4.1.1.1 输出力的考虑

       执行机构不论是何种类型，它的输出力都是用于克服负荷的有效力。而负荷主嬰是指不平衡力和不平衡力矩加上摩擦力、密封力、重量等有关的力作用。

       为了使调节阀能正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度的密封或阀门的开启。

对双作用的气动.电液、电动执行机构，一般都没有复位弹簧。作用力的大小与它的运动方向无关，因此，选择执行机构的关键在于弄清最大的输出力或电机的转动力矩。

       对于单作用气动执行机构，输出力与阀门开度有关，调节阀上出现的力也将影响运动特性，因此，要求在整个调节阀的开度范围建立力平衡。如果执行机构的输出力为它的力平衡方程式为：

       F = F_t + F₀ + F_f +Fw (4-1)

式中F1——作用在阀芯上的不平衡力；

       F₀——阀全闭时阀芯对阀座的密封所附加的压紧力；

       Ff——阀杆所受的摩擦力；

       Fw——阀芯等各种活动部件的重量。

       采用波纹管调节阀时，还应该考虑波纹管随阀门升度而变的阻力。

式（4-1)中各种力的大小和方向将随执行机构的类型而变化，下面讨论一些典型的执行机构。

       (1）气动薄膜式执行机构的输出力

有弹簧的气动薄膜执行机构，由于薄膜室信号压力所产生的推力大部分被弹簧反力所平衡，因此，有效输出力比无弹簧增要小。

根据调节阀不平衡力的方向性，执行机构输出力有相应的两种不同的方向，设+F表眾执行机构向下的推出力，-F表示执行机构向上的输出力，如图4-1 所示。

       无论是正作用式或反作用式的气动薄膜执行机构，它们的正向或反向输出力±F均为信号压力作用在薄膜有效面积Ae上的推力pAe与弹簧的反作用力Cn（L0+l）之差，列式表示为：

式(4-5)中的Pf为有效的输出历力，是用来克服负荷的有效压力。增大Pf或增大有效面积Ae都可以提髙执行机构的输出力F。

目前，调节阀使用的弹簧范围有20~60kPa、20～100kPa、40～200kPa、60～100kPa、60～180 kPa等多种，分别调整各种弹簧范围的启动压力，可使执行机构具有不同的输出力。不同的弹簧范围与不同有效面积的薄膜相配之后，可得到不同的输W力，见表4-1，表中给出的输出力

(2)活塞式执行机构的输出力

常见的活塞式执行机构有单向和双向两种作用方式。双向活塞执行机构在结构上是没有弹黉的。由于没有弹簧反作用力，因此，它的输出力比薄膜执行机构大，常用来做大口径、髙压差调节阀的执行机构。

图4-2表示双向活塞执行机构的受力情况，设：

F——执行机构输出力，N;

D——活塞直径，m;

d——活塞杆直径，m;

p1、p2——上、下缸工作压力，Pa;

(3)不平衡力和不平衡力矩

流体通过调节阀时，阀芯受到静压和动压的作用，产生使阀芯上下移动的轴向力和阀芯旋转的切向力。对于直线位移的调节阀来说，轴向力直接影响阀芯位移与执行机构信号力的关系，因此，阀芯所受到的轴向合力称为不平衡力。对于角位移的调节阀，如蝶阀、球阀、偏旋阀等，影响其角位移的是阀板轴受到的切向合力矩，称之为不平衡力矩。

影响不平衡力和不平衡力矩的因素很多，例如，阀的结构类型、口径，流体物理状态 等。如果工艺介质及调节阀都已确定，不平衡力或不平衡力矩主要与阀前压力和阀门前后的压差有关，也与流体与阀芯的相对流向有关。

流体流向不同时，阀芯所受的不平衡力并不一样，图₄_₃表示较大口径的单座阀正装阀 芯在两种不同流向下、压差不变时不平衡力与位移行程之间的关系曲线。图中假定使阀杆受压的不平衡力为“ + ”使阀杆受拉抻的不平衡力为'图中上面一种在流体流动时使阀芯打幵，称为流开状态。下面一种在流体流动时使阀芯关闭，称为流闭状态。

       从式（4-10)可以看出，对于小流量阀及小口径高压阀，由于ds≥dg，故Ft为正值，阀杆受压；对于DN25以上的单座阀，因之ds＜dg，F_t为负值，因此阀杆受拉；阀口径在此两者之间，即ds＜dg时，从公式分析可知，八可能为正，也可能为负，说明对同一个调节阀，在全行程范围内，有时由于p1和p2的变化，可能使阀杆所受的不平衡力发生方向的变化。

对于双座阀、三通阀、隔膜阀等类型，都可按上面介绍的方法计算不平衡力。对蝶阀、偏旋阀、球阀的不平衡力矩也有其计算公式，常见计算公式见表4-3。

       (4)允许压差的计算

从前面计算公式可以看出，调节阀两端的压差Ap增大时，其不平衡力或不平衡力矩也 随之增大。当执行机构的输出力小于不平衡力时，它就不能在全行程范围内实现输人信号和阀芯位移的准确关系_c由于对确定的执行机构，其最大输出力是固定的，故调节阀应限制在一定的压差范围内工作。这个压差范围就称为允许压差，用[Δp]表示。

       调节阀一般均使用流开状态，所以允许压差也就是指阀门处于流开状态时的允许压差。 制造厂所列的允许压差一般均为p2=0的数据，选用时需要注意。

       执行机构的输出力F用于克服不平衡力、压紧力、摩擦力和各种活动部件的重量。在 正常润滑的情况下，摩擦力心很小，各种活动部件的重量也不大，因此，在计算执行机构 输出力时，一般可以把式（4-1)简化为：

       F=F1- F0 (4-11)

       也就是说，执行机构的输出力只用来克服不平衡力厂和阀门全闭时的压紧力心。必须注意的是:调节阀摩擦力的大小，要看阀门结构、填料的材质、调节阀工作压力的大小来决定可否忽略，对一些口径较大的阀门，例如DN200笼式阀，其摩擦力高达1000N以上，不能不考虑。