OMAL 歐瑪爾撥叉式變扭矩—氣動(dòng)執(zhí)行器技術(shù)成果及應(yīng)用分析

對于熟悉流體控制系統(tǒng)和集成設(shè)備的能源行業(yè)工程師而言，使用執(zhí)行器和閥

門有什么要點(diǎn)需要額外注意？首先，就現(xiàn)有使用情況來看，石油化工和天然氣等

技術(shù)業(yè)界對于產(chǎn)品耐用性有很高的期望，一般需要保證 20 至 25 年的使用期，

因此特別看重每種元件的可靠性。同時(shí)希望執(zhí)行器和閥門能夠提供持久的承壓能

力與控制性，避免腐蝕性流體和氣蝕的損害，在系統(tǒng)連接方面可保證長期的

穩(wěn)定性，滿足能源行業(yè)對溫度、環(huán)境變化和振動(dòng)的嚴(yán)格要求。而另一個(gè)至關(guān)重要

的方面，則是通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的有機(jī)結(jié)合，使不同流量的介質(zhì)得以控制，

相對于常規(guī)系統(tǒng)，能源利用率可以大幅度提高。此外，它被要求可以在局促的場

地內(nèi)安裝，在小的空間擁有大的功能，這對大規(guī)模流體控制系統(tǒng)，特別是長

周期高負(fù)荷運(yùn)行、流通能力要求更高和需要確保管道容器密封的行業(yè)而言尤為重

要。

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近年來，流體設(shè)備制造廠商如意大利 OMAL 歐瑪爾公司為能源行業(yè)提

供了必要的服務(wù)支持，創(chuàng)新技術(shù)與系統(tǒng)能效優(yōu)化方案的高度融合，使流體設(shè)備的

應(yīng)用產(chǎn)生了極大的改變。作為世界上少數(shù)既生產(chǎn)執(zhí)行器又生產(chǎn)自控閥門的制造廠

商之一，OMAL 歐瑪爾對產(chǎn)品的技術(shù)性能、應(yīng)用質(zhì)量、工藝配套、能耗和技術(shù)

支持、維修保養(yǎng)、環(huán)境和安全保障等方面予以整體考慮，特別是生產(chǎn)研發(fā)的以撥

叉式結(jié)構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)的氣動(dòng)執(zhí)行器，由于啟閉轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏、性能安全可

靠、滿足惡劣環(huán)境應(yīng)用等特點(diǎn)，在油氣管道行業(yè)的自控系統(tǒng)中占有較大優(yōu)勢。

大力矩的撥叉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前角行程氣動(dòng)執(zhí)行器主要有齒輪齒條式和撥叉式兩種，對比電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

均具有結(jié)構(gòu)簡潔、動(dòng)作響應(yīng)速度快、安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，隨著 60 年代的化工業(yè)發(fā)

展需要，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

但具體到內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器與齒輪齒條式執(zhí)行器之間有很

大區(qū)別。齒輪齒條式執(zhí)行器為嚙合式平行結(jié)構(gòu)，通過輸出軸上的圓齒輪與直齒條

嚙合傳輸動(dòng)力，由于齒合的位置是不變的，使往復(fù)輸出扭矩恒定。撥叉式氣動(dòng)執(zhí)

行器為嵌入式轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過撥叉式活塞臂的轉(zhuǎn)銷推動(dòng)“轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的撥叉盤”轉(zhuǎn)

動(dòng)來產(chǎn)生扭矩，轉(zhuǎn)動(dòng)銷在撥叉盤滾動(dòng)槽內(nèi)幾乎無阻力地相對滑動(dòng)，有效力臂隨之

改變，終使輸出扭矩隨軸的轉(zhuǎn)角改變而改變，并在閥門開啟和關(guān)閉點(diǎn)時(shí)達(dá)到

大值，從而得到y(tǒng)ou化的輸出力矩來滿足蝶閥、球閥的控制需要。撥叉式嵌入結(jié)

