氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則

介紹了球閥常用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型，分析了球閥啟、閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)力矩特性及常用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力矩特性，基于適配性原則選用輸出力矩特性和球閥動(dòng)態(tài)力矩特性相近的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，給出了球閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型方法與原則?！　鈩?dòng)球閥是球閥加上氣動(dòng)執(zhí)行器，氣動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)行速率相對(duì)性迅速，更快的開(kāi)關(guān)速率0.05秒/次，因此一般也叫氣動(dòng)式迅速斷開(kāi)球閥。氣動(dòng)球閥一般配備各種各樣附注，例如繼電器、氣動(dòng)閥門(mén)解決三聯(lián)件、限位開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)、定位儀、控制箱等，以保持就地控制和長(zhǎng)距離集中化控制，在控制房?jī)?nèi)就能夠控制閘閥的開(kāi)關(guān)，不用跑到當(dāng)場(chǎng)或是高處和危險(xiǎn)區(qū)來(lái)手動(dòng)式控制,在挺大水平上節(jié)省了人力資源管理及其時(shí)間和安全系數(shù)。那麼有關(guān)氣動(dòng)球閥的選型，我們一起來(lái)看一下。

氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則的選型必須留意的層面有：

　　1、氣動(dòng)球閥的原理是靠轉(zhuǎn)動(dòng)閥心來(lái)使閘閥通暢或阻塞。球閥開(kāi)關(guān)輕巧，重量輕，能夠制成挺大規(guī)格，密封性靠譜，構(gòu)造 簡(jiǎn)易，檢修便捷，突面與曲面常常在合閉情況，不容易被物質(zhì)沖蝕，在各制造行業(yè)獲得普遍的運(yùn)用。 

　　2、氣動(dòng)球閥在管道中關(guān)鍵用于做斷開(kāi)、分派和更改物質(zhì)的流動(dòng)性方位。

　　3、氣動(dòng)球閥是一種較為新式的球閥類型，它擁有本身構(gòu)造所*的一些優(yōu)勢(shì)，如開(kāi)關(guān)無(wú)磨擦，密封性不容易損壞，開(kāi)閉扭矩小。那樣可減少配用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的規(guī)格型號(hào)。配上多旋轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行器，可保持對(duì)物質(zhì)的調(diào)整和嚴(yán)實(shí)斷開(kāi)。

氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則型號(hào)規(guī)格表達(dá)方式：

　　球閥額外編號(hào)：V表達(dá)閥心含有V型構(gòu)造、D表達(dá)超低溫、B表達(dá)隔熱保溫、P表達(dá)軸力構(gòu)造、U和S及DY多表達(dá)上用式；

　球閥名字編號(hào)：Q表達(dá)球閥；

　　球閥驅(qū)動(dòng)器編號(hào)：6表達(dá)氣動(dòng)式；

　　接口方式編號(hào)：1表達(dá)螺紋、4表達(dá)法蘭式、6表達(dá)電焊焊接、7表達(dá)對(duì)夾式；

　　構(gòu)造形式編號(hào)：

　　浮動(dòng)式：1表達(dá)直達(dá)過(guò)流道、2表達(dá)Y型三通、4表達(dá)L型三通、5表達(dá)T型三通；

　　移動(dòng)式：0表達(dá)半球型直達(dá)、6表達(dá)四通過(guò)流道、7表達(dá)直達(dá)流進(jìn)、8表達(dá)L型三通、9表達(dá)Y型三通；

　　密封性材料編號(hào)：B巴氏合金、F氟膠、F46襯氟、H不銹鋼板、J襯膠、M蒙乃爾合金、N滌綸塑膠、蒙乃爾P、Y硬質(zhì)合金刀具、W油路板立即生產(chǎn)加工；

　　工作壓力級(jí)別編號(hào)：16表達(dá)工作壓力為16KG（1.6Mpa），較大可去64Mpa；150LB表達(dá)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)磅級(jí)工作壓力，較大耐壓試驗(yàn)級(jí)別達(dá)到2500LB；

