上海滬工閥門(mén)廠（集團(tuán)）有限公司

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隨著我國(guó)有色行業(yè)的迅猛發(fā)展，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、使用可靠、防火防爆等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氧化鋁的生產(chǎn)過(guò)程。而作為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要一環(huán)，它的工作狀態(tài)的好壞將直接影響自動(dòng)控制過(guò)程，本文以自己的工作實(shí)踐為基礎(chǔ)，詳細(xì)敘述氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的工作原理、選型過(guò)程、安裝及維修。

1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理

氣動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：氣動(dòng)薄膜、氣動(dòng)活塞、氣動(dòng)長(zhǎng)行程三種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為：閥、閘板、調(diào)節(jié)閥等，有直、角行程 2 種。

工作原理：當(dāng) 0.2~1kg/cm₂ 時(shí)的信號(hào)壓力輸人薄膜氣室中，產(chǎn)生推力使推桿部件移動(dòng)、彈簧被壓縮產(chǎn)生的反作用力與信號(hào)壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力相平衡。推桿的移動(dòng)即是氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程。正作用式：當(dāng)薄膜氣室的信號(hào)壓力為零時(shí)，推桿部件位于下方，當(dāng)薄膜氣室內(nèi)輸人信號(hào)壓力時(shí)，使推桿部件向下移動(dòng)；反作用式：當(dāng)薄膜氣室的信號(hào)壓力為零時(shí)，推桿部件位于上方，當(dāng)薄膜氣室內(nèi)輸人信號(hào)壓力時(shí)，使推桿部件向上移動(dòng)。

2 氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥流t特性和選型原則

流量特性是指閥位開(kāi)度和流量大小的關(guān)系，直接影響調(diào)節(jié)質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與被調(diào)參數(shù)和設(shè)備對(duì)象，工藝流程有關(guān)。

2.1 理想流量特性

調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時(shí)相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度（行程）的關(guān)系：Q/Q_max=f×l/L

式中，Q 為某一開(kāi)度時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量及閥桿行程；f 為閥芯系數(shù)；Q_max、L 為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的最大流量及閥桿全行程。理想流量特性取決于閥芯的尺寸，不同的閥芯曲面得到不同的理想流量特性。

2.2 工作流量特性分析

調(diào)節(jié)閥前后端壓差變化情況下得到的流量特性。分為直線特性、對(duì)數(shù)特點(diǎn)、拋物線特性等。拋物線特性介于直線和對(duì)數(shù)之間。

經(jīng)計(jì)算、分析，直線特性調(diào)節(jié)閥工作在小開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)性強(qiáng)，相對(duì)流量變化率過(guò)于激烈，不易控制，小干擾大克服容易過(guò)頭，引起系統(tǒng)振蕩，而在大開(kāi)度時(shí)，相對(duì)變化率下，調(diào)節(jié)性能弱，太遲鈍，大的干擾不能很快克服；對(duì)數(shù)特性是指單位開(kāi)度變化所引起的相對(duì)流量變化值與此點(diǎn)相對(duì)流量成正比．經(jīng)計(jì)算、分析，對(duì)數(shù)閥在小開(kāi)度時(shí)放大倍數(shù)小，緩和平衡，利于操作控制，而在大開(kāi)度時(shí)放大倍數(shù)大，工作能靈敏有效，是最常用的閥門(mén)。

2.3 流量特性選擇規(guī)則

工業(yè)生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥如直線、對(duì)數(shù)、快開(kāi)特性，一般選取直線、對(duì)數(shù)特性即可滿(mǎn)足工藝調(diào)節(jié)要求，快開(kāi)特性適應(yīng)于二位調(diào)節(jié)，對(duì)于比較難控制和要求較嚴(yán)的對(duì)象，從以下幾個(gè)方面考慮：

1. 用調(diào)節(jié)閥的非線性去補(bǔ)償過(guò)程的非線性，使系統(tǒng)總的增益變化較小，穩(wěn)定；
2. 工藝管道情況，考慮工藝管道阻力情況；
3. 適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)；
4. 考慮調(diào)節(jié)閥的工作條件和使用壽命；
5. 調(diào)節(jié)閥工作特性改善。

3 流量能力 C 值的計(jì)算方法和調(diào)節(jié)閥口徑的確定

C 值的定義：我國(guó)規(guī)定在調(diào)節(jié)閥前后壓差為 1kPa、液體重度為 1kPa³ 的情況下，以每小時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的流體 m³ 數(shù)值，表示流通能力 C 值的大小（以氧化鋁料漿為例。）

調(diào)節(jié)閥壓差：S=ΔP/(∑ΔP^F+ΔP)

式中，ΔP 為調(diào)節(jié)閥差壓；∑ΔP^F 為最大流量時(shí)管路阻力降。

C=Q(r/ΔP)^1/2=G/(ΔP * r)^1/2

式中，Q、G 為工藝所提供的體積或重量流量；ΔP 為閥門(mén)前后壓差；r 為重度。

C 值的選取和公稱(chēng)通徑 D_g 及閥座直徑 d_g 的確定，由工藝提供的最大流量和對(duì)應(yīng)的最小壓差。計(jì)算出 C_max，便可選取合適的閥。

