热电厂减温减压机构中气动减压调节系统改造设计说明书

11 前言1.1 气动薄膜执行机构简介气动薄膜执行机构是最常用的气动执行机构，将 20100KPa 的标注气压信号通入薄膜室中，在薄膜上产生一个向下的推力，驱动阀杆部件向下运动，调节阀门打开。于此同时，弹簧被压缩，对薄膜产生一个向上的反作用力，当弹簧的反作用力与气压信号在薄膜产生的推力相等时，阀杆部件停止运动。信号越大，在薄膜上产生的推力越大，弹簧压缩量及调节阀门开度也越大。1.2 国内外发展状况国外调节阀的产品历史可追溯到最早的自力式调节阀，其原始的结构是一种带重锤的球形阀。这种阀后来演变成利用阀后压力进行调节的自力式调节阀。发展到现在，调节阀的控制系统已经比较先进了，达到了全自动化水平。我国调节阀生产行业起步于七十年代，可以说起步比较晚开始比较晚，经过困难的十几年发展，到八十年代，调节阀开始有了飞跃式的发展，伴随着着吴忠仪表率先引进日本山武公司的新一代调节阀 CV3000 系列，使得产品的性能具有了较大的提高，同时使得调节阀在系列化、标准化等方面得到进一步完善，缩小了与外国产品的差距， 。可是和国外的产品相比还是有一定的差距，主要表现在性能、结构、控制系统和可靠性设计等几方面。特别是在控制系统方面，国内还不能达到完全智能化控制，像智能型及总线型定位器基本以进口为为主。所以国内控制阀的设计研发具有很大的进步空间。而现代工业对调节阀的要求也在逐步提高，特别是在质量、可靠性、保护环境节约能源等方面，都对调节阀提出了很高的要求。随着工业自动化及现场总线技术的快速发展，对低成本、高可靠性的智能化阀门的要求越来越迫切，其发展趋势是机电一体化、智能型及总线型结口，同时向着精小型、节能、剩材及高温高压大压差方向发展。薄膜调节阀执行机构作为调节阀的重要组成部分，也必须朝着智能化、模块化的方向发展。1.3 毕业设计研发背景调节阀是自动调节系统不可缺少的组成部分，接受来自调节器的输出信号，从而改变介质流量，完成调节功能。它被广泛应用于火力发电、核电， 、化工流体控制场合，是工业生产过程最常用的终端控制元件。气动薄膜调节阀是最常用的调节阀是气动单元组合仪表中的一种调控装置，是生产进行过程自动调节系统的重要环节之一，它接受调节仪表的输出信号来关闭和开启阀门，达到对压力、温度、流量和液位等参数的自动调节，可广发应用于化工、石油、冶金、电力、轻纺行业的自动2调节及远程控制。本次设计主要是对山东石横特钢集团热电厂减温减压系统进行改造设计。该系统原有入口压力 35KG，出口压力 15KG，介质为 435 度蒸汽，口径DN200，正常流量 10T/H，最大 30T/H。配套 ABB 定位器。原来用的是中核苏阀的DN150，由于流量满足不了要求，需要进行改造。需要设计出而且抗震性稳定性好、节约材料，调节精度高且满足流量需求的气动薄膜调节阀执行机构。32 毕业设计内容本次毕业设计需要设计出气动薄膜调节阀的执行机构和控制系统。其中执行机构为机械系统，这部分需要确定各机械部分的结构尺寸，及各种零件的型号、数量、尺寸等参数和最后的装配尺寸，还需要对一些零件的力学性能进行校核。如弹簧，推杆等。最后需要画出装配图以展示其具体的机械结构。控制系统需要设计出能够根据薄膜压力调节进气量的控制检测系统，具体的还要确定传感器的型号，选出合适的芯片。设计画出控制电路图.43 毕业设计总体方案3.1 气动薄膜调节阀的形式。气动薄膜调节阀究其动作过程而言，分为气开式和气关式。所谓气开式指的是有气则开，无气则关。即阀的开度随着作用于膜头上气压信号的增加而增加，当气压信号中断或为信号下限 0.02MPa 时，阀处于关闭状态。气关阀正好和气开阀相反，即有气则关，无气则开。阀的开度随着作用于膜头上气压信号的增加而减小，当气压信号中断或为信号下限 0.02MPa 时，阀处于全开状态。本次设计气动薄膜调节阀是用于热电厂减温减压系统中的，为了保证生产中的安全，防止在调节阀的起源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀门全闭。所以选择气闭型，即有气则关，无气则开。