调节阀执行机构的选用及形式

    本章讨论目前广泛地用于操作调节阀的通用执行机构的形式，这些执行机构可分成六种通用的形式：

    1、气动薄膜式执行机构；

    2、活塞（气缸）式执行机构；

    3、电动—液压式执行机构；

    4、高性能伺服执行机构；

    5、电动执行机构；

    6、手动手轮执行机构。

    在目前的实际应用中，十分可能有80%以上的调节阀执行机构是采用气动活塞式或薄膜式执行机构，因此本章大量论述的是这两种执行机构。

选择参数

    在考虑任何执行机构之前，不如先考虑选用执行机构的种个参数更为好些，这也许比考虑置于调节回咱中的执行机构特性更为重要。

    在任何调节回路中，当然有被控制的工艺过程，在被测参数的范围以内也可能出现偏差。在这个范围内，调节回路的部分是偏差的检测装置。这就是测量被调参数，并使之与一个容许的数值相比较的仪表。如果确定了被调参数与容许的数值之间存在偏差，仪表就会自动地向调节阀发送出一个偏差校正信号。

    这个偏差校正信号可以采取许多种形式，可以是一个低功率的电信号，也可以是液压信号或气动信号。这些偏差校正信号可能有足够的量值，作为调节阀的动力源，用来控制工艺过程，特别是这些信号如果是液压信号或气动信号尤其如此。偏差校正信号（也可能是个动力）被传送到终控制单元，这是通过在调节阀内的压力损失来引起系统中出现能量转换的装置。执行机构把调节阀的阀杆及阀芯移动到这样的位置，使进入工艺过程中的能量改变，以便恢复到按误差测量装置所决定的那个容许的数值上去。

    因此，执行机构是终控制单元的一部分，它根据来自偏差检测装置的误差校正信号，以推动调节阀。它不是使调节阀作直线运动（例如在球形阀中），就是作旋转运动（例如在蝶阀和球阀中）。

    执行机构尤其要与偏差校正信号相适应，例如，或从仪表来的偏差校正信号是液压信号，那么，执行机构必须是能适用于液压流体的。

    执行机构尤其要与偏差校正信号中产生足够的力，以克服在阀体内部由于压力降所产生的大不平衡力，这个力在球形阀中是等于压力乘上面积的线性关系，而在蝶阀内作为力矩出现的是可变的力。

    后，执行机构必须适应其操作环境，所谓环境适应性可以举例说明，比如在炼油或化工厂中使用，那里由电气引起火灾或的可能性很大，就要求在电动或电动—液压执行机构上有防爆的外壳。环境适应性还会要求准备特种抗腐蚀或耐酸的油漆，特别是会所执行机构曝露于酸蒸气或其他腐蚀剂的环境状态下，尤其如此。

执行机构的形式

    薄膜式执行机构的压力密封气室位于膜片的上方，该气室中压力增加时，引起了向下运动，这样的执行机构通常被称为正作用薄膜式执行机构。

    在执行机构推杆的周围来用密封的方法，可以使下气室构成压力密封，调节系统的气动信号可以连接到该气室上，把上气室接通大气，并改变弹簧的安装方案，使推杆向上移动时压缩弹簧。这样，在下气室中的信号压力增加时就会造成推杆向上运动。这种形式的执行机构通常被称为反作用执行机构。每种形式的薄膜式执行机构的剖面连同必要的术语于图1和图2中。

薄膜式执行机构，不管是正作用的还是反作用的，都无需与按管道尺寸决定的阀门规格发生直接关系。每一种薄膜式执行机构都经过计算，保证是强有力的，足以克服使用时阀体组合件的不平衡力，因为执行机构*的用途就是按照偏差较正信号来推动阀门。所有较大的调节阀制造厂都编有关于执行机构的范围相当广泛的目录，列出了执行机构的尺寸、一般英寸；但是，如果是高压差下使用的小管道阀门，仍然很有可能小阀门要求配用很大的薄膜式执行机构。相反，在低压差下使用的大口径阀门，也完全有可能配用一个小的执行机构。