4 應(yīng)用實(shí)例

中鋁山西公司沉降工段負(fù)責(zé)將高壓溶出的料漿通過(guò)洗滌、沉降槽的作用下，將赤泥沉淀、分離出來(lái)。在料漿輸送過(guò)程中，需要大量的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)流量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工藝環(huán)境或計(jì)算，氣動(dòng)閥采用了美國(guó) FISHER-ROSEMOUNT 公司生產(chǎn)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由閥門(mén)定位器和調(diào)節(jié)閥組成。閥門(mén)定位器采用了位移式氣動(dòng)閥門(mén)定位器，其負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。見(jiàn)圖 1。

圖 1 沉降料漿閉環(huán)系統(tǒng)

圖中 A 為波紋管的有效面積；C 為測(cè)量組件的剛度；K 為三級(jí)功率放大器的放大倍數(shù)；K_L 為輸人信號(hào)傳動(dòng)杠桿比；K_F 為反饋信號(hào)傳動(dòng)杠桿比；K_V/(T_Vs+1) 是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，是一個(gè)一階周期環(huán)節(jié)，K_V 為調(diào)節(jié)的放大系數(shù)，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的薄膜有效面積和彈簧剛度及調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)；T_V 為調(diào)節(jié)閥的時(shí)間常數(shù)，也與氣室大小等因素有關(guān)。

上述負(fù)反饋系統(tǒng)中，閥桿輸出位移 Y 與輸人的調(diào)節(jié)器壓力領(lǐng)信號(hào) P 之間的傳遞函數(shù)：

W(s)=Y/P≈A_EK_L/CK_F

A_E、K_L、C、K_F 一定時(shí)，Y 與 P 之間成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。也就是說(shuō)，通過(guò)電一氣閥門(mén)定位器的電氣轉(zhuǎn)換，定位器接受來(lái)自調(diào)節(jié)器或控制系統(tǒng)的電流信號(hào)（4~20mA），這個(gè)信號(hào)改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的壓力 P，使閥門(mén)的位置達(dá)到給定值 Y，從而達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。

4.1 調(diào)節(jié)閥反向動(dòng)作和流量特性

在應(yīng)用過(guò)程中，由于生產(chǎn)需要將一臺(tái)氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥改成氣開(kāi)式調(diào)節(jié)器，在以前就需將閥芯反裝，或采用反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)改裝比較麻煩，而且需有一定的備品才行。采用閥門(mén)定位器后，正作用定位器的輸人信號(hào)從 20~100kPa 變化時(shí)，它的輸出信號(hào)從 20~100kPa 變?yōu)?100~20kPa 即可。具體結(jié)構(gòu)中，用到一個(gè)凸輪和兩個(gè)噴嘴。左噴嘴用以實(shí)現(xiàn)正作用，右噴嘴實(shí)現(xiàn)反作用。左、右噴嘴與放大器的氣路用背壓切換板來(lái)溝通。調(diào)節(jié)閥的流量特性可以通過(guò)改變反饋凸輪的幾何形狀來(lái)改變。改變反饋凸輪的幾何形狀能夠改變調(diào)節(jié)閥的反饋量，使定位器的輸出特性發(fā)生變化，從而修正了流量特性。

4.2 手動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置

當(dāng)氣源信號(hào)或電信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，或者當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要元件（膜片、彈黃等）損壞時(shí)，就需把自動(dòng)操作改為手動(dòng)操作，需轉(zhuǎn)動(dòng)手輪維持調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能；另一方面，這種機(jī)構(gòu)也可作為調(diào)節(jié)閥行程的限位器，當(dāng)信號(hào)壓力為零時(shí)，調(diào)節(jié)閥不是全開(kāi)就是全關(guān)，如果工藝過(guò)程要求調(diào)節(jié)閥有少量的流量，可利用手輪來(lái)達(dá)到目的。手輪機(jī)構(gòu)有頂裝式和側(cè)裝式，頂裝式只能為單方向限制行程，如果在選型或安裝時(shí)，選用側(cè)裝式可以根據(jù)工藝的要求安在左或右側(cè)實(shí)現(xiàn)限位。總之，手動(dòng)機(jī)構(gòu)可提高調(diào)節(jié)閥運(yùn)行的可靠性，特別是調(diào)節(jié)閥臺(tái)增設(shè)旁路，使用口徑較大的調(diào)節(jié)閥時(shí)，使用手輪機(jī)構(gòu)從投資費(fèi)用或占地面積都很合算。所以自動(dòng)操作完成正常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)故障時(shí)，由于不使用手動(dòng)機(jī)構(gòu)，為此經(jīng)常要加油防銹。

5 安裝調(diào)節(jié)閥須注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)安裝在便于維護(hù)、修理的地方。

（2）當(dāng)選定調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)通徑與工藝管徑不同時(shí)應(yīng)加裝異接頭進(jìn)行連接。

（3）安裝在有振源的場(chǎng)合，應(yīng)增加防振措施。

（4）安裝時(shí)，必須使閥體上或法蘭上的箭頭方向指向介質(zhì)方向。

（5）安裝前，需要認(rèn)真清洗管道內(nèi)焊渣和其它雜物，在安裝后，應(yīng)將閥芯處于最大開(kāi)度，并對(duì)管道和閥再一次清洗，以防雜物卡住和損傷節(jié)流件。

6 結(jié)束語(yǔ)

氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的正確選型、安裝、使用、維修，不僅能夠提高過(guò)程控制的可靠性，而且能夠快速解決閥的故障，增加閥的使用壽命對(duì)企業(yè)的節(jié)能降耗有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益。