氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)分析

郝 健，唐國強(qiáng)

（濱特爾流體控制（上海）有限公司，上海 201700）

1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概述

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對可靠，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一大分支。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣源的工作壓較低，又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，因而閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總推力不可能很大。在水處理、交通、自動(dòng)化等多種領(lǐng)域，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用廣泛。這里所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于閥門，其傳動(dòng)介質(zhì)為空氣。與常規(guī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。主要購買國外的比較多，國內(nèi)具有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家不多。對一款國外品牌執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，在分析制造過程中，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)制造提供參考，有利于國內(nèi)自動(dòng)化控制工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步研究。

2 角行程指示組件

2.1 角行程指示組件簡介

儀是指供測量、繪圖、實(shí)驗(yàn)用的器具；表是指計(jì)量某種量的器具。儀表是指各種測定儀。從儀表的定義中，不難理解儀表可表征需要測量的量。儀表在工業(yè)自動(dòng)化工業(yè)中所起作用突出。這里闡述的指示組件主要目的是讓現(xiàn)場操作人員可以直接觀察到執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)行程。該氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)角行程指示組件主要由非金屬構(gòu)成，與金屬殼體構(gòu)成一個(gè)密封空間，阻擋灰塵進(jìn)入指示部位污染零件。與此同時(shí)，減緩空氣中的水分等其他物質(zhì)的進(jìn)入。預(yù)防或減緩腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入傳動(dòng)軸與殼體接觸區(qū)域而腐蝕執(zhí)行機(jī)構(gòu)重要部位。非金屬成形過程，收縮率要予以考慮，避免尺寸偏離過大[1-2]。

2.2 角行程指示組件淺析

該組件可以進(jìn)行改造擴(kuò)展為反饋元件。構(gòu)成這組件的元件通常采用不同顏色塑料材料，這里主要采用黃色塑料與黑色塑料相結(jié)合。角行程指示組件塑料上端蓋蓋住整個(gè)指示元件，與此同時(shí)，其與執(zhí)行機(jī)構(gòu)主體殼體形成密封空間，抵擋塵埃進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部重要區(qū)域或污染內(nèi)部重要元件。一方面，預(yù)防護(hù)導(dǎo)電粉塵混入該執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部傳動(dòng)區(qū)域；另一方面，預(yù)防可規(guī)避的腐蝕性物質(zhì)混入該執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部傳動(dòng)區(qū)域而腐蝕金屬元件。由組裝成的成品角度觀察，這里在執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸設(shè)有密封性比較好的密封單元。在導(dǎo)電性能方面，角行程指示組件或塑料上端蓋值得引起重視，而衡量導(dǎo)電性能參數(shù)之一——電阻參數(shù)值，通常情況下應(yīng)按照認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這種材料比較普遍，可以與涉及塑料行業(yè)的供應(yīng)商溝通或獲得。

通過注塑成形的元件，其收縮率要予以重視，尺寸不予以偏離過大，關(guān)于這方面標(biāo)準(zhǔn)或者經(jīng)驗(yàn)可以參考[1]。設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，指示元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸以及上端蓋區(qū)域的配合因素，也是值得予以考慮。

3 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡介

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)：有沖擊現(xiàn)象，輸出作用力不穩(wěn)定，容易損耗，更替比較頻繁，組裝相對困難，維護(hù)比較麻煩。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)方式克服滑動(dòng)摩擦,它比曲柄連桿的滑動(dòng)摩擦方式的摩擦力小得多；齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)均勻，轉(zhuǎn)動(dòng)間隙小，因此運(yùn)動(dòng)自如、回差??；可獲得較小尺寸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使重量和尺寸得到大幅度的減小；非常容易實(shí)現(xiàn)與閥門直接相連，簡化了閥門的連接方式，并使所配閥門的外形更加勻稱美觀及小型化。

這里研究的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要依賴氣壓傳動(dòng)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)遵循“滴水流線”設(shè)計(jì)理念即當(dāng)水等液體滴在或積聚在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上時(shí)，這些液體能夠自然而然地流淌下去，進(jìn)而不長時(shí)間停留在表面，腐蝕執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體。閥門用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門連接端面配合。相對于其他類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這里所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是空氣傳動(dòng)[3]。

3.2 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理淺析

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要承載部件就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體了。一方面，安裝傳動(dòng)元件的空間由它們提供；另一方面，又能防護(hù)這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部元件，避免或減緩腐蝕性物質(zhì)與導(dǎo)電物質(zhì)的侵蝕。在殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要進(jìn)行“滴水流線”方面的設(shè)計(jì)即讓水等液體滴在回訊器上面的時(shí)候，液體能夠自然流淌下去，從而不長時(shí)間積聚在表面，腐蝕或者浸泡執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體。這里分析的執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體主要通過金屬型材塑性成形工藝，再經(jīng)過機(jī)加工與表面處理獲得。這些精妙絕倫的制造工藝，使得在鞏固執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體可靠性的同時(shí)，節(jié)約了元件制造成本。