3.2 节阀的工作参数及执行机构的结构该系统原有入口压力 35KG，出口压力 15KG，介质为 435 度蒸汽，口径DN200，正常流量 10T/H，最大 30T/H。调节阀阀门部分经过改进后，正常流量增大到 30T/H,最大流量为 50T/H.进出口压力差为 20KG.相应的执行机构也得改变，特别是输入气压的压力范围，薄膜的面积，弹簧数量及型号，推杆的直径及行程也得随之变化，现准备设计出 12 根弹簧的气动薄膜调节阀执行机构。其他零件的具体参数将在以下设计中计算确定。54 气动薄膜执行机构设计 气动薄膜执行机构分为执行机构机械部分和控制机械部分运动的控制检测系统。4.1 机械系统设计目前常用气动薄膜调节阀主要由阀门机构和执行机构组成，两者之间通过中间的推杆进行连接。执行机构于外部控制气源连通。当 0.21kg/cm 信号压力输入膜3室时后，在膜上产生推力。压缩弹簧，使推杆移动，推杆带动相连的阀杆，改变阀芯与阀座之间的流道面积。达到弹簧的反作用力与信号压力作用在膜片上的推力相平衡，从而达到自动调节工艺参数的目的。本设计也是在以上结构的基础上进行改进，机械部分主要包括由上下膜盖、中间膜片、弹簧组成的气动薄膜机构，以及下部分相连的支架机构两部分，支架机构中间轴向设置有可上下移动的推杆，推杆的上端可伸入在气动薄膜机构中的上下膜盖中间，推杆上端部从下部膜盖上开设的推杆孔深入后用固定装置与膜片上固连的托盘相连；下部端盖正面上设置有带孔的与膜片气室连通的取压螺钉，在支架上部设置有对应的气流接口，支架内部设置有连通于该气流接口的气流通道，并在支架侧部设置有与外部阀门定位器源相接的气流外接口。本设计的特征是固定装置包括设置在托盘上位于上膜盖侧的膜片垫圈，下膜盖推杆孔内侧具有一个密封套，密封套中间孔中接有推杆套，推杆从下膜盖的推杆孔伸入，经密封套、推杆套、 ，并从托盘膜片垫片伸出，端部用垫片和螺母紧固，下膜盖的取压螺钉内孔通过在密封套内设置的气流道并通过推杆上设置中心流道连通于膜片气室，上下膜盖的推杆孔上设置有内螺纹，可从下部支架向上旋接，并设有将上部气动薄膜机构和下部支架机构连接在一起的膜头锁母。上膜盖与中间的膜片之间形成膜片气室，下膜片与中间的膜片之间安装有弹簧，构成了弹簧室，弹簧通过阀杆中设置的流通孔道与阀门定位器的操作气排放口通过接管相连接在一起。支架上部设置有与下膜盖上设置的带孔取压螺钉相对应的气流接口，在支架内部设置有连通于气流接口的气流通道，并在支架侧部设有气流外接口，通过该外接口与外部阀门定位器的控制气源相连。带孔取压螺钉再通过在密封套内设置的气流道并通过推杆上设置的中心流道连通于膜片气室。由于采用了内管道气流通道的连接，能构使阀门整体具有良好的抗震性能，提高了产品的稳定性和调节精度。4.2 机械零件的设计与选型4.2.1 执行机构外壳设计执行机构外壳分为上下两部分，构成了压力腔，它采用薄钢板焊接而成。两边6有突出部分，用于用螺栓将上下两部分连接起来。中间有一个进气孔，进气孔两边有两个小的排气孔。4.2.2 薄膜的选择薄膜在执行机构中的作用比较重要，主要是通过它接受压力信号的，它的下部分和弹簧相连，当弹簧产生的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡时，推杆停止移动。薄膜的有效面积是影响推力的重要因素上边初步选择薄膜的有效面积为 1000 。所用材料为丁晴橡胶制成的聚酯织品。通过有效地表面，在执行器2cm控制压力下，阀杆提供线性位移.4.2.3 弹簧的选择与校核弹簧是气动调节阀执行机构的重要零部件，用来使膜片克服气室压力反方向运动，所以是用压力来表示的，及 xxxxxKPa,也就是一台阀在静态时从开始移动走完行程的膜片室压力的变化范围。为了保证调节阀的正常关闭，就必须用执行机构的输出力来克服压差对阀芯产生的不平衡力。对气闭阀来说，膜室压力必须先保证阀门关闭到位，然后继续增加这部分力，才能把阀芯紧压在阀座上，对气开阀来说，当控制要求关阀时，弹簧必须克服膜室压力，才能把阀芯紧压在阀座上。由于执行机构的输出力是膜片压力、弹簧张力、摩擦力等的合力。拟初步确定起源压为 250KPa 的压力，才能使阀门稳定、可靠运行。