摘要：閥門液壓執(zhí)行器簡介；閥門執(zhí)行器的緩沖；閥門執(zhí)行器的兩種密封對比

液壓執(zhí)行器簡介：

液壓執(zhí)行器以高壓油為動力，具有負(fù)載能力大，調(diào)節(jié)精度高等特點。 液壓執(zhí)行器結(jié)構(gòu)有葉片式結(jié)構(gòu)與活塞式結(jié)構(gòu)。葉片式分為單葉片式與多葉片式；活塞式有細(xì)分齒輪齒條式，螺旋活塞，鏈?zhǔn)?，曲柄連桿式，來復(fù)式執(zhí)行器。本文簡要談?wù)匌X輪齒條執(zhí)行器。

單缸齒輪齒條單作用式

從結(jié)構(gòu)原理上，無論齒條式還是來復(fù)螺旋式，都可以確認(rèn)為活塞式液壓執(zhí)行器。他們都是通過活塞運(yùn)動，活塞齒與齒輪軸齒嚙合，將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

齒輪齒條分為單缸式，雙缸式。單缸式就是一個齒條活塞結(jié)構(gòu)，雙缸式就是以齒輪軸為中心對稱兩個齒條活塞結(jié)構(gòu)。

左圖為雙缸式，右圖為單缸式

單缸式又細(xì)分為單作用式與雙作用式樣。見下圖。

現(xiàn)實生產(chǎn)中，我們通常簡單依據(jù)液壓活塞是否受力來稱呼。如果齒條活塞的移動兩端都是依靠液壓力來推動，我們稱呼為單齒條（缸）雙作用，如果只是一端受力移動，回程依靠外力，例如彈簧回位等，我們稱之為單齒條（缸）單作用。如下圖所示。

實際應(yīng)用稱呼與學(xué)術(shù)名稱有些混淆與拗口，在商務(wù)技術(shù)交流時需要注意，注意每個廠家樣本上稱呼。

齒條活塞直徑一般按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有優(yōu)選尺寸，如下圖，

但是涉及到具體項目要求時，工程師會根據(jù)具體要求對優(yōu)選缸徑之外選擇。

不同廠家樣本會根據(jù)自己產(chǎn)品型譜，在產(chǎn)品型號上有不同定義，有廠家按照缸徑定義，有廠家按照輸出扭矩定義，有廠家按照產(chǎn)品設(shè)計序列號定義。群美機(jī)電公司是參照ISO5211-2017標(biāo)準(zhǔn)的法蘭與軸的尺寸來定義產(chǎn)品型譜。

無論何種定義，選取執(zhí)行器的要點是結(jié)合配套閥打開與關(guān)閉需要的扭矩選取法蘭及軸規(guī)格。在正常操作條件下，執(zhí)行器考慮的安全系數(shù)為30%。示例：假設(shè)閥門需要力矩=1000Nm，則安全力矩=1000×（1+30%）=1300Nm。

與此同時，我們需要注意選擇連接法蘭問題。根據(jù)ISO5211-2017標(biāo)準(zhǔn)，我們應(yīng)該選取F14法蘭作為連接法蘭。此規(guī)格法蘭的最大允許扭矩為2000Nm.

假設(shè)傳遞扭矩按照平鍵選取，根據(jù)ISO5211-2017標(biāo)準(zhǔn)，我們需要按照法蘭規(guī)格，與軸規(guī)格交叉出參數(shù)，選取傳遞軸直徑?42。

按照群美機(jī)電的樣本選取F14D42產(chǎn)品規(guī)格。

在機(jī)型選定完畢后，然后根據(jù)實際應(yīng)用工況確定需要的扭矩，開啟速度來計算需要的液壓系統(tǒng)壓力，液壓流量的匹配。

由于產(chǎn)品規(guī)格已經(jīng)選好，實際上執(zhí)行器的缸徑規(guī)格及行程已經(jīng)由制造廠決定， 按照要求計算即可以設(shè)定系統(tǒng)壓力與流量，據(jù)此合理選取執(zhí)行器的配件。

按照F14D42型號，查樣本全行程流量為274毫升，假設(shè)閥門需要開啟時間為12秒。計算(274/12)*60=1370毫升/分鐘。據(jù)此流量根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速選取合適匹配液壓泵。

