正確的執行機構的選型可減少停工時間
要保證生產率最大化，最重要的因素之一就是正確地選擇執行機構和閥門的設計與能力。不正確地選擇閥門和執行機構會導致設備的過早毀損，造成高昂的維修成本和生產損耗。
執行機構的尺寸確定與選擇如不符合規范，會導致各種方式下底線成本的劇增。如果所采購的設備型號過大，購置成本就會增多，所以價格也更貴。維修費用也會更多，因為閥門和執行機構總像是要出問題。另外，工廠的安全性也會降低，因為設備緊急停機功能與設備的應用并不十分匹配。根據衛生與安全行政部門（一家英國的機構）的調查所得出的結論，2/3的執行機構的故障在實際使用之前就發生了，而初次故障產生的原因就是設備不符合規范要求。
作者
Donald Weeks是Flowserve流體控制部門的產品經理。他負責氣動和電動自動化產品的市場營銷與開發。他擁有24年為閥門執行機構解決方案提供應用與規范指導的經驗。Weeks取得了坎普林大學的企業管理學位。
自動化閥門產品包（閥門、執行機構、裝配的附件、數字定位器、電磁閥和一體的或非一體的位置開關）的應用要求高性能和幾乎為零的停機時間。
圖1（a）. 齒輪齒條執行機構
許多化學和石油化學加工企業（CPI）都涉及危險化學品（如：氯、光氣、HF烷基化）的生產。類似的高危險品應用要求采用嚴格符合規范要求的高性能閥門和執行機構解決方案。這些企業的散裝化學品的生產常常采用批量控制工藝，即采用自動化、高頻次長壽命的閥門。
自控閥門有多種不同的執行機構供選擇，所采用的技術有電動技術、液動技術和氣動技術。其中，氣動的設計包括活塞、葉輪、齒輪齒條和撥叉式。熟悉選擇正確的執行機構的基本的選型流程是非常重要的。這里要討論的是用于控制旋轉型開-關閥門的齒輪齒條和撥叉式執行機構的設計[（圖1（a）& 1（b）]。
圖1（b）. 撥叉式執行機構
“要正確地選擇合適的執行機構，第一步就是了解需要自動控制的閥門特點�；ず褪畛Ｓ玫娜N旋轉類閥門是球閥、旋塞閥和蝶閥。每種閥都有不同的扭矩曲線，因此如何選擇精確且安全的執行機構，也就大不相同�！�
閥門和執行機構的技術
要正確地選擇合適的執行機構，第一步就是了解需要自動控制的閥門特點�；ず褪畛Ｓ玫娜N旋轉類閥門是球閥、旋塞閥和蝶閥。每種閥都有不同的扭矩曲線，因此如何選擇精確且安全的執行機構，也就大不相同。球形閥、旋塞閥和蝶閥的扭矩剖面圖如圖2所示。
當流體流經旋轉式閥門時，關閉零件（球、蝶板或旋塞）的表面靜態壓力并不均一。
1/4轉類旋轉閥的關閉零件（旋轉式）表面的靜態壓力分布的不均一形成了動態轉矩。之所以叫動態轉矩，是因為它是由流動的流體而形成的。圖3說明了蝶閥得蝶板和球閥的通道壁可能的靜態壓力分布。
它們的壓力，由于分布不平均，相當于作用在與干軸有一定距離的點的合力。
由于動轉矩作用在閥軸處，它要么順應執行機構運行，要么抵制其運行。如果動轉矩大于摩擦力矩，且未能經執行機構遏止，就會導致旋轉。對于傳統的球閥和旋塞閥來說，摩擦力矩常常會大于動轉矩，在確定執行的型號時，通常不予考慮。傳統的球閥常會產生較小的動轉矩。蝶閥的摩擦力矩常常較低，除非閥盤與閥座完全密閉時，動態轉矩會產生較大的影響。
對于閥桿位于閥板中心位置的對稱的工業蝶閥，動轉矩可以關閉閥門。但是，對于閥板與閥桿相偏離且閥板表面不對稱的高性能蝶閥來說，如果閥門安裝在下游的閥座保持器（如圖4所示）上，動轉矩會使閥關閉。但如果閥座保持器在上游，則閥的關或開取決于閥板的旋轉狀態。
閥制造商有責任真實地測試并公開閥的扭矩數據。扭矩圖通�；谟嬎愣鄠�變量，并公布某一個峰值。大多數的測試都使用干凈環境友好的介質。所以，還應提供額外的的安全系數，從而更好地配合終端用戶的安裝扭矩的應用。隨后，執行機構制造商應負責真實地報告其輸出的扭矩數據。如果閥門和執行機構是由同一家制造商生產，這個過程即可以得到簡化，也更為可靠。
“一旦閥門的扭矩要求確定后，即可正確地進行執行機構的選型。在選型前，確切的信息是必須的�？蛻魬峁﹫绦袡C構的最低供氣壓力和動作模式（如：雙動式或彈簧復位式）�！�
執行機構的選型
氣動執行機構的操作要求有兩個外部影響因素：一是信號，二是動力源。
信號通常是120/240 VAC或12/24VDC的離散電壓，可以為電磁閥供電。如果使用定位器控制執行機構的旋轉，信號通常是模擬（4-20 mA）或數字信號。電磁閥或數字定位器控制著執行機構汽缸的供氣和排氣，交替控制閥門的位置。電磁閥用來完成閥的開、關位置的轉換。定位器也有同樣的功能，但主要用于調節控制功能，并能支持更先進的應用，如安全儀表系統中的部分行程測試。隨著數字式定位器的成本的日益降低，其應用在持續增長。氣動執行機構的常用動力源就是約為60-100 psig的壓縮空氣。
