气动薄膜执行机构的工作原理及调节方法

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6-3-6所示。图中：1为波纹膜片；2为压缩弹簧；3为调节件；4为推杆；5为阀杆；6为压板；7为上阀盖；8为阀体；9为下阀盖；10为阀座；11为阀心；12为填料；13为反馈连杆；14为反馈凸轮；15为挡板；16为喷嘴；17为气动放大器；18为托板；19为波纹管；20为拉紧弹簧。

这种执行机构的输出特性是比例式的，即输出位移与输入的气压信号成比例关系。当信号压力通入薄膜气室时，在薄膜上产生一个推力，使推杆移动并压缩弹簧。当弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡时，推杆稳定在一个新的位置。信号压力越大，在薄膜上产生的推力就越大，则与它平衡的弹簧反力也越大，即推杆的位移量越大。推杆的位移就是执行机构的直线输出位移，也称为行程。

国产气动薄膜弹簧执行机构的行程规格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜的有效面积有200、280、400、630、1000、1600cm²六种规格。有效面积越大，执行机构的位移和推力也越大，可根据实际需要进行选择。

1.气动薄膜执行机构

气动薄膜执行机构的结构如图6-3-6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1、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，直至压缩弹簧2被压缩的反作用力与信号压力在波纹膜片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。

图6-3-6 气动阀门定位器与气动薄膜执行器的配合示意图

1—波纹膜片 2—压缩弹簧 3—调节件 4—推杆 5—阀杆 6—压板 7—上阀盖 8—阀体 9—下阀盖 10—阀座 11—阀心 12—填料 13—反馈连杆 14—反馈凸轮 15—挡板 16—喷嘴 17—气动放大器 18—托板 19—波纹管 20—拉紧弹簧

2.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P_i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P_D增大。P_D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，气动放大器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P_i成比例关系。(www.xing528.com)

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。

3.气动薄膜式执行机构的正作用和反作用

气动薄膜执行机构分正作用和反作用两种形式，国产型号为ZMA型（正作用）和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。信号压力一般是20～100kPa，气源压力的最大值为500kPa。正作用是指当信号压力增大时，阀杆向下动作，压力p是通入波纹膜片上方的薄膜气室，如图6-3-7a所示。反作用是指当信号压力增大时，阀杆向上动作，压力是通入波纹膜片下方的薄膜气室，如图6-3-7b所示。

正、反作用执行机构基本相同，均由上膜盖、下膜盖、波纹薄膜、推杆、支架、压缩弹簧、弹簧座、调节件、标尺等组成。在正作用执行机构上加一个装O形密封圈的填块，只要更换个别零件，即可变为反作用执行机构。

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。

图6-3-7 气动薄膜式执行机构的正作用和反作用示意图

a）正作用（ZMA型） b）反作用（ZMB型） 1—上阀盖 2—薄膜室 3—波纹膜片 4—阀杆 5—阀座 6—阀体 7—阀心 8—推杆 9—平衡弹簧 10—下盖

4.气动薄膜式执行机构的优缺点

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，通常做法就是增大尺寸，使得执行机构的尺寸和重量变得很大；另外，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。