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电磁阀设计理论与控制方法研究动态(1)


第20卷 第4期 2011年12月















报 (自然科学版)

Vol. 20 No.4 Dec. 2011

Journal of Hunan

City University (Natural Science)

电磁阀设计理论与控制方法研究动态
廖建勇
(湖南城市学院 学报编辑部,湖南 摘 益阳 413000) 要:电磁阀是管道流体输送系统中广泛使用的控制元件.阀门的发展方向主要是扩大产品参数,发

展节能、省力以及自动控制阀门,并通过改进结构、采用新材料和新工艺提高阀门的使用寿命;同时要扩展 专用阀门系列的应用. 关键词:电磁阀;设计理论;水锤控制;电动控制 中图分类号:TH138.52 文献标识码:A 文章编号:1672–7304(2011)04–0073–04

Research Progress of Design Theory of Electromagnectic Valve & Control Means
LIAO Jian-yong
(Department of Journal Edtion, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Abstract: The elctromagnetic valve is used widely control element in the pipe fluid transportation. The development direction of this valve is mainly to extend the parameter of this product and saving energy and power. The automatic control valve should be produced more to last its life by means of application of new materials and new technology to last use time. The special valve series should be produced more. Key words: electromagnectic valve; design theory; hydraulic control; electronic control 阀门是管道流体输送系统中应用最广泛最 重要的执行机构和控制元件,主要具有接通或截 断流体通路、调节与节流、防止倒流、调节压力 或释放过剩的压力等 5 大功能[1].它可以控制空 气、水、各种腐蚀性化学介质,泥浆、液态金属 和放射性物质等各种类型的流体的流动,在国民 经济各个部门中有着广泛的应用. 量.随着蒸汽流量和压力的增大,使用旋塞阀控 制蒸汽机的进汽和排汽已不能满足需要,于是出 现了滑阀. 1840 年前后, 相继出现带螺纹阀杆的截止阀 和带梯形螺纹阀杆的楔式闸阀,这是阀门发展中 的一次重大突破.这 2 类阀的出现,不仅满足了 当时各种工业对压力、温度不断提高的要求,而 且初步满足了对流量调节的要求.此后随着电力 工业、石油工业、化学工业和造船工业的发展, 各种高中压阀门得到迅速发展[2]. 第二次世界大战后,由于聚合材料、润滑材 料、不锈钢和钴基硬质合金的发展,古老的旋塞 阀和蝶阀获得了新的应用;球阀和隔膜阀得到迅 速发展; 截止阀、 闸阀和其他阀门品种也增加了, 质量也提高了.阀门制造业逐渐成为机械工业的 一个重要部门.阀门按使用功能可分为截断阀、 调节阀、止回阀、分流阀、安全阀和多用阀 6 类. 随着现代核工业、石油化学工业、电子工业 和航天工业的发展,以及流程工艺自动控制和远 距离流体输送的发展,促进了现代低温阀、真空 阀、核工业用阀和各种调节阀的发展.用于远距

1 电磁阀门发展历史
4 000 a 前, 尼罗河古埃及人使用明渠木制闸 门;有文字记载的公元前 2 000 a 前,中国人就在 输水管道上使用了竹管和木塞阀,以后又在灌溉 渠道上使用水闸,在冶炼用的风箱上使用板式止 回阀,在井盐开采方面使用竹管和板式止回阀提 取盐水.随着冶炼技术和水力机械的发展,17 世 纪在欧洲出现了铜制和铅制旋塞阀.随着锅炉的 使用,1681 年又出现了杠杆重锤式安全阀.1769 年瓦特蒸汽机出现以前,旋塞阀和止回阀一直是 最主要的阀门.蒸汽机的发明使阀门进入了机械 工业领域.在瓦特的蒸汽机上除了使用旋塞阀、 安全阀和止回阀外,还使用了蝶阀,用以调节流
收稿日期:2011-11-10 基金项目:湖南省教育厅科研基金资助项目(09A015)

作者简介:廖建勇(1965-),男,湖南安化人,教授,博士,主要从事机械设计理论与技术开发研究

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离控制和程序控制的阀门驱动装置的应用也越来 越多[3]. 未来阀门的发展将向扩大产品参数,发展节 能、省力和自控阀门,改进结构、采用新材料和 新工艺,提高阀门的使用寿命,以及发展专用阀 门系列等方面发展.如用于液氧、液氢和液化天 然气等的低温阀、真空阀、核工业用阀、安全阀、 调节阀、疏水阀和阀门驱动装置等.

状态,密封性能与开闭力矩之间呈现更复杂的关 系. ②正流和逆流的不同密封性能. 以蝶板为界, 介质流动方向的上游和下游情况不同. 正流状态, 蝶板转动方向与介质流动方向相同,上游密封条 件较好,容易达到零泄漏;逆流状态时介质流动 方向与蝶板转动方向相反,上游密封条件不好, 一般要求外部施加留驻力矩,才能保持密封面的 比压.要达到零泄漏比较困难. 简单地说,蝶阀在正流状态下,关阀容易开 阀难;逆流状态下,开阀容易关阀难.为解决这 一矛盾,使蝶阀的上下游都能达到零泄漏,设计 者采取了很多办法.一般都要增加传动机构,这 就使阀门结构复杂化,结果是降低了可靠性,提 高了成本.

