高壓大流量減壓閥出口壓力高精度自控裝置

， (寧波星箭航天機(jī)械有限公司 研發(fā)中心， 浙江 寧波　315153)

引言

減壓閥出口壓力精度是減壓閥重要參數(shù)之一，它決定系統(tǒng)要求壓力變化是否在規(guī)定范圍內(nèi)，且流量是否穩(wěn)定。

我公司生產(chǎn)的氣控膜片式高壓大流量減壓閥，可對(duì)45 MPa以下的高壓氣體進(jìn)行減壓，輸送空氣的質(zhì)量流量最大可超過(guò)30 kg/s(體積流量1500 m3/min以上)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)氣動(dòng)領(lǐng)域。

這類減壓閥由于體積大及活門行程大，主要作為流量型(非壓力型)減壓閥使用，其活門往往采用硬密封形式。硬密封活門的減壓閥一般不設(shè)卸壓口，進(jìn)口壓力直接作用在整個(gè)活門密封面積上，其出口壓力精度不高，且活門存在一定的泄漏量。作為流量型減壓閥，活門少量泄漏和出口壓力精度稍低，但有些用戶對(duì)出口壓力精度要求很高，同時(shí)不允許當(dāng)活門關(guān)閉、流量為零時(shí)存在由于活門滲漏引起的出口壓力持續(xù)上升現(xiàn)象(主要原因是起始?jí)毫Σ缓愣ㄒ?。

本研究擬對(duì)硬密封活門氣控膜片式高壓大流量減壓閥(主要以型號(hào)WS34-001為對(duì)象)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，試圖找出在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的前提下提高出口壓力精度的方法，并減小出口壓力因活門滲漏引起的持續(xù)上升，以滿足不同用戶的需要。

1　硬密封活門氣控膜片式高壓大流量減壓閥結(jié)構(gòu)原理

我公司生產(chǎn)的氣控膜片式高壓大流量減壓閥由高壓腔、低壓腔和控制腔三部分組成。減壓閥結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1中，1、5、7是彈簧，2是活門，3是活門座，4是頂桿，6是膜片，8是控制減壓閥，高壓腔與高壓氣瓶相連，低壓腔與工作管路相連，控制腔則與一個(gè)控制減壓閥相連。低壓腔和控制腔由膜片6分隔，高壓腔與低壓腔由活門分隔，低腔內(nèi)有頂桿4，高壓腔內(nèi)有活門2及回位彈簧1。其工作原理是：高壓氣體p1進(jìn)入高壓腔后，打開并調(diào)節(jié)與控制腔相連的控制減壓閥8，調(diào)節(jié)至所需值，固定調(diào)節(jié)螺桿。此時(shí)控制氣pk進(jìn)入控制腔，膜片6在控制氣pk作用下向上運(yùn)動(dòng)，頂桿4隨之向上運(yùn)動(dòng)頂開活門2，高壓氣體經(jīng)過(guò)活門與活門座3形成的狹窄通道，受到節(jié)流，壓力降低為p2，輸出供工作系統(tǒng)使用。

圖1　高壓大流量減壓閥結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)p2因某種原因(如供氣壓力p1下降)而降低時(shí)，p2對(duì)膜片向下的作用力也減小，膜片在控制氣pk的作用下向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)頂桿將活門頂?shù)酶_，p2便又恢復(fù)原來(lái)的調(diào)定值；反之，p2升高則活門關(guān)小。因此活門總是處在一種動(dòng)平衡狀態(tài)，保持p2基本穩(wěn)定。

2　減壓閥受力情況分析

減壓閥工作時(shí)活門上受力平衡方程式為：

pkA1+3k3(a3-h)+p2A2=p2A1+

3k2(a2+h)+p1A2+k1(a1+h)

整理經(jīng)過(guò)變換，可得出口壓力偏差：

(1)

式中： Δp2為某兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的出口壓力差值；Δpk為某兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的控制壓力差值；Δp1為某兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的進(jìn)口壓力差值；Σk為彈簧剛度之和；Δh為活門在某兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的開度之差。

出口壓力調(diào)到要求值之后，控制減壓閥桿就固定了，也就是說(shuō)，pk是個(gè)恒定值，因此Δpk=0，式(1)實(shí)際上就成了下式：

(2)

在式(2)中，A2的數(shù)值很大，Δp1、Σk、Δh數(shù)值都比較小，以WS34-001為例：A2=π/4D2=0.785×29.62=687.8 mm2，其中D為活門密封面的直徑， mm；Δp1一般10 MPa左右，Σk=73.8 N/mm，Δh<6 mm。

可見，Δp1×A2總是大于Σk×Δh，于是恒有Δp2>0。而任一時(shí)刻的p2=p20+Δp2，式中，p20為工作起始時(shí)調(diào)定的出口壓力。

由于Δp2恒為正值，這種結(jié)構(gòu)的減壓閥壓力輸出特點(diǎn)是：隨著高壓氣瓶壓力p1不斷下降，輸出壓力p2逐漸上升。根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果，在一定時(shí)間內(nèi)上升斜率可達(dá)5%左右。因此這種結(jié)構(gòu)減壓閥輸出壓力精度不高，只能在精度要求不高或試驗(yàn)時(shí)間很短場(chǎng)合使用。對(duì)要求輸出壓力精度高、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的用戶，就不能滿足使用要求。鑒于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套減壓閥出口壓力高精度自動(dòng)控制裝置。

