徐 攀，朱小明，2，楊麗紅

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海豪高機電科技有限公司，上海 201614）

0 引言

目前，在石油、發(fā)電、水利、輕工、化工等行業(yè)常用到工業(yè)閥門，工業(yè)閥門的控制調(diào)節(jié)都需要用到調(diào)節(jié)裝置，其調(diào)節(jié)裝置經(jīng)常工作在有毒、高溫高壓、易燃易爆的危險環(huán)境中［1］。工業(yè)閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能［2］。

其中工業(yè)蝶閥和球閥等閥門，其啟閉件的行程為角行程。以蝶閥為例，蝶閥是一種結(jié)構簡單的調(diào)節(jié)閥，同時也可用于低壓管道介質(zhì)的開關控制。蝶閥的啟閉件為圓盤形的閥瓣或閥板，在閥體內(nèi)繞其自身的軸線旋轉(zhuǎn)，從而達到啟閉或調(diào)節(jié)的目的［3］。蝶閥可用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體的流動，在管道上主要起切斷和節(jié)流作用［4］。

對傳統(tǒng)工業(yè)蝶閥和球閥的調(diào)節(jié)與控制，主要依靠液壓伺服比例調(diào)節(jié)裝置，而其液壓控制回路中使用的伺服閥和比例閥存在結(jié)構精密復雜，造價較高，并且對油液的質(zhì)量和清潔度要求高，難以適用于惡劣環(huán)境，因此對其研究十分必要。本文應用“數(shù)字閥+傳統(tǒng)液壓閥”研制一套工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置，來實現(xiàn)對工業(yè)蝶閥和工業(yè)球閥的控制，達到液壓伺服比例調(diào)節(jié)的功能，并且降低成本，易于維護。

1 工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的研制

工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置主要由液壓控制回路和齒輪箱組成。

1.1 液壓控制回路的設計

當需要對工業(yè)閥門進行比例調(diào)節(jié)控制流量時，通常會用到比例換向閥或伺服閥來對閥門的啟閉程度進行定值調(diào)節(jié)，其結(jié)果較為準確。但由于比例換向閥自身存在零位死區(qū)現(xiàn)象，造成使用比例換向閥會出現(xiàn)響應速度較慢的情況，且比例換向閥的閥口開度較大，造成使用比例換向閥進行調(diào)節(jié)時精度不高［5］。伺服閥的零位基本無遮蓋，因此使用伺服閥對閥門開度進行調(diào)節(jié)時，響應速度快，但伺服閥的成本高。比例換向閥或伺服閥，均為高精度閥，對工作介質(zhì)的干凈程度要求較高，抗污染能力較差。

為解決上述使用伺服閥或比例換向閥的抗污染能力差且成本較高的問題，本文應用“數(shù)字閥+傳統(tǒng)液壓閥”來實現(xiàn)對工業(yè)閥門開度的調(diào)節(jié)。數(shù)字閥流量小又可實現(xiàn)比例控制，適合精確位置控制，而傳統(tǒng)液壓閥流量大適合工業(yè)閥門到位前的快速位置控制，找到一種既保證調(diào)節(jié)速度又保證調(diào)節(jié)精度且經(jīng)濟的設計方案。

設計時，把液壓控制回路分為4 個模塊：供油系統(tǒng)、工作油路、保護油路和電控系統(tǒng)。供油系統(tǒng)包括油箱、油泵、吸油濾油器以及回油濾油器；工作油路包括2 個二位三通的數(shù)字閥即第一、二數(shù)字閥、一組液控單向閥以及一個單桿活塞式液壓缸；保護油路包括一個二位三通換向閥、一個進油液控單向閥以及一個排油液控單向閥；電控系統(tǒng)采用了專門的集成印刷線路板，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，有本地控制和遠程控制兩種方式，可以相互切換。設計參數(shù)滿足閥門公稱通徑200～2 000 mm，閥門公稱壓力0.6～2.5 MPa，其液壓原理如圖1 所示。

圖1 比例調(diào)節(jié)裝置的液壓原理

1.2 齒輪箱的設計

由于工業(yè)蝶閥和工業(yè)球閥的啟閉件的行程為角行程，僅依靠液壓缸無法實現(xiàn)閥門的開/關，因此設計齒輪箱與液壓缸相配合，來實現(xiàn)其操作。液壓缸與齒輪箱中的齒條相連接，通過推動齒條從而帶動與之相嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對工業(yè)蝶閥和球閥的調(diào)節(jié)。該齒輪箱設計帶有手動操作機構，當液壓驅(qū)動故障的情況下，可以推進手輪實現(xiàn)閥門的開啟和關閉。齒輪箱三維模型如圖2 所示。

