如何选择合适的气动执行器扭矩？

选择正确的气动执行器扭矩，是阀门自动化选型中非常重要的一步。

如果执行器扭矩过小，可能无法完全打开或关闭阀门；如果执行器扭矩过大，则可能增加设备成本、压缩空气消耗以及整个系统的安装空间。

因此，工业阀门自动化中，并不是执行器越大越好。

正确的选型方法应该是：

将执行器实际输出扭矩与阀门在实际工况下所需的操作扭矩进行匹配。

基本选型原则可以表示为：

执行器输出扭矩 ≥ 阀门所需扭矩 × 安全系数

那么，阀门所需扭矩应该如何确定？

哪些因素会影响阀门扭矩？

又应该如何选择合适的气动执行器型号？

本文将从阀门类型、操作扭矩、压差、气源压力、安全系数、单作用/双作用等方面，详细介绍气动执行器的扭矩选型方法。

1. 什么是气动执行器扭矩？

气动执行器扭矩，是指气动执行器产生的旋转驱动力矩。

常见单位包括：

• N·m

• Nm

• lb·in

• lb·ft

对于球阀、蝶阀等90°旋转阀门，气动执行器通过活塞运动以及齿轮齿条等机械结构，将气压产生的力转换为旋转扭矩。

基本过程可以理解为：

压缩空气 → 活塞产生推力 → 机械传动 → 输出旋转扭矩 → 阀门动作

执行器必须在阀门整个动作过程中提供足够的扭矩。

2. 为什么正确的扭矩选型很重要？

正确的扭矩选型直接关系到阀门自动化系统的可靠性。

如果执行器扭矩不足，可能出现：

• 阀门无法完全打开

• 阀门无法完全关闭

• 阀门动作过程中停止

• 密封不完全

• 执行器长期处于高负载状态

• 自动化运行不稳定

但执行器也不是越大越好。

执行器过大可能导致：

• 设备成本增加

• 安装空间增加

• 压缩空气消耗增加

• 机械负荷增加

• 如果配置不合理，可能对阀杆或阀门内部部件产生过大的机械载荷

因此：

扭矩不足 → 阀门无法正常动作

扭矩过大 → 不必要的过度选型

正确的目标应该是：

选择能够满足阀门要求，同时具有合理余量的执行器。

3. 第一步：确定阀门类型

选择执行器之前，首先需要确定阀门类型。

常见的90°旋转阀门包括：

球阀

球阀的操作扭矩通常受到以下因素影响：

• 阀座摩擦

• 填料摩擦

• 压差

• 介质作用力

同时，不同阀座材料、压力等级、温度和结构设计，都会影响球阀操作扭矩。

蝶阀

蝶阀操作扭矩可能受到：

• 阀板尺寸

• 阀座材料

• 压差

• 阀板位置

• 介质

• 阀杆和轴承摩擦

等因素影响。

而且蝶阀在整个开启和关闭过程中，扭矩并不一定保持不变。

旋塞阀

旋塞阀由于旋塞与密封面之间存在摩擦，在某些应用中可能需要较高的操作扭矩。

因此：

执行器选型必须从具体阀门类型以及阀门制造商提供的扭矩数据开始。

4. 第二步：确定阀门操作扭矩

执行器选型最重要的数据之一，就是阀门操作扭矩。

阀门制造商可能会提供不同阶段的扭矩数据，例如：

• Breakaway Torque：启动力矩

• Running Torque：运行力矩

• Seating Torque：关闭到位力矩

• Unseating Torque：开启脱离力矩

• Maximum Torque：最大力矩

对于某些阀门来说，刚开始打开所需要的扭矩可能明显高于正常运行过程中的扭矩。

例如：

Breakaway Torque

阀门从关闭状态开始动作时所需要的扭矩。

Running Torque

阀门正常运动过程中所需要的扭矩。

Seating Torque

阀门最终关闭并达到密封位置时所需要的扭矩。

