第九章 氣動調(diào)節(jié)閥

第九節(jié)氣動調(diào)節(jié)閥一、概述二、閥體部件的特性分析三、執(zhí)行機構(gòu)的特性分析四、氣動調(diào)節(jié)閥的選擇與計算2023/9/231一、基本概念流量系數(shù)、串聯(lián)管道實際可調(diào)比、閥阻比、相對流量的變化率、壓力恢復(fù)系數(shù)、不平衡力、輸出力、允許壓差、氣開式、氣關(guān)式、二、基本知識1、七種閥體部件的結(jié)構(gòu)與用途2、線性和對數(shù)流量特性的表達(dá)式3、氣開式、氣關(guān)式的選擇原則2023/9/232本節(jié)重點內(nèi)容介紹4、口徑DN的計算5、一般液體、高粘度液體、空化及閃蒸時液體流量系數(shù)C的計算2023/9/233很多的題外話（1）執(zhí)行器執(zhí)行機構(gòu)：一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動裝置，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號作用下工作。執(zhí)行機構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動作用。---是調(diào)節(jié)系統(tǒng)四個基本組成部分之一，形象稱為自動化的手腳。

四個基本組成部：調(diào)節(jié)對象、檢測儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器執(zhí)行器的作用--根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令控制傳送、調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)。執(zhí)行器的組成（分為兩部分）

執(zhí)行結(jié)構(gòu)--執(zhí)行器的驅(qū)動部分，按照調(diào)節(jié)器的信號產(chǎn)生推力或位移；

調(diào)節(jié)機構(gòu)--執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，常見有調(diào)節(jié)閥等，在執(zhí)行機構(gòu)操縱下調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量。執(zhí)行器的影響--是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，質(zhì)量可能導(dǎo)致不能正常工作或影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。2023/9/234（2）電動執(zhí)行器（electricactuator）定義：利用電作為動力源的執(zhí)行機構(gòu)。2023/9/235基本的執(zhí)行機構(gòu)用于把閥門驅(qū)動至全開或全關(guān)的位置。用于控制閥的執(zhí)行機構(gòu)能夠精確的使閥門走到任何位置。盡管大部分執(zhí)行機構(gòu)都是用于開關(guān)閥門，但是如今的執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單的開關(guān)功能，它們包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝置全部安裝在一個緊湊的外殼內(nèi)。2023/9/236電動執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理（MD系列電動執(zhí)行機構(gòu)的整體式比例調(diào)節(jié)型為例）MD系列電動執(zhí)行機構(gòu)是以交流伺服電動機為驅(qū)動裝置的位置伺服機構(gòu)；由配接的位置定位器PM-2控制板接受調(diào)節(jié)系統(tǒng)的4～20mA直流控制信號與位置變送器的位置反饋信號進(jìn)行比較，比較后的信號偏差經(jīng)過放大機構(gòu)放大后送入電動機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)的輸出件朝著減小這一偏差的方向移動（位置變送器不斷將輸出件的實際位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴恢梅答佇盘査椭廖恢枚ㄎ黄鳎?，直到偏差信號小于設(shè)定值為止。此時執(zhí)行機構(gòu)的輸出件就穩(wěn)定在與輸入信號相對應(yīng)的位置上。2023/9/237MD系列角行程調(diào)節(jié)電動執(zhí)行機構(gòu)由動力部件和位置定位器（PM-2控制板）兩大部分組成。動力部件主要由電動機、減速器、力矩行程限制器、開關(guān)控制箱、手輪和機械限位裝置以及位置發(fā)送器等組成電動機：電動機是特種單相或三相交流異步電動機，具有高啟動力矩、低啟動電流和較小的轉(zhuǎn)動慣量，因而有較好的伺服特性。減速器：角行程執(zhí)行機構(gòu)采用行程減速加渦輪渦桿傳動機構(gòu)，既有較高的機械效率，又具有機械自鎖特性。行程執(zhí)行機構(gòu)的減速器由多轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)減速器配接絲桿螺母傳動裝置組成。力矩行程限制器：它是一個設(shè)置在減速器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單元，由過力矩保護(hù)機構(gòu)、行程控制機構(gòu)（電氣限位）、位置傳感器及接線端子等組成。2023/9/238位置定位器實質(zhì)上是一個將控制信號與位置反饋信號進(jìn)行比較并放大以控制電動機開停和旋轉(zhuǎn)方向的多功能大功率放大板，它與執(zhí)行機構(gòu)的動力部件相連以控制執(zhí)行機構(gòu)按系統(tǒng)規(guī)定的狀態(tài)工作。位置定位器主要由比較、邏輯保護(hù)、放大驅(qū)動及功率放大等電路組成。連續(xù)控制如果執(zhí)行機構(gòu)被要求用于控制過程系統(tǒng)的液位、流量或壓力等參數(shù)，這是要求執(zhí)行機構(gòu)頻繁動作的工作，可以用4-20mA信號作為控制信號，然而這個信號可能會和過程一樣頻繁的改變。如果需要非常高頻率動作的執(zhí)行機構(gòu)，只有選擇特殊的能頻繁啟停的調(diào)節(jié)型執(zhí)行機構(gòu)。2023/9/239電動和氣動各有所長，首先電動執(zhí)行器的優(yōu)勢主要包括：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。比起氣動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對簡單，一個基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器，三位置DPDT開關(guān)、熔斷器和一些電線，易于裝配。