當(dāng)然，有的廠家在樣本上根據(jù)已定的液壓電機(jī)泵直接給出每個型號的開啟時間。方法都是殊途同歸。

另外，根據(jù)閥門開啟性能要求，開關(guān)型，調(diào)節(jié)型， 比例型，緩沖型等，選取執(zhí)行器相匹配的控制方式、結(jié)構(gòu)等。

例如，假設(shè)需求執(zhí)行器開啟或者關(guān)閉末端有緩沖功能，可以在執(zhí)行器的缸蓋結(jié)構(gòu)上設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)緩沖功能。

閥門執(zhí)行器的緩沖

越來越多的自動化控制要求閥門精確打開或者定位，這樣一來要求閥門執(zhí)行器精確定位及控制閥門速度和位置的場合越來越多。這涉及到齒條運(yùn)行到目標(biāo)區(qū)域附近時的控制。

一種方式是采用PLC編程或者專用控制器編程，結(jié)合各類傳感器，例如壓力傳感器，位置傳感器，角度傳感器等單獨或者綜合提供的反饋信號與需求信號之間誤差糾正。

不斷比較設(shè)定信號與反饋實際信號的差別，就是不斷調(diào)整調(diào)節(jié)輸入，達(dá)到調(diào)整執(zhí)行器的位置。其實可以這樣理解為通過電信號燈來調(diào)節(jié)液壓執(zhí)行器的緩沖。這是一種從控制上實現(xiàn)的緩沖。

實際應(yīng)用中，有些應(yīng)用需求成本低，可從液壓執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)上考慮實現(xiàn)緩沖，參考油缸緩沖設(shè)計，做緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計。

執(zhí)行器在重載的工況下,對缸頭缸尾產(chǎn)生較大的沖擊載荷。在缸中行程末端引入緩沖。這種內(nèi)裝的緩沖裝置的目的是將加速度的突然變化所造成的減速力和尖峰液壓壓力減至最小。理想的緩沖裝置在在減速期間建立起恒定壓力,能實現(xiàn)速度的均勻減速,直至為零。目前常見的緩沖設(shè)計有:

1、恒節(jié)流型緩沖

圓柱形緩沖，原理形狀見下圖。

其特點是開始緩沖開始產(chǎn)生很高的壓力尖峰,然后隨著行程的繼續(xù)逐漸降低,同時油液經(jīng)固定的環(huán)形縫隙節(jié)流。由于尖峰壓力高,產(chǎn)生很高的沖擊值,造成機(jī)器振動、噪聲和磨損,緩沖效果差。其緩沖性能曲線見下面對比圖。

2、變節(jié)流型緩沖

變節(jié)流型，原理結(jié)構(gòu)形狀見下圖

變節(jié)流其特點是在運(yùn)動過程中，通過結(jié)構(gòu)形狀變化改變節(jié)流面積，使緩沖壓力保持勻速或者一定規(guī)律變化。它比圓柱緩沖造成的初始沖擊低,但往往壓力建立遲緩， 有時候造成緩沖不足。

各種結(jié)構(gòu)的緩沖對緩沖壓力的建立影響如下圖。

這些結(jié)構(gòu)需要結(jié)合實際項目參數(shù)詳細(xì)設(shè)計，實際上有點像非標(biāo)產(chǎn)品一樣，成本優(yōu)勢有待商榷。

前簡談1有提到在液壓缸蓋上通過巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對緩沖的需求?？礆W洲某公司通過在執(zhí)行器缸蓋上設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)，達(dá)到緩沖目的。

當(dāng)齒輪齒條運(yùn)動接觸到右邊1零件時，通過1零件運(yùn)動壓縮彈簧2，彈簧開始起到制動緩沖作用，與此同時零件4也會節(jié)流作用。類似恒節(jié)流圖中零件4作用。

不同需求只要更換或者通過調(diào)整彈簧壓縮量或者彈簧規(guī)格，調(diào)節(jié)零件4實現(xiàn)調(diào)整緩沖效果。

這個思路設(shè)計，還有行程限位結(jié)構(gòu)，行程限位+緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計。

