控制閥啟閉摩擦力對(duì)控制誤差的影響分析

王一翔，黃靖添，陳敬秒

(1.浙江省泵閥產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心，浙江 溫州 325100；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030)

0 引言

安裝于管道系統(tǒng)中的控制閥啟閉件一直處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，其位置誤差控制會(huì)受裝配間隙、控制閥閥桿表面粗糙度和工況清潔度、填料密封預(yù)緊力、密封填料材質(zhì)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、溫濕度等眾多因素影響。這會(huì)導(dǎo)致摩擦力的大小和方向切換有差異，引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而影響控制閥的泄漏量、流量系數(shù)、流阻系統(tǒng)和流量特性等參數(shù)。GB/T 17213.4—2015《工業(yè)過(guò)程控制閥 第4部分 檢驗(yàn)和例行試驗(yàn)》(等同IEC 60534-4:2006《Industrial-process control valves-Part 4:Inspectionandroutine testing》[1-2])、GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》[3]、JB/T 7387—2014《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用電動(dòng)控制閥》[4]等標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)控制閥運(yùn)行中摩擦力的影響，提出了滯環(huán)誤差、基本誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項(xiàng)目的技術(shù)要求。

然而通過(guò)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)中的定義和曲線特性存在一定的不規(guī)范描述和錯(cuò)誤的定義解析。這些問(wèn)題影響了控制閥企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的分析判斷，會(huì)造成企業(yè)對(duì)檢驗(yàn)項(xiàng)目的定義理解不清晰，從而常常忽視控制閥控制精度的設(shè)計(jì)本質(zhì)。在控制精度達(dá)不到理論輸出要求時(shí)，采用更大輸出力的執(zhí)行器和精度更高的定位器來(lái)滿足控制系統(tǒng)要求，會(huì)導(dǎo)致因沒(méi)有合理匹配使用控制元件從而增加產(chǎn)品生產(chǎn)成本。因此，對(duì)控制閥運(yùn)行過(guò)程中摩擦力的研究是設(shè)計(jì)控制閥的基礎(chǔ)。降低摩擦力影響，能夠提高控制閥滯環(huán)誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項(xiàng)目的精度等級(jí)。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)誤差曲線的定義分析

GB/T 17213.4(IEC 60534-4)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)控制閥摩擦力影響繪制了滯環(huán)誤差、死區(qū)和回差曲線技術(shù)要求。

GB/T 17213.4標(biāo)準(zhǔn)定義的滯環(huán)誤差為：全范圍上行程和下行程移動(dòng)減去死區(qū)值后得到的被測(cè)變量?jī)蓷l校準(zhǔn)曲線間的最大偏差，即滯環(huán)誤差等于回差和死區(qū)相減得到的最大偏差。GB/T 17213.4滯環(huán)誤差特性如圖1所示。該曲線表示0～100%信號(hào)過(guò)程的滯環(huán)誤差。

圖1 滯環(huán)誤差特性示意圖

GB/T 17213.4標(biāo)準(zhǔn)定義的死區(qū)為：輸入變量的反向變化不至引起輸出變量有任何可察覺(jué)變化的有限數(shù)值區(qū)間的最大間隔值。GB/T 17213.4死區(qū)特性如圖2所示。

圖2 死區(qū)特性示意圖

但是圖2中的死區(qū)不應(yīng)是x1和x2區(qū)間，而是在行程輸出發(fā)生變化，摩擦力剛好是最大靜摩擦力切換為滑動(dòng)摩擦力瞬間的坐標(biāo)點(diǎn)。GB/T 17213.4滯環(huán)誤差加死區(qū)特性如圖3所示。同時(shí)，死區(qū)也不應(yīng)是平行四邊形繪制，而應(yīng)是當(dāng)達(dá)到滑動(dòng)跳動(dòng)信號(hào)瞬間，位移剛好發(fā)生了移動(dòng)。但此時(shí)的信號(hào)并沒(méi)有再次增加，行程輸出量在此處滑動(dòng)跳動(dòng)信號(hào)點(diǎn)應(yīng)是直角轉(zhuǎn)換。