现初步确定 12 根弹簧的压力范围初步定在 40KPa3000Kpa。弹簧长度为 80mm。则弹簧力的范围的计算公式（4.1）erAPF2其中 为弹簧范围， ParP为膜片的有效面积eA选用的薄膜的有效面积为 1000cm .则3 )(301)04(142 NAPFer 执行机构的力平衡公式为：（4.2）Wft FF01式中：F 为执行机构输出力阀芯所受的不平衡力t调节阀全闭时，阀芯对对阀座密封所07需附加的压紧力。一般取相当于 5KPa 乘以薄膜有效面积的力。为阀杆所受摩擦力fF为阀芯等活动部件的重量w正常情况下 很小，各种活动件重量 也不大，所以公式（1）可简化为f wF（4.3） 0t阀芯的不平衡力指的是当气体通过调节阀时，阀芯受到介质静压和动压的作用，会产生使阀芯上下移动的轴向力。根据公式（4.4）224PdFsNt 公式中; 为阀芯直径， mNd为阀杆直径 ,ms阀前后压差，P（4.5）21P阀前压力，Pa1阀后压力， Pa2P计算阀门全部闭合时所需的输出力。此时 为零。 KG2P351所以 =35KG=350NtF假设选用的薄膜的有效面积为 1000cm .则3= =500(N)0F341051所以(N)801 t而执行机构在气源压力为 250KPa 时输出力为 2500N 大于 ，可以完全关闭，所以1F符合要求。84.2.4 推杆的选择与校核推杆是用来将薄膜和阀门连接起来，传递执行机构输出的力矩，现所选推杆的材料为 45 号钢，直径为 30mm,长度为 450mm.现在对所选的推杆进行力学校核。推杆在输出力矩时，推动阀门直线运动时受到轴向和径向两个方向的力。先对其进行校核：F FFtF FFraFtrFa Fd2Fd1图 4.1 推杆的弯矩图和扭矩图9轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图，可以看出中间截面是轴的危险截面。现将计算的截面的 、 及 的值计算过程及结果如下：HMVKNFt350a4r 78.163n2 对轴进行受力分析如上图所示 )(89.15.021 NFFrNV2aH)(6mMN5.1842NFHV表 4.1 推杆力矩载荷 H V1N2NF1N2NF支反力 N81.89N 81.89N 225N 225N弯矩 M mH5062 mMV5.8421总弯矩 M mMVH7.538221.7NT扭 矩校核轴的强度(4.6)()2(4) 122WTMTWca式中： :轴的计算应力；caM：轴所受的弯矩；T：轴所受的扭矩； 进行校核时，通常只校核轴上承受最大的弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，a 取10值为 0.6 轴的计算应力：)(60)(7342.61.0)( 132 MpapadaTMca 故所选推杆符合要求。4.2.5 阀门定位器的选用本设计为了减小调节阀死区与滞后的影响，所以在调节阀系统中加有定位器，所以需要选出配套定位器的型号。阀门定位器是气动执行器的种辅助仪表，它与气动执行器配套使用。在气动调节阀中，阀杆的位移是由薄膜上的气压推力与弹簧反作用力平衡来确定的。实际上，为了防止阀杆引出处的泄漏，填料总要压得很紧。尽管填料选用密封性好而摩擦系数小的聚四氟乙烯优质材料，填料对阀杆的摩擦力仍是不小的。特别是在压力较高的阀上，由于填料压得很紧，摩擦力可能相当大。此外，被调节流体对阀心的作用力，在阀的尺寸大或阀前后压差高、流体粘性大及含有固体悬浮物时也可能相当大。所有这些附加力都会影响执行机构与输入信号之间的定位关系。使执行机构产生回环特性，严重时造成调节系统振荡。因此，在执行机构工作条件差及要求调节质量高的场合，都在调节阀上加装阀门定位器。阀门定位器接受调节器的输出信号后，去控制气动执行器；当气动执行器动作时，阀杆的位移又通过机械装置负反馈到阀门定位器，因此定位器和执行器组成了一个闭环回路，图 4.1 所示是阀门定位器的功能示意图。图中显示，来自调节器输出的信号 p0经定位器比例放大后输出 pa，用以控制气动执行机构动作，位置反馈信号外送回至定位器，由此构成一个使阀杆位移与输入压力成比例关系的反馈系统。