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1、第五章第五章 执行器执行器 本章重点介绍薄膜式气动执行本章重点介绍薄膜式气动执行器器(气动薄膜调节阀气动薄膜调节阀)的特性、选型。的特性、选型。 执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操执行器的作用：接受控制器的控制信号，调整操纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若纵变量。在生产现场，执行器直接控制工艺介质，若选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。选型或使用不当，会给生产过程的自动控制带来困难。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值 执行器按其能源形式可分为执行器按其能源形式
2、可分为气动、电动和液动气动、电动和液动三三大类。大类。 液动执行器液动执行器推力最大，但较笨重，很少使用。推力最大，但较笨重，很少使用。 电动执行器电动执行器的执行机构和调节机构是分开的的执行机构和调节机构是分开的两部两部分分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。流电流信号线性地转换为位移量。电动执行器安全防电动执行器安全防爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损爆性能较差，在行程受阻或阀杆被卡住时电机易受损。 气动执
3、行器气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程长，适用于要求有较大推力的场合；而薄膜式行程较小，直接带动阀杆。程较小，直接带动阀杆。 由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动由于气动执行器有结构简单，输出推力大，动作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、作平稳可靠，本质安全防爆等优点，因此它在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。炼油生产中获得了广泛的应用。 4.1 气动薄膜调节阀的结构、类型及材质4.1.1 气动薄膜调节阀的结构
4、气动薄膜调节阀的外型如图4-l所示，其内部简单结构如图4-2所示。它由两部分组成，上部为执行机构(也称膜头)，用来产生推力；下部为调节机构(也称阀体)，用来控制介质的流量。 如图所示：当来自控制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片如图所示：当来自控制器的气压信号增大时，作用在橡胶膜片上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹上的向下推力就增大，通过托板压缩弹簧，使推杆下移，直至与弹簧反作用力相平衡时为止。推杆簧反作用力相平衡时为止。推杆(亦即阀杆亦即阀杆)下移的距离与信号压力下移的距离与信号压力成比例。当信号压力增大时，阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。成比例。当信号压力增大时，
5、阀杆下移使调节阀关小，反之则开大。当信号压力在当信号压力在20-l00kPa范围内变化时，阀杆作全行程动作，阀门从范围内变化时，阀杆作全行程动作，阀门从全开到全关。全开到全关。P上盖薄膜托板阀杆阀座阀体阀芯推杆平行弹簧下盖 5.1.1.1 执行机构执行机构 执行机构分执行机构分正作用正作用和和反作用反作用两种形式，如图所示。当信号压两种形式，如图所示。当信号压力增加时推杆向下移动的叫力增加时推杆向下移动的叫正作用式正作用式；信号压力增加时推杆向上；信号压力增加时推杆向上移动的叫移动的叫反作用式反作用式。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。较大口径的调节阀都采用正作用的执行机构。 信号压力通
6、过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜信号压力通过波纹膜片的上方或下方进入气室后，在波纹膜片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的片上产生一个作用力，使推杆移动并压缩或拉伸弹簧，当弹簧的反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。反作用力与薄膜上的作用力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，推杆的位移量越大。信号压力越大，推杆的位移量越大。(a)正作用(b) 反作用图图4-3 执行机构的正反作用执行机构的正反作用 5.1.1.2 调节机构调节机构 调节机构是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在调节机构是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀芯在
7、阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻阀体内移动，改变了阀芯与阀座间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，操纵变量力系数，操纵变量(调节介质调节介质)的流量也相应改变，从而达到调节的流量也相应改变，从而达到调节工艺变量的目的。工艺变量的目的。 图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行图示为最常用的直通双座调节阀，阀杆上端通过螺母与执行机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流机构推杆相连接，推杆带动阀杆及阀杆下端的阀芯上下移动，流体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。体从左侧进入调节阀，然后经阀芯与阀座之间间隙从右侧流出。 阀芯与阀杆间
8、用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可阀芯与阀杆间用销钉连接，这种连接形式使阀芯根据需要可以正装（正作用）也可以倒装（反作用。以正装（正作用）也可以倒装（反作用。 调节机构调节机构 调节机构的正反作用调节机构的正反作用 执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气执行机构和调节机构组合起来可以实现气开式和气关式两种调节阀关式两种调节阀。有四种组合方式。有四种组合方式。 气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则气开式是输入气压越大时开度越大，而在失气是则全关，称全关，称FC型；型； 气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则气关式是输入气压越大时开度越小，而在失气时则全开，称全开，称FO