圖2 齒輪箱三維模型

以工業(yè)蝶閥為例，常用的力矩計算公式為：

式中 g ——重力加速度，m/s2；

μα——蝶板開度為α角時的動水力矩系數(shù)；

H ——最大水壓頭，mm；

D ——蝶板直徑，mm；

ζ ζα，0ζα—— 蝶板開度為α角及全開時的流阻系數(shù)；

V0——全開時介質(zhì)的流速，m/s。

因上述公式較復雜，通常采用簡易計算式：

式中 ξ ——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

Δp ——閥前、后壓差，MPa。

通過計算，得到力矩為2 000 N·m，已知手動輪驅(qū)動力F 為300 N，手動輪直徑D1為0.5 m。

傳動比計算式：

式中 Md——蝶閥力矩，N·m。

代入數(shù)據(jù)計算得到傳動比為133.33。

傳動比較大，可采用三級傳動。同時應避免齒輪的尺寸和傳動比過大，根據(jù)經(jīng)驗判定，傳動比應小于6～8，即傳動范圍i1∈［5，7］，i2∈［5，7］， i3∈［3，4］。為了避免軸上的小齒輪齒數(shù)過大或過小，Ⅰ軸、Ⅱ軸和Ⅲ軸上的小齒輪齒數(shù)分別取20，22 和28；為了分散和消除制造誤差對傳動的影響，盡量使齒輪齒數(shù)互為質(zhì)數(shù)，Ⅱ軸、Ⅲ軸和Ⅳ軸上的大齒輪齒數(shù)可定為122，130，104。Ⅳ軸主軸上嚙合的齒輪齒條，齒數(shù)分別為70，31。

此時可算出各軸的實際傳動比：

i1=122/20=6.10

i2=130/22=5.91

i3=104/28=3.71

齒輪箱傳遞的轉(zhuǎn)矩很大，尤其主軸上轉(zhuǎn)矩最大，為保證齒輪的抗彎強度，取第1 對嚙合齒輪模數(shù)為3，第2 對嚙合的齒輪模數(shù)為4；同理，第3 對的模數(shù)為6。由于齒輪齒條直接與液壓系統(tǒng)相連，抗彎強度更高，因此，齒輪齒條的模數(shù)為8。

1.3 工作過程

（1）慢關：液壓油從油箱流出，經(jīng)過吸油濾油器進入油泵，第一數(shù)字閥的電磁鐵1YA 得電，二位三通數(shù)字閥左位機能，通過液控單向閥1，使單桿活塞式液壓缸的無桿腔通入液壓油，活塞桿伸出。因為活塞桿與齒輪箱中的齒條相連接，從而推動閥門關閉；同時，從第一數(shù)字閥中流出的液壓油的一部分，流入液控單向閥2 的控制油口，并把其閥芯頂開，使得單桿活塞式液壓缸的有桿腔內(nèi)的液壓油從液控單向閥2 中流出，并經(jīng)過第二數(shù)字閥流回油箱。

（2）慢開：當?shù)诙?shù)字閥的電磁鐵2YA 得電時，二位三通數(shù)字閥左位機能，油泵將液壓油從油箱中抽出，通過第二數(shù)字閥及液控單向閥2，向單桿活塞式液壓缸的有桿腔內(nèi)通入液壓油，使得其活塞桿縮回液壓缸，將齒條向活塞桿運動的方向拖動，推動閥門開啟；同時，從第二數(shù)字閥流出的液壓油的一部分，流入液控單向閥1 的控制油口，將其閥芯頂開，使得單桿活塞式液壓缸的無桿腔內(nèi)的液壓油從液控單向閥1 中流出，并經(jīng)過第一數(shù)字閥流回油箱。

（3）快速關閉（閥門保護）：為了確保比例調(diào)節(jié)裝置的安全，防止工作油路在出現(xiàn)問題的情況下，可以迅速關閉閥門，避免閥門液流通道內(nèi)的工作介質(zhì)流量過大而對后續(xù)工作元件產(chǎn)生影響，保證整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，設計了保護油路；以及實現(xiàn)啟閉件的快速調(diào)節(jié)，縮短開度調(diào)節(jié)所耗費的時間。