圖3 滯環(huán)誤差加死區(qū)特性示意圖

GB/T 17213.4標(biāo)準(zhǔn)定義回差為：裝置或儀表按施加輸入值的方向順序給出對(duì)應(yīng)于其輸入值不同的輸出值的特性。

通過(guò)以上對(duì)滯環(huán)誤差、死區(qū)、回差標(biāo)準(zhǔn)定義的分析，發(fā)現(xiàn)GB/T 17213.4標(biāo)準(zhǔn)中所提的滯環(huán)誤差描述和曲線表達(dá)不規(guī)范，即死區(qū)和滯環(huán)誤差兩者是不同的對(duì)象量值，輸出量和輸入量不能夠進(jìn)行相減。滯環(huán)誤差的定義不應(yīng)為全范圍上行程和下行程移動(dòng)減去死區(qū)值后得到的被測(cè)變量?jī)蓷l校準(zhǔn)曲線間的最大偏差。因此，滯環(huán)誤差和滯環(huán)誤差加死區(qū)的曲線不應(yīng)如圖1、圖3所示繪制表達(dá)。

2 控制閥啟閉摩擦力影響過(guò)程

根據(jù)JB/T 8218—1999《執(zhí)行器術(shù)語(yǔ)》[5]標(biāo)準(zhǔn)的定義，死區(qū)為輸入信號(hào)正反方向變化不致引起行程有任何可察覺(jué)變化的有限區(qū)間。GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》死區(qū)試驗(yàn)方法為：緩慢改變(增大或減小)輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的行程變化，記錄這時(shí)的輸入信號(hào)值；按相反方向緩慢改變(減小或增大)輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的行程變化，記下這時(shí)的輸入信號(hào)值；兩項(xiàng)輸入信號(hào)值之差的絕對(duì)值即為死區(qū)。死區(qū)應(yīng)在輸入信號(hào)量程的25%、50%和75%這三點(diǎn)上進(jìn)行試驗(yàn)，死區(qū)用調(diào)節(jié)閥輸入信號(hào)量程的百分?jǐn)?shù)表示。因此，死區(qū)是某一輸入量附近的一個(gè)區(qū)域范圍。根據(jù)死區(qū)試驗(yàn)方法規(guī)則，某一點(diǎn)輸入信號(hào)值的死區(qū)可分為正行程死區(qū)β和反行程死區(qū)δ。如25%信號(hào)正、反方向死區(qū)特性如圖4所示。一個(gè)死區(qū)的曲線只能反映某一點(diǎn)輸入信號(hào)時(shí)引起行程輸出微變的正反方向信號(hào)變化量，如圖4只能表示25%信號(hào)時(shí)的死區(qū)，不能代表整體輸入信號(hào)的死區(qū)(如4～20 mA)。

圖4 25%信號(hào)正、反方向死區(qū)特性示意圖

根據(jù)死區(qū)試驗(yàn)方法，正行程死區(qū)β的最后行程輸出為正行程方向，反行程死區(qū)δ的最后行程輸出為反行程方向。最后行程輸出運(yùn)動(dòng)方向不同，使正、反行程死區(qū)的摩擦力方向也不同。25%信號(hào)摩擦力變化特性如圖5所示。

圖5 25%信號(hào)摩擦力變化特性示意圖

圖5中:f1、f4為最大靜摩擦力;f2、f3為滑動(dòng)摩擦力。圖5只能表示25%信號(hào)位置時(shí)摩擦力變化特征。

測(cè)量β操作方法為：緩慢減小輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的反行程變化，記錄這時(shí)的輸入信號(hào)值；按相反方向緩慢增大輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的正行程變化，再次記錄這時(shí)的輸入信號(hào)值；兩項(xiàng)輸入信號(hào)值之差的絕對(duì)值為β。

測(cè)量δ操作方法為：緩慢增大輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的正行程變化，記錄這時(shí)的輸入信號(hào)值；按相反方向緩慢減小輸入信號(hào)，直到觀察出一個(gè)可察覺(jué)的反行程變化，再次記錄這時(shí)的輸入信號(hào)值；兩項(xiàng)輸入信號(hào)值之差的絕對(duì)值為δ[3]。

