4 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核 4.1 执行机构刚度
执行机构抵抗负荷变化对行程影响的能力称为执行机构的刚度，也等于弹簧刚度。气动执行机构的刚度表达式为：
式中：B、K——执行机构、弹簧的刚度；
△ft、△L——不平衡力，推杆位移的变化量。 从式中，可得出如下推论：
(1) 刚度越大，在相同△ft变化下，推杆位移变化量△L越小，阀越稳定；反之亦然。 (2) B∞Pr，弹簧范围越大，刚度越大，阀越稳定。故阀易产生振荡时，应选Pr大的弹簧。
4.2 调节阀的稳定性
调节阀的稳定性与阀关闭时的不平衡力Ft对阀的作用方向有关。当Ft的作用方向是将阀芯顶开时(即“－” Ft)，调节阀就稳定；反之，Ft的作用方向是将阀芯压闭时(即“+” Ft)，阀的稳定性就差——即容易产生振荡。调节阀在现场通常产生振荡就是此原因所致。解决振荡的办法就是改变阀的流向，把“+” Ft变成了“－” Ft，调节阀的振荡就消除了。 为什么“－” Ft阀稳定性好，而“+” Ft的稳定性差，产生振荡呢?从下面的分析就清楚了。
对“－” Ft：当干扰使阀增加一个“△Ft”时，阀被顶开，阀芯被顶开压差就下降，“△Ft”就自动消失。由此看出，由于它能自动排除干扰，所以阀稳定。
对“+”Ft：当干扰使阀增加一个“△Ft”时，阀芯被压闭，使阀的压差增加，“△Ft \压闭阀芯，压差再增加，“△Ft \迫使阀芯作浮上浮下运动，这就是我们所说的调节阀的振荡。
4.3 调节阀稳定性的校核
在对“+” Ft工作时，阀的稳定性差。在什么条件下才认为是稳定的呢？它与阀的刚度有关，最终的结果是(推导略)： 稳定的条件：“+” Ft ﹤ 1/3 PrAe 不稳定的条件：“＋” Ft ≥ 1/3 PrAe
4.4 调节阀不稳定(振荡)的克服
从上述看出“+” Ft稳定性差，“-” Ft稳定性好，通常阀产生振荡都是在“+” Ft下工作造成的。遇到此现象，首先分析受力和流向，若为“+” Ft工作，只需将阀改变流向安装即可，从根本上消除上述问题；若不能改变流向，则必须增大弹簧范围，如Pr＝20～100KPa改为Pr＝40～200KPa等。 1 调节阀的构成
国际电工委员会IEC对调节阀（国外称控制阀Control Valve）的定义为：“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件，它包括一个阀体部件，内部有一个改变过程流体流率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”可见，调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成，即 调节阀＝执行机构+阀体部件
其中，执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部件是调节阀的调节部份，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。
调节阀按其能源方式不同主要分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三大类。它们的差别在于所配的执行机构上。前者配的是气动执行机构，中间一种配的是电动执行机构，后者配的是液动执行机构。 目前，国内将不带阀的电动执行机构称为电动执行器，这个习惯的称法有待纠正。
2 气动薄膜执行机构
2.1 老式气动薄膜执行机构
该执行机构是一种过去应用最广的执行机构。它通常接受20～100KPa的标准信号压力，具有结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉等优点。
该执行机构分为正、反作用两种形式，见图4—l。国产型号ZMA型（正作用）与ZMB型（反作用），其含义为：Z—执行器大类；M—气动薄膜型式；A—正作用；B—反作用。
当信号压力增加时，推杆向下动作的叫正作用式执行机构；反之，信号压力增加时，推杆向上动作的叫反作用式执行机构。在结构上，正、反作用执行机构基本相同，均由膜盖、波纹膜片、推杆部件、弹簧、支架等组成。在正作用式的结构上加上垫块，更换个别零件，即可变为反作用式。
它们的作用原理是：当调节器或定位器的输出信号P输入薄膜气室后，信号压力在薄膜上产生推力，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，用 表示，全行程用L表示。
输入信号压力P与执行机构的输出行程成线性关系。令执行机构正好启动时的信号压力为P0 ，全行程处的信号压力为PL ，则P0～PL 为执行机构走完全行程所需要的信号压力，亦称为弹簧范围，以Pr 表示，见图4－2。启动信号压力P0 可以通过调节件调整，使Pr 前后移动，可增加对气开阀，气闭阀所需要的输出力，以提高许用压差。
（a）正作用
图４-1 老式气动薄膜执行机构
该类执行机构中的关键零件是波纹膜片和弹簧。 膜片由丁腈橡胶－26，中间夹锦纶－6的32支丝织 物制成。由于橡胶类零件有一定的温度使用范围，所 以规定了调节阀的环境温度为－30℃～+60℃。弹簧 是执行机构质量好坏的关键零件，在全行程范围内， 弹簧刚度应保持不变，才能保证执行机构的线性度。 老式薄膜执行机构主要参数见表4－1。 表4-1
