阀门气动装置的设计计算
吴金龙
【摘 要】摘要：根据阀门气动装置的类型和结构特点，介绍启闭动作为转动方向90°单气缸双作用结构气动装置的工作原理和其各组成零部件的作用，详细分析单气缸双作用气动装置的使用条件、气缸中活塞的推力、执行机构中曲柄力臂的长度、阀门驱动的输出转矩、转杆扭矩、转杆直径、转杆与曲柄键联接强度校核和其他零部件等的设计计算，并对此单气缸双作用结构的阀门气动装置进行试制检验。结果表明该结构的气动装置各项技术指标均能达到阀门驱动的要求，且生产成本较低、输出扭矩较大、操作简单方便、安全可靠，是气动驱动元件的优质产品。 【期刊名称】《机电工程技术》 【年(卷),期】2019(048)011 【总页数】3
【关键词】阀门气动装置；单气缸双作用结构；推力；扭矩；键联接强度校核；设计计算
吴金龙.阀门气动装置的设计计算［J］.2019，48（11）：191-193.
0 引言
阀门气动驱动装置安全、可靠、成本低、使用维修方便，是阀门驱动机构中的一大分支，目前气动装置在具有防爆要求的场合应用较广。气动技术采用的工作压力较低，通常不大于0.82 MPa，又因结构尺寸不宜过大，因而气动装置的总推力不可能很大[1]。而要使气动装置能驱动阀门开闭，气动装置所产生的扭矩必须大于阀门总摩擦扭矩。所以，阀门要根据总摩擦扭矩选用气动装置的
大小。
1 气动装置的类型和特点
阀门气动装置按其结构特点采用气缸式气动装置，它可以将压缩空气的压力能转变为机械能，气缸的动作形式一般为往复直线运动。本气动装置的设计采用单气缸双作用的气动装置，其工作原理为气缸的活塞在正、反两个方向都靠气压推动[2]，适用于启闭转动方向为90°的阀门。气动装置的结构如图1所示，主要由执行机构壳体、气缸、活塞、后盖、转杆、曲柄、连板、O形密封圈、导向环、销轴、键、调整螺丝、双头螺栓等零件组成。阀门开启、关闭动作是由压缩空气推动气缸中的活塞转变为机械能，从而带动阀门正反方向回转90°来实现，如需开启阀门，压缩空气从后盖B进气，推动活塞向前移动，活塞通过连板带动曲柄使转杆转动（曲柄与转杆之间为键连接），而转杆转动即可带动阀门的阀杆同步逆时针方向旋转90°，使阀门处在开启状态（如图活塞为虚线所示，活塞为靠近执行机构壳体位置）；阀门需关闭时，压缩空气从执行机构壳体A进气，活塞向后移动，曲柄带动转杆顺时针方向旋转90°（如图活塞靠近后盖位置所示）[3]。阀门开闭是否到位，可以调整气动装置上的2个定位调整螺丝[4]。
考虑气动装置中各个零件之间的摩擦和润滑等因素的影响，在活塞与气缸之间加2条耐磨导向环，不仅提高气缸的导向性，而且起到了保护气缸与活塞之间的O形密封圈，减少活塞密封圈摩擦阻力和磨耗，防止气缸拉伤，提高气动装置的密封性能，避免气缸装置串气；在气动装置中活塞与连板、连板与曲柄、转杆与转杆轴套之间增设自润滑耐磨轴套，使整个转动过程摩擦系数减少，启闭灵活，从而增加气动装置的使用寿命。
2 气动装置的设计计算
2.1 气动装置的使用条件
气动装置一般正常工作的条件为气源工作压力0.4～0.6 MPa，环境温度为-35～80℃之间[2]。 2.2 气动装置活塞的推力
例如气动装置的参数：气缸内径（即活塞直径）为200 mm，活塞行程为200 mm，气源压力为0.4～0.6 MPa。活塞的推力[1]为：
式中：FT为活塞的推力；D为气缸内径或活塞直径，D=20 cm；为气缸筒或活塞的面积；PS为气源压力，按气源最小气压0.4 MPa（40 N/cm2）计算；η为考虑摩擦阻力影响引入的系数，取η=0.8。 将已知条件代入式（1），得： 2.3 气动装置曲柄力臂长度的确定
因气动装置中曲柄尺寸的大小关系到整个执行机构壳体内腔位置结构及两调整螺栓位置，避免曲柄推动运动中的死角，特别是曲柄臂长是整个运动动作的关键，如图2所示。当活塞行程S=200 mm时，曲柄偏心距离为活塞行程的一半，即A=100 mm。为考虑气缸行程、直径及成本的合理，故初选曲柄力臂长度[4]为：
Lcos45°=A，求得L=141.42 mm。 2.4 气动装置所产生的扭矩（输出转矩） 气动装置所产生的扭矩（输出转矩）[4]为：
式中：FT为活塞的推力为10 048 N；A为曲柄偏心距离为活塞行程的一半，即A=100 mm=10 cm。
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