浅析角行程类阀门的力矩特性及驱动机构的选用

    旋转类阀因其可靠快速的切断特性以及耐气蚀、高压差、寿命长、易维护和流阻小等特点，在各类控制管线中越来越受到欢迎，其中部分产品不但可以作为切断阀使用，而且可以用于调节功能。但是，在阀体组件结构因适应工况要求发生变化的同时其驱动装置也在发生着变化。本文分析了常用的几种旋转阀的力矩特性，并对适应其力矩特性的驱动装置选用加以分析，以避免因驱动装置选用不当而造成浪费或事故。
一、球阀的力矩分析
    球阀是旋转类阀中常见的一种，从球体的形状上分类有整体球和部分球两种结构，从球体的固定方式分类有浮动球及固定球两种形式。球阀力矩主要是介质压力和密封预压力挤压球体，与阀座之间产生摩擦力矩。当球体在0°～90°全行程的运行过程中，随开度的增大球体因受压面减小及压差的下降，力矩也相应下降（图1）。当球体自关闭向打开方向旋转时，首先要克服密封比压及管道介质在阀前后造成的压差及填料等摩擦因素产生的静力矩，当驱动力大于静摩擦力时，球体便开始转动。所需力矩因从静摩擦转变为动摩擦而有所减小，当球心转过阀座密封线，阀前后介质贯通，压差也逐步减小，从而动摩擦力矩也在随开度的加大而减小。
    1、球阀阀杆力矩
    球阀阀杆力矩M_F为
   
    式中　M_QF———球体与阀座密封面间的摩擦力矩，

    D_MP———阀座密封面平均直径，mm
    f_M———摩擦系数
    R———球体半径，mm
    M_FT———填料及滑动轴承对阀杆的摩擦力矩，N·m
    阀座在阀体活动套内的浮动球阀，可以实现进出口双阀座密封，因而M_QF计算应以两个阀座对球体产生的摩擦力矩计算，即
M_QF=M_QF1+（M_QF2+M_QF2′）    （3）
式中　M_QF1———进口阀座对球体产生的力矩，N·m
      M_QF2———球体与出口阀座密封面间的摩擦力矩（包括密封预紧力及介质作用力），N·m


    2、固定球球阀力矩
    固定球结构用于DN200mm以上，为保证可靠的密封效果一般都采用双活塞效应阀座结构，所以两个阀座与球体也紧密接触，但进口阀座产生的摩擦力仅为预紧力产生，而出口阀座的力矩是由两部分组成的，即除了预紧力之外还有介质工作压力产生的摩擦力矩。固定球阀力矩组成为
M_F=M_QF1+（M_QF2+M_QF2′）+M_FT+M_ZC     （4）
式中　M_ZC———滑动轴承产生的力矩，N·m
    无阀座套浮动球阀的力矩组成比较简单，因阀前介质压力的作用对球体产生推力，而球体又为浮动式，因而可以向出口阀座移动，力矩以介质推力产生的压力与出口阀座间产生的摩擦力为主。而有活动套筒的浮动球阀，为使密封比压达到可靠密封的效果，进口阀座除预紧力产生的摩擦力矩外还有介质对进口阀座的作用力而产生的摩擦力。出口阀座与球体的摩擦力矩是由作用于活动套筒外径面积上的介质作用力而产生。而固定球阀因球体的不可移动，为达到密封效果，必须施以预紧力，同时靠特殊的双活塞效应使阀座靠两个面积差造成的压力差使阀座向球体靠近从而实现密封。
二、蝶阀力矩
    蝶阀因其在60°的行程内流量特性近似等百分比及密封结构的逐步完善，使得蝶阀可作为调节阀和截止阀使用，因而蝶阀在调节工况中具有扩大使用范围的优势。蝶阀有中线蝶阀、单偏心蝶阀、三偏心蝶阀及各种双偏心蝶阀，但其水力力矩特性相似，即可因蝶板不同转角其蝶板前后的流体流场的复杂变化，使得蝶阀无法准确的计算在某个开度下的水利力矩。蝶阀力矩M_D为
    M_D=M_M+M_C+M_T+M_j+M_d（5）
式中　M_M———密封面间摩擦力矩，N·m
      M_C———阀杆轴承的摩擦力矩，N·m
      M_T———密封填料的摩擦力矩，N·m
      M_j———静水力矩，N·m
      M_d———动水力矩，N·m
    蝶阀在关闭时蝶板密封面与阀座密封面才能完全接触，因此密封面间的摩擦力矩M_M是在关闭时才产生的，在开启或关闭的过程中M_M值为零。Mj静水力矩指蝶阀卧装因蝶板上下水压不同而产生的静水力矩，但是在阀杆垂直安装时便不存在静水偏置力矩。对于动水力矩，常用的计算公式为
(6)

