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控制閥知識

發布時間:2009-09-22 來源:揚子工具集團 瀏覽次數:60324

 

體管、磁力放大器等,也可采用微處理器進行數字處理,通常,放大器輸出的接通和斷開時間與輸入信號成比例6.可設置閥位限制,防止設備損壞。7.通常設置閥門位置開關,用于提供閥位開關信號o 8.適用于無氣源供應的應用場所、環境溫度會使供氣管線中氣體所含的水分凝結的場所和需要大推力的應用場所。近年來,電動執行機構也得到較大發展,主要是執行電動機的變化。由于計算機通信技術的發展,采用數字控制的電動執行機構也已問世,例如步進電動機的執行機構\數字式智能電動執行機構等。(2)電磁閥電磁閥是兩位式閥,它,將電磁執行機構與閥體合為一體。按有無填料函可分為填料函型和無填料函型電磁閥;按動作方式分先導式和直接式兩類;按結構分普通型、防水型、防爆型和防水防爆型等;按正常時的工作狀態分常閉型(失電時關閉)和常開型 (失電時打開);按通路方式分為兩通、三通、四通、五通等;按電磁閥的驅動方式分為單電控、雙電控、彈簧返回和返回定位等。電磁閥常作為控制系統的氣路切換閥,用于聯鎖控制系統和順序控制系統。電磁閥一般不作為直接切斷閥,少數小口徑且無儀表氣源的應用場合也用作切斷閥。先導式電磁閥作為控制閥的導向閥,用于控制活塞式執行機構控制閥的開閉或保位,也可作為控制系統的氣路切換。通常,先導式電磁閥內的流體是壓縮空氣,在液壓系統中采用液壓油,應用先導式電磁閥時需要與其他設備,例如滑閥等配合來實現所需流路的切換。直接式電磁閥用于直接控制流體的通斷。電磁閥具有可遠程控制、響應速度快、可嚴密關閉、被控流體無外泄等特點。需注意,電磁閥工作部件直接與被控流體接觸,因此,選型時應根據流體性能確定電磁閥類型。電磁閥常用于位式控制或控制要求較低,但要求嚴格密封等應用場合。例如,加熱爐燃料氣進料、空氣和水等介質。在防爆區域應用時,應選用合適的防爆電磁閥。(3)電動調速泵通常,電動調速泵指用交流調速技術對交流電動機進行調速,實現流量控制。交流電動機的調速方法有調頻調速、調極對數調速和調轉差率調速三種,同步交流電動機因不受轉差率影響,只有調頻調速、調極對數調速兩種調速方法。調速控制系統可直接采用開環控制,或組成速度反饋控制,也可添加電壓、電流或位置
信號等,組成復雜控制系統。近二十幾年來,由于矢量控制具有動態響應快、運行穩定等特點,因此,采用旋轉矢量控制技術的交流電動機調速控制系統得到廣泛應用。電液執行機構電液執行機構的輸入信號是電信號,輸出執行元件的動力源采用液壓油,因此,特別適用于大推力、大行程和高精度控制的應用場合。在大型電站,為獲得大推力,在主蒸汽門等控制系統中常采用電液執行機構。電液執行機構與電動執行機構比較,由于采用液壓機構,因此具有更大的推力或推力矩。但液壓系統需要更復雜的油壓管路和油路系統的控制,例如對液壓油溫度、壓力等的控制,還需要補充油和油的循環。與氣動活塞執行機構比較,電液執行機構采用液壓缸代替氣缸,由于液壓油具有不可壓縮性,因此,響應速度可達lOOmm/s,比氣動活塞式執行機構快,行程的定位精確,控制精度高(可達0.5級),它的行程可很長(可達lm),輸出推力矩大(可達60000Nm),輸出推力大(可達25000N)。