气动执行机构分析

工作压较低，又因结构尺寸不宜过大，进而阀门气动执行机构的累加推力不会很大。在能源、交通、自动化等多个领域，气动执行机构使用比较广泛。这里所述的气动执行机构主要应用于阀门，其腔内传动介质为空气。就常规的执行机构而言，有所差异，结构比较复杂。虽然市场上执行机构种类繁多，主要依赖国外进口比较多，国内具有相应资质的生产企业不多。对一款国外品牌且传动介质为空气的卧式执行机构进行研究，阐述部分制造过程中涉及要点，为执行机构样机制造提供部分理论支持，供国内自动化控制工程设计人员进一步研究作参考。

2 角行程指示组件

2.1 角行程指示组件简介

仪是指供测量、绘图、实验用的器具;表是指计量某种量的器具。仪表是指各种测定仪。从仪表的概念中，理解仪表可表征需要测量的量相对不难。仪表在工业自动化工业中起重要作用。这里分析的指示组件主要目的是让操作人员可以直接观望到气动执行机构旋转状态，或者传动轴转动行程。本文所述的空气传动执行机构角行程指示组件主要由非金属组成，与金属壳体组成密封区域，阻碍灰尘进入指示部位污染零件或组件。减缓空间中或区域的水分等其它物质的混入。减缓或预防腐蚀性物质进入壳体与传动轴接触区域，而腐蚀执行机构内部重要部位。塑料的成形过程，收缩率要予以考虑，避免尺寸偏离过大[1，2]。

2.2 角行程指示组件浅析

这里分析的指示组件主要目的是让操作人员可以直接观望到气动执行机构旋转状态，或者传动轴转动行程。该组件可以进行改造扩展为指示器。组成这组件的零件通常采用不一样的颜色塑料材料，这里主要利用黑色塑料与黄色塑料相结合。角行程指示组件塑料上端盖盖住整个指示组件，与此同时，其与气动执行机构主体金属壳体形成密封区域，阻碍灰尘进入执行机构内部重要区域或污染内部重要零件。一方面，预防或减缓可规避的腐蚀性物质混入该气动执行机构内部传动区域而腐蚀金属零件;另一方面，预防或减缓导电粉尘混入该执行机构内部传动区域。从装配而成的产品角度观察，这里在气动执行机构传动轴外围设有密封性比较好的密封槽。角行程指示组件或塑料上端盖的导电性能方面值得引起重视，而衡量导电性能参数之一电阻的参数值，一般情况下应该按照认证标准执行。这种材料相对普遍，可以与涉及塑料制品的供应商沟通或获取。通过注塑成形工艺的零件，其收缩率要予以考虑，尺寸不可以偏离过大，关于这方面的经验或者标准可以参考[1]。转化国外设计的执行机构时，上端盖区域以及执行机构传动轴与指示组件的配合等因素，予以考虑也是值得的。

3 气动执行机构

3.1 气动执行机构简介

气动执行机构缺点：有冲击现象，输出作用力不稳定，易损耗，更替比较频繁，组装相对困难，维护比较麻烦。气动执行机构优点：齿轮齿条转动方式克服滑动摩擦，它比曲柄连杆的滑动摩擦方式的摩擦力小得多;齿轮齿条转动均匀，转动间隙小，因此运动自如、回差小;可获得较小尺寸的执行机构，使重量和尺寸得到大幅度的减小;易实现与阀门直接相连，简化了阀门的连接方式，并使所配阀门的外形更加匀称美观。

这里研究的执行机构主要依赖气压传动。执行机构壳体结构遵循“滴水流线”设计理念即当水等液体滴在或积聚在执行机构上时，这些液体能够自然而然地流淌下去，进而不长时间停留在表面，腐蚀执行机构壳体。阀门用气动执行机构与阀门连接端面配合。相对于其它类型的执行机构，这里所述的执行机构传动介质为空气[3]。

3.2 气动执行机构原理浅析

执行机构壳体是气动执行机构主要承载部件了。一方面，起防护这些执行机构内部元件;另一方面，它们又提供安装传动零件件或组件的空间，减缓或避免导电物质与腐蚀性物质的侵蚀。壳体结构外观设计，要考虑进行“滴水流线”方面的设计理念即让水等液体滴在上面时，液体能够自然流淌下去，从而不长时间积聚在执行机构表面，腐蚀或者浸泡执行机构壳体。这里分析的执行机构壳体主要通过金属型材塑性成形工艺，再经过机加工与表面处理等工序而获得。这些精妙绝伦的制造工艺的组合，使得在巩固执行机构壳体可靠性的同时，节约零件制造成本。本文分析的卧式气动执行机构壳体，主要采用铝合金或铝制材料。铝合金或铝制材料密度相对黑色金属材料密度比较小些，同等体积条件下，其制造而成产品比较轻些，与轻量化设计理念相锲合。

