控制閥的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型：

    控制閥（包含氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、自力式壓力調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)球閥、氣動(dòng)調(diào)蝶閥。氣動(dòng)切斷閥等）是工業(yè)過(guò)程應(yīng)用較多的終端控制元件，常常決定著過(guò)程控制是否及時(shí)有效，是控制回路中較為重要的環(huán)節(jié)。控制閥主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩大部分以及相關(guān)附件組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于或力矩轉(zhuǎn)換和位移轉(zhuǎn)換；閥用于將位移轉(zhuǎn)換為閥芯與閥座間的流通截面積變化。

    有數(shù)據(jù)表明控制閥是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，控制閥故障在控制回路故障總數(shù)中有超過(guò)50%的頻次。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制要求及安全性不斷提高的情況下，控制閃的必要性、重要性以及較高的故障頻次已引起業(yè)內(nèi)注意。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

    現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB/T17213.1-1998《工業(yè)過(guò)程控制閥 第1部分：控制閥術(shù)語(yǔ)和總則》（等效IEC 60534-1:1987）對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定義是：將信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，改變控制閥內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（截流件）位置的裝置或機(jī)構(gòu)。該信號(hào)或者驅(qū)動(dòng)力可以是氣動(dòng)、電動(dòng)、滾動(dòng)或它們的任何一種組合。

    控制閥的閥門(mén)型式多種多樣，每一種型式都對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）有不同的要求，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通用型式有：氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣缸（活塞）式執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、手動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    其中氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、維護(hù)方便、價(jià)格較低，是直行程控制閥較常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它分為正作用與反作用動(dòng)作形式以及單彈簧與多彈簧設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示。

    氣動(dòng)信號(hào)壓力引入膜室內(nèi)，當(dāng)氣壓增加將膜片向下推并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿伸出（向下位移）稱(chēng)為正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)；反之，當(dāng)氣壓增加把膜片向上推并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿縮回（向上位移）稱(chēng)為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。正、反作用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、部件基本相同，都是由上下膜蓋、橡膠薄膜膜片、推桿、彈簧及托板等組成，還可根據(jù)需要更換作用方向。其凈輸出力為氣動(dòng)信號(hào)壓力作用在膜片上產(chǎn)生的力與壓縮彈簧力之間的差值。執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入（氣動(dòng)信號(hào)）輸出（位移）特性基本為線性關(guān)系，并能提供較大的位移（行程）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室內(nèi)膜片有效面積與推力成正比。需要的輸出力和可承受的供氣壓力就決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸即膜片的有效面積。

    傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是單彈簧結(jié)構(gòu)，殼體多為整體鑄造部件，比較笨重和尺寸大，一體的支架并有彈簧調(diào)整部件。目前廣泛應(yīng)用的則是精小型的多彈簧結(jié)構(gòu)，配置不同數(shù)量彈簧可組合為不同的彈簧范圍，一次裝配完成。膜蓋為鋼板冷軋成形，支架可分離可組合，整 體重量輕和尺寸高度明顯降低。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力關(guān)系：

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力（運(yùn)動(dòng)）用于克服負(fù)荷的有效力，負(fù)荷則是流體在閥體閥內(nèi)件造成的不平衡力、以及摩擦力（填料函及填料）、密封壓緊力（閥座）、閥桿閥芯等部件的自重等有關(guān)的力作用。為了使控制閥能正常工作，配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生具有一定安全系數(shù)的力（力矩），來(lái)保證控制閥緊密關(guān)閉和順利開(kāi)啟及將控制指令轉(zhuǎn)換成為行程。

    直行程單座直通控制閥主要配用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)信號(hào)作用在薄膜有效面積上，其信號(hào)增加或減少形成一個(gè)力，去克服彈簧力和控制閥上出現(xiàn)的力，并與一定的閥開(kāi)充對(duì)應(yīng)。在相應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度下，力的關(guān)系是平衡的，氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的推動(dòng)力與負(fù)荷力相等，沒(méi)有凈輸出力。只有配用了閥門(mén)定位器形成閥位反饋調(diào)節(jié)閉合回路后，才能使氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程精度提升并能在閥全關(guān)或全開(kāi)時(shí)具有凈輸出力。

參見(jiàn)圖3，說(shuō)明控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體考慮的力有關(guān)系：

設(shè)執(zhí)行器的輸出力為Fa（單位N），其為的關(guān)系為：Fa=Ft+Fo+Ff+Fm

式中：Ft-流體作用在閥芯上的力（不平衡力），主要與閥壓差、閥芯受力面積有關(guān)；

      F0-閥全關(guān)時(shí)密封壓緊力，主要與閥座孔徑、泄漏等級(jí)有關(guān)；

      Ff-閥桿所受的摩擦力，主要與閥桿直徑、填料型式、行程速度有關(guān)；

      Fm-閥芯閥桿等運(yùn)動(dòng)部件的重量，為-mg

      這個(gè)Fa也就是控制閥計(jì)算書(shū)中的req.act.force(Fo req)。

    對(duì)于彈簧作用在執(zhí)行器膜片上，彈簧力Fs與膜片有效面積Ae、位移量L和彈簧預(yù)壓緊量及剛度有關(guān)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的凈輸出力為氣動(dòng)信號(hào)P作用在膜片上產(chǎn)生的力與彈簧作用力之間的差值，由此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力關(guān)系為；

