氣力輸送中氣量控制元件的選擇

王海萍 張希望

（軟控股份有限公司）

0 前言

氣力輸送供氣管路中的氣動(dòng)元件主要包括減壓閥、比例閥、過濾器、LAVAL管以及流量控制元件等。這些氣動(dòng)元件可以調(diào)節(jié)壓力、穩(wěn)定壓力、提高壓縮氣體質(zhì)量、控制管路中氣體流量，正確地選擇這些氣動(dòng)元件可以降低氣源壓力，進(jìn)而降低系統(tǒng)總能耗。

1 減壓閥的選擇

減壓閥用來調(diào)節(jié)或控制氣壓的變化，并保持降壓后的輸出壓力值穩(wěn)定在需要的值上，確保系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。根據(jù)氣力輸送的實(shí)際需要正確地選擇減壓閥，可以滿足在較低的氣源壓力下實(shí)現(xiàn)氣力輸送所需要的氣體流量，避免因選擇不當(dāng)而以提高氣源壓力這種耗能的方式來增加氣量。

減壓閥的主要性能有調(diào)壓范圍、壓力特性、流量特性和溢流特性等。

1.1 調(diào)壓范圍

減壓閥的輸出壓力調(diào)節(jié)范圍，稱為調(diào)壓范圍。減壓閥的輸出壓力在調(diào)壓范圍內(nèi)應(yīng)能連續(xù)穩(wěn)定地調(diào)整，無突跳現(xiàn)象。減壓閥的輸入與最大輸出壓力之間關(guān)系如表1所示。

表1 減壓閥的輸入壓力與輸出壓力關(guān)系

1.2 壓力特性

壓力特性是指減壓閥輸出流量一定時(shí)，輸入壓力的變化對(duì)輸出壓力波動(dòng)的影響，常用壓力特性曲線來表示，如圖1所示。輸出壓力波動(dòng)越小，減壓閥的壓力特性就越好。從理論上講，輸入壓力變化時(shí)，輸出壓力應(yīng)保持不變。實(shí)際上，只有當(dāng)輸出壓力比輸入壓力大約低0.1 MPa時(shí)，輸出壓力才基本上不隨進(jìn)口壓力波動(dòng)而波動(dòng)。

圖1 減壓閥的壓力特性曲線

1.3 流量特性

流量特性是指減壓閥的輸入壓力一定時(shí)，輸出流量的變化對(duì)輸出壓力波動(dòng)的影響。流量特性通?？捎脠D2所示的流量特性曲線表示。減壓閥性能的好壞，主要看當(dāng)輸出流量變化時(shí)所調(diào)定的輸出壓力是否在允許的范圍內(nèi)變化。

圖2 減壓閥的流量特性曲線

1.4 減壓閥的選用

氣力輸送系統(tǒng)對(duì)減壓閥的性能要求非常嚴(yán)格，特別是對(duì)減壓閥輸出流量和穩(wěn)壓精度方面要求更高，因?yàn)闅饬斔拖到y(tǒng)的輸送過程流量變化較大，而輸送供給壓力要求保持相對(duì)不變。選擇減壓閥時(shí)必須考慮輸送所需氣量和相應(yīng)減壓閥的特性曲線相匹配，即在減壓閥設(shè)定壓力和氣力輸送所需空氣流量的情況下，減壓閥的輸出壓力必須具備相應(yīng)的穩(wěn)定性，在一定的流量范圍內(nèi)，減壓閥的輸出壓力的波動(dòng)應(yīng)能夠滿足氣力輸送的要求。

根據(jù)減壓閥的特性可知，減壓閥的進(jìn)出口壓力差越大，其流量就越大。對(duì)空氣其進(jìn)出口絕對(duì)壓力比值p2／pl=0.528時(shí)，流量達(dá)到最大并不隨出口壓力的減小而增大，此時(shí)流量處于恒流區(qū)。當(dāng)絕對(duì)壓力比值大于0.528時(shí)，出口壓力值增大，流量明顯減小。有關(guān)計(jì)算可由下面公式表示。

