气动执行器工作原理
气动执行器根据齿条活塞的行程驱动方式不同分为单向作用(SA)和双向作用(DA)两种结构。
2.1 单向作用执行器(SA)
此类型执行器结构见图2,两个齿条活塞将整个箱体内侧分成三个腔体。向中间的腔体3中充气,活塞向两端移动,齿条带动齿轴旋转,打开阀门,通常齿轴旋转90°;反之,当活塞复位时,是靠两端腔体1和腔体2中的弹簧恢复力,行程也是使齿轴旋转90°。
图2 单向作用执行器(SA)
2.2 双向作用执行器(DA)
此类型执行器结构见图3,两个齿条活塞将整个箱体内侧分成三个腔体。向中间的腔体3中充气,活塞向两端移动,齿条带动齿轴旋转,打开阀门,通常齿轴旋转90°;当活塞复位时,向两端的腔体1和2充气,行程也是使齿轴旋转90°。
图3 双向作用执行器(DA)
因为双向作用执行器完全是靠气体来进行工作,通气时会产生瞬间的冲击,主要集中在齿条上,齿条第一个或第二个齿是最容易折断的,而且该类型执行器的危险性也最高,因为驱动全靠气动,若箱体或端盖强度低,还会产生爆炸,故本文的研究以DA类型为主,展开研究和设计。
3 DA执行器模型建立
本文中DA执行器模型建立应用SolidedgeST3软件。
3.1 DA执行器模型结构图
该项目中各类型执行机构均采用系列化设计,接口尺寸完全依据ISO5211-2001标准。本文以其中某一型号举例说明。具体内部结构见图4所示。
图4 DA结构爆炸图
3.2 核心零部件及其材料
该执行器核心部件分别是外部的箱体和端盖,以及内部齿轴和齿条活塞,零件材料和屈服强度见表1,模型参见图5。
表1 零件材料和屈服强度
图5 箱体、端盖、齿轴和齿条活塞模型
4 组成零件的分析校核
根据相关压力容器标准和公司标准要求,使用ANSYS进行核心部件的有限元分析。另外用于连接箱体和端盖的紧固件也是需要进行校核的。
4.1 ANSYS有限元分析(FEA)
箱体的分析结果见图6,最大应力和测试压力及其安全系数见表2。
图6 箱体FEA分析结果
表2 箱体测试压力及安全系数
端盖的分析结果见图7,最大应力和测试压力及其安全系数见表3。
表3 端盖测试压力及安全系数
从表2和表3的结果可以得出,在压力42.9Bar时,箱体和端盖的安全系数分别是2.0和1.9,但执行机构在实际应用中的最大压力只是介于5Bar和8Bar之间,故箱体和端盖强度设计满足要求。
图7 端盖FEA分析结果
齿轴和齿条活塞可以作为一个整体进行FEA分析,其结果参见图8,危险区最大应力和测试压力(工作最大压力8Bar)及其安全系数见表4。
图8 齿轴和齿条活塞FEA分析结果
从表4的结果得出,在最大工作压力8Bar时,齿轴安全系数是1.8,齿条活塞的安全系数也在1.7左右,故齿轴和齿条活塞的强度设计满足要求。
表4 齿轴和齿条活塞测试压力及安全系数
4.2 其它的计算与校核
整个执行器的计算包含很多方面,除了核心的零件需要进行FEA的校核外,紧固件和密封件也需要计算。这里以端盖与箱体的连接螺栓为例,见图9所示。
图9 端盖与箱体的连接螺栓
表5中,在工作压力12Bar时,针对端盖与箱体的连接螺栓(采用碳钢8.8级)做了计算与选用,螺栓安全系数均不小于1.5,满足设计要求。
表5 端盖和箱体连接螺栓选用及安全系数
密封件的计算也是为保证压力容器安全性和可靠性,此类型执行机构中,用到的密封件是O型圈,以端盖和箱体间的O型圈为例,见图10所示。压缩率13.75%,满足压缩率设计要求9%~20%,校核计算见表6。
图10 端盖与箱体间O型圈
图11 气密性实验
表6 端盖和箱体间O型圈压缩率
5 气密性实验
执行器出厂前需要进行气密性实验,以保证其工作时能够有足够的压力进行活塞的往复运动,气体泄漏是绝对不允许的,会造成很多危险。实验具体见图11。
气密性实验是分别利用执行机构的两个进气口,根据装配手册,测试气密性的气压为0.5Bar的气体,保压时间5min,若压力表读数不变,则可以通过检验;若压力表读数压力减小,则用肥皂水刷洗箱体上连接处,检验泄露部位。
6 结论
双向作用执行器的结构并不复杂,但是考虑其应用均属于高压力场合,甚至是含有易燃爆气体或液体,所以安全性和可靠性是首要因素。使用有限元分析是最直观和最有效的校核方法,方便设计人员对机构进行优化设计。紧固件和密封件的合理选用也是站在安全的角度上,给予整个执行机构以可靠性保障。
销售电话:020-32399500 图文传真:020-32398971 企业邮箱:leovalve@126.com
公司地址:广东广州黄埔区黄埔东路633号 邮编:510700