【正文】 60。 不平衡力校核是保證閥正常工作的不可缺少的計算環(huán)節(jié)。然而，在調(diào)節(jié)閥的計算中往往被忽視了，許多設(shè)計院在調(diào)節(jié)閥的規(guī)格表或計算書上，根本就沒有閥關(guān)閉時的 工作壓差這一欄，更談不上計算、校核。原來，有的閥在現(xiàn)場工作時，閥芯關(guān)不到位，大多是該原因所致。故此，我們完全有必要講講不平衡力的校核問題。 不平衡力的校核 不平衡力的校核就是讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力F足夠的大于介質(zhì)的不平衡力Ft、摩擦力和閥芯的重力等。通常的辦法就是將不平衡力Ft乘一個系數(shù)?，F(xiàn)在的問題就是 此系數(shù)取多大，～。通過實驗證明，該系數(shù)取得過于保守，經(jīng)常造成閥的輸出力不夠，不能有效的克服閥桿的摩擦力、閥芯導(dǎo)向處 堵卡的摩擦力、閥動作不自如等。正確的公式應(yīng)為： F＝(～2) Ft式中，對石墨填料和不干凈介質(zhì)應(yīng)取系數(shù)2。值得再一提的是對高溫高壓閥、關(guān)鍵場合用的閥門，上述系數(shù)還應(yīng)取2～3以確保閥動作的可靠性。 許用壓差表 為了簡化計算，生產(chǎn)廠根據(jù)工作條件對常用閥門計算出允許壓差[△P](列在選型樣本或說明書上)，現(xiàn)對閥的校核變成允許壓差的校核，即工作壓差小于允許壓差[△P]： 即： △P ﹤[△P] 但是，為了可靠起見，筆者還是建議作認(rèn)真的計算。如果計算有困難，建議將閥關(guān)閉時的工作壓差告訴生產(chǎn)廠，由生產(chǎn)廠進(jìn)行計算校核(包括選定彈簧范圍等)。 我們還建議，設(shè)計院的計算書、調(diào)節(jié)閥的規(guī)格書上應(yīng)增加調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時的最大壓差一欄。這是因為，至目前為止，一半的規(guī)格書上沒有閥關(guān)閉時的最大工作壓差，使生產(chǎn)廠想校核也無從著手；也有的工廠不管此問題，認(rèn)為計算是設(shè)計院的事，這樣往往把問題留給了用戶，當(dāng)開車時，才發(fā)現(xiàn)閥推力不夠，閥關(guān)不嚴(yán)或打不開、動作不自如，再來做被動的處理。 不平衡力計算與校核的簡化 為了方便用戶，只需將閥關(guān)閉時的工作壓差告訴生產(chǎn)廠，由生廠進(jìn)行計算校核，提供滿足上述閥關(guān)閉時的工作壓差的閥即可。此簡化只是給用戶提供方便，不是不計算。4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的剛度與調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性校核 執(zhí)行機(jī)構(gòu)剛度 執(zhí)行機(jī)構(gòu)抵抗負(fù)荷變化對行程影響的能力稱為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的剛度，也等于彈簧剛度。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的剛度表達(dá)式為： 式中：B、K——執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈簧的剛度； △ft、△L——不平衡力，推桿位移的變化量。 從式中，可得出如下推論： (1) 剛度越大，在相同△ft變化下，推桿位移變化量△L越小，閥越穩(wěn)定；反之亦然。 (2) B∞Pr，彈簧范圍越大，剛度越大，閥越穩(wěn)定。故閥易產(chǎn)生振蕩時，應(yīng)選Pr大的彈簧。 調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性 調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性與閥關(guān)閉時的不平衡力Ft對閥的作用方向有關(guān)。當(dāng)Ft的作用方向是將閥芯頂開時(即“－” Ft)，調(diào)節(jié)閥就穩(wěn)定；反之，F(xiàn)t的作用方向是將閥芯壓閉時(即“+” Ft)，閥的穩(wěn)定性就差——即容易產(chǎn)生振蕩。調(diào)節(jié)閥在現(xiàn)場通常產(chǎn)生振蕩就是此原因所致。解決振蕩的辦法就是改變閥的流向，把“+” Ft變成了“－” Ft，調(diào)節(jié)閥的振蕩就消除了。 為什么“－” Ft閥穩(wěn)定性好，而“+” Ft的穩(wěn)定性差，產(chǎn)生振蕩呢?從下面的分析就清楚了。 對“－” Ft：當(dāng)干擾使閥增加一個“△Ft”時，閥被頂開，閥芯被頂開壓差就下降，“△Ft”就自動消失。由此看出，由于它能自動排除干擾，所以閥穩(wěn)定。 對“+”Ft：當(dāng)干擾使閥增加一個“△Ft”時，閥芯被壓閉，使閥的壓差增加，“△Ft 再進(jìn)一步地增大，又進(jìn)一步地壓閉閥芯，壓差再增加，“△Ft 再增加，這樣就破壞了原平衡狀態(tài)，閥芯在干擾作用下，不能自動消除它，反而使得放大，迫使閥芯作浮上浮下運(yùn)動，這就是我們所說的調(diào)節(jié)閥的振蕩。 調(diào)節(jié)閥穩(wěn)定性的校核 在對“+” Ft工作時，閥的穩(wěn)定性差。在什么條件下才認(rèn)為是穩(wěn)定的呢？它與閥的剛度有關(guān)，最終的結(jié)果是(推導(dǎo)略)： 穩(wěn)定的條件：“+” Ft ﹤ 1/3 PrAe 不穩(wěn)定的條件：“＋” Ft ≥ 1/3 PrAe 調(diào)節(jié)閥不穩(wěn)定(振蕩)的克服 從上述看出“+” Ft穩(wěn)定性差，“” Ft穩(wěn)定性好，通常閥產(chǎn)生振蕩都是在“+” Ft下工作造成的。遇到此現(xiàn)象，首先分析受力和流向，若為“+” Ft工作，只需將閥改變流向安裝即可，從根本上消除上述問題；若不能改變流向，則必須增大彈簧范圍，如Pr＝20～100KPa改為Pr＝ 40～200KPa等。