　　油路板材料編號(hào)：A鈦及鈦金屬、C碳素鋼、I鉻鉬鋼、P系不銹鋼板、R系不銹鋼板、S塑膠。

01 氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則概述

球閥具有流阻小、啟閉迅速及便于清管等優(yōu)點(diǎn)，使其在石油、天然氣等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。球閥關(guān)閉后*依靠介質(zhì)力實(shí)現(xiàn)密封，不需要依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加強(qiáng)制的密封力，但球閥的操作扭矩較大，尤其是全壓差開(kāi)啟閥門(mén)場(chǎng)合。對(duì)于≥DN100的球閥一般都需要采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置，以及現(xiàn)代工廠普遍采用智能控制。氣動(dòng)傳動(dòng)具有動(dòng)作快速，控制簡(jiǎn)便與工作可靠等特點(diǎn)，因而在流程工業(yè)中配管工程師普遍選用氣動(dòng)球閥。球閥所用氣動(dòng)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有多種多樣的結(jié)構(gòu)，本文主要基于球閥動(dòng)態(tài)力矩特性和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力矩特性的匹配性原則進(jìn)行氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型。氣動(dòng)球閥是由旋塞閥演變而來(lái)，與旋塞閥同旋轉(zhuǎn)90度不同的是，旋塞體是一個(gè)球體，有一個(gè)圓通孔或流道通過(guò)其軸線，其工作原理是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)。

氣動(dòng)球閥開(kāi)關(guān)重量輕、體積小、可制成大口徑、密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便。密封面和球面經(jīng)常處于封閉狀態(tài)，不易被介質(zhì)腐蝕，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。氣動(dòng)球閥和旋塞閥是同一類型的閥門(mén)，只有關(guān)閉部分是球體，球體繞著閥體中心線旋轉(zhuǎn)來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)。氣動(dòng)球閥主要用于管道、切割速度、分配和改變介質(zhì)流向。

氣動(dòng)球閥的優(yōu)點(diǎn)

1、流體阻力小，阻力系數(shù)等于同一管段長(zhǎng)度。

2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。

3、球閥密封面材料廣泛應(yīng)用于塑料制品中，具有良好的密封性能，廣泛應(yīng)用于真空系統(tǒng)中。

4、本實(shí)用新型操作方便，啟閉速度快，從全開(kāi)到全關(guān)僅旋轉(zhuǎn)90度，便于遙控。

5、維修方便，氣動(dòng)球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封圈可移動(dòng)，拆卸更換更方便。

6、當(dāng)鋼球和閥座*打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，鋼球和閥座的密封面與介質(zhì)隔離。介質(zhì)通過(guò)時(shí)，閥門(mén)密封面不會(huì)磨損。

7、應(yīng)用范圍廣，路徑小到幾毫米，大到幾米，從高真空到高壓都可以使用。

8、氣動(dòng)球閥的動(dòng)力源為氣體，一般為0.2~0.8MPa壓力，比較安全。如果氣動(dòng)球閥發(fā)生泄漏，與液壓、電動(dòng)相比，氣體可以直接排放，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，安全性高。

9、與手動(dòng)和渦輪球閥相比，氣動(dòng)球閥可配置大口徑（手動(dòng)和渦輪球閥一般小于DN300口徑，目前氣動(dòng)球閥可達(dá)到DN1200口徑）。

02 氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則啟、閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)力矩特性

球閥的結(jié)構(gòu)及操作特點(diǎn)決定了球閥的開(kāi)啟力矩是不平衡的，其開(kāi)啟力矩隨著開(kāi)度的增加而降低，具有其特殊性的力矩特性曲線。球閥在全壓差開(kāi)啟的瞬間其力矩大，這時(shí)需要克服球體與閥座之間的靜摩擦力，即API 6D 第26版標(biāo)準(zhǔn)草案所闡述的脫開(kāi)力矩（BTO）。隨著球體逐步往全開(kāi)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其開(kāi)啟力矩會(huì)下降。當(dāng)球體轉(zhuǎn)到12°~14°時(shí)，其開(kāi)啟力矩會(huì)稍微增加。在該位置閥門(mén)開(kāi)始逐步開(kāi)啟并隨著開(kāi)度增加其力矩有所下降，至45°時(shí)開(kāi)啟過(guò)程中運(yùn)行力矩（RTO）為小。當(dāng)球體的整個(gè)圓周再次移進(jìn)密封圈后，球閥達(dá)到全開(kāi)位置并*開(kāi)啟時(shí)，其力矩（ETO）會(huì)有所升高。這里需要說(shuō)明的是閥桿只承受轉(zhuǎn)矩與閥桿同時(shí)承受轉(zhuǎn)矩及介質(zhì)載荷的始動(dòng)力矩會(huì)稍有差別。 

由于球體在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到有利于將球體固定在關(guān)閉位置的介質(zhì)力的分力作用，關(guān)閉時(shí)的力矩大幅小于開(kāi)啟力矩。圖1為球閥從開(kāi)啟到關(guān)閉再到開(kāi)啟的扭矩特性曲線。若使球閥從開(kāi)啟或關(guān)閉位置啟動(dòng)，所需要的扭矩應(yīng)略高于前一次操作中把球體帶到那個(gè)位置的扭矩，即所謂的“粘滯扭矩"，大多數(shù)球閥的扭矩特性曲線相類似。

