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【执行机构】电动和气动执行器:性能特点的对比(上)
发表时间:2021-08-15 来源:阀门世界亚洲 点击次数:963次

用于管道阀门的电动和气动执行器:看上去似乎两种执行器差别迥异,需要根据装置现场具备的动力源作出选择。但是实际上这样的观点有失偏颇。除了那些主要而明显的差别,它们还有若干不太明显的独特之处。






电动和气动执行器是自动化系统中最常用的两种驱动机构。通常,执行器的选择决策是在基础设计阶段作出的,而且安装后会一直用到寿命周期结束。


在选择执行器的动力类型时,人们往往不会考虑管道中工艺介质的参数,而只关注设计方的内部参考资料、电力供应情况,或看现场是否能大量供应预制气体。


可是在运营过程中,往往会发现某些阀门需要加装执行器,或者某些阀门中工艺介质的参数将会改变。这时问题就来了:应该保留原有的执行器,还是换成另一种执行器来提高性能?




本文将分别介绍电动和气动执行器的主要性能特点并作比较。

通常情况下,制造商会给电动执行器担保一万次操作循环,给气动执行器担保十万次操作循环。显然就操作循环的次数而言,气动执行器寿命更长,这是因为它的结构比较简单。此外,气动执行器的摩擦接触面是弹性体或聚合物材质的,被磨损的O形圈和塑料导向元件很容易更换。

作为电动执行器,从电机到输出轴之间通常都有减速齿轮箱,其中有许多相互啮合的齿轮,运转时都会发生磨损。此外同样值得注意的是,气动执行器的整个寿命周期内,都无需更换润滑油脂。



扭矩


管道阀执行器最重要的性能参数之一就是扭矩。电动执行器的扭矩取决于设计(恒定分量),以及施加在定子上的电压。气动执行器的扭矩取决于设计(恒定分量),以及供应给气动执行器的气源压力。


通常,执行器的扭矩需要大于阀门的最大扭矩,或者说大于移动关断元件所需的扭矩。实际使用中,阀门的实际扭矩可能大于制造商标称的最大扭矩,而且也大于执行器的最大扭矩。这无疑属于紧急情况。


如果继续运行执行器的话,可能会导致执行器和阀门损坏。如果阀门的扭矩增大,电机也会随之逐步提升扭矩,直至达到牵出值(脱出值)。这意味着机械结构被迫输出并承受超越设计范围的过大扭矩。





超扭矩保护


为了防止设备在上述情况下受损,电动执行器可以配置一些专用装置。最常见的就是扭矩开关,它可以是机械式(常见工作原理是蜗轮在超扭矩状态下发生轴向线性运动);也可以是电子式(常见原理是测量定子电流,或霍尔效应。)。当扭矩超过设计最大值,扭矩开关可以切断定子的电压,使执行器电机停转。气动执行器就不存在超扭矩保护的需求。如果施加给阀门的扭矩超过了规定限制,压缩空气的物理特性会使气动执行器停止驱动。和电动执行器不同,气动执行器的输出扭矩不会大于设计限制。可以认为,如果给管道阀门配置了气动执行器,就排除了因扭矩超过规定值而导致设备故障的风险。





防爆设计
防爆设计


如果使用环境中存在危险品,电动设备有可能会导致爆炸。关于危险品环境中的防护等级和防护方法,限于篇幅不列入本文中。


尽管如此仍有必要强调的是,在有危险品的环境中必须使用防爆型设备。


和常规工业标准的电动执行器相比,管道阀门用的防爆电动执行器价格较高,设计也更复杂。气动执行器即使被用于危险品环境,也没有导致爆炸的潜在风险。对于气动执行器而言,针对危险品环境的特殊设计也仅限于定位器、电磁阀和限位开关(图1-3)。相应地,如果用附加了防爆附件的气动执行器操作管道阀门,成本会明显低于同等功能的防爆电动执行器。



定位

气动执行器有一个最显著的缺点,当执行器走到行程的中段时定位比较复杂,这意味着控制阀的阀芯定位比较困难。


由于空气的物理特性,气动执行器的定位精度比电动执行器低好几倍。如果电动执行器采用了步进电机,其定位精度要比配置定位器的气动执行器高出几个数量级。后者只能用于对定位精度,或者说对控制精度要求不高的系统。用于管道阀门的气动执行器在结构设计上有它的特点:控制系统的所有元件都安装在执行器的外表面,或是在主体结构的外部。如果需要将操作模式从关断切换到控制,需要将电磁阀更换成定位器。由于这两种部件都是安装在气动执行器的外面,而且配合面的设计相同,因此拆除分配器和安装定位器都比较方便。换言之,同一台气动执行器通过更换相应的附件,既能用于关断,也能用于控制(图1-2)。




作者简介





Andrey Pleshkov拥有电气工程学和经济学硕士学位。职业生涯的最初五年,他曾在供暖和发电领域从事阀门、执行器、控制系统的运行和技术开发工作。


之后的十年间,Pleshkov先后在阀门制造厂家和工程公司的工艺自动化部门工作。Pleshkov和俄罗斯科技工业阀门制造商协会有密切合作,发表了大量关于阀门操作和控制系统热门话题的文章。



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