控制阀细节分析之六—气动薄膜执行机构李宝华摘要：控制阀主要由执行机构和阀两大部分以及相关附件组成。
执行机构用于力或力矩转换和位移转换；阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。
最常用的执行机构是气动薄膜执行器，其结构简单、动作可靠、维护方便、价格较低。
关键词：控制阀；气动薄膜执行机构；力平衡关系；结构；技术分析引言控制阀是工业过程应用最多的终端控制元件，常常决定着过程控制是否及时有效，是控制回路中较为重要的环节。
控制阀主要由执行机构和阀两大部分以及相关附件组成。
执行机构用于力或力矩转换和位移转换；阀用于将位移转换为阀芯与阀座间的流通截面积变化。
有数据表明控制阀是一个薄弱环节，控制阀故障在控制回路故障总数中有超过50％的频次。
在工业生产过程对控制要求及安全性不断提高的情况下，控制阀的必要性、重要性以及较高的故障频次已引起业内注意。
国内外的控制阀生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，且质量参差不齐。
不同厂家在同类型控制阀的设计差异及其技术特点和应用情况如何？应是大家关注的问题。
针对目前用量最大、多数厂家都在生产的控制阀的气动薄膜执行机构，在技术上试进行一些细节分析。
执行机构现行国标GB/T17213.1-1998《工业过程控制阀 第1部分：控制阀术语和总则》（等效IEC 60534-1：1987）对执行机构（Actuator ）的定义是：将信号转换成相应的运动，改变控制阀内部调节机构（截流件）位置的装置或机构。
该信号或者驱动力可以是气动、电动、液动或它们的任何一种组合。
控制阀的阀门型式多种多样，每一种型式都对其驱动装置（执行机构）有不同的要求，执行机构的通用型式有：• 气动薄膜执行机构• 气缸（活塞）式执行机构 • 电动执行机构 • 电-液执行机构 • 手动执行机构 • 伺服执行机构其中气动薄膜执行机构以其结构简单、动作可靠、维护方便、价格较低，是直行程控制阀最常用的执行机构。
它分为正作用与反作用动作形式以及单弹簧与多弹簧设计结构，如图1、2所示。
气动信号压力引入膜室内，当气压增加将膜片向下推并使执行机构推杆伸出（向下位移）称为正作用执行机构（德国制造厂称之为“Actuator stem retracts （FE ）/执行机构推杆缩回（故障开即气关）”）；反之，当气压增加把膜片向上推并使执行机构推杆缩回（向上位移）称为反作用执行机构（德国制造厂称之为“Actuator stem extends （FA ）/执行机构推杆伸出（故障关即气开）”）。
正、反作用的气动薄膜执行机构结构、部件基本相同，都是由上下膜盖、橡胶薄膜膜片、推杆、弹簧及托板等组成，还可图 1 多弹簧气动薄膜执行机构正作用 反作用信号 信号 图2 单弹簧气动薄膜执行机构膜室盖膜片托板 执行器弹簧 执行器推杆弹簧座弹簧调整 杆连接器 支架 行程指示盘行程刻度膜片 反作用正作用信号 信号根据需要更换作用方向。
其净输出力为气动信号压力作用在膜片上产生的力与压缩弹簧力之间的差值。
执行机构输入（气动信号）输出（位移）特性基本为线性关系，并能提供较大的位移（行程）。
执行机构膜室内的膜片有效面积与推力成正比。
需要的输出力和可承受的供气压力就决定了执行机构的尺寸即膜片的有效面积。
传统设计的气动薄膜执行机构是单弹簧结构，壳体多为整体铸造部件，比较笨重和尺寸大，一体的支架并有弹簧调整部件，如Fisher 的657型（正作用）和667型（反作用）、Masoneilan 的37型（正作用）和38型（反作用），还有国产早期统一设计的ZMA 型（正作用）和ZMB 型（反作用），等。
目前广泛应用的则是精小型的多弹簧结构，配置不同数量弹簧可组合为不同弹簧范围，一次装配完成。
膜盖为钢板冷轧成形，支架可分离可组合，整体重量轻和尺寸高度明显降低，如SAMSON 的3271型/3277型、Fisher 的GX 型、ARCA 的812系列、KOSO 的5200LA 、Masoneilan 的87/88系列，等。
执行机构的力关系执行机构产生的力（运动）用于克服负荷的有效力，负荷则是流体在阀体阀内件造成的不平衡力、以及摩擦力（填料函及填料）、密封压紧力（阀座）、阀杆阀芯等部件的自重等有关的力作用。
为了使控制阀能正常工作，配用的执行机构要能产生具有一定安全系数的力（力矩），来保证控制阀紧密关闭和顺利开启及将控制指令转换为行程。
直行程单座直通控制阀主要配用气动薄膜执行机构，气动信号作用在薄膜有效面积上，其信号增加或减少形成一个力，去克服弹簧力和控制阀上出现的力，并与一定的阀开度对应。
在相应的阀门开度下，力的关系是平衡的，气动薄膜执行机构产生的推动力与负荷力相等，没有净输出力。
只有配用了阀门定位器形成阀位反馈调节闭合回路后，才能使气动薄膜执行机构行程精度提升并能在阀全关或全开时具有净输出力。
参见图3，说明控制阀执行机构整体考虑的力的关系： 设执行器的输出力为F A （单位N ），其力的关系为：F A ＝ F t ＋ F 0 ＋ F f ＋F M （1）式中：F t － 流体作用在阀芯上的力（不平衡力），主要与阀压差、阀芯受力面积有关；F 0 － 阀全关时密封压紧力，主要与阀座孔径、泄漏等级有关； F f － 阀杆所受的摩擦力，主要与阀杆直径、填料型式、行程速度有关；F M － 阀芯阀杆等运动部件的重量，为-mg这个F A 也就是控制阀计算书中的req.act.force （F O req ）。
