號(hào)，只只有當(dāng)控控制信號(hào)號(hào)超過(guò)一一定范圍圍，即死死區(qū)，才才能使閥閥桿產(chǎn)生生位移。死死區(qū)的存存在使調(diào)調(diào)節(jié)不能能及時(shí)進(jìn)進(jìn)行，有有時(shí)還造造成調(diào)節(jié)節(jié)的過(guò)量量，使調(diào)調(diào)節(jié)閥的的控制品品質(zhì)變差差。 為了減減小調(diào)節(jié)節(jié)閥死區(qū)區(qū)與滯后后的影響響，除了了改進(jìn)閥閥桿密封封填料結(jié)結(jié)構(gòu)，采采用合適適密封材材料等外外，目前前的主要要改進(jìn)措措施是通通過(guò)給氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)閥配備備氣動(dòng)閥閥門定位位器22，如如圖3所所示。波波紋管11的信號(hào)號(hào)壓力大大小由調(diào)調(diào)節(jié)閥控控制器調(diào)調(diào)節(jié)。當(dāng)當(dāng)調(diào)

6、節(jié)閥閥控制器器的輸出出增大時(shí)時(shí)，波紋紋管1的的信號(hào)壓壓力也增增大，主主杠桿22便繞支支點(diǎn)3作作逆時(shí)針針轉(zhuǎn)動(dòng)，于于是噴嘴嘴5與擋擋板4的的距離減減小，噴噴嘴的背背壓升高高，此背背壓經(jīng)過(guò)過(guò)放大器器6放大大后，進(jìn)進(jìn)入薄膜膜氣室77的壓力力也開(kāi)始始升高，閥閥桿8向向下移動(dòng)動(dòng)，并帶帶動(dòng)反饋饋桿9繞繞支點(diǎn)110作逆逆時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，與與反饋桿桿9安裝裝在同一一支點(diǎn)的的反饋凸凸輪111跟著作作逆時(shí)針針轉(zhuǎn)動(dòng)。與與此同時(shí)時(shí)，副杠杠桿122在滾輪輪13的的作用下下開(kāi)始繞繞支點(diǎn)114作順順時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，反反饋彈簧簧15被被拉伸。當(dāng)當(dāng)反饋彈彈簧155對(duì)主杠杠桿2的的拉力與與信號(hào)壓壓力作用用在波紋紋管1上上的力達(dá)達(dá)到力矩矩平

7、衡時(shí)時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)閥氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行閥閥桿達(dá)到到平衡位位置。因因此，通通過(guò)氣動(dòng)動(dòng)閥門定定位器可可以在輸輸入信號(hào)號(hào)與氣動(dòng)動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥執(zhí)行閥閥桿位移移（即調(diào)調(diào)節(jié)閥開(kāi)開(kāi)口量）之之間建立立起一對(duì)對(duì)應(yīng)的關(guān)關(guān)系。 圖3帶閥門門定位器器的氣動(dòng)動(dòng)薄膜調(diào)調(diào)節(jié)閥工工作原理理 添加氣氣動(dòng)閥門門定位器器后可以以在一定定程度上上減小氣氣動(dòng)薄膜膜調(diào)節(jié)閥閥的死區(qū)區(qū)與滯后后，但要要徹底解解決死區(qū)區(qū)與滯后后的影響響，需從從根本上上解決調(diào)調(diào)節(jié)閥的的摩擦力力補(bǔ)償?shù)鹊葐?wèn)題。 除氣動(dòng)動(dòng)薄膜執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)外，還還有氣動(dòng)動(dòng)活塞式式執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)，調(diào)調(diào)節(jié)閥執(zhí)執(zhí)行閥桿桿通過(guò)氣氣缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)。 2.22電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu) 電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)是采用用電動(dòng)機(jī)機(jī)和減速速裝置來(lái)

