閥門執(zhí)行器——自力閥

     1 概述

     在管道流體控制中，自動控制閥是保證控制質(zhì)量和提高效率的重要裝置。近幾年來，我們在探求閥門定位器結(jié)合自力式提供操作動力源的技術(shù)來促進(jìn)普及閥門的自動化應(yīng)用技術(shù)方面做了大量工作，并取得成果。以此技術(shù)可以開發(fā)出一種新穎執(zhí)行器一自力閥的系列閥門品種。

      2 自力閥主體結(jié)構(gòu)

     自力閥是由活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成，配置輔助機(jī)構(gòu)閥門定位器后，即構(gòu)成為自力閥執(zhí)行器體系。其中調(diào)節(jié)閥是由閥體與閥瓣組成，閥瓣設(shè)置在閥座的進(jìn)口腔一側(cè)?；钊麍?zhí)行機(jī)構(gòu)是由活塞、活塞缸及活塞桿組成，設(shè)置在調(diào)節(jié)閥的閥體內(nèi)與調(diào)節(jié)閥形成一個整體，活塞與閥瓣之間由活塞桿作活動連接。輔助機(jī)構(gòu)閥門定位器為多通道分配閥形式，是通過信號輸送通道管線與自力閥主體中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。

      3 工作原理

     首先閥門定位器是在接受輸入的調(diào)節(jié)信號驅(qū)動下開始進(jìn)行工作。這種調(diào)節(jié)信號可以是手動給出的，也可以是從自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中的調(diào)節(jié)器輸出的。閥門定位器在調(diào)節(jié)信號驅(qū)動下，能將引進(jìn)調(diào)節(jié)閥前作為輸入的調(diào)節(jié)動力信號源的流體壓力，以一定的規(guī)律變換成調(diào)節(jié)動力信號輸出給活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞缸，以充卸壓的形式調(diào)控活塞推力與閥瓣受到背壓所產(chǎn)生的不平衡力之間的力平衡所處位置的位移點(diǎn)來調(diào)節(jié)閥的開度。

     自力閥在利用調(diào)節(jié)閥前的流體壓力能作為動力源時，流體在閥的進(jìn)出口或閥的內(nèi)外必須存在壓差，設(shè)計中可以考慮采用壓力差為Δp≥0.02MPa。

      4 自力閥分類

     自力閥的主體可設(shè)計成截止型自力閥和節(jié)流型自力閥。截止自力閥中又分為設(shè)置有單活塞型和雙活塞型。截止單活塞型自力閥，只在閥座出口一側(cè)的腔內(nèi)設(shè)置主活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。截止雙活塞型自力閥設(shè)置有主活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)與副活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置在閥出口腔中，副活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置在閥進(jìn)口腔中。主副活塞缸能在同時分別接受從閥門定位器出內(nèi)容相反的充卸壓信號情況下，對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)流型自力閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式與截止單活塞型自力閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置相同。但是閥的關(guān)閉件為節(jié)流閥型的閥瓣。并在閥的進(jìn)口腔中設(shè)置有閥瓣調(diào)節(jié)阻尼活塞機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整閥的調(diào)節(jié)線性質(zhì)量。

     自力閥的通徑、壓力和溫度可以使用國內(nèi)外通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。由于自力閥可以不受流體在閥的調(diào)節(jié)過程中所產(chǎn)生不平衡力參數(shù)的限制，可以設(shè)計出大通徑和高壓差參數(shù)的閥門品種。

      5 閥門定位器

     閥門定位器針對自力閥的3種型號和調(diào)節(jié)工藝的需求，所采用的形式不同。一種為兩通柱塞滑閥結(jié)構(gòu)的閥門定位器，它們可以與機(jī)械式的傳感調(diào)節(jié)器組合成壓力、溫度和液位的工藝系列閥門定位器。機(jī)械傳感調(diào)節(jié)器的工作信號傳遞過程的動力都來自于調(diào)節(jié)對象的勢能。所以它們與自力閥的主體單元組合成的工藝自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以稱為工藝自力閥系列，如減壓自力閥和溫度自力閥等。還有一種是回轉(zhuǎn)閥門定位器。

     回轉(zhuǎn)閥門定位器是由閥體、設(shè)置有多通道的閥座、通道分配閥瓣、閥瓣密封壓緊彈簧、閥桿、閥蓋及密封件等主要構(gòu)件組成。閥瓣與閥桿連接，坐落在閥座上，在壓緊彈簧作用下使其可以加強(qiáng)閥瓣與閥座之間的密封性能?；剞D(zhuǎn)閥門定位器可以通過其閥桿接受輸入的調(diào)節(jié)信號，閥桿在調(diào)節(jié)信號調(diào)控下，操作閥瓣的回轉(zhuǎn)角（如0°~90°），改變通道的流向或者流量，以此實(shí)現(xiàn)將輸入的信號動力源，變換成調(diào)節(jié)輸出動力信號給活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥的調(diào)控。

