5、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力

1、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力 氣動(dòng)控制閥是由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥兩部分組成的，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥的推動(dòng)裝置，它是將氣壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，改變閥內(nèi)部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置的機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常又分為氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠，維修制造方便，通常具有彈簧復(fù)位功能，是應(yīng)用最廣泛的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)按作用方式分為正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（隨操作壓力增大，輸出桿向外伸出，壓力減小又自行向里退回的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)（隨操作壓力增大，輸出桿向里退回，壓力減小又自行向外伸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)按彈簧數(shù)量又分為單彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單

2、彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，具有彈簧范圍調(diào)整功能，但重量和尺寸偏大，目前仍是氣動(dòng)控制閥常用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)（俗稱：精小型氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)），它具有體積小，重量輕，但彈簧范圍不可調(diào)整，它也是氣動(dòng)控制閥常用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。具體結(jié)構(gòu)見圖1、 2。行I機(jī)構(gòu)簧氣關(guān)型薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1單彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)多彈簧氣開型薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)多彈簧氣關(guān)型薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖2多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)李寶華同志在控制閥信息第 39期發(fā)表的控制 閥細(xì)節(jié)分析之一氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)一文中對多彈簧氣動(dòng) 薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)力的關(guān)系做了詳細(xì)分析， 本文不再贅述，本文針對美國 Fisher公司生

3、產(chǎn)的657 （正 作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)）和667 （反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的彈簧范圍和 執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力計(jì)算進(jìn)行分析。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片有效面積膜片有效面積定義為：膜片受壓力作用而產(chǎn)生有效力 的當(dāng)量面積，有效面積越大，當(dāng)超氣壓或彈簧范圍下限一 定時(shí)出力就越大，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了對彈簧進(jìn)行準(zhǔn) 確的計(jì)算，就必須要了解膜片有效面積的大小及變化情 況，影響膜片有效面積的因素很多，例如膜片的 d/D（d 膜片的托盤直徑；D膜片安裝法蘭的圓周直徑），膜片的 L/D （L一行程），膜片的幾何形狀，制造膜片橡膠的軟硬 和夾層材料等。由幾何形狀的關(guān)系可以得出如下關(guān)系式： A=H （D2+Dd+d2）式（1）中A一膜片有效面積國

4、內(nèi)目前所有生產(chǎn)氣動(dòng)控制閥的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的氣 動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有效面積均是計(jì)算得出的，具體生產(chǎn)企業(yè)并未認(rèn)真研究過膜片有效面積的變化情況，根據(jù)1966年全國聯(lián)設(shè)的ZMA/B氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)資料記載，有效面積變化率一般在2%8%范圍內(nèi)，從該資料中得知：1 ）膜片有效面積越小，變化率越大，如有效面積為200cm2時(shí)變化率為8%,有效面積為1000cm2時(shí)變化率為2%；2）在不同的信號壓力條件下，信號壓力小，膜片有效面積增大；信號壓力大，膜片有效面積減小。如 ZMA-3氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)信號壓力為 20kPa時(shí)，膜片有效面積 為413 cm2;當(dāng)信號壓力為100kPa時(shí)，膜片有效面積為3902 cm 。

5、3）信號壓力由20kPa增至60kPa時(shí)變化率大，由60kPa 增至100kPa時(shí)變化率小，如ZMA-3氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng) 信號壓力由20kPa增至60kPa時(shí)，有效面積由413 cm2減 少至394 cm2,變化率為 4.6%,而由60kPa增至100kPa 時(shí)，有效面積由394 cm2減少至390 cm2,變化率為1%。4）信號壓力范圍越大，膜片有效面積變化越小，如ZMA-3氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)信號壓力為 20100kPa時(shí)膜 片有效面積由413 cm2減少至390 cm2,變化率為5.6%, 當(dāng)信號壓力為40200kPa時(shí)膜片有效面積由403 cm2減少 至387 cm2,變化率為4%。5

6、）膜片在相同厚度條件下，橡膠硬度越低，有效面積變化越小，如ZMA-2 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)薄膜硬度為邵氏硬度75時(shí)，行程由0%100%膜片有效面積變化由295 cm2減少至270 cm2,變化率為9.3%;當(dāng)薄膜硬度為邵氏 硬度60時(shí)，行程由0%100%膜片有效面積變化由291 cm2減少至273 cm2,變化率為6.2%。各控制閥生產(chǎn)企業(yè)均應(yīng)按膜片有效面積變化的中值 制定膜片有效面積，在設(shè)計(jì)彈簧過程中才能保證計(jì)算數(shù)據(jù) 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。根據(jù)式(1) A= (D2+Dd+d2)可以看出，我們希望一 個(gè)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片有效面積越大越好，如果增加 D必然帶來體積的增大，那么關(guān)鍵是如何增大d,