減壓閥的流量[1]計(jì)算式為：

式中qa——減壓閥實(shí)際流量，kg/(cm2·h)；

u——閥孔流量系數(shù)，取0.45～0.6；

p1——閥前流體壓力 （絕熱），MPa；

p2——閥后流體壓力 （絕熱），MPa；

K——流體絕熱系數(shù)，空氣K=1.4；

υ——閥前氣體比容，m3/kg；

f——減壓閥孔計(jì)算截面，cm2。

從上面公式可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多數(shù)氣力輸送，其減壓閥出口壓力不超過0.32 MPa。為了保證減壓閥的流量穩(wěn)定，即處于恒流區(qū)，減壓閥進(jìn)口壓力為(0.1+0.32) ／0.528=0.795 MPa(絕壓)， 這就是雙管氣力輸送生產(chǎn)商要求用戶氣源壓力大于0.7 MPa的原因。對(duì)于氣源壓力小于0.7 MPa的氣力輸送系統(tǒng)，可以選用大于DN50減壓閥，或主、輔管分別采用各自的DN50減壓閥來增大流量，以彌補(bǔ)由于氣源壓力不足而造成的流量波動(dòng)。

為了保證氣力輸送系統(tǒng)的正常工作，選擇使用減壓閥應(yīng)考慮以下問題：

(1)根據(jù)要求的工作壓力、調(diào)壓范圍和使用流量的最大值及穩(wěn)壓精度來選擇減壓閥。對(duì)于氣力輸送，調(diào)壓范圍和使用流量的最大值是選擇減壓閥的關(guān)鍵。從表1可以看出，減壓閥的選擇必須根據(jù)氣源壓力 (減壓閥進(jìn)口壓力)和減壓閥輸出壓力進(jìn)行選擇，減壓閥輸出壓力與輸送管道阻力有關(guān)。比如減壓閥進(jìn)口壓力為0.6 MPa，減壓閥的出口壓力必須小于0.4 MPa。如果減壓閥進(jìn)口壓力為0.4 MPa，出口壓力最高不能超過0.25 MPa，否則，從圖1和表1可以看出，減壓閥的輸出特性不穩(wěn)定。

(2)減壓閥的輸出流量是主要性能參數(shù)，一般與閥的接管口徑相對(duì)應(yīng)。若沒有足夠大的大口徑減壓閥供選用，可用幾個(gè)減壓閥并列輸出。但需注意相應(yīng)的輸入、輸出管道截面積之和不得小于減壓閥公稱通徑截面積之和。目前質(zhì)量比較可靠的減壓閥最大工作口徑為DN50，如果DN50減壓閥氣量滿足不了要求，必須采用多個(gè)減壓閥并列輸送。

2 比例閥的選擇

壓力比例閥是輸出壓力與輸入信號(hào)成比例的氣動(dòng)控制閥。根據(jù)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的不同，壓力比例閥又可分為電磁鐵型和電磁閥開關(guān)型等。比例電磁鐵型壓力比例閥采用比例電磁鐵作為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，其吸力和輸入信號(hào)電流成正比，根據(jù)這個(gè)吸力和輸入電壓力相平衡來調(diào)壓。電磁閥開關(guān)型采用由高速開關(guān)電磁閥組成的先導(dǎo)控制單元來控制主閥的壓力，同樣可以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)和輸出壓力的比例控制[2]。因此，應(yīng)根據(jù)壓力比例閥的壓力特性曲線及流量特性曲線[3]正確地選擇比例閥。ITV305壓力比例閥的壓力及流量特性曲線如圖3所示。

