智能液压调节阀门设计与关键技术分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 5年 第 1 1期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 2 2 智能液压调节阀门设计与关键技术分析 钟小艳 ， 裴 蕾， 王二强 湖北三江航天红峰控制有限公司， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 摘要 随着调节阀门市场的不断扩大， 企业对调节阀门提出了不同的性能要求， 调节阀门正在向着高技术含量、 参数化、 长寿命 、 智 能化等方向发展。设计了一种智能液压调节阀门， 并对其工作原理 、 结构设计和关键技术进行了详细的阐述。智能液压调节阀门的 设计开发， 使调节阀门更加广泛地应用于各个行业当中， 尤其可以满足航空航天领域对调节阀门提出的特殊要求 ， 对阀门行业当中其 他阀门的设计具有重要的参考价值。 关键词 智能液压调节阀门； 结构设计； 关键技术 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 1 1 0 0 6 8 - 0 3 De s i g n a nd Ana l y s i s o f Ke y Te c h n ol o g y f o r t h e I n t e l l i g e n t Hy d r a ul i c Re g u l a t i n g Va l v e Z HONGXi a o Y a n , PE IL e i, W ANG Er - q i a n g H u b e i S a n j i a n g Ae r o s p a c e Ho n g n g L i mi t e d C o mp a n y , Xi a o g a n 4 3 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h t h e ma r k e t o f t h e r e g u l a t i n g v a l v e t o e x p a n d ， the c o mp a n y n e e d tha t i t h a s the d i ffe r e n t p e r f o r man c e s ． I t i s d e v e l o p i n g t o h i g h - t e c h ， p ara me c ， l o n g l i f e ， a n d i n t e l l i g e n t ． De s i g n i n g a n i n t e l l i g e n t h y d r a u l i c r e gu l a t i n g v a l v e ， the a u t h o r i n t r o d u c e d i t s the o r y ,s t r u c - t u r e d e s i g n a n d t h e a n a l y s i s o f k e y t e c h n o l o g y ． T h e r e gu l a t i n g v a l v e i s mo r e wi d e l y u s e d i n v a r i o u s i n d u s t r i e s d u e t o the d e s i g n o f t h e i n t e l l i g e n t h y dra u l i c r e g u l a t i n g v a l v e ， a n d me t the s p e c i a l r e q u i r e me n t s i n t h e a e r o s p a c e fi e l d ， b y p r o v i d i n g a n i mp o r t ant r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n o f o the r v a l v e ． Ke y wo r d s i n t e l l i g e n t h y dra u l i c r e gu l a t i n g v a l v e ； s t r u c t u r e d e s i g n； k e y t e c hn o l o gy 0 引言 阀门的系统集成化智能化趋势 日 趋明显 ， 随着行 业装备 条件 、 技术水平 的不断提高以及企业对产 品不 同性能的要求n 。