摘 要：介绍了气动执行机构分段节流缓冲结构和限流缓冲结构的工作原理及特点，论述了气动零部件的设计方法，分析了性能试验结果。

关键字：通风蝶阀 气动执行机构 分段节流 限流缓冲

1 概述

气动通风蝶阀是空调通风系统重要的控制部件，阀门在开关过程中，因冲击引起的振动较大，噪声较高。为降低系统管路冲击振动和环境噪声，设计了一种具有缓冲性能的气动执行机构，提高了通风蝶阀的使用寿命，降低了对系统管路的冲击振动及噪声。

2 工作原理

气动执行机构主要由缸筒、活塞（齿条）、齿轮轴、端盖、四合环和限流缓冲阀等组成（图1）。气动执行机构的动作通过三位四通电磁阀控制。当需要关闭蝶阀时，气动执行机构中间腔进入控制气压，推动活塞向两端运动，通过齿条、齿轮传动机构将活塞的直线运动转化为齿轮轴的旋转运动，齿轮轴带动蝶阀阀轴关闭蝶阀。当需要开启蝶阀时，气动执行机构两端腔进入控制气压，推动活塞向中间运动，齿轮轴反向旋转，蝶阀开启。

蝶阀在开启和关闭阶段所需转矩较大，在开启动作完成后和关闭瞬间产生的冲击力较大。为减小蝶阀动作噪声及启闭冲击对蝶阀寿命的影响，同时满足蝶阀启闭转矩的需要，增加了关阀缓冲的分段节流结构和开阀单向限流缓冲装置。

1.调节螺钉2.四合环3.端盖4.缸筒

5.活塞（齿条）6.齿轮轴7.密封圈限流缓冲阀

图1 气动执行机构

2.1 关阀缓冲结构

关阀初始阶段（图2a）气源通过活塞（齿条）的环槽进入内腔，蝶阀很快启动。关阀运行阶段（图2b），进气孔被活塞柱面遮挡，气源被节流减压后进入内腔，蝶阀关闭速度减慢。蝶阀接近关闭阶段（图2c），气源通过第二道环槽进入内腔，节流被解除，气缸的关闭转矩恢复最大值，蝶阀关闭。由于在蝶阀关闭的中间过程转动变慢，惯性冲击力减小，关阀过程对阀座的冲击和噪声得到了有效控制。

（a）初始阶段（b）运行阶段（c）关闭阶段

图2 关阀分段节流缓冲状态

关阀缓冲结构的关健是控制活塞的节流位置，经过计算和验证，应在蝶阀关闭位置达到20°角时，解除节流，恢复正常流量，否则会出现蝶阀关闭不严或不能达到降低噪声和减小冲击振动的目的。

2.2 开阀缓冲结构

开阀缓冲装置是通过控制活塞两端进气流量控制气缸开启速度，使蝶阀的蝶板开启处在低压状态下（气动执行机构规定的最小工作压力）。在开阀初始阶段（图3a），气源压力经电磁阀进入缓冲装置，气压从装置的节流阀芯周边孔隙进入气缸活塞两端，推动活塞齿条机构作旋转动作，此时气压未被节流，可以保证气动执行机构输出转矩驱动蝶阀开启。当气源压力增加时，推动节流阀芯克服缓冲弹簧力趋于关闭阀座，流量减小，活塞运动速度降低，气缸齿轮轴的转动速度减慢，减小了开阀冲击噪声，当气源压力达到最大工作压力，节流阀芯完全关闭（图3b），通过节流孔输出压力，此时进气流量达到最小，活塞内腔充气时间增加，降低了活塞运动速度，降低了蝶阀的开启速度，降低开启的冲击振动和噪声。

（a）开阀初始阶段，节流阀开启（b）气流速度加快后，节流阀关闭

图3 限流缓冲装置

限流缓冲装置可确保气源压力在最高工作压力时和最小工作压力时，活塞运动速度基本保持一致，确保了蝶阀的开启速度，降低了开启时对系统管路的冲击振动和噪声。

开启缓冲结构设计关键是缓冲弹簧刚度确定，气流流量与弹簧位移成线性关系，初始预紧力应克服气源最小工作时对节流阀芯的作用，保证最大流量，在气源最大工作压力时，节流阀芯关闭，保证最小流量。

