自力式调节阀介绍

自力式调节阀介绍

1、自力式调压阀简介。引言。自力式调压阀目前应用十分广泛，在工厂、楼宇甚至家庭中都有使用。自力式调压阀可以方便地应用于流体介质的压力控制，不需要外力，可以减少大量辅助能源设备控制的投资。当然，自力式调节阀的误差值必须在用户可接受的范围内。2、基本原理。自力式阀门的基本元件。流量限制元件，如阀芯、阀座、阀板等测量元件，通常为膜片式压力元件，通常是弹簧。以自力式减压阀为例，从理论上讲，自力式减压调节阀既能保持阀门下游压力的稳定，又能同时满足下游的流量需要。使用自力式减压阀时，当下游需求增大时，阀芯离开阀座，阀门开度增大，流量增大；反之，阀门开度减小，流量增大。

2、量减少。同时理论下游压力值应保持稳定。但由于阀门自身结构的限制，下游压力的误差是无法避免的。根据上面两张示意图可以看出，下游压力P2通过膜片作用于阀杆，由于膜片可以上下运动，所以可以带动限流元件也就是阀芯移动，从而达到调节流量的目的。可以预先给它施加弹簧的压力，弹簧预紧力与P2转化到膜片上的力之差决定了阀芯相对于阀座的位置。我们通过调节弹簧预紧力来设定阀门所需的设定点。三控制特点自力式减压阀是一个简单的比例控制回路，其控制过程可以用下面的示意图来表示。图中：y为被控制量，即阀门的行程；e为偏差，即x与w的差值自力式调节阀介绍，x为测量值，w为设定值； Kp为增益，即y=Kp

3.*e;理论上，根据这一特性，当系统出现误差时，被控变量可以立即作出反应，直到误差为零。如果系统误差持续存在，系统将无法达到完全稳定。Kp的大小反映了控制系统的灵敏度。如果Kp值很大，意味着系统对很小的偏差都会有明显的反应；但如果Kp值过大，系统就会发生振荡，系统可能无法保持稳定。在实际应用中，我们常常将上述公式调整为：y=Kp*e+y0；y0的含义是系统的静态工作点；即当e=0时，y=y0；。四力平衡自力式调节阀的几个力最终是平衡的。具体分析如下：假设（不考虑阀芯和阀杆的自重）：P1=10b

4、ar(g);P2 = 9 bar(g);Ak(如示意图中，阀芯受力面积) = 10cm2;则，FkP1*Ak-P2*Ak =(10-9)*10 kgf =10 kgf;若Am = 40 cm2;Fm = P2*Am = 9*40 kgf = 360 kgf;则Ff = Fm - Fk = 360 10 = 350 kgf。如果此时加弹簧，系统保持压力平衡。弹簧力的原理很简单，Ff = Cf * x + Fo，其中Cf为弹簧的弹性系数，x为其压缩行程，Fo为弹簧的预紧力。假设弹簧一开始没有预紧，Fo = 0;如果我们选择的弹簧的弹性系数为35 kgf/cm，那么我们把

5、当弹簧压缩时x=Ff/Cf=10cm，可得，从而保持压力平衡。如果由于下游用户需求增加，P2减小为8bar(g)，则：Fm=P2*Am=8*40Kgf=，比静态Fm少40Kgf。由于Fk=(P1-P2)*Ak=(10-8)*10=20Kgf，比静态Fk多10Kgf，因此，Ff=Fm+Fk=320+20=。由于原来的弹簧力为，对阀杆产生合力，使阀杆移动，阀门开启；同时，弹簧压缩行程减小，弹簧力减小，达到新的力平衡。当弹簧压缩行程减小为8.86cm时，Ff=

6、Cf*x=35*8.86=。阀杆受力保持平衡，此时阀芯相对阀杆的位移为10-8.86=1.14cm。当然在开阀过程中，流量逐渐增大，下游压力P2也会逐渐增大，所以Fm会增大，Fk会逐渐减小，所以弹簧不会把压缩行程减小到8.86cm，会达到新的力平衡。也就是说，阀杆最终的位移会小于1.14cm，在新的流量、新的开阀下，会达到新的力平衡。所以开阀后的压力不会一直保持在原来的9bar(g)，从而产生偏差。假设：最终的P2=8.5bar。则：Fm=P2*Am=8.5*40Kgf=； Fk = (P1-P2)*A

7、k=(10-8.5)*10=15Kgf；由此可得Ff=Fm+Fk=340+15=；弹簧的压缩行程X=Ff/Cf=325/35=9.286cm；即阀芯离开阀座0后，阀门保持一个新的稳定状态。同样，如果阀后需求量减小，导致阀后压力增大，阀门就会关闭，弹簧压缩行程就会增大。5、提高控制品质从以上分析中，我们可以得出以下结论：这种自力式减压阀在保持阀后压力稳定时必然会出现偏差，其理论上保持阀后压力恒定的功能是不可能实现的。那么，这种偏差能不能避免，能不能把偏差控制在用户可以接受的范围内呢？ 5.1 压力平衡式阀芯 在上面的力平衡图中，阀门前后的压力差是很大的

8、最重要的影响因素是，如果阀芯的受力面积很大，同时阀门前后的压差也很大，那么阀门后面的压力执行器膜片就需要很大，才能产生足够的力推动阀杆的运动。同时，这种无时不在、不断变化的压差必然导致普通自力式减压阀设定点偏差的存在。设：P1=20bar(g)，P2=5bar(g)；Ak=(阀芯直径25.29cm)；由计算公式：X=Ff/Cf=(Fm Fk)/Cf=(P2*Am(P1-P2)*Ak)/Cf，那么膜片面积就必须大于(20-5)*100/5=；当然这种情况下设定点偏差也是不可避免的。如果采用平衡波纹管结构的阀芯，可以大大提高控制品质。