7、如果增加d就增加了上下膜蓋沖壓工藝和橡膠膜片制造工藝的難 度，歐美先進(jìn)國家的工藝水平高，配套能力強(qiáng)，并將橡膠 膜片的硬度適當(dāng)降低，使得他們生產(chǎn)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在相同外型的尺寸條件下，膜片有效面積比我們的產(chǎn)品大 一些，膜片有效面積的變化率也小一些，下表一為美國 Fisher公司生產(chǎn)的657、667系列與原國內(nèi)聯(lián)設(shè)產(chǎn)品膜片有 效面積對比表。表一膜片有效面積對比表生產(chǎn)廠家美國Fisher公司原全國聯(lián)設(shè)產(chǎn)品膜片有效面積cm22974456671006141928040063010001600上下膜蓋直徑mm289333406473536280325410495600膜片有效面積與上 下膜蓋直徑比值

8、1.031.341.672.132.6511.231.542.022.69由上表可以看出美國Fisher公司產(chǎn)品比原全國聯(lián)設(shè)產(chǎn)品的膜片有效面積與上下膜蓋直徑的比值要大的多，就是說如在相同上下膜蓋直徑條件下， 美國Fisher公司生產(chǎn)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片有效面積比全國聯(lián)設(shè)的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)大的多，在相同的彈簧范圍或相同的超氣壓條件下，具有較大的輸出力。本人已對SAMSON、 ARCA、 MOTOYAMA 、 CV3000系列和國內(nèi)精小型系列氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片有效面積和上下膜蓋直徑的關(guān)系進(jìn)行了分析，SAMSON、 ARCA、MOTOYAMA 三家的產(chǎn)品基本相同，膜片有效面積與上下膜蓋直徑的

9、比值均大于CV3000 系列和國內(nèi)精小型系列。正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力計(jì)算氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于裝有彈簧，當(dāng)膜片氣室通入氣源壓力產(chǎn)生的力，部分被彈簧反作用力抵消，只有當(dāng)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)所配的閥門完全關(guān)閉，氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作，此時(shí)膜片氣室通入的氣源壓力減去此行程下對應(yīng)的彈簧范圍上限值，再乘以膜片有效面積才是正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力。即： F 正 =A（P 操 -Pr 上 ）/10式中 F 正 正作用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力NP操一通入到膜片氣室中的操作壓力kPaPr 上 彈簧范圍上限壓力kPa一個(gè)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)我們希望它體積越小、出力越大越好，當(dāng)膜片有效面積確定之后，想要提高正作用式

10、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力最有效辦法是提高操作壓力（在氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜合強(qiáng)度允許條件下）或者降低彈簧范圍上限壓力。如657-45 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效面積為667cm2,當(dāng)操作壓力為350kPa,彈簧范圍上限值為48kPa時(shí)，輸出力可達(dá)F 正 =667（ 350-48） /10=20445N反作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力計(jì)算反作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力與通入膜片氣室中的操作壓力無關(guān)，完全取決與彈簧范圍的下限壓力（彈簧的啟動(dòng)壓力）即F wA , pr 下/10式中 Pr下一彈簧范圍下限壓力kPa當(dāng)膜片有效面積確定之后，想要提高反作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力，只能調(diào)整彈簧范圍下限值，如667-45

11、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)有效面積為667cm2， 當(dāng)彈簧范圍下限值調(diào)整至152kPa時(shí)，輸出力可達(dá) F反=667X 152/10=10138N參照美國Fisher公司標(biāo)準(zhǔn)可以看出，每種膜片有效面積都有多種彈簧范圍可供選用，正作用式657 型氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用彈簧范圍37psig,當(dāng)氣源壓力最高為350kPa 時(shí)，反作用式667型氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用彈簧范圍 22 30psig時(shí)輸出力達(dá)到最大值。參數(shù)657正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格3040456070有效回積2cm229744567710061419最大行程mm1929515176彈簧范圍psig3739311313315614616618620622626

12、630373931131231561561862262462662863037393123156156186226246266276303739311313315617618619620622626630315617623630最大輸出力N896113427204452897334993注：657氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出力是按當(dāng)氣源壓力為350kPa時(shí)，30、40、45系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用37psig彈 簧范圍，60系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用39psig彈簧范圍，70系 列執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用315psig彈簧范圍計(jì)算得出的。參數(shù)667反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格3040456070有效回積2cm22974456771006

13、1419最大行程mm1929515176彈簧范圍psig91571551531516 3014 30 103063011 1510 15915715515315183016 3012 30 103063010 1581561551541531522 3018 3014 3010 30 6309158157156155154153151730153012 30103063071531514 30 1030630最大輸出7N N32775524101381179413701注：667氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大輸出力是按 30系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧范圍1630psig; 40系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧范圍1830psig; 45系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧范圍2230psig; 60系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧范圍1730psig; 70系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧范圍1430psig計(jì)算得出的。美國Fisher公司生產(chǎn)的657/667-3070氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照不同的膜