调节型气动活塞式执行机构的结构设计研究

调节型气动活塞式执行机构的结构设计研究

姜国微

无锡福斯拓科科技有限公司

摘要：调节型气动活塞式执行机构在故障发生时具有安全复位的作用，该机构具有关闭速度快，适应性强的重要应用价值，通常气动活塞式结构设计在调节型阀门装置中运用最多。伴随科技的发展与应用，自控装置与控制阀门类装置的发展趋势不断朝向高压力与大口径方面前行，这就对调节型气动活塞式执行机构输出压力提出较高要求。由于普通薄膜式气动执行机构现已满足不了科技发展与装置应用的要求，所以文章就调节型气动活塞式执行机构的结构设计实施全面分析，以期满足调节型执行机构的对气动活塞式结构应用要求。

关键词：调节型气动活塞；执行机构；结构设计；工作原理；应用

气动活塞式执行机构较为常见，它是由弹簧、活塞、气缸等部件构成。它主要利用气源把气体输送到气缸中，促使活塞向前运动，进而实现工作任务。同时，调节型气动活塞式执行机构具有安全性高、结构简单、适应性强等优势，该执行机构适用于建筑也与化工业等多行业发展。为了促使调节型气动活塞式执行机构全面发挥重要作用，本文将从其工作原理方面着手分析活塞式执行机构的结构设计。

一、调节型气动活塞式执行机构的工作原理

调节型气动活塞式执行机构主要是通过气源接口，把气体输送到压力控制器中。之后，压力控制器把控制信号输送到气源接口。利用气源接口把气体输送至气动活塞执行机构的内部。在执行机构内部，以气压方式推出活塞，而后在导向机构作用下形成线性活动[1]。另外，其密封机构的气密性很强，可以避免气体外泄。在该操作流程中，活塞在运动状况下，会促使机械元件实施相应运动，进而实现机械运动的转换。

换言之，调节型气动活塞式执行机构在工作过程中，得益于两个通气孔，一个是气开孔，一个是气关孔[2]。同时，两通气孔之间利用气动活塞向两端运动，再由曲柄带动着轴转动，促使阀门自动启闭，进而对流质流量加以控制。

二、调节型气动活塞式执行机构的结构分析

调节型气动活塞式执行机构的是气缸、曲柄、圆柱销、轴、活塞等部件构成，如图一所示。调节阀气缸活塞执行机构在生产制作过程中，存在磨损大的弊端。其应用优势在于体积小、安全性高、适应性强。

（一）活塞

活塞是调节型气动活塞执行机构的核心部件，活塞可为机械运动起到传输气压信号的重要作用。其中活塞可分为两种，（即双向、单项活塞。双向活塞能够在两个方向上做功，而单向活塞仅可以在一个方向上做功）。

（二）气缸

气缸在气动执行机构中充当主体结构，一般多以圆柱形结构为主，气缸在制作过程中，一般以铸铁、铝合金、不锈钢为主。气缸内部是由密封件与活塞构成。

（三）辅助部件

调节型气动执行机构的辅助部件有配管、支架、插头及防尘罩等。辅助部件能保证执行机构具有操作的便利性及安全性。

（四）密封性

在调节型气动活塞式执行机构中，密封件是执行机构中必不可少的构件，它主要对压力起到密封作用。另外，既能够有效防止外泄，也能降低摩擦效用，气缸实际运行中，密封件能确保活塞具有较高的密闭性及较小的摩擦力。

（五）执行机构作动件

在调节型气动活塞式执行机构运行中，执行机构作动件发挥重要作用，执行机构作动件可以直接执行气动机构的工作任务[3]。一般状况下，执行机构作动件主要与活塞及执行的零部件相连接，其中涉及连杆、销轴、扭簧等。

图一：调节阀气缸活塞执行机构图

三、气缸活塞执行机构的自调结构设计分析

为了确保过约束机构可以顺利完成工作任务，可允许运动副具有微小的形位误差。所以，在实际执行机构设计中，需要此类形位误差做出标准限制。鉴于设计精度随着科技发展不断提升，进而加大制造成本与难度，同时也给装配拆卸工作增加一定难度。这样一来，不仅降低了装配工作效率，还影响自动快捷装配[4]。过约束障碍与超静定性质，会使运动副元素与构件在动作实施阶段出现强制变形状况，进而加大运动副中的作用力，加快摩擦速度，进行制约着机械工作的精准度、安全性、可靠性及工作效率，并且在一定程度下既会影响机械设备使用寿命，也会降低其适应能力[5]。所以，在调节型气动活塞式执行机构运行中，需要尽量消除机构中的过约束。尽可能减少因运动副形位误差带来的不良影响，控制机构对引起不同误差因素造成的敏感度。另外，为了降低执行机构中的过约束，可通过加大运动中自由度的办法，或是凭借降低运动副级别的办法方法，制约过约束障碍。

