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浮动阀瓣式调节阀在气流调节中的应用

浮动阀瓣式调节阀在气流调节中的应用

   1 、概述

   用于流量控制的电动阀门在许多情况下不仅要求无级调节,同时也对控制速度、功耗和控制设备体积的微型化有着较高要求。由于常见的球阀类结构有相对较大的密封面,启闭时需要较大的扭矩,而采用螺旋方式启闭的各类阀门则要求很大行程。启闭过程中存在大扭矩和大行程对阀门电控设备的微型化和高速度要求适应性差。浮动阀瓣式调节阀结构独特,通过合理地利用阀门内的介质压力差,采用浮动阀瓣,用诱导式压力开关方式,0.1s可完成启闭,而且具有启闭力小和行程短的优点。目前该结构阀门常被用于液体控制,它对气体流量的控制能力,尤其是在较低进气压力情况下的控制能力有待验证。

    2 、结构与工作原理

    浮动阀瓣式调节阀(图1)阀瓣为塔状三级结构,其材料均是塑料与橡胶。阀杆密封采用O形圈结构。当操作阀瓣向上移动时,阀门开启。过渡阀瓣与主阀瓣中心有介质通道,且下方的外形为锥形,但是尺寸不同,介质通道一个为直管而另一个为锥管,在主阀瓣上有扰流齿。扰流环是一个有着大锯齿的环状物。

    阀门关闭时,介质压力与阀后气压间的压力差可将各级阀瓣压紧在阀座上,以防泄漏。在操作阀瓣向上移动时,过渡阀瓣上的介质通道打开, 同时给了过渡阀瓣和主阀瓣活动空间,介质可以从该通道流出阀外,使阀瓣两端的压力差减小。在扰流环和主阀瓣扰流齿的作用下,介质紊流作用力使过渡阀瓣和主阀瓣处于不稳定状态。当间隙在各阀瓣之间和阀座间形成。介质泄漏形成新通道,介质对阀瓣的作用力在锥面上随间隙增大而增大。其作用力的合力是向上举升阀瓣。阀门开启后,只要阀内介质的压力足够大,就能保证将阀瓣举升到合适的高度,对介质流量的调节就是对操作阀瓣上移距离的调节。多级阀瓣的逐渐扩流,使该阀的有效通径比较大。可以满足一般工程需要。

   关闭阀门首先是操作阀瓣下移关闭过渡阀瓣的介质通道。然后压迫过渡阀瓣关闭主阀瓣的介质通道,最后使主阀瓣压在阀座上。关闭时所需用的力分散在阀瓣的各级上,并随着每一级阀瓣的关闭。该级上的举升力大幅降低。阀瓣的重力作用加强。使关闭过程中克服介质对阀瓣的举力的外加动力始终处于量级不大且相对平稳的状态。

   从结构上看。浮动阀瓣式调节阀的阀瓣综合了先导式阀门和浮动球式阀门的优点,具有启闭力小、行程短的特点。但是。其工况介质密度与压力的大小是决定阀门能否正常工作的条件。从设计上分析,阀瓣的质量及对阀瓣的举力是不同应用条件的设计重点,O形圈在手动操作条件下不仅要求密封。还要对操作阀瓣进行定位,即增大摩擦力。

    3、风量调节特性及强化电控性能的讨论

   应用中的浮动阀瓣式调节阀是水用阀门。当介质改为空气后该阀门工作性能需采用试验方法获取启闭操作力的值和最小可用风压。

    对启闭阀门的操作力测量,采用的方法是将阀门置于天平之下,通过紧固在天平上的一根杆件对操作阀瓣施加拉力和压力,力值可从法码的量上查出。通过试验得到能使操作阀瓣动作的拉力为1.64N,当阀门通过0.08MPa风压的空气并测其关闭压力时,其值与静态时没有明显的差别。

   对不同风压下各开度的流量数据的测量,其系统构成是,压风机提供风量与风压,先用放空阀门进行调压,再用风包进行稳压,管路中安装流量计,其后安装压力表,最后安装被测的阀门。在测量中使用螺旋定位装置对操作阀瓣的移动位置进行精确定位,操作阀瓣的最大可移动距离是6mm,测量时阀门的开度是以移动距离为基础。