2 蝶阀技术的研究现状
蝶阀最早以风量调节挡板形式应用于烟道、 烟囱、通风或供气等低压系统.1960 年德国 Karl Adams 提出蝶阀同时具有切断、调节和止回 3 种 功能,并于 1966 年以“斜置锥形阀座密封系统” 为名注册了专利,这是蝶阀技术的一次重大的进 展.1967 年在法兰克福举办的“国际化工展览” (CHEMA)上展出了新型的三偏心设计蝶阀, 这种 新型蝶阀的密封性能大为提高,很快应用于中、 高压系统.

Orbit 阀门公司 1988 年推出一种“对称阀杆
导向技术”新型球阀,具有先脱开,再旋转的技 术特征[5],较好地解决了一般阀门密封性能良好 而开关力矩过大的矛盾.这种技术把阀门的开关 过程分解为“旋转”和“压紧”2 个步骤.关闭 阀门时,阀瓣在完全脱离阀座的情况下旋转,到 达关闭位置后再将阀瓣压向阀座,以达到完全的 密封;开启阀门时,阀瓣先脱离阀座,然后再旋 转到完全打开.该阀门的阀杆上有螺旋状凹槽, 借助固定螺钉的导向作用使阀瓣从开启位置旋转

20 世纪 80 年代后, 这种新型蝶阀被称为 “高
性能蝶阀”并与成套设备一起引进我国.高性能 蝶阀的主要特点是[4]:①密封性能好,可以达到 气泡级密封,许多产品都标明“零泄漏” .具有高 防火性能,以及过火后的密封性能.②密封副之 间的摩擦小, 有些产品提出 “无摩擦”“无磨损” 、 和高循环寿命. ③结构简单, 便于维护和检修. 有 些厂家提出,其产品的零件可以现场更换.阀体 高度和连接长度比传统阀门小得多,有些产品说 明是“紧凑设计” .④低开闭力矩. 正是因为这些特点,使高性能蝶阀的应用范 围不断扩大. 据国外资料介绍, 最高压力可达 400

90°,再由阀杆末端的斜面施力,使阀瓣绕底部
的耳轴摆动,最终压向阀座,达到密封.阀瓣在 转动时与阀座脱开,完全是无摩擦的.这种阀门 适用于工作条件苛刻,如高温、高压和强腐蚀等 场合.在解决密封与力矩的矛盾方面,DSG 技术 是目前最好的技术方案之一.按照改进的对称阀 杆导向技术原理, 改进后的蝶阀只有轴向偏心距, 即“单偏心” .使用对称阀杆导向技术,保证蝶阀 在正流和逆流时具有同样的密封性能,同时又能 降低阀门的开关力矩,那就得改善蝶阀的操作性 能,目前这还是个设想.只有在蝶阀设计普遍采 用 ADSG 技术, 并达到同类型球阀的使用效果时, 才能说蝶阀技术又一次出现了新的进展. 芬兰 NELES 和美国 JAMESBURY 合作,发 布研制成功了 800 系列双向蝶阀,在上海建立耐 莱斯?詹姆斯伯雷阀门有限公司进行生产, 其主要 结构是球形密封表面的双偏心蝶板[5],配以单片 挠性唇式密封座,号称是双向硬密封,但其阀座 是滚压而成的弯曲弹性不锈钢片。阀座必须是具 有弹性的,但不锈钢片弹性有限,且容易失去弹

MPa,温度为-96 ℃~950 ℃.蝶阀开闭时阀杆转
动 90°,比截止阀和闸阀的多旋转开闭力矩要大 得多.因此使用蜗杆、气动、液压和电动等传动 装置操纵阀门. 按照三偏心设计,蝶板与阀座在开闭时理论 上无摩擦.实际上由于蝶板和阀座的弹性变形, 在其接触和脱离的瞬间,存在着摩擦.与传统的 截止阀和闸阀相比,由于它是部分旋转,接触范 围小,摩擦和磨损程度也小.另外,高性能蝶阀 在设计上还有 2 个难点:①高密封性能和低开闭 力矩的矛盾.要求密封性能好,就必须提高密封 面比压,这必然要增加摩擦力,使开阀力矩也相 应增大.由于存在着正流和逆流 2 种不同的工作

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性、易变形,启闭时完全靠阀板摩擦进出阀座, 使用寿命很短.为解决使用寿命问题,不锈钢片 全部采用进口镍铬系合金材料,成本高.该公司 后来改称该阀门为 800 系列高性能蝶阀. 郑州市蝶阀有限公司在此基础上研制了双 向金属密封蝶阀,其主要结构是球形密封表面的 双偏心蝶板,配以不锈钢单片圆锥面密封座,并 为郑州市上街铝都蝶阀有限公司、武汉亚美阀门 制造有限公司等厂家所仿制,其缺点依然如上所 述,带来新的缺点是加工更为复杂、工序多、合 格率低、大规模生产制造困难,加工成本较高.

