2.2 执行机构

执行机构是一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。

越来越多的工厂采用了自动化控制，越来越多的人工操作被机械或自动化设备所替代。执行机构是控制系统中重要的组成部分。在控制系统中，执行机构接受控制器的指令信号，经执行机构转换为角位移或直线位移，从而操纵调节机构，改变被控对象进出的能量或物料，实现系统或设备的自动控制目的。

现代的执行机构包含了位置感应装置、转矩感应装置、保护装置、逻辑控制装置、数字通信模块及PID控制模块等，而这些装置或模块可以全部安装在一个紧凑的外壳内。

2.2.1 执行机构的分类与比较

执行机构的驱动方式主要分为电动、液动、气动三种，进一步细分还有电磁控制与液动控制组合为一体的电液执行机构、泵控和阀控相结合的电静液执行机构、气动与液动结合的气液联动执行机构等。

电动、液动、气动这三种驱动执行机构的特性不同，适用的工程应用领域也有差别。

1.气动执行机构

在电动、液动、气动这三种执行机构中，应用广泛的是气动执行机构。气动执行机构的投资成本最低，结构简单，性价比较好，容易操作和维护，对操作人员的技术要求低。气动执行机构最大的特点是安全性高，在三种执行机构里，气动执行机构是最具防火、防爆优势的，适合应用于石化、石油、油品加工等行业。

气动执行机构的缺点在于它的控制精度低，这一点不能和电动执行机构、液动执行机构相比，这是由气动执行机构的压缩气体驱动方式所决定的。气体具有易压缩性，气动执行机构缺乏足够的抗偏移性能，因此在控制精度方面缺少竞争力。

气动执行机构多为一体化结构，气动执行机构的种类有薄膜式和活塞式两种。薄膜式气动执行机构的行程小，只能带动阀杆。活塞式气动执行机构的行程大，除了阀杆外还可以与蜗轮蜗杆配合使用。

气动执行机构的结构体积远小于液动执行机构，运行平稳度也较高，且具有安全防爆的优点，因此在发电、化工、石油等对安全性要求较高的生产行业有普遍的应用。

2.电动执行机构

电动执行机构的使用率越来越高，它安装成本适中，输出推力大，运行稳定，造价低于液动执行机构，性价比高。与气动执行机构相比，电能获取容易。电动执行机构的参数控制非常精准。

电动执行机构的结构复杂，故障率要高于气动执行机构，容易发生故障，需要有较高技术水平的专业人员操作并维护。电动执行机构接收的是电信号，容易出现打火的问题，在这一点上，安全性就要逊色于其他两种执行机构。

电动执行机构多是分体式结构，执行机构和调节机构各自独立运行。电动执行机构有角度行程和直线行程两种，分别输出角位移和直线推力。电动执行机构的抗偏离能力好，控制精度比气动执行机构高，并能轻松实现信号保护，应用领域非常广泛。

3.液动执行机构

液动执行机构使用液压油驱动，液体有不可压缩的特性，这赋予了液动执行机构很好的抗偏移能力，调节非常稳定。液动执行机构的输出推力大、抗偏移性好、控制精确、响应速度快、运行稳定。液动执行机构的输出推力要高于气动执行机构和电动执行机构。液动执行机构的输出转矩可以根据要求进行精确的调整，使得传动更为平稳、可靠，可以缓冲撞击，适用于对传动要求较高的工作环境。另外，液动执行机构本身配备有蓄能器，在发生动力故障时，可以进行一次以上的执行操作，减少紧急情况对生产系统造成的破坏和影响，特别适用于长输送管路的自动控制。液动执行机构使用液压方式驱动，操作过程中不会出现电动设备常见的打火现象，因此防爆性能要高于电动执行机构。

液动执行机构的驱动需要配备液压站和输油管路，液动执行机构相对电动执行机构和气动执行机构，一次性投资更大，安装工程量也更多。液动执行机构的缺点是造价高，体积也比较大、结构笨重，因此液动执行机构的使用范围较小，通常是大型的、特殊要求的工程设备需要使用液动执行机构。

