第二十章气动执行机构

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1、第二十章 气动执行机构第一节 电气转换器电/气转换器是将电动控制系统的标准信号(420mADC)转换为 标准气压信号(20100KPa)。通过它可以组成电/气混合系统以便发 挥各自的优点，扩大其使用范围。例如，电/气转换器可用来把电动 调节器或DCS的输出信号经转换后用以驱动气动执行机构，或将来自 各种电动变送器的输出信号经转换后送往气动调节器。电/气转换器是基于力矩平衡原理进行工作的。其简化原理图如 图 20-1 所示。图中：1 为喷嘴；2 为挡板；3 为磁钢；4 为支点；5 为平衡锤；6 为波纹管；7 为放大器；8 为气阻；9 为调零弹簧；10 为可动铁心。图 20-1 电/气转换器简化原

2、理图来自变送器或调节器的标准电流信号通过线圈后，产生一个电磁场。此电磁场把可动铁心磁化，并在磁钢的永久磁场作用下产生一个 电磁力矩，使可动铁心绕支点作顺时针转动。此时固定在可动铁心上 的挡板便靠近喷嘴，改变了喷嘴和挡板之间的间隙。喷嘴挡板机构是 气动仪表中一种最基本的变换和放大环节，它能将挡板对于喷嘴的微 小位移灵敏地变换成气压信号。气压信号经过气动放大器后产生的输 出压力增大，此压力反馈到波纹管中，便可在动铁心另一端产生一个 使可动铁心绕支点作逆时针转动的反馈力矩，此力矩与线圈产生的电 磁力矩相平衡，构成闭环系统。从而达到使输出压力与输入电信号成 比例地变化。第二节气动薄膜执行 机构气动执行

3、机构主要有薄膜式和活塞式两大类，并以薄膜式执行 机构应用最广，在电厂气动基地式自动控制系统中，常采用这类执 行机构。气动薄膜执行机构以清洁、干燥的压缩空气为动力能源，它 接收DCS或调节器或人工给定的20100kPa压力信号，并将此信号 转换成相应的阀杆位移（或称行程），以调节阀门、闸门等调节机构的 开度。气动薄膜执行器主要由气动薄膜执行机构、控制机构和气动阀门 定位器（辅助设备）几大部分组成，如图 20-2 所示。图中：1 为波纹 膜片；2 为压缩弹簧；3 为调节件；4为推杆；5为阀杆；6为压板； 7 为上阀盖；8 为阀体；9 为下阀盖；10 为阀座；11 为阀芯；12 为填 料；13 为反

4、馈连杆；14 为反馈凸轮；15 为挡板；16 为喷嘴；17 为 气动放大器；18为托板；19为波纹管；20 为拉紧弹簧。、气动薄膜执行机构20lOOKPa图20-2气动阀门定位器与气动薄膜执行器的配合气动薄膜执行机构的结构如图 20-2中右侧点划线框内的上半部分所示。它的主要工作部件由波纹膜片l、压缩弹簧2和推杆4组成。当压力信号（通常是20100kPa）通入薄膜气室时，在波纹膜片1 上产生向下的推力。此推力克服压缩弹簧 2的反作用力后，使推杆 4产生位移，直至弹簧2被压缩的反作用力与信号压力在膜片 1上产 生的推力相平衡时为止。 显然，压力信号越大，向下的推力也越大， 与之相平衡的弹簧力也越

5、大，即弹簧的压缩量也就越大。平衡时， 推杆的位移与输入压力信号的大小成正比关系。推杆的位移就是执 行机构的输出，通常称它为行程。调节件 3可用来改变压缩弹簧 2的 初始压紧力，从而调整执行机构的工作零点。二、气动阀门定位器 在执行机构工作条件差而要求调节质量高的场合，常把气动阀 门定位器与气动薄膜执行机构配套使用，组成闭环回路，利用负反 馈原理来改善调节质量，提高灵敏度和稳定性，使阀门能按输入的调 节信号准确地确定自己的开度。气动阀门定位器是一 个气 压-位移反馈 系 统， 它按位移 平 衡原理进行工作，其动作过程如下：当来自调节器（或定值 器）的气压信号 P 增加时，波纹管19的自由端产生相