3 设计计算

以DN400通风蝶阀为例，其最大启闭转矩为200N·m，为保证气动通风蝶阀动作的可靠性，气动执行机构的输出转矩按1.3倍的设计余量计算，气动执行机构的输出转矩应＞260N·m。

3.1 缸筒内径

    （1）

    （2）

式中 D———气缸内径，mm

P———最小气源压力（P=0.8），MPa

η———活塞机械效率（取η=0.9）

F———活塞的推力（F=5473.7N），N

MF———气缸输出转矩（MF=260），N·m

ηcl———齿轮与齿条机械效率（ηcl=0.95

R———齿轮轴分度圆半径（设R=0.025），m

气动执行机构缸筒的计算内径为D=98mm，按标准系列D=100mm，气缸齿轮轴齿轮模数选择m=2，鉴于本气动执行机构为双齿条结构，为保证装配性能，齿轮轴齿数应为偶数。

    （3）

式中 Z———齿数

d———分度圆直径（计算假定d=50），mm

m———模数（m=2）

Z=25，实际选取齿数为偶数，取Z=26，根据式（3），则分度圆直径d=52mm。气动执行机构的输出转矩根据式（1）和式（2），按气源压力0.8MPa计算，MF=279N·m，大于蝶阀启闭必须力矩，满足要求。

3.2 缸筒壁厚

缸筒最小壁厚δ为

    （4）

式中   R'———筒体内径（R'=50），mm

Pn———气缸最大工作压力（Pn=4.0），MPa

Sm———材料的基本许用应力强度值（Sm=105），MPa

C———腐蚀余量（C=4），mm

由于气动执行机构采用四合环连接结构，同时考虑气源通道内置于缸筒壁，取缸筒壁厚δ=10mm，其强度满足要求。

4 试验

为检验气动执行机构输出转矩、缓冲性能是否满足设计要求，使被控蝶阀的动作性能、密封性能、动作噪声、动作寿命等指标达到要求，将执行机构与DN400通径的蝶阀装配后进行了各项性能检测。

4.1 动作性能试验

动作性能试验是检测气动执行机构的输出转矩和缓冲结构的作用是否达到设计要求。

动执行机构在气源压力分别为1.0MPa和2.0MPa条件下进行了整机动作性能试验。在试验过程中，明显可见蝶阀的蝶板动作速度在缓冲的各阶段变化，关闭和开启噪声远低于原蝶阀，采用噪声测量装置测量，在气动执行机构控制压力2.0MPa时噪声为75dB，低于系统对噪声要求。

4.2 阀座密封性能试验

阀座密封性能试验是检测在控制系统压力最低（1.0MPa）时气动执行机构的转矩是否能将蝶阀的蝶板关闭到位，使蝶阀阀座满足在0.12MPa的气压下密封性要求。阀座密封性试验是在控制系统压力1.0MPa、蝶阀阀座试验压力为0.12MPa的条件下进行的，关闭后经10min的保压检测，阀座无任何泄漏。为检验气动执行机构的设计余量，降低控制系统气源压力至0.8MPa，首先进行几次动作试验，开关均满足要求，检测阀座密封性无任何泄漏。

4.3 动作寿命试验

动作寿命试验是检测气动执行机构的缓冲结构是否减小了对阀座的冲击，使蝶阀的动作寿命明显提高，同时也检测气动执行机构的动作寿命是否满足要求。蝶阀动作寿命试验是在气动执行机构气源压力为2.0MPa的条件下进行的，共动作2200次，寿命试验完成后对整机性能进行了检验，均满足设计要求。

4.4 拆检

动作寿命试验结束后对气动执行机构进行了拆检，缸筒内壁、活塞表面、齿条齿轮啮合面均无明显磨损和擦伤。

5 结语

气动执行机构已经过试验验证，其输出转矩、动作寿命等性能指标完全达到设计要求，并有较大的设计冗余。执行机构的缓冲结构使蝶阀的冲击噪声大幅度下降，同时，减小了开关阀过程对阀座及阀轴的冲击，提高了蝶阀整机的动作寿命。