    考虑如图3中所示的单座正使用阀的阀体组合件简图，假设进口压力（P₁）为40磅/英寸²表压；出口压力表（P₁）为10磅/英寸²表压，阀门的流通面积为12.56平方英寸（公称通径为4"的阀门），沿阀杆的轴向所产生的力有助于打开阀门，此力为（P₁—P₂）X流通面积（30磅/英寸²×12.56平方英寸）即376.8磅。

我们希望此阀在3磅/英寸²表压的信号时开始向下移动；假设仪表信号为3～15磅/英寸²表压，这是从调节仪表送来的常规的信号值，又进一步假设它是正作用响应，（即执行机构的信号压力增加会导致执行机构推杆的向下移动），是气关的、比例式作用。我们因而可以假设在阀门的全行程内有一个恒定的向上的阀杆推力。用仪表信号3磅/英寸²表压来除总力376.8 磅，求出执行机构要有125平方英寸的面积才能满足在3磅/英寸²表压下开始推动阀门，但是我们还要考虑到阀门达到行程终点时，作用在阀杆上的力是15磅/英寸²表压（仪表的信号压力）×125平方英寸，即1875磅的力。因此，有一个过量的力作用在阀座上，此力为1875磅减376.8磅，即有1499磅多余的净力作用到阀座上，所以需要用其所长范围弹簧来吸收这个附加的功多余的力，如果能够幸运地找到一家制造厂有125平方英寸的膜片的话。假设阀门的行程为1英寸，我们就应把一根刚度为每英寸1499磅的弹簧放到阀内，此处未考虑阀座密封力所需要的附加压力。

    应当注意上述是真正的理想情况，是假设了125平方英寸面积的膜片能够找到，又能选到刚度合适的弹簧与之相配。在实际应用中，通常情况并非如此，绝大多数情况是要在弹簧范围与膜片面积之间进行一些折衷，以便尽可能接近仪表的信号和功率输出。大多数的调节阀制造厂都备有范围足够广泛的薄膜式执行机构和弹簧，这样在正常的仪表信号和功率范围内（3～15磅/英寸²表压、3～27磅/英寸²表压和6～30磅/英寸²表压）才能够受的适应到1/2磅/英寸²表压的给定范围。

    在结束薄膜式执行机构的讨论时，请参阅图4，这是某制造厂生产的一种反作用执行机构（正作用执行机构拥有同样的零部件），图上列出了所有名称。请注意实际上只有两上零件是受环境状态的巨大影响的。这两个零件是膜片——不论正反作用膜头都如此，还有反作用膜头上的推杆密封件。大多数的阀门制造厂都使用玻璃纤维、棉纱或尼龙增强的氯丁橡胶膜片作为正常的环境条件下使用。如果环境条件超过200℉，就要使用高温材料诸如带涤纶或玻璃纤维织物的硅橡胶、氟橡胶或了聚丙烯酸树脂等来作膜片。偶然也有用濉压或其他作薄膜执行机构的压力源的，这就需要在膜片上衬以或铺上一薄块耐流体的柔性材料，诸如聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯。关于推杆密封（通常是O形环）或膜片材料的使用，很多较大的调节阀制造厂对给定的环境或可通辽存在原腐蚀问题能够提供特殊的解决办法。

正如我们已经指出的，薄膜式执行机构是目前比例调节中用得广泛的。其主要的优点是：a）由于大多数制造厂都有范围高高兴兴的薄膜式执行机构规格或供选用，能配得上各式各样的阀门规格和适应各种环境状态；b)薄膜式执行机构仍然是市场上可采用的廉价的比例作用的执行机构。

    尽管它有适应性强和价格便宜等优点，但是仍有一些事例表明薄膜式执行机构是不能满意地应用的。薄膜式执行机构一个固有的缺点是必须使用较大的膜片面积，这就要求有较大的膜片盒。当膜片盒变得更大，保持压力的有效能力就变小了。例如某些制造厂有一个300平方英寸的执行机构，但膜室内能承受的压力只有30磅/英寸²表压。虽然这个膜头能产生9000磅的力，膜片盒子外径已达27英寸；因此配在不平衡力大的功所产生的力大的小阀门上时，整个装配件就变得头重脚轻，在阀门和操作器连接上还会出现其他的应力问题。