圖3 ITV305電氣比例閥的特性曲線

3 過濾器的選擇

過濾器是氣力輸送供氣設(shè)備中不可缺少的元件，起到了清除壓縮空氣中的油污、水和粉塵的作用。但是，過濾器對(duì)氣流形成阻力，過濾器積灰會(huì)導(dǎo)致阻力增大。當(dāng)阻力增大到某一規(guī)定值時(shí)，過濾器報(bào)廢，稱過濾器報(bào)廢的阻力值為 “終阻力”。終阻力的選擇直接關(guān)系到過濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范圍及系統(tǒng)能耗[4]。為了降低系統(tǒng)能耗，必須合理地選擇過濾器。

由于過濾器的濾芯屬多孔介質(zhì)，故其流通能力一般要根據(jù)過濾器流量特性曲線來確定，如圖4所示。不同型號(hào)過濾器的流量特性曲線是不同的。

圖4 過濾器的流量特性曲線 [3]

根據(jù)空氣質(zhì)量要求來選擇過濾器的精度。根據(jù)過濾器的最大流量及兩端允許的最大壓力降來選擇過濾器的規(guī)格。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意選用在所需最大流量時(shí)壓降值小于0.05 MPa的過濾器。然后再考慮過濾器的功能，如是否需要自動(dòng)排水等。

對(duì)于旋風(fēng)式空氣過濾器，通過過濾器的流量不能太小，否則不能有效地清除油水和雜質(zhì)。另外，過濾器的使用也要注意一些問題：要定期地更換或清洗濾芯；在油霧分離器前應(yīng)加空氣過濾器；在微霧分離器和超微霧分離器前應(yīng)設(shè)置作為前置過濾器的油霧分離器。

4 LAVAL管的選擇

LAVAL管 （即拉伐爾管）可以對(duì)氣源流量進(jìn)行控制，保證輸送用的壓縮空氣流量恒定、穩(wěn)定。對(duì)氣源流量的波動(dòng)進(jìn)行控制主要是利用LAVAL管的扼流作用，即當(dāng)LAVAL管喉徑處的壓縮空氣氣流速度達(dá)到超音速時(shí)，出口壓力擾動(dòng)對(duì)進(jìn)口壓力沒有任何影響[6]。采用可調(diào)式LAVAL管可以根據(jù)不同的物料選擇不同的氣量來輸送物料，達(dá)到減少氣量浪費(fèi)的效果。如圖5所示，在壓力臨界比條件下，LAVAL管的喉部流通面積決定了其氣量控制系統(tǒng)的供氣能力，也是計(jì)算輸送管道末端速度、氣量等重要參數(shù)的依據(jù)。使用可調(diào)式LAVAL管進(jìn)行氣量控制，無論是從節(jié)約成本、降低能耗方面還是從提高膠料質(zhì)量方面上講都是非常必要和可行的。

圖5 可調(diào)拉伐爾管結(jié)構(gòu)

由于固定式拉伐爾管無法改變輸送氣量，在設(shè)計(jì)需要輸送多種物料的氣力輸送系統(tǒng)時(shí)，LAVAL管喉徑只能按照耗氣量最大的物料進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如輪胎廠內(nèi)使用的氣力輸送炭黑系統(tǒng)，拉伐爾管的喉徑按照輸送耗氣量相對(duì)最大的一種炭黑 （如N-660）進(jìn)行設(shè)計(jì)，只有這樣才能滿足同一套輸送系統(tǒng)能夠輸送所有所需的物料，在這種拉伐爾管喉徑下輸送耗氣量相對(duì)低的炭黑 （如 N234、N326）時(shí)，輸送每噸物料的空氣費(fèi)用會(huì)增加，增加量與兩種物料的差異程度成正比關(guān)系。

5 流量控制元件的選擇

節(jié)約氣量必須合理地控制氣體流量，而流量控制閥是管路中另一個(gè)不可缺少的通過改變閥的流通面積來實(shí)現(xiàn)流量控制的元件。因此，合理地選擇流量控制閥是節(jié)省氣量的前提。流量控制閥有節(jié)流閥、單向節(jié)流閥 （或稱速度控制閥）、排氣節(jié)流閥、快速排氣節(jié)流閥等。

