气动执行机构的原理及维护

气动执行机构的原理及维护徐涛1概述•气动薄膜调节阀国外称为控制阀，国内习惯称为调节阀，主要用于调节工业自动化过程控制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。随着工业自动化程度的不断提高，气动薄膜调节阀作为自动调节系统的最终执行机构，得到越来越广泛的应用，在自动控制系统中，调节阀是常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。2气动薄膜调节阀的工作原理及优缺点•2.1气动薄膜调节阀工作原理•当气室输入了0.02～0.10MPa信号压力之后，薄膜产生推力，使推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开了阀座，从而使压缩空气流通。当信号压力维持一定时，阀门就维持在一定的开度上。•2.2优点•气动薄膜调节阀的执行机构结构简单，使用可靠，最突出的是价格便宜。在运行中不产生电火花，因此一些易燃环境下常采用气动薄膜调节阀。此外，在某些腐蚀气体或特别潮湿环境条件也常使用。•2.3缺点•膜片承受的压力较低，最大膜室压力不能超过250KPa，加上弹簧要抵消绝大部分的压力，余下的输出力就很小了；为了提高输出力，通常的做法是增大尺寸，使得执行机构的尺寸和重量变得很大，另一方面，工厂的气源通常是500～700KPa，它只用到了250KPa，气压没充分利用。•3气动薄膜调节阀的组成•气动薄膜调节阀按其结构和用途的不同种类很多，高压氧能大多选用正作用、直通、单座等百分比调节阀，其标准代号为ZMAP，主要由推力盘、弹簧、推杆、调节螺母。阀位标尺、阀杆、阀芯、阀座、填料函、阀体、阀盖和支架等组成。气动薄膜调节阀的执行机构，工作时接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。•3.1执行机构•3.1.1气动薄膜调节阀执行机构的工作原理•当调节器或定位器的输出信号输入薄膜室后，信号压力在薄膜上产生的推力，使推杆部件移动，并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡为止。这时，推杆的移动就是气动薄膜执行机构的位移，也称行程。•3.1.2气动薄膜调节阀执行机构的组成•气动执行机构具有结构简单，动作可靠，性能稳定，价格低，维护方便，防火防爆等优点，特别是对于现场有防爆要求时，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型。在许多控制系统中获得了广泛地应用，它分为正作用和反作用两种执行方式。•正作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向外；反作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向内。执行机构尽管在结构上不完全相同，但基本结构都包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件和位置反馈等部件。•3.2阀门定位器工作原理•阀门定位器是气动执行器的—种辅助仪表，它与气动执行器配套使用。阀门定位器是按力矩平衡原理工作的，来自调节器或输出式安全栅的4～20mA直流信号输入到转换组件中的线圈时，由于线圈两侧各有一块极性方向相同的永久磁铁，所以线圈产生的磁场与永久磁铁的恒定磁场，共同作用在线圈中间的可动铁芯即阀杆上，使杠杆产生位移。当输入信号增加时，杠杆向下运动，固定在杠杆上的挡板便靠近喷嘴，使放大器背压增高，经放大后输出气压也随之增高。此输出气压作用在调节阀的膜头上，使调节阀的阀杆向下运动。阀杆的位移通过拉杆转换为反馈轴和反馈压板的角位移，并通过调量程支点作用于反馈弹簧上，该弹簧被拉伸，产生一个反馈力矩，使杠杆作顺时针偏转，当反馈力矩和电磁力矩相平衡时,阀杆就稳定于某一位置,从而实现了阀杆位移与输入信号电流成正比例的关系。调整调量程支点于适当位置，可以满足调节阀不同杆行程的要求。而阀门根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀瓣、阀座、填料及压板等部件组成。阀门定位器与阀门配套使用，组成一个闭合控制回路的系统。该系统主要由磁电组件、零位弹簧、挡板、气动功率放大器、调节阀、反馈杠杆、量程调节机构、反馈弹簧组成。•3.2.2定位器功能介绍•在图2所示的气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的。实际上，为了防止阀杆引出处的泄漏，填料总要压得很紧。尽管填料选用密封性好而摩擦系数小的聚四氟乙烯优质材料，填料对阀杆的摩擦力仍是不小的。特别是在压力较高的阀上，由于填料压得很紧，摩擦力可能相当大。此外，被调节流体对阀心的作用力，在阀的尺寸大或阀前后压差高、流体粘性大及含有固体悬浮物时也可能相当大。