活塞式执行机构通  常可在大多数阀门制造厂中买到的另一种形式的气劝或液压执行机构是活塞式执行机构（也称气缸式执行机构）。虽然活塞式执行机构具有一些薄膜式执行机构所没有的优点。

    通常气缸是铸造或锻造的，比薄膜式执行机构的铸造或冲压的膜片盒能承受更高的压力。由于它具有更高的压力等级，因此，用较小的直径就能送出更大的力。活塞式执行机构作为应付高压降的手工劳动段是非常有效的，特别是配上阀门定位器使用时，定位器能发送到执行机构的压力往往高达工厂极限的空气额定压力。

    气缸式执行机构可以是弹簧回程的，虽然一般的气负荷式执行机构通常配上阀门定位器，用于比例或定位调节阀时只是使用空气压力。

    图5是一个带冷藏定位器的气缸式执行机构，并装有气垫。仪表信号馈送到装在气缸顶上的阀门定位器中，反馈弹簧是放在阀门定位器的下面。由于压力作用在活塞上，通过阀门定位器使仪表信号与阀门位置发生联系，开始在活塞的上方加载或制裁，以推动阀杆到达要求的位置。

活塞下方通以恒定的气压（称为气垫），由减压阀维持恒压。如果活塞被推向下方，气路释放压力；如果需要活塞向上移动，气路增加压力，以维持活塞下方的恒定气压。

    图5还表示同一形式的气缸，利用一个反作用的定位器连接成代替原来的正作用（即仪表信号增加引起活塞香山下移动的作用），变成仪表售增加引起操作器推杆向上移动。这种特殊连接也表明另一特点，即万一气源断开时阀杆有可能向下移动。如果气源断开时，气源管线上的止回阀关上，三通阀打开，允许贮气罐来的气压直接进入气缸的气室，把阀杆向下推。与此同时，气垫式减压阀来的气压。它仍然留在气缸的下部，活塞向下移动时就会被排出。

    图6表示出一个不带任何附属仪表或控制装置的双作用气缸。这样的执行机构明显地打算用来作双位控制用，配上三通电磁阀空气滑阀时，便于工作能够很快地进行开启和关闭的动作，这种执行机构在间歇操作或周期性工作时是很有用的。这种执行机构可以用管子或离心铸造制成，能够用到极高的操作压力，供大推力的场合使用。

    图7表示一个气缸式执行机构，利用常规的薄膜式执行机构的支架，并带有弹簧以反抗其运动。它能象常规的薄膜式执行机构那样使用，但能够在给定的支架和弹簧组合下提供更长的行程。这种执行机构刀可如插图所示配上一个定位器，并且不需要附加的“气垫”和随之而来的管道。

电动—液压式执行机构近几年来，在仪表装备和控制工业中对电动仪表的采用有所增加。这些仪表产生各种各样的低功率电信号，以代替气动偏差校正信号，这个电信号在现场变送或转换，送到气动调节阀上，如*九章所述；或者与一个电动—液压式的阀门执行机构配用，能够构成单一的调节回路，不需要任何附加的气源。但这样做，则要求一个单独的电源。

    这些低功率电信号通常为24～65伏直流，数量级为1～5、4～20或10～50毫安。

    在一个有代表性的设计中，如图8所示，电流信号馈送至一个移动的线圈中，当信号电流变化时，线圈的*磁铁的磁场内相应地移动。在这个特定设计中的线圈还连接有个摆动喷嘴，高压油流从喷嘴中喷出。当信号使得线圈的位置变化时，转轴随之而变，喷嘴把高压测量方法喷入两个油缸压力接收器中的一个之内，使活塞两边中的一边压力增加或减少，引起阀杆移动。阀杆到达新的位置上时，作用在喷嘴上的力平衡了，因为喷嘴重新回到油缸两个压力接收器的中间，阀杆不再进一步移动。