图二：调节型气动活塞执行机构图

由于原气缸活塞执行机构中两圆柱销与活塞间的部件为V级转动副，进而组成了重复运动副，进而使调节型气动活塞式执行机构存在诸多过约束，进而在机构工作中使运动副因形位误差而影响其敏感度，故此需要通过降低运动副级数办法，将运动副B与B‘由原有的V级运动副转变I级运动副，以此解决因重复运动副带来的过约束问题[6]。另外，由于曲柄是利用气缸与输出轴进行联结的，所以执行机构在开启运行模式时，需要思考输出轴运动的安稳性与平面运动特性，故此运动副C与C'为V级转动副

[7]。通过自调结构设计与试验证明，调节型气缸活塞式执行机构中过约束障碍有所下降。

四、未来调节型气动活塞式执行机构的应用分析

（一）在工业领域的运用

按照供热系统的运行管理规定，需要通过气动活塞式执行机构处理热网水力失调问题，这样能够最大化节能降耗问题。

（二）在燃气领域的运用

针对燃气热水器调节阀执行机构的结构设计工作，在实际制造与运用中碰到很多困惑，而采用气动活塞式执行机构的结构设计，能有效解决在实际制造与运用中的不足。该执行机构的运用，既实现了一阀门多用，也做到了使用功能与经济收益成正比发展的局面。

（三）在冶金领域的运用

温差气动活塞式执行机构在攀钢高炉铸铁冷却壁系统试验成功后，被广泛运用在攀钢高炉铜冷却壁系统中，不但实现了铜冷却壁冷却水量有效调节，还最大化保护了冷却壁，提升冷却水冷却能力的运用率。由此可知，温差气动活塞式执行机构在高炉铜冷却壁运行正常，现已取得最佳应用效果。

（四）在石化领域的运用

在石化生产作业中，调节性气动活塞是自控系统中自主执定生产作业的主要构件，它适用于乙烯、聚丙烯、化纤、合成氨及炼油等装置中。

（五）在电力领域的运用

电站调节系统主要分布在辅机、锅炉及汽轮机中。针对具有中温中压蒸汽参数的发电机组而言，通常运用少量国产常规调节阀，针对大荣容量或是高参数火电机组，如果机组容量变大，那么参数就会越高，当达到100 MW以上时，需要使用引进调节阀[8]。另外，火电站热控技术的运用，需要以机组安全及经济运行为核心目标，而多样化的调节型气动活塞式调节阀可保障其设备安全运行。

结束语：

调节型气动活塞式执行机构在我国各个领域取得广泛运用，经过对连接件、密封件、气缸、活塞等构件的了解与分析，有助于有关操作者对调节型气动活塞式执行机构的结构与工作原理有深层次的掌握。在具体运用中，为了确保执行机构运行安稳性与效率性，需要结合有关操作、技术应用手法、装置规范及标准，对调节型气动活塞式执行机构实施科学安装、维修及养护，进而提高机械工作效率，确保机械使用寿命。

参考文献：

[1] 梁赞,朱炎,李光辉,等. 着陆架展开自缓冲气动作动器设计与研究[J]. 导弹与航天运载技术,2022(3):123-128.

[2] 王高升,朱进科,向天赏,等. 基于智能制造技术的活塞工艺设计与制造[J]. 湖南工程学院学报（自然科学版）,2023.33(4):29-37.

[3] 蔡孟珂,孙健华,冒爱琴. 低速高扭矩活塞式气动马达结构改进设计[J]. 轻工科技,2019(5):63-65,68.

[4] 刘智键. 高压气动减压阀在液压系统中的特性研究[J]. 液压与气动,2023.47(10):23-30.

[5] 郭静,王建民,张忠,等. 基于修正活塞理论的壁板非线性热气动弹性分析[J]. 强度与环境,2022.49(5):145-150.