電液執行機構將輸入的標準電流信號轉換為電動機的機械能,以液壓油為工作介質,通過動力元件(例如液壓泵)將電動機的機械能轉換為液壓油的壓力能,并經管道和控制元件,借助執行元件使液壓能轉化為機械能,驅動閥桿完成直線或回轉角度的運動。因此,它具有電動執行機構的快速響應性和活塞式執行機構的推力大等優點。但因使用液壓油,帶來油路系統的泄漏等問題;镜囊簤簜鲃酉到y由方向控制回路、壓力控制回路和流量控制回路等組成。方向控制回路可采用換向閥、單向閥等;壓力控制回路可采用壓力繼電器、減壓閥、j頃序閥等;流量控制回路可采用節流閥、調速閥等。此外,還需要一些輔助控制回路,例如平衡控制回路、卸壓控制回路、增壓和增速控制回路等。為保證電液執行機構的正常運轉,通常采用兩套液壓傳動油系統,其中一套系統工作,另一套系統備用。圖2—5是某類電液執行機構的工作原理圖。圖中,當輸入信號增加時,帶動力矩馬達的轉子轉動,使擋板靠近噴嘴,儀表波紋管壓力和反饋波紋管壓力都增加,儀表波紋管壓力的增加使噴嘴管沿支點轉動,噴嘴移到圓筒的接收口,它使液壓缸的上部壓力增加,液壓缸的下部壓力降低,液壓缸的閥桿下移,直到反饋彈簧力與儀表波紋管壓力平衡為止。而反饋波紋管內壓力的降低,使力矩馬達轉子返回平衡位置。與電動執行機構類似,電液執行機構也采用位置反饋裝置組成反饋控制系統。它提高了整個系統的控制精度,改善了系統的動態特性。但由于價格昂貴,管路系統復雜,只有在需要大推力和推力矩的應用場合才被采用。其特點如下。
1.相同輸出功率條件下,液壓傳動裝置的體積小、重量輕、結構緊湊、慣性小,響應快。2.可大范圍內實現無級調速,可輸出較大推力和較大力矩。3.傳動無間隙,運動平穩,可實現頻繁的換向操作。操作方便,易實現自動化,易實現復雜自動控制jD匝序,易實現過載保護。4.液壓油黏度受環境溫度影響大,也不適用于遠距離傳動控制。5.對控制裝置的要求高,要求設置反饋裝置組·成閉環控制。根據被控變量為位移、速度和力等機械量的不同,反饋檢測裝置也有位移檢測反饋裝置、速度反饋檢測裝置等,使整個系統變得復雜,價格上升,也提高了對維護人員的技能要求。手動執行機構手動執行機構僅在自動操作存在困難時才操作。例如,自動控制的輸入信號故障或執行機構膜頭漏氣等,,有時在工藝生產過程的開、停車階段,由于控制系統還未切人自動操作,這時也需要用手動執行機構對控制閥進行操作。手動執行機構的主要用途如下。1.與自動執行機構配合,用于自動控制失效時的降級操作,提高控制系統可靠性。2.作為控制閥的限位裝置,限制閥的開度,防止事故發生。例如,造紙漿料制備過程中有些閥要求正常時有一定開度,用于排放粗渣。3.節省控制閥的旁路閥。在不重要的控制系統中,當管路直徑較大時,可采用手動執行機構替代旁路閥的功能,降低投資成本,縮小安裝空間。4.用于開、停車時對過程的手動操作。手動執行機構由手輪、傳動裝置和連接裝置等組成。按安裝位置可分為頂裝式和側裝式兩類。頂裝式手動執行機構的手輪安裝在自動執行機構的頂部,通過螺桿傳動裝置,與自動執行機構的推桿(或膜頭板)連接。正常運行時,手輪退出,用緊固螺母鎖定,可作為閥位最高位的限制裝置。當需手動操作時,松開緊固螺母,轉動手輪,使之與自動執行機構的推桿連接,從而可移動推桿,改變閥門開度。正作用和反作用的自動執行機構與手動執行機構的連接方式相同,但正作用執行機構需要考慮手動執行機構傳動桿的密封。側裝式手動執行機構的手輪安裝在自動執行機構的側面,可采用蝸輪蝸桿傳動方式,也可采用杠桿傳動方式。選用頂裝或側裝式手輪執行機構時,應從方便操作考慮。當控制閥安裝位置較低,或閥側沒有空間時,可選用頂裝式手輪執行機構,其他場合可選用側裝式手輪執行機構。為防止手輪被誤操作而轉動,可設置安全鎖緊裝置,例如,銷軸固定手輪進行限位,或用小
