氣動控制球閥執行器設計選型原則

介紹了球閥常用氣動執行機構的類型，分析了球閥啟、閉過程的動態力矩特性及常用氣動執行機構的輸出力矩特性，基于適配性原則選用輸出力矩特性和球閥動態力矩特性相近的氣動執行機構，給出了球閥氣動執行機構的選型方法與原則。　　氣動球閥是球閥加上氣動執行器，氣動執行器的實行速率相對性迅速，更快的開關速率0.05秒/次，因此一般也叫氣動式迅速斷開球閥。氣動球閥一般配備各種各樣附注，例如繼電器、氣動閥門解決三聯件、限位開關開關、定位儀、控制箱等，以保持就地控制和長距離集中化控制，在控制房內就能夠控制閘閥的開關，不用跑到當場或是高處和危險區來手動式控制,在挺大水平上節省了人力資源管理及其時間和安全系數。那麼有關氣動球閥的選型，我們一起來看一下。

氣動控制球閥執行器設計選型原則的選型必須留意的層面有：

　　1、氣動球閥的原理是靠轉動閥心來使閘閥通暢或阻塞。球閥開關輕巧，重量輕，能夠制成挺大規格，密封性靠譜，構造 簡易，檢修便捷，突面與曲面常常在合閉情況，不容易被物質沖蝕，在各制造行業獲得普遍的運用。 

　　2、氣動球閥在管道中關鍵用于做斷開、分派和更改物質的流動性方位。

　　3、氣動球閥是一種較為新式的球閥類型，它擁有本身構造所*的一些優勢，如開關無磨擦，密封性不容易損壞，開閉扭矩小。那樣可減少配用電動執行機構的規格型號。配上多旋轉電動執行器，可保持對物質的調整和嚴實斷開。

氣動控制球閥執行器設計選型原則型號規格表達方式：

　　球閥額外編號：V表達閥心含有V型構造、D表達超低溫、B表達隔熱保溫、P表達軸力構造、U和S及DY多表達上用式；

　球閥名字編號：Q表達球閥；

　　球閥驅動器編號：6表達氣動式；

　　接口方式編號：1表達螺紋、4表達法蘭式、6表達電焊焊接、7表達對夾式；

　　構造形式編號：

　　浮動式：1表達直達過流道、2表達Y型三通、4表達L型三通、5表達T型三通；

　　移動式：0表達半球型直達、6表達四通過流道、7表達直達流進、8表達L型三通、9表達Y型三通；

　　密封性材料編號：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硬質合金刀具、W油路板立即生產加工；

　　工作壓力級別編號：16表達工作壓力為16KG（1.6Mpa），較大可去64Mpa；150LB表達美國標準磅級工作壓力，較大耐壓試驗級別達到2500LB；

　　油路板材料編號：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 氣動控制球閥執行器設計選型原則概述

球閥具有流阻小、啟閉迅速及便于清管等優點，使其在石油、天然氣等工業中得到廣泛應用。球閥關閉后*依靠介質力實現密封，不需要依靠驅動機構施加強制的密封力，但球閥的操作扭矩較大，尤其是全壓差開啟閥門場合。對于≥DN100的球閥一般都需要采用蝸輪蝸桿傳動裝置，以及現代工廠普遍采用智能控制。氣動傳動具有動作快速，控制簡便與工作可靠等特點，因而在流程工業中配管工程師普遍選用氣動球閥。球閥所用氣動執行驅動機構具有多種多樣的結構，本文主要基于球閥動態力矩特性和氣動執行機構輸出力矩特性的匹配性原則進行氣動執行機構選型。氣動球閥是由旋塞閥演變而來，與旋塞閥同旋轉90度不同的是，旋塞體是一個球體，有一個圓通孔或流道通過其軸線，其工作原理是通過轉動閥芯來開啟或關閉閥門。

氣動球閥開關重量輕、體積小、可制成大口徑、密封可靠、結構簡單、維修方便。密封面和球面經常處于封閉狀態，不易被介質腐蝕，已廣泛應用于多個行業。氣動球閥和旋塞閥是同一類型的閥門，只有關閉部分是球體，球體繞著閥體中心線旋轉來開啟和關閉閥門。氣動球閥主要用于管道、切割速度、分配和改變介質流向。

