調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用及形式

    本章討論目前Z廣泛地用于操作調(diào)節(jié)閥的通用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式，這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分成六種通用的形式：

    1、氣動薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    2、活塞（氣缸）式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    3、電動—液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    4、性能伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    5、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    6、手動手輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    在目前的實(shí)際應(yīng)用中，十分可能有80%以上的調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用氣動活塞式或薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此本章大量論述的是這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

選擇參數(shù)

    在考慮任何執(zhí)行機(jī)構(gòu)之前，不如先考慮選用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種個參數(shù)更為些，這也許比考慮置于調(diào)節(jié)回咱中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性更為重要。

    在任何調(diào)節(jié)回路中，當(dāng)然有被控制的過程，在被測參數(shù)的范圍以內(nèi)也可能出現(xiàn)偏差。在這個范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)回路的*部分是偏差的檢測裝置。這就是測量被調(diào)參數(shù)，并使之與一個容許的數(shù)值相比較的儀表。如果確定了被調(diào)參數(shù)與容許的數(shù)值之間存在偏差，儀表就會自動地向調(diào)節(jié)閥發(fā)送出一個偏差校正信號。

    這個偏差校正信號可以采取許多種形式，可以是一個低功率的電信號，也可以是液壓信號或氣動信號。這些偏差校正信號可能有足夠的量值，作為調(diào)節(jié)閥的動力源，用來控制過程，特別是這些信號如果是液壓信號或氣動信號尤其如此。偏差校正信號（也可能是個動力）被傳送到Z終控制單元，這是通過在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的壓力損失來引起系統(tǒng)中出現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)把調(diào)節(jié)閥的閥桿及閥芯移動到這樣的位置，使進(jìn)入過程中的能量改變，以便恢復(fù)到按誤差測量裝置所決定的那個容許的數(shù)值上去。

    因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是Z終控制單元的一部分，它根據(jù)來自偏差檢測裝置的誤差校正信號，以推動調(diào)節(jié)閥。它不是使調(diào)節(jié)閥作直線運(yùn)動（例如在球形閥中），就是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（例如在蝶閥和球閥中）。

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其要與偏差校正信號相適應(yīng)，例如，或從儀表來的偏差校正信號是液壓信號，那么，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須是能適用于液壓流體的。

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其要與偏差校正信號中產(chǎn)生足夠的力，以克服在閥體內(nèi)部由于壓力降所產(chǎn)生的Z大不平衡力，這個力在球形閥中是等于壓力乘上面積的線性關(guān)系，而在蝶閥內(nèi)作為力矩出現(xiàn)的是可變的力。

    Z后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)其操作環(huán)境，所謂環(huán)境適應(yīng)性可以舉例說明，比如在煉油或化工廠中使用，那里由電氣引起火災(zāi)或爆炸的可能性很大，就要求在電動或電動—液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上有防爆的外殼。環(huán)境適應(yīng)性還會要求準(zhǔn)備特種抗腐蝕或耐酸的油漆，特別是會所執(zhí)行機(jī)構(gòu)曝露于酸蒸氣或其他腐蝕劑的環(huán)境狀態(tài)下，尤其如此。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式

    薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力密封氣室位于膜片的上方，該氣室中壓力增加時，引起了向下運(yùn)動，這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常被稱為正作用薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的周圍來用密封的方法，可以使下氣室構(gòu)成壓力密封，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的氣動信號可以連接到該氣室上，把上氣室接通大氣，并改變彈簧的安裝方案，使推桿向上移動時壓縮彈簧。這樣，在下氣室中的信號壓力增加時就會造成推桿向上運(yùn)動。這種形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常被稱為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每種形式的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的剖面連同必要的術(shù)語于圖1和圖2中。

    考慮如圖3中所示的單座正使用閥的閥體組合件簡圖，假設(shè)進(jìn)口壓力（p₁）為40磅/英寸²表壓；出口壓力表（p₁）為10磅/英寸²表壓，閥門的流通面積為12.56平方英寸（公稱通徑為4"的閥門），沿閥桿的軸向所產(chǎn)生的力有助于打開閥門，此力為（p₁—p₂）x流通面積（30磅/英寸²×12.56平方英寸）即376.8磅。

    應(yīng)當(dāng)注意上述是真正的理想情況，是假設(shè)了125平方英寸面積的膜片能夠找到，又能選到剛度合適的彈簧與之相配。在實(shí)際應(yīng)用中，通常情況并非如此，絕大多數(shù)情況是要在彈簧范圍與膜片面積之間進(jìn)行一些折衷，以便盡可能接近儀表的信號和功率輸出。大多數(shù)的調(diào)節(jié)閥制造廠都備有范圍足夠廣泛的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和彈簧，這樣在正常的儀表信號和功率范圍內(nèi)（3～15磅/英寸²表壓、3～27磅/英寸²表壓和6～30磅/英寸²表壓）才能夠受的適應(yīng)到1/2磅/英寸²表壓的給定范圍。