6、应的推i力，推动托板18以反馈凸轮14为支点逆时针偏转，使固定在 托板18上的挡板15与喷嘴16之间的距离减小，喷嘴的背压上 升，气 动放大器17的输出压力 P 增大。 P 输入气动薄膜执行DD机构的气室A,对波纹膜片1施加向下的推力。此推力克服 压缩弹簧2的 反作用力 后，使推杆4向 下移动。推杆下 移时， 通过反馈连杆13带动反馈凸轮14绕凸轮轴O顺时针偏转，从 而推动托板18以波纹管19为支点逆时针转动，于是固定在托 板18上的挡板离开喷嘴16，喷嘴的背压下降，放大器17的输 出压力 减小。当输入信号使挡板15所产生的位移与反馈连杆 13 动 作（即阀杆5的 行程）使挡板15产生的 位移

7、相平衡时，推 杆 便稳定在一个新的 位置上。 此位置与输入信号相对应， 即执行机构的行程s与输入压力信号p成比例关系。i气动阀门定位器与气动薄膜执行机构配用时，也能实现正、反作用两种动作方式。正作用方式就是当输入气压信号 增加时，调节机构输出行程增加（推杆4下移）；反之，即 为反作用方式。正 作用方式要改变成反作用方式，只 需将反 馈凸轮反向安装，并将喷嘴从托板 18的左侧移至右侧即可。三、工作特性根据前述分析，若忽略机械系统的惯性及摩擦影响， 则可画出气动阀门定位器与气动薄膜执行机构配合使用时 的方框图，如图 20-3 所示。图 20-3 气 动 薄 膜 执 行 机 构 方框图图中：P为输入

8、信号；s为阀杆行程；A为波纹管19的有ii效面积； C 为波纹管19的位移刚度； K 为波纹管19的顶点到 ii喷嘴15之间的位移转换系数（根据三角形相似原理确定）；K为放大器17的转换放大系数； A 为波纹膜片的有效面积； C 为波纹膜 ss片及压缩弹簧组的位移刚度； K 为阀杆5到挡板15之间的位移转 f换系数（根据凸轮轮廓的形状及三角形相似原理确定）； F 为波纹i管所产生的输入力；S为波纹管顶点所产生的输出位移；h为输入ii信号使挡板 15产生的位移； h 为阀杆5的行程使挡板 15产生的位f移； F 为波纹膜片产生的推力：s由图20-2可得出该系统的传递函数为（20-1）A K K丄

9、丄w（s）=P（s）1 + KAK 丄s f C当KA K 1 ）1时，则上式可简化成s f CsW = AL（20-2）K Cfi式（20-2） 所表示的是气动薄膜执行机构与气动阀门定位器 配合使用时的输入气压信号 与 输出阀 杆位移 （或行程） 之间的 关系。由式 （20-2） 可知， 该执行机构具有以下几个特性：该执行机构可看成是一个比例环节，其比例系数与波纹管的有效面积 A 和它的位移 刚 度 C 、 位 移 转 换 系 数 K （ 托 板 长iii度）和K （凸轮的几何形状）有关。f气动薄膜执行机构由于配用了阀门定位器，引入了深度的位移负反馈， 因而消除了执行机构膜片有效面积和弹簧刚

10、度的 变化、薄膜气室的气容以及阀杆摩擦力等因素对阀位的影响，保 证了阀芯按输入信号精确定位，提高了调节准确度。由于使用了气动功率放大器，增强了供气能力，因而大大加快了执行机构的动作速度， 改善了调节阀的动态特性。 在特殊情况下还可改变定位器中的反馈凸轮形状（即改变 K ）来修改f调节阀的流量特性，以适应调节系统的要求。第三节ZSLD型电信号气动长行程执行机构气动活塞式执行机构由气缸内的活塞输出推力，由于气缸的允 许操作压力较大，故可获得较大的推力，并容易制造成长行程的执 行机构。所以，气动活塞式执行机构特别适用于高静压、高差压及 需要较大推力和位移（转角或直线位移 ）的工艺场合，显然在火电厂

11、中的许多控制系统中，应用这类执行机构较为合适。电信号气动长行程执行机构是以干燥、清洁的压缩空气为动 力能源的一种电 -气复合式执行机构。它可以与 DCS 或调节器配套 使用，接收DCS或调节器或人工给定的420mADC输入信号，输 出与输入信号成比例的角位移（0。90 ），以一定转矩推动 调节机构（阀门、挡板）动作。为适应控制系统的要求，气动执行 机构还具有一些附加功能，如三断 （断气源、断电源、断电信号 ） 自锁保护功能；阀位移电气远传功能等。电信号气动长行程执行机构主要由气缸、手操机构、输出轴、 电-气阀门定位器、阀位传送器、三断自锁装置 （自锁阀、电磁阀、 压力开关）、切换开关、平衡阀等