此外，壳体又由端盖与缸体构成。采用铝合金或铝制中比较耐磨损的材料，以使得尺寸能够保持相对稳定。其它零件或组件与气动执行机构壳体配合的区域需要预留。因这里分析的执行机构壳体主要通过金属型材塑性成形工艺，壳体设计要预留尺寸，否则脱离工具困难，可能造成外观缺陷，从而影响外观与壳体强度[3]，进而造成不符合要求，以便下面步骤的机加工开展。预防或减缓腐蚀性物质进入传动轴与壳体接触区域而腐蚀卧式气动执行机构重要的部位。金属加工过程，收缩率要予以考虑，尺寸不予以偏离过大[2]。

卧式气动执行机构相对安全可靠，是执行机构中的一大分支。卧式气动执行机构采用气源的工作压较低，又因卧式气动执行机构结构尺寸不宜过大，因而阀门气动执行机构的累加推力不会很大[3]。卧式齿轮齿条执行机构由活塞、齿轮和齿条等部件组成。通人的气经活塞转换为推力，推动带有齿条的活塞移动和齿条移动时，带动连接到输出轴的齿轮旋转，实现直行程到角行程的转换，图1为卧式齿轮齿条执行机构3D模型，根据工作原理，齿轮齿条执行机构分为双作用式和单作用式两类[3]。气动执行机构有冲击现象，输出作用力不稳定，容易损耗，更替比较频繁，组装相对困难，维护比较麻烦等缺点也需要重视。

4 计算机辅助工程技術

随着计算机技术发展，为传统工业领域导人了活力，也带来了新的技术研发途径与理论，有限元技术结合计算机与数值分析技术，随之诞生计算机辅助工程技术。而数值分析技术显著影响了研发人员的计算工作量。接近相对应的实际应用工况，还要考虑计算对象所需主要数值等等。有限元技术时常涉及有限元概念，将目标对象或线或面或体进行划分，设置前处理参数，进而运行有限元分析工具。常规有限元分析，有限元工具的设置选项有边界条件设置、几何模型构建、网格划分、材料模型库设置、运行、后处理等。考虑计算对象目标参数，尽可能地接近实际工况。关于几何模型构建，主流有限元工具集成了部分模型构建模块，可以运用这些命令选项进行简单的模型重构。然而，有些模型利用有限元工具集成模型构建模块重构困难，需要借用其它模型构建工具，通过有限元工具中CAD导人工具导人其中，进行三维生成。若要数字化建模，以便于有限元分析优化技术进一步开展，则需要在主流3D设计工具如Solidworks中设置导人数值相关选项。世界知名的有限元分析工具，通常集成了多元领域的有限元分析软件。它在静力学分析领域，求解精度与结果都是相对比较高的，需要卓越的工程分析软件。有限元在结构力学领域的应用也是比较广泛。

5 结语

气动执行机构相对可靠，是执行机构中的一大分支。气动执行机构采用气源的工作压较低，又因结构尺寸不宜过大，因而阀门气动执行机构的累积推力相对不会很大。国内具有相应资质的生产厂家不多，主要是购买国外的比较多。这里对一种阀门用执行机构样机进行了分析，阐述角行程组件、壳体等执行机构特点及其优劣。气动执行机构技术精妙绝伦，发展过程中促进相关领域发展，还存在发展潜力，其涉及的未知领域问题有赖进一步探索，本文简述有限元在此结构设计要点，为执行机构样机制造提供参考，有利于国内自动化控制工程设计人员进一步研究。

参考文献：

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[2]卢秉恒，赵万华，洪军，等.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]谢玉东，王勇，刘延俊.调节阀执行机构研究[J].液压与气动.2008（9）：72～74.

[5]张益方，诸全兴，候慧人，等，金属切削手册[M].上海：上海科学技术出版社，2011.

[6]关重庆.污水处理厂节能降耗技术的思考[J].绿色科技，2019（18） ：100-101.

收稿日期：2019-11-11

作者简介：郝健（1986-），男，高级工程师（副高），主要从事机械制造自动化方面的研究工作。

通讯作者：唐国强（1985-）.男，高级工程师（副高）.主要从事流体控制方面的研究工作。

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