氣動球閥的優點

1、流體阻力小，阻力系數等于同一管段長度。

2、結構簡單，體積小，重量輕。

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

4、本實用新型操作方便，啟閉速度快，從全開到全關僅旋轉90度，便于遙控。

5、維修方便，氣動球閥結構簡單，密封圈可移動，拆卸更換更方便。

6、當鋼球和閥座*打開或關閉時，鋼球和閥座的密封面與介質隔離。介質通過時，閥門密封面不會磨損。

7、應用范圍廣，路徑小到幾毫米，大到幾米，從高真空到高壓都可以使用。

8、氣動球閥的動力源為氣體，一般為0.2~0.8MPa壓力，比較安全。如果氣動球閥發生泄漏，與液壓、電動相比，氣體可以直接排放，對環境無污染，安全性高。

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

02 氣動控制球閥執行器設計選型原則啟、閉過程的動態力矩特性

球閥的結構及操作特點決定了球閥的開啟力矩是不平衡的，其開啟力矩隨著開度的增加而降低，具有其特殊性的力矩特性曲線。球閥在全壓差開啟的瞬間其力矩大，這時需要克服球體與閥座之間的靜摩擦力，即API 6D 第26版標準草案所闡述的脫開力矩（BTO）。隨著球體逐步往全開的方向轉動，其開啟力矩會下降。當球體轉到12°~14°時，其開啟力矩會稍微增加。在該位置閥門開始逐步開啟并隨著開度增加其力矩有所下降，至45°時開啟過程中運行力矩（RTO）為小。當球體的整個圓周再次移進密封圈后，球閥達到全開位置并*開啟時，其力矩（ETO）會有所升高。這里需要說明的是閥桿只承受轉矩與閥桿同時承受轉矩及介質載荷的始動力矩會稍有差別。 

由于球體在轉動時受到有利于將球體固定在關閉位置的介質力的分力作用，關閉時的力矩大幅小于開啟力矩。圖1為球閥從開啟到關閉再到開啟的扭矩特性曲線。若使球閥從開啟或關閉位置啟動，所需要的扭矩應略高于前一次操作中把球體帶到那個位置的扭矩，即所謂的“粘滯扭矩"，大多數球閥的扭矩特性曲線相類似。

03 氣動控制球閥執行器設計選型原則氣動執行機構類型

由于球閥啟閉時只需將球體轉動1/4圈即可實現，屬于部分回轉的角行程閥門，因而其所配用的氣動執行機構也選用部分回轉類型。目前，球閥常用的部分回轉型氣動執行機構按傳動方式可分為齒輪齒條式、扇形葉片式、撥叉式，而撥叉式根據氣缸的缸徑又可分為外置撥叉式和內置撥叉式。

3.1  齒輪齒條式 

齒輪齒條式執行機構是常用的一種氣動執行機構，氣缸中間通過齒輪和齒條連接。齒輪齒條式又可分為雙作用式和單作用式。目前，齒輪齒條式執行機構氣缸內徑能做到400mm，雙作用輸出力矩為8kNm（氣源壓力按0.55MPa計算，下同），單作用輸出力矩為5kNm。

雙作用齒輪齒條式氣動執行機構的結構見圖2。當氣源壓力從氣口A進入氣缸兩活塞之間的中腔時，使2活塞向氣缸2端方向移動，2端氣腔的空氣通過氣口B排出，同時使2活塞齒條同步帶動輸 出軸（齒輪）旋轉。反之，氣源壓力從氣孔B進入氣缸2端氣腔時，使2活塞向氣缸中間方向移動，中間氣腔的空氣通過氣口A排出，同時使2活塞齒條同步帶動輸出軸（齒輪）反方向旋轉，實現球閥的啟閉。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執行機構的結構見圖4。當氣源壓力從氣口A進入氣缸2活塞之間中腔時，使2活塞向氣缸2端方向移動，迫使2端的彈簧壓縮，同時使2活塞齒條同步帶動輸出軸（齒輪）旋轉。當氣源壓力經過電磁閥換向后，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，使2活塞齒條同步帶動輸出軸（齒輪）反方向旋轉，實現球閥的啟閉。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

扇形葉片式氣動執行機構的結構見圖6。扇形葉片式氣動執行機構中，一個葉片將氣腔分成 2部分。葉片由一個牢固的主體和主體2側的密封裝置組成。轉軸是葉片整體的一部分。通過向氣口A處施加空氣壓力，葉片做90°旋轉。氣口B處的氣壓使葉片移回至其初始位置。扇形葉片式氣動執行機構的輸出扭矩特性和雙作用齒輪齒條氣動執行機構的輸出扭矩特性一樣，都是水平線性特性。

3.3  外置撥叉式

外置撥叉式氣動執行機構也分為雙作用式和單作用式，由2個分體氣缸組成，具有輸出扭矩大的特性。雙作用外置撥叉式氣動執行機構的結構見圖7。當氣源壓力從氣口A進入氣缸A端氣腔時，使2活塞及活塞桿組件同步向氣缸右端方向移動。B端氣腔的空氣通過氣口B排出，同時由 2活塞組件同步帶動撥叉轉軸旋轉，完成角行程0°~90°動作。經過電磁閥換氣后氣源壓力從氣口B進入氣缸B端氣腔時，使2活塞及活塞桿組件向氣缸左端方向移動，A端氣腔的空氣通過氣口A排出，同時由2活塞組件同步帶動撥叉轉軸反方向旋轉，完成角行程90°~0°的動作，實現球閥的啟閉。雙作用外置撥叉式氣動執行機構的輸出扭矩為曲線特性，見圖8。