   表1给出了其中一组风压为0.04MPa时各开度的空气流量测量结果。在图2中给出了具有典型代表的特性曲线。它们是在不同风压下测得的,从1号特性曲线可以看出,在低风压时调节性能很差。其原因是在低风速下,空气对阀瓣的举升力不足。2号特性曲线在一定开度下是一条直线。随后也出现举升力的问题。而3号特性曲线基本上是一条直线。

表1 风压0.04MPa时各开度空气流量m3/h

 

序号
16.6%
33.3%
50%
66.6%
83.3%
100%
1
1.25
2.70
4.30
5.80
6.80
7.50
2
1.30
2.82
4.30
5.76
7.10
7.50
3
1.28
2.80
4.30
5.68
6.80
7.50
4
1.30
2.84
4.42
5.90
7.00
7.50


   测量的结果表明。被测阀门的内特性是直线特性,但随阀前的压力降低,其特性变为快开特性。此时不但最大流量小且阀调节流量的能力差。当风压P≥0.04MPa;被测阀门可用于气体流量的控制。总的讲,在相同通径条件下与其他类型的阀门相比较,被测阀有启闭力小,行程短的特点。

    被测阀的直线特性的数学表达式为

   

    式中QZi--在阀门开度为LZi时的流量,m3/s
    QZMAX--在阀门开度为全行程时的最大流量,m3/s
    LZi-- 阀门开度,mm
    LZ-- 阀门全行程开度,mm
    R-- 可调比

    根据工作压差和需要的可调比将数值代入式中, 即可作为自动控制建模的依据。

   将阀门改装成电动控制阀,其驱动动力的选择、减速机构的设计、控制方式的确定及实现方法等已有成熟经验,只是考虑阀门应适应电动驱动这一因素。驱动操作阀瓣所需用的功率为:

   

    式中M-- 需用功率,W
    F-- 总操作力,N
    Fw-- 操作阀瓣所受重力、受介质浮力及摩擦力等力的合力导致的
    驱动力,N
    Fα-- 加速度导致的惯性力,N
    S-- 行走的距离,m
    T-- 所用的时间,s

   其中涉及到阀结构的是F和S两个参数。操作阀瓣所受的摩擦力有很大部分是用在阀杆定位上,而阀门在电动控制的过程中并不需要设计定位功能,在驱动装置上进行定位可以将摩擦力设计的远小于现有值,在阀上可以考虑将O形圈的功能只限定在防泄漏上,通过减小阀杆的粗糙度,可以大幅减小密封处的滑动摩擦系数,进一步降低阀门启闭操作力。如果减轻过渡阀瓣和主阀瓣的质量,可以改善低风压的调节特性,同时小运动惯量也可使阀的高速启闭更容易完成。操作阀瓣的行程S是由结构确定的,在这个参数上进行修改设计不易,可以考虑在不同的流量控制要求下,选取不同型号的阀门,其行程S成为最大流量的一个可选值,达到S值的优化选取。

   浮动阀瓣的结构使阀门在安装时要求阀瓣的纵轴线与水平面垂直。否则诱导开关的工作原理不能成立,虽然阀瓣的质量相对比较轻,但这种结构还是会使它对加速度很敏感。在振动及运动速度不断变化的应用场所。其原有内特性受到破坏。而被测阀在用材方面使用的工程塑料决定了这种阀能否应用在具有腐蚀性的介质中。也决定了介质的温度要求。

    4、 结语

   实际测量表明。浮动阀瓣式调节阀的内特性为直线。该阀应用于压缩空气流量调节时,阀前后压力差不应小于0.04MPa。该阀需用操作力小,最大开度的行程小,操作阀瓣的运动惯量也小,适合制作微型电控结构的电动阀门。该阀以工程塑料和橡胶为材料,具有较强的耐腐蚀性,但安装形式受限制,调节特性对加速度敏感。

作者:梁春成 熊建军 邢宏波

来源:互联网

    参考文献

    [1]贾立君,王敏,王泽清.控制阀内特性的选择[J].阀门,2002,(3):30~32.
    [2] 杨源泉等.阀门设计手册[M],北京:机械工业版社,1992.

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