9、同时还可以减小膜片面积。如图所示，P1作用在波纹管外侧，P2作用在波纹管内侧，Ab为波纹管受力面积；如果我们能保证Ab=As(Ak)，则P1-P2的影响将完全消失，弹簧力与膜片力直接达到力的平衡，即：P2*Am=(Cf+Cb)*X+Fo；Cb为波纹管弹性系数，X为弹簧压缩行程即阀杆行程，Fo为弹簧预紧力。X=Am/(Cf+Cb)*P2+(-Am/Fo)；定义Kp=Am/(Cf+Cb)；X0=-Am/Fo，则：X=Kp*P2+X0这就是平衡阀芯自力式减压阀的比例控制特性。 Kp值是系统的灵敏度，影响系统的偏差。即

10、比如当P2有较小偏差时，我们如果想让系统有反应，调整阀门行程，调节流量，减小偏差，那么就需要一个大的Kp值来实现这个功能。也就是说，我们需要一个尽可能小的弹性系数的弹簧和足够大的膜片，阀门行程也要足够长。当然，必须指出的是，如果我们选择的Kp值过大，系统可能会发生振荡。Fo表示弹簧的预紧力，如果压力设定点值很大，我们需要的Fo就要增大，也就是需要弹性系数较大的弹簧，或者选择较小的Am。当然，这样的情况必然会导致偏差的增大。因此，如果在高压设定下，仍想保持较小的偏差，我们建议采用以下几种方法：a）尽可能选择大的Kvs值。因为大的Kvs可以在阀门行程轻微变化时，使流量减小。

11、产生较大的变化以适应P2的变化。b）选择弹性系数小的弹簧，采用较长的弹簧预紧行程，以达到较大的弹簧预紧力。c）尽可能采用大的执行器膜片。系统偏差的具体分析如下图所示，Xw：系统偏差值。Xw=Xs+Xp+Xh；Xp：比例调节偏差。Xp=x*1/Kp=（Cf+Cb）/Am*x bar；Xs：阀芯密封力偏差。Xs=密封力*/Am bar；Xh：迟滞偏差。Xh=2*系统总摩擦力/Am bar根据以上公式，我们可以找到减小偏差的方法。增加膜片面积；减小偏差最有效的方法，因为Am影响所有偏差值的计算。增加Kp值；Kp=Am/（Cf+Cb），增加膜片

12.面积是一个方法，另一个方法是减小弹簧和波纹管的弹性系数。以41-23为例：选择：DN 50；Kvs 32，金属密封；计算Kv = 25；压力设定点P2 = 2.5 bar（g）如果我们选择80cm2隔膜：0.8 - 2.5 bar则：Xp = 0.3 barXw = Xp + Xs +Xh = 0.3 + 0.07 + 0.05 bar = 0.42 barXw/P2 = 0.42/2.5 = 16.8%如果我们选择隔膜：2 - 5 bar则：Xp = 0.65 barXw = Xp + Xs +Xh = 0.65 + 0.14 + 0.1 bar = 0.89 barXw

13./P2=0.89/2.5=35.6%5.2对于带导阀的自力式阀，对于普通的应用场合，20%左右的偏差是可以接受的；但是在一些特定领域，用户会有更精确的要求，这时候我们就可以采用带导阀的自力式阀，进一步提高控制的精度。如上图带导阀的自力式阀将两个自力式阀连接在一起使用；仍以减压阀为例，当P2发生变化时，变化后的P2使得两个自力式阀同时动作，造成“乘积”效应，使系统的Kp值大大提高，偏差值也大大降低。分析整个系统的力平衡图：若，定义Amm：主自力式阀膜片受力面积；Amp：导阀膜片受力面积； Cfm：主自力阀弹簧弹性系数；Cfp：先导阀弹簧弹性系数；

14、不考虑阀芯重力；阀芯为压力平衡式，不考虑阀前后压差的影响。那么，系统静态力平衡如下：主自力式：（Ps+P2）*Amm=Cfm*Xm+X0m导阀：P2*Amp=Cfp*Xp+X0p若P2突然减小，主阀力平衡被破坏，阀芯离开阀座，阀门打开，引起P2增大，系统趋于稳定；同时P2的变化也作用于导阀膜片上，也引起阀芯离开阀座，阀门打开，Ps增大；由于Ps同时作用于主阀膜片上，膜片力的不平衡度加大，P2变化引起的主阀杆行程的变化加大；也就是说，系统的Kp值“增大了一倍”。这种阀门的优点是大大提高了系统的反应速度，系统的偏差可以降低到1%左右。当然，由于使用了两个自力式阀门，阀门的成本要高出很多。如果用户需要的阀门口径更大，要求的系统偏差更小，我们也可以取消主自力式阀门的弹簧，从而降低成本；同时，它的偏差增大，反应速度也下降。见下图示意图。当P2突然减小时，导阀开度增大，使Ps减小，主阀杆移动，阀门打开，P2的值增大，恢复稳定。如果P2突然增大，原理也是一样。六、小结自力式阀门由于其显著的优点而被大量应用于工业现场。同时，由于其不可避免的缺陷，其在整个控制系统中的作用也受到限制。通常在过程工业的大型控制系统中，控制阀仍然占据绝大多数的用途。