OMAL 歐瑪爾撥叉式變扭矩—氣動執(zhí)行器技術成果及應用分析

對于熟悉流體控制系統(tǒng)和集成設備的能源行業(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)境變化和振動的嚴格要求。而另一個至關重要

的方面，則是通過產(chǎn)品結構和性能的有機結合，使不同流量的介質得以控制，

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

周期高負荷運行、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

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

應用產(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)品的技術性能、應用質量、工藝配套、能耗和技術

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

叉式結構技術為基礎的氣動執(zhí)行器，由于啟閉轉矩和動態(tài)響應靈敏、性能安全可

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

大力矩的撥叉式結構設計

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

均具有結構簡潔、動作響應速度快、安全防爆等優(yōu)點，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用。

但具體到內(nèi)部結構設計上，撥叉式氣動執(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構，通過輸出軸上的圓齒輪與直齒條

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

行器為嵌入式轉動結構，通過撥叉式活塞臂的轉銷推動“轉動軸上的撥叉盤”轉

動來產(chǎn)生扭矩，轉動銷在撥叉盤滾動槽內(nèi)幾乎無阻力地相對滑動，有效力臂隨之

改變，終使輸出扭矩隨軸的轉角改變而改變，并在閥門開啟和關閉點時達到

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

構增加了力臂有效長度，無須因為齒條的厚度浪費或減小力臂長度。在實際應用

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 F 相同時，

M1 > M2 ,即撥叉式結構可產(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）

撥叉式氣動執(zhí)行器的撥叉盤與自潤滑轉動銷的相互運動過程中不受磨損，傳動時二者

幾乎沒有摩擦阻力，強化合金鋼制造的撥叉盤和轉動銷可以承受活塞往復運動時產(chǎn)生的沖擊

力，并將其轉化成有效的輸出扭矩，一方面保證了更柔性的轉矩控制，一方面成為安全運轉

的關鍵。而齒輪齒條式執(zhí)行器的直齒條為鋁合金材質，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，在承受載荷沖擊中，齒牙極易受損。（見圖 3）在同類應用情況

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

料脆性斷裂、設備故障和不可預測性事故帶來的風險。

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

*優(yōu)良的密封和潤滑技術：

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)，結合同樣材質的撥叉臂導向點及酚醛樹脂軸套，構成多點導向密封，轉動銷采

用自潤滑專li技術，使密封性能大幅提高，摩擦系數(shù)有效降低，讓活塞的運動更加平穩(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)

表面擠壓變形達到密封作用，但摩擦阻力和磨損同時也隨之產(chǎn)生，一旦氣源中含有雜質會加

劇密封圈和缸筒的磨損，高溫和導致結冰的極低氣候對其也會產(chǎn)生致命破壞。PTFE（特氟

?。┨畛涔腆w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，能夠在高

溫、污染、腐蝕等環(huán)境下使用，但由于其材質較硬，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，OMAL 歐瑪爾撥叉式氣動執(zhí)行器的嵌入式結

構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

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

周知，設備和管線的重量增加，造成了整個組塊更龐大，對結構強度和能耗要求

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

工程設計和產(chǎn)品選型的重要指標之一。

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現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。在同等承壓下，體積更小的設備能很好地滿足油氣管道

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

更是每年可為工廠節(jié)省數(shù)百萬元因為要提供氣源而產(chǎn)生的能源浪費。某涂料廠在其化工工藝

車間切斷閥的改造工程中，原計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性，OMAL 歐瑪爾

長期推進著創(chuàng)新技術在其產(chǎn)品領域的應用，其創(chuàng)新性管理涵蓋整個價值鏈——

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從產(chǎn)品設計和開發(fā)，到產(chǎn)品生產(chǎn)、銷售和服務。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)品都制定了相應的可靠性規(guī)格和過程實施計劃，并成立

了專門的研發(fā)團隊，在設計階段就為產(chǎn)品制定嚴格的可靠性要求。如特別針對產(chǎn)

品實行專業(yè)的“效能測試”法，使設計人員以科學的評價標準和量化評價方法來

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，在實際應用中，甚至經(jīng)受了超過 4500 萬次的循環(huán)工作。

在生產(chǎn)領域，OMAL 歐瑪爾全過程已實現(xiàn)高度的自動化、精密化和智能化，

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

檢驗，生產(chǎn)過程中的每個環(huán)節(jié)都有完善的信息記錄，全部檢驗報告一律保存五年，

以此來確保 OMAL 歐瑪爾所有產(chǎn)品的世界性水準。

小結：

隨著能源計劃的不斷推進，對流體設備的穩(wěn)定運行、傳輸和變換應用提出了

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

解決方案服務商，除了為用戶提供產(chǎn)品外，還需要利用*創(chuàng)新技術改進流體設備結

構、實現(xiàn)系統(tǒng)升級換代、提高能源利用效率并降低能源消費量。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)品質量好、企業(yè)信譽高、綜合性價比合理的制造廠建立起

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

外發(fā)展趨勢，落實新設備新技術，也正在日益成為一個新的研究課題。