OMAL 歐瑪爾撥叉式變扭矩—氣動執行器技術成果及應用分析

對于熟悉流體控制系統和集成設備的能源行業工程師而言，使用執行器和閥

門有什么要點需要額外注意？首先，就現有使用情況來看，石油化工和天然氣等

技術業界對于產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，在系統連接方面可保證長期的

穩定性，滿足能源行業對溫度、環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，

相對于常規系統，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

地內安裝，在小的空間擁有大的功能，這對大規模流體控制系統，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提

供了必要的服務支持，創新技術與系統能效優化方案的高度融合，使流體設備的

應用產生了極大的改變。作為世界上少數既生產執行器又生產自控閥門的制造廠

商之一，OMAL 歐瑪爾對產品的技術性能、應用質量、工藝配套、能耗和技術

支持、維修保養、環境和安全保障等方面予以整體考慮，特別是生產研發的以撥

叉式結構技術為基礎的氣動執行器，由于啟閉轉矩和動態響應靈敏、性能安全可

靠、滿足惡劣環境應用等特點，在油氣管道行業的自控系統中占有較大優勢。

大力矩的撥叉式結構設計

目前角行程氣動執行器主要有齒輪齒條式和撥叉式兩種，對比電動執行機構

均具有結構簡潔、動作響應速度快、安全防爆等優點，隨著 60 年代的化工業發

展需要，得到了越來越廣泛的應用。

但具體到內部結構設計上，撥叉式氣動執行器與齒輪齒條式執行器之間有很

大區別。齒輪齒條式執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

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

動來產生扭矩，轉動銷在撥叉盤滾動槽內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you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

中發現，撥叉式執行器可產生比齒輪齒條式執行器大 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行器產生的力矩對比：力臂：L1 > L2 , 力矩 M=FL ,當 F 相同時，

M1 > M2 ,即撥叉式結構可產生比齒輪齒條式更大的力矩）

（圖 2—撥叉式執行器和齒輪齒條執行器的力矩曲線圖形）

撥叉式氣動執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 歐瑪爾氣動執行器的耐用性比齒輪齒條式執行器大 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—齒輪齒條式執行器在應用中受損的直齒條現狀圖）

*優良的密封和潤滑技術：

與傳統的 O 形圈活塞密封不同的是，OMAL 采用其*的 PTFE（特氟隆）填充碳石

墨的密封環，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，摩擦系數有效降低，讓活塞的運動更加平穩。傳

統 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

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、無須潤滑等優點，能夠在高

溫、污染、腐蝕等環境下使用，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 歐瑪爾使其變為可能。

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體積更靈巧：

齒輪齒條式氣動執行器的齒條厚度加大了尺寸缸筒內徑，但無法增加有效力

臂長度，在產生同樣啟閉扭矩時，OMAL 歐瑪爾撥叉式氣動執行器的嵌入式結

構可以更有效利用缸筒內部空間，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 歐瑪爾的執行器在這一點上體現出了巨大優勢。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

工程設計和產品選型的重要指標之一。

盡管一組執行器或閥門所降低的能耗并不像單一的生產設備那樣可以直觀衡量，但系統的優

化往往更能顛覆性地實現環保節能。在同等承壓下，體積更小的設備能很好地滿足油氣管道

企業盡量使生產設備少占用生產場地的需要，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省數百萬元因為要提供氣源而產生的能源浪費。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行器，但在安

裝中發現管線密集且工況要求較高的地方，齒輪齒條式執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“撥叉式執行器+平板球閥”的解決方案，在其自

控系統中發揮了重要作用。

堅持創新：

為了讓執行器更具可靠性及對系統工況變化有更好適應性，OMAL 歐瑪爾

長期推進著創新技術在其產品領域的應用，其創新性管理涵蓋整個價值鏈——

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從產品設計和開發，到產品生產、銷售和服務。在公司內部，可靠性研究工作從

未間斷過，研發的每款產品都制定了相應的可靠性規格和過程實施計劃，并成立

了專門的研發團隊，在設計階段就為產品制定嚴格的可靠性要求。如特別針對產

品實行專業的“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

測試產品的性能。以撥叉式執行器為例，在測試過程中經受超過 150 萬次的工

作循環測試，在實際應用中，甚至經受了超過 4500 萬次的循環工作。

在生產領域，OMAL 歐瑪爾全過程已實現高度的自動化、精密化和智能化，

包括數字技術和三維空間檢測技術在內的智能系統對所有生產階段進行跟蹤和

檢驗，生產過程中的每個環節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，對流體設備的穩定運行、傳輸和變換應用提出了

更迫切的需求，傳統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，除了為用戶提供產品外，還需要利用*創新技術改進流體設備結

構、實現系統升級換代、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

諸多能源企業來說，如何逐步與產品質量好、企業信譽高、綜合性價比合理的制造廠建立起

長期的合作伙伴關系，根據生產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

外發展趨勢，落實新設備新技術，也正在日益成為一個新的研究課題。