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电液动调节蝶阀设计时要考虑哪些方面

发布时间:2019-08-26 浏览量:96

    1 前言

    电液动调节蝶阀广泛应用于电力、冶金、石油、石化、天然气等行业的工艺管网及关键装备的控制系统,是控制工艺系统流量、压力等工艺参数的重要装置,具有高控制精度、高可靠性、高自动化水平等特点,并能满足特殊功能和特殊工作环境要求。其功能、性能将直接影响着系统运行的质量和经济性。

    2 设计方案

    电液动调节蝶阀由蝶阀本体、电液执行器二大功能模块组成。电液执行器是液压、机械、电子和控制技术的有机结合,创造性地集成了电动执行机构的易于实现智能化、操作简便及液动执行机构高精度、高可靠性、高寿命、负载能力强之优点,并最大限度地克服了电动、液动、气动3种常用执行机构技术上的各自缺点。采用一体化模块结构,具有体积小、结构简单,安装、调试、维护方便,不需要庞大的独立外供油源或气源等特点。

    2.1 蝶阀本体的设计方案

    蝶阀本体根据工艺系统的压力、温度、介质、流速等性能参数要求,可采用中线对夹式、单偏心、双偏心或三偏心结构形式,其结构示意如图1所示。

图1 蝶阀结构形式

    中线蝶阀的结构特征为阀杆轴心线与阀门密封副接触面的对称中心在同一平面上,并与阀体通道对称中心线垂直相交。其结构简单、制造方便,常见的衬胶对夹式蝶阀即属于此类。缺点是由于蝶板与阀座始终处于挤压状态,阻力大、磨损快。为保证在挤压、刮擦后仍保证密封性能,阀座一般采用橡胶或聚四氟乙烯等弹性材料,因此在使用上受到温度和压力的限制。

    单偏心蝶阀的结构特征为阀杆轴心线平行偏离了阀门密封副接触面的对称中心,并与阀体通道对称中心线垂直相交,从而在阀门启闭过程中蝶板上下端不再与阀座接触而产生过度挤压。但由于单偏心构造在阀门的整个开关过程中蝶板密封面与阀座密封面仍有挤压、刮擦现象,在应用范围上和中线蝶阀大同小异,故采用不多。

    双偏心蝶阀的结构特征为阀杆轴心线既平行偏离了阀门密封副接触面的对称中心,又平行偏离了阀体通道对称中心线。双偏心运用了凸轮效应,其效果是使阀门在开启时蝶板密封面能瞬间脱离阀座密封面,消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象,减小了密封副间的磨损,减轻了启闭力矩。同时还使得双偏心蝶阀也可以采用金属阀座、提高了蝶阀在高温领域的应用。

    三偏心蝶阀的结构特征为阀杆轴心线既平行偏离了阀门密封副接触面的对称中心,又平行偏离了阀体通道对称中心线,且阀门密封副接触面的旋转体中心线与阀体通道对称中心线(或阀门密封副接触面的对称中心与阀体通道对称中心线的垂线)倾斜一角度。三偏心的效果是密封副的接触断面由正圆变为椭圆,从根本上改变了密封副的密封原理,由传统的位置密封改变为力矩密封,使金属硬密封蝶阀由双偏心的线接触改善为面接触,从而使硬密封蝶阀达到零泄漏成为了现实。

    2.2 电液执行器的设计方案

    电液执行器由电液执行机构和控制系统2个模块组成。电液执行机构由伺服电动机、油泵、油箱、液压缸、拨叉机构、连接器、传动轴等部件组成。控制系统包括液压控制系统和电气控制系统。电液执行器以液压油为工作介质,通过液压泵将电动机输出的机械能转换为液压油的压力能,并经液压控制系统的管道和控制元件,通过电液执行机构使液压能转化为机械能,驱动蝶阀阀杆完成回转摆动。其系统构成见图2。

图2 电液执行器系统结构示意

(双点划线内为电气控制系统)

    2.2.1 电液执行机构的设计方案

    电液执行机构如图3所示,主要由动力模块的伺服电动机、油泵、油箱,及执行模块的液压缸、拨叉机构、连接器、传动轴等部件组成。首先根据蝶阀的类型、规格、最大工作压差,设计确定所需的驱动力矩,在理论计算的基础上根据介质、功能等影响因素,给予1.2~1.5倍的安全系数。驱动力矩确定后,按GB/T12223的规定选定阀门连接座的尺寸,同时设计确定传动轴的材料、热处理工艺及尺寸,然后进行拨叉机构的设计,拨叉机构设计确定后,根据偏心距的大小,方便得出液压缸的公称推力,液压缸的公称推力确定后,可根据标准液压缸查相关手册得出液压缸的缸径、行程、压力,然后根据阀门最短启闭时间按设计手册计算出泵的流量、压力,电机的转速、功率,油箱的容积等参数,再者就可以根据控制要求选择相关功能的液压元件。