正、反行程死區(qū)受裝配間隙等因素影響，兩者數(shù)值稍微不同，β≈δ(同一位置附近的控制閥閥桿表面粗糙度均勻，裝配工藝保持一致[6])。

JB/T 8218標(biāo)準(zhǔn)定義基本誤差為在規(guī)定的參比條件下，實(shí)際的行程特性曲線與規(guī)定的行程特性曲線之間的最大差值，基本誤差用調(diào)節(jié)閥額定行程的百分?jǐn)?shù)表示；定義回差為同一輸入信號(hào)上所測(cè)得的正反行程的最大差值的絕對(duì)值，回差用調(diào)節(jié)閥額定行程的百分?jǐn)?shù)表示。根據(jù)GB/T 4213標(biāo)準(zhǔn)基本誤差和回差的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)包含0%、25%、50%、75%、100%這五個(gè)信號(hào)點(diǎn)。基本誤差、回差特性如圖6所示。

圖6 基本誤差、回差特性示意圖

圖6中，信號(hào)輸入依次順序?yàn)?%→25%→50%→75%→100%→75%→50%→25%→0%?？刂崎y的運(yùn)行過(guò)程中的摩擦力常以靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力相互切換形式存在。

基本誤差、回差項(xiàng)目受摩擦力影響具有以下三個(gè)特征。

①曲線分離波動(dòng)影響基本誤差、回差。

正行程過(guò)程的摩擦力方向?yàn)樨?fù)(a、b、c、d段)。反行程過(guò)程的摩擦力方向?yàn)檎?e、f、g、h段)。驅(qū)動(dòng)力方向都為單一方向，因此會(huì)產(chǎn)生摩擦力拖滯影響。同一信號(hào)的正行程數(shù)值要比反行程數(shù)值小。正行程曲線和反行程曲線互不相交。正、反行程誤差曲線分離波動(dòng)越大，基本誤差、回差就越大?？刂崎y企業(yè)可降低摩擦力，減小正、反行程曲線分離波動(dòng)[7]。

摩擦力變化特性如圖7所示。

圖7 摩擦力變化特性示意圖

②動(dòng)、靜摩擦力切換等于半個(gè)死區(qū)信號(hào)。

③各段曲線斜率基本相同。

如果控制閥以及工況的特征屬性不變，正行程b、c、d段和反行程f、g、h段的誤差曲線斜率大致相同，正行程a段和反行程e段由于完整死區(qū)因素影響，對(duì)于輸入信號(hào)的行程輸出靈敏度不如正行程b、c、d段和反行程f、g、h段，因此誤差曲線斜率坡度較小。

3 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制誤差的技術(shù)要求

GB/T 4213—2008《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》和JB/T 7387—2014《工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用電動(dòng)控制閥》標(biāo)準(zhǔn)分別針對(duì)摩擦力因素影響提出了控制閥位置誤差限要求，包括基本誤差、回差、死區(qū)和額定行程偏差?？刂崎y位置誤差限要求如表1所示。表1中，GB/T 4213標(biāo)準(zhǔn)的1992年版本的基本誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項(xiàng)目(±1.0%、≤1.0%、≤0.4%、+2.5%)比2008年版本(±1.5%、≤1.5%、≤0.6%、+2.5%)具有更高的技術(shù)要求。但是隨著加工設(shè)備、技術(shù)、工藝、材料的提升和發(fā)展，管道系統(tǒng)趨向智能化控制形勢(shì)，控制閥的位置誤差限應(yīng)具備同等1992年版本或更高的技術(shù)要求[8]。

表1 控制閥位置誤差限要求

4 控制閥摩擦力影響因素的改善措施

控制閥企業(yè)可通過(guò)優(yōu)化閥桿表面粗糙度、裝配間隙、加工裝配精度和工藝、密封填料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工況清潔度、溫濕度等措施來(lái)降低摩擦力影響，提高控制閥的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。

4.1 閥桿表面粗糙度

控制閥閥桿機(jī)械加工過(guò)程中，閥桿表面的塑性變形、機(jī)床震動(dòng)、切削速度等，會(huì)使閥桿表面切削留下一定刀痕。對(duì)此，需通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囂岣唛y桿硬度，并經(jīng)研磨或者滾壓加工，使控制閥閥桿表面粗糙度不大于Ra 0.8 μm，以降低閥桿表面粗糙度[9]。