（2）電動執(zhí)行器的驅(qū)動源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動執(zhí)行器需要氣源和壓縮驅(qū)動裝置。

（3）電動執(zhí)行器沒有“漏氣”的危險，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動執(zhí)行器的穩(wěn)定性稍差。

（4）不需要對各種氣動管線進(jìn)行安裝和維護(hù)。

（5）可以無需動力即保持負(fù)載，而氣動執(zhí)行器需要持續(xù)不斷的壓力供給。

（6）由于不需要額外的壓力裝置，電動執(zhí)行器更加安靜。通常，如果氣動執(zhí)行器在大負(fù)載的情況下，要加裝消音器。

（7）電動執(zhí)行器在控制的精度方面更勝一籌。

（8）氣動裝置中的通常需要把電信號轉(zhuǎn)化為氣信號，然后再轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞速度較慢，不宜用于元件級數(shù)過多的復(fù)雜回路。2023/9/2310氣動的優(yōu)勢則在于以下4個方面：

（1）負(fù)載大，可以適應(yīng)高力矩輸出的應(yīng)用（不過，現(xiàn)在的電動執(zhí)行器已經(jīng)逐漸達(dá)到目前的氣動負(fù)載水平了）。

（2）動作迅速、反應(yīng)快。

（3）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制更優(yōu)越。

（4）行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。2023/9/2311（3）液動執(zhí)行器液動執(zhí)行器是以液壓油為動力完成執(zhí)行動作的一種執(zhí)行器。液動執(zhí)行器通常為一體式結(jié)構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)為統(tǒng)一整體。液動執(zhí)行器的實際應(yīng)用率在三種執(zhí)行器（電動、氣動、液動）中最低，只有一些大型工作場合，才會使用到液動執(zhí)行器。2023/9/2312液動執(zhí)行器的優(yōu)點：液動執(zhí)行器的輸出推動力要高于氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器，且液動執(zhí)行器的輸出力矩可以根據(jù)要求進(jìn)行精確的調(diào)整，并將其通過液壓儀表反應(yīng)出來。液動執(zhí)行器的傳動更為平穩(wěn)可靠，有緩沖無撞擊現(xiàn)象，適用于對傳動要求較高的工作環(huán)境。液動執(zhí)行器的調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，能實現(xiàn)高精確度控制。液動執(zhí)行器是使用液壓油驅(qū)動，液體本身有不可壓縮的特性，因此液壓執(zhí)行器能輕易獲得較好的抗偏離能力。液動執(zhí)行器本身配備有蓄能器，在發(fā)生動力故障時，可以進(jìn)行一次以上的執(zhí)行操作，減少緊急情況對生產(chǎn)系統(tǒng)造成的破壞和影響，特別適用于長輸送管路自動控制。液動執(zhí)行器使用液壓方式驅(qū)動，由于在操作過程中不會出現(xiàn)電動設(shè)備常見的打火現(xiàn)象，因此防爆性能要高于電動執(zhí)行器。2023/9/2313液動執(zhí)行器的缺點：液動執(zhí)行器的工作需要外部的液壓系統(tǒng)支持，運行液壓執(zhí)行器要配備液壓站和輸油管路，這造成液壓執(zhí)行器相對電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器來說，一次性投資更大，安裝工程量也更多，因此只有在較大的工作場合才使用液動執(zhí)行器。液動執(zhí)行器的用途：液動執(zhí)行器的安裝特性決定了它只適用于一些對執(zhí)行器控制要求較高的特殊工況。目前，液動執(zhí)行器只有在大型的電廠、石化廠等企業(yè)才有應(yīng)用。2023/9/2314氣動、電動、液動執(zhí)行器的對比氣動執(zhí)行機構(gòu)：現(xiàn)今大多數(shù)工控場合所用執(zhí)行器都是氣動執(zhí)行機構(gòu)，因為用氣源做動力，相較之下，比電動和液動要經(jīng)濟實惠，且結(jié)構(gòu)簡單，易于掌握和維護(hù)。由維護(hù)觀點來看，氣動執(zhí)行機構(gòu)比其它類型的執(zhí)行機構(gòu)易于操作和校定，在現(xiàn)場也可以很容易實現(xiàn)正反左右的互換。它最大的優(yōu)點是安全，當(dāng)使用定位器時，對于易燃易爆環(huán)境是理想的，而電信號如果不是防爆的或本質(zhì)安全的則有潛在的因打火而引發(fā)火災(zāi)的危險。