1 調(diào)節(jié)閥的構(gòu)成 國 際電工委員會IEC對調(diào)節(jié)閥（國外稱控制閥Control Valve）的定義為：“工業(yè)過程控制系統(tǒng)中由動力操作的裝置形成的終端元件，它包括一個閥體部件，內(nèi)部有一個改變過程流體流率的組件，閥體部件又與一個 或多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接。執(zhí)行機(jī)構(gòu)用來響應(yīng)控制元件送來的信號。”可見，調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體部件兩部分組成，即 調(diào)節(jié)閥＝執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體部件 其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它按信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而帶動調(diào)節(jié)閥的閥芯動作；閥體部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部份，它直接與介質(zhì)接觸，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的位移，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。調(diào)節(jié)閥按其能源方式不同主要分為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥三大類。它們的差別在于所配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。前者配的是氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，中間一種配的是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，后者配的是液動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前，國內(nèi)將不帶閥的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)稱為電動執(zhí)行器，這個習(xí)慣的稱法有待糾正。2 氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 老式氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)該執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種過去應(yīng)用最廣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它通常接受20～100KPa的標(biāo)準(zhǔn)信號壓力，具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、維修方便、價格低廉等優(yōu)點。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為正、反作用兩種形式，見圖4—l。國產(chǎn)型號ZMA型（正作用）與ZMB型（反作用），其含義為：Z—執(zhí)行器大類；M—氣動薄膜型式；A—正作用；B—反作用。 當(dāng)信號壓力增加時，推桿向下動作的叫正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；反之，信號壓力增加時，推桿向上動作的叫反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，正、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本相 同，均由膜蓋、波紋膜片、推桿部件、彈簧、支架等組成。在正作用式的結(jié)構(gòu)上加上墊塊，更換個別零件，即可變?yōu)榉醋饔檬健Ｋ鼈兊淖饔迷硎牵寒?dāng)調(diào)節(jié)器或定位器的輸出信號P輸入薄膜氣室后，信號壓力在薄膜上產(chǎn)生推力，使推桿部件移動，并壓縮彈簧，直至彈簧的反作用力與信號壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力相平衡為止。這時推桿的移動，就是氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，也稱行程，用 表示，全行程用L表示。輸入信號壓力P與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出行程成線性關(guān)系。令執(zhí)行機(jī)構(gòu)正好啟動時的信號壓力為P0 ，全行程處的信號壓力為PL ，則P0～PL 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)走完全行程所需要的信號壓力，亦稱為彈簧范圍，以Pr 表示，見圖4－2。啟動信號壓力P0 可以通過調(diào)節(jié)件調(diào)整，使Pr 前后移動，可增加對氣開閥，氣閉閥所需要的輸出力，以提高許用壓差。（a）正作用（b）反作用圖４1 老式氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)該類執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件是波紋膜片和彈簧。膜片由丁腈橡膠－26，中間夾錦綸－6的32支絲織物制成。由于橡膠類零件有一定的溫度使用范圍，所以規(guī)定了調(diào)節(jié)閥的環(huán)境溫度為－30℃～+60℃。彈簧是執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵零件，在全行程范圍內(nèi)，彈簧剛度應(yīng)保持不變，才能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度。老式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要參數(shù)見表4－1。