（4）保護油路：當比例調(diào)節(jié)裝置的工作油路出現(xiàn)故障時，開啟二位三通換向閥，電磁鐵3YA得電，二位三通換向閥右位機能，液壓油經(jīng)吸油濾油器的過濾通過油泵進入二位三通換向閥，液壓油由二位三通換向閥分別通過進油液控單向閥和排油液控單向閥的控制油口，將進油和排油液控單向閥的閥芯頂開。由于進油液控單向閥的閥芯被頂開，液壓油將通過進油液控單向閥，流入單桿活塞式液壓缸的無桿腔內(nèi)；而液壓缸的有桿腔內(nèi)的液壓油能夠通過閥芯被頂開的排油液控單向閥，經(jīng)過回油過濾器的的過濾，最終流入油箱內(nèi)，使液壓缸的活塞桿伸出，從而推動齒條運動，將閥門的啟閉件推動到液流通道的底部，使得閥門快速關閉，然后對比例調(diào)節(jié)裝置的工作油路進行檢測并維修。

（5）啟閉件的快速調(diào)節(jié)：由于數(shù)字閥自身的流量較小，因此當使用數(shù)字閥對閥門啟閉件開度進行調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)過程耗時較長，而當閥門的啟閉件需要從較大開度向較小開度調(diào)節(jié)時，如果僅靠第一數(shù)字閥向液壓缸的無桿腔內(nèi)充入液壓油的方式對直線行程閥門啟閉件的調(diào)節(jié)時，會出現(xiàn)耗時久的狀況，過程較慢。因此，在需要將閥門的啟閉件從較大開度向較小開度進行調(diào)節(jié)時，可以先將工作油路關閉，使用保護油路向液壓缸的無桿腔內(nèi)充入液壓油，使活塞桿快速伸出，當閥門的啟閉件迅速調(diào)節(jié)至接近設定位置時，再將保護油路關閉，再打開工作油路，實現(xiàn)啟閉件到達精確位置。

比例調(diào)節(jié)裝置不僅解決了使用比例換向閥或伺服閥對閥門的啟閉件開度進行調(diào)節(jié)時帶來的成本高、維護不方便等問題，在保證調(diào)節(jié)精度的情況下，還增加了保護油路，使得整個工作系統(tǒng)的安全性大大增加。并且該裝置操作簡單、成本低，結(jié)構簡單，耐污染性好，因此維護起來較為容易。

2 仿真模型的建立及仿真

根據(jù)工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的工作原理，采用AMESim 軟件建立仿真模型，如圖3 所示。在AMESim 軟件中仿真時系統(tǒng)所有模型均被參數(shù)化［6-11］，其他元件都有詳細的參數(shù)，在這里僅列舉關鍵的參數(shù)。液壓缸的參數(shù)：油缸缸徑100 mm，活塞桿直徑55 mm，油缸行程500 mm，工作壓力25 MPa。而一些其他的參數(shù)，則比較難以確定，如：液壓缸末端的彈性剛度、阻尼系數(shù)及其末端的變形量、黏滯摩擦系數(shù)，則使用系統(tǒng)推薦的經(jīng)驗值，分別為10 000 N/mm、1 000 N/（m/s）、0.001 mm、10 000 N/（m/s），泄漏系數(shù)為0.8×105L/（min·Pa）［12-21］。設定仿真條件見表1。

圖2 數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置AMESim 仿真模型

表1 仿真條件

3 仿真結(jié)果分析

通過運行仿真模型，得到如圖4 所示的輸出曲線。從活塞桿位移變化特性曲線（慢關）的仿真結(jié)果可看出，在6 s 的時刻，活塞桿的位移達到500 mm，與預先設定的活塞桿的行程相一致。

圖4 活塞桿位移變化特性曲線（慢關）

工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的另一重要功能是實現(xiàn)工業(yè)閥門的快速關閉，保護調(diào)節(jié)裝置的安全，通過將工作油路關閉，利用保護油路向無桿腔供油。運行仿真模型，得到如圖5 所示的活塞桿位移變化特性曲線（快關）。由仿真曲線可知，液壓控制回路的響應速度快，在較短的時間內(nèi)，可以達到快關位置要求，在1 s 的時刻，活塞桿的位移達到371 mm，符合快速關閉的要求，與原理預期一致。

圖5 活塞桿位移變化特性曲線（快關）

4 結(jié)語

通過對工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的設計與分析，采用兩個數(shù)字閥實現(xiàn)工業(yè)閥門流量的比例控制，配置液壓鎖，保證閥門達到位置后準確鎖定，具有慢開、慢關、快速關閉和閥門保護等功能，原理設計巧妙、經(jīng)濟適用?；贏MESim 平臺搭建了動態(tài)仿真模型，同時對仿真曲線進行分析，驗證了液壓系統(tǒng)的可行性，達到了液壓伺服比例調(diào)節(jié)裝置的功能要求，在6 s 內(nèi)實現(xiàn)活塞桿500 mm位移精確到達，在2 s 內(nèi)快關閥門，為下一步的開發(fā)和改進，提供了理論依據(jù)。