调节阀执行机构研究
——摘 要： 调节阀是物料或能量供给系统中不可缺少的重要组成部分，而执行机构是调节阀的关键组成部件。针对执行机构对调节阀工作性能的影响，分析了调节阀的执行机构类型，讨论了不同类型执行机构的组成、工作原理和特点，在此基础上对不同类型的执行机构适用范围进行了探讨，为调节阀的选择提供指导作用。
1 引言
调节阀广泛应用于火力发电、核电、化工等流体控制场合，是工业生产过程最常用的终端控制元件。执行机构和调节阀门是组成调节阀的两大部件，执行机构根据控制信号驱动调节阀门，对通过的流体进行调节，从而改变操纵变量的数值[1～2]。作为调节阀的驱动部分，执行机构在很大程度上影响着调节阀的工作性能。本文讨论了调节阀的执行机构，并对各种类型执行机构的性能特点进行了分析。
2 调节阀执行机构
按操作能源的不同，调节阀执行机构可分为气动执行机构、电动执行机构和电液执行机构。
2.1 气动执行机构
气动薄膜执行机构是最常用的气动执行机构[3]，工作原理如图1所示。将20～100kPa的标准气压信号P通入薄膜气室中，在薄膜上便产生一个向下的推力，驱动阀杆部件向下移动，调节阀门打开。与此同时，弹簧被压缩，对薄膜产生一个向上的反作用力。当弹簧的反作用力与气压信号在薄膜产生的推力相等时，阀杆部件停止运动。信号压力越大，在薄膜上产生的推力就越大，弹簧压缩量即调节阀门的开度也就越大。
图1 气动薄膜调节阀
将与执行阀杆刚性连接的调节阀运动部件视为一典型的质量-弹簧-阻尼环节，系统运动受力模型如图2所示。系统在运动过程满足以下方程：
（1）
式中：m为与执行阀杆刚性连接的运动部件总质量； x为阀杆位移；c为阻尼系数；f为摩擦力；Fs为信号压力在薄膜上产生的推力；G为运动部件总重力； Ft为调节阀所控流体在阀芯上的压力差产生的不平衡力；k为弹簧刚度系数。当阀杆由下往上运动时，式（1）等号左端各项符号变负。
图2 系统运动受力模型
式（1）中的摩擦力是造成调节阀死区与滞后的主要原因[4]。对于气动执行机构而言，由于工作介质的可压缩性比较大，使得摩擦对其动态响应特性的影响更为显著。当生产过程受到扰动的影响，虽然调节阀控制器的输出产生了一个用于纠正偏差的控制信号，但由于摩擦的存在，使得该信号并没有产生相应的阀杆位移。这就要求控制器输出更大的信号，只有当控制信号超过一定范围，即死区，才能使阀杆产生位移。死区的存在使调节不能及时进行，有时还造成调节的过量，使调节阀的控制品质变差。
为了减小调节阀死区与滞后的影响，除了改进阀杆密封填料结构，采用合适密封材料等外，目前的主要改进措施是通过给气动调节阀配备气动阀门定位器[2]，如图3所示。波纹管1的信号压力大小由调节阀控制器调节。当调节阀控制器的输出增大时，波纹管1的信号压力也增大，主杠杆2便绕支点3作逆时针转动，于是喷嘴5与挡板4的距离减小，喷嘴的背压升高，此背压经过放大器6放大后，进入薄膜气室7的压力也开始升高，阀杆8向下移动，并带动反馈杆9绕支点10作逆时针转动，与反馈杆9安装在同一支点的反馈凸轮11跟着作逆时针转动。与此同时，副杠杆12在滚轮13的作用下开始绕支点14作顺时针转动，反馈弹簧15被拉伸。当反馈弹簧15对主杠杆2的拉力与信号压力作用在波纹管1上的力达到力矩平衡时，调节阀气动执行阀杆达到平衡位置。因此，通过气动阀门定位器可以在输入信号与气动调节阀执行阀杆位移（即调节阀开口量）之间建立起一对应的关系。
图3 带阀门定位器的气动薄膜调节阀工作原理
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添加气动阀门定位器后可以在一定程度上减小气动薄膜调节阀的死区与滞后，但要彻底解决死区与滞后的影响，需从根本上解决调节阀的摩擦力补偿等问题。
除气动薄膜执行机构外，还有气动活塞式执行机构，调节阀执行阀杆通过气缸驱动。
2.2 电动执行机构
电动执行机构是采用电动机和减速装置来移动调节阀门的执行机构，需与电动伺服放大器配套使用，其系统组成框图如图4所示。由于带有位移传感器实时检测执行阀杆的位移，故电动执行机构不需额外配备阀门定位器就可以组成位置反馈控制系统，以调节阀执行阀杆的位移信号作为调节阀控制器的反馈测量信号，将控制器输出的设定信号与反馈测量信号进行比较，当两者有偏差时，改变对伺服放大器的输出，使执行阀杆动作，从而建立起输入信号与调节阀执行阀杆位移（即调节阀开口量）一一对应的关系。通常电动执行机构的输入信号是标准的电流或电压信号，输出位移可以是直行程、角行程和多转式等类型[2]。
图4 电动执行机构组成框图