03 氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型

由于球閥啟閉時(shí)只需將球體轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈即可實(shí)現(xiàn)，屬于部分回轉(zhuǎn)的角行程閥門(mén)，因而其所配用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也選用部分回轉(zhuǎn)類型。目前，球閥常用的部分回轉(zhuǎn)型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按傳動(dòng)方式可分為齒輪齒條式、扇形葉片式、撥叉式，而撥叉式根據(jù)氣缸的缸徑又可分為外置撥叉式和內(nèi)置撥叉式。

3.1  齒輪齒條式 

齒輪齒條式執(zhí)行機(jī)構(gòu)是常用的一種氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣缸中間通過(guò)齒輪和齒條連接。齒輪齒條式又可分為雙作用式和單作用式。目前，齒輪齒條式執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸內(nèi)徑能做到400mm，雙作用輸出力矩為8kNm（氣源壓力按0.55MPa計(jì)算，下同），單作用輸出力矩為5kNm。

雙作用齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。當(dāng)氣源壓力從氣口A進(jìn)入氣缸兩活塞之間的中腔時(shí)，使2活塞向氣缸2端方向移動(dòng)，2端氣腔的空氣通過(guò)氣口B排出，同時(shí)使2活塞齒條同步帶動(dòng)輸 出軸（齒輪）旋轉(zhuǎn)。反之，氣源壓力從氣孔B進(jìn)入氣缸2端氣腔時(shí)，使2活塞向氣缸中間方向移動(dòng)，中間氣腔的空氣通過(guò)氣口A排出，同時(shí)使2活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸（齒輪）反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)球閥的啟閉。雙作用氣缸的輸出扭矩為直線性特性（圖3）。

單作用齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。當(dāng)氣源壓力從氣口A進(jìn)入氣缸2活塞之間中腔時(shí)，使2活塞向氣缸2端方向移動(dòng)，迫使2端的彈簧壓縮，同時(shí)使2活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸（齒輪）旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣源壓力經(jīng)過(guò)電磁閥換向后，中間氣腔的的空氣從氣口A排出，氣缸的2活塞在彈簧力作用下向中間方向移動(dòng)，使2活塞齒條同步帶動(dòng)輸出軸（齒輪）反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)球閥的啟閉。單作用氣缸的輸出扭矩為直線性特性（圖5）。

3.2 扇形葉片式

扇形葉片式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。扇形葉片式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，一個(gè)葉片將氣腔分成 2部分。葉片由一個(gè)牢固的主體和主體2側(cè)的密封裝置組成。轉(zhuǎn)軸是葉片整體的一部分。通過(guò)向氣口A處施加空氣壓力，葉片做90°旋轉(zhuǎn)。氣口B處的氣壓使葉片移回至其初始位置。扇形葉片式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩特性和雙作用齒輪齒條氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩特性一樣，都是水平線性特性。

3.3  外置撥叉式

外置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)也分為雙作用式和單作用式，由2個(gè)分體氣缸組成，具有輸出扭矩大的特性。雙作用外置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。當(dāng)氣源壓力從氣口A進(jìn)入氣缸A端氣腔時(shí)，使2活塞及活塞桿組件同步向氣缸右端方向移動(dòng)。B端氣腔的空氣通過(guò)氣口B排出，同時(shí)由 2活塞組件同步帶動(dòng)撥叉轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，完成角行程0°~90°動(dòng)作。經(jīng)過(guò)電磁閥換氣后氣源壓力從氣口B進(jìn)入氣缸B端氣腔時(shí)，使2活塞及活塞桿組件向氣缸左端方向移動(dòng)，A端氣腔的空氣通過(guò)氣口A排出，同時(shí)由2活塞組件同步帶動(dòng)撥叉轉(zhuǎn)軸反方向旋轉(zhuǎn)，完成角行程90°~0°的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)球閥的啟閉。雙作用外置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩為曲線特性，見(jiàn)圖8。

3.4  內(nèi)置撥叉式

內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖11）是將傳統(tǒng)的齒輪齒條的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的齒輪齒條換成撥叉組件，也分為雙作用和單作用。內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與齒輪齒條式相比，在相同的結(jié)構(gòu)及輸出力矩條件下，內(nèi)置撥叉式的氣缸缸徑僅需做到300mm。內(nèi)置撥叉式相比齒輪齒條式具有使用壽命長(zhǎng)、體積小、便于安裝、節(jié)能環(huán)保及其工作速度快等優(yōu)點(diǎn)。

