控制阀模块化设计.pdf

控制阀模块化设计控制阀模块化设计 李宝华 摘要摘要模块化设计是先进制造技术的现代设计方法，对控制阀产品进行模块化设计是发展趋 势。动态的模块化设计创造了选择权，缩短了产品生产周期，事后竞争性再集中大大 增强了产品的灵活性和竞争力。模块化控制阀的灵活组合、快速响应，使这种定制的 产品能满足市场和用户的需求。 关键词关键词模块化设计；控制阀系统结构；部件优化；灵活组合；细节分析 引言 引言 控制阀又称调节阀（Control valve，国标 GB/T 17213.1-1998 定义为控制阀） ，是自动控制的终端控 制元件，决定着过程控制是否及时有效和系统安全，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术 比较薄弱的环节。 控制阀是一种根据用户操作条件而量身定制的产品，国内外生产厂家众多，造成控制阀品种多、 规格多、参数多，质量参差不齐。相比之下，国产控制阀更显弱势，原有的产品设计理念和制造模式 使其与国外控制阀厂家的技术差距加大，产品质量也存有较多问题，需要努力和改进的地方很多。 不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何产品设计理念向何方转变都 是大家关注的问题。针对大多数厂家都能生产的直通单座控制阀，本文试对控制阀模块化设计以及部 分厂家的模块化控制阀产品进行探讨分析。 模块化设计 模块化设计 模块化设计（Modular Design 缩写 MD）是先进制造技术的现代设计方法，也是上世纪九十年代初 国际上迅速发展的快速设计技术（Rapid Design Technology，缩写为 RDT）中的重要组成，面对整个 产品系统的标准化、组合化设计。 模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品进行功能分析的 基础上，划分并设计出一系列功能模块，并通过对模块的选择和组合构成不同产品的设计方法。分散 的相对独立的模块遵守共同的明确规则，以保证这些模块能够组合成一个完整的系统，并能够随时加 入新的模块增加系统功能。动态的模块化设计创造了选择权，缩短了产品生产周期，事后竞争性再集 中大大增强了产品的灵活性和竞争力。从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新，是工业产品 的发展趋势。 模块化设计就是系统结构优先、部件功能优化、模块动态组合，用现代设计技术实现包括控制阀 在内的工业产品先进制造的成功之路。 模块化控制阀的灵活组合、快速响应，使这种根据具体流程参数（用户操作条件）定制的产品能 适应变化的市场和满足不同用户的需求。 控制阀模块化设计控制阀模块化设计 控制回路中向来薄弱的是终端控制元件（控制阀和执行机构） ，源自 OREDA 的回路故障分析，终 端控制元件的故障率约占全部故障的 50％。 传统的控制阀产品结构和性能落后、 功能单一、 维修不便， 在技术上急待改进和创新，发展的方向应是增强产品灵活性和竞争力的控制阀模块化设计以及预测性 维护的数字化应用。 控制阀模块化设计也是遵守从系统结构入手，将整个控制阀系列产品按照功能切分成有限多的通 用模块（不变部分）和专用模块（变化部分） ，各模块独立开发并要求具有更多更好的功能和性能，优 化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件，基于大部分部件确定使用通用模块、少 部分按用户技术条件选择专用模块，从而快速响应市场，灵活组合成满足用户需求的控制阀产品。 模块化设计的控制阀以其全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可 靠性，以及产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修，使控制阀整体功能和性能 明显提升。有统计资料显示，采用模块化设计的控制阀与传统设计的控制阀相比，其零部件数量可减 少 25，成本可降低 20，可组成的品种规格可增加 40之多。对最终用户来说，会更有利于设备管 理和运行维护，并能大幅度减少备件库存数量。对制造厂而言，工装模具数量将明显减少，中间产品 数量和库存也将大大减少，型式组合更灵活，响应市场更快。 对控制阀实施模块化设计较早出现在欧洲的控制阀厂家及其产品系列，早在上世纪八、九十年代， 德国 SAMSON 公司已有模块化设计的紧凑型 240/250/280 系列控制阀； 德国 ARCA 公司已有模块化设 计的 ECOTROL 系列控制阀。而全球生产控制阀历史最久的美国 FISHER 公司（属 EMERSON 集团） 长期延续传统的 E 家族系列控制阀，也在 2004 年推出模块化设计的 GX 型控制阀。 