调节阀门产 品正在 向高技术含量 、 高参数、 长寿命、 智能化方向发展 ， 高端智能阀门是阀 门的一种发展趋势口 ] ， 运用于电站 、 石油化工以及 国防 等领域， 具有广阔发展潜力。 智能调节阀门作为一种执行机构 ， 是在传统执行 机构基础上开发出来的自动控制系统 ， 能最大限度地 对 阀门的工作进行操纵和监控 ， 并且具有系统 的安全 保护功能。国外已从生产机械式， 电子式过渡到智能 型和总线型的电气阀门定位器[4 1 ， 具有人机交互功能 ， 通用性强， 安装 自动调校 ， 采用工作参数组态 、 数字信 号传输以及高的技术性能指标。德国费希尔公司、 日 本山武公司、 英国艾普克公司、 法国伯纳德公司均生产 高性 能智 能阀门 ， 德 国和法国已将智能 阀门运用到铁 路运用领域 。我国 目前生产 的阀门定位器大都是基于 喷嘴挡板工作原理的机械式定位器 ， 品种多， 通用性 差， 零件多结构复杂， 安装调校费力 ， 故障率高， 维护困 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 6 作者简介 钟小艳 1 9 7 2 一 ， 女， 湖北秭归人 ， 工程师 ， 大专 ， 主要研究方 向为工装设计和阀门设计研究。 6 8 难， 功能简单 ， 性能指标差， 从事智能阀门设计与制造 的厂家较少。因此， 设计了一种智能液压调节阀门， 并 对其工作原理、 结构设计和关键技术进行了分析。 1 智能液压调节 阀门工作原理 和结 构 设计 1 ． 1智能液压调节阀门的工作原理 智能液压调节阀门从结构上分为阀门、 执行机构 和控制三部分， 从功能上又分为阀门单元、 控制单元和 减速单元三个相互独立的单元 ， 是由齿轮带动齿条使 阀杆在 阀体 内上下来 回运动 ， 调整 阀瓣组件 的开合度 ， 对流量起 到调节作用 ， 在不 同压力情况下 ， 阀瓣组件的 开合度不同， 形成的流量也不同。智能液压调节阀门 内部采用O型圈和螺纹对介质进行密封， 最高承受压 力 3 0 MP a 。智能液压调节 阀门的工作原理如图 l 所示。 图1智能液压调节阀门的工作原理 1 ． 2 执行机构 的工作原理 智能液压调节 阀门执行机构是通过电动执行机构 带动谐波减速器转动 ， 谐波减速器带动 圆柱直齿 轮运 篁 在 减速器上 预留了手动接 口， 保证 阀门的机械零位 和 电气零位更好 的重合 ， 从而保证产品的装配精度。 动， 圆柱直齿轮带动齿条做直线运动， 齿条与阀杆通过 销连接起来， 在阀体内带动阀杆做直线运动， 从而控制 阀瓣组件的开合程度， 实现阀门开启或关闭， 对不同流 量进行控制。由传感器将 出口处地流量值反馈给系 统， 通过与设定值的比较， 控制阀瓣组件的开合度增大 或者减小， 使出口达到需要的恒定流量值。开合度增 大 或者 减 小 是 通 过 电动 舵 机 的 正反 转 调 整 系 统实 现的。 1 ． 3控制器的工作原理 控制器与专用测试设备配合完成智能液压调节阀 门的各种工况控制。控制器接收控制中心传送来的控 制命令信号， 经过运算转换为可以接收的信号 ， 角度传 感器反馈智能调节阀门实际开度电压信号经过运算转 换为相应的信号， 该信号传送到显示器进行开度显示 ， 另一方面将结果传送回控制中心 ， 控制器通过实际工 作反馈信号与控制中心控制信号的大小比较 ， 执行比 较结果 ， 控制电动执行机构 中电机 的正方向、 反方 向 转动或者停止转动， 从而实现阀门开、 关、 停止等控制 ， 对智能液压调节阀门工作故障进行报警处理。智能液 压调节阀门的控制原理如图2 所示。 