因為液壓執(zhí)行器是液壓油動力， 所以，可以借助液壓回路的設(shè)計達(dá)到緩沖的目的。一般是用廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，通過精細(xì)計算回路數(shù)據(jù)，選擇合適液壓件組建液壓回路實現(xiàn)緩沖。例如下圖。

綜上， 各種方法，設(shè)計者可依據(jù)客戶及工況要求而實現(xiàn)。

閥門執(zhí)行器的兩種密封對比

齒輪齒條液動執(zhí)行器上的活塞密封是最重要的密封。今天談?wù)勛疃嗟膬煞N結(jié)構(gòu)。U型（Y型）與方形（格萊圈型）。

U型密封一般是聚氨酯材料+丁晴橡膠組合，方形密封一般材料是PTFE+青銅粉與丁腈橡膠組合。

對于齒條油缸運(yùn)動速度，一般來講，每秒運(yùn)動10毫米行程速度能滿足大多數(shù)需求。

一項有意思的研究由國內(nèi)幾家密封件制造商展開，主要研究密封件應(yīng)力松弛現(xiàn)象。應(yīng)力松弛指的是產(chǎn)品在變形不變的情況下，應(yīng)力隨時間逐漸衰弱的情況，橡膠，塑料等聚合物材料產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象原因是分子熱運(yùn)動的結(jié)果。對于密封件來講，發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象導(dǎo)致密封件密封不良，發(fā)生泄漏，影響產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備壽命。他們的研究是用活塞桿密封來研究，主要是用活塞桿密封利于測量，雖然有別于活塞密封，但是研究的失效分析及結(jié)果對活塞密封同樣有參考意義。

下圖為研究的兩組同一活塞桿尺寸規(guī)格的密封：

研究結(jié)果之一：

一：160℃下兩種活塞桿密封件應(yīng)力松弛現(xiàn)象

從上圖看出，隨時間推移，不同材料，不同結(jié)構(gòu)的密封件都會發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

從下圖數(shù)據(jù)分析看出， （數(shù)值為根據(jù)研究圖形估計）

總體來看，U型圈衰減速率比較均勻，方型圈衰減速率開始較大，后面較小。

二：研究結(jié)果之二

研究小組對不用溫度下的的密封件應(yīng)力衰減進(jìn)行研究，結(jié)果如下：

總體來看，隨著溫度升高，不同材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的密封件都出現(xiàn)應(yīng)力衰減現(xiàn)象。從圖形看出，隨溫度升高，U圈應(yīng)力衰減速率逐漸減小，而方形圈衰減速率變大。U型圈衰減速率比較均勻，方型圈衰減速率開始較大，后面較小。

我們分析如下（圖中計算數(shù)值根據(jù)圖形估計），根據(jù)液壓系統(tǒng)常見溫度范圍40℃-80℃分析。

根據(jù)曲線計算出，U型圈在液壓系統(tǒng)常見溫度下，其平均衰減速率比方型圈衰減速率小。

另外從研究團(tuán)隊的兩個曲線值都看出，U型圈施加對桿的初始應(yīng)力都比方型圈的應(yīng)力大。

本文中圖片及結(jié)論來自于4家研究團(tuán)隊論文編號為J.ISSN1008-0813.2020.04.006的發(fā)表文章。表格是作者根據(jù)圖形數(shù)值或預(yù)估加工而成，利于理解研究結(jié)果。

應(yīng)力衰減涉及到密封圈的密封效果， 無論從初始施加的應(yīng)力值， 隨時間衰減的速率，隨溫度上升衰減的速率來看。U型圈在一定程度上密封效果要優(yōu)于方形圈。

同時，U型圈對于殼體活塞孔加工要求相對與方型圈要求弱低一些。

對于初始應(yīng)力，U型圈應(yīng)力大于方型圈應(yīng)力，導(dǎo)致U型圈活塞摩擦力大于方型圈摩擦力。

群美機(jī)電科技公司制造的閥門液動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)選用進(jìn)口的U型密封結(jié)構(gòu)。實際測試下來，啟動摩擦力滿足技術(shù)要求。

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來源 ：上海群美機(jī)電科技有限公司

作者:努力活成執(zhí)行器達(dá)人