圖４2位移特性表41 參數(shù)/執(zhí)行機(jī)構(gòu)ZM□－1ZM□－2ZM□－3ZM□－4ZM□－5ZM□－6有效面積cm20028040063010001600推桿行程mm1010，1616，2525，4040，6060，100彈簧范圍KPa20～100、20～80、50～180～160、60～180、130～210氣源壓力KPa140250 精小型氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它主要針對老式薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)笨重和反作用可靠性差的問題而設(shè)計的。在減少重量和高度方面，它將老結(jié)構(gòu)的單彈簧改為多彈簧，并將彈簧直接置于上下膜蓋內(nèi)，使 支架大大地減小減輕； 在可靠性方面，將反作用的老式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的深波紋滾動膜片改成“O”型圈密封；老式結(jié)構(gòu)中的推桿沒有導(dǎo)向，動作的平穩(wěn)性差，而精小型執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加了導(dǎo)向。歸納起來，精小型執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有可靠性高、外形小、重量輕的特點。其結(jié)構(gòu)見4－3圖；其型號：正作用ZHA、反作用ZHB；其參數(shù)見表4－2。表42 型號ZHA/B11ZHA/B22ZHA/B23ZHA/B34ZHA/B45行程1010，1616，254040，60有效面積cm200350350560900彈簧范圍KPa20～100 20～80 50～130 80～160 130～210氣源壓力KPa140250重量比較Kg精小型/20213570老結(jié)構(gòu) ZMA/ZMB/25/2830/5049/5895/115新比老結(jié)構(gòu)下降％/22/2930/4029/4326/39（a）正作用（b）反作用圖４3 精小型氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠。 缺點：①膜片承受的壓力較低，最大膜室壓力不能超過250KPa，加上彈簧要抵消絕大部分的壓力，余下的輸出力就很小了。②為了提高輸出力，通常作法就是 增大尺寸，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸和重量變得很大；另一方面，工廠的氣源通常是500～700KPa，它只用到了250KPa，氣壓沒充分利用，這是不可取 的，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決了此問題。 3 氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 為了充分用足工廠的氣源壓力來提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力、減少其重量和尺寸，便產(chǎn)生了活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 由于受到傳統(tǒng)應(yīng)用的影響，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用都局限于大推力上，故使用的場合較少。這是因為過去的定位器氣源壓力為140～250KPa，而700KPa 氣源的定位器的可靠性較差。如今，這一問題已不存在，定位器700KPa以上的氣壓都可用一臺定位器來實現(xiàn)。換言之，現(xiàn)在的定位器，既可用于 140～250KPa場合，又可用于700KPa的場合，這樣一來，我們就應(yīng)該改變傳統(tǒng)的習(xí)慣作法——選用700KPa的氣源定位器，配活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)去代 替氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使氣動調(diào)節(jié)閥的尺寸和重量進(jìn)一步下降。所以可以預(yù)言，氣動活塞調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用會越來越廣泛。 直行程活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它主要用于配直行程的調(diào)節(jié)閥，它分為有彈簧式和無彈簧式兩種，其結(jié)構(gòu)圖見4－4。 1）無彈簧活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）用于故障下要求閥保位的場合； （2）用于大口徑閥要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力特別大的場合； （3）對兩位閥配用二位五通電磁閥；對調(diào)節(jié)型的閥配用雙作用式閥門定位器。 2）有彈簧式活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 大多數(shù)場合使用有彈簧的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特點是：①在故障情況下，通過彈簧進(jìn)行復(fù)位，實現(xiàn)故障開或故障關(guān)功能；②可以抵抗不平衡力的變化，增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 剛度，提高調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性。它的缺點是：①彈簧會抵消一部分輸出力；②氣缸內(nèi)設(shè)彈簧，增加了氣缸的長度和重量。 （a）無彈簧型 （b）有彈簧型圖44 單層活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3）雙層活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 為了進(jìn)一步提高活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力，活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)可設(shè)計為雙層式，輸出力可提高約一倍，主要用于大壓差、大口徑、輸出力要求特別大的場合。