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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(shù)球閥的扭矩特性曲線相類似。

03 氣動執(zhí)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(xiàn)，屬于部分回轉的角行程閥門，因而其所配用的氣動執(zhí)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(zhí)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(jù)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(zhí)行機構是最常用的一種氣動執(zhí)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(zhí)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(zhí)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(xiàn)球閥的啟閉。雙作用氣缸的輸出扭矩為直線性特性（圖3）。

圖３ 雙作用齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構輸出扭矩特性

單作用齒輪齒條式氣動執(zhí)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(jīng)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(xiàn)球閥的啟閉。單作用氣缸的輸出扭矩為直線性特性（圖5）。

  圖４ 單作用齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構

圖５ 單作用齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構輸出扭矩特性


3.2 扇形葉片式


扇形葉片式氣動執(zhí)行機構的結構見圖6。扇形葉片式氣動執(zhí)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(zhí)行機構的輸出扭矩特性和雙作用齒輪齒條氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩特性一樣，都是水平線性特性。

  圖６ 扇形葉片式氣動執(zhí)行機構

3.3  外置撥叉式


外置撥叉式氣動執(zhí)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(zhí)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(jīng)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(xiàn)球閥的啟閉。雙作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩為曲線特性，見圖8。

圖７ 雙作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構

 圖８ 雙作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩特性


單作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構的結構見圖9。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，迫使彈簧組件壓縮，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°的動作。經(jīng)過電磁閥換氣后氣源壓力從氣口A泄壓，在彈簧的彈力作用下，使2活塞及活塞桿組件向氣缸左端方向移動，同時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(xiàn)球閥的啟閉。單作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩亦為曲線特性，見圖10。

                                                                                    



   圖９ 單作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構

 圖10  單作用外置撥叉式氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩特性


3.4  內置撥叉式


內置撥叉式氣動執(zhí)行機構（圖11）是將傳統(tǒng)的齒輪齒條的氣動執(zhí)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(zhí)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(jié)能環(huán)保及其工作速度快等優(yōu)點。

圖11 內置撥叉式氣動執(zhí)行機構


（１）使用壽命長


傳統(tǒng)的齒輪齒條式執(zhí)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(shù)大且存在運動副磨損情況，在極端工況條件，易出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，給操作帶來潛在的安全隱患。內置撥叉式執(zhí)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(shù)，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(wěn)，使用壽命可達100萬次以上。


（２）體積小


齒輪齒條式氣動執(zhí)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(chǎn)生同樣啟閉扭矩時，內置撥叉式氣動執(zhí)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(zhí)行器體積和質量大幅減小40%，便于安裝。


（３）節(jié)能環(huán)保內置撥叉式氣動執(zhí)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(jié)約用電，可以選用較小規(guī)格壓縮機。在同等扭矩情況下，撥叉式氣動執(zhí)行器因其更小的耗氣量，達到設備的環(huán)保要求。


（４）工作速度更快


相對于同扭矩齒輪齒條式氣動執(zhí)行器，內置撥叉式氣動執(zhí)行機構的缸體更小，工作反應速度更快。


內置撥叉式氣動執(zhí)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(zhí)行機構的輸出扭矩特性見圖12。

 圖12 內置撥叉式氣動執(zhí)行機構輸出扭矩特性

04 氣動執(zhí)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(shù)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(zhí)行機構時，要求氣動執(zhí)行機構的最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(zhí)行機構時，應首先確定閥門的扭矩，然后再根據(jù)介質條件乘以適當?shù)陌踩�系�?shù)。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100%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(jù)氣源工作壓力及使用工況規(guī)定的執(zhí)行機構作用方式及其輸出扭矩表，選擇合適的氣動執(zhí)行機構型號。

若使氣動執(zhí)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(zhí)行機構的基本原則。因此，最佳的方法是將球閥的力矩曲線與氣動執(zhí)行機構的輸出扭矩線擬合到同一坐標系中，并要求氣動執(zhí)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(xiàn)動力不足的現(xiàn)象，2曲線之間的距離即為安全系數(shù)（圖13）。

圖13  某型號球閥啟閉扭矩和各類 氣動執(zhí)行機構輸出扭矩對比

05 結語

經(jīng)分析可知，球閥在啟動點及關閉點所需的操作扭矩為最大。通過某型號球閥的啟閉扭矩和各類氣動執(zhí)行機構輸出扭矩的對比可以看出，撥叉式氣動執(zhí)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最大力矩值，與球閥啟閉閥門的動態(tài)力矩特性相符，因此撥叉式氣動執(zhí)行機構是最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(zhí)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(zhí)行機構。

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