2.3 电液执行机构
电液执行机构将输入的标准电流或电压信号转换为电动机的机械能，然后通过液压泵，将电动机的机械能转化为液压油的压力能，并经管道和控制元件向前传递，最后借助液压执行元件（如液压缸）将液压油的压力能转化为机械能，驱动调节阀阀杆（阀轴）完成直线（回转角度）运动，控制调节阀阀门的开度。电液执行机构的组成及系统框图如图5所示，位移传感器所形成回路实际起着阀门定位器的作用，建立阀杆位移信号与调节阀控制器输出信号之间的一一对应关系。
图6是某类电液执行机构的工作原理图。工控机根据调节阀控制系统的设置，经D/A转换后以模拟信号的形式输出设定信号，使电液比例方向阀2的左位工作。液压泵1输出的压力油一路给蓄能器3充液，储备液压能，以备快速关闭或开启的应急功能，另一路经过电液比例方向阀2的左位进入液压缸6的左腔，推动活塞右移，调节阀门7打开。位移传感器实时检测调节阀开口量，经过A/D转换后将阀门开度信号输入工控机，经过调节阀控制器的处理后，又将信号输出给电液比例方向阀。电液比例方向阀根据传来的信号符号与大小确定活塞的移动方向和位移量，也就是调整调节阀开口的大小。
电磁换向阀4用于实现电液调节阀快速关闭或开启的应急功能，而手动换向阀5用于实现调节阀的机械手轮降级操作。
图5 电液执行机构框图
图6 电液调节阀系统原理
3 调节阀执行机构的应用
气动执行机构具有结构简单、维修方便、价格低廉、抗环境污染等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。但由于气动执行机构的气体工作介质具有较强的可压缩性，使气动执行机构的抗偏离能力比较差，给位置和速度的精确稳定控制带来很大的影响[5]，不适于快速响应和大的执行速度场合，从而限制了气动执行机构在大型精确控制项目中的进一步推广。
电动执行机构动作迅速、响应快、所用电源取用方便、便于进行远距离的信号传递，特别是随着电子与计算机技术在工业控制过程中的广泛应用，电动执行机构具有很大的发展前途。但由于电动执行机构由电机、减速齿轮箱、控制箱等组成，当实现大推力时，电动执行机构体积太庞大，而且其封闭的结构会产生热，防火防爆差，降低了安全性。
液压传动以几乎不可压缩的高压液体作为传递动力的介质，能够输出大的力或力矩，动作灵敏，运行较为平稳，传动无间隙，可在高速下启动、制动、换向[6~7]。随着国家大型电站等工业项目的推进，对调节阀提出了大推力（推力矩）、长行程、高精度、快速响应等控制要求。电液执行机构结合了电子技术和液压技术两个方面的优势，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点，有助于调节阀适应大型工业项目提出的控制要求，同时也适应了现代工业过程控制系统化、智能化不断提高的发展趋势。
4 结束语
执行机构是调节阀的关键部件，执行机构类型不同的调节阀工作性能有很大的差异。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作。选择恰当的调节阀是管路设计的主要内容，也是保证调节系统安全平稳运行的关键所在。在选择调节阀前应充分了解不同执行机构类型调节阀的特点、适用范围，根据不同的需要选择不同执行机构类型的调节阀。
参考文献：
[1] 陆培文.调节阀实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2] 何衍庆，邱宣振，杨洁，等.控制阀工程设计与应用[M].北京：化学工业出版社，2005.
[3] 王毅.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2001.
[4] EMERSON.Control valve handbook[M].U.S.A：Fisher Controls International LLC，2005.
[5] 董晓倩.基于比例阀的气动伺服系统最优控制策略[J].液压与气动，2007（3）：27-30.
[6] 吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等.新编实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.
[7] 赵凯，李占平，关友兵.智能电液阀门执行机构控制器的研究[J].机电产品开发与创新，2006，19（3）：115-117.
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