鎖緊輪頂緊手輪軸等。為提供閥門位置的信息,手輪執行機構設置了刻度顯示裝置,用于提供閥門位置的顯示等信息。為方便進行手動操作和自動操作的切換,通常設置離合和切換裝置。當手動位置時,手輪與自動執行機構的閥桿連接;當自動位置時,手輪與自動執行機構的閥桿脫鉤,不影響自動執行機構的動作。其他執行機構還有齒條齒輪執行機構,它常用于旋轉控制閥,由于齒隙造成回差,因此用于位式控制和控制要求不高的場合。調節機構控制閥的類型調節機構是將執行機構的輸出位移變化轉換為控制閥閥芯和閥座間流通面積變化的裝置。通常稱調節機構為閥,例如直通單座閥、角形閥等。其結構特點可從下列幾方面分析。從結構看,調節機構由閥體、閥內件、上閥蓋組件、下閥蓋等組成。閥體是被控流體流過的設備,它用于連接管道和實現流體通路,并提供閥座等閥內件的支撐。閥內件是在閥內部直接與被控介質接觸的組件,包括閥芯、閥座、閥桿、導向套、套筒、密封環等。通常,上閥蓋組件包括上閥蓋、填料腔、填料、上蓋板和連接螺栓等。在一些調節機構中下閥蓋作為閥體的一部分,并不分離。下閥蓋用于帶底導向的調節機構,它包括下閥蓋、導向套和排放螺絲等。為安裝和維護方便,一些調節機構的上閥蓋與閥體合一,而下閥蓋與閥體分離,稱為閥體分離型閥,例如一些高壓閥和閥體分離閥。 從閥體結構看,可分為帶一個閥座和一個閥芯的單座閥閥體、帶兩個閥座和一個閥芯的雙閥座閥體、帶一個連接人口和一個連接出口的兩通閥體、帶三個連接口(一個人口和兩個出口的分流或兩個人口和一個出口的合流)的三通閥體。 從閥芯位移看,調節機構分為直線位移閥和角位移閥。它們分別與直線位移的執行機構和角位移執行機構配合使用。直通閥、角形閥、套筒閥等屬于直線位移閥,也稱為滑動閥桿閥(SlidingStemValve)o蝶閥、偏心旋轉閥、球閥等屬于角位移閥,也稱為旋轉閥(Ro-taryValve)o近年也有一些制造·廠商推出了移動閥座的控制閥,它與角行程執行機構配合,但從閥芯的相對位移看,仍是直線位移,例如Nufflo控制閥。 從閥芯導向看,可分為頂導向、頂底導向、·套筒導向、閥桿導向和閥座導向等類型。對于流體的控制和關閉等,閥芯的導向十分重要,閥芯導向用于閥芯和閥座的對中配合。頂導向采用閥蓋或閥體內的一個導向套或填料結構實現導向;頂底導向采用閥蓋和下閥蓋的導向套實現導向,對雙座閥和需要精確導向的調節機構需采用頂底導向;套筒導向采用閥芯的
外表面與套筒的內表面進行導向,這種導向方式具有自對中性能,能夠精確實現閥芯和閥座的對中;閥桿導向采用上閥蓋上的導向套與閥座環對中,用軸套與閥桿實現導向;閥座導向在小流量控制閥中被采用,它用閥座直接進行對中。 從閥芯所受不平衡力看,調節機構的閥芯有不平衡和平衡兩種類型。平衡式閥芯是在閥芯上開有平衡孔的閥芯,當閥芯移動時,閥芯上、下部因有平衡孔連接,因此,兩側壓力差的絕大部分被抵消,大大減小不平衡力對閥芯的作用,平衡式閥芯需要平衡腔室,因此,需密封裝置密封。根據流向不同,平衡閥芯所受的壓力可以是閥前壓力(中心向外流向),也可以是閥后壓力(外部向中心流向)。平衡閥芯可用于套筒結構的閥芯,也可用于柱塞結構的閥芯。