所以，雖然現(xiàn)在電動調(diào)節(jié)閥應(yīng)用范圍越來越廣，但是在化工領(lǐng)域，氣動調(diào)節(jié)閥還是占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。氣動執(zhí)行機構(gòu)的主要缺點就是：響應(yīng)較慢，控制精度欠佳，抗偏離能力較差，這是因為氣體的可壓縮性，尤其是使用大的氣動執(zhí)行機構(gòu)時，空氣填滿氣缸和排空需要時間。但這應(yīng)該不成問題，因為許多工況中不要求高度的控制精度和極快速的響應(yīng)以及抗偏離能力。2023/9/2315電動執(zhí)行機構(gòu)：電動執(zhí)行機構(gòu)主要應(yīng)用于動力廠或核動力廠，因為在高壓水系統(tǒng)需要一個平滑、穩(wěn)定和緩慢的過程。電動執(zhí)行機構(gòu)的主要優(yōu)點就是高度的穩(wěn)定和用戶可應(yīng)用的恒定的推力，最大執(zhí)行器產(chǎn)生的推力可高達(dá)225000kgf，能達(dá)到這么大推力的只有液動執(zhí)行器，但液動執(zhí)行器造價要比電動高很多。電動執(zhí)行器的抗偏離能力是很好的，輸出的推力或力矩基本上是恒定的，可以很好的克服介質(zhì)的不平衡力，達(dá)到對工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制，所以控制精度比氣動執(zhí)行器要高。如果配用伺服放大器，可以很容易地實現(xiàn)正反作用的互換，也可以輕松設(shè)定斷信號閥位狀態(tài)（保持/全開/全關(guān)），而故障時，一定停留在原位，這是氣動執(zhí)行器所作不到，氣動執(zhí)行器必須借助于一套組合保護(hù)系統(tǒng)來實現(xiàn)保位。電動執(zhí)行機構(gòu)的缺點主要有：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，更容易發(fā)生故障，且由于它的復(fù)雜性，對現(xiàn)場維護(hù)人員的技術(shù)要求就相對要高一些；電機運行要產(chǎn)生熱，如果調(diào)節(jié)太頻繁，容易造成電機過熱，產(chǎn)生熱保護(hù)，同時也會加大對減速齒輪的磨損；另外就是運行較慢，從調(diào)節(jié)器輸出一個信號，到調(diào)節(jié)閥響應(yīng)而運動到那個相應(yīng)的位置，需要較長的時間，這是它不如氣動、液動執(zhí)行器的地方。2023/9/2316液動執(zhí)行機構(gòu)：當(dāng)需要異常的抗偏離能力和高的推力以及快的形成速度時，我們往往選用液動或電液執(zhí)行機構(gòu)。因為液體的不可壓縮性，采用液動執(zhí)行器的優(yōu)點就是較優(yōu)的抗偏離能力，這對于調(diào)節(jié)工況是很重要的，因為當(dāng)調(diào)節(jié)元件接近閥座時節(jié)流工況是不穩(wěn)定的，越是壓差大，這種情況越厲害。另外，液動執(zhí)行機構(gòu)運行起來非常平穩(wěn)，響應(yīng)快，所以能實現(xiàn)高精度的控制。電液動執(zhí)行機構(gòu)是將電機、油泵、電液伺服閥集成于一體，只要接入電源和控制信號即可工作，而液動執(zhí)行器和氣缸相近，只是比氣缸能耐更高的壓力，它的工作需要外部的液壓系統(tǒng)，工廠中需要配備液壓站和輸油管路，相比之下，還是電動執(zhí)行器更方便一些。液動執(zhí)行機構(gòu)的主要缺點就是造價昂貴，體檢龐大笨重，特別復(fù)雜和需要專門工程，所以大多數(shù)都用在一些諸如電廠、石化等比較特殊的場合2023/9/2317氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)是統(tǒng)一的整體；其執(zhí)行機構(gòu)有薄膜式、活塞式、撥叉式和齒輪齒條式?；钊叫谐涕L，適用于要求有較大推力的場合；薄膜式行程較小，只能直接帶動閥桿。撥叉式氣動執(zhí)行器具有扭矩大、空間小、扭矩曲線更符合閥門的扭矩曲線等特點，但是不很美觀；常用在大扭矩的閥門上。齒輪齒條式氣動執(zhí)行機構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單，動作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點，在發(fā)電廠、化工，煉油等對安全要求較高的生產(chǎn)過程中有廣泛的應(yīng)用。2023/9/2318一、概述（一）氣動調(diào)節(jié)閥的構(gòu)成與用途1、構(gòu)成氣動調(diào)節(jié)閥=氣動執(zhí)行機構(gòu)+閥體部件2023/9/2319

