基于AMESim 的工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

徐 攀，朱小明，2，楊麗紅

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海豪高機(jī)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(xiǎn)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(dǎo)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(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)閥，同時(shí)也可用于低壓管道介質(zhì)的開(kāi)關(guān)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(dá)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(dòng)，在管道上主要起切斷和節(jié)流作用［4］。

對(duì)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(gòu)精密復(fù)雜，造價(jià)較高，并且對(duì)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(duì)其研究十分必要。本文應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)蝶閥和工業(yè)球閥的控制，達(dá)到液壓伺服比例調(diào)節(jié)的功能，并且降低成本，易于維護(hù)。

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(shè)計(jì)

當(dāng)需要對(duì)工業(yè)閥門進(jìn)行比例調(diào)節(jié)控制流量時(shí)，通常會(huì)用到比例換向閥或伺服閥來(lái)對(duì)閥門的啟閉程度進(jìn)行定值調(diào)節(jié)，其結(jié)果較為準(zhǔn)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(huì)出現(xiàn)響應(yīng)速度較慢的情況，且比例換向閥的閥口開(kāi)度較大，造成使用比例換向閥進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)精度不高［5］。伺服閥的零位基本無(wú)遮蓋，因此使用伺服閥對(duì)閥門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，響應(yīng)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(duì)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(wèn)題，本文應(yīng)用“數(shù)字閥+傳統(tǒng)液壓閥”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)閥門開(kāi)度的調(diào)節(jié)。數(shù)字閥流量小又可實(shí)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(jì)的設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)時(shí)，把液壓控制回路分為4 個(gè)模塊：供油系統(tǒng)、工作油路、保護(hù)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(gè)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(gè)單桿活塞式液壓缸；保護(hù)油路包括一個(gè)二位三通換向閥、一個(gè)進(jìn)油液控單向閥以及一個(gè)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(yuǎn)程控制兩種方式，可以相互切換。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(wú)法實(shí)現(xiàn)閥門的開(kāi)/關(guān)，因此設(shè)計(jì)齒輪箱與液壓缸相配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)其操作。液壓缸與齒輪箱中的齒條相連接，通過(guò)推動(dòng)齒條從而帶動(dòng)與之相嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)蝶閥和球閥的調(diào)節(jié)。該齒輪箱設(shè)計(jì)帶有手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，當(dāng)液壓驅(qū)動(dòng)故障的情況下，可以推進(jìn)手輪實(shí)現(xiàn)閥門的開(kāi)啟和關(guān)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(jì)算公式為：

式中 g ——重力加速度，m/s2；

μα——蝶板開(kāi)度為α角時(shí)的動(dòng)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(kāi)度為α角及全開(kāi)時(shí)的流阻系數(shù)；

V0——全開(kāi)時(shí)介質(zhì)的流速，m/s。

因上述公式較復(fù)雜，通常采用簡(jiǎn)易計(jì)算式：

式中 ξ ——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

Δp ——閥前、后壓差，MPa。

通過(guò)計(jì)算，得到力矩為2 000 N·m，已知手動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力F 為300 N，手動(dòng)輪直徑D1為0.5 m。

傳動(dòng)比計(jì)算式：

式中 Md——蝶閥力矩，N·m。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到傳動(dòng)比為133.33。

傳動(dòng)比較大，可采用三級(jí)傳動(dòng)。同時(shí)應(yīng)避免齒輪的尺寸和傳動(dòng)比過(guò)大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定，傳動(dòng)比應(yīng)小于6～8，即傳動(dòng)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(guò)大或過(guò)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(duì)傳動(dòng)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(shí)可算出各軸的實(shí)際傳動(dòng)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(qiáng)度，取第1 對(duì)嚙合齒輪模數(shù)為3，第2 對(duì)嚙合的齒輪模數(shù)為4；同理，第3 對(duì)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(qiáng)度更高，因此，齒輪齒條的模數(shù)為8。

1.3 工作過(guò)程

（1）慢關(guān)：液壓油從油箱流出，經(jīng)過(guò)吸油濾油器進(jìn)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(jī)能，通過(guò)液控單向閥1，使單桿活塞式液壓缸的無(wú)桿腔通入液壓油，活塞桿伸出。因?yàn)榛钊麠U與齒輪箱中的齒條相連接，從而推動(dòng)閥門關(guān)閉；同時(shí)，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(kāi)，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(guò)第二數(shù)字閥流回油箱。

（2）慢開(kāi)：當(dāng)?shù)诙?shù)字閥的電磁鐵2YA 得電時(shí)，二位三通數(shù)字閥左位機(jī)能，油泵將液壓油從油箱中抽出，通過(guò)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(yùn)動(dòng)的方向拖動(dòng)，推動(dòng)閥門開(kāi)啟；同時(shí)，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(kāi)，使得單桿活塞式液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)的液壓油從液控單向閥1 中流出，并經(jīng)過(guò)第一數(shù)字閥流回油箱。