不平衡閥芯的兩側分別是控制閥閥前和閥后的壓力,因此,閥芯所受不平衡力大,同樣口徑控制閥需要更大推力的執行機構才能操作。 從閥芯降壓看,閥芯結構有單級降壓和多級降壓之分。單級降壓結構因兩端的壓差大,因此,適用于噪聲小、空化不嚴重的場合。在降噪要求高,空化嚴重的場合,應采用如圖 在多級降壓結構中,控制閥兩端的壓差被分解為幾個壓差,使在各分級的壓差較小,都不會發生空化和閃蒸現象,從而防止空化和閃蒸發生,也使噪聲大大降低。 從流量特性看,根據流通面積的不同變化,可分為線性特、等百分比特性、快開特性、拋物線特性、雙曲線特性及一些修正特性等。流量特、J陛表示閥桿位移與流體流量之間的關系。通常,采用流量特性來補償被控對象的非線性特性。閥芯的形狀或套筒開孔形狀決定控制閥的流量特性。直行,程閥芯可分為平板型(用于快開)、柱塞型、窗口型和套筒型等。圖2—30是三種常用套筒控制閥的套筒示意圖,由于開孔面積變化不同,閥芯移動時,流通面積也不同,從而實現所需流量特性。柱塞型閥和窗口型閥也可根據所需流量特性有不同形狀。角行程閥的閥芯也有不同形狀,例如,用于蝶閥的傳統閥板、動態輪廓閥板;用于球閥的O形開孔、V形開孔和修正型開孔等結構。 快開 線性 等百分比
圖1 三種常用套筒控制閥的套筒示意圖從閥內件的互換性看,一些調節機構的閥內件可方便地更換和維護,例如,套筒閥可方便地更換套筒實現不同流量特性;頂底導向的閥內件可方便地翻轉閥芯和閥座來實現正體閥與反體閥的更換,從而實現氣開和氣關方式的更換;閥體分離閥可方便地拆卸,用于閥座更換和清洗。從上閥蓋結構看,根據不同應用要求,可采用普通閥蓋,也可采用長頸型閥蓋或帶散熱或吸熱片的長頸型閥蓋,另外還有波紋管密封型閥蓋。長頸型閥蓋用于高溫和低溫的應用,保護閥桿填料,使之不受介質溫度影響,防止黏結、咬卡、泄漏或降低潤滑效果。除了通過把閥蓋延伸,使填料處溫度遠離介質工作溫度的長頸型閥蓋外,也可增加散熱或吸熱片,制成帶散熱或吸熱片的長頸型閥蓋,使介質溫度得到降低或提高。通常,鑄造的長頸型閥蓋具有較好的散熱性和較高的高溫適應性,被用于高溫應用場合;不銹鋼裝配的長頸型閥蓋具有較低的熱傳導性和較好的低溫適應性,被用于低溫應用場合。當不允許被控介質泄漏時,不能采用常用填料結構的上閥蓋,必須采用帶波紋管密封的上閥蓋。這種結構采用波紋管密封,可使被控介質被密封在閥體內,不與填料接觸,防止流體泄漏。在選用時需考慮波紋管的耐壓和溫度影響。 從調節機構與管道的連接看,有旋人式管螺紋連接、法蘭連接、無法蘭的夾接連接和焊接連接等幾種。小型控制閥常采用旋人式管螺紋連接,閥體連接端是錐管陰螺紋,管道連接端為錐管陽螺紋。這種連接方式適用于口徑小于2”的控制閥閥體與管道的連接,不,適用于高溫工況。由于維護、拆卸困難,因此,需要在控制閥的上下游安裝活接頭。法蘭連接采用與控制閥配套的法蘭,用螺栓和墊片進行連接,配套法蘭焊接在管道上。根據控制閥連接法蘭的不同,有不同的配套法蘭,例如,有平法蘭、凸面法蘭、環形結合面法蘭等。所用法蘭應與控制閥額定工作壓力和溫度相適應。平法蘭連接時,可在兩片法蘭面間安裝墊片,適用’于低壓、鑄鐵和銅質控制閥的安裝連接。凸面法蘭上加工有扒緊線,它是一個與法蘭同心的小槽,當兩片法蘭間安裝的墊片在螺栓作用下壓緊時,墊片會進入扒緊線的槽內,使連接處的密封更緊密,凸面法蘭連接適用于大多數應用場合使用的鑄鋼、合金鋼的控制閥。環形結合面法蘭用于高壓控制閥的連接,采用透鏡墊片,當壓緊墊片時,墊片被壓人法蘭凸面上的U形槽內,形成嚴密密封。夾接連接適用于閘閥、蝶閥等低壓、大口徑控制閥的連接,采用外部的法蘭夾住控制閥,并在連接面安放墊片,用螺栓壓緊法蘭完成閥與管道的連接。焊接連接將控制閥直接與管道焊接,可采用套接焊接或對接焊接。焊接連接的優點是可實現嚴格密封,缺點是焊接連接需要閥體材質可焊接,而且不易從管道拆卸,因此,,一般不采
