乐控分享“控制阀的气动薄膜执行机构选型”

控制阀的气动薄膜执行机构选型：

    控制阀（包含气动薄膜调节阀、电动调节阀、自力式压力调节阀、气动球阀、气动调蝶阀。气动切断阀等）是工业过程应用较多的终端控制元件，常常决定着过程控制是否及时有效，是控制回路中较为重要的环节。控制阀主要由执行机构和阀两大部分以及相关附件组成。执行机构用于或力矩转换和位移转换；阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。

    有数据表明控制阀是一个薄弱环节，控制阀故障在控制回路故障总数中有超过50%的频次。在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，控制闪的必要性、重要性以及较高的故障频次已引起业内注意。

执行机构：

    现行国标GB/T17213.1-1998《工业过程控制阀 第1部分：控制阀术语和总则》（等效IEC 60534-1:1987）对执行机构的定义是：将信号转换成相应的运动，改变控制阀内部调节机构（截流件）位置的装置或机构。该信号或者驱动力可以是气动、电动、滚动或它们的任何一种组合。

    控制阀的阀门型式多种多样，每一种型式都对其驱动装置（执行机构）有不同的要求，执行机构的通用型式有：气动薄膜执行机构、气缸（活塞）式执行机构、电动执行机构、液动执行机构、手动执行机构、伺服执行机构。

    其中气动薄膜调节阀的执行机构以其结构简单、动作可靠、维护方便、价格较低，是直行程控制阀较常用的执行机构。它分为正作用与反作用动作形式以及单弹簧与多弹簧设计结构，如图1、2所示。

    气动信号压力引入膜室内，当气压增加将膜片向下推并使执行机构推杆伸出（向下位移）称为正作用执行机构；反之，当气压增加把膜片向上推并使执行机构推杆缩回（向上位移）称为反作用执行机构。正、反作用的气动薄膜执行机构、部件基本相同，都是由上下膜盖、橡胶薄膜膜片、推杆、弹簧及托板等组成，还可根据需要更换作用方向。其净输出力为气动信号压力作用在膜片上产生的力与压缩弹簧力之间的差值。执行机构输入（气动信号）输出（位移）特性基本为线性关系，并能提供较大的位移（行程）。执行机构膜室内膜片有效面积与推力成正比。需要的输出力和可承受的供气压力就决定了执行机构的尺寸即膜片的有效面积。

    传统设计的气动薄膜执行机构是单弹簧结构，壳体多为整体铸造部件，比较笨重和尺寸大，一体的支架并有弹簧调整部件。目前广泛应用的则是精小型的多弹簧结构，配置不同数量弹簧可组合为不同的弹簧范围，一次装配完成。膜盖为钢板冷轧成形，支架可分离可组合，整 体重量轻和尺寸高度明显降低。

执行机构的力关系：

    执行机构产生的力（运动）用于克服负荷的有效力，负荷则是流体在阀体阀内件造成的不平衡力、以及摩擦力（填料函及填料）、密封压紧力（阀座）、阀杆阀芯等部件的自重等有关的力作用。为了使控制阀能正常工作，配用的执行机构要能产生具有一定安全系数的力（力矩），来保证控制阀紧密关闭和顺利开启及将控制指令转换成为行程。

    直行程单座直通控制阀主要配用气动薄膜执行机构，气动信号作用在薄膜有效面积上，其信号增加或减少形成一个力，去克服弹簧力和控制阀上出现的力，并与一定的阀开充对应。在相应的阀门开度下，力的关系是平衡的，气动薄膜执行机构产生的推动力与负荷力相等，没有净输出力。只有配用了阀门定位器形成阀位反馈调节闭合回路后，才能使气动薄膜执行机构行程精度提升并能在阀全关或全开时具有净输出力。

参见图3，说明控制阀执行机构整体考虑的力有关系：

设执行器的输出力为Fa（单位N），其为的关系为：Fa=Ft+Fo+Ff+Fm

式中：Ft-流体作用在阀芯上的力（不平衡力），主要与阀压差、阀芯受力面积有关；

      F0-阀全关时密封压紧力，主要与阀座孔径、泄漏等级有关；

      Ff-阀杆所受的摩擦力，主要与阀杆直径、填料型式、行程速度有关；

      Fm-阀芯阀杆等运动部件的重量，为-mg

      这个Fa也就是控制阀计算书中的req.act.force(Fo req)。

    对于弹簧作用在执行器膜片上，弹簧力Fs与膜片有效面积Ae、位移量L和弹簧预压紧量及刚度有关，执行机构的净输出力为气动信号P作用在膜片上产生的力与弹簧作用力之间的差值，由此执行机构的力关系为；

