不平衡力计算及校核.pdf

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1、 不平衡力计算及校核 1 不平衡力和不平衡力距计算 流体通过调节阀时，受流体作用力影响，产生使阀芯上下移动的轴向力或使阀芯旋转的切向力。对于直行 程的调节阀，轴向力影响信号与位移的关系，这一轴向力称为不平衡力，以 ft（任意位置时），Ft（关 闭位置时）表示。对角位移的调节阀，如蝶阀、偏心旋转阀等，影响其角位移的切向合力矩称为不平衡力 矩，以 M 表示。 影响不平衡力（矩）的因素很多，主要是阀的结构型式、压差、流向因素。阀的结构型 式中又包括阀的类型、节流形式、阀芯（塞）形状、阀芯正装或反装、阀杆直径与阀座直径大小等关系。 从表 31 中工作状态中，可以非常直观地看出对单座式调节阀，阀芯正装，

2、流开型，阀关闭时的阀芯所 受的不平衡力 Ft 为： 其它阀的不平衡力（距）的推导道理一样，是一个简单的受力计算。常见的阀计算公式汇总在表 3-1 中。 表 3-1 常用调节阀不平衡力和许用压差计算公式 2 输出力定义及计算 2.1 输出力的正确定义 首先我们引入几个符号：ft 表示任意 开度的不平衡力；Ft 表示阀关闭时的不平衡力；“-”表示不 平衡力的作用方向是将阀芯顶开的；“+”表示不平衡力的作 用方向是将阀芯压闭的。 过去的定义是：执行机构用来克服不平衡力的力。这个定义有两个问题：调节阀任意开度都存在着不 平衡力 ft，这样，执行机构任意开度都有输出力克服 Ft，使阀信号压力与开度一一对

3、应，ft 变化不影 响阀位。实际并非如此，只有带定位器时才有这种功能。克服“+”、“-”ft 问题没有区分，造成混 为一体的模糊概念，导致计算错误。表现在现场时，就是有的阀关不死或打不开。 我们知道，“-” Ft 对阀芯产生顶开趋势，所需执行机构的输出力应该是克服它顶开，并保证阀密封的 力；“+” Ft 对阀芯产生压闭趋势，所需输出力应该是保证阀启动并能走完全行程的力。于是，我们得 出输出力的正确定义为：阀处关闭位置时，执行机构具有克服“” Ft，以保证阀的密封，克服“+” Ft，以保证阀正常启动并能走完全行程的力，这种力称为执行机构输出力，以 F 表示。 2.2 气动薄膜执行机构输出力的正确

4、计算 过去 F 计算，没考虑 Ft 的不同作用方向，笼统地按阀处在“- ” Ft 情况来处理，造成阀处在“+” Ft 的情况下 工作时打不开等问题。下面分两种情 况讨论。 1）“-” Ft 时的 F 计算 1. Ft，以保证阀密封。故其 F 为：（0PoPmaxPr） （18） 2. Ft，以 保证阀的密封，故其 F 为： F（PPr）Ae （PLPPmax （19） 2）“+” Ft 时的 F 计算 “+” Ft 所需的输出力是将阀芯打开的力。阀关闭时，阀芯受力为“+” Ft，阀一旦启动，它随开度的 增加而按 ft 变化规律下降。由于阀从关至全开的弹簧张力变化为 PrAe，所以当 Ft Pr

5、Ae 时，只要 Ft 下降 PrAe，则弹簧张力相应补偿 PrAe，阀靠 Ft 减小而启动至全开。这种阀一旦启动，信号压力不变，靠 Ft 减小而使阀突然打开一个范围，就是我们常说“突然启跳”。当 FtPrAe 时，小于部分则信号压力的 正常改变使阀全开。 从上述讨论中可以看出：当“+” Ft PrAe 时，只要保证阀启动就可保证阀全开，不必在信号压力 P 中考虑阀全开而扣除 Pr，即“+” Ft 的 F 计算，不考虑 Pr 的影响。具体计算如下： 1. Ft，把阀芯拉开，故其 F 为： F（P-Po）Ae （PoPPmax） （20） 2. （2）对气闭阀，阀的启动是靠信号压力的减小，靠弹簧张

6、力把阀拉开。故静态时，阀关闭到位 时弹簧所具有 的张力，就是把阀启开的作用力，即 FPLAe （PrBPLPmax） （21） 3）小结 通过上述分析，还可得出如下有用的结论： 1. Ft 的 F 计算，不扣除 Pr，所以比原笼统地按“” Ft 计算要扣除 Pr 的输出力大得 多，否定了笼统地说气动薄膜执行机构输出力小的结论。如最大执行机构的 Ae1600cm，Fmax2.5 16004 吨。通常，它可比 “” Ft 条件下的 F 大 35 倍以上。 2. （2）选用大的 Pr，即可提高稳定性，又可提高“+” Ft 时气闭阀的输出力。 2. Ft 方向相反，故所需输出力方向也相反。如气开阀，对

7、“” Ft，增加 F 是调紧，即增大 P0； 对“+” Ft，增加 F 是调松，即要减小 P0。由于过去笼统地按“” Ft 考虑，因而造成阀在“+” Ft 情 况下工作时 F 正好是减小，这就是“+” Ft 时有的阀关不死，或打不开的原因所在。 3. Ft 比“” Ft 获得更大的 F，故阀在“” Ft 的情况下不能正常工作时，可以通过改变流向 的办法，使阀在“+” Ft 的情况下工作，使之克服不平衡力。 4. Ft 情况下工作（通常为流闭型）。这样，一方面它可获得比“” Ft 大 35 倍以上的许用压 差，另一方面，“+”Ft 的作用是将阀芯压紧，增加了阀芯对阀座的密封力，提高了切断效果，通