氣動執(zhí)行機構(gòu)閥體部件把氣壓信號轉(zhuǎn)換成位移或轉(zhuǎn)角把位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成介質(zhì)流量的變化2、用途接受氣壓信號，控制介質(zhì)流量的變化。氣動調(diào)節(jié)閥除了執(zhí)行機構(gòu)和閥體部件之外還可以配備(氣動閥門定位器/電氣閥門定位器、手輪機構(gòu)、連鎖裝置）

2023/9/2320氣動閥門定位器/電氣閥門定位器手輪機構(gòu)（二）執(zhí)行機構(gòu)的種類及作用1、膜片式（1）結(jié)構(gòu)2023/9/23212023/9/2322上膜蓋下膜蓋波紋薄膜支架下膜蓋壓縮彈簧彈簧座調(diào)節(jié)件螺母行程標(biāo)尺（2）正反作用氣壓信號增加，閥桿向下移動—正作用氣壓信號增加，閥桿向上移動—反作用2023/9/2323正作用氣壓信號反作用氣壓信號下半部分為調(diào)節(jié)閥上半部分是產(chǎn)生推力的薄膜式執(zhí)行機構(gòu)P

膜片

推桿關(guān)閉閥芯（氣閉式）

（3）輸出特性比例特性：輸入氣壓信號增加，輸出位移增加。（4）適用場合低壓差、中壓差、推力較小、行程（推桿的位移）較小的場合。2023/9/23252、活塞式（1）結(jié)構(gòu)2023/9/23262023/9/2327氣缸活塞（2）輸出特性比例特性：輸入氣壓信號之差增加，輸出位移增加雙位特性：輸入氣壓信號增加，輸出位移或增加到最大值或減小到最小值（3）適用場合高差壓、推力較大、行程較大的場合。2023/9/2328（三）閥體部件的種類及作用1、直通雙座閥2023/9/2329外形圖拋面圖2023/9/2330結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)大可調(diào)范圍大關(guān)閉時，泄漏量大閥座可以上下倒置，閥芯可以正反安裝不平衡力小，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力小閥兩端壓差大允許泄漏量大的場合介質(zhì)為非高粘度、不含懸浮物、不含顆粒狀物體2、直通單座閥2023/9/2331結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)小可調(diào)范圍大關(guān)閉時，泄漏量小閥座可以上下倒置，閥芯可以正反安裝不平衡力大，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力大閥兩端壓差小允許泄漏量小的場合介質(zhì)為非高粘度、不含懸浮物、不含顆粒狀物體2023/9/23323、角型閥2023/9/2333結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)小可調(diào)范圍大關(guān)閉時，泄漏量小閥芯只可正向安裝不平衡力大，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力大沉淀性介質(zhì)不易積存配管可以減少900彎頭介質(zhì)為高粘度、含懸浮物或含顆粒狀物體角形連接的場合底進(jìn)側(cè)出/側(cè)進(jìn)底出2023/9/23344、蝶閥2023/9/2335結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)大可調(diào)范圍大關(guān)閉時，泄漏量大彈性閥座決定閥座和閥芯的密閉性需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力大沉淀性介質(zhì)不易積存價格便宜，安裝空間小閥兩端壓差小介質(zhì)可含懸浮物大口徑、大流量場合2023/9/23365、偏心旋轉(zhuǎn)閥2023/9/2337結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)大關(guān)閉時，泄漏量小柔臂決定閥座和閥芯的密閉性不平衡力小，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力小耐高溫介質(zhì)為高粘度物體2023/9/23386、套筒閥2023/9/2339結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)可調(diào)可調(diào)范圍大閥座不采用螺紋連接不平衡力小，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力小噪聲小閥兩端壓差大介質(zhì)為非高溫、非高粘度、不含顆粒狀物體2023/9/23407、隔膜閥2023/9/2341結(jié)構(gòu)特點適用場合流量系數(shù)大可調(diào)范圍小關(guān)閉時，泄漏量無不平衡力小，需要的執(zhí)行機構(gòu)輸出力小沉淀性介質(zhì)不易積存不耐高溫抗腐蝕閥兩端壓差小介質(zhì)為高粘度、含懸浮物、含顆粒狀物體、含纖維物、有毒、強腐蝕性等2023/9/2342二、閥體部件的特性分析(一)閥體部件的流量方程qv

2023/9/2343d1Ad2qvP1P22023/9/2344令:∴——閥體部件流量方程連接管段的截面積閥體部件前后壓差流體的介質(zhì)密度阻力系數(shù)結(jié)論：