構(gòu)增加了力臂有效長度，無須因?yàn)辇X條的厚度浪費(fèi)或減小力臂長度。在實(shí)際應(yīng)用

中發(fā)現(xiàn)，撥叉式執(zhí)行器可產(chǎn)生比齒輪齒條式執(zhí)行器大 50%的啟閉力矩（見圖 1、

圖 2）。

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（圖 1—撥叉式與齒輪齒條式執(zhí)行器產(chǎn)生的力矩對比：力臂：L1 > L2 , 力矩 M=FL ,當(dāng) F 相同時(shí)，

M1 > M2 ,即撥叉式結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比齒輪齒條式更大的力矩）

（圖 2—撥叉式執(zhí)行器和齒輪齒條執(zhí)行器的力矩曲線圖形）

撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器的撥叉盤與自潤滑轉(zhuǎn)動(dòng)銷的相互運(yùn)動(dòng)過程中不受磨損，傳動(dòng)時(shí)二者

幾乎沒有摩擦阻力，強(qiáng)化合金鋼制造的撥叉盤和轉(zhuǎn)動(dòng)銷可以承受活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊

力，并將其轉(zhuǎn)化成有效的輸出扭矩，一方面保證了更柔性的轉(zhuǎn)矩控制，一方面成為安全運(yùn)轉(zhuǎn)

的關(guān)鍵。而齒輪齒條式執(zhí)行器的直齒條為鋁合金材質(zhì)，齒輪軸為鋼或不銹鋼，二者通過一對

一的齒與齒之間咬合傳動(dòng)，在承受載荷沖擊中，齒牙極易受損。（見圖 3）在同類應(yīng)用情況

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下，OMAL 歐瑪爾氣動(dòng)執(zhí)行器的耐用性比齒輪齒條式執(zhí)行器大 5—10 倍，同時(shí)降低了因材

料脆性斷裂、設(shè)備故障和不可預(yù)測性事故帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

（圖 3—齒輪齒條式執(zhí)行器在應(yīng)用中受損的直齒條現(xiàn)狀圖）

*優(yōu)良的密封和潤滑技術(shù)：

與傳統(tǒng)的 O 形圈活塞密封不同的是，OMAL 采用其*的 PTFE（特氟?。┨畛涮际?/span>

墨的密封環(huán)，結(jié)合同樣材質(zhì)的撥叉臂導(dǎo)向點(diǎn)及酚醛樹脂軸套，構(gòu)成多點(diǎn)導(dǎo)向密封，轉(zhuǎn)動(dòng)銷采

用自潤滑專li技術(shù)，使密封性能大幅提高，摩擦系數(shù)有效降低，讓活塞的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。傳

統(tǒng) O 形活塞密封利用 NBR（丁晴橡膠）或 VITON（氟橡膠）的柔軟特性，通過與缸筒內(nèi)

表面擠壓變形達(dá)到密封作用，但摩擦阻力和磨損同時(shí)也隨之產(chǎn)生，一旦氣源中含有雜質(zhì)會(huì)加

劇密封圈和缸筒的磨損，高溫和導(dǎo)致結(jié)冰的極低氣候?qū)ζ湟矔?huì)產(chǎn)生致命破壞。PTFE（特氟

隆）填充固體潤滑劑碳石墨后具有耐磨損、耐腐蝕、摩擦力小、無須潤滑等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高

溫、污染、腐蝕等環(huán)境下使用，但由于其材質(zhì)較硬，通常無法直接作為活塞密封圈。在*

的工藝和高精度加工保證下，OMAL 歐瑪爾使其變?yōu)榭赡堋?/span>

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體積更靈巧：

齒輪齒條式氣動(dòng)執(zhí)行器的齒條厚度加大了尺寸缸筒內(nèi)徑，但無法增加有效力

臂長度，在產(chǎn)生同樣啟閉扭矩時(shí)，OMAL 歐瑪爾撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器的嵌入式結(jié)

構(gòu)可以更有效利用缸筒內(nèi)部空間，僅須更小的缸筒直徑。加上撥叉式活塞比齒條

式活塞重量更加輕盈，使執(zhí)行器體積和重量大幅減少 50％。在如今力求精簡項(xiàng)

目投資的趨勢下，OMAL 歐瑪爾的執(zhí)行器在這一點(diǎn)上體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。眾所