图 4.1 阀门定位器的功能示意图11根据调节阀各项指标选用定位器的型号为 ZY39-ZPQ-02.它气动阀门定位器可与气动调节阀，直行程气动活塞调节阀及角行程气动调节阀配套使用的辅助仪表，它接受气动调节仪表给出的 20100kPa 信号来控制调节阀的行程，又经过反馈系统的作用，确保阀芯位置按调节仪表来的气动信号，准确执行，从而实现阀芯的正确定位。主要技术参数如下输入信号：0.020.1MPa（0.21kg/cm2）标准 0.020.06；0.060.1MPa （段幅分程）输出压力：0.020.1MPa 单输出 00.5MPa 双输出气源压力：0.140.55MPa环境温度：-35+80相对湿度：585%防护等级：IP55气源接口：M101 配管 61 接管额定行程：10100mm 直行程 050；090转角行程基本误差：1%（输出行程的百分数表示）回 差：1%（输出行程的百分数表示）死 区：0.4%（薄膜调节阀）；0.6%（活塞调节阀）；0.8%（角行程调节阀）；耗 气 量：450L/h 单输出（配气动薄膜弹簧执行机构）3500L/h 双输出（配气动活塞式执行机构）充放时间：4 秒（管径 4，长为 60 米时）抗振性频率：1060Hz，幅值 0.14mm；频率 60150Hz，加速度 2g，正弦扫频振动，定位器能正常工作外壳材料：压铸铝合金、表面喷塑处理外形尺寸：203160105mm重 量：2kg4.2.6 执行机构支架的设计为保证支架的强度及刚性，减少零件的体积和重量，支架的材料选用铸钢 25，支架高度为 380mm,宽度为 80mm，两支撑臂之间的跨距为 240mm,壁厚为 18mm.考虑到抗震性，截面采用 T 形。支架强度的演算支架受力情况比较复杂，我们我们把它当作超静定的固定琦架,在其中间部分受到推杆轴向力 Q 的作用来计算。如图我们分别对 I-I, II-II,III-III 截面进行计算。I-I 截面尺寸：mm, =18 =33 b=9 =14 =761A1b2II-II 截面尺寸： mm, =18 =33 b=80 =14 =6612图 4.2 支架截面图图 4.3 支架截面图(a) 框架两重心之间的距离 L（4.7）21XL式中： 为框架型心位置，单位为 mm2X根据断面的形状可知（4.8）)(2121AbX将数值代入上式可计算的 =11.1。进而算的 =217.82 2XL（b）计算 I-I 断面的合成应力根据强度条件可知 I-I 断面的合成应力为：13(MPa) LWI1（4.9）弯曲力矩MI= )(/218MNJLHQMI YXM（4.10）式中 为弯曲应力WI（Mpa） 1/YWI（4.11）为 III-III 断面对 X 轴和 II-II 断面对 Y 轴的惯性矩YMXJ/为 I-I 断面对 Y 轴的断面系数；1WQ 为轴向推力。由断面形状可知： =46.47 12)(3hdDJXM810（4.12）831232 02.7( xbAbxJYI 8312321 .( Y 61 08./bJWYI轴向推力按 0.4MPa 供气，弹簧范围为 0.040.20MPa 计算，薄膜有效面积为90000mm 。则2(N)1809)2.04(Q(N.m)72./18/YIXIT JLHLM14(MPa)96.3/1YWMI542FQLLPaI.1有机械课程设计手册可知 ， ，满足要求96.5WZG36.8L（c） II-II 断面的合成应力 LIIYIIM/其中 IIM 6109.2/bJWIIY4IIFQLL7满足要求（d） III-III 断面的弯曲应力校核弯曲应力需要满 WMWXIII / 912.7548.24/17.084/ QLMI 62 036/3)65.(6)( hdDX XIII ./9/所以支架满足要求。4.2.6 其他零件的设计托盘是用来支撑弹簧的，用冷轧钢制成，带有弹簧座。此外还有设计用来改变气动执行机构的正反作用的衬套和垫片。填料函是用来对推杆进行密封的和导向。材料选用 PTFE 或者石墨。