式中　g———重力加速度，m/s2
      μ₉———蝶板开度为α角时的动水力矩系数
      H———最大水压头，mm
      D———蝶板直径，mm
      ζ₉，ζ₀———蝶板开度为α角及全开时的流阻系数
      V₀———全开时介质的流速，m/s
　　简易计算公式为
    M_d=ξD³Δp（7）
式中　ξ———转矩系数
      Δp———阀前后压差，MPa
    利用式（6）和（7）计算的困难在于动水力矩系数、流阻系数和转矩系数几乎无法从手册查到，在选型计算时，用户往往不能提供计算所需的必要参数，因此一些厂家的选型仅仅从经验及数据的对比上进行驱动执行器的配套。对于选型人员来说，公式越简单越实用。对于简易公式只要确定了阀所在开度时的转矩系数，便可计算动水力矩。转矩系数通过模拟试验，其变化趋势如图2，而阀前后差经试验其变化基本上呈线形（图2中向下走势曲线），通过简易公式得出动水力矩与转矩系数及压差的乘积成正比，由此可以得出蝶阀的力矩曲线（图3）。从图3可以看出蝶阀开度在60°～70°时动水力矩达到最大。60°之后阀的近似等百分比调节特性不再存在，而且力矩特性也发生了变化。



三、凸轮挠曲阀力矩
    凸轮挠曲阀可以归类到球阀类，它的动作密封形式与偏心球阀的原理类似，但是凸轮挠曲阀是通过主轴带动偏心球冠在转动，一般转角在60°。当偏心球冠旋入阀座后便与阀座紧密接触，并通过驱动力产生密封比压，因此凸轮挠曲阀只有在球冠与阀座接触后才产生摩擦力矩，在关阀过程中需要克服因偏心引起的偏置力矩，但是在开阀过程中，偏置力是有助于阀的打开的。其力矩特性类似于偏心蝶阀，凸轮挠曲阀的关阀力矩是大于开阀力矩的。偏置力矩M₁为
          （8）

式中　D′———阀座直径，mm
      H′———偏心距，mm
四、旋转阀常用驱动装置
    旋转阀以60°和90°转角为主。旋转类阀的驱动装置有活塞拨叉式、活塞齿轮齿条式和曲柄连杆式3种（图4）。由于结构不同，3种驱动装置的输出力矩特性不同（图5）。

 



    （1）活塞拨叉式　活塞拨叉执行机构的力矩输出是因气压作用在活塞上，活塞的直行程运动推动拨叉输出力矩，因拨叉在转动过程中，受力点及力臂的大小是发生变化的，因此拨叉式执行机构力的输出是发生变化的。
    （2）活塞齿轮齿条式　活塞齿轮齿条式驱动装置的活塞端部设计成齿条结构，力矩的输出是齿条推动齿轮轴的转动产生的，力矩输出特性为直线型。
    （3）曲柄连杆式　曲柄连杆驱动装置是将直行程推力经过曲柄连杆机构转换为旋转力矩，因此力矩输出特性是发生变化的。但因在转换过程中，中间行程时力臂最长，力矩输出特性为抛物线型。
五、选型
    要准确的为调节阀组配合适的执行机构，必须要对阀门的结构形式及特点性能有充分的了解。活塞拨叉式执行机构力矩输出特性符合球阀及蝶阀的力矩需求，但由于不能准确计算阀的力矩，而是以阀的最大力矩选择执行机构的最小力矩，因此特性的匹配就失去了意义，反而造成浪费。单作用式曲柄连杆驱动装置适用于开阀力矩小于关阀力矩的偏心式凸轮挠曲阀。活塞齿轮齿条驱动装置输出力矩平稳，无交变力矩的影响，更因为它受力面的增大，而使其更可靠，寿命更长。所以在动作比较频繁的工况条件下，应优先选用齿轮齿条式驱动装置。
六、结论
    阀门与执行机构的合理匹配，一方面应结合阀门自身的力矩需求特点，同时要考虑管道安装尺寸约束条件，以及工况条件的特殊要求进行选择。

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