基于AMESim 的工业阀门数字比例调节装置的设计

徐 攀，朱小明，2，杨丽红

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海豪高机电科技有限公司，上海 201614）

0 引言

目前，在石油、发电、水利、轻工、化工等行业常用到工业阀门，工业阀门的控制调节都需要用到调节装置，其调节装置经常工作在有毒、高温高压、易燃易爆的危险环境中［1］。工业阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能［2］。

其中工业蝶阀和球阀等阀门，其启闭件的行程为角行程。以蝶阀为例，蝶阀是一种结构简单的调节阀，同时也可用于低压管道介质的开关控制。蝶阀的启闭件为圆盘形的阀瓣或阀板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的［3］。蝶阀可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动，在管道上主要起切断和节流作用［4］。

对传统工业蝶阀和球阀的调节与控制，主要依靠液压伺服比例调节装置，而其液压控制回路中使用的伺服阀和比例阀存在结构精密复杂，造价较高，并且对油液的质量和清洁度要求高，难以适用于恶劣环境，因此对其研究十分必要。本文应用“数字阀+传统液压阀”研制一套工业阀门数字比例调节装置，来实现对工业蝶阀和工业球阀的控制，达到液压伺服比例调节的功能，并且降低成本，易于维护。

1 工业阀门数字比例调节装置的研制

工业阀门数字比例调节装置主要由液压控制回路和齿轮箱组成。

1.1 液压控制回路的设计

当需要对工业阀门进行比例调节控制流量时，通常会用到比例换向阀或伺服阀来对阀门的启闭程度进行定值调节，其结果较为准确。但由于比例换向阀自身存在零位死区现象，造成使用比例换向阀会出现响应速度较慢的情况，且比例换向阀的阀口开度较大，造成使用比例换向阀进行调节时精度不高［5］。伺服阀的零位基本无遮盖，因此使用伺服阀对阀门开度进行调节时，响应速度快，但伺服阀的成本高。比例换向阀或伺服阀，均为高精度阀，对工作介质的干净程度要求较高，抗污染能力较差。

为解决上述使用伺服阀或比例换向阀的抗污染能力差且成本较高的问题，本文应用“数字阀+传统液压阀”来实现对工业阀门开度的调节。数字阀流量小又可实现比例控制，适合精确位置控制，而传统液压阀流量大适合工业阀门到位前的快速位置控制，找到一种既保证调节速度又保证调节精度且经济的设计方案。

设计时，把液压控制回路分为4 个模块：供油系统、工作油路、保护油路和电控系统。供油系统包括油箱、油泵、吸油滤油器以及回油滤油器；工作油路包括2 个二位三通的数字阀即第一、二数字阀、一组液控单向阀以及一个单杆活塞式液压缸；保护油路包括一个二位三通换向阀、一个进油液控单向阀以及一个排油液控单向阀；电控系统采用了专门的集成印刷线路板，性能稳定，质量可靠，有本地控制和远程控制两种方式，可以相互切换。设计参数满足阀门公称通径200～2 000 mm，阀门公称压力0.6～2.5 MPa，其液压原理如图1 所示。

图1 比例调节装置的液压原理

1.2 齿轮箱的设计

由于工业蝶阀和工业球阀的启闭件的行程为角行程，仅依靠液压缸无法实现阀门的开/关，因此设计齿轮箱与液压缸相配合，来实现其操作。液压缸与齿轮箱中的齿条相连接，通过推动齿条从而带动与之相啮合的齿轮转动，实现对工业蝶阀和球阀的调节。该齿轮箱设计带有手动操作机构，当液压驱动故障的情况下，可以推进手轮实现阀门的开启和关闭。齿轮箱三维模型如图2 所示。