    在結(jié)束薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的討論時，請參閱圖4，這是某制造廠供應(yīng)的一種反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)擁有同樣的零部件），圖上列出了所有名稱。請注意實(shí)際上只有兩上零件是受環(huán)境狀態(tài)的巨大影響的。這兩個零件是膜片——不論正反作用膜頭都如此，還有反作用膜頭上的推桿密封件。大多數(shù)的閥門制造廠都使用玻璃纖維、棉紗或尼龍增強(qiáng)的氯丁橡膠膜片作為正常的環(huán)境條件下使用。如果環(huán)境條件超過200℉，就要使用溫材料諸如帶滌綸或玻璃纖維織物的硅橡膠、氟橡膠或了聚丙烯酸樹脂等來作膜片。偶然也有用濉壓或其他作薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力源的，這就需要在膜片上襯以或鋪上一薄塊耐流體的柔性材料，諸如聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯。關(guān)于推桿密封（通常是o形環(huán)）或膜片材料的使用，很多較大的調(diào)節(jié)閥制造廠對給定的環(huán)境或可通遼存在原腐蝕問題能夠提供特殊的解決辦法。

    盡管它有適應(yīng)性強(qiáng)和價格等點(diǎn)，但是仍有一些事例表明薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不能滿意地應(yīng)用的。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)一個固有的缺點(diǎn)是必須使用較大的膜片面積，這就要求有較大的膜片盒。當(dāng)膜片盒變得更大，保持壓力的有效能力就變小了。例如某些制造廠有一個300平方英寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但膜室內(nèi)能承受的壓力只有30磅/英寸²表壓。雖然這個膜頭能產(chǎn)生9000磅的力，膜片盒子外徑已達(dá)27英寸；因此配在不平衡力大的功所產(chǎn)生的力大的小閥門上時，整個裝配件就變得頭重腳輕，在閥門和操作器連接上還會出現(xiàn)其他的應(yīng)力問題。

活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)通  常可在大多數(shù)閥門制造廠中買到的另一種形式的氣勸或液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)（也稱氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。雖然活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)所沒有的點(diǎn)。

    通常氣缸是鑄造或鍛造的，比薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的鑄造或沖壓的膜片盒能承受更的壓力。由于它有更的壓力等級，因此，用較小的直徑就能送出更大的力。活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為應(yīng)付壓降的手工勞動段是非常有效的，特別是配上閥門定位器使用時，定位器能發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力往往達(dá)工廠極限的空氣額定壓力。

    氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是彈簧回程的，雖然一般的氣負(fù)荷式執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常配上閥門定位器，用于比例或定位調(diào)節(jié)閥時只是使用空氣壓力。

    圖5是一個帶冷藏定位器的氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并裝有氣墊。儀表信號饋送到裝在氣缸頂上的閥門定位器中，反饋彈簧是放在閥門定位器的下面。由于壓力作用在活塞上，通過閥門定位器使儀表信號與閥門位置發(fā)生，開始在活塞的上方加載或制裁，以推動閥桿到達(dá)要求的位置。

    圖5還表示同一形式的氣缸，利用一個反作用的定位器連接成代替原來的正作用（即儀表信號增加引起活塞香山下移動的作用），變成儀表售增加引起操作器推桿向上移動。這種特殊連接也表明另一特點(diǎn)，即萬一氣源斷開時閥桿有可能向下移動。如果氣源斷開時，氣源管線上的止回閥關(guān)上，三通閥打開，允許貯氣罐來的氣壓直接進(jìn)入氣缸的氣室，把閥桿向下推。與此同時，氣墊式減壓閥來的氣壓。它仍然留在氣缸的下部，活塞向下移動時就會被排出。

    圖6表示出一個不帶任何附屬儀表或控制裝置的雙作用氣缸。這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)明顯地打算用來作雙位控制用，配上三通電磁閥空氣滑閥時，便于工作能夠很快地進(jìn)行開啟和關(guān)閉的動作，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)在間歇操作或周期性工作時是很有用的。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以用管子或離心鑄造制成，能夠用到極的操作壓力，供大推力的場合使用。

    圖7表示一個氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用常規(guī)的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架，并帶有彈簧以反抗其運(yùn)動。它能象常規(guī)的薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)那樣使用，但能夠在給定的支架和彈簧組合下提供更長的行程。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)刀可如插圖所示配上一個定位器，并且不需要附加的“氣墊”和隨之而來的管道。