9、型。型。调节阀的气开、气关型式调节阀的气开、气关型式5.1.2 气动薄膜调节阀的类型气动薄膜调节阀的类型A 直通单座调节阀直通单座调节阀 阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀体内有一个阀芯和一个阀座。流体从左侧进入经阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易阀芯从右侧流出。由于只有一个阀芯和一个阀座，容易关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所关闭，因此泄漏量小，但在高压差、大口径时，阀芯所受到流体作用的不平衡推力较大。受到流体作用的不平衡推力较大。直通单座调节阀适用直通单座调节阀适用于压差较小、要求泄漏量较小的场合。于压差较小、要求泄漏量较小的场合。 直通单座调节阀
10、B 直通双座调节阀直通双座调节阀 阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，经过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座过上下阀芯汇合在一起从右侧流出。它与同口径的单座阀相比，流通能力增大阀相比，流通能力增大20左右，但泄漏量大，不平左右，但泄漏量大，不平衡推力小。衡推力小。直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对直通双座调节阀适用于阀两端压差较大、对泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高泄漏量要求不高的场合，但由于流路复杂而不适用于高粘度和带有固体颗粒的液体。粘度和带有固体颗粒的液体。直通双座调节阀 C 其他类型的调节阀其他类型的调节阀
11、(1)角形调节阀角形调节阀 阀体为直角，如图所示。阀体为直角，如图所示。角形阀流向一般都是底角形阀流向一般都是底进侧出，此时它的稳定性较好；进侧出，此时它的稳定性较好；在高压差场合，为了在高压差场合，为了延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发延长阀芯使用寿命而改用侧进底出的流向，但容易发生振荡。生振荡。角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，角形调节阀流路简单，阻力小，不易堵塞，适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体适用于高压差、高粘度、含有悬浮物和颗粒物质流体的调节的调节。 角形阀 (2)隔膜调节阀隔膜调节阀 用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由用耐腐蚀衬里的阀
12、体和耐腐蚀隔膜代替阀芯、阀座组件，由隔膜位移起调节作用隔膜位移起调节作用。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、。隔膜调节阀耐腐蚀性强，适用于对强酸、强碱等强腐蚀性介质流量的调节。结构简单，流路阻力小，流通强碱等强腐蚀性介质流量的调节。结构简单，流路阻力小，流通能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，能力较同口径的其他阀大，无泄漏量。但由于隔膜和衬里的限制，一般只能在压力低于一般只能在压力低于1MPa，温度低于温度低于150的情况下使用。的情况下使用。 隔膜调节阀隔膜调节阀 (3)三通调节阀三通调节阀 有合流阀和分流阀两种，前者是两路流体混合为一有合流阀和分流阀两种，前者是两路
13、流体混合为一路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流路，后者是一路流体分为两路。在阀芯移动时，总的流量不变，两路流量的比例得到了调节。量不变，两路流量的比例得到了调节。 在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会在采用合流阀时，如果两路流体温度相差过大，会造成较大的热应力，因此温差通常不能超过造成较大的热应力，因此温差通常不能超过150。 三通调节阀示意图三通调节阀示意图三通阀应用示例三通阀应用示例 （）（）套筒形调节阀套筒形调节阀结构特点结构特点是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能是在单座阀体内装有一个套筒，阀塞能在套筒内移动。当阀塞上下移动时，改变了套筒开孔在套筒内移动。当阀塞上下
14、移动时，改变了套筒开孔的流通面积，从而控制调节介质流量。的流通面积，从而控制调节介质流量。 由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定由于阀塞上有均压平衡孔，不平衡推力小，稳定性很高且噪音小。性很高且噪音小。因此适用于高压差、低噪音等场合，因此适用于高压差、低噪音等场合，但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。但不宜用于高温、高粘度、含颗粒和结晶的介质控制。 套筒形调节阀套筒形调节阀 5.1.3 气动薄膜调节阀的材质气动薄膜调节阀的材质 一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或一般情况下，阀体材料采用铸铁、铸钢或不锈钢。不锈钢。 特殊情况下（如腐蚀性介质），各种合金特殊情况下（如腐蚀性介质
15、），各种合金钢及高分子材料等也获得广泛的应用。钢及高分子材料等也获得广泛的应用。 调节机构中，介质与外界的密封一般用填调节机构中，介质与外界的密封一般用填料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，料函来实现，但在遇到剧毒、易挥发等介质时，可以用波纹管密封。可以用波纹管密封。 52 调节阀的静态特性调节阀的静态特性-流量特性流量特性 调节阀的静态特性（流量特性）是指流过调节阀的静态特性（流量特性）是指流过阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程阀门的调节介质的相对流量与阀杆相对行程(即即阀门的相对开度阀门的相对开度)之间的关系。之间的关系。 其数学表达式为：其数学表达式为： q / qmax =f
16、( l / lmax ) 或写成或写成 Q = f ( L ) Q= q / qmax表示调节阀某一开度的流量与全表示调节阀某一开度的流量与全开时的流量之比，称为相对流量；开时的流量之比，称为相对流量； L= l / lmax表示调节阀某一开度下阀杆行程表示调节阀某一开度下阀杆行程与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。与全开时阀杆全行程之比，称为相对开度。 流量特性通常用两种形式来表示：流量特性通常用两种形式来表示： (1)理想特性理想特性 即在阀的前后压差固定的条即在阀的前后压差固定的条件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全件下，流量与阀杆位移之间的关系，它完全取决于阀的结构参数。取决于阀的结构参数。 (2)工作特性工作特性 是指在工作条件下，阀门两是指在工作条件下，阀门两端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。端压差变化时，流量与阀杆位移之间的关系。 工作特性不仅取决于阀本身的结构数也工作特性不仅取决于阀本身的结构数也与配管情况有关。与配管情况有关。 5.2.1 调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性 调节阀的前后压差保持不变时得到的流量特性。调节阀的前后压差保持不变时得到的流量
