阀门液压执行器简谈系列一

摘要：阀门液压执行器简介；阀门执行器的缓冲；阀门执行器的两种密封对比

液压执行器简介：

单缸齿轮齿条单作用式

从结构原理上，无论齿条式还是来复螺旋式，都可以确认为活塞式液压执行器。他们都是通过活塞运动，活塞齿与齿轮轴齿啮合，将直线运动转化为旋转运动。

齿轮齿条分为单缸式，双缸式。单缸式就是一个齿条活塞结构，双缸式就是以齿轮轴为中心对称两个齿条活塞结构。

左图为双缸式，右图为单缸式

单缸式又细分为单作用式与双作用式样。见下图。

现实生产中，我们通常简单依据液压活塞是否受力来称呼。如果齿条活塞的移动两端都是依靠液压力来推动，我们称呼为单齿条（缸）双作用，如果只是一端受力移动，回程依靠外力，例如弹簧回位等，我们称之为单齿条（缸）单作用。如下图所示。

实际应用称呼与学术名称有些混淆与拗口，在商务技术交流时需要注意，注意每个厂家样本上称呼。

齿条活塞直径一般按照行业标准有优选尺寸，如下图，

但是涉及到具体项目要求时，工程师会根据具体要求对优选缸径之外选择。

不同厂家样本会根据自己产品型谱，在产品型号上有不同定义，有厂家按照缸径定义，有厂家按照输出扭矩定义，有厂家按照产品设计序列号定义。群美机电公司是参照ISO5211-2017标准的法兰与轴的尺寸来定义产品型谱。

无论何种定义，选取执行器的要点是结合配套阀打开与关闭需要的扭矩选取法兰及轴规格。在正常操作条件下，执行器考虑的安全系数为30%。示例：假设阀门需要力矩=1000Nm，则安全力矩=1000×（1+30%）=1300Nm。

与此同时，我们需要注意选择连接法兰问题。根据ISO5211-2017标准，我们应该选取F14法兰作为连接法兰。此规格法兰的最大允许扭矩为2000Nm.

假设传递扭矩按照平键选取，根据ISO5211-2017标准，我们需要按照法兰规格，与轴规格交叉出参数，选取传递轴直径?42。

按照群美机电的样本选取F14D42产品规格。

在机型选定完毕后，然后根据实际应用工况确定需要的扭矩，开启速度来计算需要的液压系统压力，液压流量的匹配。

由于产品规格已经选好，实际上执行器的缸径规格及行程已经由制造厂决定， 按照要求计算即可以设定系统压力与流量，据此合理选取执行器的配件。

按照F14D42型号，查样本全行程流量为274毫升，假设阀门需要开启时间为12秒。计算(274/12)*60=1370毫升/分钟。据此流量根据电机转速选取合适匹配液压泵。

当然，有的厂家在样本上根据已定的液压电机泵直接给出每个型号的开启时间。方法都是殊途同归。

另外，根据阀门开启性能要求，开关型，调节型， 比例型，缓冲型等，选取执行器相匹配的控制方式、结构等。

例如，假设需求执行器开启或者关闭末端有缓冲功能，可以在执行器的缸盖结构上设计相关结构来实现缓冲功能。

阀门执行器的缓冲

越来越多的自动化控制要求阀门精确打开或者定位，这样一来要求阀门执行器精确定位及控制阀门速度和位置的场合越来越多。这涉及到齿条运行到目标区域附近时的控制。

一种方式是采用PLC编程或者专用控制器编程，结合各类传感器，例如压力传感器，位置传感器，角度传感器等单独或者综合提供的反馈信号与需求信号之间误差纠正。

不断比较设定信号与反馈实际信号的差别，就是不断调整调节输入，达到调整执行器的位置。其实可以这样理解为通过电信号灯来调节液压执行器的缓冲。这是一种从控制上实现的缓冲。

实际应用中，有些应用需求成本低，可从液压执行器的结构上考虑实现缓冲，参考油缸缓冲设计，做缓冲结构设计。

执行器在重载的工况下,对缸头缸尾产生较大的冲击载荷。在缸中行程末端引入缓冲。这种内装的缓冲装置的目的是将加速度的突然变化所造成的减速力和尖峰液压压力减至最小。理想的缓冲装置在在减速期间建立起恒定压力,能实现速度的均匀减速,直至为零。目前常见的缓冲设计有:

1、恒节流型缓冲

圆柱形缓冲，原理形状见下图。

其特点是开始缓冲开始产生很高的压力尖峰,然后随着行程的继续逐渐降低,同时油液经固定的环形缝隙节流。由于尖峰压力高,产生很高的冲击值,造成机器振动、噪声和磨损,缓冲效果差。其缓冲性能曲线见下面对比图。

2、变节流型缓冲

变节流型，原理结构形状见下图

变节流其特点是在运动过程中，通过结构形状变化改变节流面积，使缓冲压力保持匀速或者一定规律变化。它比圆柱缓冲造成的初始冲击低,但往往压力建立迟缓， 有时候造成缓冲不足。