正作用执行机构：

Fad=Ae（P-Po-Pr/l/L）

反作用执行机构：

Far=Ae（-P+P0+Pr/l/L）

式中：Ae-膜片有效面积cm2

               P气动信号压力，100kPa(bar)

P0-弹簧启动压力，100kPa(bar)

Pr-弹簧范围，100kPa(bar)

l-推杆位移（瘩行行程）mm

L-全位移（全行程）mm

    注：在计算时，请注意片有效面积和行程及压力的单位换算：面积 m2、长度m、压力Pa、力N。

    在执行机构推杆位移（行程）各点上，气动信号压力P产生的推力与弹簧的反作用力FS相抵消，因而没有净输出力。当配用阀门定位器后，只要各行程点没有与阀门定位器的输入控制信号相对应，即给定位号w与行程反馈信号x之间出现的偏差e，则为了保证准确定位，其输出的气动信号压力就会继续变化直到趋于零压力或接近气源压力，此时执行机构会产生净输出力。

    以配合正装式阀（阀杆向下移，阀门关闭）为例，正作用气动薄膜执行机构在阀全关时走*行程，1=L，气动信号压力P可接近气源压力P气源，Po+Pr为弹簧上限压力，其输出力为：Pad=Ae(P-P0-Pr)=Ae(P气源-P弹簧上限)

    可看出，此类气关型控制阀通常是靠提高气源压力来保证紧密关闭和克服不平衡力的，而弹簧范围通常为20KPa至100KPa或更小。一些厂家在执行机构样本中所说的大允许输出力，通常是指气关型控制阀和按执行机构膜室所能承受的大气压与膜片有效面积进行计算的结果，其数值远比气开型控制阀配反作用执行机构输出力的值大出很多。以配合正装式阀（阀杆向下移，阀门关闭）为例，反作用气动薄膜执行机构在阀全关时

    为行程零点，气动信号压力P可趋于零，其输出力为：Far=AePo

    此种情况下，只要知道膜片有效面积Ae和弹簧启动压力Po就能推算出该执行机构的输出力。反作用执行机构通常有较多的弹簧范围可选，弹簧启动压力P0则可通过对弹簧预压紧进行提高。

    在控制阀全关时的Fad和Far数值也就是一些厂家计算书上的Actutor force Fa数值。

    考虑到满足控制阀的正常使用和紧密关闭，应使Fad或Far≥Fa，使气动信号压力P产生的推力与弹簧的反作用力Fs相抵后仍有净输出力用于克服阀的流体力（不平衡力）和摩擦力，还要在阀关闭时有一定的压紧力。在计算选型时，对气动薄膜执行机构所需推力还应留有1.3倍的安全系数。

气动薄膜执行机构结构：

    对于传统的单弹簧结构气动薄膜执行机构（参见图2）。本文仅对精小型多弹簧结构的气动薄膜执行机构进行分析。

    多弹簧结构的气动薄膜执行机构属于轻型执行机构，国内秀多称之为精小型，具有重量轻。高度低、结构紧凑、装配简便、动作可靠等特点，没有弹簧调整部件，根据需要组合弹簧范围和进行预压紧，一次装配完成，不必调整弹簧。各厂家该类产品都是由上下膜盖、膜片、弹簧、弹簧托板、推杆、出轴密封和轴套等主要部件组成，外形看起来都相差不多。

结束语：

    气动薄膜执行机构是应用广泛，乐控仪表（杭州）有限公司最新版有着多种型号规格、范围供用户选择。虽然不同厂家的执行器有着不同的设计理念、解决方案，但更重要的是如何优化设计、适应各种工况，安全可靠和耐用。注意和分析每个细节，细节决定成败。以整体化为出发点，多个考虑细致、创新技术、功能优化、质量可靠的细节就能组成应用方便、灵活、安全、用户易于接受并满意的气动薄膜执行机构以及控制阀。