图 2 智能 液压 调节 阀门的控制原理 1 ． 4 智能液压调节 阀门的结构设计 智能液压调节阀门采用了分体式结构， 三大部分 相对独立， 可分体装配后组合， 保证了产品的拆卸方便 性。通过机械加工成型 ， 结构零件数量少， 装配工作量 小 ， 工装少 ， 容易实现模块化和互换性。各部分的连接 采用了螺纹或者螺栓方式， 结构简单， 工艺性也好。智 能液压调节阀门主要由阀体、 齿条、 电动执行机构 、 密 封圈、 支承板、 柔性导套和控制箱等零部组件组成。智 能液压调节阀门的三维结构模型如图3 所示。 智能液压调节阀门为了满足不同工况下系统 的正 常使用 ， 产品零件的主要材料选用为1 C r l 8 N i 9 T i 、 铝合 金、 2 C r 1 3 、 聚四氟乙烯和橡胶等材料， 保证良好的密封 性能。同时， 为了提高产品的装配性、 测试性和可维修 性， 在设计控制系统结构的时 ， 将各功能组件分区、 分 段 布置 ， 同一印制板 引出 的接插 件尽量安装 在一起 。 图 3 智能液压调节 阀门三维结构 模型 智能液压调节阀门结构采用减速齿轮带动阀杆上 下运动 ， 控制器采用铝件箱体式结构 ， 电动执行机构采 用直流伺服电机， 执行机构、 箱体通过转接板与阀体箱 连接 ， 采用模块式组合， 方便制造和维修。智能液压调 节阀门结构设计能够承受3 0 MP a 的强度 ， 具有较高的 安全性。产品供电采用2 7 V直流电源， 不会对操作人 员产生任何危害， 具有较强操作安全性。 2 智能液压调节阀门关键技术分析 2 ． 1 智能液压调节 阀门位移检测和控制 阀门位移检测采用高精度电位器采集， 通过齿轮 转接， 齿条运动带动电位器转动， 输出电压信号， 经过 滤波放大和A D 转换 ， 输入处理器进行数据处理， 得到 阀门的实际开度。控制器接受控制系统4 2 0 m A信 号， 处理后得到设定开度， 通过设定开度与实际开度对 比， 通过软件输出信号控制电机转动 ， 使阀门达到设定 开度。 根据设定开度与实际开度差值的大小， 通过软件 的数据处理 ， 利用处理器输出 P WM波形 电流来控制电 机转动。当二者差值很大时 ， 输出占空比大的P WM 波， 或者输出连续的高电平， 当二者差值小时， 输出占 空比小的P WM波 ， 通过P WM波的控制使电机能够快 速准确达到设定位置。 2 ． 2 软件设计 系统主芯片采用 M S P 4 3 0 系列单片机， 该芯片具有 超低功耗、 集成度高、 外围设备丰富等优点。产品软件 主流程 图如图4 所示 。 为保证电机的稳定性， 采用 P I D控制算法， 当设定 开度与实际开度差值较大时， 取消P I D运算中的积分 项， 适当增大比例项系数 ， 达到快速调节的目的， 当差 值减小时 ， 积分项投入运算 ， 达到准确定位的目的。 P I D控制算法 的运用大幅提高了控制调节阀的准确度 和稳定性。 下转第7 3 页 6 9 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 01 5 4 3 3 4 的规定 ； 6 阀体铸件外观质量符合J B ／ T 7 9 2 7 的规定； 7 阀体铸件不允许补焊 ； 8 加工后组合主、 副阀体， 1 0 0 ％进行水压强度试 验和气密试验 ， 发现并排 除不合格品。 2 原材料 1 零、 组件材质符合图样规定的牌号并进行人厂 复验 ， 取样进行化学成分分析和力学性能试验 ， 应符合 G B ／T2 0 8 7 8 的规定； 2 奥氏体不锈钢材料须按G B ／ T 1 2 2 0 表A ．4 的规 定进行固溶处理； 3 马 氏体不锈钢材料按 G B ／ T 1 2 2 0 表 A． 1 的规定 进行热处理。 3 零、 组件加工 重点控制与球阀密封性 、 动作性能相关的零件， 如 阀体、 球体、 密封座、 阀杆、 填料等、 填料压盖等的重要 结构部位的加工过程， 固化到工艺规程中。重要结构 参数实行“ 三检” 并保持记录。 