其結(jié)構(gòu)見圖4—5。 角行程活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 角行程的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于角行程類的調(diào)節(jié)閥，按氣缸的安裝方向，分為立式氣缸和臥式氣缸兩種。按活塞的推桿驅(qū)動輸出軸轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，常用的有：①曲柄連桿式；②齒輪齒條式；③活塞螺旋式。 1）立式曲柄連桿活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它最常見的是用于蝶閥，其結(jié)構(gòu)見圖4－6。它是最老式、陳舊的結(jié)構(gòu)，其主要存在的問題是：①曲柄連桿轉(zhuǎn)動為滑動摩擦，不僅間隙大，而且摩擦力特別大、造成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回差大、動作不靈敏，常常使有效輸出力矩?fù)p失約30％左右；②尺寸大、笨重，與現(xiàn)在追求調(diào)節(jié)閥為輕型化和高可靠的要求不相適應(yīng)，故建議不選用。 2）臥式曲柄連桿活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它的典型結(jié)構(gòu)見圖4－7，其存在的問題同1），也是屬淘汰的對象。然而，現(xiàn)在許多場合，如偏心旋轉(zhuǎn)閥、球閥還在大量使用。顯而易見，應(yīng)該用更小型的、更可靠的活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)去取代它。 （a）無彈簧型 （b）有彈簧型圖45 雙層活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖46 立式曲柄連桿活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3）臥式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它的結(jié)構(gòu)見圖4－8所示。它有如下特點：①齒輪齒條轉(zhuǎn)動方式克服滑動摩擦，它比曲柄連桿的滑動摩擦方式的摩擦力小得多，同口徑可提高效率20％；②齒輪齒 條轉(zhuǎn)動均勻，轉(zhuǎn)動間隙小，因此運(yùn)動自如、回差小；③很容易設(shè)計成雙活塞式，使其輸出力矩提高一倍；反過來，當(dāng)輸出力矩一定時，就可獲得更小尺寸的執(zhí)行機(jī) 構(gòu)，使重量和尺寸得到大幅度的減小；④非常容易實現(xiàn)與閥直接相連，又簡化了閥的連接方式，并使所配閥的外形更加勻稱、美觀、小型。圖47 臥式曲柄連桿活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖48 臥式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)4）立式螺旋式活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu) 臥式活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫向尺寸較大，對于一些特殊場合，橫向安裝尺寸受限，如國產(chǎn)化，原來的閥要更換下來，它的左右、前后尺寸都受到了限制，只能向上方空間發(fā) 展，此時，臥式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就不能用了，只能配立式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，見圖49。氣缸內(nèi)開有螺旋槽的活塞直接帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，具有尺寸小、重量輕的特點。但它比臥 式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性差、有效輸出力矩小，所以除在不得已的情況下選用此執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，我們還是建議選用臥式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖49 立式螺旋式活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)5）建議性意見（1）直行程的調(diào)節(jié)閥，如單座閥、雙座閥、套筒閥，建議選用立式直行程活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)去代替氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它不僅可以減小尺寸，還有效地利用500KPa的氣源來提高輸出力、提高閥的剛度（如加粗閥桿、加大彈簧等）。（2）對角行程類的調(diào)節(jié)閥，應(yīng)選用臥式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最典型的是蝶閥，所配氣動薄膜執(zhí) 行機(jī)構(gòu)或立式活塞曲柄連桿的驅(qū)動方式都應(yīng)淘汰，配用臥式齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣，不僅提高了動作的可靠性和精度，且外形尺寸大大減小，外形也更加美 觀；其次是偏心閥、球閥，也應(yīng)將原來的老式曲柄連桿結(jié)構(gòu)淘汰，由臥式的齒輪齒條活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)來代替。一個典型的閥改進(jìn)的例子見圖410。