4.2 裝配間隙

直行程控制閥的閥桿和執(zhí)行器的輸出軸，盡量通過(guò)行程標(biāo)尺塊上的螺紋連接方式緊固裝配；角行程控制閥經(jīng)常出現(xiàn)閥桿控制松動(dòng)現(xiàn)象，一般是由于多次啟閉導(dǎo)致執(zhí)行器和閥桿鍵配合處產(chǎn)生間隙太松而引起的。對(duì)此，應(yīng)采用花鍵套和花鍵軸組合調(diào)整配合方式，增加扭矩總接觸面積，同時(shí)提高閥桿和閥桿鍵的材料硬度，避免間隙產(chǎn)生[10]。

4.3 加工裝配精度和工藝

加工裝配精度和工藝影響填料函和閥蓋的垂直度、填料函和閥蓋連接螺紋端的同軸度。裝配工藝影響執(zhí)行器輸出軸和閥桿的同軸度、支架和閥蓋連接的垂直度。不正確的形位公差會(huì)直接影響控制摩擦力。對(duì)此，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在加工、裝配工藝卡中規(guī)范標(biāo)注。

4.4 密封填料

控制閥安裝于管道系統(tǒng)?？刂崎y閥桿一直處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。其填料和常規(guī)閥填料技術(shù)要求有所不同，因其不僅起到密封介質(zhì)作用，還起到使閥桿能靈活滑動(dòng)的作用。常用的密封填料有聚四氟乙烯填料和柔性石墨填料。柔性石墨填料可用于高溫場(chǎng)合，但是使用時(shí)應(yīng)防止干涸，填料函須安裝注油器，注入適當(dāng)潤(rùn)滑油脂進(jìn)行潤(rùn)滑以減小摩擦力，同時(shí)在填料下方應(yīng)設(shè)置壓縮彈簧以滿足密封要求。聚四氟乙烯填料具有良好的密封穩(wěn)定性，可壓制成V型疊放，在施加一定預(yù)緊力的情況下能實(shí)現(xiàn)良好的自密封效果，可不用增設(shè)壓縮彈簧。填料函壓縮彈簧的彈性系數(shù)和填料壓蓋螺紋連接預(yù)緊力應(yīng)滿足摩擦力的設(shè)計(jì)要求，并使用扭矩扳手按照規(guī)定扭矩值施加填料壓蓋螺紋預(yù)緊力，控制填料所受的正壓力?？刂崎y企業(yè)不可為達(dá)到更高的密封要求，使用韌性更強(qiáng)的填料彈簧和壓蓋的螺紋預(yù)緊力。因?yàn)檫@樣會(huì)增加密封填料和閥桿之間的摩擦力，影響位置定位精度。

4.5 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為了保證閥桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性，控制閥可采用套筒式結(jié)構(gòu)提高閥桿穩(wěn)定性，減小閥桿直徑要求，改善摩擦力影響。較小直徑的閥桿能降低介質(zhì)內(nèi)部壓力軸向壓差作用力，特別是在高溫工況場(chǎng)合應(yīng)避免熱脹冷縮而影響閥桿和填料之間的摩擦力。

4.6 工況清潔度

在復(fù)雜顆粒灰塵工況，控制閥閥桿應(yīng)設(shè)置伸縮式保護(hù)套，以免因外露的閥桿表面產(chǎn)生結(jié)垢而降低閥桿表面粗糙度。過(guò)多的結(jié)垢堆積也會(huì)間接影響密封填料使用壽命。

4.7 工況溫濕度

干燥的高溫工況場(chǎng)合容易使石墨密封填料發(fā)生干涸。熱脹冷縮會(huì)導(dǎo)致閥桿和填料之間摩擦力發(fā)生變化[11]。對(duì)此，可通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)滿足不同溫濕度工況的現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析控制閥啟閉過(guò)程中滯環(huán)誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差、摩擦力變化曲線特性，以及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制誤差的技術(shù)要求，讓控制閥企業(yè)更加深刻地了解啟閉摩擦力對(duì)控制誤差的影響[12]。同時(shí)，本文提出控制閥摩擦力影響因素的具體改善措施?？刂崎y企業(yè)可通過(guò)優(yōu)化閥桿表面粗糙度、裝配間隙、加工裝配精度和工藝、密封填料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、工況清潔度、溫濕度等因素，降低啟閉摩擦力影響[13]，改善控制閥摩擦力的力值大小和方向切換差異，降低基本誤差、回差曲線分離波動(dòng)，使正行程和反行程曲線盡量接近理論行程值，達(dá)到控制閥位置誤差限要求，從而提高控制閥精度、靈敏度和穩(wěn)定性。