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氣動執行器的相關知識

時間:2020-06-30 15:44:48    來源:

氣動執行器的工作原理

氣動執行器是用氣壓力驅動啟閉或調節閥門的執行裝置,又被稱氣動執行機構或氣動裝置,不過一般通俗的稱之為氣動頭。氣動執行器的執行機構和調節機構是統一的整體,其執行機構有薄膜式、活塞式、撥叉式和齒輪齒條式。氣動執行器可以接受連續的氣信號,輸出直線位移,有的配上搖臂后,可輸出角位移。移動速度大,但負載增加時速度會變慢??煽啃愿?,但氣源中斷后閥門不能保持(加保位閥后可以保持)不便實現分段控制和程序控制,具有防爆功能。

 當壓縮空氣從A管咀進入氣動執行器時,氣體推動雙活塞向兩端(缸蓋端)直線運動,活塞上的齒條帶動旋轉軸上的齒輪逆時針方向轉動90度, 閥門即被打開。此時氣動執行閥兩端的氣體隨B管咀排出。反之,當壓縮空氣從B官咀進入氣動執行器的兩端時,氣體推動雙塞向中間直線運動,活塞上的齒條帶動旋轉軸上的齒輪順時針方向轉動90度,閥門即被關閉。此時氣動執行器中間的氣體隨A管咀排出。以上為標準型的傳動原理。根據用戶需求,氣動執行器可裝置成與標準型相反的傳動原理,即選準軸順時針方向轉動為開啟閥門,逆時針方向轉動為關閉閥門。單作用(彈簧復位型)氣動執行器A管咀為進氣口,B管咀為排氣孔(B管咀應安裝消聲器)。A管咀進氣為開啟閥門,斷氣時靠彈簧力關閉閥門。

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氣動執行機構的分類及介紹

常見的執行機構有薄膜式和活塞式兩大類。其中薄膜式執行機構最為常用,它可以用作一般控制閥的推動裝置,組成氣動薄膜式執行器。氣動薄膜式執行機構的信號壓力p作用于膜片,使其變形,帶動膜片上的推桿移動,使閥芯產生位移,從而改變閥的開度。它結構簡單,價格便宜,維修方便,廣泛應用。氣動活塞執行機構使活塞在氣缸中移動產生推力,顯然,活塞式的輸出力度遠大于薄膜式。因此,薄膜式適用于出力較小、精度較高的場合;活塞式適用于輸出力較大的場合,如大口徑、高壓降控制或蝶閥的推動裝置。除薄膜式和活塞式之外,還有一種長行程執行機構,它的行程長,轉矩大,適用于輸出角位移和大力矩的場合。氣動執行機構接收的信號標準0.02至0.1MPa。

氣動薄膜執行機構有正作用和反作用兩種形式。當來自控制器或閥門定位器的信號壓力增大時,閥桿向下的動作的叫正作用執行機構;當信號壓力增大時,閥桿向上動作的叫反作用執行機構。正作用執行機構的信號壓力是通入波紋膜片上方的薄膜氣室;反作用執行機構的信號壓力是通入波紋膜片下方的薄膜氣室。通過更換個別零件,兩者就能互相改裝。

氣動活塞執行機構的主要部件為氣缸、活塞、推桿。氣缸內活塞隨氣缸內兩側壓差的變化而移動。根據特性分為比例式和兩位式兩種。兩位式根據根據輸入活塞兩側操作壓力的大小,活塞從高壓側被推向低壓側。比例式是在兩位式基礎上加以閥門定位器,使推桿位移和信號壓力成比例關系。

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控制機構的基本組成

控制機構即控制閥,實際上是一個局部阻力可以改變的節流元件。閥桿上部和執行機構相連,下部與閥芯相連。由于閥芯在閥體內移動,改變了閥芯與閥座之間的流通面積,即改變了閥的阻力系數,被控介質的流量也就相應改變,從而達到控制工藝參數的目的??刂崎y由閥體、閥座、閥芯、閥桿、上下閥蓋等組成??刂崎y直接與被控介質接觸,為適應各種使用要求,閥芯、閥體的結構、材料各不相同。

控制閥的閥芯有直行程閥芯和角行程閥芯兩種。常見的直行程閥芯有:平板型閥芯,具有快開特性,可作兩位控制;柱塞式閥芯,可上下倒裝,以實現正反調節作用;窗口型閥芯,有合流型和分流型,適做三通閥;多級閥芯,將幾個閥芯串聯,起逐級降壓作用。角行程閥芯通過閥芯的旋轉運動改變其與閥座間的流通截面,常見的角行程閥芯有:偏心旋轉閥芯、蝶形閥芯、球形閥芯。

