气动薄膜控制阀研究

摘 要：本文对控制阀机械本体构成进行分析，并对控制阀系统运行过程展开动态仿真分析。借鉴气体减压器的仿真模型，提出一种适用于气动薄膜控制阀的有限体积模型，与PID控制算法相结合创建模型，并从结构形式、弹簧范围、阀门口径等方面阐述选型要点，由此提高控制阀应用效率。

关键词：气动薄膜控制阀;阀体选型;动态仿真

引言：在社会经济持续发展下，能源供应日益紧张，控制阀门在海洋经济发展领域的地位逐渐提升。控制阀作为流体控制的关键元件，国内每年消耗量较大，且元件性能对能源利用情况具有直接影响。以气动薄膜控制阀为例，应明确机械本体与执行机构，并结合现实需求科学选型，才可将各元件作用充分发挥出来。

1控制阀机械本体构成

从整体来看，调节阀机械本体构成内容较多，以阀体、阀芯、填料、压板与压盖为主，其核心为阀芯。流量曲线的确定不但要充足理论计算，还需要大量试验加以验证。在执行机构方面，该机构可被看作气压执行器，与气压缸较为相似，主要区别在于前者拥有一个薄膜。运行原理是将薄膜与气缸活塞相连接，当气源由气缸下方进入缸内后，可推动薄膜带动活塞上行;在气流释放完毕后，受弹簧作用力影响，活塞带动阀芯下行。伺服控制元件普遍以定位器形式存在，类型主要分为两种，一种是角行程，另一种为直行程。大多控制信号为4—20mA，属于流体控制自动化部件，因国内生产厂家较少，故主要依赖进口。因气动控制阀普遍在高温、高压的恶劣环境下作业，故障发生率较高，对工厂效益与人员安全带来不良影响。对此，应做好日常维护与检修工作，引入智能故障诊断技术与实验验证法，促进其平稳高效运行[1]。

2控制阀系统工作过程动态仿真

2.1現场数值模型构建

根据气动薄膜控制阀本体结构，选择反作用气开式套筒阀，压力设定为PN6.4MPa，通径设定为DN25mm，控制腔内部气压强范围设定为0.02—0.100MPa之间，阀芯行程小于16mm，套筒开设窗口形状与大小对流量特性具有决定作用，在此基础上创建有限体积模型，如下：

式中，C1代表的是弹簧刚度;Cm代表的是膜片刚度;x0代表的阀芯充分闭合后膜片压缩量;x1代表的是弹簧压缩量;p1代表的是控制气压强;p2代表的是低压腔压强;Am代表的是膜片内的有效面积;A2代表的是卸荷腔气体影响下阀芯有效面积;m代表的阀芯质量。

2.2系统选型

（1）结构形式。控制阀结构类型对阀门应用与后期维护具有决定作用，是选型的关键所在，要求务必结合具体工况综合分析，内容如下。在工艺介质方面，应明确工艺介质物理状态，如气体、蒸汽、悬浮物等等，由此选出最佳阀门，尽可能减少对阀门造成的冲蚀与磨损;在温度与压差方面，介质温度处于阀工作温度之内，环境温度也应与要求相符;压差应低于阀的允许压差，如若无法实现，则要站在特殊角度分析或者选择其他类型阀门;在泄漏量方面，阀门在安装后便处于长期工作状态，要求泄露量务必符合工艺要求。个别种类阀门经过长期作业后泄漏量会不断增加，与泄漏要求严格的场合需求不相符合。结合上述因素综合分析后，最佳阀门类型为碟阀，其次为单座阀、双座阀，而球阀、隔膜阀的应用相对较少[2]。

（2）弹簧范围。在气动控制阀中，弹簧属于关键元件，其作用在于克服气室压力反方向运动，可用压力单位表示，如80—240kPa等，主要是指某阀门从静止状态到开始移动，再到走完行程的膜室压力变化过程。为确保阀门正常关闭，应采用执行机构输出力克服压差对阀芯产生的负面影响。对此，膜室压力先要确保阀门充分闭合，再持续加力，才可将阀芯紧紧压在阀座上。在控制要求关阀期间，弹簧势必要克服膜室压力，才可使阀芯与阀座紧密相连。因执行机构输出力为弹簧张力、摩擦力以及膜片压力等结合力。在弹簧选择期间，应充分借助气源压力使阀门稳定下来，提高运行效率。

（3）阀门口径。对于阀芯为直线、等百分比与其他任意流量特性的各类控制阀来说，其口径计算方式可归纳为以下方面。按照工艺参数可计算出最小、最大流量时的Cvmin与Cvmax;选择控制阀流量特性;根据理想流量曲线预定最大流量时的相对开启度，用K表示，其范围一般在60—90%之间，再对相对流量进行查询，计算出最佳状态下理想流量特性，公式为Cg=Cvmax/G%;根据上述公式预选控制阀标准内的Cg值，再对真实开启度进行检验。综上，可将阀门口径计算流程总结为：首先计算出真实相对流量Gmax%=Cvmax/Cg;然后根据计算数值反查曲线获得真实相对开启度Kmax%，再结合Gmin=Cvmin/Cg，由此得出Kmin%;当Kmax%值位于60—90%之间时，Kmin%值超过10%，则为合格;最后根据合格状态下的Cg值计算出控制阀的口径;如若得到的Kmax%值不在60—90%范围内，则要重复上述步骤，直至最终结果合格[3]。

2.3PID算法与应用

在负反馈原理基础上，将离散化后的PID控制算式表示为：

式中，e（n）代表的是第n次采样期间被控制量的偏差信号;p（n）代表的是薄膜气室气压强信号;Kp代表的是比例系数;Kd代表的是微分系数;Ki代表的是积分系数;其中Ki的计算方式为KpT与Ti的比值，Ti代表的是积分时间常数;T代表的是采样周期。

本文借鉴气体减压器的有限体积模型，将膨胀功纳入其中创建变体积气体容积模型，由此创建可仿真的控制阀流场有限体积模型，并采用PID控制算法进行仿真动态分析。

不考虑管流轴向热传导问题，将体积变化产生的膨胀功引入其中，可压缩流体一维流动守恒类型的能量方程如下：

式中，E代表的是单位体积总能量，A代表的是管道截面积;V代表的是控制体的体积;q代表的是热流密度;C代表的是管道周长。总能量的计算公式为：

式中，e代表的是单位体积内能;p代表的是压强;u代表的是流速;

结论：综上所述，本文先从机械本体、执行机构与伺服控制三方面着手探究气动控制阀的构成与特点，为执行机构更新优化提供便利，然后借鉴气体减压器的仿真模型，提出一种适用于气动薄膜控制阀的有限体积模型，最后与PID控制算法相结合创建模型，并从结构形式、弹簧范围、阀门口径等方面阐述选型要点，促进控制阀的推广与应用。

参考文献：

[1]陈阳，高芳，张振鹏，等.气动薄膜调节阀控制系统工作过程的动态仿真[J].火箭推进，2019，32（006）：28-34.

[2]林振中.气动薄膜调节阀的选型探讨[J].科协论坛，2019，000（010）：108-110.

[3]于东林.气动温度薄膜调节阀的设计研究[J].机械工程师，2019（11）：41-42.

作者简介：

苏洋（1981年4月-），男，汉族，籍贯：辽宁省大连市，本科，研究方向：工业过程控制用的控制阀。