摘 要： 調節(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)行機構是調節(jié)閥的關鍵組成部件。針對執(zhí)行機構對調節(jié)閥工作性能的影響，分析了調節(jié)閥的執(zhí)行機構類型，討論了不同類型執(zhí)行機構的組成、工作原理和特點，在此基礎上對不同類型的執(zhí)行機構適用范圍進行了探討，為調節(jié)閥的選擇提供指導作用。
1 引言
調節(jié)閥廣泛應用于火力發(fā)電、核電、化工等流體控制場合，是工業(yè)生產過程最常用的終端控制元件。執(zhí)行機構和調節(jié)閥門是組成調節(jié)閥的兩大部件，執(zhí)行機構根據控制信號驅動調節(jié)閥門，對通過的流體進行調節(jié)，從而改變操縱變量的數(shù)值[1～2]。作為調節(jié)閥的驅動部分，執(zhí)行機構在很大程度上影響著調節(jié)閥的工作性能。本文討論了調節(jié)閥的執(zhí)行機構，并對各種類型執(zhí)行機構的性能特點進行了分析。
2 調節(jié)閥執(zhí)行機構
按操作能源的不同，調節(jié)閥執(zhí)行機構可分為氣動執(zhí)行機構、電動執(zhí)行機構和電液執(zhí)行機構。
2.1 氣動執(zhí)行機構
氣動薄膜執(zhí)行機構是最常用的氣動執(zhí)行機構[3]，工作原理如圖1所示。將20～100kPa的標準氣壓信號P通入薄膜氣室中，在薄膜上便產生一個向下的推力，驅動閥桿部件向下移動，調節(jié)閥門打開。與此同時，彈簧被壓縮，對薄膜產生一個向上的反作用力。當彈簧的反作用力與氣壓信號在薄膜產生的推力相等時，閥桿部件停止運動。信號壓力越大，在薄膜上產生的推力就越大，彈簧壓縮量即調節(jié)閥門的開度也就越大。
圖1 氣動薄膜調節(jié)閥
將與執(zhí)行閥桿剛性連接的調節(jié)閥運動部件視為一典型的質量-彈簧-阻尼環(huán)節(jié)，系統(tǒng)運動受力模型如圖2所示。系統(tǒng)在運動過程滿足以下方程：
（1）
式中：m為與執(zhí)行閥桿剛性連接的運動部件總質量； x為閥桿位移；c為阻尼系數(shù)；f為摩擦力；Fs為信號壓力在薄膜上產生的推力；G為運動部件總重力； Ft為調節(jié)閥所控流體在閥芯上的壓力差產生的不平衡力；k為彈簧剛度系數(shù)。當閥桿由下往上運動時，式（1）等號左端各項符號變負。
圖2 系統(tǒng)運動受力模型
式（1）中的摩擦力是造成調節(jié)閥死區(qū)與滯后的主要原因[4]。對于氣動執(zhí)行機構而言，由于工作介質的可壓縮性比較大，使得摩擦對其動態(tài)響應特性的影響更為顯著。當生產過程受到擾動的影響，雖然調節(jié)閥控制器的輸出產生了一個用于糾正偏差的控制信號，但由于摩擦的存在，使得該信號并沒有產生相應的閥桿位移。這就要求控制器輸出更大的信號，只有當控制信號超過一定范圍，即死區(qū)，才能使閥桿產生位移。死區(qū)的存在使調節(jié)不能及時進行，有時還造成調節(jié)的過量，使調節(jié)閥的控制品質變差。
為了減小調節(jié)閥死區(qū)與滯后的影響，除了改進閥桿密封填料結構，采用合適密封材料等外，目前的主要改進措施是通過給氣動調節(jié)閥配備氣動閥門定位器[2]，如圖3所示。波紋管1的信號壓力大小由調節(jié)閥控制器調節(jié)。當調節(jié)閥控制器的輸出增大時，波紋管1的信號壓力也增大，主杠桿2便繞支點3作逆時針轉動，于是噴嘴5與擋板4的距離減小，噴嘴的背壓升高，此背壓經過放大器6放大后，進入薄膜氣室7的壓力也開始升高，閥桿8向下移動，并帶動反饋桿9繞支點10作逆時針轉動，與反饋桿9安裝在同一支點的反饋凸輪11跟著作逆時針轉動。與此同時，副杠桿12在滾輪13的作用下開始繞支點14作順時針轉動，反饋彈簧15被拉伸。當反饋彈簧15對主杠桿2的拉力與信號壓力作用在波紋管1上的力達到力矩平衡時，調節(jié)閥氣動執(zhí)行閥桿達到平衡位置。因此，通過氣動閥門定位器可以在輸入信號與氣動調節(jié)閥執(zhí)行閥桿位移（即調節(jié)閥開口量）之間建立起一對應的關系。
圖3 帶閥門定位器的氣動薄膜調節(jié)閥工作原理
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添加氣動閥門定位器后可以在一定程度上減小氣動薄膜調節(jié)閥的死區(qū)與滯后，但要徹底解決死區(qū)與滯后的影響，需從根本上解決調節(jié)閥的摩擦力補償?shù)葐栴}。
除氣動薄膜執(zhí)行機構外，還有氣動活塞式執(zhí)行機構，調節(jié)閥執(zhí)行閥桿通過氣缸驅動。
2.2 電動執(zhí)行機構
電動執(zhí)行機構是采用電動機和減速裝置來移動調節(jié)閥門的執(zhí)行機構，需與電動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時檢測執(zhí)行閥桿的位移，故電動執(zhí)行機構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)，以調節(jié)閥執(zhí)行閥桿的位移信號作為調節(jié)閥控制器的反饋測量信號，將控制器輸出的設定信號與反饋測量信號進行比較，當兩者有偏差時，改變對伺服放大器的輸出，使執(zhí)行閥桿動作，從而建立起輸入信號與調節(jié)閥執(zhí)行閥桿位移（即調節(jié)閥開口量）一一對應的關系。通常電動執(zhí)行機構的輸入信號是標準的電流或電壓信號，輸出位移可以是直行程、角行程和多轉式等類型[2]。
圖4 電動執(zhí)行機構組成框圖
2.3 電液執(zhí)行機構
