摘要：閥門液壓執行器簡介；閥門執行器的緩沖；閥門執行器的兩種密封對比

液壓執行器簡介：

液壓執行器以高壓油為動力，具有負載能力大，調節精度高等特點。 液壓執行器結構有葉片式結構與活塞式結構。葉片式分為單葉片式與多葉片式；活塞式有細分齒輪齒條式，螺旋活塞，鏈式，曲柄連桿式，來復式執行器。本文簡要談談齒輪齒條執行器。

單缸齒輪齒條單作用式

從結構原理上，無論齒條式還是來復螺旋式，都可以確認為活塞式液壓執行器。他們都是通過活塞運動，活塞齒與齒輪軸齒嚙合，將直線運動轉化為旋轉運動。

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

左圖為雙缸式，右圖為單缸式

單缸式又細分為單作用式與雙作用式樣。見下圖。

現實生產中，我們通常簡單依據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。

實際應用稱呼與學術名稱有些混淆與拗口，在商務技術交流時需要注意，注意每個廠家樣本上稱呼。

齒條活塞直徑一般按照行業標準有優選尺寸，如下圖，

但是涉及到具體項目要求時，工程師會根據具體要求對優選缸徑之外選擇。

不同廠家樣本會根據自己產品型譜，在產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，有廠家按照產品設計序列號定義。群美機電公司是參照ISO5211-2017標準的法蘭與軸的尺寸來定義產品型譜。

無論何種定義，選取執行器的要點是結合配套閥打開與關閉需要的扭矩選取法蘭及軸規格。在正常操作條件下，執行器考慮的安全系數為30%。示例：假設閥門需要力矩=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ISO5211-2017標準，我們應該選取F14法蘭作為連接法蘭。此規格法蘭的最大允許扭矩為2000Nm.

假設傳遞扭矩按照平鍵選取，根據ISO5211-2017標準，我們需要按照法蘭規格，與軸規格交叉出參數，選取傳遞軸直徑?42。

按照群美機電的樣本選取F14D42產品規格。

在機型選定完畢后，然后根據實際應用工況確定需要的扭矩，開啟速度來計算需要的液壓系統壓力，液壓流量的匹配。

由于產品規格已經選好，實際上執行器的缸徑規格及行程已經由制造廠決定， 按照要求計算即可以設定系統壓力與流量，據此合理選取執行器的配件。

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

當然，有的廠家在樣本上根據已定的液壓電機泵直接給出每個型號的開啟時間。方法都是殊途同歸。

另外，根據閥門開啟性能要求，開關型，調節型， 比例型，緩沖型等，選取執行器相匹配的控制方式、結構等。

例如，假設需求執行器開啟或者關閉末端有緩沖功能，可以在執行器的缸蓋結構上設計相關結構來實現緩沖功能。

閥門執行器的緩沖

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。這涉及到齒條運行到目標區域附近時的控制。

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。

不斷比較設定信號與反饋實際信號的差別，就是不斷調整調節輸入，達到調整執行器的位置。其實可以這樣理解為通過電信號燈來調節液壓執行器的緩沖。這是一種從控制上實現的緩沖。

實際應用中，有些應用需求成本低，可從液壓執行器的結構上考慮實現緩沖，參考油缸緩沖設計，做緩沖結構設計。

執行器在重載的工況下,對缸頭缸尾產生較大的沖擊載荷。在缸中行程末端引入緩沖。這種內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,能實現速度的均勻減速,直至為零。目前常見的緩沖設計有:

1、恒節流型緩沖

圓柱形緩沖，原理形狀見下圖。

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

2、變節流型緩沖

變節流型，原理結構形狀見下圖

變節流其特點是在運動過程中，通過結構形狀變化改變節流面積，使緩沖壓力保持勻速或者一定規律變化。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。

各種結構的緩沖對緩沖壓力的建立影響如下圖。

這些結構需要結合實際項目參數詳細設計，實際上有點像非標產品一樣，成本優勢有待商榷。

前簡談1有提到在液壓缸蓋上通過巧妙設計結構來實現對緩沖的需求。看歐洲某公司通過在執行器缸蓋上設計特殊結構，達到緩沖目的。

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

不同需求只要更換或者通過調整彈簧壓縮量或者彈簧規格，調節零件4實現調整緩沖效果。

這個思路設計，還有行程限位結構，行程限位+緩沖結構設計。

因為液壓執行器是液壓油動力， 所以，可以借助液壓回路的設計達到緩沖的目的。一般是用廠家標準產品，通過精細計算回路數據，選擇合適液壓件組建液壓回路實現緩沖。例如下圖。

綜上， 各種方法，設計者可依據客戶及工況要求而實現。

閥門執行器的兩種密封對比

齒輪齒條液動執行器上的活塞密封是最重要的密封。今天談談最多的兩種結構。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。

對于齒條油缸運動速度，一般來講，每秒運動10毫米行程速度能滿足大多數需求。

一項有意思的研究由國內幾家密封件制造商展開，主要研究密封件應力松弛現象。應力松弛指的是產品在變形不變的情況下，應力隨時間逐漸衰弱的情況，橡膠，塑料等聚合物材料產生應力松弛現象原因是分子熱運動的結果。對于密封件來講，發生應力松弛現象導致密封件密封不良，發生泄漏，影響產品質量及設備壽命。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格的密封：

研究結果之一：

一：160℃下兩種活塞桿密封件應力松弛現象

從上圖看出，隨時間推移，不同材料，不同結構的密封件都會發生應力松弛現象。

從下圖數據分析看出， （數值為根據研究圖形估計）

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：研究結果之二

研究小組對不用溫度下的的密封件應力衰減進行研究，結果如下：

總體來看，隨著溫度升高，不同材質及結構的密封件都出現應力衰減現象。從圖形看出，隨溫度升高，U圈應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（圖中計算數值根據圖形估計），根據液壓系統常見溫度范圍40℃-80℃分析。

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

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

本文中圖片及結論來自于4家研究團隊論文編號為J.ISSN1008-0813.2020.04.006的發表文章。表格是作者根據圖形數值或預估加工而成，利于理解研究結果。

應力衰減涉及到密封圈的密封效果， 無論從初始施加的應力值， 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。

對于初始應力，U型圈應力大于方型圈應力，導致U型圈活塞摩擦力大于方型圈摩擦力。

群美機電科技公司制造的閥門液動執行器結構選用進口的U型密封結構。實際測試下來，啟動摩擦力滿足技術要求。

資料發布已獲授權

來源 ：上海群美機電科技有限公司

作者:努力活成執行器達人