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調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定位器，減壓器
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*三章 執(zhí)行器 一、概述 二、執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
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教學(xué)目標(biāo) |
1. 熟悉執(zhí)行器的分類(lèi)及特點(diǎn)、執(zhí)行器的組合方式、執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu) 2. 理解電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3. 了解閥門(mén)定位器 |
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教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)： 重點(diǎn)：執(zhí)行器的分類(lèi)及特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu) 難點(diǎn)：氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
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習(xí)題 |
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教學(xué)內(nèi)容 一、概述 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器的指令信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變被控對(duì)象進(jìn)、出的能量或物料，以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)控制。 執(zhí)行器常常工作在高溫、高壓、深冷、強(qiáng)腐蝕、高粘度、易結(jié)晶、閃蒸、汽蝕、高壓差等狀態(tài)下，使用條件惡劣，因此，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。如果執(zhí)行器選擇或使用不當(dāng)，往往會(huì)給生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化帶來(lái)困難。在許多場(chǎng)合下，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量下降、調(diào)節(jié)失靈，甚至因介質(zhì)的易燃、易爆、有毒而造成嚴(yán)重的事故。為此，對(duì)于執(zhí)行器的正確選用和安裝、維修等各個(gè)環(huán)節(jié)，必須給予足夠的注意。 （一）執(zhí)行器的分類(lèi)及特點(diǎn) 執(zhí)行器按其所使用的能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類(lèi)。 （1）電動(dòng)執(zhí)行器 電動(dòng)執(zhí)行器是以電能為動(dòng)力的，它的特點(diǎn)是獲取能源方便，動(dòng)作快，信號(hào)傳遞速度快，且可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)，便于和數(shù)字裝置配合使用等。所以電動(dòng)執(zhí)行器處于發(fā)展和上升時(shí)期，是一種有發(fā)展前途的裝置。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格貴和推動(dòng)力小，同時(shí)，一般來(lái)說(shuō)電動(dòng)執(zhí)行器不適合防火防爆的場(chǎng)合。但如果采用防爆結(jié)構(gòu)，也可以達(dá)到防火防爆的要求。 （2）氣動(dòng)執(zhí)行器
目前，國(guó)內(nèi)外所選用的執(zhí)行器中，液動(dòng)的很少。因此，本書(shū)只介紹電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行器。 （二）執(zhí)行器的組合方式 目前執(zhí)行器都有相應(yīng)的輔助裝置，如電/氣轉(zhuǎn)換器、閥門(mén)定位器等，根據(jù)實(shí)際需要可組成多種形式的電/氣混合系統(tǒng)。圖8-1給出了各種組合方式。 （1）氣動(dòng)調(diào)節(jié)器-閥門(mén)定位器-氣動(dòng)執(zhí)行器 （2）氣動(dòng)調(diào)節(jié)器-氣/電轉(zhuǎn)換器-電動(dòng)執(zhí)行器 該組合方式通過(guò)氣/電轉(zhuǎn)換器將氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的氣壓信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，從而推動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器工作，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)信號(hào)的遠(yuǎn)傳及與數(shù)字裝置的連接。 （3）電動(dòng)調(diào)節(jié)器-電/氣閥門(mén)定位器-氣動(dòng)執(zhí)行器 這是目前應(yīng)用較多的一種組合方式，通過(guò)電/氣閥門(mén)定位器可實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)為電信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)操作為氣動(dòng)執(zhí)行器。因此具備電動(dòng)和氣動(dòng)執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)。電/氣閥門(mén)定位器實(shí)際上是電/氣轉(zhuǎn)換器和氣動(dòng)閥門(mén)定位器的結(jié)合。 （三）執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)
為了保證執(zhí)行器能夠正常工作，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量和可靠性，執(zhí)行器還必須配備一定的輔助裝置。常用的輔助裝置有閥門(mén)定位器和手輪機(jī)構(gòu)。閥門(mén)定位器利用反饋原理改善執(zhí)行器性能，使執(zhí)行器能按調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)定位。手輪機(jī)構(gòu)用于直接操作調(diào)節(jié)閥，以便在停電、停氣、調(diào)節(jié)器無(wú)輸出或執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞而失靈的情況下，生產(chǎn)仍能正常工作。 二、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)輸入控制信號(hào)的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出力F（輸出力矩M）和位移（直線位移 執(zhí)行機(jī)構(gòu)有作用和反作用兩種作用方式：輸入信號(hào)增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向下運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為正作用；輸入信號(hào)增加，執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿向上運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為反作用。 （一）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受電動(dòng)調(diào)節(jié)器輸出的0～10mA，DC或4～20mA，DC信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的輸出軸角位移或直線位移，去操縱調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為兩大類(lèi)：直行程與角行程式。