第二十章 气动执行机构 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(20 100KPa)。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16-1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。 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20 100kPa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16-2所示。 一、气动薄膜执行机构 气动薄膜执行机构的结构如图16-2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20 100kPa)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 号增加时，波纹管19的自由端产生相应的 推力，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的输出压力增大。输入气 动薄膜执行机构的气室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 号成比例关系。 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16-3所示。图16-3 气动薄膜执行机构方框图 图中：Pi为输入信号；s为阀杆行程；Ai为波纹管 19的有效面积；Ci为波纹管19的位移刚度；Ki为 波纹管19的顶点到喷嘴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；As为波纹膜片的有效面积；Cs为波 纹膜片及压缩弹簧组的位移刚度；Kf为阀杆5到挡 板15之间的位移转换系数（根据凸轮轮廓的形状 及三角形相似原理确定）；Fi为波纹管所产生的 输入力；Si为波纹管顶点所产生的输出位移；hi 为输入信号使挡板15产生的位移；hf为阀杆5的行 程使挡板15产生的位移；Fs为波纹膜片产生的推 力： 由图16-3可得出该系统的传递函数为(16-1) (16-2) 式(16-2)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 (16-2)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和它的位 移刚度、位移转换系数(托板长度)和(凸轮 的几何形状)有关。 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)来修改调节阀的流量特性，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4 20mADC输入信号，输出与输入信号成比 例的角位移(090)，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、平衡阀等部件组成。ZSLD型电信号气动长 行程执行机构工作原理如图16-4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。 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。 当输入电流信号增加时，力矩电机的输出 力也增加。假定该力的方向为向左，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 改成反作用方式或把反作用方式改成正作用方式 。 二、手操机构 为了保证自动调节系统运行的安全性和操 作的灵活性，在气动执行机构中设置了手 操机构。转动手轮可改变输出轴的转角， 从而改变阀门、挡板等调节机构的开度、 实现手动操作。 三、阀位移传送器 阀位移传送器的作用是，将气动执行机构 的输出轴的转角位移090线性地转换成 420mADC信号，用以指示阀位，并实现 系统的位置反馈。为此，要求阀位移传送 器具有良好的线性度，以保证执行机构的 输出轴紧跟调节器的输出信号转动。 阀位移传送器输出电流与阀位开度之间 的关系与执行机构的正、反作用方式相对 应：正作用时，阀位开度增加，输出电流 增加；反作用时，阀位开度增加，输出电 流减小。正、反作用方式的改变，只需将 差动变压器次级绕组的两接线端子交换连 接，即可实现。当作用方式改变后，必须 重新调整输出电流的范围。 四、三断自锁装置 三断自锁指的是气动执行机构在工作气 源中断、电源中断、电信号中断时，其输 出臂转角能够保持在原先的位置上。该自 锁装置采用气锁方式，即在自锁时，将通 往上、下气缸的气路切断，使活塞不能动 作，从而达到自锁的目的。 三断自锁装置主要由控制阀、气阀和电磁 阀等组成。下面分别说明该装置在断气源 、断电源和断电信号时的自锁原理。