電液執(zhí)行機構將輸入的標準電流或電壓信號轉換為電動機的機械能，然后通過液壓泵，將電動機的機械能轉化為液壓油的壓力能，并經管道和控制元件向前傳遞，最后借助液壓執(zhí)行元件（如液壓缸）將液壓油的壓力能轉化為機械能，驅動調節(jié)閥閥桿（閥軸）完成直線（回轉角度）運動，控制調節(jié)閥閥門的開度。電液執(zhí)行機構的組成及系統(tǒng)框圖如圖5所示，位移傳感器所形成回路實際起著閥門定位器的作用，建立閥桿位移信號與調節(jié)閥控制器輸出信號之間的一一對應關系。
圖6是某類電液執(zhí)行機構的工作原理圖。工控機根據調節(jié)閥控制系統(tǒng)的設置，經D/A轉換后以模擬信號的形式輸出設定信號，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，儲備液壓能，以備快速關閉或開啟的應急功能，另一路經過電液比例方向閥2的左位進入液壓缸6的左腔，推動活塞右移，調節(jié)閥門7打開。位移傳感器實時檢測調節(jié)閥開口量，經過A/D轉換后將閥門開度信號輸入工控機，經過調節(jié)閥控制器的處理后，又將信號輸出給電液比例方向閥。電液比例方向閥根據傳來的信號符號與大小確定活塞的移動方向和位移量，也就是調整調節(jié)閥開口的大小。
電磁換向閥4用于實現(xiàn)電液調節(jié)閥快速關閉或開啟的應急功能，而手動換向閥5用于實現(xiàn)調節(jié)閥的機械手輪降級操作。
圖5 電液執(zhí)行機構框圖
圖6 電液調節(jié)閥系統(tǒng)原理
3 調節(jié)閥執(zhí)行機構的應用
氣動執(zhí)行機構具有結構簡單、維修方便、價格低廉、抗環(huán)境污染等優(yōu)點，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。但由于氣動執(zhí)行機構的氣體工作介質具有較強的可壓縮性，使氣動執(zhí)行機構的抗偏離能力比較差，給位置和速度的精確穩(wěn)定控制帶來很大的影響[5]，不適于快速響應和大的執(zhí)行速度場合，從而限制了氣動執(zhí)行機構在大型精確控制項目中的進一步推廣。
電動執(zhí)行機構動作迅速、響應快、所用電源取用方便、便于進行遠距離的信號傳遞，特別是隨著電子與計算機技術在工業(yè)控制過程中的廣泛應用，電動執(zhí)行機構具有很大的發(fā)展前途。但由于電動執(zhí)行機構由電機、減速齒輪箱、控制箱等組成，當實現(xiàn)大推力時，電動執(zhí)行機構體積太龐大，而且其封閉的結構會產生熱，防火防爆差，降低了安全性。
液壓傳動以幾乎不可壓縮的高壓液體作為傳遞動力的介質，能夠輸出大的力或力矩，動作靈敏，運行較為平穩(wěn)，傳動無間隙，可在高速下啟動、制動、換向[6~7]。隨著國家大型電站等工業(yè)項目的推進，對調節(jié)閥提出了大推力（推力矩）、長行程、高精度、快速響應等控制要求。電液執(zhí)行機構結合了電子技術和液壓技術兩個方面的優(yōu)勢，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、信號處理靈活、易于實現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點，有助于調節(jié)閥適應大型工業(yè)項目提出的控制要求，同時也適應了現(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。
4 結束語
執(zhí)行機構是調節(jié)閥的關鍵部件，執(zhí)行機構類型不同的調節(jié)閥工作性能有很大的差異?？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調節(jié)閥能否準確動作。選擇恰當?shù)恼{節(jié)閥是管路設計的主要內容，也是保證調節(jié)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的關鍵所在。在選擇調節(jié)閥前應充分了解不同執(zhí)行機構類型調節(jié)閥的特點、適用范圍，根據不同的需要選擇不同執(zhí)行機構類型的調節(jié)閥。
參考文獻：
[1] 陸培文.調節(jié)閥實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.
[2] 何衍慶，邱宣振，楊潔，等.控制閥工程設計與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.
[3] 王毅.過程裝備控制技術及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.
[4] EMERSON.Control valve handbook[M].U.S.A：Fisher Controls International LLC，2005.
[5] 董曉倩.基于比例閥的氣動伺服系統(tǒng)最優(yōu)控制策略[J].液壓與氣動，2007（3）：27-30.
[6] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等.新編實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006.
[7] 趙凱，李占平，關友兵.智能電液閥門執(zhí)行機構控制器的研究[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（3）：115-117.
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