2.2.2 电动执行机构

电动执行机构是以电能为驱动能源的执行机构，广泛应用于各种工业自动化过程控制系统，它由电动机、电磁执行机构、控制器、减速器、限位机构、转矩保护机构、位置反馈装置、丝杠、蜗轮蜗杆等构件组成。对于电动机，有异步电动机（可靠性高、成本低、成熟可控、效率较低）、永磁交流同步电动机（可靠性高、成本高、效率高）、直流电动机（体积小、成本高、可控性好）、步进电动机（可靠性高、开环控制结构简单且成本低、调速范围宽、没有积累误差、位置控制精度高、起停和反转响应快）、直线电动机（速度范围宽、加速度大、行程不受限制、结构简单、运动平稳）、伺服电动机（闭环控制精度高、高速性能好、抗过载能力强、稳定可靠）等。对于控制器，它接受和输出4~20mA模拟信号和数字信号，实现对于执行机构的自动控制。新近发展的智能化技术还可以实现对执行机构的功能设定、故障自诊断、状态报警和记录、显示和通信功能。对于减速机，有正齿轮传动、蜗轮蜗杆齿轮传动、行星齿轮传动、滚珠丝杠传动等方式。执行机构的辅助部件包含：手轮（断电和调试时操作执行机构）、阀位显示（现场显示执行机构阀位情况）、电气及机械限位装置（双重保护，智能型产品采用电流传感器技术来实现限位和转矩保护功能）、转矩保护开关（过转矩时对执行机构的减速机构进行保护）、加热电阻（保持电气盒空间一定的温度，在低温时不会结露，使电气部件受潮）、附加限位开关和转矩开关（提供一些附加的信号点）等。

电动机把电能转化为机械能，从而驱动执行机构动作；减速器是将电动机的高转速、小转矩的机械能输出转换为低转速、大转矩的机械能输出。电动执行机构连接上各种阀体，就形成了各种电动调节阀。随着集成电路和数字技术的发展，继电开关和模拟运算放大电路已开始被微型芯片取代，出现了智能型电动执行机构。新型的智能型电动执行机构电机普遍采用蜗杆蜗轮减速。

著名的电动执行机构品牌有英国Rotork电动执行机构、美国JORDAN电动执行机构、法国的伯纳德、ABB的ONTRAC系列和德国AUMA、SIEMENS、SIPOS5电动执行机构等。英国Rotork公司电动执行机构结构如图2.2所示，德国AUMA公司电动执行机构结构如图2.3所示。

1.电动执行机构按照位移分类

1）角行程电动执行机构：输出转矩和90°转角，用于控制蝶阀、球阀、百叶阀、风门、旋塞阀、挡板阀等。转矩不大于600N·m时，减速器高速级为两级行星齿轮传动，输出级为蜗杆传动。转矩不小于1000N·m时，减速器由多转执行机构减速器配蜗杆减速器组成。

2）直行程电动执行机构：输出推力和直线位移，用于单、双座调节阀、套筒阀、高温高压给水阀、减温水调节阀等。减速器由多转执行机构配接丝杠螺母传动装置组成。

3）多转式电动执行机构：输出转矩和超过360°的转动，用于控制各类闸板阀、截止阀、高温高压阀、减温水阀及需要多圈转动的其他调节阀。减速器高速级为行星齿轮传动，输出轴为交错轴斜齿轮传动。

2.电动执行机构按照调节方式分类

1）开关型电动执行机构：执行机构接收开关信号控制输出，即使开关复位，输出件继续移动，直到极限位置停止。执行机构除非紧急按停，不能停在中间位置。原理与远控调节型相同，区别是能自动保持开关信号。