Unseating Torque

阀门从关闭位置开始打开时所需要的扭矩。

因此，执行器选型不能只参考运行扭矩。

应该关注整个动作过程中最高的相关扭矩要求。

5. 第三步：考虑阀门两端压差

阀门两端的压差会明显影响部分阀门的操作扭矩。

例如：

高压差球阀在开启过程中，需要克服球体受到的压力以及阀座产生的摩擦力，因此可能需要更高的操作扭矩。

对于蝶阀来说，压差同样可能影响阀板操作扭矩。

因此，需要根据实际工况确认：

• 最大工作压力

• 实际压差

• 最小/最大压力

• 阀门位置

• 介质特性

在低压条件下得到的阀门扭矩数据，不能直接用于高压差工况。

6. 第四步：考虑阀座和密封材料

阀座材料会直接影响阀门操作扭矩。

气动球阀常见阀座材料包括：

• PTFE

• RPTFE

• PPL

• Metal Seat（金属硬密封）

不同材料具有不同的摩擦特性和温度适应范围。

例如，高温金属硬密封球阀的操作扭矩，可能与PTFE软密封球阀存在明显区别。

同样，蝶阀的阀座材料也会影响阀板与阀座之间的摩擦。

因此：

不能只根据阀门DN口径选择执行器。

即使两个阀门都是DN100，它们所需要的操作扭矩也可能完全不同。

7. 第五步：考虑工作温度

温度同样会影响阀门操作扭矩和密封性能。

高温工况可能导致：

• 密封材料摩擦特性发生变化

• 热膨胀

• 材料性能变化

• 操作阻力增加

低温工况同样可能影响密封材料以及摩擦特性。

因此，执行器选型应该参考阀门在实际工作温度范围内的操作扭矩。

尤其是以下介质：

• 蒸汽

• 热水

• 导热油

• 高温气体

• 低温介质

更应该关注阀门制造商提供的实际扭矩数据。

8. 第六步：确认现场气源压力

气动执行器的输出扭矩与气源压力密切相关。

通常情况下：

气源压力越高 → 执行器可提供的驱动力越大

气源压力越低 → 执行器可提供的驱动力越小

但是具体输出扭矩还取决于：

• 执行器结构

• 活塞面积

• 执行器尺寸

• 齿轮齿条结构

• 活塞位置

例如，一台执行器在6 bar条件下能够满足某个扭矩要求，并不代表在5 bar时仍然能够提供相同的扭矩。

因此，选型时应该确认：

• 最低气源压力

• 正常工作压力

• 最大气源压力

• 气源压力波动

执行器应该在现场最低预期气源压力下仍然满足阀门扭矩要求。

9. 第七步：确定安全系数

在阀门所需扭矩和执行器输出扭矩之间，通常需要留出一定的安全余量。

一个简单的计算方式是：

所需执行器扭矩 = 阀门操作扭矩 × 安全系数

例如：

阀门操作扭矩：

100 N·m

安全系数：

1.25

那么：

100 × 1.25 = 125 N·m

因此，执行器在相关工作条件下至少应提供约125 N·m的输出扭矩。

但是：

安全系数并不存在一个适用于所有工况的固定值。

它需要根据：

• 阀门类型

• 阀门制造商建议

• 工艺条件

• 扭矩不确定性

• 动作频率

• 温度

• 介质

• 安全要求

进行确定。

对于关键应用，应优先参考阀门和执行器制造商的选型建议，而不是简单使用一个固定安全系数。

10. 第八步：检查执行器整个动作过程中的扭矩

另一个常见错误是只看执行器的最大输出扭矩。

对于旋转式气动执行器来说，输出扭矩可能会随着活塞位置变化而变化。

这一点对于齿轮齿条式执行器尤其重要。

应该确认执行器在整个阀门动作过程中都能够提供足够的扭矩。

例如：

阀门启动力矩

↓

