QPII系列弹簧隔膜式气动执行机构应用浅析

发布时间:2010-10-14  点击数:3251
    目前,随着工业自动化水平的不断提高。控制阀在流体控制方面得到了广泛的应用, 人们对其性能也提出了越来越高的要求。控制阀的整体性能除了与调节阀定位器的性能有关外.还与执行机构性能有着直接关系。QPⅡ系列弹簧隔膜式执行机构除了在自动开关阀应用方面有一定优势外,其优越的性能在调节阀应用方面更显突出。
一、工作原理
    QPⅡ系列弹簧隔膜式执行机构是一种90o回转型执行机构(图1)。其滑块紧贴隔膜,隔膜右侧是压力腔,左侧为弹簧腔。右侧压力腔进气时,压缩空气克服左侧弹簧的阻力,推动滑块左移,滑块通过连杆推动摇杆逆时针摆动。摇杆上加工有输出孔,可与润杆连接,输出扭矩。右腔失气时,在左侧弹簧作用下滑块右移,带动摇杆顺时针旋转。
   
              1 摇杆 2 连杆 3滑块
                        图1 QPII 执行机构
    QPII型弹簧隔膜式执行机构有许多优点。隔膜密封性能好,载荷传递简捷、效率高。气源压力范围宽,弹簧包的刚度可以有多种组合,可根据阀门需要输出各种对称或不对称的扭矩。只要选型适当,能做到既经济又可靠。由于压力腔及弹簧腔壳体均为钢制件,且内外表面有环氧类涂层,故耐腐蚀能力强。具有密封及压力传递作用的隔膜为特殊复合材料,表面经特殊处理,且行程适中,不会造成过度的曲张疲劳,所以寿命长。弹簧组为单件组成,安垒可靠。如果将与阎门中口连接的面由B面改为A面(图2)可在现场方便地进行“气开”与“气关”转换。

     图2 QPⅡ气动执行机构外形
二、扭矩特性
    设摇杆长为L1、连杆长为L2,L2/L1=λ,弹簧刚度为K,弹簧预压缩量为△X9, 摇杆初始位置与水平线的夹角为β。摇杆转动α角度时,摇杆与连杆之间的夹角为θ,压缩空气作用在隔膜上的有效推力为F(表1)。压缩空气作用下有效输出扭矩为Mq,失气时弹簧作用下有效输出扭矩为Mt,经过推算得
   
     表1原始参数(QPⅡ为例)
    从式1、2、3、4中可看出,Mq和Mt均是α的函数(图3)。
    
    图3 QPⅡ型气动执行机构扭矩特性
    由扭矩特性曲线可知,在0~25o之间,Mq随开度增加而增加。在60~90o之间,Mq随开度增加而迅速下降。在10~60o之间,Mq随开度先升后降,但升降幅度很小,比较平稳。以蝶阀为例,其阻力矩比较稳定的开度基本位于10~60o之间,而且调节效果比较明显,在这一区间调节性能也比较稳定。因此,QPⅡ系列执行机构的输出扭矩适用于调节型
蝶阀。
三、性能
   1、灵敏度高
     灵敏度是调节阀的一个重要指标,它是指阀门开度变化相对于输入控制信号变化的响应速度。该指标除了与定位器的气量处理能力是否与执行机构容积大小相配有关之外,执行机构本身的性能好坏对该指标有非常明显的影响。
    QPII系列执行机构不存在活塞与缸体之间的摩擦阻尼,而且压力腔与弹簧腔之间不存在内泄漏。气源压力稍有变化, 即可打破原有平衡,迫使执行机构有相应的位移。所以,QPⅡ系列执行机构的灵敏度高。
   2、性能好
    调节阀的重复性和滞后量是衡量调节阀性能的重要指标之一。重复性指输入控制信号从同一方向回到某一固定值时,阀门开度相对于某一固定开度的趋近程度。滞后量指输入控制信号从不同方向回到某一固定值时,阀门开度相对于某一固定开度的偏离程度。重复性好坏,滞后量大小,都与运动转换机构中存在的间隙有关。如果执行机构中存在的间隙不是足够小,即使定位器及阀门都为零间隙。在同样的输入信号控制下的阀门开度也是不稳定的。
    气动执行机构中常用的运动转换形式有拨叉式、四连杆式和齿轮齿条式(图4)。
   
    图4 气动执行机构常用的运动转换形式
    拨叉式执行机构比QPII系列执行机构多一个高副,四连杆式执行机构比QPII系列执行机构多一个低副,齿轮齿条式执行机构的齿轮齿条之间的啮合间隙比QPⅡ执行机构的转动副之间的配台间隙大。比较几种常用的转换机构,QPⅡ执行机构的转换机构中间环节最少,间隙最小。调节阀采用QPII执行机构重复性好,滞后量小。
    3、能使阀门快速脱离盲区
    由QPII系列执行机构的扭矩特性曲线可知。其扭矩在0~10o范围内,即使气源压力不变,输出扭矩却随开度增加而增加。该特性无形之中使得QPII执行机构在该开度范围内产生了一个正向增益。使得阀门能快速脱离盲区.到达可调节区段。
四、结论
    QPII系列执行机构的转换机构简单可靠,存在的间隙小,无内漏及摩擦阻尼,易损件少,是自动开关阀及高性能调节阀首选之气动执行机构。

   参考资料
   [1] 杨源泉阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社.1992. 
β λ L1/m
45o 3.93708 0.04953
K/N.m-1 △X9/m F/N
21451.7 0.11019 7154.609