控制閥執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)的選擇
4. 9.1輸出力的考慮
執(zhí)行機構(gòu)不論是哪種類型，它的輸出力都是用于克服負荷的有效力，而負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)行機構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力．保證嚴(yán)格的密封或閥門的開啟。執(zhí)行機構(gòu)的選擇為使控制閥正常工作，所選執(zhí)行機構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度的密封和閥門的開啟。執(zhí)行機構(gòu)類型有三種，即氣動執(zhí)行機構(gòu)（直行程用薄膜執(zhí)行機構(gòu)，彈簧復(fù)位的單氣缸及雙氣缸采用氣缸執(zhí)行機構(gòu)）；電動執(zhí)行機構(gòu)（包括馬達驅(qū)動閥MOV）；液動執(zhí)行機構(gòu)。可根據(jù)輸出力、調(diào)節(jié)速度、線性度、滯后性、靈敏度、故障位置、尺寸與重量來選擇。通常選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)，在沒有氣源的場合選擇電動執(zhí)行機構(gòu)?？刂崎y的執(zhí)行機構(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、電液、電動執(zhí)行機構(gòu)，一般都沒有復(fù)位彈簧。作用力的大小與它的運動方向無關(guān)，因此，選擇執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵在于了解大輸出力或電機的轉(zhuǎn)動力矩。
對于單作用氣動執(zhí)行機構(gòu)，輸出力與控制閥開度有關(guān)，控制閥上出現(xiàn)的力也將影響運動特性，因此，要求在整個控制閥的開度范圍建立力平衡。如果執(zhí)行機構(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)閉時閥芯對闊座的密封力，N：
F．一 閥桿與填料間的摩擦力，N；
Fw -閥芯和各種活動部件的重力，N。
當(dāng)采用波紋管閥桿密封控制閥時，還應(yīng)該考慮波紋管隨控制閥開度而變的阻力。
式(4-35)中各種力的大小和方向隨執(zhí)行機構(gòu)的類型而變化，下面將討論典型的執(zhí)行機構(gòu)：
(1)氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)的輸出力
帶彈簧的氣動膜片執(zhí)行機構(gòu)，由于膜片室信號壓力所產(chǎn)生的推力大部分被彈簧力所平
衡。因此，有效輸出力比無彈簧型要小。
根據(jù)控制閥不平衡力的方向性．執(zhí)行機構(gòu)輸出力有相應(yīng)的兩種不同方向，設(shè)+F表示執(zhí)行機構(gòu)向下的推力，F(xiàn)表示執(zhí)行機構(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膜片搠衙機構(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．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，是用來克服負荷的有效壓力，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)整各種彈簧的啟動壓力，可使執(zhí)行機構(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氣動膜片執(zhí)行機構(gòu)的輸出力F 單位：IN
(2)控制閥執(zhí)行機構(gòu)的選擇活塞式執(zhí)行機構(gòu)的輸出力
常見的活塞式執(zhí)行機構(gòu)有單向和雙向兩種作用方式，雙向活塞執(zhí)行機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上是沒有彈簧的，由于沒有彈簧反作用力，因此，它的輸出力比膜片式執(zhí)行機構(gòu)大，常用來做公稱尺寸DN較大、高壓差控制閥的執(zhí)行機構(gòu)。
式(4-41)說明活塞執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)的輸出力
(3)不平衡力和不平衡力矩
流體通過控制閥時，閥芯受到靜壓和動壓的作用，產(chǎn)生使閥芯上、下移動的軸向力和閥芯旋轉(zhuǎn)的切向力，對于直線位移的控制閥來說，抽向力直接影響閥芯位移與執(zhí)行機構(gòu)信號力的關(guān)系。因此，閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力．對于角位移的控制閥，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流向有關(guān)。
流體流向不同時，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時使閥芯打開．稱為流開狀態(tài)，下；種在流體流動時使閥芯關(guān)閉，稱為流狀態(tài)。
圖4-5的曲線表明：閥芯在全關(guān)位置時不平衡力F。大．隨著閥芯開啟而逐漸 4-5單閥座不平衡力與流體流向的關(guān)系變小，由于中間位置動壓難以用公式表示，因此，在選擇執(zhí)行機構(gòu)計算作用力時，主要根據(jù)全關(guān)時來確定。
對于流開狀態(tài)．即閥桿在流體流出端時不平衡力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，對于高壓差、公稱尺寸DN( NPS)大的單座閥，不平衡力是較大的。
對于流閉狀態(tài)（高進低出），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，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變流體流量?？刂崎y一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機構(gòu)使用的動力，控制閥可以分為氣動、電動、液動三種。下面我們就來說說控制閥在蒸汽系統(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，故在選型時頗有講究，如果選型不當(dāng)，則會在使用過程中頻頻出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行。下面我們通過一個實例來談?wù)務(wù)羝{(diào)節(jié)閥的選型及使用中需要注意的一些問題。
一家大型化工企業(yè)，需要用蒸汽減壓閥來控制反應(yīng)罐的溫度，蒸汽來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)閥來控制蒸汽壓力的恒定，閥門進口壓力0.8～1.0MPa，出口壓力0.4～0.5MPa。開始選型時，因為沒有弄清楚現(xiàn)場參數(shù)，選用的是電動單座調(diào)節(jié)閥，使用不久就故障頻頻，執(zhí)行器電機燒壞、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；對于DN15以上的單座閥，因Dv、》dF，F(xiàn)，為負位，因此閥桿受拉；閥的公稱尺寸在此兩者之間，即DM。>d，時，從公式分析可知，F(xiàn)，，可能為正，也可能為負．與本產(chǎn)品相關(guān)論文：壓縮空氣減壓閥在萊鋼應(yīng)用
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