中国的控制阀制造厂也开始走控制阀模块化设计之路，如吴忠仪表于 2002 年引进德国 ARCA 公 司模块化 ECOTROL 控制阀 08C 系列，并结合自身多年科研成果，形成在细节上有吴忠特点的模块化 爱客超（ECOTROL）系列控制阀。徐州阿卡也是在学习德国 ARCA 公司模块化 ECOTROL 控制阀的 基础上推出模块化的 06 系列控制阀，但其阀门部件尚存有明显传统产品设计印记（采用了传统的阀芯 顶部导向结构，与 ECOTROL 控制阀阀门部件明显不同） 。 模块化控制阀 模块化控制阀 模块化设计控制阀面对整个产品系统，体现于产品系统的标准化、组合化，结构合理、部件优化。 以控制阀两大组成部分（执行机构和阀）及附件为出发点，进行功能分析，划分出功能模块，并使有 限多的模块实现功能最优化。图 2 给出模块化控制阀的一些模块划分，图 3 为模块组合示意。 主要部分 主要模块 模块细分 手轮机构 顶装手轮、侧装手轮、蜗轮机构、机械限位 执行机构 气动薄膜（单弹簧、多弹簧） 、气缸式、电动、电液、液动 执行机构 支架 一体化支架、分体支架、铸造支架、杆型支架 阀盖 标准、长颈型、低温型、带波纹管密封、各种填料 阀内件 阀芯、阀座、阀杆、流量系数、减噪部件、抗空化部件、导向 模块化控制阀 阀门 阀体 铸造、锻造、半模、全模、各种阀型、各种材料、公称通径和压力 aSAMSON 240 系列 bARCA ECOTROL 08C 系列 cFISHER GX 型 图 1 国外知名品牌的模块化设计控制阀 图 2 模块化控制阀模块划分 图 3 模块化控制阀模块组合示意图 气动薄膜执行机构 支架 阀门 手轮机构 阀门定位器 延长段 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 模块化设计的SAMSON 240/250/280 系列控制阀 德国 SAMSON 公司率先采用先进的模块化设计，生产的模块化控制阀有 240 系列（低压系列， PN40/ANSI CL300、DN15-DN300/NPS -12） 、250 系列（高压系列，PN400/ANSI CL2500、 DN15-DN500/NPS -16）和 280 系列（蒸汽减温减压） 。其中实施模块化设计较完善的是 240 系列， 参见图 4 和表 1。 表 1 SAMSON 模块化控制阀部件通用性240 系列（PN10-40/ANSI CL125-300、Kv 0.1-1500/Cv 0.12-1730） 公称通径 DN 15 20 25 32 40 50 65 80 100125 150 200 250300 尺寸 NPS 1 112 23 4 5 6 8 10 12 阀座 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 阀芯 √ √ √ √ √ √ √ √ 填料 √ √ √ 波纹管密封 √ √ √ 阀体垫片 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 延长段 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 连接件 √ 说明1.240 系列阀杆与阀芯为一体化结构；阀杆直径DN15-80 为 10mm、DN100-150 为 16mm、DN200-300 为 40mm。 2.每档次阀座在阀体上的安装螺纹是一样的，如 DN15-25 三个公称通径的阀座安装螺纹相同，而阀座上的通孔不同，其余类推。 从图 4 可看出 SAMSON 模块化控制阀 240 系列包括全部阀型，品种较全，而从表 1 进一步了解 到 SAMSON 在模块化设计中所考虑的部件通用性，尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部 件或采用安装连接相同的不同规格的零部件，如每个公称通径内都有多种流通能力的阀芯阀座组合， 但阀座在阀体的安装螺纹是相同规格的，只是阀座上的通孔大小不同，更换和改变流通能力灵活方便。 同时，240 系列尽量减少模块数量，将支架与阀盖（包括阀杆导向、密封填料）一体化，将阀杆与阀 芯一体化。支架设计有符合 IEC 60534-6-1 标准（NAMUR）的接口，可方便地连接阀门定位器等附件。 在主要模块上也体现功能组合、结构组合，如在阀盖模块，标准型可随时加一个延长段和一个延长阀 杆组合成长颈型阀盖，也可随时加装成波纹管密封型阀盖，如同搭积木。可看出，SAMSON 对于占实 际应用量比例最大的公称通径 DN80 以下控制阀，其模块化设计的模块功能优化、组合性、通用性也 体现得最好。240 系列按照符合 DIN EN 和 ANSI 以及 JIS 标准设计，面向全球市场和用户。 SAMSON 的 250 系列，DN15-DN500/NPS -20、PN16-400/ANSI CL 150-2500，由于应用压力高， 支架和阀盖各自为独立模块，阀盖上的填料部分和阀杆导向套也有专门设计。