8、來(lái)移動(dòng)調(diào)調(diào)節(jié)閥門門的執(zhí)行行機(jī)構(gòu)，需需與電動(dòng)動(dòng)伺服放放大器配配套使用用，其系系統(tǒng)組成成框圖如如圖4所所示。由由于帶有有位移傳傳感器實(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)執(zhí)行閥閥桿的位位移，故故電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)不需額額外配備備閥門定定位器就就可以組組成位置置反饋控控制系統(tǒng)統(tǒng)，以調(diào)調(diào)節(jié)閥執(zhí)執(zhí)行閥桿桿的位移移信號(hào)作作為調(diào)節(jié)節(jié)閥控制制器的反反饋測(cè)量量信號(hào)，將將控制器器輸出的的設(shè)定信信號(hào)與反反饋測(cè)量量信號(hào)進(jìn)進(jìn)行比較較，當(dāng)兩兩者有偏偏差時(shí)，改改變對(duì)伺伺服放大大器的輸輸出，使使執(zhí)行閥閥桿動(dòng)作作，從而而建立起起輸入信信號(hào)與調(diào)調(diào)節(jié)閥執(zhí)執(zhí)行閥桿桿位移（即即調(diào)節(jié)閥閥開(kāi)口量量）一一一對(duì)應(yīng)的的關(guān)系。通通常電動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的輸輸入信號(hào)號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的電

9、流流或電壓壓信號(hào)，輸輸出位移移可以是是直行程程、角行行程和多多轉(zhuǎn)式等等類型2。 圖4電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)組成框框圖2.33電液執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu) 電液執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)將輸入入的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)電流或或電壓信信號(hào)轉(zhuǎn)換換為電動(dòng)動(dòng)機(jī)的機(jī)機(jī)械能，然然后通過(guò)過(guò)液壓泵泵，將電電動(dòng)機(jī)的的機(jī)械能能轉(zhuǎn)化為為液壓油油的壓力力能，并并經(jīng)管道道和控制制元件向向前傳遞遞，最后后借助液液壓執(zhí)行行元件（如如液壓缸缸）將液液壓油的的壓力能能轉(zhuǎn)化為為機(jī)械能能，驅(qū)動(dòng)動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥閥桿（閥閥軸）完完成直線線（回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度）運(yùn)運(yùn)動(dòng)，控控制調(diào)節(jié)節(jié)閥閥門門的開(kāi)度度。電液液執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的組組成及系系統(tǒng)框圖圖如圖55所示，位位移傳感感器所形形成回路路實(shí)際起起著閥門門定位器

10、器的作用用，建立立閥桿位位移信號(hào)號(hào)與調(diào)節(jié)節(jié)閥控制制器輸出出信號(hào)之之間的一一一對(duì)應(yīng)應(yīng)關(guān)系。 圖6是是某類電電液執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的工作原原理圖。工工控機(jī)根根據(jù)調(diào)節(jié)節(jié)閥控制制系統(tǒng)的的設(shè)置，經(jīng)經(jīng)D/AA轉(zhuǎn)換后后以模擬擬信號(hào)的的形式輸輸出設(shè)定定信號(hào)，使使電液比比例方向向閥2的的左位工工作。液液壓泵11輸出的的壓力油油一路給給蓄能器器3充液液，儲(chǔ)備備液壓能能，以備備快速關(guān)關(guān)閉或開(kāi)開(kāi)啟的應(yīng)應(yīng)急功能能，另一一路經(jīng)過(guò)過(guò)電液比比例方向向閥2的的左位進(jìn)進(jìn)入液壓壓缸6的的左腔，推推動(dòng)活塞塞右移，調(diào)調(diào)節(jié)閥門門7打開(kāi)開(kāi)。位移移傳感器器實(shí)時(shí)檢檢測(cè)調(diào)節(jié)節(jié)閥開(kāi)口口量，經(jīng)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換換后將閥閥門開(kāi)度度信號(hào)輸輸入工控控機(jī)，經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)

