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。