角行程调节阀力矩特性及驱动机构的选用.pdf

文章编号 100225855 2007 0520030203 作者简介常占东1973 - ,男,工程师,从事调节阀的开发与研究。 角行程调节阀力矩特性及驱动机构的选用 常占东 吴忠仪表股份有限公司,宁夏 吴忠751100 摘要 分析了几种旋转类调节阀的力矩特性,介绍了适应其力矩特性或工况要求的驱动装置 选型方法,根据负载特性选用驱动装置,将提高控制系统的可靠性,确保系统经济高效运行。 关键词 旋转类调节阀;力矩特性;选型 中图分类号 TH134 文献标识码 A Analysis of torque characteristics of ball control valves and choose of corresponding driving equipment CHANG Zhan2dong Wuzhong Instrument Co ,. Ltd , Wuzhong 751100 , China Abstract The subject has placed emphasis on analysis of torque characteristics of several ball control valves, and analyzed the choice of driving equipment which matches with the corresponding torque characteristic and the requirements of working condition. We can choose the driving equipment can be chosen according to loading characteristic.In this way , the reliability of control system will improved dramatically to ensure that the system economy runs efficiently. Key words ball control valves; torque characteristics; choice 1 概述 旋转类调节阀作为控制系统中的一类控制装 置,其应用领域及使用范围随结构功能的改进及控 制元件的配套逐步扩大。旋转类阀因其可靠快速的 切断特性以及耐气蚀、高压差、寿命长、易维护和 流阻小等特点,在各类控制管线中越来越受到欢 迎,其中部分产品不但可以作为切断阀使用,而且 可以用于调节功能。但是,在阀体组件结构因适应 工况要求发生变化的同时,其驱动装置也在发生着 变化。本文分析了常用的几种旋转阀的力矩特性, 并对适应其力矩特性的驱动装置选用加以分析,以 避免因驱动装置选用不当而造成浪费或事故。 2 球阀力矩分析 球阀是旋转类阀中常见的一种,从球体的形状 上分类有整体球和部分球两种结构,从球体的固定 方式分类有浮动球及固定球两种形式。球阀力矩主 要是介质压力和密封预压力挤压球体,与阀座之间 产生摩擦力矩。当球体在0 ～90 全行程的运行过 程中,随开度的增大球体因受压面减小及压差的下 降,力矩也相应下降图 1 。当球体自关闭向打 开方向旋转时,首先要克服密封比压及管道介质在 阀前后造成的压差及填料等摩擦因素产生的静力 矩,当驱动力大于静摩擦力时,球体便开始转动。 所需力矩因从静摩擦转变为动摩擦而有所减小,当 球心转过阀座密封线,阀前后介质贯通,压差也逐 步减小,从而动摩擦力矩也在随开度的加大而减 小。 211 球阀阀杆力矩 球阀阀杆力矩MF为 MF MQF MFT1 式中 MQF 球体与阀座密封面间的摩擦力矩, Nm MQF πDMPpfM R 1cosφ 8cosφ 2 DMP 阀座密封面平均直径, mm fM 摩擦系数 R 球体半径, mm MFT 填料及滑动轴承对阀杆的摩擦力 03 阀 门 2007年第5期 矩, Nm 阀座在阀体活动套内的浮动球阀,可以实现进 出口双阀座密封,因而MQF计算应以两个阀座对 球体产生的摩擦力矩计算,即 MQF MQF1 MQF2 MQF2′3 式中 MQF1 进口阀座对球体产生的力矩, Nm MQF2 球体与出口阀座密封面间的摩擦 力矩包括密封预紧力及介质作 用力 , Nm 图1 球阀开度与力矩的关系 212 固定球球阀力矩 固定球结构用于DN200 mm以上,为保证可 靠的密封效果一般都采用双活塞效应阀座结构,所 以两个阀座与球体也紧密接触,但进口阀座产生的 摩擦力仅为预紧力产生,而出口阀座的力矩是由两 部分组成的,即除了预紧力之外还有介质工作压力 产生的摩擦力矩。