2）远控开关型（调节型）电动执行机构：执行机构接收开关（继电）信号控制输出位移，开关复位，输出件停止运动。这是一种开环的可间断调节的控制系统。

3）比例调节型电动执行机构：执行机构接收系统的控制信号自动实现工业过程调节控制，控制行程与输入信号成正比。这是一种带负反馈的偏差控制系统。

3.电动执行机构按照结构分类

1）紧凑型：将电动机、减速器和控制器集成在一起，也称一体化结构，一般的轻载型执行机构都是这种结构。

2）重载型：由多转式执行机构配以不同的减速器构成。其电动机、减速器和控制器封装在不同的壳体内。

4.电动执行机构选型的关键参数

1）输出转矩（角行程和旋转式）、输出推力（直行程）。输出力（转矩）应大于它所受到的负荷力（转矩），输出转速应满足调节机构的调节时间。

2）速度：角行程为多少（rad/s）；旋转式为多少（r/min）；直行程为多少（mm/s）。

3）行程：角行程为90rad/s、120rad/s，旋转式为多少（r/min），直行程为多少（mm/s）。

4）执行机构的运行模式：开关型还是调节型。

5）其他辅助功能：控制输入模式，附件开关输出，阀位反馈输出，通信功能，就地手动功能，信号隔离功能。

6）电源：单相AC 220V/230V；三相AC 380V/400V；DC 24V/48V；是否需要防爆。

7）连接方式及尺寸：直联式与连杆连接方式，传动轴的结构与尺寸。

2.2.3 液动执行机构

液动执行机构是指利用液压油或其他合成液体的特性，把油液的压力能转换为机械能，能够实现往复直线运动、旋转或摆动的执行机构。液压传动的特点是可实现无间隙传动，传动平稳，承载力大，容易实现无级调速，且调速范围宽，易于实现过载保护。另外，由于液体的压力、流量和方向容易控制，配合电气装置，便于实现自动工作循环和自动过载保护。由于一般采用液压油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。但液动执行机构也有不少缺点，例如，液压动力不像电力那样容易获得；油液的黏性受温度的影响大，影响其工作稳定性，不适应低温、高温或温度变化大的场合；液动执行机构组件加工和装配要求精度高，加工工艺困难，成本高；液压传动要求工作油要始终保持清洁，因而带来比较大的维护工作量，液压元件维修复杂；由于液压油泄漏和由此导致的液体的可压缩性使传动比无法严格保证，系统效率较低等。但是，由于液动执行机构具有输出转矩大，运动惯量小，动态性能好，加速能力强，具有优良的抗偏离能力，能高速起动、制动与反向等诸多优点，使得它在过程控制、工业自动化设备中有着广泛的应用。

液动执行机构按其运动形式分类有用于直线往复运动的液压缸、用于连续旋转运动的液压马达、用于摆动运动的摆动液压马达。

1.液压缸

液压缸是将液压能转变为机械能、做直线往复运动（或摆动运动）的液动执行元件。它结构简单、工作可靠。用液压缸实现往复运动时，可免去减速装置，且没有传动间隙，运动平稳，因此，在各种机械的液压系统中得到广泛应用。

液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。

液压缸按结构形式分类有活塞缸（又分为单杆活塞缸及双杆活塞缸）、柱塞缸、摆动缸（又分为单叶片摆动缸及双叶片摆动缸）、伸缩套筒缸。

液压缸按供油方向分类有单作用缸、双作用缸、复合式缸。单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其他外力使活塞反向回程；双作用缸分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成；复合式缸有多种组合方式，例如活塞缸与柱塞缸组合、活塞缸与机械构件组合等。

液压缸按用途分类有串联缸、增压缸、增速缸。

机器设备的往复直线运动可直接采用液压缸实现，这样的系统设计简单便捷。若要求往返运动速度一致，可采用双活塞杆式液压缸；若要求快速返回，则宜用单活塞杆式液压缸，并可考虑用差动连接；若要求行程较长，可采用柱塞缸，以减少加工的困难；若系统的压力比较低，局部需要较大的压力，可用增压缸；若要求往复摆动运动，则既可用直线式液压缸加连杆机构，也可用齿轮-齿条机构来实现，也可用摆动式液压缸。