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控制閥的結構形式

1、直通單座控制閥:這種閥的閥體內只有一個閥芯與閥座。其特點是結構簡單、泄露量小,易于保證關閉,甚至完全切斷。但是在壓差大的時候,流體對閥芯上下作用的推力不平衡,這種不平衡力會影響到閥芯的移動。這種閥一般用于小口徑、低壓差的場合。

2、直通雙座控制閥:閥體內有兩個閥芯和發座,這是最常用的一種類型。由于流體流過的時候,作用在上下兩個閥芯上的推力方向相反而大小近于相等,可以相互抵消,所以不平衡力小。但是由于加工的限制,上下兩個閥芯閥座不易保證同時密封,因此泄露量大。根據閥芯和閥座的相對位置,這種閥可分為正作用式與反作用式兩種形式。當閥體直立、閥桿下移時,閥芯與閥座間的流通面積減少的稱為正作用式。如果閥芯倒裝,則當閥桿下移時閥芯與閥座間的流通面積增大,稱為反作用式。

3、隔膜控制閥:它采用耐腐蝕襯里的閥體和隔膜。隔膜閥結構簡單,流阻小,流通能力比同口徑的其他種類的閥要大。由于介質用隔膜與外界隔離,故無填料,介質也不會泄露。這種閥耐腐蝕性極強,適用于強酸、強堿等腐蝕性介質的控制,也能用于高粘度及懸浮顆粒狀介質的控制。

4、三通控制閥:共有三個出入口與工藝管道連接。其流通方式有合流和分流型兩種。這種閥可以用來代替兩個直通閥,適用于配比控制和旁路控制。

5、角形控制閥:角形閥的兩個角形成直角形,一般為底進側出。這種閥的流路簡單、阻力較小,適用于現場管道要求直角連接,介質為高粘度、高壓差和含有少量懸浮物和固體顆粒的場合。

6、套筒式控制閥:又名籠式閥,它的閥體與一般的直通單座閥相似?;\式閥內有一個圓形柱套筒。套筒壁上有幾個不同形狀的孔,利用套筒導向,閥芯在套筒內上下移動,由于這種移動改變了籠子的節流孔面積,就形成了各種特性并實現流量控制?;\式閥的可調比大、震動小、平衡力小、結構簡單、套筒互換性好,更換不同的套筒即可得到不同的流量特性,閥內部件所受的氣蝕小、噪聲小,是一種性能優良的閥,特別適用于要求低噪聲及壓差較大的場合,但不適用于高溫、高粘度及含有顆粒物的液體。

7、蝶閥:又名翻板閥。蝶閥具有結構簡單、重量輕、價格便宜、流阻極小的特點,但泄露量大,適用于大口徑、大流量、低壓差的場合,也可以用于含少量纖維或懸浮顆粒狀介質的控制。

8、球閥:球閥的閥芯和閥體都呈球形狀,轉動閥芯使其與閥體處于不同的相對位置時就具有不同的流量截面積,以達到流量控制的目的。

9、凸輪撓曲閥:又名偏心旋轉閥。它的閥芯呈扇形球面狀,與撓曲臂及軸套一起鑄成,固定在轉動軸上。凸輪撓曲閥的撓曲臂在壓力作用下會產生撓曲變形,使閥芯球面與閥座密封圈緊密接觸,密封性好。同時它的重量輕,體積小,安裝方便,適用于高粘度或帶有懸浮物的介質流量控制。

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控制閥的理想流量特性和工作流量特性

由于控制閥開度變化時,閥前后的壓差也會變,從而流量也會變。為分析方便,稱閥前后的壓差不隨閥的開度變化的流量特性為理想流量特性;閥前后的壓差隨閥的開度變化的流量特性為工作流量特性。

直線流量特性。雖為線性,但小開度時,流量相對變化值大、靈敏度高、控制作用強、易產生振蕩;大開度時,流量相對變化值小、靈敏度低、控制作用弱、控制緩慢。

等百分比流量特性。放大倍數隨流量增大而增大,所以開度較小時控制緩和平穩;大開度時,控制靈敏有效。

拋物線流量特性。在拋物線流量特性中,有一種修正拋物線流量特性,這是為了彌補直線特性在小開度時調節性能差的特點,在拋物線特性基礎上衍生出來的。它在位移30%及相對流量20%以下為拋物線特性,在以上范圍為直線特性。

快開流量特性??扉_特性的閥芯是平板型的。它的有效位移一般是閥座的1/4。位移再大時,閥的流通面積就不再增大,失去了控制作用??扉_閥適用于迅速啟閉的切斷閥或雙位控制系統。

