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控制阀的结构


执行机构

   执行机构是将控制器输出信号转换为控制阀阀杆直线位移或阀轴角位移的装置。执行机
构提供推动力或推动力矩,用于克服不平衡力、阀压紧力和摩擦力等,使位移量与输入信号
成比例变化。

   
气动薄膜执行机构                   气动单座调节阀详细说明

   气动薄膜执行机构是最常用的执行机构。气动薄膜执行机构的结构简单,动作可靠,维护方便,成本低廉,得到广泛应用。它分为正作用和反作用两种执行方式。正作用执行机构在输入信号增加时,推杆的位移向外;反作用执行机构在输入信号增加时,推杆的位移向内。
   当输入信号增加时,在薄膜膜片上产生一个推力,克服弹簧的作用力后,推杆位移,位移方向向外。因此,称为正作用执行机构。反之,输入信号连接口在下膜盖上,信号增加时,推杆位移向内,缩到膜盒里,称为反作用执行机构。

气动薄膜直行程执行机构

   气动薄膜执行机构的特点如下
   1.正、反作用执行机构的结构基本相同,由上膜盖、下膜盖、薄膜膜片、推杆、弹簧、调节件、支架和行程显示板等组成。
  2.正、反作用执行机构结构的主要区别是反作用执行机构的输入信号在膜盒下部,引出的推杆也在下部,因此,阀杆引出处要用密封套进行密封,而正作用执行机构的输入信号在膜盒上部,推杆引出处在膜盒下部,由于薄膜片的良好密封,因此,在阀杆引出处不需要 进行密封。
   3.可通过调节件的调整,改变弹簧初始力,从而改变执行机构的推力。
   4.执行机构的输入输出特性呈现线性关系,即输出位移量与输入信号压力之间成线性关系。输出的位移称为行程,由行程显示板显示。一些反作用执行机构还在膜盒上部安装阀位显示器,用于显示阀位。国产气动薄膜执行机构的行程有lOmm、16mm、25mm、40mm、60mm和lOOmm等六种规格。
   5.执行机构的膜片有效面积与推力成正比,有效面积越大,执行机构的推力也越大。
   6.可添加位移转换装置,使直线位移转换为角位移,用于旋转阀体。
   7.可添加阀门定位器,实现阀位检测和反馈,提高控制阀性能。
   8.可添加手轮机构,在自动控制失效时采用手轮进行降级操作,提高系统可靠性。
   9.可添加自锁装置,实现控制阀的自锁和保位。
   精小型气动薄膜执行机构在机构上作了重要改进,它采用多个弹簧代替原来的一个弹簧,降低了执行机构的高度和重量,具有结构紧凑、节能、输出推力大等优点。与传统气动薄膜执行机构比较,高度和重量约可降低30%。是采用四个弹簧结构的精小型气动薄膜执行机构示意图。
   侧装式气动薄膜执行机构、也称为增力式执行机构,国外也称为∑F系列执行机构。它采用增力装置将气动薄膜执行机构的水平推力经杠杆的放大,转换为垂直方向的推力。由于在增力装置上可方便地更换机件的连接关系来更换正反作用方式,改变放大倍数,例如,增力装置的放大倍数可达5.2,国产产品也可达3,因此,受到用户青睐。
   滚动膜片执行机构采用滚动膜片,在相同有效面积下的位移量较大,与活塞执行机构比,有摩擦力较小、密封性好等特点。它通常与偏心旋转阀配套使用。
  