本文研究的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體，主要采用鋁制或鋁合金材料。鋁制或鋁合金材料密度相對黑色金屬材料密度要小些，同等體積條件下，其制造而得成品要輕些，與輕量化設(shè)計(jì)理念相鍥合。此外，殼體又由端蓋與缸體組成。采用耐磨損鋁制或鋁合金材料，以使得尺寸保持相對穩(wěn)定。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體與其他元件或組件配合的區(qū)域需要預(yù)留。因這里分析的執(zhí)行機(jī)構(gòu)殼體主要通過金屬型材塑性成形工藝，殼體設(shè)計(jì)要預(yù)留尺寸，否則脫離工具困難，可能造成外觀缺陷，進(jìn)而影響外觀與殼體強(qiáng)度[3]，以利于下面步驟的機(jī)加工進(jìn)行。預(yù)防或減緩腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入傳動(dòng)軸與殼體接觸區(qū)域而腐蝕執(zhí)行機(jī)構(gòu)重要部位。金屬加工過程，收縮率要予以考慮，避免尺寸偏離過大[2]。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對可靠，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一大分支。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣源的工作壓較低，又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，因而閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總推力不可能很大[3]。臥式齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)由活塞、齒輪和齒條等部件組成。輸入的氣經(jīng)活塞轉(zhuǎn)換為推力，推動(dòng)帶有齒條的活塞移動(dòng)，齒條移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)連接到輸出軸的齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)直行程到角行程的轉(zhuǎn)換，圖2是齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)的透視圖，根據(jù)工作原理，齒輪齒條執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為雙作用式和單作用式（彈簧返回）兩類[3]。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有沖擊現(xiàn)象，輸出作用力不穩(wěn)定，容易損耗，更替比較頻繁，組裝相對困難，維護(hù)比較麻煩等缺點(diǎn)也要注意。

4 計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，為傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域?qū)肓嘶盍Γ矌砹诵碌募夹g(shù)研發(fā)途徑與理論，有限元技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)與數(shù)值分析技術(shù)，隨之誕生計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。而數(shù)值分析技術(shù)顯著影響了研發(fā)人員的計(jì)算工作量。接近相對應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用工況，還要考慮計(jì)算對象所需主要數(shù)值等等。有限元技術(shù)時(shí)常涉及有限元概念，將目標(biāo)對象或線或面或體進(jìn)行劃分，設(shè)置前處理參數(shù)，進(jìn)而運(yùn)行有限元分析工具。常規(guī)有限元分析，有限元工具的設(shè)置選項(xiàng)有邊界條件設(shè)置、幾何建模型、網(wǎng)格劃分、材料模型庫設(shè)置、運(yùn)行、后處理等。考慮計(jì)算對象目標(biāo)參數(shù)，盡可能地接近實(shí)際工況。關(guān)于幾何模型構(gòu)建，主流有限元工具集成了部分模型構(gòu)建模塊，可以運(yùn)用這些命令選項(xiàng)進(jìn)行簡單的模型重構(gòu)。然而，有些模型利用有限元工具集成模型構(gòu)建模塊重構(gòu)困難，需要借用其他模型構(gòu)建工具，通過有限元工具中CAD導(dǎo)入工具導(dǎo)入其中，進(jìn)行三維生成。若要數(shù)字化建模，以便于有限元分析優(yōu)化技術(shù)進(jìn)一步開展，則需要在主流3D設(shè)計(jì)工具如Solidworks中設(shè)置導(dǎo)入數(shù)值相關(guān)命令選項(xiàng)。世界知名的有限元分析工具，通常集成了多元領(lǐng)域的有限元分析軟件。它在靜力學(xué)分析領(lǐng)域，求解精度與結(jié)果都是相對比較高的，需要卓越的工程分析軟件。有限元在結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也是比較廣泛。

5 小結(jié)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對可靠,是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的一大分支。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣源的工作壓較低,又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，因而閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積推力相對不會(huì)很大。國內(nèi)具有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家不多，主要是購買國外的比較多。這里對一種閥門用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行了分析，闡述角行程組件、殼體等執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及其優(yōu)劣。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)精妙絕倫，發(fā)展過程中促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展，還存在發(fā)展?jié)摿?，其涉及的未知領(lǐng)域問題有賴進(jìn)一步探索，本文簡述有限元在此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)制造提供參考，有利于國內(nèi)自動(dòng)化控制工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步研究。