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(dòng)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(dòng)—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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

    6、手動(dòng)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(dòng)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(gè)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(guò)程，在被測(cè)參數(shù)的范圍以?xún)?nèi)也可能出現(xiàn)偏差。在這個(gè)范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)回路的*部分是偏差的檢測(cè)裝置。這就是測(cè)量被調(diào)參數(shù)，并使之與一個(gè)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(huì)自動(dòng)地向調(diào)節(jié)閥發(fā)送出一個(gè)偏差校正信號(hào)。

    這個(gè)偏差校正信號(hào)可以采取許多種形式，可以是一個(gè)低功率的電信號(hào)，也可以是液壓信號(hào)或氣動(dòng)信號(hào)。這些偏差校正信號(hào)可能有足夠的量值，作為調(diào)節(jié)閥的動(dòng)力源，用來(lái)控制過(guò)程，特別是這些信號(hào)如果是液壓信號(hào)或氣動(dòng)信號(hào)尤其如此。偏差校正信號(hào)（也可能是個(gè)動(dòng)力）被傳送到Z終控制單元，這是通過(guò)在調(diào)節(jié)閥內(nèi)的壓力損失來(lái)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(dòng)到這樣的位置，使進(jìn)入過(guò)程中的能量改變，以便恢復(fù)到按誤差測(cè)量裝置所決定的那個(gè)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(lái)自偏差檢測(cè)裝置的誤差校正信號(hào)，以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥。它不是使調(diào)節(jié)閥作直線運(yùn)動(dòng)（例如在球形閥中），就是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（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(hào)相適應(yīng)，例如，或從儀表來(lái)的偏差校正信號(hào)是液壓信號(hào)，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(hào)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(gè)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(shuō)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(dòng)或電動(dòng)—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(huì)要求準(zhǔn)備特種抗腐蝕或耐酸的油漆，特別是會(huì)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(shí)，引起了向下運(yùn)動(dòng)，這樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常被稱(chēng)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?chē)鷣?lái)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(dòng)信號(hào)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(dòng)時(shí)壓縮彈簧。這樣，在下氣室中的信號(hào)壓力增加時(shí)就會(huì)造成推桿向上運(yùn)動(dòng)。這種形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常被稱(chēng)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(yǔ)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(jiǎn)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(mén)的流通面積為12.56平方英寸（公稱(chēng)通徑為4"的閥門(mén)），沿閥桿的軸向所產(chǎn)生的力有助于打開(kāi)閥門(mén)，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(hào)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(hào)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(shí)，請(qǐng)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(chēng)。請(qǐng)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(gè)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(mén)制造廠都使用玻璃纖維、棉紗或尼龍?jiān)鰪?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(guò)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(shù)脂等來(lái)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(duì)給定的環(huán)境或可通遼存在原腐蝕問(wèn)題能夠提供特殊的解決辦法。

    盡管它有適應(yīng)性強(qiáng)和價(jià)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(mǎn)意地應(yīng)用的。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)一個(gè)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(gè)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(gè)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(mén)上時(shí)，整個(gè)裝配件就變得頭重腳輕，在閥門(mén)和操作器連接上還會(huì)出現(xiàn)其他的應(yīng)力問(wèn)題。

活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)通  ?？稍诖蠖鄶?shù)閥門(mén)制造廠中買(mǎi)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(chēng)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(méi)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(jí)，因此，用較小的直徑就能送出更大的力?；钊綀?zhí)行機(jī)構(gòu)作為應(yīng)付壓降的手工勞動(dòng)段是非常有效的，特別是配上閥門(mén)定位器使用時(shí)，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(mén)定位器，用于比例或定位調(diào)節(jié)閥時(shí)只是使用空氣壓力。

    圖5是一個(gè)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(hào)饋送到裝在氣缸頂上的閥門(mén)定位器中，反饋彈簧是放在閥門(mén)定位器的下面。由于壓力作用在活塞上，通過(guò)閥門(mén)定位器使儀表信號(hào)與閥門(mén)位置發(fā)生，開(kāi)始在活塞的上方加載或制裁，以推動(dòng)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(gè)反作用的定位器連接成代替原來(lái)的正作用（即儀表信號(hào)增加引起活塞香山下移動(dòng)的作用），變成儀表售增加引起操作器推桿向上移動(dòng)。這種特殊連接也表明另一特點(diǎn)，即萬(wàn)一氣源斷開(kāi)時(shí)閥桿有可能向下移動(dòng)。如果氣源斷開(kāi)時(shí)，氣源管線上的止回閥關(guān)上，三通閥打開(kāi)，允許貯氣罐來(lái)的氣壓直接進(jìn)入氣缸的氣室，把閥桿向下推。與此同時(shí)，氣墊式減壓閥來(lái)的氣壓。它仍然留在氣缸的下部，活塞向下移動(dòng)時(shí)就會(huì)被排出。