气动活塞执行机构

   气动活塞执行机构采用活塞作为执行驱动元件,具有推力大、响应速度快的优点。气动活塞执行机构的特点如下。
   1.可采用较大的气源压力。例如,操作压力可高达1MPa,国产活塞执行机构也可0.5MPa,此外,它不需要气源的压力调节减压器。
   2.推力大。由于不需要克服弹簧的反作用力,因此提高操作压力和增大活塞有效面积就能获得较大推力。对采用弹簧返回的活塞执行机构,其推力计算与薄膜执行机构类似,其推力要小于同规格的无弹簧活塞执行机构。
   3.适用于高压差、高静压和要求有大推力的应用场合。
   4.当作为节流控制时,输出位移量与输入信号成比例关系,但需要添加阀门定位器。
   5.当作为两位式开闭控制时,对无弹簧活塞的执行机构,活塞的一侧送输入信号,另一侧放空,或在另一侧送输入信号,一侧放空,实现开或关的功能;有弹簧返回活塞的执行机构只能够在一侧送输入信号,其返回是由弹簧实现的。为实现两位式控制,通常采用电磁阀等两位式执行元件进行切换。采用一侧通恒压,另一侧通变化压力(大于或小于恒压)的方法实现两位控制,它使响应速度变慢;采用两侧通变化的压力(一侧增大,另一侧减小)实现两位控制,同样会使响应速度变慢,不拟采用。
   6.与薄膜·执行机构类似,活塞执行机构分正作用和反作用两种类型。输入信号增加时,
活塞杆外移的类型称为正作用式执行机构;输入信号增加时,活塞杆内缩的类型称为反作用
式执行机构。作为节流控制,通常可采用阀门定位器来实现正反作用的转换,减少设备类型
和备件数量。
   7.根据阀门定位器的类型,如果输入信号是标准20~lOOkPa气压信号,则可配气动阀门定位器;如果输入信号是标准4~20mA电流信号,则可配电气阀门定位器。
   8.可添加专用自锁装置,实现在气源中断时的保位。
   9.可添加手轮机构,实现自动操作发生故障时的降级操作,即手动操作。
   10.可添加位移转换装置使直线位移转换为角位移,有些活塞式执行机构采用横向安装,并经位移转换装置直接转换直线位移为角位移。
   长行程执行机构是为适应行程长(可达400mm)、推力矩大的应用而设计的执行机构,它可将输入信号直接转换为角位移,因此,不需外加位移转换装置。

电动执行机构                            电动执行机构详细说明

   电动执行器是一类以电作为能源的执行器,按结构可分为电动控制阀、电磁阀、电动调速泵和电动功率调整器及附件等。
   电动控制阀是最常用的电动执行器,它由电动执行机构或电液执行机构和调节机构(控制阀体)组成。电动执行机构或电液执行机构根据控制器输出信号,转换为控制阀阀杆的直线位移或控制阀阀轴的角位移。其调节机构部分可采用直通单座阀、双座阀、角形阀、蝶阀、球阀等。
   电磁阀是用电磁体为动力元件进行两位式控制的电动执行器。电动调速泵是通过改变泵电机的转速来调节泵流量的电动执行器,通常采用变频调速器将输入信号的变化转换电机供电频率的变化,实现电机的调速。由于与用控制阀节流调节流量的方法比较,它具有节能的优点,因而逐渐得到应用。电功率调整器是用电器元件控制电能的执行器,如常用的感应调压器、晶闸管调压器等,它·通过改变流经负荷的电流或施加在负荷两端的电压来改变负荷的电功率,达到控制目的。例如,用晶闸管调压器来控制加热器电压,使加热器温度满足所需温度要求等。
   (1)电动执行机构 电动执行机构是采用电动机和减速装置来移动阀门的执行机构。通常,电动执行机构的输入信号是标准的电流或电压信号,其输出信号是电动机的正、反转或停止的三位式开关信号。电动执行机构具有动作迅速、响应快、、所用电源的取用方便、传输距离远等特点。
   电动执行机构可按位移分为直行程、角行程和多转式等三类,也可按输入信号与输出性的关系分为比例式、积分式等两类。
   电动执行机构的特点如下
   1.电动执行机构一般有阀位检测装置来检测阀位(推杆位移或阀轴转角),因此,电动执行机构与检测装置等组成位置反馈控制系统,具有良好的稳定性。
   2.积分式电动执行机构的输出位移与输入信号对时间的积分成正比,比例式电动执行机构的输出位移与输入信号成正比。
   3.通常设置电动力矩制动装置,使电动执行机构具有快速制动功能,可有效克服采用机械制动造成机件磨损的缺点。
   4.结构复杂价格昂贵,不具有气动执行机构的本质安全性,当用于危险场所时,需考虑设置防爆、安全等措施。
   5.电动执行机构需与电动伺服放大器配套使用,采用智能伺服放大器时,也可组成智能电动控制阀。通常,电动伺服放大器输入信号是控制器输出的标准4~20mA电流信号或相应的电压信号,经放大后转换为电动机的正转、反转或停止信号。放大的方法可采用继电器、晶体管、磁力放大器等,也可采用微处理器进行数字处理,通常,放大器输出的接通和断开时间与输入信号成比例
   6.可设置阀位限制,防止设备损坏。