節(jié)流閥的節(jié)流特性是指調(diào)節(jié)桿的位移量與通過閥的流量之間的關(guān)系。當(dāng)閥的位移量較小時(shí)，節(jié)流閥的流量變化較大，即調(diào)節(jié)比較靈敏，且在一定范圍內(nèi)呈線性變化。為使針閥能進(jìn)行微小流量的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)螺紋用細(xì)牙螺紋。

單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥組合而成的流量控制閥，常用于氣缸的速度控制，又稱速度控制閥。速度控制閥在回路中有兩種連接方式，即排氣節(jié)流方式和進(jìn)氣節(jié)流方式。

圖6所示的節(jié)流特性曲線[5]顯示了如下的節(jié)流特性： （1）速度控制閥的節(jié)流特性曲線是在0.5 MPa入口壓力下，節(jié)流閥桿旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與通過流量之間的關(guān)系曲線。 （2）在曲線的線性段，速度改變比較均勻；在曲線的水平段，屬于調(diào)節(jié)死區(qū)；在曲線的很陡的段，微調(diào)性能不好。

圖6 AS3500速度控制閥的截流特性曲線

流量控制閥選用時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)氣動(dòng)裝置或氣動(dòng)執(zhí)行元件的進(jìn)氣口、排氣口通徑來選擇。

（2）根據(jù)流量調(diào)節(jié)范圍及使用條件來選用。

（3）對(duì)于節(jié)流閥的選擇，根據(jù)速度控制閥控制的氣缸缸徑和對(duì)氣缸速度變化范圍的要求，計(jì)算控制流量的范圍，然后再查節(jié)流特性曲線，選擇速度控制閥的規(guī)格。即流量控制應(yīng)處于速度控制閥節(jié)流特性曲線的流量范圍，最大控制流量應(yīng)小于節(jié)流閥全開時(shí)的流量。如果希望均勻調(diào)節(jié)，節(jié)流特性曲線宜為直線，見圖7中曲線I。如希望能微調(diào)，則節(jié)流特性曲線不宜太陡，宜變化平緩些。但曲線過于平坦，會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)死區(qū)，見圖7中的曲線II[6]。

圖7 速度控制閥截流特性曲線的選用

用流量控制的方法控制氣缸的速度，由于受空氣的壓縮性及運(yùn)動(dòng)阻力的影響，一般氣缸的運(yùn)動(dòng)速度不得低于30 mm/s（除低速氣缸）。在氣缸速度控制中，若能考慮以下各點(diǎn)，則在多數(shù)場(chǎng)合可以獲得比較滿意的效果。

（1）嚴(yán)格防止管路中的氣體泄漏，包括每個(gè)元件接管處的泄漏。接管螺紋密封不嚴(yán)、軟管彎曲半徑過小、元件質(zhì)量欠佳等因素都會(huì)引起泄漏。

（2）要注意減小氣缸的摩擦力，以保持氣缸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。為此，應(yīng)選用高質(zhì)量的氣缸，使用中要保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。要注意正確、合理地安裝氣缸，盡量減小活塞桿上承受的徑向力，超長(zhǎng)行程的氣缸應(yīng)安裝導(dǎo)向支架。

（3）氣缸速度控制有進(jìn)氣節(jié)流和排氣節(jié)流兩種，但多采用后者。用排氣節(jié)流的方法比進(jìn)氣節(jié)流穩(wěn)定、可靠。

6 結(jié)語

目前氣力輸送系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，用氣現(xiàn)狀存在嚴(yán)重資源浪費(fèi)，合理地選擇氣量控制元件，對(duì)節(jié)約能源具有重要意義。本文的分析介紹對(duì)供氣管路中減壓閥、比例閥、過濾器、LAVAL管和流量控制元件的選擇具有一定的指導(dǎo)作用。

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