气动薄膜执行机构输出力
作者：李艳荣 马兴平
气动控制阀是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是阀的推动装置，它是将气压信号转换成相应的运动，改变阀内部调节机构位置的机构。
气动执行机构通常又分为气动薄膜执行机构和气动活塞执行机构，其中气动薄膜执行机构结构简单、动作可靠，维修制造方便，通常具有弹簧复位功能，是应用最广泛的气动执行机构。气动薄膜执行机构按作用方式分为正作用执行机构（随操作压力增大，输出杆向外伸出，压力减小又自行向里退回的执行机构）、反作用执行机构（随操作压力增大，输出杆向里退回，压力减小又自行向外伸出的执行机构）。气动薄膜执行机构按弹簧数量又分为单弹簧气动薄膜执行机构和多弹簧气动薄膜执行机构。单弹簧气动薄膜执行机构结构简单，具有弹簧范围调整功能，但重量和尺寸偏大，目前仍是气动控制阀常用的气动薄膜执行机构之一，多弹簧气动薄膜执行机构（俗称：精小型气动薄膜执行机构），它具有体积小，重量轻，但弹簧范围不可调整，它也是气动控制阀常用的气动薄膜执行机构之一。具体结构见图1、2。
单弹簧气开型薄膜执行机构 单弹簧气关型薄膜执行机构
图1 单弹簧气动薄膜执行机构
多弹簧气开型薄膜执行机构 多弹簧气关型薄膜执行机构
图2 多弹簧气动薄膜执行机构
李宝华同志在《控制阀信息》第39期发表的《控制阀细节分析之一气动薄膜执行机构》一文中对多弹簧气动薄膜执行机构的结构及执行机构力的关系做了详细分析，本文不再赘述，本文针对美国Fisher公司生产的657（正作用执行机构）和667（反作用执行机构）的弹簧范围和执行机构输出力计算进行分析。
执行机构的膜片有效面积
膜片有效面积定义为：膜片受压力作用而产生有效力的当量面积，有效面积越大，当超气压或弹簧范围下限一定时出力就越大，在执行机构设计中，为了对弹簧进行准确的计算，就必须要了解膜片有效面积的大小及变化情况，影响膜片有效面积的因素很多，例如膜片的d/D(d—膜片的托盘直径；D—膜片安装法兰的圆周直径)，膜片的L/D（L—行程），膜片的几何形状，制造膜片橡胶的软硬和夹层材料等。由几何形状的关系可以得出如下关系式：A=II/12（D2+Dd+d2）
式(1)中 A—膜片有效面积
国内目前所有生产气动控制阀的生产厂家生产的气动薄膜执行机构的有效面积均是计算得出的，具体生产企业并未认真研究过膜片有效面积的变化情况，根据1966年全国联设的ZMA/B气动薄膜执行机构资料记载，有效面积变化率一般在2%～8%范围内，从该资料中得知：
1）膜片有效面积越小，变化率越大，如有效面积为200cm2时变化率为8%，有效面积为1000cm2时变化率为2%；
2）在不同的信号压力条件下，信号压力小，膜片有效面积增大；信号压力大，膜片有效面积减小。如ZMA-3气动薄膜执行机构当信号压力为20kPa时，膜片有效面积为413 cm2；当信号压力为100kPa时，膜片有效面积为390 cm2。
3）信号压力由20kPa增至60kPa时变化率大，由60kPa增至100kPa时变化率小，如ZMA-3气动薄膜执行机构当信号压力由20kPa增至60kPa时，有效面积由413 cm2减少至394 cm2，变化率为4.6%，而由60kPa增至100kPa时，有效面积由394 cm2减少至390 cm2，变化率为1%。
4）信号压力范围越大，膜片有效面积变化越小，如ZMA-3气动薄膜执行机构当信号压力为20～100kPa时膜片有效面积由413 cm2减少至390 cm2，变化率为5.6%，当信号压力为40～200kPa时膜片有效面积由403 cm2减少至387 cm2，变化率为4%。
5)膜片在相同厚度条件下，橡胶硬度越低，有效面积变化越小，如ZMA-2气动薄膜执行机构当薄膜硬度为邵氏硬度75时，行程由0%～100%膜片有效面积变化由295 cm2减少至270 cm2，变化率为9.3%；当薄膜硬度为邵氏硬度60时，行程由0%～100%膜片有效面积变化由291 cm2减少至273 cm2，变化率为6.2%。
各控制阀生产企业均应按膜片有效面积变化的中值制定膜片有效面积，在设计弹簧过程中才能保证计算数据与实验数据基本一致。