每一種執行機構在切斷氣源后都會有一個故障位置。雙作用執行器故障斷氣時（通氣開、通氣關），閥門會停在最后的位置處。但如果管道流體壓力產生的動力矩大于閥門的摩擦力矩時，就會出現閥門旋轉。彈簧復位式執行機構在閥斷氣時閥門會恢復至初始位置。這樣的設計通常被選用于有故障安全要求的關鍵場合。
一旦閥門的扭矩要求確定后，即可正確地進行執行機構的選型。在選型前，確切的信息是必須的�？蛻魬峁﹫绦袡C構的最低供氣壓力和動作模式（如：雙動式或彈簧復位式）。如執行機構要求彈簧復位式，故障模式（即：故障關或故障開）也必須加以確定。請遵循以下指導方針：
1.雙動用操作：所選擇的執行機構在最小供氣壓力時的輸出扭矩應大于計算所得的閥門的扭矩。
2.彈簧復位操作，故障關：所選擇的執行機構在最小供氣壓力情況下彈簧行程末端時的輸出扭矩應大于關閉閥門所需要的扭矩。
3.彈簧復位操作，故障開：所選擇的執行機構在最小供氣壓力情況下氣動行程末端時的扭矩輸出應大于打開閥門所需要的扭矩。
當為閥門或擋板選擇齒輪齒條和撥叉式執行機構時，工程師應注意在閥門估計的操作扭矩與閥門的實際輸出扭矩間留出安全余量。在缺少終端用戶的指令下，如果需要添加一個安全系數來規定和修正閥門扭矩值時，可以遵循以下說明：
1.安全系數應加在閥門扭矩上，而不是執行機構的扭矩上。
2.如果終端用戶有建議、或閥門目錄中的扭矩數據指定“選型扭矩”或“執行機構選型扭矩”，那么不再需要添加加安全系數。
3.如果終端用戶沒有建議、或閥門目錄中的扭矩數據指示“閥門扭矩”，那么需要在閥門扭矩上加上以下安全系數：
a.“閥門扭矩”加10%，用于選擇作為雙動執行機構。
b.“閥門扭矩”加15%，用于選擇彈簧復位式執行機構。
在為安全關斷閥（SSOV）和緊急關斷閥（ESD）的選擇執行機構時，通常有特殊的性能要求。如果閥門的動作頻率低于每月一次，那么建議安全系數為計算所得的閥門扭矩乘以2。多數SSOV都有特定的關閉時限（一般很快）。如果客戶要求一個4”的自動SSOV一秒鐘關閉，這也很正常。為了確保滿足該要求，執行機構制造商應實施操作時間的計算。備有證明文件的計算通常被要求用來確認執行機構選型的一致性和恰當性。
多數自動化閥門規格書（上述四種）都會要求配備手動操作裝置，為順應這一要求，指定先進的執行機構控制附件是非常重要的。為了確保安全和恰當的操作，氣動執行機構必須配備氣動鎖定和通氣（LOV）裝置。該LOV可以排空殘存在汽缸里、可能阻止活塞行進并導致設備損壞的空氣。更重要的是，該裝置可以防止不當操作，特別是遠程操作中的不當操作。
“規范選擇閥門自動化可以增加生產正常運行時間，降低維修成本、提高工廠的安全性。選擇恰當的執行機構通常會基于扭矩要求、閥門應用和價格�！�
保護您的工廠、人員和投資
恰當地選擇閥門自動化產品可以增加生產正常運行時間，降低維修成本、提高工廠的安全性。選擇恰當的執行機構通常會基于扭矩要求、閥門應用和價格。
通常，齒輪和齒條技術執行器應用于6英寸或更小閥門的控制。設計有兩個活塞、雙齒輪齒條執行機構的性能和可靠性是無與倫比的。在長壽命/高性能應用中，先進的設計增加了內部支撐導桿（圖5）可以消除活塞走歪現象及走歪而產生的側向力，延長其使用壽命。
6英寸以上的閥門主要采用撥叉式執行機構，因為這種設計能更好地用于驅動高達百萬英寸-磅的高轉矩和止推負載。先進的設計還包括內部導桿（請參見圖5）支撐撥叉和先進的活塞密封設計可以清潔行進表面，增強密封性能。高品質的設計通過對內部關鍵部件（如：氣缸壁、導桿）的表面處理改善了防腐蝕性能。同時，外表面的處理也使產品能承受嚴苛的環境。
對所有按規范選擇并安裝的執行機構來說，發生故障的首要原因就是使用低于ANSI/ISA-7.0.01標準所定義的空氣質量的空氣。幾乎所有的閥門執行機構都需要永久性潤滑，并配以最佳的高品質儀表氣（也適用于環境侵入的空氣）。執行機構的汽缸在活塞運行時排氣。當活塞向內運動時，就會通過排氣口吸入周圍環境的空氣。如果當地的環境比較惡劣，必須采取特殊的控制方法（如：呼氣閥）來防止污染和設備過早損壞。如果空氣保持干凈，則執行機構可使用相當長的時間。
功能性安全（IEC 61508）和安全整體水平（SIL）等級的課題已成為石化行業CPI的關注趨向。根據衛生與安全行政部門（一家英國的機構）的調查所得出的結論，2/3的故障在操作者實際開始使用產品或系統（請參見圖6）之前就發生了。設計規范的錯誤是故障的主要原因。當前，全球遵循的標準強調，設備的質量和可靠性是安全系統防止故障產生的的關鍵。
閥門執行機構的選擇和購買要求有具備資質的人員進行全程評估，且相關用戶及其合同支持方有責任建立一個定義明確的產品規范，工廠的性能和員工的安全也都建立在這個規范之上。 | 