用焊接連接。 填料函和填料結構在控制閥中填料函的用途如下。 1.提供閥桿或閥軸的密封。由于閥桿和閥軸是活動部件,它們在控制閥運行過程中不斷改變位置,因此,需要用填料函進行密封。 2.提供盡可能小的摩擦和盡可能長的使用壽命。,由于閥桿或閥軸移動時有靜摩擦力(力矩)和動摩擦力(力矩),它們使控制閥的靜態和動態性能變差,因此,要選用合適的填 料函和填料結構使摩擦降低到最小,使用壽命最長。 控制閥選擇通?紤]控制閥工作溫度、壓力、流量特性、流通能力和材質選擇等,對填料函和填料結構的設計和選用考慮較少。隨著對控制系統控制品質要求的提高,對環保要求的提高,對控制閥泄漏量的要求也不斷提高,因此,填料函選用和結構設計變得越來越重要,對填料函和填料·結構的考慮被提到議事日程。一些制造商對填料類型、填料結構等做了大量實驗室試驗取得了有用實驗數據,并使填料函和填料結構更合理。 填料 過去,填料選擇的主要考慮因素是填料工作溫度。因此,當溫度低于200℃時選用聚四氟乙烯(PTFE),當溫度高于200℃(2時選用石墨,F在,選用填料時,不僅要考慮工作溫度,還要考慮填料的摩擦對控制過程所造成影響,例如,回差、密封質量和使用壽命等。不同應用過程,不同安裝條件,這些變數很難用定量化方法來描述,因此,只能從不同填料的各種性能比較中選擇較適合于實際過程和操作條件的填料函和填料結構。所選用填料可以是單一材質,例如聚四氟乙烯(PTFE)或石墨,也可以做成不同形狀,例如60°和90°V形環狀、絲狀等,也可由幾種材質混合,例如石墨—PTFE、絲狀石墨—沖壓成型石墨等。 填料結構 填料結構研究各種填料系統中填料的排列方式,達到在保證所需泄漏量等級的前提下盡可能減小摩擦力、延長使用壽命的目的。采用PTFE作為填料函或采用PTFE填料組件組成填料函填料系統。通常,PTFE制成V形環狀。 采用石墨填料的填料系統結構圖。通常,石墨有絲狀、片狀和彎片狀等幾種。絲狀石墨可制成編織絲帶,它容易與閥桿緊密接觸,并凈化閥桿表面。但絲狀石墨會造成空隙,使泄漏加大。因此,絲狀石墨填料要沖壓成型,增加其致密性。 采用石墨填料的系統,其摩擦要大于采用PTFE填料函的系統,因此,只要溫度允許,應采用PTFE填料系統。

從圖2、圖3可見,不同的填料排列方式,不同的填料結構對 密封性、摩擦性能和使用壽命有不伺的影響,因此,應合理選擇。填料系統在滿足密封性能要求的前提下,應盡量改善摩擦性能,減少維護工作,提高使用壽命。 圖2 采用PTFE填料的結構 PTFE制成的填料環形狀 圖3 采用石墨填料的結構 填料系統結構確定后,仍有多種因素影響系統的密封和摩擦、壽命等性能,例如,安裝不當,閥桿加工的光潔度,填料腔加工的光潔度,填料的質量等。 為了在一些不允許泄漏的場合使用,可采用波紋管密封,例如,采用波紋管密封的

 


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