前者用于操縱直行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，后者用于操縱轉(zhuǎn)角式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，兩者都是以二相異步伺服電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)構(gòu)。角行程式執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為單轉(zhuǎn)式和多轉(zhuǎn)式。單轉(zhuǎn)式輸出的角位移一般小于3600，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為角行程式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；多轉(zhuǎn)式輸出的角位移超過(guò)3600，可達(dá)數(shù)圈，故稱(chēng)為多轉(zhuǎn)式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它和閘閥等多轉(zhuǎn)式調(diào)節(jié)閥配套使用。 1、基本結(jié)構(gòu)和工作原理
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服放大器和執(zhí)行單元兩大部分，其結(jié)構(gòu)原理方框圖如圖8-3所示。
圖8-4 圖8-4給出了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性圖。圖中顯示，輸出軸轉(zhuǎn)角θ和輸入信號(hào)Ii之間成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，其靜態(tài)傳遞系數(shù)K為9o /mA。 2、伺服放大器
伺服放大器主要由前置磁放大器、觸發(fā)器和可控硅交流開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。它與電機(jī)配合工作的伺服驅(qū)動(dòng)電路如圖8-5所示。 前置放大器是一個(gè)增益很高的放大器，根據(jù)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相減后偏差的正負(fù)，在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生兩位式的輸出電壓，控制兩個(gè)可控硅觸發(fā)電路中一個(gè)工作，一個(gè)截止。當(dāng)前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（－）時(shí)，觸發(fā)電路2截止，可控硅SCR2接在二極管橋式整流器的直流端，它的導(dǎo)通使橋式整流器的c、d兩端近于短接，故220V的交流電壓直接接到伺服電機(jī)的繞組Ⅰ，同時(shí)經(jīng)分相電容CF加到繞組Ⅱ上，這樣，繞組Ⅱ中的電流相位比繞組Ⅰ超前90o，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果前置放大器的輸出電壓極性和上述相反，即a（－）、b（+）時(shí)，觸發(fā)電路1截止，可控硅SCR1不通，而觸發(fā)電路2控制SCR2完全導(dǎo)通，使另一橋式整流器的兩端e、f近于短接，電源電壓直接加于電機(jī)繞組Ⅱ，并經(jīng)分相電容CF供電給繞組Ⅰ。這樣，繞組Ⅰ中的電流相位比繞組Ⅱ超前90o，電機(jī)朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于前置放大器的增益很高，只要偏差信號(hào)大于不靈敏區(qū)，觸發(fā)電路便可使可控硅導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)以全速轉(zhuǎn)動(dòng)，這里可控硅起的是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的作用。當(dāng)SCR1和SCR2都不導(dǎo)通，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 3、執(zhí)行單元
執(zhí)行單元由伺服電機(jī)、機(jī)械減速和位置發(fā)送器三部分組成。執(zhí)行單元接受伺服放大器或電動(dòng)操作器的輸出信號(hào)，控制伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)機(jī)械減速器減速后變成輸出力矩推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。與此同時(shí)，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的0～10mA，DC信號(hào)，作為閥位批示，并反饋到前置放大器的輸入端作為位置反饋信號(hào)以平衡輸入信號(hào)。 1、伺服電機(jī)
伺服電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)二相電容異步電機(jī)，它將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，作為執(zhí)行器的動(dòng)力部件。 伺服電機(jī)由一個(gè)用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠式轉(zhuǎn)子組成。定子上均布著兩個(gè)匝數(shù)、線徑相同而相隔90o電角度的定子繞組Ⅰ和Ⅱ。由于分相電容CF的作用，Ⅰ和Ⅱ的電流相位總是相差90o，其合成向量產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)又在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流并構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 如前所述，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向取決于Ⅰ和Ⅱ中的電流相位差，即取決于分相電容CF串接在哪一個(gè)定子繞組中。 2、減速器
由于伺服電機(jī)大多是高轉(zhuǎn)速小力矩的，必須經(jīng)過(guò)近千倍的減速，才能推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。常用的減速器有行星齒輪和蝸輪蝸桿兩種，其中行星齒輪減速器由于體積小、傳動(dòng)效率高、承載能力大、單級(jí)速比可達(dá)100倍以上，獲得廣泛的應(yīng)用。 3、位置發(fā)送器
位置發(fā)送器的作用是將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>0～10mA，DC反饋信號(hào)的裝置。其主要部分是差動(dòng)變壓器。 差動(dòng)變壓器的鐵芯與凸輪斜面是靠彈簧相接觸的，因此當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)凸輪使鐵芯左右移動(dòng)。凸輪斜面將保證鐵芯位置與輸出軸之轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。輸出軸旋轉(zhuǎn)90o時(shí)，鐵芯在線圈中相應(yīng)地移動(dòng) （二）氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受氣動(dòng)控制器或閥門(mén)定位器輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種類(lèi)型：薄膜式與活塞式。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、維修方便、價(jià)格低廉，是常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)；活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許操作壓力可達(dá)500kPa，因此輸出推力大，但價(jià)格較高。