4 装配和试验 1 全部零、 组件均进行脱脂处理和清洗、 吹扫， 严 格实施多余物控制措施； 2 装配过程 1 0 0 ％进行操作力矩检i 贝 0 ， 既确保密 封性能又保持适宜的操作扭矩， 动作灵活无卡滞现象； 3 1 0 0 ％进行正 、 反 向 内密封性能 以及 外密封性 能检验 ， 确保加注球阀密封可靠 ， 无泄漏 ； 4 试验后用洁净 、 干燥的气体吹扫 ， 确保无多 余物 ； 5 接 口妥善封堵后包装 ， 防止发生二次污染。 4 结语 本文结合工作实际， 针对球阀的制造和使用特点 ， 运用可靠性技术， 开展了球阀制造过程质量控制和可 靠性增长工作， 采取措施对制造过程的质量实施有效 控制方法， 促进了球阀质量和可靠性的提高。 参考文献 [ 1 】 周正伐． 可靠性工程基础【 M 】 ．北京 中国宇航出版社， 2 0 0 9 ． [ 2 】 杨源泉． 阀门设计手册【 M】 ． 北京机械工业出版社， 1 9 9 2 ． [ 3 】 高泽普， 等． 不锈钢球 阀密封结构探讨[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 ， 1 0 1 9 5 1 9 6 ． [ 4 】 G B ／ T 1 2 2 0 - 2 0 0 7 ， 不锈钢棒[ S ] ． [ 5 】 G B ／ T 2 0 8 7 8 - 2 0 0 7 ， 不锈钢和耐热钢牌号及化学成分【 S ] ． [ 6 】 G B 1 2 2 3 0 - 2 0 0 5 ， 通用阀门奥氏体钢铸件技术条件【 s 】 ． [ 7 ] G B ／ T 4 3 3 4 2 0 0 8 ， 金属和合金腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方 法 [ S 】 ． 【 8 】 J B ／ T 7 9 2 7 - 1 9 9 9 ， 阀门铸钢件 外观质量要求[ s 】 ． 上接第6 9 页 输出信号 电机正转 开始 ’ -_ ， i 襁始化 采集设定开度值 F 1 实际开度值 F 2 较设定开 实际开度 输出信号 电机反转 I 输 出信号 电机I l停止转动I 图4 主流程 图 2 ． 3 手动控制和 系统远程控制 通过键盘可将调节阀切换至手动控制模式， 手动 控制模式的加入能够灵活的满足不同用户在不同场合 的需求 。为满足现代系统控制要求， 添加H A R T 通信 模块 ， 能够与上位机之间通过通信直接控制阀门的开 度， 为在危险区域等地方的使用提供良好媒介。 3 结语 智能液压调节阀门采用机电一体化设计， 与传统 的调节阀门相比， 可以通过修改P I D算法回路， 对智能 液压调节阀门出口流量进行连续监测或者精确测量， 使得条件变化时， 系统对各种变量控制效果最佳。智 能液压调节阀门的量程比可以达到 1 0 0 1 ， 因此可用于 大量程比的流量测量。智能液压调节阀门的设计开 发 ， 扩展了调节阀门在工业领域中的应用。解决了危 险作业和航空航天领域对调节阀门智能控制的需求。 对同类产品的设计开发具有借鉴作用。 参考文献 [ 1 】 贾 自平． 浅析调节阀的发展趋势【 J ] ． 宁夏机械， 2 0 0 6 ， 3 2 - 3 ． [ 2 ]2 刘延俊， 孔鹏， 杨振华． 大流量混合煤气调节阀稳压伺服控制 系统研究『 J 1 ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 1 5 1 7 1 8 ． [ 3 】 罗 瓦． 马留诺尤， 英． 波斯希纳 ， 麦． 斯多依卡著． 调节阀[ M】 ． 赵理光， 牛玉兰， 译． 北京 烃加工出版社， 1 9 8 5 ． 【 4 ] 陆培文． 调节阀实用技术【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 】5 易继锴， 侯嫒彬． 智能控制技术【 M】 ． 北京 北京工业大学出版 社， 1 9 9 9 ． 【 6 】 李 国勇． 智能控制及其 MA T L AB 实现【 M] ． 北京 电子工业出 版社， 2 0 0 5 ． f 7 】 杨源泉． 阀门设计手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 2 ． 7 3