所有这些附加力都会影响执行机构与输入信号之间的定位关系。使执行机构产生回环特性，严重时造成调节系统振荡。因此，在执行机构工作条件差及要求调节质量高的场合，都在调节阀上加装阀门定位器。阀门定位器接受调节器的输出信号后，去控制气动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位移又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此定位器和执行器组成了一个闭环回路，来自调节器输出的信号p0经定位器比例放大后输出pa，用以控制气动执行机构动作，位置反馈信号外送回至定位器，由此构成一个使阀杆位移与输入压力成比例关系的负反馈系统。•阀门定位器能够增加执行机构的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能提高信号与阀位间的线性度,克服阀杆的摩擦力和消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。•4气动薄膜调节阀的故障分析•4.1气动薄膜调节阀的常见故障•4.1.1调节阀不动作•当调节阀不动作时，首先用万用表或者劲仪测量从总控室送来的4～20mA的电流信号，看控制信号是否送到现场，再检查气源，看气源开关是否打开，如果气源打开,检查是否有仪表空气。如果以上正常则检查定位器看定位器是否有气源。如果定位器无气源可能过滤器堵塞、减压阀故障、管道泄漏或堵塞。如果定位器有气源无输出，可能是定位器的节流孔堵塞。如果上述情况都正常则有可能是膜片裂损、膜片漏气，膜片推力减小；阀芯是与阀座或衬套卡死，阀杆弯曲等原因使调节阀不能动作。•4.1.2调节阀动作正常，但不起调节作用•这个故障现象也是比较常见的，造成这一故障的主要原因很可能是阀芯脱落、阀芯与阀座卡死、阀杆弯曲或折断或者阀座阀芯冻结或焦块污物。要认真检查解决问题，查出问题的原因。•另外还有一种常见的故障现象就是调节阀动作正常但是在调节的过程中开关不到位，当全开或者全关及开到一半时均不到位，这种现象应该从定位器方面查找原因，一般是打开定位器调节定位器内的手轮就可以调整过来。•4.1.3调节阀不稳定或产生振荡•首先检查气源压力和信号是否稳定，如果是气源压力不够，则可能是压缩机容量太小或者是减压阀故障。如果是信号压力不稳定，则可能是控制系统的时间常数（T＝RC）不适当或者调节器输出不稳定。如果气源压力稳定和信号压力都稳定，但调节阀的动作仍不稳定，则可能是节阀径选择过大，经常在小开度下工作或单座阀介质在阀内流动方向与关闭方向相同。•调节阀振荡的主要原因有以下几个方面•⑴调节阀在任何开度下都振动：•①支撑不稳；•②附近有振动源；•③阀芯与衬套磨损严重。•⑵调节阀在接近全闭位置时振动：•①调节阀选大了，常在小开度下使用；•②单座阀介质流向与关闭方向相反。•⑶在阀芯与补套严重磨损，也可使调节阀在任何开度都发生振荡。•4.1.4调节阀泄漏量大•⑴阀全关时泄漏量大。•阀芯与阀座腐蚀、磨损而造成，有时也可能因阀体内有异物、阀芯被垫住关不严，造成泄漏量大。•⑵阀达不到全闭位置。•①介质压差太大，执行机构刚性小，阀关不严；•②阀内有异物；•③衬套烧结。•另外，阀门定位器和电器转换期是调节阀的辅助装置，它们接受调节器的输人信号，然后以它自己输出信号去控制调节阀，特别是阀门定位器，与气动阀配套使用构成一闭环控制回路，用以提高调节阀控制精度。克服填料函与阀杆的摩擦力，提高阀门动作速度，可实现分段控制改变调节阀的流量特性。因此，要想取得理想的调节效果，必须使调节阀与定位器配合好,应用阀门定位器以提高调节阀的定位精度及工作可靠性，确保调节质量。•4.2建立调节阀的预检修机制•在日常的生产过程中，对调节阀的维护仅局限于对阀的故障处理，很少进行定期调校与定期检修，在企业的计量管理规程中对此也没有严格要求，事实上，阀的故障源于若干不稳定因素的积累，积累到一定程度就形成故障，因此，在阀的故障形成之前就把这些不稳定因素排除在萌芽状态，不仅可以延长阀的使用寿命，还可以避免因阀的故障给生产带来的严重影响。这就需要建立阀的预检修机制或者说是定期检修机制，建立预检修机制以后，可以有充足的时间准备好备品、备件，并可根据阀的使用状况对阀进行全面的维护保养，从而提高阀的使用性能及使用寿命。通过预检修机制的建立，不仅可以增加调节阀的使用寿命，减少调节阀故障，降低仪表故障率，还可对稳定企业生产，降低成本，提高效益起到积极的促进作用，同时还可以优化工艺操作，保证生产装置的长周期稳定运行。•5结束语•气动薄膜调节阀是我们化工企业广泛使用的仪表之一。它准确正常地工作对保证工艺装置的正常运行和安全生产有着重要的意义。因此加强气动调节阀的维修是必要的。通过以上对气动薄膜调节阀一些介绍和故障分析，在以后的工作中对减少调节阀故障，降低仪表故障率，对稳定企业生产，降低成本，提高效益起到积极的促进作用，同时还可以优化工艺操作，保证生产装置的长周期稳定运行。