郝 健，唐国强

（滨特尔流体控制（上海）有限公司，上海 201700）

1 气动执行机构的概述

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总推力不可能很大。在水处理、交通、自动化等多种领域，气动执行机构使用广泛。这里所述的执行机构主要应用于阀门，其传动介质为空气。与常规的执行机构不同，结构相对复杂。主要购买国外的比较多，国内具有相应资质的生产厂家不多。对一款国外品牌执行机构进行研究，在分析制造过程中，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。

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。从仪表的定义中，不难理解仪表可表征需要测量的量。仪表在工业自动化工业中所起作用突出。这里阐述的指示组件主要目的是让现场操作人员可以直接观察到执行机构旋转状态，或者传动轴旋转行程。该气动执行机构角行程指示组件主要由非金属构成，与金属壳体构成一个密封空间，阻挡灰尘进入指示部位污染零件。与此同时，减缓空气中的水分等其他物质的进入。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执行机构重要部位。非金属成形过程，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

该组件可以进行改造扩展为反馈元件。构成这组件的元件通常采用不同颜色塑料材料，这里主要采用黄色塑料与黑色塑料相结合。角行程指示组件塑料上端盖盖住整个指示元件，与此同时，其与执行机构主体壳体形成密封空间，抵挡尘埃进入执行机构内部重要区域或污染内部重要元件。一方面，预防护导电粉尘混入该执行机构内部传动区域；另一方面，预防可规避的腐蚀性物质混入该执行机构内部传动区域而腐蚀金属元件。由组装成的成品角度观察，这里在执行机构传动轴设有密封性比较好的密封单元。在导电性能方面，角行程指示组件或塑料上端盖值得引起重视，而衡量导电性能参数之一——电阻参数值，通常情况下应按照认证标准执行。这种材料比较普遍，可以与涉及塑料行业的供应商沟通或获得。

通过注塑成形的元件，其收缩率要予以重视，尺寸不予以偏离过大，关于这方面标准或者经验可以参考[1]。设计执行机构时，指示元件与执行机构传动轴以及上端盖区域的配合因素，也是值得予以考虑。

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，容易损耗，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；非常容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及小型化。

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。相对于其他类型的执行机构，这里所述的执行机构是空气传动[3]。

3.2 气动执行机构原理浅析

气动执行机构主要承载部件就是执行机构壳体了。一方面，安装传动元件的空间由它们提供；另一方面，又能防护这些执行机构内部元件，避免或减缓腐蚀性物质与导电物质的侵蚀。在壳体结构设计方面，要进行“滴水流线”方面的设计即让水等液体滴在回讯器上面的时候，液体能够自然流淌下去，从而不长时间积聚在表面，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获得。这些精妙绝伦的制造工艺，使得在巩固执行机构壳体可靠性的同时，节约了元件制造成本。

本文研究的气动执行机构壳体，主要采用铝制或铝合金材料。铝制或铝合金材料密度相对黑色金属材料密度要小些，同等体积条件下，其制造而得成品要轻些，与轻量化设计理念相锲合。此外，壳体又由端盖与缸体组成。采用耐磨损铝制或铝合金材料，以使得尺寸保持相对稳定。气动执行机构壳体与其他元件或组件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，进而影响外观与壳体强度[3]，以利于下面步骤的机加工进行。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执行机构重要部位。金属加工过程，收缩率要予以考虑，避免尺寸偏离过大[2]。

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总推力不可能很大[3]。卧式齿轮齿条执行机构由活塞、齿轮和齿条等部件组成。输入的气经活塞转换为推力，推动带有齿条的活塞移动，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2是齿轮齿条执行机构的透视图，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（弹簧返回）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要注意。

4 计算机辅助工程技术

随着计算机技术发展，为传统工业领域导入了活力，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、几何建模型、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，需要借用其他模型构建工具，通过有限元工具中CAD导入工具导入其中，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中设置导入数值相关命令选项。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 小结

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。这里对一种阀门用于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。