周知，設(shè)備和管線的重量增加，造成了整個(gè)組塊更龐大，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和能耗要求

更高，這些直接造成工程投資幾何比例增長，所以追求“瘦身”一直是石油化工

工程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品選型的重要指標(biāo)之一。

盡管一組執(zhí)行器或閥門所降低的能耗并不像單一的生產(chǎn)設(shè)備那樣可以直觀衡量，但系統(tǒng)的優(yōu)

化往往更能顛覆性地實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。在同等承壓下，體積更小的設(shè)備能很好地滿足油氣管道

企業(yè)盡量使生產(chǎn)設(shè)備少占用生產(chǎn)場地的需要，而在耗氣量相比其它同類設(shè)備都少的情況下，

更是每年可為工廠節(jié)省數(shù)百萬元因?yàn)橐峁庠炊a(chǎn)生的能源浪費(fèi)。某涂料廠在其化工工藝

車間切斷閥的改造工程中，原計(jì)劃在一些管線較密集的地方選用齒輪齒條式執(zhí)行器，但在安

裝中發(fā)現(xiàn)管線密集且工況要求較高的地方，齒輪齒條式執(zhí)行器無法滿足扭矩大而安裝空間狹

小的需要。OMAL 歐瑪爾為此量身定制了“撥叉式執(zhí)行器+平板球閥”的解決方案，在其自

控系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

堅(jiān)持創(chuàng)新：

為了讓執(zhí)行器更具可靠性及對系統(tǒng)工況變化有更好適應(yīng)性，OMAL 歐瑪爾

長期推進(jìn)著創(chuàng)新技術(shù)在其產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用，其創(chuàng)新性管理涵蓋整個(gè)價(jià)值鏈——

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從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)，到產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務(wù)。在公司內(nèi)部，可靠性研究工作從

未間斷過，研發(fā)的每款產(chǎn)品都制定了相應(yīng)的可靠性規(guī)格和過程實(shí)施計(jì)劃，并成立

了專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在設(shè)計(jì)階段就為產(chǎn)品制定嚴(yán)格的可靠性要求。如特別針對產(chǎn)

品實(shí)行專業(yè)的“效能測試”法，使設(shè)計(jì)人員以科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和量化評價(jià)方法來

測試產(chǎn)品的性能。以撥叉式執(zhí)行器為例，在測試過程中經(jīng)受超過 150 萬次的工

作循環(huán)測試，在實(shí)際應(yīng)用中，甚至經(jīng)受了超過 4500 萬次的循環(huán)工作。

在生產(chǎn)領(lǐng)域，OMAL 歐瑪爾全過程已實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化、精密化和智能化，

包括數(shù)字技術(shù)和三維空間檢測技術(shù)在內(nèi)的智能系統(tǒng)對所有生產(chǎn)階段進(jìn)行跟蹤和

檢驗(yàn)，生產(chǎn)過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都有完善的信息記錄，全部檢驗(yàn)報(bào)告一律保存五年，

以此來確保 OMAL 歐瑪爾所有產(chǎn)品的世界性水準(zhǔn)。

小結(jié)：

隨著能源計(jì)劃的不斷推進(jìn)，對流體設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、傳輸和變換應(yīng)用提出了

更迫切的需求，傳統(tǒng)的閥門制造廠商也從簡單的流體設(shè)備供應(yīng)商變成了綜合的能源、信息、

解決方案服務(wù)商，除了為用戶提供產(chǎn)品外，還需要利用*創(chuàng)新技術(shù)改進(jìn)流體設(shè)備結(jié)

構(gòu)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級換代、提高能源利用效率并降低能源消費(fèi)量。而從石油、石化、天然氣等

諸多能源企業(yè)來說，如何逐步與產(chǎn)品質(zhì)量好、企業(yè)信譽(yù)高、綜合性價(jià)比合理的制造廠建立起

長期的合作伙伴關(guān)系，根據(jù)生產(chǎn)對設(shè)備技術(shù)和功能的要求，了解各主要設(shè)備制造技術(shù)和國內(nèi)

外發(fā)展趨勢，落實(shí)新設(shè)備新技術(shù)，也正在日益成為一個(gè)新的研究課題。