其實大部分的控制閥,其特性都不過零(即都有泄露),為此,常接入截止閥。在實際生產中,控制閥前后壓差總是變化的,控制閥一般與工藝設備并用,也與管道串聯或并聯。壓差因阻力損失而變化,致使理想流量特性畸變為工作流量特性。綜合串并聯管道的情況,可得出以下結論:串、并聯管道都會使閥的理性流量特性發生畸變,串聯管道的影響尤其嚴重;串并聯管道都會使控制閥的可調范圍降低,并聯管道尤其嚴重;串聯管道使系統總流量減少,并聯管道使系統總流量增加;串并聯管道會使控制閥的放大系數減少,即輸入信號變化引起的流量變化值減少。

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電氣轉換器的工作原理

將電動儀表的標準直流信號(0~10毫安或4~20毫安)轉換成氣動儀表的標準氣壓信號 (2×104~10a5帕)的轉換器。電氣轉換器的工作原理與氣電轉換器相仿,也是根據力平衡原理工作的。來自電動儀表(變送器或調節器)的標準電信號通過恒定磁場(永久磁場)的力線圈,產生一電磁場,與永久磁場相互作用的合力使杠桿繞支點擺動,改變噴嘴與檔板之間的間隙。于是氣動放大器背壓發生變化,輸出放大的氣壓信號,同時輸出壓力反饋至波紋管產生反饋力矩,使杠桿重新達到平衡。因此,輸出壓力的大小與被轉換的電流成比例。

電氣轉換器常用于電動單元組合儀表自動調節系統。氣動執行器結構簡單,性能穩定,動作可靠,維護方便,對現場條件要求低,并具有防火、防爆等優點,因而一般電動儀表調節系統都采用氣動執行器。這就需要在電動調節器和氣動執行器之間接入電氣轉換器。在氣動執行器中,有一種電氣閥門定位器。它安裝在氣動調節閥上,除能調節閥門外,還兼具電氣轉換器的作用。圖2表示轉換器在電氣復合調節系統中的作用。還有一種利用步進馬達將電信號轉換成位移,再轉換成氣壓信號的電氣轉換器。它能把電的數字信號直接轉換成氣的模擬信號,使電子計算機能直接控制氣動閥門,構成計算機控制系統。

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電氣閥門定位器的工作原理

電氣閥門定位器是調節閥的主要附件,通常與氣動調節閥配套使用,它接受調節器的輸出信號,然后以它的輸出信號去控制氣動調節閥,當調節閥動作后,閥桿的位移又通過機械裝置反饋到閥門定位器,閥位狀況通過電信號傳給上位系統。

電氣閥門定位器是控制閥的主要附件.它將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號,以控制器輸出信號作為設定信號,進行比較,當兩者有偏差時,改變其到執行機構的輸出信號,使執行機構動作,建立了閥桿位移倍與控制器輸出信號之間的一一對應關系。因此,閥門定位器組成以閥桿位移為測量信號,以控制器輸出為設定信號的反饋控制系統。該控制系統的操縱變量是閥門定位器去執行機構的輸出信號。

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電氣閥門定位器的作用

(1)用于對調節質量要求高的重要調節系統,以提高調節閥的定位精確及可靠性。

(2)用于閥門兩端壓差大( △p>1MPa)的場合。通過提高氣源壓力增大執行機構的輸出力,以克服液體對閥芯產生的不平衡力,減小行程誤差。

(3)當被調介質為高溫、高壓、低溫、有毒、易燃、易爆時,為了防止對外泄漏,往往將填料壓得很緊,因此閥桿與填料間的摩擦力較大,此時用定位器可克服時滯。

(4)被調介質為粘性流體或含有固體懸浮物時,用定位器可以克服介質對閥桿移動的阻力。

(5)用于大口徑(Dg>100mm)的調節閥,以增大執行機構的輸出推力。

(6)當調節器與執行器距離在60m以上時,用定位器可克服控制信號的傳遞滯后,改善閥門的動作反應速度。

(7)用來改善調節閥的流量特性。

(8)一個調節器控制兩個執行器實行分程控制時,可用兩個定位器,分別接受低輸入信號和高輸入信號,則一個執行器低程動作,另一個高程動作,即構成了分程調節。

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電氣閥門定位器的分類

閥門定位器按輸入信號分為氣動閥門定位器、電氣閥門定位器和智能閥門定位器。氣動閥門定位器的輸入信號是標準氣信號,例如,20~100kPa氣信號,其輸出信號也是標準的氣信號。電氣閥門定位器的輸入信號是標準電流或電壓信號,例如,4~20mA電流信號或1~5V電壓信號等,在電氣閥門定位器內部將電信號轉換為電磁力,然后輸出氣信號到撥動控制閥。智能電氣閥門定位器它將控制室輸出的電流信號轉換成驅動調節閥的氣信號,根據調節閥工作時閥桿摩擦力,抵消介質壓力波動而產生的不平衡力,使閥門開度對應于控制室輸出的電流信號。并且可以進行智能組態設置相應的參數,達到改善控制閥性能的目的。

