气动、电动角行程执行机构输出力矩分析及应用
一、概述
气动、电动角行程执行机构是流程工业自动化控制系统中必不可少的重要终端装置，是工业自动化仪表的执行单元，它接受控制系统的调节指令，与O型球阀、V型球阀、蝶阀、凸轮挠曲阀、风门等配套使用，实现对生产过程中的流量、压力、温度、液位进行调节，在电力、石油化工、冶金、轻工、建材等行业大量采用。
二、气动、电动角行程执行机构性能及优缺点
1）气动角行程执行机构（本文只讨论气动活塞式角行程执行机构）
优点：结构简单、可靠性高、天然防爆、工作温度范围宽（一般可达-40-+80℃）。
缺点：需要另设气源装置、有滞后现象、输出力矩小（与同体积电动执行机构相比）、调节精度偏低（与气动薄膜执行机构相比）。
2）电动角行程执行机构
优点：驱动能源简单方便、适于远距离操作、输出力矩大（与同体积气动执行机构相比）。
缺点：防爆产品制造难度大，工作温度范围窄（一般为-10 -+55℃）。
气动活塞式角行程执行机构分为两种形式，一种为齿轮齿条式，一种为杠杆拨叉式，两种结构形式的气动活塞式角行程执行机构均有单作用式（即弹簧复位式）见图一（a）及图二（a） 和双作用式见图一（b）及图二（b）。
图一（a）单作用
图一（b）双作用
图二（a）单作用
图二（a）双作用
单作用式和双作用式气动活塞式角行程执行机构的选择主要考虑当气源发生故障时，阀门所处位置是否会对人身、设备安全产生事故，或对产品质量产生影响。例如：当气源发生故障时，阀门必须处在全开或全关位置时，应选用单作用式气动活塞式角行程执行机构，否则应选双作用式气动活塞式角行程执行机构。相同体积的气动活塞式角行程执行机构，单作用式的输出力矩仅为双作用式的30%-40%。
齿轮齿条式的气动活塞式角行程执行机构体积小、重量轻、结构紧凑、效率高、机械加工简单。气缸采用铝合金拉制成型，用低摩擦系数的非金属材料做滑动轴承，避免气缸内壁与金属材料制作的活塞和活塞轴直接接触。单作用式采用多弹簧结构，使单作用式与双作用式的外型尺寸完全相同，零件可完全互换。气缸侧面设有气源孔，其连接尺寸符合NAMUR标准，可将板式电磁阀直接安装在气缸上，无需连接气管。受铝合金型材限制，外加力臂较短，所以齿轮齿条式的气动活塞式角行程执行机构输出力矩偏小。单作用式输出力矩一般为3-4000NM, 双作用式输出力矩一般为8-12000NM。
杠杆拨叉式气动活塞式角行程执行机构力臂较长，同口径气缸输出力矩大，气缸采用分体式，用无缝钢管加工，大口径缸体制作容易。单作用式输出力矩最大可达30000 NM，双作用式最大可达120000 NM.。
电动角行程执行机构是利用电源并在某种控制信号下提供运行的装置。如今的电动角行程执行机构已经远远超出了简单的开关功能，它包含了位置感应装置、力矩感应装置、逻辑控制装置、数字通讯模块等。这些装置全部装在一个紧凑的外壳内。电动角行程执行机构的输出力矩范围非常宽，一般为10-250000 NM.。电动角行程执行机构由于采用了蜗论蜗杆和行星齿轮传动，一般都具有自锁功能，当电动角行程执行机构停止供电后，它的转角位置就停留在停止供电的位置上。
电动角行程执行机构分为直连式和底座式，直连式电动角行程执行机构主要用于控制各类旋转90°的阀门，如球阀、蝶阀、旋塞阀等。它的输出力矩为恒力矩。底座式电动角行程执行机构一般需要安装曲柄，与球形铰链配套使用。常用输出角度有60°和90°两种，它的输出力矩是变力矩，输出角度60°的电动角行程执行机构在0°和60°时输出力矩最大，在30°时输出力矩最小。输出角度90°的电动角行程执行机构在0°和90°时输出力矩最大，在45°时输出力矩最小。一般常用与风门、挡板阀、百叶阀等配套使用。
三、气、电动角行程执行机构输出力矩裕量的考虑
1）气动角行程执行机构输出力矩裕量考虑
国内外专业生产气动角行程执行机构的生产厂家都会在《产品选型样本》或《产品使用说明书》中注明该产品的输出力矩，此输出力矩一般为该气动角行程执行机构输出力矩的最大值。在使用过程中，由于气缸表面光洁度的下降，“0”型橡胶密封圈的磨损等原因，都会使输出力矩有所下降。当阀门所需力矩确定之后，配用的气动角行程执行机构输出力矩过大，不仅增加成本、增大体积，还可能造成阀杆扭曲变形；，配用的气动角行程执行机构输出力矩过小，将使阀门无法正常开启和关闭。
a、双作用气动活塞角行程执行机构
选用双作用气动活塞角行程执行机构输出力矩裕量应按如下要求考虑：清洁的液体和水蒸气增加5-10%的裕量；干燥气体、有颗粒、纤维浆料的液体增加10-20%的裕量；带有纤维的干燥气体增加20-30%的裕量。
b、单作用气动活塞角行程执行机构
由于单作用气动活塞角行程执行机构采用弹簧复位，随着弹簧疲劳次数的增加，它的刚度会有所降低，所以单作用气动活塞角行程执行机构的安全裕量要大于双作用气动活塞角行程执行机构输出力矩裕量，一般裕量选择如下：清洁的液体和水蒸气增加20-30%的裕量；干燥气体、有颗粒、纤维浆料的液体增加30-40%的裕量；带有纤维的干燥气体增加40-50%的裕量。两位开关时所需裕量取小值，比例调节时所需裕量取大值，计算准确时取小值，否则取大值。