8、常泄漏 量可比“” Ft 小（8090）。 2.3 活塞执行机构的输出 活塞执行机构受力如图 31 所示。，从图可知其输出力为： 式中：D活塞直径 cm； 气缸效率 （ 一 般 0.8 ） ； P1、P2气缸两侧压 力。 3 不平衡力的校核 3.1 存在的问题 不平衡力校核是保证阀正常工作的不可缺少的计算环节。然而，在调节阀的计算中往往被忽视了，许多 设计院在调节阀的规格表或计算书上，根本就没有阀关闭时的工作压差这一栏，更谈不上计算、校核。 原来，有的阀在现场工作时，阀芯关不到位，大多是该原因所致。故此，我们完全有必要讲讲不平衡力 的校核问题。 3.2 不平衡力的校核 不平衡力的校核就是让执行

9、机构的输出力 F 足够的大于介质的不平衡力 Ft、摩擦力和阀芯的重力等。通 常的办法就是将不平衡力 Ft 乘一个系数。现在的问题就是此系数取多大，原来的公式只取到了 1.2 1.3。通过实验证明，该系数取得过于保守，经常造成阀的输出力不够，不能有效的克服阀杆的摩擦力、 阀芯导向处堵卡的摩擦力、阀动作不自如等。正确的公式应为： F(1.52) Ft 式中，对四氟填料和干净介质可取系数为 1.5，对石墨填料和不干净介质应取系数 2。 值得再一提的是对高温高压阀、关键场合用的阀门，上述系数还应取 23 以确保阀动作的可靠性。 3.3 许用压差表 为了简化计算，生产厂根据工作条件对常用阀门计算出允许压

10、差P(列在选型样本或 说明书上)，现对阀的 校核变成允许压差的校核，即工作压差小于允许压差P： 即： P P 但是，为了可靠起见， 笔者还是建议作认真的计算。如果计算有困难，建议将阀关闭时的工作压差告诉生产 厂，由生产厂进行计算校核(包括选定弹簧范围等)。 我们还建议，设计院的计算书、调节阀的规格书上应增加调节阀关闭时的最大压差一栏。 这是因为，至 目前为止，一半的规格书上没有阀关闭时的最大工作压差，使生产厂想校核也无从着手；也有的工厂不 管此问题，认为计算是设计院的事，这样往往把问题留给了用户，当开车时，才发现阀推力不够，阀关 不严或打不开、动作不自如，再来做被动的处理。 3.4 不平衡力计

11、算与校核的简化 为了方便用户，只需将阀关闭时的工作压差告诉生产厂，由生厂进行计算校核，提供满足上述阀关闭时 的工作压差的阀即可。此简化只是给用户提供方便，不是不计算。 4 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核 4.1 执行机构刚度 执行机构抵抗负荷变化对行程影响的能力称为执行机构的刚度，也等于弹簧刚度。气动执行机构的刚度 表达式为： 式中：B、K执行机构、弹簧的刚度； ft、L不平衡力，推杆位移的变化量。 从式中，可得出如下推论： (1) 刚度越大，在相同ft 变化下，推杆位移变化量L 越小，阀越稳定；反之亦然。 (2) BPr，弹簧范围越大，刚度越大，阀越稳定。故阀易产生振荡时，应选 Pr 大

12、的弹簧。 4.2 调节阀的稳定性 调节阀的稳定性与阀关闭时的不平衡力 Ft 对阀的作用方向有关。当 Ft 的作用方向是将阀芯顶开时(即 “” Ft)，调节阀就稳定；反之，Ft 的作用方向是将阀芯压闭时(即“+” Ft)，阀的稳定性就差 即容易产生振荡。调节阀在现场通常产生振荡就是此原因所致。解决振荡的办法就是改变阀的流向，把 “+” Ft 变成了“” Ft，调节阀的振荡就消除了。 为什么“” Ft 阀稳定性好，而“+” Ft 的稳定性差，产生振荡呢?从下面的分析就清楚了。 对“” Ft：当干扰使阀增加一个“Ft”时，阀被顶开，阀芯被顶开压差就下降，“Ft”就自动消 失。由此看出，由于它能自动排

13、除干扰，所以阀稳定。 对“+”Ft：当干扰使阀增加一个“Ft”时，阀芯被压闭，使阀的压差增加，“Ft “再进一步地增 大，又进一步地压闭阀芯，压差再增加，“Ft “再增加，这样就破坏了原平衡状态，阀芯在干扰作用 下，不能自动消除它，反而使得放大，迫使阀芯作浮上浮下运动，这就是我们所说的调节阀的振荡。 4.3 调节阀稳定性的校核 在对“+” Ft 工作时，阀的稳定性差。在什么条件下才认为是稳定的呢？它与阀的刚度有关，最终的结 果是(推导略)： 稳定的条件：“+” Ft 1/3 PrAe 不稳定的条件：“” Ft 1/3 PrAe 4.4 调节阀不稳定(振荡)的克服 从上述看出“+” Ft 稳定性差，“-” Ft 稳定性好，通常阀产生振荡都是在“+” Ft 下工作造成的。遇 到此现象，首先分析受力和流向，若为“+” Ft 工作，只需将阀改变流向安装即可，从根本上消除上述 问题；若不能改变流向，则必须增大弹簧范围，如 Pr20100KPa 改为 Pr40200KPa 等。