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為有彈簧和無(wú)彈簧兩種，有彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較之無(wú)彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力小、價(jià)格低。 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向下動(dòng)作的叫正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向上動(dòng)作的叫反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、本質(zhì)**防爆、維修方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，由其組成的氣動(dòng)控制閥一直是執(zhí)行器的主流產(chǎn)品。即使自70年代以來(lái)電動(dòng)控制儀表大量替代氣動(dòng)控制儀表，氣動(dòng)控制閥依然借助電/氣轉(zhuǎn)換技術(shù)被廣泛使用，并得到不斷發(fā)展和提高。 1、氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-8所示。它主要由膜片、壓縮彈簧、推桿、膜蓋、支架等組成。膜片為較深的盆形，采用丁脂橡膠作為涂層以增強(qiáng)滌綸織物的強(qiáng)度并保證密封性，工作溫度一般為－40～85℃；壓縮彈簧現(xiàn)采用多根組合形式，其數(shù)量為4根、6根或8根，這種組合形式可有效降低調(diào)節(jié)閥的高度。 當(dāng)信號(hào)壓力通入由上膜蓋1和波紋膜片2組成的薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，使推桿4向下移動(dòng)并壓縮彈簧6，當(dāng)彈簧的反作用力與信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡 時(shí)，推桿穩(wěn)定在一個(gè)新的位置，推桿的位移即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm2等六種規(guī)格。有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和推力也越大。 2、氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)
氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-9所示，其基本部分為氣缸，氣缸內(nèi)活塞隨氣缸兩側(cè)壓差而移動(dòng)。兩側(cè)可以分別輸入一個(gè)固定信號(hào)和一個(gè)變動(dòng)信號(hào)，或兩側(cè)都輸入變動(dòng)信號(hào)。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞兩側(cè)的操作壓力的大小，活塞從高壓側(cè)推向低壓側(cè)，使推桿從一個(gè)極端位置移到另一極端位置。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門(mén)定位器后，使推桿位移與信號(hào)壓力成比例關(guān)系。 此外，還有一種長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理與活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本相同，它具有行程長(zhǎng)、輸出力矩大的特點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)角位移為90o，直線位移為40～200mm，適用于輸出角位移和力矩的場(chǎng)合。 圖8-8 正作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖 圖8－9氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1—上膜蓋；2—膜片；3—下膜蓋；4—推桿；5—支架； 6—壓縮彈簧；7—彈簧座；8—調(diào)節(jié)桿； 9—連接閥桿螺母；10—行程標(biāo)尺 （三）閥門(mén)定位器 閥門(mén)定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的—種輔助儀表，它與氣動(dòng)執(zhí)行器配套使用。 在圖示8-8的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上的氣壓推力與彈簧反作用力平衡來(lái)確定的。實(shí)際上，為了防止閥桿引出處的泄漏，填料總要壓得很緊。盡管填料選用密封性好而摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯材料，填料對(duì)閥桿的摩擦力仍是不小的。特別是在壓力較高的閥上，由于填料壓得很緊，摩擦力可能相當(dāng)大。此外，被調(diào)節(jié)流體對(duì)閥心的作用力，在閥的尺寸大或閥前后壓差高、流體粘性大及含有固體懸浮物時(shí)也可能相當(dāng)大。所有這些附加力都會(huì)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)與輸入信號(hào)之間的定位關(guān)系。使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生回環(huán)特性，嚴(yán)重時(shí)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。因此，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差及要求調(diào)節(jié)質(zhì)量高的場(chǎng)合，都在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門(mén)定位器。 閥門(mén)定位器接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)后，去控制氣動(dòng)執(zhí)行器；當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)，閥桿的位移又通過(guò)機(jī)械裝置負(fù)反饋到閥門(mén)定位器，因此定位器和執(zhí)行器組成了一個(gè)閉環(huán)回路，圖8-10所示是閥門(mén)定位器的功能示意圖。圖中顯示，來(lái)自調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)p0經(jīng)定位器比例放大后輸出pa，用以控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，位置反饋信號(hào)外送回至定位器，由此構(gòu)成一個(gè)使閥桿位移與輸入壓力成比例關(guān)系的負(fù)反饋系統(tǒng)。
圖8-10 閥門(mén)定位器功能示意圖 閥門(mén)定位器能夠增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號(hào)的傳遞滯后，加快閥桿的移動(dòng)速度，能提高信號(hào)與閥位間的線性度，克服閥桿的摩擦力和消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。 |
教學(xué)方法 輔助手段 |
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氣動(dòng)執(zhí)行器是以壓縮空氣為動(dòng)力的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠穩(wěn)定、輸出力大、維護(hù)方便和防火防爆等優(yōu)點(diǎn)。所以廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力等部門(mén)，特別適用于具有危險(xiǎn)的石油、化工生產(chǎn)過(guò)程。其缺點(diǎn)是滯后大，不適宜遠(yuǎn)傳（
為滿(mǎn)足組成復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需要，伺服放大器有三個(gè)輸入信號(hào)通道和一個(gè)位置反饋通道。因此，它可以同時(shí)輸入三個(gè)信號(hào)和一個(gè)位置反饋信號(hào)。簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只用其中一個(gè)輸入通道和位置反饋通道。
