控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

                       控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

                       上海申弘閥門有限公司

4.9之前介紹自力式減壓閥彈簧頻跳，現(xiàn)在介紹控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
4. 9.1輸出力的考慮
    執(zhí)行機(jī)構(gòu)不論是哪種類型，它的輸出力都是用于克服負(fù)荷的有效力，而負(fù)荷主要是指不平衡力和不平衡力矩加摩擦力、密封力、重力等有關(guān)的作用力。為了使控制閥能正常工作，選配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力．保證嚴(yán)格的密封或閥門的開(kāi)啟。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇為使控制閥正常工作，所選執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來(lái)克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開(kāi)啟。執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型有三種，即氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直行程用薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，彈簧復(fù)位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)）；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥MOV）；液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？筛鶕?jù)輸出力、調(diào)節(jié)速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來(lái)選擇。通常選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在沒(méi)有氣源的場(chǎng)合選擇電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂崎y的執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧壓力范圍建議綜合考慮選擇60～180kPa（通常20～100kPa，40～200kPa兩種），彈簧硬，控制閥的穩(wěn)定性好；彈簧軟，輸出力大。耐雙作用的氣動(dòng)、電液、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般都沒(méi)有復(fù)位彈簧。作用力的大小與它的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)，因此，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于了解大輸出力或電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
    對(duì)于單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出力與控制閥開(kāi)度有關(guān)，控制閥上出現(xiàn)的力也將影響運(yùn)動(dòng)特性，因此，要求在整個(gè)控制閥的開(kāi)度范圍建立力平衡。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力為F，它的力平衡方程式為：
    F=F，+FM+FT+F"    (4—34)


式中：F，，    作用在閥芯上流體不平衡力，N 5
    FM    控制閥關(guān)閉時(shí)閥芯對(duì)闊座的密封力，N：
    F．一  閥桿與填料間的摩擦力，N；
    Fw -閥芯和各種活動(dòng)部件的重力，N。
    當(dāng)采用波紋管閥桿密封控制閥時(shí)，還應(yīng)該考慮波紋管隨控制閥開(kāi)度而變的阻力。
    式(4-35)中各種力的大小和方向隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型而變化，下面將討論典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：
    (1)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力
    帶彈簧的氣動(dòng)膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于膜片室信號(hào)壓力所產(chǎn)生的推力大部分被彈簧力所平
衡。因此，有效輸出力比無(wú)彈簧型要小。
    根據(jù)控制閥不平衡力的方向性．執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力有相應(yīng)的兩種不同方向，設(shè)+F表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下的推力，F(xiàn)表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)向上的輸出力，如圖4 3所示。是正作用式或反作用式的氣動(dòng)膜片搠衙機(jī)構(gòu)．它們的正向或反向輸出上的推力pA。與彈簧的反作用

a1正作用式    b）反作用式
  圖4-3膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力
    p.-彈簧范圍．相當(dāng)于使彈簧產(chǎn)生全行程變形量L所需加在膜片上的壓力變化范圍，Pa,
    Pi--彈簧的啟動(dòng)壓力，相當(dāng)于使彈簧產(chǎn)生預(yù)緊變形量L所需加在膜片上的壓力。彈簧在自由狀態(tài)時(shí)．p．-o．聲．可根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
    式(4-38)中的p。為有效的輸出壓力，是用來(lái)克服負(fù)荷的有效壓力，增大p r或增大有效面積A。，都可以提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸力F。
    目前，控制閥使用的彈簧范圍有20 kPa～60 kPa.20 kPa-100 kPa.40 kPa—200 kPa.60 kPa—l00 kPa.60 kPa-180 kPa籌多種，分別調(diào)整各種彈簧的啟動(dòng)壓力，可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有不同的輸出力。不同的彈簧范圍與不同有效面積的膜片相配之后，可得到不同的輸出力，表4 22中給出了輸出力的近似值。
表4-22氣動(dòng)膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力F 單位：IN

