樂控分享“控制閥的氣動薄膜執行機構選型”

控制閥的氣動薄膜執行機構選型：

    控制閥（包含氣動薄膜調節閥、電動調節閥、自力式壓力調節閥、氣動球閥、氣動調蝶閥。氣動切斷閥等）是工業過程應用較多的終端控制元件，常常決定著過程控制是否及時有效，是控制回路中較為重要的環節。控制閥主要由執行機構和閥兩大部分以及相關附件組成。執行機構用于或力矩轉換和位移轉換；閥用于將位移轉換為閥芯與閥座間的流通截面積變化。

    有數據表明控制閥是一個薄弱環節，控制閥故障在控制回路故障總數中有超過50%的頻次。在工業生產過程對控制要求及安全性不斷提高的情況下，控制閃的必要性、重要性以及較高的故障頻次已引起業內注意。

執行機構：

    現行國標GB/T17213.1-1998《工業過程控制閥 第1部分：控制閥術語和總則》（等效IEC 60534-1:1987）對執行機構的定義是：將信號轉換成相應的運動，改變控制閥內部調節機構（截流件）位置的裝置或機構。該信號或者驅動力可以是氣動、電動、滾動或它們的任何一種組合。

    控制閥的閥門型式多種多樣，每一種型式都對其驅動裝置（執行機構）有不同的要求，執行機構的通用型式有：氣動薄膜執行機構、氣缸（活塞）式執行機構、電動執行機構、液動執行機構、手動執行機構、伺服執行機構。

    其中氣動薄膜調節閥的執行機構以其結構簡單、動作可靠、維護方便、價格較低，是直行程控制閥較常用的執行機構。它分為正作用與反作用動作形式以及單彈簧與多彈簧設計結構，如圖1、2所示。

    氣動信號壓力引入膜室內，當氣壓增加將膜片向下推并使執行機構推桿伸出（向下位移）稱為正作用執行機構；反之，當氣壓增加把膜片向上推并使執行機構推桿縮回（向上位移）稱為反作用執行機構。正、反作用的氣動薄膜執行機構、部件基本相同，都是由上下膜蓋、橡膠薄膜膜片、推桿、彈簧及托板等組成，還可根據需要更換作用方向。其凈輸出力為氣動信號壓力作用在膜片上產生的力與壓縮彈簧力之間的差值。執行機構輸入（氣動信號）輸出（位移）特性基本為線性關系，并能提供較大的位移（行程）。執行機構膜室內膜片有效面積與推力成正比。需要的輸出力和可承受的供氣壓力就決定了執行機構的尺寸即膜片的有效面積。

    傳統設計的氣動薄膜執行機構是單彈簧結構，殼體多為整體鑄造部件，比較笨重和尺寸大，一體的支架并有彈簧調整部件。目前廣泛應用的則是精小型的多彈簧結構，配置不同數量彈簧可組合為不同的彈簧范圍，一次裝配完成。膜蓋為鋼板冷軋成形，支架可分離可組合，整 體重量輕和尺寸高度明顯降低。

執行機構的力關系：

    執行機構產生的力（運動）用于克服負荷的有效力，負荷則是流體在閥體閥內件造成的不平衡力、以及摩擦力（填料函及填料）、密封壓緊力（閥座）、閥桿閥芯等部件的自重等有關的力作用。為了使控制閥能正常工作，配用的執行機構要能產生具有一定安全系數的力（力矩），來保證控制閥緊密關閉和順利開啟及將控制指令轉換成為行程。

    直行程單座直通控制閥主要配用氣動薄膜執行機構，氣動信號作用在薄膜有效面積上，其信號增加或減少形成一個力，去克服彈簧力和控制閥上出現的力，并與一定的閥開充對應。在相應的閥門開度下，力的關系是平衡的，氣動薄膜執行機構產生的推動力與負荷力相等，沒有凈輸出力。只有配用了閥門定位器形成閥位反饋調節閉合回路后，才能使氣動薄膜執行機構行程精度提升并能在閥全關或全開時具有凈輸出力。

參見圖3，說明控制閥執行機構整體考慮的力有關系：

設執行器的輸出力為Fa（單位N），其為的關系為：Fa=Ft+Fo+Ff+Fm

式中：Ft-流體作用在閥芯上的力（不平衡力），主要與閥壓差、閥芯受力面積有關；

      F0-閥全關時密封壓緊力，主要與閥座孔徑、泄漏等級有關；

      Ff-閥桿所受的摩擦力，主要與閥桿直徑、填料型式、行程速度有關；

      Fm-閥芯閥桿等運動部件的重量，為-mg

      這個Fa也就是控制閥計算書中的req.act.force(Fo req)。

    對于彈簧作用在執行器膜片上，彈簧力Fs與膜片有效面積Ae、位移量L和彈簧預壓緊量及剛度有關，執行機構的凈輸出力為氣動信號P作用在膜片上產生的力與彈簧作用力之間的差值，由此執行機構的力關系為；