固定球阀力矩组成为 MF MQF1 MQF2 MQF2′ MFT MZC4 式中 MZC 滑动轴承产生的力矩, Nm 无阀座套浮动球阀的力矩组成比较简单,因阀 前介质压力的作用对球体产生推力,而球体又为浮 动式,因而可以向出口阀座移动,力矩以介质推力 产生的压力与出口阀座间产生的摩擦力为主。而有 活动套筒的浮动球阀,为使密封比压达到可靠密封 的效果,进口阀座除预紧力产生的摩擦力矩外还有 介质对进口阀座的作用力而产生的摩擦力。出口阀 座与球体的摩擦力矩是由作用于活动套筒外径面积 上的介质作用力而产生。而固定球阀因球体的不可 移动,为达到密封效果,必须施以预紧力,同时靠 特殊的双活塞效应使阀座靠两个面积差造成的压力 差使阀座向球体靠近从而实现密封。 3 蝶阀力矩 蝶阀因其在60 的行程内流量特性近似等百分 比及密封结构的逐步完善,使得蝶阀可作为调节阀 和截止阀使用,因而蝶阀在调节工况中具有扩大使 用范围的优势。蝶阀有中线蝶阀、单偏心蝶阀、双 偏心蝶阀及各种三偏心蝶阀,但其水力力矩特性相 似,即可因蝶板不同转角其蝶板前后的流体流场的 复杂变化,使得蝶阀无法准确的计算在某个开度下 的水利力矩。蝶阀力矩MD为 MD MM MC MT Mj Md5 式中 MM 密封面间摩擦力矩, Nm MC 阀杆轴承的摩擦力矩, Nm MT 密封填料的摩擦力矩, Nm Mj 静水力矩, Nm Md 动水力矩, Nm 蝶阀在关闭时蝶板密封面与阀座密封面才能完 全接触,因此密封面间的摩擦力矩MM是在关闭 时才产生的,在开启或关闭的过程中MM值为零。 Mj静水力矩指蝶阀卧装因蝶板上下水压不同而产 生的静水力矩,但是在阀杆垂直安装时便不存在静 水偏置力矩。对于动水力矩,常用的计算公式为 Md 210- 9 gμ9HD3 ζ9ζ0 2gH V02 6 式中 g 重力加速度, m/ s2 μ9 蝶板开度为α角时的动水力矩系数 H 最大水压头, mm D 蝶板直径, mm ζ9,ζ0 蝶板开度为α角及全开时的流 阻系数 V0 全开时介质的流速, m/ s 简易计算公式为 MdξD3Δp7 式中 ξ 转矩系数 Δp 阀前后压差, MPa 利用式6和7计算的困难在于动水力矩 系数、流阻系数和转矩系数几乎无法从手册查到, 在选型计算时,用户往往不能提供计算所需的必要 参数,因此一些厂家的选型仅仅从经验及数据的对 比上进行驱动执行器的配套。对于选型人员来说, 公式越简单越实用。对于简易公式只要确定了阀所 在开度时的转矩系数,便可计算动水力矩。转矩系 数通过模拟试验,其变化趋势如图2 ,而阀前后压 132007年第5期 阀 门 差经试验其变化基本上呈线形图2中向下走势曲 线 , 通过简易公式得出动水力矩与转矩系数及压 差的乘积成正比,由此可以得出蝶阀的力矩曲线 图 3 。从图3可以看出蝶阀开度在60 ～70 时动 水力矩达到最大。60 之后阀的近似等百分比调节 特性不再存在,而且力矩特性也发生了变化。 图2 蝶阀转矩系数 图3 蝶阀力矩特性 4 凸轮挠曲阀力矩 凸轮挠曲阀可以归类到球阀类,它的动作密封 形式与偏心球阀的原理类似,但是凸轮挠曲阀是通 过主轴带动偏心球冠在转动,一般转角在60 。当 偏心球冠旋入阀座后便与阀座紧密接触,并通过驱 动力产生密封比压,因此凸轮挠曲阀只有在球冠与 阀座接触后才产生摩擦力矩,在关阀过程中需要克 服因偏心引起的偏置力矩,但是在开阀过程中,偏 置力是有助于阀的打开的。其力矩特性类似于偏心 蝶阀,凸轮挠曲阀的关阀力矩是大于开阀力矩的。 偏置力矩M1为 M1 D′H′ 2Δp 2 8 式中 D′ 阀座直径, mm H′ 偏心距, mm 5 旋转阀常用驱动装置 旋转阀以60 和90 转角为主。旋转类阀的驱 动装置有活塞拨叉式、活塞齿轮齿条式和曲柄连杆 式3种图 4 。由于结构不同, 3种驱动装置的输 出力矩特性不同图 5 。 a活塞拨叉式 b活塞齿轮齿条 c曲柄连杆 图4 驱动装置 11 活塞拨叉式驱动装置 21 活塞齿轮齿条驱动装置 31 曲柄连杆驱动装置 图5 执行机构输出力矩特性 1活塞拨叉式 活塞拨叉执行机构的力矩 输出是因气压作用在活塞上,活塞的直行程运动推 动拨叉输出力矩,因拨叉在转动过程中,受力点及 力臂的大小是发生变化的,因此拨叉式执行机构力 的输出是发生变化的。 