A、△P、ρ、ξ、2均為常數(shù)時，d2↑或↓→↑或↓→qv↑或↓2023/9/2345(二)閥體部件的流量系數(shù)C2023/9/2346單位cm2單位0.1pa(0.1N/m2)單位g/cm3(10-5N.s2/cm4)單位cm3/s流量方程N.s2/m4=kg/m3倘若A和ρ的單位不變，△P的單位改為102kpa(10N/cm2,

1Kpa=1000N/m2)qv的單位改為m3/h則原來的

改為

2023/9/2347流量系數(shù)流量系數(shù)的定義:其物理意義表明:在規(guī)定條件下，閥體部件所能通過的介質(zhì)最大流量。2023/9/2348閥全開△P＝1.0×102kpaρ＝1g/cm3每小時流經(jīng)閥體部件的流量數(shù)（三）閥體部件的可調(diào)比R可調(diào)比的定義：

qvmin≠泄漏量2023/9/2349閥體部件所能控制的最大流量和最小流量之比閥體部件可控流量的下限值qvmin＝(2~4%)qvmax閥體部件全關(guān)時滲出的流量泄漏量＝（0.01~0.1%）qvmax1、理想可調(diào)比定義：物理意義：反映了閥體部件可控能力的大小。2023/9/2350△P＝常量時，閥體部件的可調(diào)比例1：某氣動調(diào)節(jié)閥，當(dāng)它的清水流量=qvmax時，流量系數(shù)Cmax=60，當(dāng)它的清水流量=qvmin=2cm3/s時，流量系數(shù)Cmin=3，試求R、qvmax=？解：

qvmax=Rqvmin=20×2=40cm3/s

2023/9/2351例2：有兩個氣動調(diào)節(jié)閥，可調(diào)比R1=R2=30，第一個閥的qvmax1=100m3/h，第二個閥的qvmax2=4m3/h，若采用分程調(diào)節(jié)，其可調(diào)比為多少？解：第一個閥的qvmin1=100/30=3.3m3/h第二個閥的qvmin2=4/30=0.134m3/hR=qvmax1/qvmin2=100/0.134=7402023/9/23522、實際可調(diào)比定義：2023/9/2353實際可調(diào)比串聯(lián)管道實際可調(diào)比R實際并聯(lián)管道實際可調(diào)比R實際△P≠常量時，閥體部件的可調(diào)比(1)串聯(lián)管道的R實際2023/9/2354△P管道△P系統(tǒng)△P△Pmin——閥體部件全開時的壓差△Pmax——閥體部件全關(guān)時的壓差∵△Pmax

≈△P系統(tǒng)∴2023/9/2355設(shè)

則S

＝閥阻比:閥體部件全開時的壓差和系統(tǒng)壓差之比.結(jié)論：閥體部件和管道串聯(lián)時，S↓→R實際↓2023/9/2356(2)和管道并聯(lián)時的可調(diào)比p273qv,max總管路最大流量.qv1,min閥體部件最小流量。令，則2023/9/2357△Pqv1qv2結(jié)論串聯(lián)和并聯(lián)管道都使實際可調(diào)比下降；閥阻比必能太??；并聯(lián)旁路閥盡可能保持關(guān)閉。2023/9/2358(四)閥體部件的流量特性1、定義

qv/qvmax=f(l/L)

2023/9/2359相對流量相對開度介質(zhì)流過閥體部件的相對流量和閥體部件的相對開度之間的函數(shù)關(guān)系，稱為流量特性2023/9/23602、固有流量特性P274固有流量特性——△P＝常量對數(shù)拋物線快開線性固有流量特性包括2023/9/2361拋物線直線快開對數(shù)l/Lqv/qvmax(1)直線流量特性P274積分后代入邊界條件，整理可的2023/9/2362閥體部件單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化是常數(shù)閥體部件的放大系數(shù)2023/9/2363l/Lqv/qvmax10%50%80%

相對流量的變化率的定義:

曲線上某一點的相對流量的變化量和該點的相對流量之比

q%=(△qv/qvmax)／(qv/qvmax)100%q%=△qv/qv

100%2023/9/2364在曲線上選擇3個點在l/L%=10%處，I/L%變化10%，計算的q%=

100%在I/L%=50%處，I/L%變化10%，計算的q%=20%在I/L%=80%處，I/L%變化10%，計算的q%=

12.5%2023/9/2365

結(jié)論：用相對流量的變化率表征閥體部件的靈敏度，小開度時，靈敏度高，容易震蕩；大開度時，靈敏度低，調(diào)節(jié)遲緩。用放大系數(shù)表征閥體部件的斜率，

斜率＝常量。2023/9/2366(2)對數(shù)流量特性P275積分后代入邊界條件，整理可得：2023/9/2367閥體部件的放大系數(shù)閥體部件單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化與此點的相對流量成正比的關(guān)系2023/9/2368l/Lqv/qvmax10%50%80%在曲線上選擇3個點：（R=30）在I/L%=10%處，I/L%變化10%，計算的q%=（6.58-4.67）/4.67×