3　減壓閥出口壓力高精度自控裝置組成

減壓閥出口壓力高精度自動(dòng)控制裝置由人機(jī)界面、PLC程序控制器、壓力信號(hào)采集模塊、、壓力傳感器、開關(guān)電源、電磁閥等組成。應(yīng)用到控制氣路，其控制原理如圖2所示。

圖2　控制裝置氣路控制原理

如圖2所示，除壓力變送器10外，自動(dòng)控制裝置的控制元器件都安裝在控制箱體6內(nèi)。在減壓閥控制腔出口接一條管路，管路上裝有電磁放氣閥1和限流孔板2，電磁放氣閥由PLC程序控制器8程序控制，程序控制器及模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7與人機(jī)界面5通訊，壓力變送器10從減壓閥出口管路取出壓力信號(hào)，送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7。此管路稱為工作狀態(tài)控制管路。

此外，由于減壓閥金屬硬密封的活門和活門座難以避免的碰撞磨損，在減壓閥待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)活門應(yīng)該是關(guān)閉的，但高壓氣可能通過(guò)磨損的活門和活門座進(jìn)入低壓腔，使低壓腔壓力不斷升高，造成安全閥起跳，甚至有可能給減壓閥和下游管路帶來(lái)安全隱患。為此，在減壓閥低壓腔取壓口接另一條管路，管路上裝有電磁放氣閥3和限流孔板4，電磁放氣閥3由PLC程序控制器8程序控制。此管路稱為待機(jī)狀態(tài)控制管路。

4　壓力高精度自動(dòng)控制裝置的工作原理

壓力高精度自動(dòng)控制裝置的工作流程如圖3所示。

圖3　控制裝置工作流程圖

其工作原理是：預(yù)先打開本裝置的電源，然后設(shè)置人機(jī)界面顯示屏主控制界面參數(shù)。主控制界面如4所示。

圖4　主控制界面

首先把轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到自動(dòng)檔，把待機(jī)/工作狀態(tài)開關(guān)撥到D2(控制腔放氣電磁閥)，設(shè)置減壓閥出口壓力p2的上限值p2max(1.02 MPa)、下限值p2min(1.00 MPa)。

點(diǎn)擊主控制界面下方的延時(shí)按鈕，設(shè)定遠(yuǎn)控延時(shí)時(shí)間為2 s(延時(shí)設(shè)置是為了避開減壓閥啟動(dòng)時(shí)的過(guò)大沖擊)。

當(dāng)圖2氣動(dòng)球閥14開啟信號(hào)傳至模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊7、PLC程序控制器8時(shí)，經(jīng)過(guò)2 s延時(shí)，PLC程序控制器按照編制的自動(dòng)控制程序自動(dòng)運(yùn)行。壓力變送器10實(shí)時(shí)檢測(cè)p2值，信號(hào)傳至PLC程序控制器8，與設(shè)定的上、下限值進(jìn)行比較。當(dāng)p2≥p2max時(shí)，PLC程序控制器8開啟電磁放氣閥1，通過(guò)限流孔板2對(duì)控制腔放氣，控制氣pk下降后，p2隨之下降；當(dāng)p2≤p2min時(shí)，PLC程序控制器8關(guān)閉電磁放氣閥1，控制氣pk停止下降，p2轉(zhuǎn)為上升。如此不斷反復(fù)，p2便可控制在設(shè)定的上、下限值之間，從而減壓閥出口壓力平穩(wěn)輸出，消除了之前出口壓力隨著時(shí)間推移會(huì)不斷升高的弊端。點(diǎn)擊控制界面實(shí)時(shí)曲線按鈕，可實(shí)時(shí)查看控制后的出口壓力-時(shí)間變化實(shí)時(shí)曲線，實(shí)時(shí)曲線界面如圖5所示。

圖5　實(shí)時(shí)曲線界面

減壓閥停機(jī)后，出口壓力關(guān)閉，氣源未關(guān)，減壓閥處于待機(jī)狀態(tài)，這時(shí)把待機(jī)/工作狀態(tài)開關(guān)撥到D1(低壓腔放氣電磁閥)，設(shè)置減壓閥出口壓力p2的上限值p2max=1.01 MPa,下限值p2min=1.00 MPa。在待機(jī)狀態(tài)下當(dāng)p2≥p2max時(shí)，PLC開啟電磁放氣閥3，通過(guò)限流孔板4對(duì)低壓腔放氣；當(dāng)p2≤p2min時(shí)，關(guān)閉電磁放氣閥3，使p2始終處在允許值p2max以下，從而保證操作安全，消除系統(tǒng)安全隱患。

5　結(jié)論

經(jīng)實(shí)際使用，活門為硬密封的氣控膜片式高壓大流量減壓閥,減壓閥加裝出口壓力高精度自動(dòng)控制裝置后，在其工作狀態(tài)，通過(guò)控制裝置自動(dòng)控制減壓閥的控制腔壓力pk，原來(lái)隨時(shí)間上升的出口壓力被展平，出口壓力精度得到可靠控制，在減壓閥待機(jī)狀態(tài)，通過(guò)檢測(cè)低壓腔壓力，能夠適時(shí)卸除由于減壓閥活門泄漏產(chǎn)生的壓力上升，保證操作安全和系統(tǒng)安全。

從圖5實(shí)時(shí)曲線界面可看出，現(xiàn)在達(dá)到的減壓閥出口壓力變化量為±1%，這么高的控制精度已完全滿足用戶的要求。

此壓力精度自動(dòng)控制裝置得到用戶的好評(píng)，現(xiàn)已成功裝機(jī)多套。

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