4.3 控制系统设计本次设计采用微机控制系统控制，其控制基本框图如图 4.7。本次设计系统采用MCS51 系列 8031 单片机为主控制器。扩展存储电路为一片 2372EPROM 和一片156264RAM.程序存储器扩展为 4K，数据存储器扩展为 8K.系通通过管道中压力传感信号测定实时压力，将检测的非电量信号转化为电量信号，斌进行信号处理（包括放大、率滤波、线性补偿等，再进过采样保持器，将模拟信号变换成时间上的离散的采样保持信号后，送 A/D 转换器，将模拟信号变成数字信号，送入计算机尽行计算分析，根据分析的结果，确定是否需要调节， 。当检测到的压力大于需要的压力时，单片机就会控制电磁换向阀通电，气源就会向气室中通气，通过执行器调节阀门关小，当检测到的压力符合要求时，电磁阀断电。相反当检测到管道压力小于所需压力时，气室就会放气，阀门开口增大。管道内流动气体压力增大到达设定值。停止排气。本次设计选用的 DA 转换器选用 DAC0832，其结构框图如图 4.5。图 4.6 为 DAC0832与计算机的接口。16图 4.5DAC0832 结构框图图 4.6DAC0832 与计算机的接口。本次设计中信号转换电路选用调频电路，如图 4.717图 4.7 调频电路信号放大电路采用差动放大器两个输入信号两个输入信号 和 分别经过 和输1U21R入到运算放大器的反相输入端和同乡输入端，输出电压则经过 反馈到反向输入端3电路中要求 ， ，它的最大优点是能够拟制共模信号。它的抗干扰能力21R43比较强。如图 4.8 为差动放大器的基本电路。图 4.8 差动放大器的基本电路滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： 无源滤波器:由电感 L、电容 C 及电阻 R 等无源元件组成 有源滤波器:一般由集成运放与 RC 网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓18冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。从功能来上有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF 与 HPF 间互为对偶关系。当 LPF 的通带截止频率高于 HPF 的通带截止频率时，将 LPF 与 HPF 相串联，就构成了 BPF，而 LPF 与 HPF并联，就构成 BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数 AVP、通带截止频率 fP 及阻尼系数 Q等。（a）电路图(b)幅频特性图 4.9 压控电压源二阶带通滤波器工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图 1（a）所示。电路性能参数通带增益 中心频率 通带宽度 19此电路的优点是改变 Rf 和 R4 的比例就可改变频宽而不影响中心频率。需要将采样信号用 A/D 转化器将其转换成数字量 A/D 转换过程需要一定的时间，为防止误差，要求在此期间内保持采样信号不变，实现这一功能的电路称为采样/保持电路。如图 4.10 为单片集成的 LF198 采样/保持电路图 4.10LF198 采样/保持电路205 结 论通过对山东石横特钢集团热电厂原有的减温减压系统进行研究分析，在此基础上设计研发出了先进的气动薄膜执行机构，它具有结构简单，安装使用方便，抗震性能、稳定性好，节约材料，调节精度高等特点。特别是采用内管道气流通道的连接，更够很好的提高阀门的抗震性能，提高了产品的稳定性和调节精度。完全满足于工厂对调节阀的流量、精度等要求。虽然本次设计的气动薄膜执行机构具有诸多优点但是还有许多需要改进的地方，比如在输出力矩不足时，不能够通过调节弹簧的预紧力来增大输出力矩，只能通过更换弹簧来达到要求 。这些都是需要在以后的设计研发中改进。21参 考 文 献1 屈念民. 仪器与未来.北京：中国仪器表学会，1991.2调节阀门业遭遇技术瓶颈EB/OL.2006-04-29./hydt/showArticle.a