各种结构的缓冲对缓冲压力的建立影响如下图。

这些结构需要结合实际项目参数详细设计，实际上有点像非标产品一样，成本优势有待商榷。

前简谈1有提到在液压缸盖上通过巧妙设计结构来实现对缓冲的需求。看欧洲某公司通过在执行器缸盖上设计特殊结构，达到缓冲目的。

当齿轮齿条运动接触到右边1零件时，通过1零件运动压缩弹簧2，弹簧开始起到制动缓冲作用，与此同时零件4也会节流作用。类似恒节流图中零件4作用。

不同需求只要更换或者通过调整弹簧压缩量或者弹簧规格，调节零件4实现调整缓冲效果。

这个思路设计，还有行程限位结构，行程限位+缓冲结构设计。

因为液压执行器是液压油动力， 所以，可以借助液压回路的设计达到缓冲的目的。一般是用厂家标准产品，通过精细计算回路数据，选择合适液压件组建液压回路实现缓冲。例如下图。

综上， 各种方法，设计者可依据客户及工况要求而实现。

阀门执行器的两种密封对比

齿轮齿条液动执行器上的活塞密封是最重要的密封。今天谈谈最多的两种结构。U型（Y型）与方形（格莱圈型）。

U型密封一般是聚氨酯材料+丁晴橡胶组合，方形密封一般材料是PTFE+青铜粉与丁腈橡胶组合。

	U型密封	方形密封	结果
孔加工要求	H9	H9	相同
250Bar间隙	≤0.5mm	≤0.4mm	U型容易加工
光洁度Rt	≤10	≤4	U型容易加工
速度	≤0.5米/秒	≤15米/秒	都能满足要求
温度	-40℃/+110℃	-30℃/+110℃	都能满足要求

对于齿条油缸运动速度，一般来讲，每秒运动10毫米行程速度能满足大多数需求。

一项有意思的研究由国内几家密封件制造商展开，主要研究密封件应力松弛现象。应力松弛指的是产品在变形不变的情况下，应力随时间逐渐衰弱的情况，橡胶，塑料等聚合物材料产生应力松弛现象原因是分子热运动的结果。对于密封件来讲，发生应力松弛现象导致密封件密封不良，发生泄漏，影响产品质量及设备寿命。他们的研究是用活塞杆密封来研究，主要是用活塞杆密封利于测量，虽然有别于活塞密封，但是研究的失效分析及结果对活塞密封同样有参考意义。

下图为研究的两组同一活塞杆尺寸规格的密封：

研究结果之一：

一：160℃下两种活塞杆密封件应力松弛现象

从上图看出，随时间推移，不同材料，不同结构的密封件都会发生应力松弛现象。

从下图数据分析看出， （数值为根据研究图形估计）

总体来看，U型圈衰减速率比较均匀，方型圈衰减速率开始较大，后面较小。

	30分钟衰减值	衰减速率
U型圈（前30分钟）	2..2N	0.074N/分钟
U型圈（后30分钟）	1.2N	0.04N/分钟
方型圈（前30分钟）	11.8N	3.94N/分钟
方型圈（后30分钟）	3.8N	0.13N/分钟

二：研究结果之二

研究小组对不用温度下的的密封件应力衰减进行研究，结果如下：

总体来看，随着温度升高，不同材质及结构的密封件都出现应力衰减现象。从图形看出，随温度升高，U圈应力衰减速率逐渐减小，而方形圈衰减速率变大。U型圈衰减速率比较均匀，方型圈衰减速率开始较大，后面较小。

我们分析如下（图中计算数值根据图形估计），根据液压系统常见温度范围40℃-80℃分析。

	衰减值 （单位N）	速率 （N/℃）	平均衰减速率（N/℃）
U-样1	2.5	0.0625	0.0708
U-样2	3.5	0.0875
U-样3	2.5	0.0625
方-样1	10	0.25	0.2358
方-样2	10	0.25
方-样3	8.3	0.2075

根据曲线计算出，U型圈在液压系统常见温度下，其平均衰减速率比方型圈衰减速率小。

另外从研究团队的两个曲线值都看出，U型圈施加对杆的初始应力都比方型圈的应力大。

			U型圈			方型圈
研究1			71.5N			38N
研究2	U-样1	U-样2		U-样3	方-样1		方-样2	方-样3
	123N	115N		115N	94N		88N	68N

应力衰减涉及到密封圈的密封效果， 无论从初始施加的应力值， 随时间衰减的速率，随温度上升衰减的速率来看。U型圈在一定程度上密封效果要优于方形圈。

同时，U型圈对于壳体活塞孔加工要求相对与方型圈要求弱低一些。

对于初始应力，U型圈应力大于方型圈应力，导致U型圈活塞摩擦力大于方型圈摩擦力。

群美机电科技公司制造的阀门液动执行器结构选用进口的U型密封结构。实际测试下来，启动摩擦力满足技术要求。

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