   7.通常设置阀门位置开关,用于提供阀位开关信号o
   8.适用于无气源供应的应用场所、环境温度会使供气管线中气体所含的水分凝结的场所和需要大推力的应用场所。
近年来,电动执行机构也得到较大发展,主要是执行电动机的变化。由于计算机通信技
术的发展,采用数字控制的电动执行机构也已问世,例如步进电动机的执行机构\数字式智
能电动执行机构等。
   (2)电磁阀 电磁阀是两位式阀,它,将电磁执行机构与阀体合为一体。按有无填料函可分为填料函型和无填料函型电磁阀;按动作方式分先导式和直接式两类;按结构分普通型、 防水型、防爆型和防水防爆型等;按正常时的工作状态分常闭型(失电时关闭)和常开型 (失电时打开);按通路方式分为两通、三通、四通、五通等;按电磁阀的驱动方式分为单电控、双电控、弹簧返回和返回定位等。电磁阀常作为控制系统的气路切换阀,用于联锁控制系统和顺序控制系统。电磁阀一般不作为直接切断阀,少数小口径且无仪表气源的应用场合也用作切断阀。
   先导式电磁阀作为控制阀的导向阀,用于控制活塞式执行机构控制阀的开闭或保位,也可作为控制系统的气路切换。通常,先导式电磁阀内的流体是压缩空气,在液压系统中采用液压油,应用先导式电磁阀时需要与其他设备,例如滑阀等配合来实现所需流路的切换。直接式电磁阀用于直接控制流体的通断。
   电磁阀具有可远程控制、响应速度快、可严密关闭、被控流体无外泄等特点。需注意,电磁阀工作部件直接与被控流体接触,因此,选型时应根据流体性能确定电磁阀类型。电磁阀常用于位式控制或控制要求较低,但要求严格密封等应用场合。例如,加热炉燃料气进料、空气和水等介质。在防爆区域应用时,应选用合适的防爆电磁阀。
   (3)电动调速泵 通常,电动调速泵指用交流调速技术对交流电动机进行调速,实现流量控制。交流电动机的调速方法有调频调速、调极对数调速和调转差率调速三种,同步交流电动机因不受转差率影响,只有调频调速、调极对数调速两种调速方法。

   调速控制系统可直接采用开环控制,或组成速度反馈控制,也可添加电压、电流或位置信号等,组成复杂控制系统。近二十几年来,由于矢量控制具有动态响应快、运行稳定等特点,因此,采用旋转矢量控制技术的交流电动机调速控制系统得到广泛应用。