图3 电液执行机构系统

    2.2.2 液压控制系统的设计方案

    液压控制系统原理如图4所示,主要由双作用液压缸、双向泵、二位五通电磁换向阀、管路系统等部件组成。

图4 液压控制系统原理

    若工艺系统的流量比设定的目标值小或压力比设定的目标值大时,说明系统指令与实际阀位信号产生了开方向的误差值,当此误差值大于设定的死区值时,控制系统微处理器启动,在伺服泵启动的同时,DT1、DT3得电,左缸体内的液压油从D1、B1流经泵加压后再从A1、E1、C2、D2流至液压缸的右腔,从而推动活塞向开阀方向运动。反之,若工艺系统的流量比设定的目标值大或压力比设定的目标值小时,说明系统指令与实际阀位信号产生了关方向的误差值,当此误差值大于设定的死区值时,控制系统微处理器启动,在伺服泵启动的同时,DT2、DT4得电,右缸体内的液压油从D2、B2流经泵加压后再从A2、E2、C1、D1流至液压缸的左腔,从而推动活塞向关阀方向运动。

    2.2.3 电气控制系统的设计方案

    电气控制系统包括电源控制、伺服电机控制、液压元件控制、阀位反馈控制等,控制技术很成熟,本文不作赘述。

    3 设计计算的关注点及建议

    电液动调节蝶阀的设计计算包括阀门本体、电液执行机构及液压控制系统3个部分。

    3.1 阀门本体的设计计算

    阀门本体设计计算内容主要包括:阀门操作力矩计算、密封比压校核、阀体壁厚计算、阀杆强度校核、蝶板强度校核等。这些设计计算方法及公式在阀门及相关设计手册中有详细的介绍,本文不再重复。设计计算时需要关注以下方面。

    3.1.1 阀门操作力矩的影响因素

    影响因素包括阀门通径、关闭时的压差、流体的流速、阀门的结构形式、密封副的参数、阀杆的直径等。

    (1)阀门操作力矩在阀门开关全过程中是个变化的量值,不同结构形式的阀门其变化规律是不同的,如切断型阀门更要关注阀门密封的可靠性,其最大操作力矩在阀门关到位的瞬间和阀门开启的瞬间位置,调节型阀门更关注的是阀门的调节性能,其最大操作力矩一般取决于在阀门开度70%~80%的动水或动气力矩。建议采用三偏心、双偏心结构形式来减少密封副的相对摩擦力矩,采用平滑流线型蝶板造型及流道,减少介质剧烈扰动产生的动力矩。

    (2)密封副的参数对操作力矩的影响很大,密封面越宽,考虑密封的不均匀性,密封比压就要考虑增大,导致密封面摩擦力矩的增大。密封面的加工精度差,为了确保密封势必要增加密封比压,不但导致密封面摩擦力矩的增大,而且大大降低密封副的使用寿命。密封副表面粗糙会增加相对运动时的摩擦系数,从而增大了摩擦力矩。建议一是选用许用比压高的密封副材料,不仅可以减小密封面的宽度,而且密封更可靠;二是密封面精细加工,目前精细加工的工艺方法很多,效率也越来越高。

    (3)阀杆直径的大小将直接影响到阀杆轴承的摩擦力矩和密封填料的摩擦力矩。建议选用强度高,热处理改善性能好的材料。常用阀杆材料的机械性能见表1,不同的材料将对阀杆直径影响很大。

表1 常用阀杆材料的机械性能

    3.1.2 密封比压校核

    密封比压的校核主要关注阀门的实际工作压力、工作压差、工作介质、工作温度。建议在阀门设计时要充分了解阀门所使用的工艺系统参数、阀门的功能,在工作压力高但工作压差小的状况下,密封比压校核以工作压差为依据,当使用的介质是小分子的气体或液体,密封比压要适当增加,当在高温系统使用时,要考虑密封副的热胀冷缩影响及温度交变的影响。

    3.1.3 阀体壁厚计算

    阀体壁厚计算时一是关注刚度对阀门密封性能及启闭动作灵活性的影响,二是关注对制造工艺及制造成本的影响。建议在按设计手册公式进行设计计算的基础上,开展试验验证来积累原始数据,形成各企业的内控标准。

    3.1.4 阀杆强度校核

    阀杆强度的校核主要关注材料的选择、工艺性能的验证。建议当阀杆与蝶板采用销连接时,销的位置尽量靠近操作端,多销情况下,销与销之间的距离尽量的小,有利于改善受力状况,同时考虑销孔对阀杆强度的削弱。