100%≈40%在I/L%=50%處，I/L%變化10%，計算的q%=（25.6-18.3）/18.3×100%≈40%在I/L%=80%處，I/L%變化10%，計算的q%=(71.2-50.8)/50.8×100%≈40%2023/9/2369

結(jié)論：用相對流量的變化率表征閥體部件的靈敏度，小開度時和大開度時，靈敏度相同。

用放大系數(shù)表征閥體部件的斜率，斜率≠常量。2023/9/2370(3)拋物線流量特性積分后代入邊界條件，整理可得

2023/9/2371閥體部件的放大系數(shù)閥體部件單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化與此點的相對流量的平方根成正比的關(guān)系2023/9/2372l/Lqv/qvmax

(4)快開流量特性積分后代入邊界條件，整理可得：

2023/9/2373閥體部件的放大系數(shù)閥體部件單位相對開度的變化所引起的相對流量的變化與此點的相對流量的倒數(shù)成正比的關(guān)系2023/9/2374l/Lqv/qvmax

3、安裝流量特性安裝流量特性——△P≠常量安裝流量特性含有

2023/9/2375串聯(lián)管道安裝流量特性并聯(lián)管道安裝流量特性(1)串聯(lián)管道安裝流量特性（注意，符號表示與課本略有不同）2023/9/2376△P管道△P△P系統(tǒng)△P系統(tǒng)=△P管道+△P∵理想狀態(tài)下△P＝常量∴∵qv/qvmax=f(I/L)∴C/Cmax=f(I/L)∴C=Cmaxf(I/L)-----------①∵(P271,6-3)把①式代入上式，則2023/9/2377∵∵qv閥體=qv管道∴將△P管道=△P系統(tǒng)－△P代入上式∴對上式的方程兩邊取平方，再化簡成2023/9/2378當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開時，則f2(I/L)=1∴∴P272(S:閥體部件全開時閥前后的壓差和系統(tǒng)總壓差之比，稱為閥阻比)2023/9/2379當(dāng)調(diào)節(jié)閥不全開時，f2(I/L)≠1上式的方程右邊分子分母同除以C2管道∴將上式中的C2max

/C2管道變形∵∴-----------②∵將①式和②式代入上式∴設(shè)qv100為考慮到存在管道阻力時閥全開的最大流量∴∵△Pmin=S△P系統(tǒng)∴

2023/9/2381∴∴2023/9/2382直線的安裝流量特性2023/9/2383對數(shù)的安裝流量特性2023/9/2384結(jié)論當(dāng)S=1時，管道阻力損失為零，安裝特性=固有特性；隨著S的減小，管道阻力增大，安裝流量特性向上拱；當(dāng)S很小時，直線流量特性趨近于快開特性，對數(shù)趨近于直線特性；特別地，當(dāng)S=0.5時，對數(shù)特性接近于拋物線特性。實際中S>0.3~0.5。2023/9/2385（2）和管道并聯(lián)時的安裝特性參見課本P2792023/9/2386(五)閃蒸、空化及其對策1、閃蒸和空化2023/9/23872023/9/2388

流速P2壓力P1PVP1P2氣泡爆裂，還原成液體部分液體氣化，形成氣液共存當(dāng)有流體通過閥體部件時，流體面積的縮小，導(dǎo)致縮流處的流速增加，根據(jù)能量守恒定律，速度上升，靜壓力P1必然降低，這個壓力比液體所在環(huán)境下的飽和蒸汽壓PV還低時，有一部分液體氣化，在液體中產(chǎn)生氣泡，形成氣液兩相摻雜的混合流。這個過程稱為閃蒸。閃蒸后，這個壓力逐漸恢復(fù)，當(dāng)它恢復(fù)到比液體飽和蒸汽壓PV更高的P2時，氣化停止，氣泡爆裂，還原成液體，這個過程稱為空化。2023/9/2389閃蒸空化2、損害2023/9/2390名稱特征影響閃蒸損傷一道道光滑的流線狀表面斑痕液體計算公式的正確性空化損傷粗糙的海綿狀空洞閥體部件被腐蝕3、對策從材料、結(jié)構(gòu)、避免三方面考慮(1)材料選擇2023/9/2391原則選擇抗腐蝕能力強的材料材料司太立合金硬化工具鋼碳化鎢鋼(2)結(jié)構(gòu)的設(shè)計2023/9/2392原則破壞閃蒸和空化形成的條件結(jié)構(gòu)采用多級閥芯結(jié)構(gòu)，逐級降壓，使每一級都不超過臨界壓差。(3)空化的避免2023/9/2393原則閥體部件的壓差△P＜最大允許壓差△PT方法幾個閥體部件串聯(lián)，分散壓差。閥體部件前后安裝限流孔板(),吸收壓差。限流孔板正面及側(cè)面圖(六)壓力恢復(fù)能力及壓力恢復(fù)系數(shù)FL1、壓力恢復(fù)能力當(dāng)流體經(jīng)過閥體部件時，由于受到節(jié)流的影響，在縮流處，流速上升，靜壓力下降。穿過縮流處后，流速下降，靜壓力上升；靜壓力在上升過程中，肯定不會恢復(fù)到原有的數(shù)值P1，因此就產(chǎn)生了P2，則有△P=P1－P2。