    (2)控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力
    常見(jiàn)的活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)有單向和雙向兩種作用方式，雙向活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上是沒(méi)有彈簧的，由于沒(méi)有彈簧反作用力，因此，它的輸出力比膜片式執(zhí)行機(jī)構(gòu)大，常用來(lái)做公稱尺寸DN較大、高壓差控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    式(4-41)說(shuō)明活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力與活塞直徑D有關(guān)，一般聲。和叩都一定（p。=0.5—0.6 MPa，叩一0.9）塞的直徑（見(jiàn)表4 23）。大工作壓力如和活塞缸效率≈因此．輸出力的大小主要決走于活表4-23活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力
  (3)不平衡力和不平衡力矩
    流體通過(guò)控制閥時(shí)，閥芯受到靜壓和動(dòng)壓的作用，產(chǎn)生使閥芯上、下移動(dòng)的軸向力和閥芯旋轉(zhuǎn)的切向力，對(duì)于直線位移的控制閥來(lái)說(shuō)，抽向力直接影響閥芯位移與執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號(hào)力的關(guān)系。因此，閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力．對(duì)于角位移的控制閥，如上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)的氣體減壓閥，水減壓閥,組合式減壓閥,球閥、蝶閥．偏心旋轉(zhuǎn)閥等，影響其角位移的是關(guān)閉件的軸受到的切向合力距，稱之不平衡力矩。
    影響不平衡力和不平衡力矩的因素很多，如控銅閥的結(jié)構(gòu)型式，公稱尺寸DNNPS流體的物理狀態(tài)等，如果工藝流體及控制閥結(jié)構(gòu)形式都已確定，不平衡力或 不平衡力矩主要與閥前后的壓差有關(guān)，也與流體與閥芯的相對(duì)流向有關(guān)。
    流體流向不同時(shí)，閥芯所受到的不平L衡力并不一樣，圖4 5表示單座閥正裝閥芯在兩種不同流向下，壓差不變時(shí)不平衡力與行程之間的關(guān)系曲線，圖中假定使閥桿受壓的不平衡力為“+”’使閥桿受拉伸的不平衡力為“一”，圖中上面一種在流流動(dòng)時(shí)使閥芯打開(kāi)．稱為流開(kāi)狀態(tài)，下；種在流體流動(dòng)時(shí)使閥芯關(guān)閉，稱為流狀態(tài)。


    圖4-5的曲線表明：閥芯在全關(guān)位置時(shí)不平衡力F。大．隨著閥芯開(kāi)啟而逐漸 4-5單閥座不平衡力與流體流向的關(guān)系變小，由于中間位置動(dòng)壓難以用公式表示，因此，在選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算作用力時(shí)，主要根據(jù)全關(guān)時(shí)來(lái)確定。
    對(duì)于流開(kāi)狀態(tài)．即閥桿在流體流出端時(shí)不平衡力F，，為：
式中：DMN -  閥座內(nèi)徑，mm; d，-闊桿直徑，mm,——一閥前壓力，MPa,P2-閥后壓力，MPa;土p-壓差，AP=聲t -P2．MPa。
    從式(4 42)可以看出，F(xiàn)。始終為正值．閥桿處于受壓狀態(tài)，另外，若DM~、△p、和Pz越大，則不平衡力F，趣大，因此，對(duì)于高壓差、公稱尺寸DN( NPS)大的單座閥，不平衡力是較大的。
    對(duì)于流閉狀態(tài)（高進(jìn)低出），即閥桿在流體流A端的不平衡力為：控制閥又稱調(diào)節(jié)閥，是執(zhí)行器的主要類型，通過(guò)接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變流體流量?？刂崎y一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的動(dòng)力，控制閥可以分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種。下面我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)控制閥在蒸汽系統(tǒng)中的選型和使用。蒸汽調(diào)節(jié)閥因其使用介質(zhì)的高溫高壓，故在選型時(shí)頗有講究，如果選型不當(dāng)，則會(huì)在使用過(guò)程中頻頻出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。下面我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)談?wù)務(wù)羝{(diào)節(jié)閥的選型及使用中需要注意的一些問(wèn)題。
一家大型化工企業(yè)，需要用蒸汽減壓閥來(lái)控制反應(yīng)罐的溫度，蒸汽來(lái)自熱電廠的蒸汽余熱，溫度200℃左右，壓力1.2MPa左右，要求用蒸汽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制蒸汽壓力的恒定，閥門進(jìn)口壓力0.8～1.0MPa，出口壓力0.4～0.5MPa。開(kāi)始選型時(shí)，因?yàn)闆](méi)有弄清楚現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，選用的是電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，使用不久就故障頻頻，執(zhí)行器電機(jī)燒壞、控制模塊損壞、減速齒輪打壞的事，屢屢發(fā)生。


    從式(4-43)可以看出，對(duì)小流量閥及公稱尺寸DN (lxIPS)小的高壓閥-由于dr≥D…故F。為正值，閥桿受壓；對(duì)于DN15以上的單座閥，因Dv、》dF，F(xiàn)，為負(fù)位，因此閥桿受拉；閥的公稱尺寸在此兩者之間，即DM。>d，時(shí)，從公式分析可知，F(xiàn)，，可能為正，也可能為負(fù)．與本產(chǎn)品相關(guān)論文：壓縮空氣減壓閥在萊鋼應(yīng)用