    3.1.5 蝶板强度校核

    蝶板强度校核主要关注蝶板与阀杆的连接结构,蝶板与密封面的接触形式,在确保强度满足要求的前提下,刚度很重要,将直接影响密封效果。因蝶板结构比较复杂,建议采用CAE软件进行校核。

    3.2 电液执行机构设计计算

    电液执行机构设计计算内容主要包括:传动轴的强度校核、拨叉机构的偏心距、液压缸的设计选型、泵的设计选型、伺服电机的设计选型等。

    3.2.1 传动轴的强度校核

    传动轴可简化视为承受纯扭应力作用的单支或双支梁,因不与介质接触,故一般不考虑耐腐蚀性能,主要关注材料的选择、连接方式的选择。建议选择性价比好的高强度钢,有利于结构的紧凑;尽量选择花键连接,在相同扭矩的条件下,一是对强度削弱小,二是开闭位置的重复精度高,三是方便与驱动装置的连接。

    3.2.2 拨叉机构的偏心距

    阀门的操作力矩确定后,拨叉机构的偏心距一是取决于结构布局,确保运行过程中相邻件不产生干涉,二是要权衡液压缸的输出力与行程的关系,偏心距选小,液压缸的输出力大而行程可以短,偏心距大,液压缸的输出力小而行程会相应的长。建议一是尽量选择标准配置的液压缸,有利于成本的降低,二是尽量考虑整体刚性的提高,即小偏心距,特别对要求快速启闭的阀门,行程短,活塞的运动速度慢,有利于提高传动精度、寿命及可靠性。

    3.2.3 液压缸的设计选型

    液压缸是标准产品,主要关注的设计参数有缸内径、杆外径、行程、工作压力、运行速度、接口尺寸等。建议一是在满足结构紧凑的前提下,工作压力选低档级的,有利于提高密封件的使用寿命及运行的可靠性,二是确定合适的接口尺寸,太小,活塞会有爬行的趋势,且输出效率低,太大,速度快,影响密封件的使用寿命及可靠性。

    3.2.4 泵的设计选型

    泵的技术非常成熟,但性能参数取决于各泵的制造企业。主要关注的设计参数有工作压力、转速、排量、功率、工作特性曲线等。建议设计选型时要充分了解泵的工作特性,明确工作区间的参数,尽可能在最佳工作区间工作。

    3.2.5 伺服电机的设计选型

    随着信息技术、数字控制技术的飞速发展,伺服电机近年来在自动数字化控制系统中得到了广泛的应用,其关注的设计参数有扭矩、转数、惯量等。建议在选型时一是所选电机在整个转速范围内都能平滑地运转,转矩波动要小,特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象;二是应有一定的过载能力,以满足低速、大转矩的要求;三是必须具有较小的转动惯量、大的堵转转矩、小的机电时间常数和启动电压,以满足快速响应的要求;四是能承受频繁的启动、制动和反转。

    3.3 液压控制系统的设计计算

    液压控制系统的设计计算内容主要包括:系统控制方案的设计、液压控制元件的计算选型及管件的计算选型。

    3.3.1 系统控制方案的设计

    本电液动调节蝶阀是用泵控系统的原理来设计的,是一个泵、阀复合控制系统,液压油直接连续循环,仅需作必要的少量补充。方案设计时主要关注蝶阀的载荷特性、液压缸的运动方式、伺服电机的性能参数、控制方式及自动化程度、循环周期要求、使用环境、经济性等。

    系统控制方案设计主要包括:系统压力级别初选、执行元件型式及规格、最大流量的计算、绘制工况图、绘制液压系统图。

    3.3.2 液压控制元件的设计选型

    液压控制元件包括液压阀、管件、接头及密封件。液压系统图拟定后,为液压控制元件规格的计算和确定提供准确的依据。主要关注液压控制元件所在系统的最高压力、通过控制元件的实际流量,操纵方式及安装方式。建议一是要认真分析通过的流量与油路串、并联的关系,二是要确保使用压力、流量不要超过控制元件的额定值。

    4 结语

    电液动调节蝶阀涉及机电仪控多领域相关技术的综合应用,设计时既要考虑功能的满足、性能的可靠,也要考虑绿色、经济环保因素。特别是如何降低操作力矩,从而节约运行成本;如何科学选用优质性价比好的材料,从而使结构更紧凑;如何通过对流道、蝶板外形的优化设计,从而降低流阻;如何运用精细加工工艺,从而提高关键部位的表面质量来提高性能,提高寿命,降低成本;如何运用过程伺服控制,从而提高系统的自动化控制程度及运行质量。



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