   电液执行机构

   电液执行机构的输入信号是电信号,输出执行元件的动力源采用液压油,因此,特别适用于大推力、大行程和高精度控制的应用场合。在大型电站,为获得大推力,在主蒸汽门等控制系统中常采用电液执行机构。
   电液执行机构与电动执行机构比较,由于采用液压机构,因此具有更大的推力或推力矩。但液压系统需要更复杂的油压管路和油路系统的控制,例如对液压油温度、压力等的控制,还需要补充油和油的循环。与气动活塞执行机构比较,电液执行机构采用液压缸代替气缸,由于液压油具有不可压缩性,因此,响应速度可达lOOmm/s,比气动活塞式执行机构快,行程的定位精确,控制精度高(可达0.5级),它的行程可很长(可达lm),输出推力矩大(可达60000Nm),输出推力大(可达25000N)。
   电液执行机构将输入的标准电流信号转换为电动机的机械能,以液压油为工作介质,通过动力元件(例如液压泵)将电动机的机械能转换为液压油的压力能,并经管道和控制元件,借助执行元件使液压能转化为机械能,驱动阀杆完成直线或回转角度的运动。因此,它具有电动执行机构的快速响应性和活塞式执行机构的推力大等优点。但因使用液压油,带来油路系统的泄漏等问题。
   基本的液压传动系统由方向控制回路、压力控制回路和流量控制回路等组成。方向控制回路可采用换向阀、单向阀等;压力控制回路可采用压力继电器、减压阀、j顷序阀等;流量控制回路可采用节流阀、调速阀等。此外,还需要一些辅助控制回路,例如平衡控制回路、卸压控制回路、增压和增速控制回路等。为保证电液执行机构的正常运转,通常采用两套液
压传动油系统,其中一套系统工作,另一套系统备用。
   图2—25是某类电液执行机构的工作原理图。图中,当输入信号增加时,带动力矩马达的转子转动,使挡板靠近喷嘴,仪表波纹管压力和反馈波纹管压力都增加,仪表波纹管压力的增加使喷嘴管沿支点转动,喷嘴移到圆筒的接收口,它使液压缸的上部压力增加,液压缸的下部压力降低,液压缸的阀杆下移,直到反馈弹簧力与仪表波纹管压力平衡为止。而反馈波纹管内压力的降低,使力矩马达转子返回平衡位置。
   与电动执行机构类似,电液执行机构也采用位置反馈装置组成反馈控制系统。它提高了整个系统的控制精度,改善了系统的动态特性。但由于价格昂贵,管路系统复杂,只有在需要大推力和推力矩的应用场合才被采用。其特点如下。
   1.相同输出功率条件下,液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小,响应快。

   2.可大范围内实现无级调速,可输出较大推力和较大力矩。
   3.传动无间隙,运动平稳,可实现频繁的换向操作。操作方便,易实现自动化,易实现复杂自动控制jD匝序,易实现过载保护。
   4.液压油黏度受环境温度影响大,也不适用于远距离传动控制。
   5.对控制装置的要求高,要求设置反馈装置组·成闭环控制。根据被控变量为位移、速度和力等机械量的不同,反馈检测装置也有位移检测反馈装置、速度反馈检测装置等,使整个系统变得复杂,价格上升,也提高了对维护人员的技能要求。

   手动执行机构

   手动执行机构仅在自动操作存在困难时才操作。例如,自动控制的输入信号故障或执行机构膜头漏气等,,有时在工艺生产过程的开、停车阶段,由于控制系统还未切人自动操作,这时也需要用手动执行机构对控制阀进行操作。
   手动执行机构的主要用途如下。
   1.与自动执行机构配合,用于自动控制失效时的降级操作,提高控制系统可靠性。
   2.作为控制阀的限位装置,限制阀的开度,防止事故发生。例如,造纸浆料制备过程中有些阀要求正常时有一定开度,用于排放粗渣。
   3.节省控制阀的旁路阀。在不重要的控制系统中,当管路直径较大时,可采用手动执 行机构替代旁路阀的功能,降低投资成本,缩小安装空间。
   4.用于开、停车时对过程的手动操作。
手动执行机构由手轮、传动装置和连接装置等组成。按安装位置可分为顶装式和侧装式两类。顶装式手动执行机构的手轮安装在自动执行机构的顶部,通过螺杆传动装置,与自动执行机构的推杆(或膜头板)连接。正常运行时,手轮退出,用紧固螺母锁定,可作为阀位最高位的限制装置。当需手动操作时,松开紧固螺母,转动手轮,使之与自动执行机构的推杆连接,从而可移动推杆,改变阀门开度。正作用和反作用的自动执行机构与手动执行机构的连接方式相同,但正作用执行机构需要考虑手动执行机构传动杆的密封。
   侧装式手动执行机构的手轮安装在自动执行机构的侧面,可采用蜗轮蜗杆传动方式,也可采用杠杆传动方式。
   选用顶装或侧装式手轮执行机构时,应从方便操作考虑。当控制阀安装位置较低,或阀侧没有空间时,可选用顶装式手轮执行机构,其他场合可选用侧装式手轮执行机构。为防止手轮被误操作而转动,可设置安全锁紧装置,例如,销轴固定手轮进行限位,或用小锁紧轮顶紧手轮轴等。
   为提供阀门位置的信息,手轮执行机构设置了刻度显示装置,用于提供阀门位置的显示
等信息。
   为方便进行手动操作和自动操作的切换,通常设置离合和切换装置。当手动位置时,手轮与自动执行机构的阀杆连接;当自动位置时,手轮与自动执行机构的阀杆脱钩,不影响自动执行机构的动作。
   其他执行机构还有齿条齿轮执行机构,它常用于旋转控制阀,由于齿隙造成回差,因此用于位式控制和控制要求不高的场合。