正作用執行機構：

Fad=Ae（P-Po-Pr/l/L）

反作用執行機構：

Far=Ae（-P+P0+Pr/l/L）

式中：Ae-膜片有效面積cm2

               P氣動信號壓力，100kPa(bar)

P0-彈簧啟動壓力，100kPa(bar)

Pr-彈簧范圍，100kPa(bar)

l-推桿位移（瘩行行程）mm

L-全位移（全行程）mm

    注：在計算時，請注意片有效面積和行程及壓力的單位換算：面積 m2、長度m、壓力Pa、力N。

    在執行機構推桿位移（行程）各點上，氣動信號壓力P產生的推力與彈簧的反作用力FS相抵消，因而沒有凈輸出力。當配用閥門定位器后，只要各行程點沒有與閥門定位器的輸入控制信號相對應，即給定位號w與行程反饋信號x之間出現的偏差e，則為了保證準確定位，其輸出的氣動信號壓力就會繼續變化直到趨于零壓力或接近氣源壓力，此時執行機構會產生凈輸出力。

    以配合正裝式閥（閥桿向下移，閥門關閉）為例，正作用氣動薄膜執行機構在閥全關時走*行程，1=L，氣動信號壓力P可接近氣源壓力P氣源，Po+Pr為彈簧上限壓力，其輸出力為：Pad=Ae(P-P0-Pr)=Ae(P氣源-P彈簧上限)

    可看出，此類氣關型控制閥通常是靠提高氣源壓力來保證緊密關閉和克服不平衡力的，而彈簧范圍通常為20KPa至100KPa或更小。一些廠家在執行機構樣本中所說的大允許輸出力，通常是指氣關型控制閥和按執行機構膜室所能承受的大氣壓與膜片有效面積進行計算的結果，其數值遠比氣開型控制閥配反作用執行機構輸出力的值大出很多。以配合正裝式閥（閥桿向下移，閥門關閉）為例，反作用氣動薄膜執行機構在閥全關時

    為行程零點，氣動信號壓力P可趨于零，其輸出力為：Far=AePo

    此種情況下，只要知道膜片有效面積Ae和彈簧啟動壓力Po就能推算出該執行機構的輸出力。反作用執行機構通常有較多的彈簧范圍可選，彈簧啟動壓力P0則可通過對彈簧預壓緊進行提高。

    在控制閥全關時的Fad和Far數值也就是一些廠家計算書上的Actutor force Fa數值。

    考慮到滿足控制閥的正常使用和緊密關閉，應使Fad或Far≥Fa，使氣動信號壓力P產生的推力與彈簧的反作用力Fs相抵后仍有凈輸出力用于克服閥的流體力（不平衡力）和摩擦力，還要在閥關閉時有一定的壓緊力。在計算選型時，對氣動薄膜執行機構所需推力還應留有1.3倍的安全系數。

氣動薄膜執行機構結構：

    對于傳統的單彈簧結構氣動薄膜執行機構（參見圖2）。本文僅對精小型多彈簧結構的氣動薄膜執行機構進行分析。

    多彈簧結構的氣動薄膜執行機構屬于輕型執行機構，國內秀多稱之為精小型，具有重量輕。高度低、結構緊湊、裝配簡便、動作可靠等特點，沒有彈簧調整部件，根據需要組合彈簧范圍和進行預壓緊，一次裝配完成，不必調整彈簧。各廠家該類產品都是由上下膜蓋、膜片、彈簧、彈簧托板、推桿、出軸密封和軸套等主要部件組成，外形看起來都相差不多。

結束語：

    氣動薄膜執行機構是應用廣泛，樂控儀表有著多種型號規格、范圍供用戶選擇。雖然不同廠家的執行器有著不同的設計理念、解決方案，但更重要的是如何優化設計、適應各種工況，安全可靠和耐用。注意和分析每個細節，細節決定成敗。以整體化為出發點，多個考慮細致、創新技術、功能優化、質量可靠的細節就能組成應用方便、靈活、安全、用戶易于接受并滿意的氣動薄膜執行機構以及控制閥。