11、節(jié)閥控制制器的處處理后，又又將信號(hào)號(hào)輸出給給電液比比例方向向閥。電電液比例例方向閥閥根據(jù)傳傳來(lái)的信信號(hào)符號(hào)號(hào)與大小小確定活活塞的移移動(dòng)方向向和位移移量，也也就是調(diào)調(diào)整調(diào)節(jié)節(jié)閥開(kāi)口口的大小小。 電磁換換向閥44用于實(shí)實(shí)現(xiàn)電液液調(diào)節(jié)閥閥快速關(guān)關(guān)閉或開(kāi)開(kāi)啟的應(yīng)應(yīng)急功能能，而手手動(dòng)換向向閥5用用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥的機(jī)械械手輪降降級(jí)操作作。 圖5電液執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)框圖圖6電液調(diào)調(diào)節(jié)閥系系統(tǒng)原理理3調(diào)節(jié)節(jié)閥執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的應(yīng)用 氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)具有結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、維修修方便、價(jià)價(jià)格低廉廉、抗環(huán)環(huán)境污染染等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，在工工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)中得到到了廣泛泛的應(yīng)用用。但由由于氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)的氣氣體工作作介質(zhì)具具有較強(qiáng)強(qiáng)的可壓壓

12、縮性，使使氣動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)的抗偏偏離能力力比較差差，給位位置和速速度的精精確穩(wěn)定定控制帶帶來(lái)很大大的影響響5，不適適于快速速響應(yīng)和和大的執(zhí)執(zhí)行速度度場(chǎng)合，從從而限制制了氣動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)在大大型精確確控制項(xiàng)項(xiàng)目中的的進(jìn)一步步推廣。 電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)動(dòng)作迅迅速、響響應(yīng)快、所所用電源源取用方方便、便便于進(jìn)行行遠(yuǎn)距離離的信號(hào)號(hào)傳遞，特特別是隨隨著電子子與計(jì)算算機(jī)技術(shù)術(shù)在工業(yè)業(yè)控制過(guò)過(guò)程中的的廣泛應(yīng)應(yīng)用，電電動(dòng)執(zhí)行行機(jī)構(gòu)具具有很大大的發(fā)展展前途。但但由于電電動(dòng)執(zhí)行行機(jī)構(gòu)由由電機(jī)、減減速齒輪輪箱、控控制箱等等組成，當(dāng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)大大推力時(shí)時(shí)，電動(dòng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)機(jī)構(gòu)體積積太龐大大，而且且其封閉閉的結(jié)構(gòu)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生生熱，防防

13、火防爆爆差，降降低了安安全性。 液壓傳傳動(dòng)以幾幾乎不可可壓縮的的高壓液液體作為為傳遞動(dòng)動(dòng)力的介介質(zhì)，能能夠輸出出大的力力或力矩矩，動(dòng)作作靈敏，運(yùn)運(yùn)行較為為平穩(wěn)，傳傳動(dòng)無(wú)間間隙，可可在高速速下啟動(dòng)動(dòng)、制動(dòng)動(dòng)、換向向67。隨隨著國(guó)家家大型電電站等工工業(yè)項(xiàng)目目的推進(jìn)進(jìn)，對(duì)調(diào)調(diào)節(jié)閥提提出了大大推力（推推力矩）、長(zhǎng)長(zhǎng)行程、高高精度、快快速響應(yīng)應(yīng)等控制制要求。電電液執(zhí)行行機(jī)構(gòu)結(jié)結(jié)合了電電子技術(shù)術(shù)和液壓壓技術(shù)兩兩個(gè)方面面的優(yōu)勢(shì)勢(shì)，具有有控制精精度高、響響應(yīng)速度度快、輸輸出功率率大、信信號(hào)處理理靈活、易易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)各種參參量的反反饋等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，有有助于調(diào)調(diào)節(jié)閥適適應(yīng)大型型工業(yè)項(xiàng)項(xiàng)目提出出的控制制要求，同同時(shí)也適適應(yīng)了現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)業(yè)過(guò)程控控制系統(tǒng)統(tǒng)化、智智能化不不斷提高高的發(fā)展展趨勢(shì)。