阀门运行力矩

↓

阀门关闭到位力矩

执行器必须满足整个动作过程中的最高相关扭矩要求。

11. 单作用和双作用执行器的扭矩选型

执行器的类型同样会影响扭矩选择。

单作用执行器

单作用执行器通过压缩空气完成一个方向的运动，通过弹簧完成另一个方向的运动。

因此，其输出扭矩会随着弹簧压缩或释放而发生变化。

需要重点查看：

• 气源扭矩

• 弹簧扭矩

• 最小弹簧扭矩

• 最大弹簧扭矩

• 开启方向

• 关闭方向

双作用执行器

双作用执行器两个方向都使用压缩空气。

其输出扭矩主要受到：

• 气源压力

• 执行器尺寸

• 活塞面积

• 机械结构

• 活塞位置

等因素影响。

因此，双作用执行器应根据实际工作气压查看对应的扭矩表。

12. 气动执行器扭矩选型计算示例

假设某蝶阀制造商提供的数据为：

阀门所需扭矩 = 180 N·m

项目要求安全系数：

1.25

那么：

180 × 1.25 = 225 N·m

因此，执行器在对应工作条件下应至少提供约225 N·m的扭矩。

但这里还有一个非常重要的问题：

在现场最低气源压力下，执行器还能不能提供225 N·m？

例如：

现场正常气压为6 bar，

但实际最低气压可能下降到5 bar。

那么执行器就应该按照5 bar的实际输出扭矩进行校核。

这也是为什么气动执行器不能只根据额定气压进行选型，而需要结合实际现场工况。

13. 气动执行器扭矩选型常见错误

错误1：只根据阀门DN选择

DN100并不能直接对应某一个固定执行器型号。

阀门结构和工况不同，所需要的扭矩也不同。

错误2：忽略压差

相同阀门在不同压差下，所需操作扭矩可能不同。

错误3：只按照最高气压计算

某执行器在7 bar时满足要求，并不意味着5 bar时也一定满足。

应考虑现场最低工作气压。

错误4：忽略阀座材料

不同阀座材料会产生不同的摩擦特性和操作扭矩。

错误5：只看运行扭矩

阀门启动力矩和关闭到位力矩可能高于正常运行扭矩。

错误6：执行器过度放大

执行器越大并不意味着系统一定越好。

执行器和阀门应该进行合理匹配。

14. 气动执行器扭矩选型参数表

在选择执行器之前，建议收集以下数据：

当这些参数确定之后，执行器的扭矩选型就会更加清晰。

15. 如何为球阀选择气动执行器？

对于气动球阀，可以按照以下步骤进行选型。

第一步

确定球阀的：

DN尺寸 + 压力等级

第二步

获取阀门制造商提供的操作扭矩。

第三步

确定最高相关扭矩：

启动力矩 / 运行力矩 / 关闭力矩 / 脱离力矩

第四步

根据实际应用要求确定安全余量。

第五步

检查执行器在现场最低气源压力下的输出扭矩。

第六步

根据失效安全要求确定：

单作用 or 双作用

第七步

确认执行器安装接口以及阀杆尺寸是否匹配。

通过这一流程，可以有效避免执行器扭矩不足或过度选型。

16. 如何为蝶阀选择气动执行器？

蝶阀执行器选型需要特别关注阀门整个启闭过程中的扭矩变化。

主要参数包括：

• 阀门DN

• 压差

• 阀座材料

• 阀板结构

• 工作温度

• 动作频率

• 阀门扭矩曲线

执行器必须能够完成：

启动 → 运行 → 关闭到位

整个过程。

因此，蝶阀制造商提供的扭矩表对于执行器选型非常重要。

17. 为什么执行器结构也很重要？

执行器扭矩并不只是由活塞尺寸决定。

执行器的机械结构同样会影响：

• 扭矩传递

• 机械效率

• 稳定性

• 耐久性

• 使用寿命