按動作的方向可分為單向閥門定位器和雙向閥門定位器。單向閥門定位器用于活塞式執行機構時,閥門定位器只有一個方向起作用,雙向閥門定位器作用在活塞式執行機構氣缸的兩側,在兩個方向起作用。

按閥門定位器輸出和輸入信號的增益符號分為正作用閥門定位器和反作用閥門定位器。正作用閥門定位器的輸入信號增加時,輸出信號也增加,因此,增益為正。反作用閥門定位器的輸入信號增加時,輸出信號減小,因此,增益為負。

按閥門定位器輸入信號是模擬信號或數字信號,可分為普通閥門定位器和現場總線電氣閥門定位器。普通閥門定位器的輸入信號是模擬氣壓或電流、電壓信號,現場總線電氣閥門定位器的輸入信號是現場總線的數字信號。

按閥門定位器是否帶CPU可分為普通電氣閥門定位器和智能電氣閥門定位器。普通電氣閥門定位器沒有CPU,因此,不具有智能,不能處理有關的智能運算。智能電氣閥門定位器帶CPU,可處理有關智能運算,例如,可進行前向通道的非線性補償等,現場總線電氣閥門定位器還可帶PID等功能模塊,實現相應的運算。  按反饋信號的檢測方法也可進行分類。

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氣動執行器的優缺點

優點

1、接受連續的氣信號,輸出直線位移(加電/氣轉換裝置后,也可以接受連續的電信號),有的配上搖臂后,可輸出角位移。

2、有正、反作用功能。

3、移動速度大,但負載增加時速度會變慢。

4、輸出力與操作壓力有關。

5、可靠性高,但氣源中斷后閥門不能保持(加保位閥后可以保持)。

6、不便實現分段控制和程序控制。

7、檢修維護簡單,對環境的適應性好。

8、輸出功率較大。

9、具有防爆功能。

缺點:控制精度較低,雙作用的氣動執行器,斷氣源后不能回到預設位置。單作用的氣動執行器,斷氣源后可以依靠彈簧回到預設位置

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氣動執行器與電動執行器的比較

從技術性能方面講,氣動執行器的優勢主要包括以下4個方面:

(1)負載大,可以適應高力矩輸出的應用。

(2)動作迅速、反應快。

(3)工作環境適應性好,特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環境中,比液壓、電子、電氣控制更優越。

(4)行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。

而電動執行器的優勢主要包括:

(1)結構緊湊,體積小巧。比起氣動執行器,電動執行器結構相對簡單,一個基本的電子系統包括執行器,三位置DPDT開關、熔斷器和一些電線,易于裝配。

(2)電動執行器的驅動源很靈活,一般車載電源即可滿足需要,而氣動執行器需要氣源和壓縮驅動裝置。

(3)電動執行器沒有“漏氣”的危險,可靠性高,而空氣的可壓縮性使得氣動執行器的穩定性稍差。

(4)不需要對各種氣動管線進行安裝和維護。

(5)可以無需動力即保持負載,而氣動執行器需要持續不斷的壓力供給。

(6)由于不需要額外的壓力裝置,電動執行器更加安靜。通常,如果氣動執行器在大負載的情況下,要加裝消音器。

(7)在氣動裝置中的通常需要把電信號轉化為氣信號,然后再轉化為電信號,傳遞速度較慢,不宜用于元件級數過多的復雜回路。

(8)電動執行器在控制的精度方面更勝一籌。

實際上,氣動系統和電動系統并不互相排斥。氣動執行器可以簡單的實現快速直線循環運動,結構簡單,維護便捷,同時可以在各種惡劣工作環境中使用,如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。但在作用力快速增大且需要精確定位的情況下,帶伺服馬達的電驅動器具有優勢。對于要求精確、同步運轉、可調節和規定的定位編程的應用場合,電驅動器是最好的選擇,帶閉環定位控制器的伺服或步進馬達所組成的電驅動系統能夠補充氣動系統的不足之處。

現代控制中各種系統越來越復雜、越來越精細,并不是某種驅動控制技術就可滿足系統的多種控制功能。電動執行器主要用于需要精密控制的應用場合,自動化設備中柔性化要求在不斷提升,同一設備往往要求適應不同尺寸工件的加工需要,執行器需要進行多點定位控制,而且要對執行器的運行速度及力矩進行精確控制或同步跟蹤,這些利用傳統氣動控制是無法實現的,而電動執行器就能非常輕松的實現此類控制。由此可見氣動執行器比較適用于簡單的運動控制,而電執行器則多用于精密運動控制的場合。

 



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