3.4  內置撥叉式

內置撥叉式氣動執行機構（圖11）是將傳統的齒輪齒條的氣動執行機構的齒輪齒條換成撥叉組件，也分為雙作用和單作用。內置撥叉式氣動執行機構與齒輪齒條式相比，在相同的結構及輸出力矩條件下，內置撥叉式的氣缸缸徑僅需做到300mm。內置撥叉式相比齒輪齒條式具有使用壽命長、體積小、便于安裝、節能環保及其工作速度快等優點。

（１）使用壽命長

傳統的齒輪齒條式執行器傳動方式為鋁合金的活塞與鋼質的軸之間進行滑動摩擦，摩擦系數大且存在運動副磨損情況，在工況條件，易出現斷齒現象，給操作帶來潛在的安全隱患。內置撥叉式執行器采用類軸承結構，傳動方式為合金鋼滾珠與合金鋼撥叉之間的滾動摩擦，降低了摩擦系數，減小內在動力磨損。光滑耐磨的軸套，多點導向密封，使密封性能提高的同時大幅降低摩擦力，并且起到支撐和固定活塞的作用，能使活塞及撥叉在運動過程中更加平穩，使用壽命可達100萬次以上。

（２）體積小

齒輪齒條式氣動執行器的齒條厚度無形中加大了尺寸缸筒內徑，且無法增加有效力臂長度，在產生同樣啟閉扭矩時，內置撥叉式氣動執行器的嵌入式結構可以更有效利用缸筒內部空間，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，使執行器體積和質量大幅減小40%，便于安裝。

（３）節能環保內置撥叉式氣動執行機構與齒輪齒條式相比，減少了空氣的消耗，減輕了壓縮機的工作量，節約用電，可以選用較小規格壓縮機。在同等扭矩情況下，撥叉式氣動執行器因其更小的耗氣量，達到設備的環保要求。

（４）工作速度更快

相對于同扭矩齒輪齒條式氣動執行器，內置撥叉式氣動執行機構的缸體更小，工作反應速度更快。內置撥叉式氣動執行機構的工作原理和齒輪齒條式的工作原理相同，但是由于內部傳動機構的差異，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，內置撥叉式氣動執行機構的輸出扭矩特性。

04 氣動控制球閥執行器設計選型原則氣動執行機構選用原則

球閥扭矩的影響因素主要包括壓力、溫度、介質類型、流體中懸浮物質的性質和數量及運轉頻率，同時還有球閥的結構及加工質量等。所以在選擇球閥的氣動執行機構時，要求氣動執行機構的大輸出力矩應符合并包含上述各種條件所必需的安全因素。因此，在選用氣動執行機構時，應首先確定閥門的扭矩，然后再根據介質條件乘以適當的安全系數。一般情況下，對于蒸汽或非潤滑介質要增加25%的安全值，非潤滑的干氣介質增加60%的安全值，非潤滑用氣力輸送顆粒粉料介質增加99%安全值， 對于清潔、無摩擦的潤滑介質增加20%的安全值。然后，再根據氣源工作壓力及使用工況規定的執行機構作用方式及其輸出扭矩表，選擇合適的氣動執行機構型號。

若使氣動執行機構正常工作，必須提供超過球閥啟動扭矩并具有與其所驅動的球閥相同或相近的力矩曲線特性，這是選擇氣動執行機構的基本原則。因此，的方法是將球閥的力矩曲線與氣動執行機構的輸出扭矩線擬合到同一坐標系中，并要求氣動執行機構的輸出扭矩線高于球閥的啟閉扭矩線，并且要保證2曲線之間沒有交點，以避免球閥啟閉過程中出現動力不足的現象，2曲線之間的距離即為安全系數（圖13）。

05 氣動控制球閥執行器設計選型原則結語

經分析可知，球閥在啟動點及關閉點所需的操作扭矩為大。通過某型號球閥的啟閉扭矩和各類氣動執行機構輸出扭矩的對比可以看出，撥叉式氣動執行機構動作時，輸出力矩能隨角度改變而改變，并且在閥門開啟和關閉的位置能獲得大力矩值，與球閥啟閉閥門的動態力矩特性相符，因此撥叉式氣動執行機構是為理想的球閥用氣動驅動裝置。對于小口徑及低壓球閥，可以選用內置撥叉式氣動執行機構，而對于大口徑及高壓球閥，可以選用外置撥叉式氣動執行機構。