市场上出售的其他的电动—液压式执行机构和这里所述的相类似，只是油缸接受液压的方法稍有差别。其他制造厂起码是使用了线圈带常规的喷嘴的挡板机构，来改变活塞两边另一边的压力。

    一般说来，电动—液压式执行机构的优点是可以安装在离仪表很远的地方，可以不需要有其他辅助的压力，例如不需要气动压力来操纵阀门。这种执行机构还不能为化工和石油加工工厂所广泛接受，也许是因为同带电气转换器的薄膜推动的调节阀机构比起来，连续运行的费用比较昂贵，而且由于这种机构本身需要一个怀定的压力源，意味着要使用稳压电源，用泵来压送流体。还有，这种执行机构的操作速度有时还低于薄膜式执行机构所能达到的速度，即使到写作本文时，这种执行机构的大推力仍然稍低于大膜头的执行机构或高压气缸式执行机构。

高性能伺服执行机构  许多公司已经研制了电动—液压式执行机构的一种变型，供静压极高、阀内的压差极大、而且还随之要求开关速度很高、要求阀杆以极高速移动或者有极高的频率响应特性的场合使用。

    图9表示这种高性能伺服执行机构的操作原理。阀杆的动作通过电位器或线性差动变压器在伺服放大器内和仪表信号相比较。然后有个信号送到高性能伺服阀内，此阀把高压油加进高压油缸执行机构的这一侧或那一侧。或者从其中放出高压油，执行机构则直接固定在阀杆上。多余的液压油则返回集油器。

通常，这些高性能伺服操作器使用的液压操作压力范围为1000～3000磅/英寸²表压在这样的压力和流量下能得到极高的阀杆速度，对变化的仪表信号条件能够获得极快的响应，而且能够适应极高的静压或主阀内极高的压力降。

    主杂的缺点是它们也需要十分强有力的外部液压源。当然，这个液压源能够用来供给很多阀门，从早到晚由于操作费用和安装费用很高，限制了它们的销路，主要用于航空和宇航领域。

    电动执行机构近年发展起来用作比例调节的其他执行机构形式还有电动执行机构。电动—洗衣盆压式执行机构的主要缺点之一，即恒速转动的电机和示，在电动执行机构中就不出现了。电动阀门执行机构扔组成有：由电机传动的齿轮组和丝杠，用以驱动阀杆。还有电子式定位器和一个电子反馈装置。一个典型的例子如衅10中所示。输入信号的变化，其量值相当于在阀内的阀杆所要求的位置，此信号输进定位器中（通常是一个差动放大器），产生一个电压来推动电机连接的齿轮组和丝杠。阀杆和连在其上的输出机构的合成运动传到电位器或线性差动变压器，产生一个电压，使行程增加，并反馈到定位器。当输入信号电压和反馈电压相等时，输出到电机的电压趋近于零，电机停转，阀杆停留在要求的位置上。相反，当电压不等时，则电机向着使电压相等的方向旋转。

    电动阀门执行机构明显地和电动—液压式执行机构的现场使用时具有同样的优点。能够在长距离中使用，只有微不足道的信号输迟后。还能避免气动系统在极冷的环境条件下结霜的问题。但电动执行机构通常仍然是比较昂贵的，虽然它比电动—液压单元更为有效。

手动执行机构  手动执行机构严格地说不是比例执行机构，虽然如此，因为手动机构用于调节系统中，本章还是对它们作了简要的指述。

    在图11中所示的是一种不带动力源的纯粹手动的执行机构型式。这就真正使得调节阀的阀体组合件比手动阀多不了什么东西。但是有这种场合，即使没有和自动控制系统连上，也需要流过阀门的流量很。调节阀阀体组合件带一个手动执行机构便可以用于流量特性已知的场合。这些阀门能直接从阀门行程指示器读出阀位，即装有的辅助指示器以作更为的操作之用。