参数/执行机构 有效面积cm 推杆行程mm 弹簧范围KPa 气源压力KPa
（b）反作用
图４-2位移特性
ZM□－1 200 10
ZM□－2 280 10，16
ZM□－3 400 16，25
ZM□－4 630 25，40
ZM□－5 1000 40，60
ZM□－6 1600 60，100
20～100、20～80、50～130、80～160、60～180、130～210
140 250
2.2 精小型气动薄膜执行机构
它主要针对老式薄膜执行机构笨重和反作用可靠性差的问题而设计的。在减少重量和高度方面，它将老结构的单弹簧改为多弹簧，并将弹簧直接置于上下膜盖内，使支架大大地减小减轻； 在可靠性方面，将反作用的老式执行机构的深波纹滚动膜片改成“O”型圈密封；老式结构中的推杆没有导向，动作的平稳性差，而精小型执行机构增加了导向。
归纳起来，精小型执行机构具有可靠性高、外形小、重量轻的特点。其结构见4－3图；其型号：正作用ZHA、反作用ZHB；其参数见表4－2。 表4-2
型号 行程 有效面积cm 弹簧范围KPa 气源压力KPa
重量比较Kg
精小型 老结构 ZMA/ZMB 新比老结构下降％
/ / /
20 25/28 22/29
ZHA/B-11
10 200
ZHA/B-22 10，16 350
ZHA/B-23 16，25 350
ZHA/B-34 40 560
ZHA/B-45 40，60 900
20～100 20～80 50～130 80～160 130～210
140 250
21 30/50 30/40
35 49/58 29/43
70 95/115 26/39
（a）正作用
图４-3 精小型气动薄膜执行机构
（b）反作用
2.3 薄膜执行机构的优缺点 优点：结构简单、可靠。
缺点：①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。②为了提高输出力，通常作法就是增大尺寸，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，这是不可取的，活塞执行机构解决了此问题。 3 气动活塞执行机构
为了充分用足工厂的气源压力来提高执行机构的输出力、减少其重量和尺寸，便产生了活塞执行机构。 由于受到传统应用的影响，活塞执行机构的应用都局限于大推力上，故使用的场合较少。这是因为过去的定位器气源压力为140～250KPa，而700KPa气源的定位器的可靠性较差。如今，这一问题已不存在，定位器700KPa以上的气压都可用一台定位器来实现。换言之，现在的定位器，既可用于140～250KPa场合，又可用于700KPa的场合，这样一来，我们就应该改变传统的习惯作法——选用700KPa的气源定位器，配活塞执行机构去代替气动薄膜执行机构，使气动调节阀的尺寸和重量进一步下降。所以可以预言，气动活塞调节阀的应用会越来越广泛。
3.1 直行程活塞执行机构
它主要用于配直行程的调节阀，它分为有弹簧式和无弹簧式两种，其结构图见4－4。 1）无弹簧活塞执行机构
（1）用于故障下要求阀保位的场合；
（2）用于大口径阀要求执行机构推力特别大的场合；
（3）对两位阀配用二位五通电磁阀；对调节型的阀配用双作用式阀门定位器。 2）有弹簧式活塞执行机构
大多数场合使用有弹簧的活塞执行机构，其特点是：①在故障情况下，通过弹簧进行复位，实现故障开或故障关功能；②可以抵抗不平衡力的变化，增加执行机构的刚度，提高调节阀的稳定性。它的缺点是：①弹簧会抵消一部分输出力；②气缸内设弹簧，增加了气缸的长度和重量。
（a）无弹簧型
图4-4 单层活塞执行机构
（b）有弹簧型
3）双层活塞执行机构
为了进一步提高活塞执行机构的输出力，活塞执行机构可设计为双层式，输出力可提高约一倍，主要用于大压差、大口径、输出力要求特别大的场合。其结构见图4—5。
3.2 角行程活塞执行机构
角行程的活塞执行机构主要用于角行程类的调节阀，按气缸的安装方向，分为立式气缸和卧式气缸两种。按活塞的推杆驱动输出轴转动的结构，常用的有：①曲柄连杆式；②齿轮齿条式；③活塞螺旋式。 1）立式曲柄连杆活塞执行机构
它最常见的是用于蝶阀，其结构见图4－6。它是最老式、陈旧的结构，其主要存在的问题是：①曲柄连杆转动为滑动摩擦，不仅间隙大，而且摩擦力特别大、造成执行机构的回差大、动作不灵敏，常常使有效输出力矩损失约30％左右；②尺寸大、笨重，与现在追求调节阀为轻型化和高可靠的要求不相适应，故建议不选用。 2）卧式曲柄连杆活塞执行机构
它的典型结构见图4－7，其存在的问题同1），也是属淘汰的对象。然而，现在许多场合，如偏心旋转阀、球阀还在大量使用。显而易见，应该用更小型的、更可靠的活塞执行机构去取代它。
（a）无弹簧型
图4-5 双层活塞执行机构
（b）有弹簧型
图4-6 立式曲柄连杆活塞执行机构
3）卧式齿轮齿条活塞执行机构
它的结构见图4－8所示。它有如下特点：①齿轮齿条转动方式克服滑动摩擦，它比曲柄连杆的滑动摩擦方式的摩擦力小得多，同口径可提高效率20％；②齿轮齿条转动均匀，转动间隙小，因此运动自如、回差小；③很容易设计成双活塞式，使其输出力矩提高一倍；反过来，当输出力矩一定时，就可获得更小尺寸的执行机构，使重量和尺寸得到大幅度的减小；④非常容易实现与阀直接相连，又简化了阀的连接方式，并使所配阀的外形更加匀称、美观、小型。
图4-7 卧式曲柄连杆活塞执行机构
调节阀教程