电动控制技术 近几年来,随着计算机技术、电子技术以及 大规模集成电路的发展,各种高性能的电子器件 和微处理器为数字化阀门电动执行机构的开发研 究奠定了基础.国内外在阀门的智能控制方面也 做了大量的研究工作.

3.2

国内方面,天津市阀门公司研制了阀门数字 控制系统.该公司主要生产大流量开关阀,研制 的阀门数字控制系统实现了阀门控制的数字化和 网络化.中国航天电子基础技术研究院周建国等 人设计了 1 种电动阀门分散控制系统,采用单片 机和 PC 机,实现电动阀门控制的数字化和自动 化.湖南大学电气工程系欧阳红林等利用 8098 单片机实现了氨合成塔电动阀门的微机控制,并 已在资江氮肥厂 1#氨合成塔上运行成功.中国空 气动力研究与发展中心张福香等人设计实现了高 超声速风洞引射器阀门系统的微机控制,提高了 系统的控制精确度和安全可靠性.上海交通大学 的邓兵等人应用数字信号处理器 (DSP)作为控制 系统的核心,对阀门电动执行机构的数字化控制 作了研究.上海大学的边宁宁等人设计出基于

3 我国阀门控制技术研究现状
3.1
水锤控制技术 瞬变流的阀调节是从 20 世纪 30 年代才开始 的,落后传统的水锤防护近 1 个世纪,先驱者诸 如:克纳普(KnPap)、波格龙、克尔(Kerr)、芦斯

(RJIus)和斯特瑞特等.1963 年芦斯和斯特瑞特首
先提出了 ValveStorking 的概念; 1970 年普洛普生

(Porpsno)深入研究了上述“VS”和“同步限时阀
调节”的理论和方法;1974 年屈拉尔斯(DrielS) 提出 2 阶段关阀的调节模式;1975 年池尾茂和小 掘威继而进行了多阀调节的研究并指出,多阀调 节的控制手段是能够收到预期的水锤防护效果 的;1983 年康催克特(Contartor)应用动态规划理 论解决限时阀调节的最优化问题.从目前的研究 情况来看,阀调节是瞬变流过程控制的一种有效 方法,也是水锤防护的理论研究和技术应用领域 的主要发展方向之一. 目前的研究结果表明:控制阀的科学设置及 其协调动作是阀调节水锤防护的 2 个关键要 素.控制阀的设置取决于系统的布置形式和工程 特点,常见上游阀调节、下游阀调节和中间阀调 节等.而阀调节的序律不仅取决于其控制对象的 工程特点和要求,阀门本身的相关特性,更要与 控制阀的设置相协调.上游阀调节的关阀动作将 在其下游首先形成降压波;下游阀调节的关阀动 作将在其上游首先形成升压波;中间阀调节对于 其上游管道系统相当于下游阀调节,对于其下游 管道系统则相当于上游阀调节.优化泵系统中泵 出口阀在非正常意外停机时的关阀序律长期以来 一直是人们关注的焦点,已有研究成果提出阀调 节动作程序的主要有匀速、2 阶段双速、非线性 变速等几种模式.

DeviceNet 现场总线的智能阀控制系统, 通过单片
机实现阀门的本地控制[6], 并通过 DeviceNet 现场 总线实现从机与主机间的通信. 国外目前正在研究采用灵巧技术 ( 即微处理 器技术 ) 和数字通信相结合来提高阀门的可靠 性.这种阀门称为灵巧式阀门,这项技术被认为 是对传统的阀门控制、 诊断和维修的一场革命. 英 国的几家自动化仪表公司,如 Fisher, SVI 等在该 技术上走在世界前列,并已生产出此类产品投入 生产运行.灵巧式阀门是在控制阀上装有 1 组称 为诊断组件的电子设备,阀门与控制室中的计算 机通过现场总线相连,按照智能数字通信规程

HARI 通信,由此构成了一套现场阀门控制和诊
断的计算机系统,即通过计算机屏幕打开了一个 观察现场阀门运行的窗口.另外,艾默生电气有 限公司生产的阀门智能控制板,能实现阀门控制 数字化,并具有现场总线通信接闭.为了实现多 个阀门的联动及其远程控制,国际上已经有公司 开发出了带有现场总线接口的阀门控制器,但国 内在该方面仍处于研究阶段,因而这种阀门控制 器价格高昂.

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参考文献:
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[4]高泽普, 张成旺, 史红军. 不锈钢球阀密封结构探讨[J]. 机床 与液压, 2004(10): 195-197. [5]Ranganathan S, Raghunathan R. Approaches for efficient stiction compensation in process control valves[J]. Computers and Chemical Engineering, 2008(32): 218-229. [6]Chen Y, Zhang J F, Yang C J. Design and hybrid control of the pneumatic force-feedback systems for Arm-Exoskeleton by using on/off valve[J]. Mechatronics, 2007(17): 325-335.

(责任编校:陈健琼)


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