   调节机构                              
控制阀的类型

   调节机构是将执行机构的输出位移变化转换为控制阀阀芯和阀座间流通面积变化的装置。通常称调节机构为阀,例如直通单座阀、角形阀等。其结构特点可从下列几方面分析。
   从结构看,调节机构由阀体、阀内件、上阀盖组件、下阀盖等组成。阀体是被控流体流过的设备,它用于连接管道和实现流体通路,并提供阀座等阀内件的支撑。阀内件是在阀内部直接与被控介质接触的组件,包括阀芯、阀座、阀杆、导向套、套筒、密封环等。通常,上阀盖组件包括上阀盖、填料腔、填料、上盖板和连接螺栓等。在一些调节机构中下阀盖作为阀体的一部分,并不分离。下阀盖用于带底导向的调节机构,它包括下阀盖、导向套和排放螺丝等。为安装和维护方便,一些调节机构的上阀盖与阀体合一,而下阀盖与阀体分离,称为阀体分离型阀,例如一些高压阀和阀体分离阀。
   从阀体结构看,可分为带一个阀座和一个阀芯的单座阀阀体、带两个阀座和一个阀芯的双阀座阀体、带一个连接人口和一个连接出口的两通阀体、带三个连接口(一个人口和两个出口的分流或两个人口和一个出口的合流)的三通阀体。
   从阀芯位移看,调节机构分为直线位移阀和角位移阀。它们分别与直线位移的执行机构和角位移执行机构配合使用。直通阀、角形阀、套筒阀等属于直线位移阀,也称为滑动阀杆阀(SlidingStemValve)o蝶阀、偏心旋转阀、球阀等属于角位移阀,也称为旋转阀(Ro-taryValve)o近年也有一些制造·厂商推出了移动阀座的控制阀,它与角行程执行机构配合,但从阀芯的相对位移看,仍是直线位移,例如Nufflo控制阀。
   从阀芯导向看,可分为顶导向、顶底导向、·套筒导向、阀杆导向和阀座导向等类型。对
于流体的控制和关闭等,阀芯的导向十分重要,阀芯导向用于阀芯和阀座的对中配合。顶导向采用阀盖或阀体内的一个导向套或填料结构实现导向;顶底导向采用阀盖和下阀盖的导向套实现导向,对双座阀和需要精确导向的调节机构需采用顶底导向;套筒导向采用阀芯的外表面与套筒的内表面进行导向,这种导向方式具有自对中性能,能够精确实现阀芯和阀座的对中;阀杆导向采用上阀盖上的导向套与阀座环对中,用轴套与阀杆实现导向;阀座导向在小流量控制阀中被采用,它用阀座直接进行对中。
   从阀芯所受不平衡力看,调节机构的阀芯有不平衡和平衡两种类型。平衡式阀芯是在阀芯上开有平衡孔的阀芯,当阀芯移动时,阀芯上、下部因有平衡孔连接,因此,两侧压力差的绝大部分被抵消,大大减小不平衡力对阀芯的作用,平衡式阀芯需要平衡腔室,因此,需密封装置密封。根据流向不同,平衡阀芯所受的压力可以是阀前压力(中心向外流向),也可以是阀后压力(外部向中心流向)。平衡阀芯可用于套筒结构的阀芯,也可用于柱塞结构的阀芯。不平衡阀芯的两侧分别是控制阀阀前和阀后的压力,因此,阀芯所受不平衡力大,同样口径控制阀需要更大推力的执行机构才能操作。
   从阀芯降压看,阀芯结构有单级降压和多级降压之分。单级降压结构因两端的压差大,因此,适用于噪声小、空化不严重的场合。在降噪要求高,空化严重的场合,应采用如图
   在多级降压结构中,控制阀两端的压差被分解为几个压差,使在各分级的压差较小,都不会发生空化和闪蒸现象,从而防止空化和闪蒸发生,也使噪声大大降低。
    从流量特性看,根据流通面积的不同变化,可分为线性特、等百分比特性、快开特性、抛物线特性、双曲线特性及一些修正特性等。流量特、J陛表示阀杆位移与流体流量之间的关系。通常,采用流量特性来补偿被控对象的非线性特性。阀芯的形状或套筒开孔形状决定控制阀的流量特性。直行,程阀芯可分为平板型(用于快开)、柱塞型、窗口型和套筒型等。图2—30是三种常用套筒控制阀的套筒示意图,由于开孔面积变化不同,阀芯移动
时,流通面积也不同,从而实现所需流量特性。柱塞型阀和窗口型阀也可根据所需流量特性
有不同形状。角行程阀的阀芯也有不同形状,例如,用于蝶阀的传统阀板、动态轮廓阀板;
用于球阀的O形开孔、V形开孔和修正型开孔等结构。
快开
线性
等百分比