2023/9/2394

為了描述這種情況，引入壓力恢復(fù)能力這個概念來說明在縮流處后

2023/9/2395靜壓力的恢復(fù)過程和恢復(fù)能力2、壓力恢復(fù)系數(shù)FL(P283)定義：結(jié)論：2023/9/2396FL＝1P2與P1無關(guān)壓力恢復(fù)無FL＜1P2接近于P1壓力恢復(fù)程度高FL越少，壓力恢復(fù)越大，一般FL=0.5~0.98閥前后壓差閥前壓力縮流處最低點壓力3、阻塞流定義：流體在產(chǎn)生閃蒸和空化時的流量2023/9/2397

三、執(zhí)行機構(gòu)的特性分析

(一)不平衡力Ft

當(dāng)流體通過閥體部件時，由于閥芯受到流體靜壓和動壓的作用，使閥芯產(chǎn)生：2023/9/2398上下移動的軸向力旋轉(zhuǎn)作用的切向力

一般情況下，這些作用力的合力≠0，因此閥芯的上下左右受力不同，使閥芯處于不平衡狀態(tài)。Ft定義：閥芯受到的軸向合力稱為不平衡力。2023/9/2399軸向力不平衡力閥芯是直線位移閥芯是角位移切向力不平衡力矩在閥體部件和工藝介質(zhì)確定的情況下Ft的大?。洪y前的壓力P1

閥前后的壓差△P

閥芯的相對流向

2023/9/23100流開狀態(tài)—流體流動，閥芯打開流閉狀態(tài)—流體流動，閥芯關(guān)閉無論流開狀態(tài)還是流閉狀態(tài)，F(xiàn)t在閥芯關(guān)閉狀態(tài)時最大，隨著閥芯的開啟，F(xiàn)t越來越小，F(xiàn)t的計算:

考慮閥體部件的種類閥芯要處于全關(guān)的位置2023/9/23101例如：直通單座閥體部件流開狀態(tài)Ft=π(dg2△p＋ds2p2)／4流閉狀態(tài)Ft=－π(dg2△p－ds2p1)／4dsds

流開流閉

p2p1

dgdgP1p22023/9/23102（二）執(zhí)行機構(gòu)的輸出力F

定義：閥體部件處于關(guān)閉位置時，執(zhí)行機構(gòu)具有克服“＋”Ft，以保證閥體部件開啟，克服“－”Ft，以保證閥體部件密封的力稱為輸出力F。2023/9/231032023/9/23104+Ft-Ft-F+F正作用反作用不論正作用還是反作用：±F=推力－彈簧反作用力推力=PAe

彈簧反作用力=Cs(Lo＋l)

2023/9/23105信號壓力膜片有效面積彈簧的剛度彈簧預(yù)緊量閥桿的行程∴±F=PAe－Cs(Lo＋l)又∵

2023/9/23106彈簧范圍執(zhí)行機構(gòu)的全行程彈簧的起動壓力±F=Ae(P－Pi－Prl/L)通常：Pi=0.2×102kpal=L時，P=1.0×102kpaPr=1.0×102kpa－0.2×102kpa=0.8×102kpa∴±F=0結(jié)論：執(zhí)行機構(gòu)在全行程時，輸出力F=0。獲得輸出力的辦法是：☆增大膜片有效面積Ae☆改變彈簧起動壓力Pi的大小☆提高信號壓力P2023/9/23107（三）允許壓差[△P]

執(zhí)行機構(gòu)的F用于克服閥體部件的Ft，而Ft隨著△P的變化而變化?！鱌↑→Ft↑定義：當(dāng)F=常量時，△P必須限制在一定的范圍內(nèi)工作，該壓差范圍就稱為允許壓差[△P]。2023/9/231082023/9/23109[△P]的計算不同的閥體部件計算公式不同[△P]的條件閥體部件必須處于流開狀態(tài)[△P]的要求調(diào)節(jié)閥制造廠給出的數(shù)據(jù)P2=0例題：已知：直通單座閥體部件，P2=0，流開狀態(tài)，求允許壓差[△P]=？分析：執(zhí)行機構(gòu)的輸出力F應(yīng)克服閥體部件的全部有效力