12、部件组成oZSLD型电信号气动长行 程执行机构工作原理如图 20-4 所示。图中：1 为气缸；2 为输出臂； 3 为连杆；4 为副杠杆；5 为滚轮；6 为凸轮；7 为凸轮转动支点； 8 为主杠杆； 9 为反馈弹簧； 10 为调零弹簧； 11 为主杠杆支点； 12 为力矩电机；13为平衡弹簧；14 为喷嘴；15为挡板；16为放大器； 17 为副杠杆支点； 18 为两位三通电磁阀；19 为控制阀；20 为继电 器；21为开关电路；22 为气阀；23为平衡阀；24为输出轴。242211317412181158159019142322216弾簧大 二二、气6/7A气室电源20 Q O气源图20-4 Z

13、SLD型电信号气动长行程执行机构工作原理示意图一、电-气阀门定位器电-气阀门定位器是电信号长行程执行机构的一个重要辅助设 备，气动执行机构的输出（角位移）与其输入电流信号成比例关系是 由阀门定位器来实现的。阀门定位器的输入信号为420mA直流电 流，输出信号为20100kPa。因此，电-气阀门定位器相当于电 -气转换器和气动阀门定位器的组合。电-气阀门定位器按力矩平衡原理进行工作。在定位器的主杠杆8上承受了三个作用力：信号电流流过线圈时，在力矩电机 内产生与信号 电流成正比的输出 力；反馈弹簧9的拉力；调 零弹簧10的拉力。当系统处于平衡状态时，上述三个力对主杠杆支点11的力矩之和 等于零。此

14、时，安装在主杠杆下端的挡板15处于两个喷嘴 14的中间 位置，使两放大器16的输出压力相等，故气缸l的活塞停在与输入 电流相对应的某一位置上。当输入电流信号 I 增加时，力矩电机的输出力也增加。假定该i力的方向为向左，则对主杠杆产生逆时针方向的力矩，使主杠杆 8 绕支点11作逆时针方向的转动， 固定在主杠杆 8下端的挡板15靠近 右喷嘴而离开左喷嘴，右喷嘴的背压增加，左喷嘴的背压下降。 两个背压信号经各自的放大器放大后输至气缸l活塞的上、下侧， 使上气缸的压力增加，下气缸的压力降低。在上、下气缸的压差 作用下，气缸活塞向下运动，带动输出臂作逆时针方向转动，输 出轴 24也转动，这个角位移被送到

15、控制机构（阀门或挡板）。输 出臂转动时，带动连杆 3向下移动，使凸轮 6绕支点 7逆时针转动， 凸轮6推动滚轮 5，使副杠杆 4绕支点 17顺时针转动，反馈弹簧 9 被拉伸，反馈弹簧对主杠杆 8的拉力增加，产生一个顺时针方向 的力矩作用在主杠杆 8上，主杠杆作顺时针方向转动。当反馈弹 簧力对主杠杆所产生的反馈力矩与力矩电机输出力作用在主杠杆 上的力矩相平衡时，整个系统重新达到平衡状态，但输出臂（轴） 已转动了一定的角度。输出臂的转角与输入电流信号的大小相对 应，但气缸活塞两侧产生的压差与外负载相平衡。因此，改变电 流信号的大小，即可改变输出臂的转角，它们之间有一一对应的关 系。当输入电流信号减小时，其动作过程与上述情况相反。由于凸轮绕支点 7的转角与连杆 3的位移之间不是线性关系， 而是正弦关系，因此，用正弦凸轮 6进行补偿，以使反馈力矩与 连杆3的位移呈线性关系，从而使气动执行机构的输出转角与输入 电流信号之间呈线性关系。气动长行程执行机构具有正作用和反作用两种作用方式。 正作 用方式就是当输入电流信号增加时， 输出臂作顺时针方向转动； 反 之，即为反作用方式。改变输入阀门定位器的电流信号的方向， 就可改变定位器的作用方式，即把正作用方式改成反作用方式