    圖6表示出一個(gè)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(lái)作雙位控制用，配上三通電磁閥空氣滑閥時(shí)，便于工作能夠很快地進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的動(dòng)作，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)在間歇操作或周期性工作時(shí)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(chǎng)合使用。

    圖7表示一個(gè)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(dòng)。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(zhǎng)的行程。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)刀可如插圖所示配上一個(gè)定位器，并且不需要附加的“氣墊”和隨之而來(lái)的管道。

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

    在一個(gè)有代表性的設(shè)計(jì)中，如圖8所示，電流信號(hào)饋送至一個(gè)移動(dòng)的線圈中，當(dāng)信號(hào)電流變化時(shí)，線圈的*磁鐵的磁場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)地移動(dòng)。在這個(gè)特定設(shè)計(jì)中的線圈還連接有個(gè)擺動(dòng)噴嘴，壓油流從噴嘴中噴出。當(dāng)信號(hào)使得線圈的位置變化時(shí)，轉(zhuǎn)軸隨之而變，噴嘴把壓測(cè)量方法噴入兩個(gè)油缸壓力接收器中的一個(gè)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(dòng)。閥桿到達(dá)新的位置上時(shí)，作用在噴嘴上的力平衡了，因?yàn)閲娮熘匦禄氐接透變蓚€(gè)壓力接收器的中間，閥桿不再進(jìn)一步移動(dòng)。

    一般說(shuō)來(lái)，電動(dòng)—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?dòng)壓力來(lái)操縱閥門(mén)。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(dòng)的調(diào)節(jié)閥機(jī)構(gòu)比起來(lái)，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(gè)懷定的壓力源，意味著要使用穩(wěn)壓電源，用泵來(lái)壓送流體。還有，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作速度有時(shí)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(xiě)作本文時(shí)，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(dòng)—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(kāi)關(guān)速度很、要求閥桿以極速移動(dòng)或者有極的頻率響應(yīng)特性的場(chǎng)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(dòng)作通過(guò)電位器或線性差動(dòng)變壓器在伺服放大器內(nèi)和儀表信號(hào)相比較。然后有個(gè)信號(hào)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(gè)液壓源能夠用來(lái)供給很多閥門(mén)，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(xiāo)路，主要用于航空和宇航領(lǐng)域。

    電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)近年發(fā)展起來(lái)用作比例調(diào)節(jié)的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式還有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動(dòng)—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(dòng)的電機(jī)和示，在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不出現(xiàn)了。電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)扔組成有：由電機(jī)傳動(dòng)的齒輪組和絲杠，用以驅(qū)動(dòng)閥桿。還有電子式定位器和一個(gè)電子反饋裝置。一個(gè)典型的例子如釁10中所示。輸入信號(hào)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(hào)輸進(jìn)定位器中（通常是一個(gè)差動(dòng)放大器），產(chǎn)生一個(gè)電壓來(lái)推動(dòng)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(dòng)傳到電位器或線性差動(dòng)變壓器，產(chǎn)生一個(gè)電壓，使行程增加，并反饋到定位器。當(dāng)輸入信號(hào)電壓和反饋電壓相等時(shí)，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(shí)，則電機(jī)向著使電壓相等的方向旋轉(zhuǎn)。

    電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)明顯地和電動(dòng)—液壓式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)有同樣的點(diǎn)。能夠在長(zhǎng)距離中使用，只有微不足道的信號(hào)輸遲后。還能避免氣動(dòng)系統(tǒng)在極冷的環(huán)境條件下結(jié)霜的問(wèn)題。但電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常仍然是比較昂貴的，雖然它比電動(dòng)—液壓?jiǎn)卧鼮橛行А?/p>

手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)  手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格地說(shuō)不是比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)，雖然如此，因?yàn)槭謩?dòng)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，本章還是對(duì)它們作了簡(jiǎn)要的指述。

    在圖11中所示的是一種不帶動(dòng)力源的純粹手動(dòng)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(dòng)閥多不了什么東西。但是有這種場(chǎng)合，即使沒(méi)有和自動(dòng)控制系統(tǒng)連上，也需要流過(guò)閥門(mén)的流量很。調(diào)節(jié)閥閥體組合件帶一個(gè)手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)便可以用于流量特性已知的場(chǎng)合。這些閥門(mén)能直接從閥門(mén)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。