2023/9/23110全部有效力包括：不平衡力Ft閥芯對閥座的壓緊力Fo閥桿受到的摩擦力Ff閥芯等活動部件的重力FwF－Ft

－Fo－Ff－Fw＝0∵Ff和Fw很小，可忽略∴Ft＝F－Fo……………①2023/9/23111∵Ft＝π(dg2△P＋ds2P

2)／4∵P2＝0

△P

＝P1∴Ft

＝πdg2P1

／4……………②將②式代入①式∴F－Fo

＝πdg2P1

／42023/9/23112四、氣動調(diào)節(jié)閥的選擇與計算(一)氣動調(diào)節(jié)閥的選擇1、執(zhí)行機構(gòu)和閥體部件類型的選擇(1)執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)型式的選擇主要決定選膜片式還是選活塞式通常選膜片式執(zhí)行機構(gòu)因為膜片式執(zhí)行機構(gòu)的輸出力一般可以滿足氣動調(diào)節(jié)閥對它的要求。2023/9/23113(2)閥體部件結(jié)構(gòu)型式的選擇2023/9/23114工藝條件溫度、壓力、流量流體特性粘度、相態(tài)、毒性、腐蝕性、是否含有懸浮物，顆粒物控制要求系統(tǒng)精度、噪聲、可調(diào)比2、氣開氣關(guān)的選擇原則(1)選擇原則a、定義氣開式氣關(guān)式2023/9/23115有輸入信號時閥門打開，無輸入信號時閥門關(guān)閉。有輸入信號時閥門關(guān)閉，無輸入信號時閥門打開。有氣就開有氣就關(guān)b、原則氣動調(diào)節(jié)閥的輸入信號中斷時，應(yīng)保證設(shè)備及人員的安全。c、實例2023/9/231162023/9/23117換熱器冷卻水調(diào)節(jié)閥選氣關(guān)式輸入信號中斷，調(diào)節(jié)閥打開，保證冷卻水繼續(xù)流動，防止換熱器溫度過高損壞2023/9/23118加熱爐燃料油調(diào)節(jié)閥選氣開式輸入信號中斷，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，燃料油切斷，防止加熱爐溫度過高造成毀壞2023/9/23119蒸餾塔進(jìn)料調(diào)節(jié)閥選氣開式輸入信號中斷，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，進(jìn)料切斷，防止物料過多造成溢出事故2023/9/23120精餾塔回流調(diào)節(jié)閥選氣關(guān)式輸入信號中斷，調(diào)節(jié)閥打開，保證回流量，防止不合格產(chǎn)品蒸出(2)組合方式執(zhí)行機構(gòu)有正反作用閥體部件有正裝和反裝氣動調(diào)節(jié)閥有氣開式和氣關(guān)式2023/9/23121氣關(guān)氣開氣開氣關(guān)3、閥體部件流量特性的選擇流量特性有4種，實際應(yīng)用時主要選擇：2023/9/23122直線流量特性對數(shù)流量特性(1)選擇原則系統(tǒng)總的放大系數(shù)=K1K2K3K4K5=常量2023/9/23123調(diào)節(jié)器K2執(zhí)行機構(gòu)K3變送器K1對象K5閥體部件K42023/9/23124放大系數(shù)K5為線性流量特性選直線放大系數(shù)K5為非線性流量特性選對數(shù)(2)選擇方法a、數(shù)學(xué)分析法基本原理——用閥體部件的放大系數(shù)補償對象的放大系數(shù)b、經(jīng)驗分析法由于很難真正掌握對象特性，故利用實際經(jīng)驗。同時存在幾個干擾，按主要干擾選擇。時間常數(shù)很大且起重要作用，按動態(tài)特性選擇，否則按靜態(tài)特性選擇。2023/9/231252023/9/23126c、氣動調(diào)節(jié)閥選型規(guī)定(CD50A11-84)

固有流量特性直線對數(shù)正常流量下的△P/沒有流量負(fù)載時的△P＞0.751.液位定值控制系統(tǒng)2.主要干擾為給定值的流量、溫度控制系統(tǒng)1.流量、壓力、溫度定值控制系統(tǒng)2.主要干擾為給定值的壓力控制系統(tǒng)同上≤0.75各種控制系統(tǒng)2023/9/23127(3)注意事項a、應(yīng)考慮配管情況原因：閥體部件總是要和管道串、并聯(lián)使用，P管道的變化→△P的變化→安裝流量特性和固有流量特性的不同。歸結(jié)到一點：考慮2023/9/231282023/9/23129配管情況S=1~0.6S=0.6~0.3S<0.3閥體部件安裝流量特性直線對數(shù)直線對數(shù)不宜控制閥體部件固有流量特性直線對數(shù)對數(shù)對數(shù)b、考慮