液压缸的主要性能参数和结构参数为油缸直径、进出口直径及螺纹参数、活塞杆直径、油缸工作压力、行程要求、安装方式、是否有缓冲要求、速度及速比、空载起动压力等。

液压缸选型前需确定系统参数，这包括需要明确负载重量和所需要的推力、工作压力和压力范围、油缸负载、完成行程距离的时间、运行速度、安装要求、工作环境、使用频度等。选型步骤为：初选液压缸内径→初选活塞杆直径→确定系统压力→选定行程→确定安装方式→酌情选择缓冲→选择油口类型和通径，例如由系统中连接管路的接管方式确定油口类型为内螺纹式、法兰式及其他特殊型式，在系统与液压缸的连接管路中介质流量已知条件下，通过油口的介质流速及速比确定油口通径→密封件品质选择，例如能够随着压力提高、自动提高密封性能、摩擦系数稳定、低速下无爬行现象、抗腐蚀、耐磨、不易老化、互换性好、易采购→满足工况要求的选择，例如工作介质，环境或介质温度，精度要求，工作的压力与往返速度配合关系，保压要求时的零泄漏，高频振动对各部件材料特性、连接结构的影响，高粉尘、水淋、酸雾或盐雾等环境对密封系统、各部件材料特性、活塞杆的表面处理及产品防护的影响→其他特性选择，例如排气阀、泄漏油口。

2.液压马达

液压马达是将油液的压力能转换为输出轴转动机械能的能量转换装置。通过控制进入液压马达的油液压力控制其输出转矩，通过控制进入液压马达的油液流量控制其的转速。对于变量液压马达，通过调节其排量控制输出轴的转矩和转速。液压马达除了进出油口外，还有泄油口，使泄漏的油返回油箱。泄漏口可以防止在轴的密封处产生高压，避免产生额外的轴向力。

液压马达外形尺寸小、重量轻、输出转矩和功率比较大，有较好的动态响应特性。此外，调速范围宽，可实现正、反向旋转运动。因此，控制性能好。液压马达的缺点是功率传递效率比齿轮传动低、噪声大，在起动时和低速时往往不能平稳地工作。

液压马达按其排量可否调节分为定量液压马达和变量液压马达；按其结构形式分为齿轮式、叶片式、柱塞式等。此外，还有低速大转矩液压马达。

液压马达的主要性能参数为排量、流量、容积效率、输出转矩、机械效率、起动机械效率、转速、转速范围等。

液压马达选型应该考虑的因素有负载与工作制、油液类型、最小流量和最大流量、压力范围、系统类型（开式系统或闭式系统）、环境温度、系统工作温度、冷却系统、油泵类型（齿轮泵、柱塞泵或叶片泵）、过载保护、过速保护、径向载荷和轴向载荷等。

负载与工作制是系统选型时的重要因素，如果要求液压马达长时间满负荷工作，且使用寿命长，需选择转矩和转速指标高出一档的产品。同样，如果液压马达工作频繁程度很低，且每一次工作持续时间又很短，则选择转矩和转速指标偏低的产品以减小购置成本。液压马达选型除应考虑到必须满足最大转矩外，还必须满足相应的转速。同时应考虑到使用的环境条件、机构的连接方式及连接尺寸。

3.摆动液压马达

摆动液压马达又称摆动液压缸，是能够实现输出轴做往复摆动的液动执行机构。

摆动液压马达通常分为叶片式和活塞式两大类。工作时，叶片式摆动液压马达的压力油驱动叶片带动输出轴及工作机构往复摆动，活塞式摆动液压马达的压力油驱动活塞直线运动带动输出轴及工作机构摆动。叶片式摆动液压马达又分为单叶片式和双叶片式；活塞式摆动液压马达又分为齿条齿轮式、螺旋活塞式、链式、曲柄连杆式、来复式。