重要部件包括：

• 活塞

• 齿条

• 齿轮

• 缸体

• 端盖

• 弹簧

• 轴承

• 密封件

• 输出轴

对于工业应用而言，耐腐蚀性和机械耐久性同样重要。

KINKO气动执行器采用铝合金结构和硬质阳极氧化处理。

活塞采用65#钢并进行表面处理，以提升耐久性和耐腐蚀性。

同时，活塞采用深处理结构，为弹簧安装提供充足空间，适用于单作用弹簧复位配置。

18. KINKO气动执行器扭矩解决方案

KINKO提供多种工业阀门自动化气动执行器，包括：

• 双作用气动执行器

• 单作用气动执行器

• 齿轮齿条式执行器

• 重载型执行器

• Scotch Yoke拨叉式执行器

• 防爆型配置

KINKO气动执行器适用于需要可靠阀门自动化控制的工业应用。

主要设计特点包括：

铝合金结构

硬质阳极氧化处理

65#钢活塞

IP68防护

长循环寿命

在适合的配置和工作条件下，部分KINKO执行器产品设计可支持最高100万次循环。

实际使用寿命取决于工作压力、空气质量、润滑、阀门负载、动作频率、温度以及安装环境等因素。

19. 常见FAQ

如何计算气动执行器所需要的扭矩？

基本计算方法为：

所需执行器扭矩 = 阀门操作扭矩 × 安全系数

阀门操作扭矩应根据实际工况以及整个启闭过程中最高的相关扭矩确定。

气动执行器安全系数应该选择多少？

没有一个适用于所有应用的固定安全系数。

需要根据阀门类型、制造商建议、工作压力、温度、介质以及具体工况确定。

阀门DN尺寸可以直接决定执行器大小吗？

不能。

DN主要代表阀门口径，而执行器选型最重要的依据之一是：

阀门实际操作扭矩 + 执行器实际输出扭矩。

气源压力越高，执行器扭矩越大吗？

通常情况下，气源压力增加会提高执行器产生的驱动力。

但实际输出扭矩还受到执行器结构、活塞面积以及活塞位置等因素影响。

不同类型的阀门可以使用同一个执行器吗？

不一定。

即使两个阀门拥有相同DN尺寸，其实际操作扭矩也可能存在较大差异。

因此应根据具体阀门的扭矩要求进行选型。

单作用执行器应该如何选择？

需要确认：

1. 阀门操作扭矩

2. 失效位置

3. 最低气源压力

4. 弹簧扭矩

5. 动作频率

然后将这些参数与执行器的气源扭矩和弹簧扭矩数据进行匹配。

双作用执行器应该如何选择？

确定阀门操作扭矩以及现场最低气源压力。

然后选择在该气压下输出扭矩能够满足阀门要求，并具有合理安全余量的执行器。

结语

正确选择气动执行器扭矩，并不是简单地根据阀门DN尺寸选择一个执行器。

可靠的选型应该综合考虑：

阀门扭矩 + 气源压力 + 压差 + 工作温度 + 阀座材料 + 安全系数 + 执行器类型

核心原则可以总结为：

执行器输出扭矩 ≥ 阀门所需扭矩 × 合理安全余量

对于球阀和蝶阀，需要重点关注：

启动力矩、运行力矩、关闭到位力矩，以及执行器在最低工作气压下的实际输出扭矩。

正确的执行器扭矩匹配，可以帮助提高阀门自动化系统的可靠性，同时避免因扭矩不足造成的动作失败，以及因过度选型造成的不必要成本。

KINKO提供单作用和双作用气动执行器，适用于球阀、蝶阀、角座阀以及其他工业阀门自动化应用。

如果您需要选择合适的气动执行器，可以提供：

阀门类型 + DN尺寸 + 阀门扭矩 + 压力 + 温度 + 气源压力 + 失效位置 + 动作频率

KINKO可以根据实际工况帮助评估合适的执行器配置。

KINKO — Reliable Valve Automation Solutions