    這些低功率電信號通常為24～65伏直流，數(shù)量級為1～5、4～20或10～50毫安。

    在一個有代表性的設(shè)計中，如圖8所示，電流信號饋送至一個移動的線圈中，當(dāng)信號電流變化時，線圈的*磁鐵的磁場內(nèi)相應(yīng)地移動。在這個特定設(shè)計中的線圈還連接有個擺動噴嘴，壓油流從噴嘴中噴出。當(dāng)信號使得線圈的位置變化時，轉(zhuǎn)軸隨之而變，噴嘴把壓測量方法噴入兩個油缸壓力接收器中的一個之內(nèi)，使活塞兩邊中的一邊壓力增加或減少，引起閥桿移動。閥桿到達(dá)新的位置上時，作用在噴嘴上的力平衡了，因?yàn)閲娮熘匦禄氐接透變蓚€壓力接收器的中間，閥桿不再進(jìn)一步移動。

    一般說來，電動—液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的點(diǎn)是可以安裝在離儀表很遠(yuǎn)的地方，可以不需要有其他輔助的壓力，例如不需要?dú)鈩訅毫聿倏v閥門。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)還不能為化工和石油加工工廠所廣泛接受，也許是因?yàn)橥瑤?font color="#0000ff">電氣轉(zhuǎn)換器的薄膜推動的調(diào)節(jié)閥機(jī)構(gòu)比起來，連續(xù)運(yùn)行的費(fèi)用比較昂貴，而且由于這種機(jī)構(gòu)本身需要一個懷定的壓力源，意味著要使用穩(wěn)壓電源，用泵來壓送流體。還有，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作速度有時還低于薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的速度，即使到寫作本文時，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的Z大推力仍然稍低于大膜頭的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或壓氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

性能伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)  許多公司已經(jīng)研制了電動—液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一種變型，供靜壓極、閥內(nèi)的壓差極大、而且還隨之要求開關(guān)速度很、要求閥桿以極速移動或者有極的頻率響應(yīng)特性的場合使用。

    圖9表示這種性能伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作原理。閥桿的動作通過電位器或線性差動變壓器在伺服放大器內(nèi)和儀表信號相比較。然后有個信號送到性能伺服閥內(nèi)，此閥把壓油加進(jìn)壓油缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的這一側(cè)或那一側(cè)?；蛘邚钠渲蟹懦鰤河?，執(zhí)行機(jī)構(gòu)則直接固定在閥桿上。多余的液壓油則返回集油器。

    主雜的缺點(diǎn)是它們也需要十分強(qiáng)有力的外部液壓源。當(dāng)然，這個液壓源能夠用來供給很多閥門，從早到晚由于操作費(fèi)用和安裝費(fèi)用很，限制了它們的銷路，主要用于航空和宇航領(lǐng)域。

    電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)近年發(fā)展起來用作比例調(diào)節(jié)的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式還有電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動—洗衣盆壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)之一，即恒速轉(zhuǎn)動的電機(jī)和示，在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不出現(xiàn)了。電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)扔組成有：由電機(jī)傳動的齒輪組和絲杠，用以驅(qū)動閥桿。還有電子式定位器和一個電子反饋裝置。一個典型的例子如釁10中所示。輸入信號的變化，其量值相當(dāng)于在閥內(nèi)的閥桿所要求的位置，此信號輸進(jìn)定位器中（通常是一個差動放大器），產(chǎn)生一個電壓來推動電機(jī)連接的齒輪組和絲杠。閥桿和連在其上的輸出機(jī)構(gòu)的合成運(yùn)動傳到電位器或線性差動變壓器，產(chǎn)生一個電壓，使行程增加，并反饋到定位器。當(dāng)輸入信號電壓和反饋電壓相等時，輸出到電機(jī)的電壓趨近于零，電機(jī)停轉(zhuǎn)，閥桿停留在要求的位置上。相反，當(dāng)電壓不等時，則電機(jī)向著使電壓相等的方向旋轉(zhuǎn)。

    電動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)明顯地和電動—液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場使用時有同樣的點(diǎn)。能夠在長距離中使用，只有微不足道的信號輸遲后。還能避免氣動系統(tǒng)在極冷的環(huán)境條件下結(jié)霜的問題。但電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常仍然是比較昂貴的，雖然它比電動—液壓單元更為有效。

手動執(zhí)行機(jī)構(gòu)  手動執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格地說不是比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雖然如此，因?yàn)槭謩訖C(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，本章還是對它們作了簡要的指述。

    在圖11中所示的是一種不帶動力源的純粹手動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式。這就真正使得調(diào)節(jié)閥的閥體組合件比手動閥多不了什么東西。但是有這種場合，即使沒有和自動控制系統(tǒng)連上，也需要流過閥門的流量很。調(diào)節(jié)閥閥體組合件帶一個手動執(zhí)行機(jī)構(gòu)便可以用于流量特性已知的場合。這些閥門能直接從閥門行程指示器讀出閥位，即裝有準(zhǔn)確的輔助指示器以作更為準(zhǔn)確的操作之用。