来源：Valve Magazine（VMA 会刊），2020 年 10 月 6 日。作者：John V. Ballun, P.E.（Val-Matic Valve & Mfg. Corp. 总裁兼 CEO）。本文为中文编译版，原文链接：https://valvemagazine.com/articles/new-requirements-for-actuator-sizing/。原文图 1（蝶阀结构）与图 2（转矩曲线）仅见于印刷版，网络版未随文保存；题图为 Val-Matic 蜗轮传动蝶阀产品图。
蜗轮蜗杆传动的蝶阀（图源：Val-Matic）
困扰业界数十年的模糊做法之后，美国给水工程协会（AWWA）终于为执行机构选型制定了新标准，厘清了诸多困惑，并明确了安全系数的应用位置。
AWWA 于 1954 年发布了第一部角行程阀门标准：AWWA C504《橡胶密封蝶阀》。在后续版本中，逐步形成了一套方法论，供制造商建立系数并计算阀门在正常运行工况下所需的操作转矩。阀门的几个转矩分量及其系数被逐一定义：关座转矩、轴承摩擦转矩、静水转矩、动态转矩等——它们随阀门口径、操作压力和流量变化很大。
更复杂的是，经验表明阀门的安装方式与上游流动条件对阀门转矩也有显著影响。例如，蝶阀若紧挨弯头或泵的下游安装，管道中不对称的流速分布会引起明显更高的动态转矩。
为理解角行程阀门转矩，我们走一遍蝶阀的开阀行程。蝶阀由阀体（与管道螺栓连接）、阀板和轴组成——轴在阀体中的径向轴承内旋转；密封系统由弹性阀座和不锈钢配合面构成，在全压力下实现零泄漏。
关闭位置时，阀板通常承受很大的压差，产生的力传递到轴承上。开启蝶阀时，施加在阀轴上的执行机构转矩，须等于弹性阀座、填料和轴承面周围的摩擦力之和。行程中段，轴承摩擦力下降，但流体流动会在阀板上产生不平衡的气动力量，形成动态转矩。
利用基于测试的流量系数和转矩系数，制造商计算并绘出转矩曲线：0 度（全关）位置转矩最高——那是关座、轴承和填料转矩的叠加；从 0° 到 90° 的行程中，动态转矩和轴承转矩按曲线规律变化。这些数据点就是行程中每个位置的最小需求轴转矩（MRST）。
手轮或帽头式执行机构的选型分两步：第一，执行机构的额定值必须大于行程所有位置的 MRST；第二，考虑执行机构在每个位置的效率与机械增益，计算出所需的输入转矩——使手轮轮缘拉力不超过 80 磅、帽头转矩不超过 150 英尺·磅（或类似准则）。某些情况下可能需要更大的手轮或加一级正齿轮。
油缸/旋叶式执行机构用液压或气压对阀门远程操作。选型总体上基于机械增益、效率和最低供气压力三项参数，且需要一个安全/应用系数（AF）——用于补偿控制元件和缸体管路造成的供压损失。油缸执行机构与控制系统的构造与运行在 AWWA M66 手册中有详细描述。此外，许多油缸执行机构带弹簧以实现故障开/故障关，弹簧力必须加到 MRST 上。用气源控制阀门位置时，由于气体的可压缩性，需要更高的 AF 来保持稳定。
电动执行机构的齿轮部分，额定值必须大于 MRST。"齿轮+电机"整体按机械增益、效率、最低供电电压和所需运行速度来选型。电动执行机构配有限位和转矩开关，保护齿轮和阀门不承受过大的电机转矩。AF 的作用是保证现场条件变化或阀门部件随时间退化时执行机构仍能安全运行；调节工况下频繁的启停则要求电机选型留更大的安全余量。电机还必须在不堵转的情况下输出 1.5 倍的 MRST。
按 AWWA C504，执行机构选型转矩（AST）由执行机构制造商计算，等于 MRST × AF。这些要求已加入 2015 版的 AWWA 蝶阀和球阀标准；AWWA 标准委员会正努力把它们写入适用的动力执行机构标准，以在全行业给出一致的方向。
关于作者：John V. Ballun, P.E.，Val-Matic Valve & Mfg. Corp. 总裁兼 CEO，Valve Magazine 常驻撰稿人。