（１）使用壽命長(zhǎng)

傳統(tǒng)的齒輪齒條式執(zhí)行器傳動(dòng)方式為鋁合金的活塞與鋼質(zhì)的軸之間進(jìn)行滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)大且存在運(yùn)動(dòng)副磨損情況，在工況條件，易出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，給操作帶來(lái)潛在的安全隱患。內(nèi)置撥叉式執(zhí)行器采用類軸承結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)方式為合金鋼滾珠與合金鋼撥叉之間的滾動(dòng)摩擦，降低了摩擦系數(shù)，減小內(nèi)在動(dòng)力磨損。光滑耐磨的軸套，多點(diǎn)導(dǎo)向密封，使密封性能提高的同時(shí)大幅降低摩擦力，并且起到支撐和固定活塞的作用，能使活塞及撥叉在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn)，使用壽命可達(dá)100萬(wàn)次以上。

（２）體積小

齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行器的齒條厚度無(wú)形中加大了尺寸缸筒內(nèi)徑，且無(wú)法增加有效力臂長(zhǎng)度，在產(chǎn)生同樣啟閉扭矩時(shí)，內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器的嵌入式結(jié)構(gòu)可以更有效利用缸筒內(nèi)部空間，僅需更小的缸筒直徑。加上撥叉式活塞比齒條式活塞重量更加輕盈，使執(zhí)行器體積和質(zhì)量大幅減小40%，便于安裝。

（３）節(jié)能環(huán)保內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與齒輪齒條式相比，減少了空氣的消耗，減輕了壓縮機(jī)的工作量，節(jié)約用電，可以選用較小規(guī)格壓縮機(jī)。在同等扭矩情況下，撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器因其更小的耗氣量，達(dá)到設(shè)備的環(huán)保要求。

（４）工作速度更快

相對(duì)于同扭矩齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行器，內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的缸體更小，工作反應(yīng)速度更快。內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理和齒輪齒條式的工作原理相同，但是由于內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的差異，其輸出力矩特性與齒輪齒條式的輸出力矩特性相差很大，和外置撥叉式輸出曲線相近，內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩特性。

04 氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用原則

球閥扭矩的影響因素主要包括壓力、溫度、介質(zhì)類型、流體中懸浮物質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量及運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，同時(shí)還有球閥的結(jié)構(gòu)及加工質(zhì)量等。所以在選擇球閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，要求氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大輸出力矩應(yīng)符合并包含上述各種條件所必需的安全因素。因此，在選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)首先確定閥門(mén)的扭矩，然后再根據(jù)介質(zhì)條件乘以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。一般情況下，對(duì)于蒸汽或非潤(rùn)滑介質(zhì)要增加25%的安全值，非潤(rùn)滑的干氣介質(zhì)增加60%的安全值，非潤(rùn)滑用氣力輸送顆粒粉料介質(zhì)增加99%安全值， 對(duì)于清潔、無(wú)摩擦的潤(rùn)滑介質(zhì)增加20%的安全值。然后，再根據(jù)氣源工作壓力及使用工況規(guī)定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用方式及其輸出扭矩表，選擇合適的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)。

若使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作，必須提供超過(guò)球閥啟動(dòng)扭矩并具有與其所驅(qū)動(dòng)的球閥相同或相近的力矩曲線特性，這是選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本原則。因此，的方法是將球閥的力矩曲線與氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩線擬合到同一坐標(biāo)系中，并要求氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出扭矩線高于球閥的啟閉扭矩線，并且要保證2曲線之間沒(méi)有交點(diǎn)，以避免球閥啟閉過(guò)程中出現(xiàn)動(dòng)力不足的現(xiàn)象，2曲線之間的距離即為安全系數(shù)（圖13）。

05 氣動(dòng)控制球閥執(zhí)行器設(shè)計(jì)選型原則結(jié)語(yǔ)

經(jīng)分析可知，球閥在啟動(dòng)點(diǎn)及關(guān)閉點(diǎn)所需的操作扭矩為大。通過(guò)某型號(hào)球閥的啟閉扭矩和各類氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出扭矩的對(duì)比可以看出，撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，輸出力矩能隨角度改變而改變，并且在閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的位置能獲得大力矩值，與球閥啟閉閥門(mén)的動(dòng)態(tài)力矩特性相符，因此撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是為理想的球閥用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。對(duì)于小口徑及低壓球閥，可以選用內(nèi)置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而對(duì)于大口徑及高壓球閥，可以選用外置撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。