正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

Fad=Ae（P-Po-Pr/l/L）

反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

Far=Ae（-P+P0+Pr/l/L）

式中：Ae-膜片有效面積cm2

               P氣動(dòng)信號(hào)壓力，100kPa(bar)

P0-彈簧啟動(dòng)壓力，100kPa(bar)

Pr-彈簧范圍，100kPa(bar)

l-推桿位移（瘩行行程）mm

L-全位移（全行程）mm

    注：在計(jì)算時(shí)，請(qǐng)注意片有效面積和行程及壓力的單位換算：面積 m2、長(zhǎng)度m、壓力Pa、力N。

    在執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿位移（行程）各點(diǎn)上，氣動(dòng)信號(hào)壓力P產(chǎn)生的推力與彈簧的反作用力FS相抵消，因而沒(méi)有凈輸出力。當(dāng)配用閥門(mén)定位器后，只要各行程點(diǎn)沒(méi)有與閥門(mén)定位器的輸入控制信號(hào)相對(duì)應(yīng)，即給定位號(hào)w與行程反饋信號(hào)x之間出現(xiàn)的偏差e，則為了保證準(zhǔn)確定位，其輸出的氣動(dòng)信號(hào)壓力就會(huì)繼續(xù)變化直到趨于零壓力或接近氣源壓力，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生凈輸出力。

    以配合正裝式閥（閥桿向下移，閥門(mén)關(guān)閉）為例，正作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時(shí)走*行程，1=L，氣動(dòng)信號(hào)壓力P可接近氣源壓力P氣源，Po+Pr為彈簧上限壓力，其輸出力為：Pad=Ae(P-P0-Pr)=Ae(P氣源-P彈簧上限)

    可看出，此類(lèi)氣關(guān)型控制閥通常是靠提高氣源壓力來(lái)保證緊密關(guān)閉和克服不平衡力的，而彈簧范圍通常為20KPa至100KPa或更小。一些廠家在執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣本中所說(shuō)的大允許輸出力，通常是指氣關(guān)型控制閥和按執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜室所能承受的大氣壓與膜片有效面積進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，其數(shù)值遠(yuǎn)比氣開(kāi)型控制閥配反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力的值大出很多。以配合正裝式閥（閥桿向下移，閥門(mén)關(guān)閉）為例，反作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)在閥全關(guān)時(shí)

    為行程零點(diǎn)，氣動(dòng)信號(hào)壓力P可趨于零，其輸出力為：Far=AePo

    此種情況下，只要知道膜片有效面積Ae和彈簧啟動(dòng)壓力Po就能推算出該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力。反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常有較多的彈簧范圍可選，彈簧啟動(dòng)壓力P0則可通過(guò)對(duì)彈簧預(yù)壓緊進(jìn)行提高。

    在控制閥全關(guān)時(shí)的Fad和Far數(shù)值也就是一些廠家計(jì)算書(shū)上的Actutor force Fa數(shù)值。

    考慮到滿足控制閥的正常使用和緊密關(guān)閉，應(yīng)使Fad或Far≥Fa，使氣動(dòng)信號(hào)壓力P產(chǎn)生的推力與彈簧的反作用力Fs相抵后仍有凈輸出力用于克服閥的流體力（不平衡力）和摩擦力，還要在閥關(guān)閉時(shí)有一定的壓緊力。在計(jì)算選型時(shí)，對(duì)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需推力還應(yīng)留有1.3倍的安全系數(shù)。

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)：

    對(duì)于傳統(tǒng)的單彈簧結(jié)構(gòu)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)（參見(jiàn)圖2）。本文僅對(duì)精小型多彈簧結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。

    多彈簧結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于輕型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)秀多稱(chēng)之為精小型，具有重量輕。高度低、結(jié)構(gòu)緊湊、裝配簡(jiǎn)便、動(dòng)作可靠等特點(diǎn)，沒(méi)有彈簧調(diào)整部件，根據(jù)需要組合彈簧范圍和進(jìn)行預(yù)壓緊，一次裝配完成，不必調(diào)整彈簧。各廠家該類(lèi)產(chǎn)品都是由上下膜蓋、膜片、彈簧、彈簧托板、推桿、出軸密封和軸套等主要部件組成，外形看起來(lái)都相差不多。

結(jié)束語(yǔ)：

    氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是應(yīng)用廣泛，樂(lè)控儀表有著多種型號(hào)規(guī)格、范圍供用戶(hù)選擇。雖然不同廠家的執(zhí)行器有著不同的設(shè)計(jì)理念、解決方案，但更重要的是如何優(yōu)化設(shè)計(jì)、適應(yīng)各種工況，安全可靠和耐用。注意和分析每個(gè)細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)決定成敗。以整體化為出發(fā)點(diǎn)，多個(gè)考慮細(xì)致、創(chuàng)新技術(shù)、功能優(yōu)化、質(zhì)量可靠的細(xì)節(jié)就能組成應(yīng)用方便、靈活、安全、用戶(hù)易于接受并滿意的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制閥。