摆动液压马达的优点是输出轴直接驱动负载回转摆动，其间不需任何变速机构，它体积小、转矩高、可以精确控制，广泛用于要求有限旋转运动且要大转矩的领域和设备。随着技术的进步，结构、材料和密封的改进，摆动液压马达泄漏减小，效率性能和可靠性提高，使用压力提高，输出转矩可达数万牛·米，低速稳定性比较好。

摆动液压马达选型时应该考虑的主要参数有摆角、工作压力、输出转矩、起动转矩和内泄漏、缓冲与制动。

摆动液压马达的摆角一般不能调整，当它的输出轴直接和负载紧固时，最大摆角应大于或等于负载所需的摆角。当选择摆角大的摆动液压马达时，借助于行程开关或限位块控制负载摆角。

当摆动液压马达的结构尺寸确定后，输出转矩只取决于工作压力和机械效率，液压马达输出转矩应该大于负载所需的转矩。负载所需转矩包括负载摩擦转矩、负载重量引起的转矩和使负载获得必要的角加速度所需的转矩。

一般情况下，摆动液压马达起动转矩与输出转矩相比较小，这时的内泄漏造成的系统流量损失与整个系统的流量相比也很小，不会对动态品质造成过大影响。但摆动液压马达若应用在动态品质要求高的电液伺服系统或对负载有较高的低速平稳性要求的系统中时，就必须重视内泄漏问题。内泄漏是影响负载低速平稳的决定性因素，尤其对大负载，甚至会使摆动液压马达产生爬行。

负载摆动速度低、负载小时，摆动液压马达自身能承受转到极限位置所产生的冲击力，无须另设缓冲和制动装置。但当负载大、摆动速度高时，为避免惯性力损坏制动档，就必须考虑缓冲和制动措施。当高压、高速造成的冲击力很大时，采用减速回路、装设流量阀或在进出油口处设置小型溢流阀或顺序阀、管路中安装蓄能器等多种办法来消除。

2.2.4 气动执行机构

气动执行机构是指用气压力驱动起闭或调节阀门的执行装置。气动执行机构由执行机构和调节机构两个部分组成，但其执行机构和调节机构是统一的整体。

气动执行机构分类为薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。

薄膜式气动执行机构行程较小，只能直接带动阀杆，主要用于直通调节阀，所需的气源压力较低，控制性能较好；活塞式气动执行机构行程长，所需气源压力较大，适用于要求有较大推力的场合，主要用于球阀、蝶阀等；拨叉式气动执行机构具有起动转矩大、占用空间小、转矩曲线与阀门的转矩曲线匹配，常用于大转矩的蝶阀、球阀、旋塞阀的控制；齿轮齿条气动执行机构结构简单、运行平稳、可靠、安全、防爆、耐恶劣环境、使用寿命长，在对安全要求较高的设备中有广泛应用。

气动执行机构存在一些缺点，例如，因为气体的压缩性导致速度不易均匀，控制精度较低，双作用的气动执行机构断气源后不能回到预设位置，气缸的动作速度易随负载的变化而变化，低速稳定性不佳，寿命受气源洁净度和使用频率限制，与液动执行机构相比体积较大，不适于大口径、高压力的阀门。

气动执行机构选型时应该考虑的因素有执行机构的规格与结构类型、阀门的形式、阀门的起闭转矩、旋转方向、恢复至初始位置要求、工作环境、温度范围、气源条件、气源压力、最低供气压力、角（直）行程误差、流量特性、输出转矩、死区、时间常数、精度、漂移、操作频率、管道和压差、安全系数、电磁阀供电电压、连接方式、安装限制、防爆要求、特殊要求等。

气动执行机构选型步骤：确认直行程或角行程→确认单作用和双作用（单作用气动执行机构带有弹簧单元，仅仅一个方向使用气源，另一个方向使用弹簧推力驱动。在失去气源时，阀门处于全开或全关状态；双作用气动执行机构多见于活塞式气缸，两个方向都需要气源，在失去气源时，阀门可处于保位状态）→确认转矩→确认阀门动作方式→确认控制信号→确认反馈信号→确认气源附件及定位器→确认环境温度。