     回轉(zhuǎn)閥門定位器閥桿接受輸入調(diào)節(jié)信號的操作動力來源有2種形式。一種為手控回轉(zhuǎn)閥門定位器，在其閥桿上設(shè)置手柄，以手動方式向閥門定位器輸出調(diào)節(jié)信號。另一種為電動回轉(zhuǎn)閥門定位器，在其閥桿上設(shè)置電動機(jī)。將由調(diào)節(jié)器或手動操作器通過電動機(jī)驅(qū)動閥桿向閥門定位器輸出調(diào)節(jié)信號。自力閥中的回轉(zhuǎn)閥門定位器元件可以作為標(biāo)準(zhǔn)系列件來設(shè)計，試制中回轉(zhuǎn)式閥門定位器其閥桿軸心轉(zhuǎn)矩〈1N•m。電動閥門定位器一般采用電機(jī)功率10W。其可以適用于任何通徑和壓力級參數(shù)的調(diào)節(jié)閥中。

     回轉(zhuǎn)閥門定位器設(shè)置通道數(shù)量的多少，是根據(jù)自力閥使用形式而定。如二通回轉(zhuǎn)閥門定位器用于節(jié)流型自力閥中，三通回轉(zhuǎn)閥門定位器用于截止型單活塞自力閥中，四通回轉(zhuǎn)閥門定位器用于截止型雙活塞自力閥中。

      6 自力閥產(chǎn)品開發(fā)   

      6.1 手動截止自力閥系列

      ① 手動截止自力閥

     采用截止雙活塞型自力閥與手控四通回轉(zhuǎn)閥門定位器組合，通過設(shè)置在回轉(zhuǎn)閥上的操作手柄向閥門定位器輸入調(diào)節(jié)信號對自力閥進(jìn)行操作。DN100mm、PN1.6MPa的手動截止式自力閥的樣機(jī)已試制成功。

     手動截止自力閥是采用了操作動力源就地取材自給供應(yīng)技術(shù)，可以經(jīng)濟(jì)方便地將自動調(diào)節(jié)技術(shù)普及應(yīng)用到常規(guī)的手動閥的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，其對任何通徑和壓力級的閥門調(diào)節(jié)驅(qū)動力〈1N.m。此時的閥門操作省力省時，方便快捷，能在數(shù)秒鐘內(nèi)做到有控制節(jié)奏地完成操作閥門的開關(guān)調(diào)節(jié)。截止自力閥可以作為一般通用閥來應(yīng)用。

      ② 手動遙控截止自力閥

     在手動截止自力閥的組合基礎(chǔ)上，將手動四通閥門定位器通過信號通道與自力閥作一定距離（〈20米）連接組合?？梢栽诮嚯x內(nèi)對自力閥進(jìn)行操作。

     手動遙控截止自力閥因其可以將自力閥主體部分按照工藝布置安裝，而將操作控制部分的閥門定位器分離，就近安裝在操作方便、**和環(huán)境相對理想的地方，這樣可以很好地解決閥門因安裝位置影響到對閥門操作的方便和**性，以及易于對閥門的調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)。另外由于手動遙控截止自力閥具有近距離遙控功能，因此可以在很大范圍內(nèi)替代電動閥。

      6.2 電動自力閥系列

      ① 電動截止自力閥

     采用雙活塞型自力閥和輔助機(jī)構(gòu)電動四通回轉(zhuǎn)閥門定位器組成。通過設(shè)置在回轉(zhuǎn)閥上的電動機(jī)向閥門定位器輸入調(diào)節(jié)信號對自力閥進(jìn)行操作。其通徑DN100mm、PN1.6MPa的電動截止自力閥的樣機(jī)已試制成功。電動截止自力閥的電動閥門定位器功率〈10W，執(zhí)行信號源可以自給。因此可以經(jīng)濟(jì)、簡潔和容易實(shí)現(xiàn)的方式為遠(yuǎn)程遙控技術(shù)控制的工藝管道流體輸送，提供可靠的操作平臺。

      ② 電動節(jié)流自力閥

     采用節(jié)流型自力閥與輔助機(jī)構(gòu)電動兩通回轉(zhuǎn)閥門定位器組成。該閥可為流體自動控制工藝提供經(jīng)濟(jì)、簡潔、易行和可靠的操作平臺。隨著傳感和調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了智能型閥門。據(jù)資料介紹，智能閥所采用的執(zhí)行器是氣動閥或電動閥。這一類執(zhí)行器因其會受到執(zhí)行動力源供應(yīng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)等使用條件的制約，使智能閥的普及應(yīng)用受到限制。然而電動節(jié)流自力閥可以用作智能閥的執(zhí)行器元件，從而可以推動智能閥普及應(yīng)用的進(jìn)程。