（3）快速關(guān)閉（閥門保護(hù)）：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(wèn)題的情況下，可以迅速關(guān)閉閥門，避免閥門液流通道內(nèi)的工作介質(zhì)流量過(guò)大而對(duì)后續(xù)工作元件產(chǎn)生影響，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了保護(hù)油路；以及實(shí)現(xiàn)啟閉件的快速調(diào)節(jié)，縮短開(kāi)度調(diào)節(jié)所耗費(fèi)的時(shí)間。

（4）保護(hù)油路：當(dāng)比例調(diào)節(jié)裝置的工作油路出現(xiàn)故障時(shí)，開(kāi)啟二位三通換向閥，電磁鐵3YA得電，二位三通換向閥右位機(jī)能，液壓油經(jīng)吸油濾油器的過(guò)濾通過(guò)油泵進(jìn)入二位三通換向閥，液壓油由二位三通換向閥分別通過(guò)進(jìn)油液控單向閥和排油液控單向閥的控制油口，將進(jìn)油和排油液控單向閥的閥芯頂開(kāi)。由于進(jìn)油液控單向閥的閥芯被頂開(kāi)，液壓油將通過(guò)進(jìn)油液控單向閥，流入單桿活塞式液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)；而液壓缸的有桿腔內(nèi)的液壓油能夠通過(guò)閥芯被頂開(kāi)的排油液控單向閥，經(jīng)過(guò)回油過(guò)濾器的的過(guò)濾，最終流入油箱內(nèi)，使液壓缸的活塞桿伸出，從而推動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，將閥門的啟閉件推動(dòng)到液流通道的底部，使得閥門快速關(guān)閉，然后對(duì)比例調(diào)節(jié)裝置的工作油路進(jìn)行檢測(cè)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(dāng)使用數(shù)字閥對(duì)閥門啟閉件開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，而當(dāng)閥門的啟閉件需要從較大開(kāi)度向較小開(kāi)度調(diào)節(jié)時(shí)，如果僅靠第一數(shù)字閥向液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)充入液壓油的方式對(duì)直線行程閥門啟閉件的調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)耗時(shí)久的狀況，過(guò)程較慢。因此，在需要將閥門的啟閉件從較大開(kāi)度向較小開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可以先將工作油路關(guān)閉，使用保護(hù)油路向液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)充入液壓油，使活塞桿快速伸出，當(dāng)閥門的啟閉件迅速調(diào)節(jié)至接近設(shè)定位置時(shí)，再將保護(hù)油路關(guān)閉，再打開(kāi)工作油路，實(shí)現(xiàn)啟閉件到達(dá)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(duì)閥門的啟閉件開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)帶來(lái)的成本高、維護(hù)不方便等問(wèn)題，在保證調(diào)節(jié)精度的情況下，還增加了保護(hù)油路，使得整個(gè)工作系統(tǒng)的安全性大大增加。并且該裝置操作簡(jiǎn)單、成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐污染性好，因此維護(hù)起來(lái)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(shí)系統(tǒng)所有模型均被參數(shù)化［6-11］，其他元件都有詳細(xì)的參數(shù)，在這里僅列舉關(guān)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(yàn)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(shè)定仿真條件見(jiàn)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(guò)運(yùn)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(guān)）的仿真結(jié)果可看出，在6 s 的時(shí)刻，活塞桿的位移達(dá)到500 mm，與預(yù)先設(shè)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(guān)）

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(shí)現(xiàn)工業(yè)閥門的快速關(guān)閉，保護(hù)調(diào)節(jié)裝置的安全，通過(guò)將工作油路關(guān)閉，利用保護(hù)油路向無(wú)桿腔供油。運(yùn)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(guān)）。由仿真曲線可知，液壓控制回路的響應(yīng)速度快，在較短的時(shí)間內(nèi)，可以達(dá)到快關(guān)位置要求，在1 s 的時(shí)刻，活塞桿的位移達(dá)到371 mm，符合快速關(guān)閉的要求，與原理預(yù)期一致。

圖5 活塞桿位移變化特性曲線（快關(guān)）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)工業(yè)閥門數(shù)字比例調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)與分析，采用兩個(gè)數(shù)字閥實(shí)現(xiàn)工業(yè)閥門流量的比例控制，配置液壓鎖，保證閥門達(dá)到位置后準(zhǔn)確鎖定，具有慢開(kāi)、慢關(guān)、快速關(guān)閉和閥門保護(hù)等功能，原理設(shè)計(jì)巧妙、經(jīng)濟(jì)適用?；贏MESim 平臺(tái)搭建了動(dòng)態(tài)仿真模型，同時(shí)對(duì)仿真曲線進(jìn)行分析，驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)的可行性，達(dá)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(shí)現(xiàn)活塞桿500 mm位移精確到達(dá)，在2 s 內(nèi)快關(guān)閥門，為下一步的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，提供了理論依據(jù)。