            图1 三种常用套筒控制阀的套筒示意图

   从阀内件的互换性看,一些调节机构的阀内件可方便地更换和维护,例如,套筒阀可方便地更换套筒实现不同流量特性;顶底导向的阀内件可方便地翻转阀芯和阀座来实现正体阀与反体阀的更换,从而实现气开和气关方式的更换;阀体分离阀可方便地拆卸,用于阀座更
换和清洗。
   从上阀盖结构看,根据不同应用要求,可采用普通阀盖,也可采用长颈型阀盖或带散热或吸热片的长颈型阀盖,另外还有波纹管密封型阀盖。长颈型阀盖用于高温和低温的应用,保护阀杆填料,使之不受介质温度影响,防止黏结、咬卡、泄漏或降低润滑效果。除了通过把阀盖延伸,使填料处温度远离介质工作温度的长颈型阀盖外,也可增加散热或吸热片,制成带散热或吸热片的长颈型阀盖,使介质温度得到降低或提高。通常,铸造的长颈型阀盖具有较好的散热性和较高的高温适应性,被用于高温应用场合;不锈钢装配的长颈型阀盖具有较低的热传导性和较好的低温适应性,被用于低温应用场合。当不允许被控介质泄漏时,不能采用常用填料结构的上阀盖,必须采用带波纹管密封的上阀盖。这种结构采用波纹管密封,可使被控介质被密封在阀体内,不与填料接触,防止流体泄漏。在选用时需考虑波纹管的耐压和温度影响。
   从调节机构与管道的连接看,有旋人式管螺纹连接、法兰连接、无法兰的夹接连接和焊接连接等几种。小型控制阀常采用旋人式管螺纹连接,阀体连接端是锥管阴螺纹,管道连接端为锥管阳螺纹。这种连接方式适用于口径小于2”的控制阀阀体与管道的连接,不,适用于高温工况。由于维护、拆卸困难,因此,需要在控制阀的上下游安装活接头。法兰连接采用与控制阀配套的法兰,用螺栓和垫片进行连接,配套法兰焊接在管道上。根据控制阀连接法兰的不同,有不同的配套法兰,例如,有平法兰、凸面法兰、环形结合面法兰等。所用法兰应与控制阀额定工作压力和温度相适应。平法兰连接时,可在两片法兰面间安装垫片,适用’于低压、铸铁和铜质控制阀的安装连接。凸面法兰上加工有扒紧线,它是一个与法兰同心的小槽,当两片法兰间安装的垫片在螺栓作用下压紧时,垫片会进入扒紧线的槽内,使连接处的密封更紧密,凸面法兰连接适用于大多数应用场合使用的铸钢、合金钢的控制阀。环形结合面法兰用于高压控制阀的连接,采用透镜垫片,当压紧垫片时,垫片被压人法兰凸面上的U形槽内,形成严密密封。夹接连接适用于闸阀、蝶阀等低压、大口径控制阀的连接,采用外部的法兰夹住控制阀,并在连接面安放垫片,用螺栓压紧法兰完成阀与管道的连接。焊接连接将控制阀直接与管道焊接,可采用套接焊接或对接焊接。焊接连接的优点是可实现严格密封,缺点是焊接连接需要阀体材质可焊接,而且不易从管道拆卸,因此,,一般不采用焊接连接。