2活塞齿轮齿条式 活塞齿轮齿条式驱动装置 的活塞端部设计成齿条结构,力矩的输出是齿条推动 齿轮轴的转动产生的,力矩输出特性为直线型。 下转第35页 23 阀 门 2007年第5期 在衔铁上,使其偏离中心位置。挡板连接着衔铁, 由此可在喷嘴之间形成不相等的间距。高压油流通 过节流孔从喷嘴喷出供油。由于衔铁偏离了中心位 置而带动主阀芯移动,使得液压油流进或流出铰接 式油缸,从而带动输出轴旋转。油缸的动作被传递 到控制部件,也通过反馈条和连接装置传递给伺服 阀。反馈弹簧因此被拉紧或放松,从而作用一个与 输入信号产生效果相反的力在衔铁上。当阀杆到达 新的位置时,作用在衔铁上的力平衡了,挡板回到 喷嘴中间,活塞杆和阀杆便停止运动。执行机构的 角度输出位移与输入信号成比例关系。 由于受到结构的限制,紧凑型角行程液压伺服 执行器的力矩一般为40～4 500Nm ,角度行程为 70 ～90,速度为4 ～35/ s。紧凑型角行程液压伺 服执行器适合于各类蝶阀。 4 标准型液压伺服执行器 标准型液压伺服执行器的工作原理如图3所 示。由电机驱动双泵经过过滤器和伺服阀把液压油 送入油缸中,实现活塞杆的伸出或收回动作。在要 求大范围动作的情况下,液压系统需要较大的流 量,低压大流量泵和高压小流量泵同时供油到油 缸,此时系统压力低一些。在要求小范围动作或高 压力动作的情况下,液控换向阀阀芯左移,低压大 流量泵处于循环状态即直接回油箱 , 系统仅由 高压小流量泵供油到伺服阀。系统的最高压力由溢流 阀来调定。这样可确保在低压大范围动作的情况下有 足够的油量使活塞以所需的速度运行,又可以避免执 行器高压运行时过多的发热。测压点监测液压泵的压 力,压力表监测蓄能器的压力。溢流阀是经TV检 测的安全阀,用于控制蓄能器的最大压力。油缸的运 行速度是由伺服阀来控制,但其最大的运行速度是由 单向节流阀控制。在油泵不供油或系统失去油压的情 况下,液控换向阀组动作,使得蓄能器直接把压力油 供给油缸,以实现阀门紧急打开或关闭的动作。在断 电时,油缸也可以通过手泵和手动换向阀进行手动双 向运行。在电机断电时,液控单向阀锁住,中断了伺 服阀和油缸之间的液压通路,将油缸活塞锁定在故障 发生时的位置。配备了蓄能器的执行器,可将活塞移 动到预先设定的位置。执行机构的直线输出位移与输 入信号成比例关系。 标准型液压伺服执行器的推力最大可以到 1 000 kN ,行程没有限制,速度为2～40mm/ s。 标准型液压伺服执行器适合于各类控制阀门,尤其 是大型阀门。 5 结语 阀门液压伺服执行器由于采用了高性能的伺服 阀其灵敏度高小于满行程的012 ,回差小 小于满行程的014 ,力量大推力最大可以到 1 000 kN ,速度快40mm/ s或35/ s ,控制平稳 精确,结构紧凑,安装方便,现广泛应用于高负荷 控制阀直行程、大口径蝶阀角行程、汽轮机 入口控制阀和燃气轮机分向器挡板控制阀等。 参考文献 〔1〕 雷天觉主编 1 新编液压工程手册 〔M〕1 北京北京理工大 学出版社, 19981 〔2〕 成大先主编 1 机械设计手册 〔M〕1 北京化学工业出版 社, 20021 〔3〕 陆培文主编 1 实用阀门设计手册 〔M〕1 北京机械工业出 版社, 20041 〔4〕 朱小明,隆跃进,许仰曾 1 快关蝶阀液压驱动装置 〔J〕1 阀门, 2005 , 41 收稿日期 20071061 24 上接第32页 3曲柄连杆式 曲柄连杆驱动装置是将直行 程推力经过曲柄连杆机构转换为旋转力矩,因此力 矩输出特性是发生变化的。但因在转换过程中,中 间行程时力臂最长,力矩输出特性为抛物线型。 6 选型 要准确的为阀门组配合适的执行机构,必须要 对阀门的结构形式及特点性能有充分的了解。活塞 拨叉式执行机构力矩输出特性符合球阀及蝶阀的力 矩需求,但由于不能准确计算阀的力矩,而是以阀 的最大力矩选择执行机构的最小力矩,因此特性的 匹配就失去了意义,反而造成浪费。单作用式曲柄 连杆驱动装置适用于开阀力矩小于关阀力矩的偏心 式凸轮挠曲阀。活塞齿轮齿条驱动装置输出力矩平 稳,无交变力矩的影响,更因为它受力面的增大, 而使其更可靠,寿命更长。所以在动作比较频繁的 工况条件下,应优先选用齿轮齿条式驱动装置。 7 结语 阀门与执行机构的合理匹配,一方面应结合阀 自身的力矩需求特点,同时考虑管道安装尺寸约束 条件,以及工况条件的特殊要求进行选择。 参考文献 〔1〕 杨源泉 1 阀门设计手册 〔M〕1 北京机械工业出版社, 2000. 收稿日期 20071061 24 532007年第5期 阀 门