根据式(1) A=II/12（D2+Dd+d2）可以看出，我们希望一个气动薄膜执行机构的膜片有效面积越大越好，如果增加D必然带来体积的增大，那么关键是如何增大d,如果增加d就增加了上下膜盖冲压工艺和橡胶膜片制造工艺的难度，欧美先进国家的工艺水平高，配套能力强，并将橡胶膜片的硬度适当降低，使得他们生产的气动薄膜执行机构在相同外型的尺寸条件下，膜片有效面积比我们的产品大一些，膜片有效面积的变化率也小一些，下表一为美国Fisher公司生产的657、667系列与原国内联设产品膜片有效面积对比表。
表一 膜片有效面积对比表
由上表可以看出美国Fisher公司产品比原全国联设产品的膜片有效面积与上下膜盖直径的比值要大的多，就是说如在相同上下膜盖直径条件下，美国Fisher公司生产的气动薄膜执行机构的膜片有效面积比全国联设的气动薄膜执行机构大的多，在相同的弹簧范围或相同的超气压条件下，具有较大的输出力。
本人已对SAMSON、ARCA、MOTOYAMA、CV3000系列和国内精小型系列气动薄膜执行机构的膜片有效面积和上下膜盖直径的关系进行了分析，SAMSON、ARCA、MOTOYAMA三家的产品基本相同，膜片有效面积与上下膜盖直径的比值均大于CV3000系列和国内精小型系列。
正作用式气动薄膜执行机构输出力计算
气动薄膜执行机构由于装有弹簧，当膜片气室通入气源压力产生的力，部分被弹簧反作用力抵消，只有当气动薄膜执行机构所配的阀门完全关闭，气动薄膜执行机构停止动作，此时膜片气室通入的气源压力减去此行程下对应的弹簧范围上限值，再乘以膜片有效面积才是正作用式气动薄膜执行机构输出力。
即：F正=A(P操-Pr上)/10
式中 F正—正作用薄膜执行机构输出力 N
P操—通入到膜片气室中的操作压力 kPa
Pr上—弹簧范围上限压力 kPa
一个气动薄膜执行机构我们希望它体积越小、出力越大越好，当膜片有效面积确定之后，想要提高正作用式气动薄膜执行机构输出力最有效办法是提高操作压力（在气动薄膜执行机构综合强度允许条件下）或者降低弹簧范围上限压力。如657-45气动薄膜执行机构有效面积为667cm2，当操作压力为350kPa,弹簧范围上限值为48kPa时，输出力可达F正=667（350-48）/10=20445N
反作用式气动薄膜执行机构输出力计算
反作用式气动薄膜执行机构输出力与通入膜片气室中的操作压力无关，完全取决与弹簧范围的下限压力（弹簧的启动压力）即
F反=A·pr下/10
式中 Pr下—弹簧范围下限压力 kPa
当膜片有效面积确定之后，想要提高反作用式气动薄膜执行机构输出力，只能调整弹簧范围下限值，如667-45气动薄膜执行机构有效面积为667cm2，当弹簧范围下限值调整至152kPa时，输出力可达F反=667×152/10=10138N
参照美国Fisher公司标准可以看出，每种膜片有效面积都有多种弹簧范围可供选用，正作用式657型气动薄膜执行机构采用弹簧范围3～7psig，当气源压力最高为350kPa时，反作用式667型气动薄膜执行机构采用弹簧范围22～30psig时输出力达到最大值。
注：657气动薄膜执行机构最大输出力是按当气源压力为350kPa时，30、40、45系列执行机构采用3～7psig弹簧范围，60系列执行机构采用3～9psig弹簧范围，70系列执行机构采用3～15psig弹簧范围计算得出的。
16～30psig；40系列执行机构弹簧范围18～30psig；45系列执行机构弹
簧范围22～30psig；60系列执行机构弹簧范围17～30psig；70系列执行
机构弹簧范围14～30psig计算得出的。
美国Fisher公司生产的657/667-30～70气动薄膜执行机构按照不同的膜片有效面积、不同行程、不同的弹簧范围排列组合计算共有 333 种弹簧范围可供选择，但弹簧总共只有 55 种，这么多种弹簧范围全部是通过调整得到的。Fisher公司生产的正作用式气动薄膜执行机构，输出力可由614N至34993N之间选取，合计共有 188 种不同输出力，反作用式气动薄膜执行机构输出力可由614N至13701N之间选取，合计共有145种不同输出力。以上的设计思路可供国内生产控制阀企业参考和使用。