   填料函和填料结构

   在控制阀中填料函的用途如下。
   1.提供阀杆或阀轴的密封。由于阀杆和阀轴是活动部件,它们在控制阀运行过程中不断改变位置,因此,需要用填料函进行密封。
   2.提供尽可能小的摩擦和尽可能长的使用寿命。,由于阀杆或阀轴移动时有静摩擦力(力矩)和动摩擦力(力矩),它们使控制阀的静态和动态性能变差,因此,要选用合适的填
料函和填料结构使摩擦降低到最小,使用寿命最长。
   控制阀选择通常考虑控制阀工作温度、压力、流量特性、流通能力和材质选择等,对填料函和填料结构的设计和选用考虑较少。随着对控制系统控制品质要求的提高,对环保要求的提高,对控制阀泄漏量的要求也不断提高,因此,填料函选用和结构设计变得越来越重要,对填料函和填料·结构的考虑被提到议事日程。一些制造商对填料类型、填料结构等做了大量实验室试验取得了有用实验数据,并使填料函和填料结构更合理。

   填料

   过去,填料选择的主要考虑因素是填料工作温度。因此,当温度低于200℃时选用聚四氟乙烯(PTFE),当温度高于200℃(2时选用石墨。现在,选用填料时,不仅要考虑工作温度,还要考虑填料的摩擦对控制过程所造成影响,例如,回差、密封质量和使用寿命等。不同应用过程,不同安装条件,这些变数很难用定量化方法来描述,因此,只能从不同填料的各种性能比较中选择较适合于实际过程和操作条件的填料函和填料结构。所选用填料可以是单一材质,例如聚四氟乙烯(PTFE)或石墨,也可以做成不同形状,例如60°和90°V形环状、丝状等,也可由几种材质混合,例如石墨—PTFE、丝状石墨—冲压成型石墨等。

   填料结构

   填料结构研究各种填料系统中填料的排列方式,达到在保证所需泄漏量等级的前提下尽可能减小摩擦力、延长使用寿命的目的。采用PTFE作为填料函或采用PTFE填料组件组成填料函填料系统。通常,PTFE制成V形环状。
   采用石墨填料的填料系统结构图。通常,石墨有丝状、片状和弯片状等几种。丝状石墨可制成编织丝带,它容易与阀杆紧密接触,并净化阀杆表面。但丝状石墨会造成空隙,使泄漏加大。因此,丝状石墨填料要冲压成型,增加其致密性。
  采用石墨填料的系统,其摩擦要大于采用PTFE填料函的系统,因此,只要温度允许,应采用PTFE填料系统。
   从图2、图3可见,不同的填料排列方式,不同的填料结构对
密封性、摩擦性能和使用寿命有不伺的影响,因此,应合理选择。填料系统在满足密封性能要求的前提下,应尽量改善摩擦性能,减少维护工作,提高使用寿命。