2）电动角行程执行机构
同气动角行程执行机构一样，国内外专业生产电动角行程执行机构的生产厂家都会在《产品选型样本》或《产品使用说明书》中注明该产品的输出力矩，此输出力矩是以长期带电工作下电机不发热为基准的。如电动角行程执行机构间歇工作或允许电机适当发热，输出力矩会有较大提高。
采用单相电动机的电动角行程执行机构可增加20-40%的输出力矩，
采用三相电动机的电动角行程执行机构可增加40-60%的输出力矩，
电动装置（两位式电动执行机构）可增加50-70%的输出力矩。
掌握这些数据后，可根据生产现场实际情况合理选用电动角行程执行机构输出力矩。
四、气动角行程执行机构的合理选用
1）气动活塞角行程执行机构的合理选用
a、齿轮齿条型气动活塞角行程执行机构的合理选用
双作用齿轮齿条型气动活塞角行程执行机构由于采用的是齿轮齿条结构，所以输出力矩是恒定值，即在0-90°转角范围内输出力矩是不变的。以本公司生产的63000系列气动活塞角行程执行机构为例（具体曲线见图三）。在选用过程中要根据所配阀门种类的最大需用扭矩并考虑第三节所述，预留合理的安全裕量。
单作用齿轮齿条型气动活塞角行程执行机构的输出力矩分为两种形式：第一种形式称为“空气转角输出力矩”。在这种情况下，气源压力推动活塞，带动活塞轴从0-90°旋转，由于弹簧受压缩后产生反作用力，输出力矩由0°的最大值，逐步递减至90°的最小值。第二种形式是单作用齿轮齿条型气动活塞角行程执行机构失气后，弹簧本身的恢复力，称为“弹簧反力输出力矩”。在这种情况下，由于弹簧的逐步伸长，输出力矩由90°的最大值。逐步递减至0°的最小值。以本公司生产的63000系列气动活塞角行程执行机构为例（具体曲线见图四）。综上所述：单作用齿轮齿条型气动活塞角行程执行机构是在两种不同状态下，产生一个平衡力矩工作的，如果增加单边弹簧数量，并提高气源压力可使单作用齿轮
图三
图四
b、杠杆拨叉式气动角行程执行机构的合理选用
双作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构的输出力矩为U型曲线，以本公司生产的QZ系列气动活塞角行程执行机构为例（具体曲线见图五），由图五可以看出0°和90°时输出力矩最大，45°时输出力矩最小。特别适用于中、大口径蝶阀、球阀的需求。由于杠杆拨叉式气动角行程执行机构的输出力矩在0-90°之间是变化的，所以要与阀门在0-90°之间所需力矩相对照，保证双作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构各点的输出力矩均大于阀门各点所需力矩，并留有合理裕量。如输出力矩不够，在条件允许下，提高气源压力后，会使输出力矩与气源压力的增加相同比例提高。
单作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构的输出力矩也是变化的,以本公司生产的QZ系列气动活塞角行程执行机构为例（具体曲线见图六），由图六可以看出，“空气转角输出力矩”在0°时，输出力矩达到最大值；在60°左右时输出力矩最小，约为最大输出力矩的45%；在60°时输出力矩约为最大输出力矩的60%。“弹簧反力输出力矩”在0°时，输出力矩约为最大输出力矩的60%；在30°时 输出力矩最小，约为最大输出力矩的45%；90°时，输出力矩达到最大值。由于单作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构的输出力矩具有以上特点，所以单作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构与阀门配套使用时，必须大于阀门在0-90°旋转过程中所需力矩。由于球阀、蝶阀等旋转类阀门都是在关闭位置时，开启阀门所需力矩最大，单作用杠杆拨叉式气动角行程执行机构输出力矩恰好与以上阀门所需力矩相吻合。
图五 图六
五、几个需要说明的问题
1）比例调节型和两位开关型阀门所需的气、电动角行程执行机构输出力矩是有一定区别的，比例调节型的控制阀门在0-90°之间各点都必须严格考虑启动力矩，因此选用气、电动角行程执行机构输出力矩时，要留有足够的裕量；而两位开关型阀门在运行中具有一定的惯性，理论上只要保证始终点的所需力矩达到启动力矩就可，中间状态可选用小一些的气、电动角行程执行机构输出力矩。
2）比例调节型的蝶阀、球阀、凸轮挠曲阀旋转过程中，在65°-75°范围内转矩系数出现峰值，所以所选气、电动角行程执行机构输出力矩必须大于所选阀门在此范围的所需力矩。
3）国内许多电力、石油化工企业的压缩空气采用螺杆式空压机实现，螺杆式空压机的输出压力可达1.3MPa,为提高气动角行程执行机构输出力矩，适当提高气源压力是明智之举，相同体积的气动角行程执行机构所供气源由0.4MPa提高到0.8MPa，可使输出力矩增加一倍。
气、电动角行程执行机构的合理选用是一项复杂的系统工程，需要在实际工作中不断总结经验，探索创新，为我国工业自动化的发展做出贡献。