对于弹簧作用在执行器膜片上，弹簧力F S 与膜片有效 面积A e 、位移量L 和弹簧预压紧量及刚度有关，执行机构 的净输出力为气动信号P 作用在膜片上产生的力与弹簧作用 力之间的差值，由此执行机构的力关系式为；正作用执行机构： F AD ＝A e (P –P 0 – P r（2a ）反作用执行机构： F AR ＝A e (–P ＋P 0 ＋P （2b ）式中：A e － 膜片有效面积，cm 2；P － 气动信号压力，100kPa(bar)； P 0 － 弹簧启动压力，100kPa(bar)； P r － 弹簧范围，100kPa(bar)； l － 推杆位移（阀行程），mm ； L － 全位移（全行程），mm注：在计算时，请注意膜片有效面积和行程及压力的单位换算：面积〔m 2〕、长度〔m 〕、压力〔Pa 〕、力〔N 〕在执行机构推杆位移（行程）各点上，气动信号压力P 产生的推力与弹簧的反作用力F S 相抵消，因而没有净输出力。
当配用阀门定位器后，只要各行程点没有与阀门定位器的输入控制信号相对应，即给定信号w 与行程反馈信号x 之间出现的偏差e ，则为了保证准确定位，其输出的气动信号压力就会继续变化直到趋于零压力或接近气源压力，此时执行机构会产生净输出力。
以配合正装式阀（阀杆向下移，阀门关闭）为例，正作用气动薄膜执行机构在阀全关时走完全行程，l ＝L ，气动信号压力P 可接近气源压力P 气源，P 0 ＋ P r 为弹簧上限压力，其输出力为：F A F f F 0F tF M PLF S 图3 控制阀力的关系（图为反作用执行机构）F AD ＝A e (P–P0 – P r)＝A e (P气源–P弹簧上限) （3）可看出，此类气关型控制阀通常是靠提高气源压力来保证紧密关闭和克服不平衡力的，而弹簧范围通常为20kPa至100kPa或更小。
一些厂家在执行机构样本中所说的最大允许输出力（如fisher的657/667样本），通常是指气关型控制阀和按执行机构膜室所能承受的最大气压与膜片有效面积进行计算的结果，其数值远比气开型控制阀配反作用执行机构输出力的值大出很多。
以配合正装式阀（阀杆向下移，阀门关闭）为例，反作用气动薄膜执行机构在阀全关时为行程零点，气动信号压力P可趋于零，其输出力为：F AR ＝A e P0（4）此种情况下，只要知道膜片有效面积A e和弹簧启动压力P0就能推算出该执行机构的输出力。
反作用执行机构通常有较多的弹簧范围可选，弹簧启动压力P0则可通过对弹簧预压紧进行提高，如3271型气动执行机构的弹簧启动压力P0可达260kPa（700cm2、弹簧范围260kPa-430kPa/2.6-4.3bar）。
在控制阀全关时的F AD和F AR数值也就是一些厂家计算书上的“Actutor force F a”和产品样本给出的“spring force at 0mm travel（等于F AR）”及“Thrust[kN] at rated travel and a supply pressure〔bar〕of（等于F AD）”条目中的数值。
浏览国内外各品牌公司的气动薄膜执行机构产品样本，只有少数公司如SAMSON（样本T 8310-1 ZH、T 8310-2 ZH）和ARCA（样本DS ECOTROL-gb），在样本中正确地给出了执行机构输出推力数据，而多数厂家的样本则使人一头雾水，不能参考或计算。
考虑到满足控制阀的正常使用和紧密关闭，应使F AD 或F AR≥F A，使气动信号压力P产生的推力与弹簧的反作用力F S相抵后仍有净输出力用于克服阀的流体力（不平衡力）和摩擦力，还要在阀关闭时有一定的压紧力。
在计算选型时，对气动薄膜执行机构所需推力还应留有安全系数，如SAMSON 是按1.3倍，如式（5）：F AD 或F AR≥1.3F A或按SAMSON表示F a/F o≥1.3 （5）F a－执行机构力（Actutor force）F o－所需的执行机构力（req.act.force）而对于阀芯阀座软密封情况（泄漏等级VI）的安全取值还要大一些，约1.5倍。
国内有的标准只规定了1.1倍的设计原则，这也可能是国产控制阀在工况使用时容易出现全关阀位关闭不严的原因。
由于各厂家控制阀和气动薄膜执行机构产品设计不同，其阀门填料函/填料/阀杆的摩擦力、执行机构推杆出轴密封的摩擦力、阀杆阀芯等内件重力等有所不同，加之阀的流路、阀管路系数、阀内件形状系数、流量系数、特性压差比也不同，即便使用相同的流量方程、计算公式，有着同样的公称通径、流通能力，各厂家只能使用各自的控制阀计算选型软件进行计算，目前还没有适用于不同厂家全部具体型号产品的计算选型通用软件。
气动薄膜执行机构结构对于传统的单弹簧结构气动薄膜执行机构（参见图2），不再赘述。
本文仅对精小型多弹簧结构的气动薄膜执行机构探讨分析，图4示出其典型产品结构，图为反作用的多弹簧结构的气动薄膜执行机构，均出自国外知名品牌厂家。
多弹簧结构的气动薄膜执行机构属于轻型执行机构，国内称之为精小型，具有重量轻、高度低、结构紧凑、装配简便、动作可靠等特点，没有弹簧调整部件，根据需要组合弹簧范围和进行预压紧，一次装配完成，不必调整弹簧。