图2 采用PTFE填料的结构
PTFE制成的填料环形状

图3 采用石墨填料的结构


   填料系统结构确定后,仍有多种因素影响系统的密封和摩擦、寿命等性能,例如,安装不当,阀杆加工的光洁度,填料腔加工的光洁度,填料的质量等。
   为了在一些不允许泄漏的场合使用,可采用波纹管密封,例如,采用波纹管密封的上阀
盖,在核工业中应用时,也采用填料和波纹管组成双重密封系统,保证系统不发生泄漏。

   角行程控制阀的填料系统与上述用于直行程控制阀的填料系统类似。由于上阀盖等组件结构的变化使填料腔在阀体的位置有所变化,但基本结构不变。图4和图5是用于角行程控制阀的部分填料系统结构图。

图4 采用PTFE填料的结构
图5 采用石墨填料的结构

 在填料结构设计和应用时应注意下列事项。
   1.不同填料函和填料结构适用于不同的应用场合。合理选用填料函和填料结构可在达到所需密封条件下降低摩擦,延长使用寿命。
   2.填料结构中,填料层数和长度并不是越多越好,通常填料长度是阀杆直径的1,5倍。
   3.提高阀杆和填料腔的加工光洁度和表面精度十分重要,对PTFE填料,阀杆或填料腔光洁度不够会使密封下降,造成泄漏量增大。
   4.填料结构设计应能够自动调节压紧力,补偿由于磨损等造成压紧力的下降,要有利于现场维护和安装。
   5.控制阀的安装不当会造成摩擦不均,例如水平安装使阀杆自重对水平线下部的填料造成压力,增大摩擦,而水平线上部的填料因压紧力降低而使密封性能变差。

  控制阀结构特点

   从结构看,控制阀的特点如下。
   1.控制阀有各种不同类型,它们的适用场合不同,因此,应根据工艺生产过程的要求合理选择控制阀类型。
   2.控制阀分气开和气关两类。气开控制阀在故障状态时关闭,气关控制阀在故障状态时打开。可采用一些辅助设备组成保位阀或使控制阀自锁,即故障时控制阀保持故障前的阀门开度。
   3.气开和气关的方式可通过正、反作用的执行机构类型和正体、反体阀的组合实现,在使用阀门定位器时,也可通过阀门定位器实现。
   4.各种控制阀结构不同,各有特色。从控制阀应用看,发展方向如下。
   a.精小型执行机构:可降低成本,提高流通能力。
   b.套筒导向:采用套筒导向,有利于对中,有利于降低摩擦,有利于降噪,有利于流量特性的互换。
   c.平衡式阀芯:为降低执行机构推力或推力矩,采用平衡式阀芯是重要的,它对系统的动态性能也有改善。
   d.一体化阀芯和阀座:为克服双座阀密封性差的缺点,采用相同材质的一体化阀芯和阀座组成阀内件,将泄漏量和不平衡力同时减到最小。
   e.简单流路:流路简单,流阻减小,不仅可使阀两端压损下降,而且可降低成本。L密封和摩擦:密封性能和摩擦性能是矛盾的两方面,控制阀设计中不仅要解决密封问题,对摩擦和寿命等性能指标也必须重视。因此,近年来,填料函和填料结构的研究得到重视,旋转型控制阀得到较广泛应用。
   g.降低噪声:采用多种方式降低控制阀噪声,例如,采用降噪套筒和阀芯,采用多级阀芯,采用降噪限流板,采用扩展器等。
   h,采用与管道同直径的控制阀和限制流通能力的阀内件:大阀体有利于降低阀人口压力和出口流体流速,不需安装异径管等附加管件,有利于降低成本,通过更换流通能力大的阀内件,可扩展流通能力,通过选用限制流通能力阀内件可纠正计算口径过大的错误。
    i在数字化信息化时代,将较多采用智能阀门定位器或通过数字控制器等实现非线性规律,补偿被控对象非线性,将较少选用控制阀流量特性来补偿被控对象非线性。
   5.阀内件的材料随温度变化,因此,应考虑不同温度下热膨胀造成的影响,也要考虑在高温下耐压等级的变化等,应考虑材料的耐腐蚀性、抗疲劳性等性能。

 
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