其 280 系列用于蒸汽减 温减压，是以 250 系列为基型设计增加了喷淋水导入和雾化部分而构成。 对于执行机构模块，SAMSON 有多种型号、尺寸、输出推力可选，与支架、阀门的接口（连接） 图 4 SAMSON 模块化控制阀 240 系列 3241 型直通单座 3244 型三通 3345 型隔膜 3347 型卫生级 3246 型长颈低温（ANSI 标准） 3248 型长颈低温 3249 型无菌级 3351 型开关阀 3510 型微流量 w w w . b z f x w . c o m 是标准化的，便于装配拆卸更换。气动薄膜执行机构为多弹簧气室结构，标准弹簧多种范围组合，执 行机构有效面积从 60、80、120、240、350、700、1400、2800 cm2一直到最大的双重 2800cm2、最大 可有 151.2kN 净输出推力（3271 型 2x2800cm2） ，行程从 7.5 到 120mm 有五种范围。也有可供阀门定 位器集成安装连接的气动薄膜执行机构（3277 型，阀门定位器连接按照 VDI/VDE 3847 标准、不需外 接管路的内置气路） 。还有各种电动执行机构和电液执行机构。手轮机构、机械行程限位可顶装在执行 机构膜盖上部，大尺寸手轮装于侧部，火灾安全部件集成在执行机构膜室内部。 模块化设计的 ARCA ECOTROL控制阀 ECOTROL是德国 ARCA 公司称之为技术创新的名称，ECOTROL 控制阀按照模块化设计，产品 系列现有 08C 系列≤DN100、PN16-40/ANSI CL 150/300 6N 系列≥DN150、PN16-40/ANSI CL 150/300 6H 系列高压 PN63-160/ANSI CL 600/1500 ECOTROL 控制阀主要模块分为气动执行机构、阀盖、阀内件、阀体。 气动执行机构为薄膜和多弹簧的 812 系列或薄膜和单弹簧的 811 系列，一体化支架结构，并有手 轮、电动执行机构可选。812 系列只有 320、720cm2两种尺寸，推杆行程为 20、30、60mm 三种；可 集成安装阀门定位器（按照 VDI/VDE 3847 标准） ，无外接管的内置气路；执行机构改变正反作用只要 简单翻转膜室即可，快捷方便，这是 ECOTROL 控制阀 812 系列气动薄膜执行机构的一大特点。 阀盖有标准型、压力平衡型、散热型、长颈型和用于高、低温的长颈型；特殊结构的阀杆密封可 保证最低的泄漏和摩擦力。 阀内件差异在阀芯阀座类型上，有标准、多级、平衡、低噪声、抗磨损等 9 种，可选多种金属材 料，阀座是快装结构，透过阀盖、套筒进行压紧，但要使用密封环。 ECOTROL 控制阀的阀体仅是三端口直通型式，分法兰端面或焊接端面或带有下导向结构。在其 它的非 ECOTROL 控制阀系列如 100、200 系列等，才有多种阀门型式（直通、角通、三通等）以及蒸 汽减温减压阀型。 模块化设计的 FISHER GX 型控制阀 FISHER 的模块化设计的 GX 型控制阀结构紧凑、部件数量少，不同口径具有最大的零件通用性， 按照符合 EN 和 ANSI 标准设计，公称通径为 DN15-150，压力等级 PN10-40/ANSI CL150 和 300。 GX 型控制阀主要模块也是气动执行机构、阀盖、阀内件、阀体。 气动执行机构与支架一体化结构，为薄膜和多弹簧型式，尺寸有 225、750、1200cm2三种，推杆 行程为 20、40、60mm；下膜盖与支架焊接在一起，内置气路连接集成安装的阀门定位器，支架上还 有符合 IEC 60534-6-1 的连接设计，满足 NAMUR 安装。不同口径的阀对应不同的执行机构，从而简 化了选型计算。 阀盖为夹紧型式，有标准型和带波纹管密封型（最大 DN 100）可选，也有长颈低温型。阀盖包含 密封填料、阀杆导向功能，为自加载式填料、上部导向。 阀体有直通单座和三通型式，设计为每个公称通径内有多个通径可选，如 DN 100 就有 46、70 和 90mm 三种孔径。 结束语 国外知名品牌的模块化设计控制阀给了我们这样的启示模块化设计面向整个产品系统，看重系 统结构优先、部件功能优化、模块动态组合；从系统考虑产品，由结构决定部件功能，用细节决定功 能的完善与缺陷。以不变的通用模块为基础，以变化的专用或特制模块满足用户各种需求，灵活组合、 快速响应市场，用现代设计技术实现控制阀的先进制造。 参考文献 1. SAMSON.信息表240/250/280 系列控制阀.T 8000-1 ZH 2007.9 2. SAMSON.宣传册模块化控制阀.WA 43 EN 2006.3 3. ARCA.ECOTROL 系列控制阀.DS ECOTROL-gb 4. ARCA. 控制阀的模块化系统.DS 040 E 5. fisher.GX 控制阀和执行器.51.1GX 2009.2 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载