調(diào)節(jié)閥基本特性

調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，它是按照控制信號的方向和大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

流量調(diào)節(jié)閥與不是全開就是全閉的斷流閥不同，它可能有無數(shù)個(gè)工作位置。調(diào)節(jié)閥的節(jié)流作用與斷流閥的斷流作用在要求上是不同的。雖然調(diào)節(jié)閥可能有附加的斷流要求，但因?yàn)樵谠S多調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)中控制時(shí)主要目的，而斷流作用式次要的，所以調(diào)節(jié)閥并沒有良好的斷流特性。因此，一般的作法是在一個(gè)系統(tǒng)中既裝上斷流閥，也裝上調(diào)節(jié)，保留各自不同的作用。

2.1調(diào)節(jié)閥的主要類型

根據(jù)不同的使用要求，調(diào)節(jié)閥有:直通雙座調(diào)節(jié)閥、直通單座調(diào)節(jié)閥、低溫調(diào)節(jié)閥、三通調(diào)節(jié)閥、小流量調(diào)節(jié)閥、套筒調(diào)節(jié)閥、波紋管密封調(diào)節(jié)閥、角形調(diào)節(jié)閥、高壓調(diào)節(jié)閥、隔膜調(diào)節(jié)閥、偏心調(diào)節(jié)閥、閥體分離調(diào)節(jié)閥和蝶閥等。下面以直通單座調(diào)節(jié)閥為例，介紹調(diào)節(jié)閥的基本結(jié)構(gòu)。

圖2-1表示一個(gè)常用的直通單座閥。它是由上閥蓋、下閥蓋、閥體、閥座、閥芯、閥桿、填料和壓板等零件組成的。閥芯和閥桿連接在一起，連接方法可用緊配合銷釘固定或螺紋連接銷釘固定。上、下閥蓋都裝有襯套，為閥芯移動(dòng)起導(dǎo)向作用；由于上、下都有導(dǎo)向作用，所以稱為雙導(dǎo)向。閥蓋的斜孔連通它的內(nèi)腔和閥后內(nèi)腔，當(dāng)閥芯移動(dòng)時(shí)，閥蓋內(nèi)腔電解質(zhì)很容易通過斜孔流入閥后，不會(huì)影響閥芯的移動(dòng)。

這種閥門的閥體內(nèi)只有一個(gè)閥芯和一個(gè)閥座，特點(diǎn)是泄漏量小，易于保證關(guān)閉，甚至切斷，因此，結(jié)構(gòu)上有調(diào)節(jié)型和切斷型，它們的區(qū)別在于閥芯形狀不同，前者為柱塞型，后者為平板型。它的另一個(gè)特點(diǎn)是介質(zhì)對閥芯推力大，即不平衡力，特別是在高壓差、大口徑時(shí)更為嚴(yán)重，所以僅適用于低壓差場合，否則應(yīng)該適當(dāng)選用推力大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或配以閥門定位器。

閥有正裝和反裝兩種類型，當(dāng)閥芯向下移動(dòng)時(shí)，閥芯與閥座之間流通面積減小，稱為正裝；反之，稱為反裝。調(diào)節(jié)閥的公稱直徑DN和閥座直徑dN 標(biāo)志著閥門規(guī)格的大小。

2.2調(diào)節(jié)閥的流量特性

在選用流量調(diào)節(jié)閥時(shí)，最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一是它的流量特性。調(diào)節(jié)閥的流量特性取決于它固有的流量特性。固有的流量特性表示為在恒溫和閥門兩邊壓力降不變的情況下，通過閥門的流量與控制元件位置 (閥桿行程)的函數(shù)關(guān)系，即:

通常的流量特性有線性的、改進(jìn)線性的、等百分比的以及平萬根 (快速開啟)的。這些特性曲線的比較見圖2-2

圖2-2調(diào)節(jié)閥流量特性的比較

(1) 線性流量特性

線性流量特性閥門的流量與閥門位置成線性變化。對于線性控制閥來說，表示流量與閥門開啟度間函數(shù)關(guān)系的一般方程是:

流量與閥門開啟度成線性特性的圖形，在直角坐標(biāo)系上是一條直線。

(2)拋物線流量特性

拋物線流量特性是流量與控制元件位移的平方成正比。對于拋物線特性的控制閥來說表示流量與閥門開啟度函數(shù)關(guān)系的一般萬程是:

拋物線流量特性中流量變化率與閥門開啟度的比值為常數(shù)。當(dāng)畫在對數(shù)?對數(shù)坐標(biāo)紙上時(shí)，拋物線特性為一直線。拋曲線流量特性的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式是:式中n是任意實(shí)數(shù)。

(3)改進(jìn)的線性特性

有一種將拋物線特性與線性特性相結(jié)合的流量控制特性叫做改進(jìn)的線性特性。這種改進(jìn)的線性特性在閥門開啟度的前30%范圍內(nèi)是一條拋物形的特性曲線，但在這以后，直到接近于流量的80%或90%的范圍內(nèi)均是線性特性。從這里開始，直到全開位置，改進(jìn)的線性特性類似于乎方根特性。

(4)等百分比流量特性

等百分比流量特性也叫做指數(shù)或?qū)?shù)特性，是當(dāng)行程(開啟度)變化一個(gè)單位量時(shí)，流量變化的百分比相同的一種特性。這種形式的控制特性是在開啟度由10%變至70%時(shí)流量的變化為10%，而開啟度由60%變到70%時(shí)流量的變化同樣是10%。對于等百分比控制閥來說，表示流量與閥門開啟度間函數(shù)關(guān)系的一股方程是:

表示等百分比特性的流量與閥門開啟度的關(guān)系的圖形，當(dāng)流量作為對數(shù)縱坐標(biāo)劃在半對數(shù)坐標(biāo)紙上是一條直線，而畫在直角坐標(biāo)紙上是一條指數(shù)曲線。

(5)平方根(快速開啟)流量特性

平方根流量特性是流量與控制元件位移的平方根成正比的一種特性，表示流量與閥門開啟度間因數(shù)關(guān)系的一般方程是:

這種類型的特性通常叫做快速開啟特性。

2.3調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

為了使調(diào)節(jié)閥能正常工作，配用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要能產(chǎn)生足夠的輸出力來克服各種阻力，保證高度的密封或閥門的開啟。

對于所用的氣動(dòng)、電液、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般都沒有復(fù)位彈簧。作用力的大小與它的運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)，因此，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵在于弄清的輸出力或電機(jī)大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

對于單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輸出力與閥門開度有關(guān)，調(diào)節(jié)閥上出現(xiàn)的力也將影響運(yùn)動(dòng)特性，因此，要求在整個(gè)調(diào)節(jié)閥的開度范圍建立力平衡。如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力為F，它的力平衡方程式為:

其中主要是指作用在閥芯上的不平衡力和不平衡力矩。

(1)不平衡力和不平衡力矩

流體通過調(diào)節(jié)閥時(shí)，閥芯受到靜壓和動(dòng)壓的作用，產(chǎn)生使閥芯上下移動(dòng)的軸向力和閥芯旋轉(zhuǎn)的切向力。對于直線位移的調(diào)節(jié)閥來說，軸向力直接影響閥芯位移與執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號力的關(guān)系，因此，閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力。對于角位移調(diào)節(jié)閥，如蝶閥、球閥、偏旋閥等，影響其角位移的是閥板軸受到的切向合力矩，稱之為不平力矩。

影響不平衡力和不平衡力矩的因素很多，例如，閥的結(jié)構(gòu)類型、口徑、流體物理狀態(tài)等。如果工藝介質(zhì)及調(diào)節(jié)閥都己確定，不平衡力和不平衡力矩主要與閥前后的壓差有關(guān)，也與流體與閥芯的相對流向有關(guān)。

流體流向不同時(shí)，閥芯所受的不平衡力并不一樣，圖2-3表示較大口徑的單座閥正裝閥芯在兩種不同流向下，壓差不變時(shí)不平衡力與位移行程之間的關(guān)系曲線。圖中假定使閥桿受壓的不平衡力為“十"，使閥桿受拉伸的不平衡力為“-"。圖中上面一種在流體流動(dòng)時(shí)候使閥芯打開，稱為流開狀態(tài)。下面一種在流體流動(dòng)時(shí)使閥芯關(guān)閉，稱為流閉狀態(tài)。

圖2-3的曲線表明:閥芯在全關(guān)位置時(shí)的不平衡Ft，隨著閥芯開啟而逐漸變小。

(2)調(diào)節(jié)閥的允許壓差

調(diào)節(jié)閥兩端的壓差增大時(shí)，其不平衡力或不平衡力矩也隨之增大。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力小于不平衡力時(shí)，它就不能在全行程范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入信號和閥芯位移的準(zhǔn)確關(guān)系。由于對確定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其輸出力時(shí)固定的，故調(diào)節(jié)閥應(yīng)限制在一定的壓差范圍內(nèi)工作。

2.4水擊現(xiàn)象

水擊現(xiàn)象:在有壓管道系統(tǒng)中，由于某一管路中的部件工作狀態(tài)的突然改變，就會(huì)引起管內(nèi)液體流速的急劇變化，同時(shí)引起液體壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為水擊現(xiàn)象。

閥門急速開啟和關(guān)閉會(huì)引起水擊現(xiàn)象。因閥門急速關(guān)閉引起水擊而產(chǎn)生的水壓，隨閥門關(guān)閉速度而有所不同，但其數(shù)值高于千時(shí)水壓的幾倍到幾十倍，這樣高的壓力可使管段破裂或使彎曲管段脫出，對給水設(shè)施有很大的危害。

2.5調(diào)節(jié)閥內(nèi)的汽蝕和閃蒸

在很多有水力機(jī)械的地萬，經(jīng)常可以看到調(diào)節(jié)閥、減壓閥等節(jié)流閥的閥瓣和閥座等零件內(nèi)部產(chǎn)生磨痕、深溝及凹坑，這些大多是由汽蝕和閃蒸吻，引起的。閃蒸是一種非常快速的轉(zhuǎn)變過程，當(dāng)流動(dòng)液體的下游壓力低于它的飽和壓力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)閃蒸。而當(dāng)閥門中液體的下游壓力又升回來，且高于飽和壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。在氣蝕過程中飽和氣泡不再存在，而是迅速爆破變回液態(tài)。

就調(diào)節(jié)閥而言，不論是氣蝕還是閃蒸都會(huì)造成以下既方便的損害：

(1)材質(zhì)的損壞：氣泡破裂會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊力，足以嚴(yán)重地沖擊損傷閥座、閥芯、閥體，尤其在高壓差的情況下，就連極硬的閥芯、閥座也只能使用很短的時(shí)間。

(2)振動(dòng)：汽蝕和閃蒸還帶來閥芯的振動(dòng)，這種振動(dòng)包括垂直震動(dòng)和水平振動(dòng)，它們分別來自流體對閥芯的垂直撞擊與水平撞擊，其寄過造成機(jī)械磨損和破壞，調(diào)節(jié)閥控制不可靠，閥桿折斷。

(3)噪聲：噪聲一般來自三個(gè)方面：閥芯振動(dòng)造成的噪聲；汽蝕造成的噪聲；高速氣體造成的氣體動(dòng)力噪聲。