      6.3 機(jī)械傳感調(diào)節(jié)自力閥系列

     機(jī)械傳感調(diào)節(jié)自力閥系列產(chǎn)品由自力閥與輔助機(jī)構(gòu)機(jī)械傳感調(diào)節(jié)閥門定位器組成。該閥借助機(jī)械敏感元件（如柱塞滑閥的活塞與給定彈簧的組合等形式），接受調(diào)節(jié)對象的壓力、液位或溫度變化的信息，并按一定機(jī)械力的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成操作信號，驅(qū)動閥門定位器輸出操作指令信號，使之調(diào)節(jié)閥能根據(jù)調(diào)節(jié)對象的給定工藝參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。該系列自力閥可開發(fā)的產(chǎn)品有很多。

      ①減壓自力閥：其功能是能在無級調(diào)節(jié)情形下，節(jié)流調(diào)節(jié)控制閥后流體的壓力穩(wěn)定。
      ②卸壓自力閥：其功能是節(jié)流調(diào)節(jié)控制閥前流體的壓力穩(wěn)定。
      ③**自力閥：是一種先導(dǎo)式**閥。由壓力傳感調(diào)節(jié)閥門定位器與截止自力閥組合成。因其在采用起跳給定壓力彈簧的參數(shù)值可以比常規(guī)**閥所采用的小，為此這種**閥的靈敏度高，復(fù)原性好?？梢灾谱鞒筛邏汉痛罂趶降?*閥。
      ④液位調(diào)節(jié)閥：由浮桶式液位傳感調(diào)節(jié)閥門定位器與自力閥組合成?？梢詫θ萜鲀?nèi)的液位進(jìn)行調(diào)控。該種液位自力閥產(chǎn)品，已用于一種名為“乳化油自動比例添加器”的自力式自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)品中，作為一個高壓自動補(bǔ)水工藝中的液位調(diào)節(jié)單元應(yīng)用。

      7 自力閥用途

      7.1 普及自動化控制技術(shù)

     由于自力閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)動力信號源能自給，這種信號源是流體在閥前后或閥內(nèi)外的壓差能，這種壓差能可以小到0.02MPa，由此自力閥的安裝使用成本可以與通用閥一樣，就如同手動閥那樣經(jīng)濟(jì)、方便和廣泛地在管道上安裝使用。流體調(diào)節(jié)工藝自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用中，一切先進(jìn)的傳感調(diào)節(jié)技術(shù)都是在通過閥門定位器向調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出調(diào)節(jié)信號來實(shí)現(xiàn)的。自力閥作為自動控制執(zhí)行器因采用了輔助機(jī)構(gòu)閥門定位器這種技術(shù)，由此可以使一些先進(jìn)的自動控制工藝也可以在管道流體控制工藝中得到普及應(yīng)用。如可以應(yīng)用電動自力閥對城市水、氣、汽的輸送管網(wǎng)建立中央程控系統(tǒng)等的工藝自控系統(tǒng)。

      7.2 設(shè)計高參數(shù)的閥門

     自力閥設(shè)計時可以不受不平衡力參數(shù)的制約，設(shè)計出大通徑和高壓力的自力閥，也可以設(shè)計出高溫參數(shù)的自力閥。而此時閥門定位器調(diào)節(jié)執(zhí)行動力均〈1J。由此對閥的操作可以做到省力快捷。

      7.3 性能好

     自力閥主體中的調(diào)節(jié)閥采用閥瓣為關(guān)閉件，這是閥類中結(jié)構(gòu)較為簡潔，關(guān)閉性能良好，使用壽命長的關(guān)閉件。還有自力閥在執(zhí)行調(diào)節(jié)中活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥瓣都是浮動在調(diào)節(jié)動力信號中，做到無支點(diǎn)的調(diào)節(jié)。由此，自力閥可以得到調(diào)節(jié)靈敏、**可靠和調(diào)節(jié)質(zhì)量高的性能。因自力閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是在浮動無損工況下進(jìn)行工作的，由此自力閥還能具有使用壽命長，維護(hù)保養(yǎng)少的特點(diǎn)。自力閥結(jié)構(gòu)簡單，制作成本接近于一般同規(guī)格的截止閥，作為自動閥體系來說，其制作成本可屬于低水平的一種，使之在閥門市場上具有相對的價格競爭優(yōu)勢。

      8 結(jié)語

     自力閥是以調(diào)節(jié)閥為主體，閥門定位器為輔助結(jié)構(gòu)的模塊式組合。自力閥的主體只是3種形式，而變換閥門定位器的品種則可以組合出10多種調(diào)節(jié)工藝品種的多種規(guī)格自力閥系列產(chǎn)品來。由此自力閥結(jié)構(gòu)有利于工業(yè)產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模集約經(jīng)營生產(chǎn)。