图2 齿轮箱三维模型

以工业蝶阀为例，常用的力矩计算公式为：

式中 g ——重力加速度，m/s2；

μα——蝶板开度为α角时的动水力矩系数；

H ——最大水压头，mm；

D ——蝶板直径，mm；

ζ ζα，0ζα—— 蝶板开度为α角及全开时的流阻系数；

V0——全开时介质的流速，m/s。

因上述公式较复杂，通常采用简易计算式：

式中 ξ ——转矩系数；

Δp ——阀前、后压差，MPa。

通过计算，得到力矩为2 000 N·m，已知手动轮驱动力F 为300 N，手动轮直径D1为0.5 m。

传动比计算式：

式中 Md——蝶阀力矩，N·m。

代入数据计算得到传动比为133.33。

传动比较大，可采用三级传动。同时应避免齿轮的尺寸和传动比过大，根据经验判定，传动比应小于6～8，即传动范围i1∈［5，7］，i2∈［5，7］， i3∈［3，4］。为了避免轴上的小齿轮齿数过大或过小，Ⅰ轴、Ⅱ轴和Ⅲ轴上的小齿轮齿数分别取20，22 和28；为了分散和消除制造误差对传动的影响，尽量使齿轮齿数互为质数，Ⅱ轴、Ⅲ轴和Ⅳ轴上的大齿轮齿数可定为122，130，104。Ⅳ轴主轴上啮合的齿轮齿条，齿数分别为70，31。

此时可算出各轴的实际传动比：

i1=122/20=6.10

i2=130/22=5.91

i3=104/28=3.71

齿轮箱传递的转矩很大，尤其主轴上转矩最大，为保证齿轮的抗弯强度，取第1 对啮合齿轮模数为3，第2 对啮合的齿轮模数为4；同理，第3 对的模数为6。由于齿轮齿条直接与液压系统相连，抗弯强度更高，因此，齿轮齿条的模数为8。

1.3 工作过程

（1）慢关：液压油从油箱流出，经过吸油滤油器进入油泵，第一数字阀的电磁铁1YA 得电，二位三通数字阀左位机能，通过液控单向阀1，使单杆活塞式液压缸的无杆腔通入液压油，活塞杆伸出。因为活塞杆与齿轮箱中的齿条相连接，从而推动阀门关闭；同时，从第一数字阀中流出的液压油的一部分，流入液控单向阀2 的控制油口，并把其阀芯顶开，使得单杆活塞式液压缸的有杆腔内的液压油从液控单向阀2 中流出，并经过第二数字阀流回油箱。

（2）慢开：当第二数字阀的电磁铁2YA 得电时，二位三通数字阀左位机能，油泵将液压油从油箱中抽出，通过第二数字阀及液控单向阀2，向单杆活塞式液压缸的有杆腔内通入液压油，使得其活塞杆缩回液压缸，将齿条向活塞杆运动的方向拖动，推动阀门开启；同时，从第二数字阀流出的液压油的一部分，流入液控单向阀1 的控制油口，将其阀芯顶开，使得单杆活塞式液压缸的无杆腔内的液压油从液控单向阀1 中流出，并经过第一数字阀流回油箱。

（3）快速关闭（阀门保护）：为了确保比例调节装置的安全，防止工作油路在出现问题的情况下，可以迅速关闭阀门，避免阀门液流通道内的工作介质流量过大而对后续工作元件产生影响，保证整个系统的正常运转，设计了保护油路；以及实现启闭件的快速调节，缩短开度调节所耗费的时间。

（4）保护油路：当比例调节装置的工作油路出现故障时，开启二位三通换向阀，电磁铁3YA得电，二位三通换向阀右位机能，液压油经吸油滤油器的过滤通过油泵进入二位三通换向阀，液压油由二位三通换向阀分别通过进油液控单向阀和排油液控单向阀的控制油口，将进油和排油液控单向阀的阀芯顶开。由于进油液控单向阀的阀芯被顶开，液压油将通过进油液控单向阀，流入单杆活塞式液压缸的无杆腔内；而液压缸的有杆腔内的液压油能够通过阀芯被顶开的排油液控单向阀，经过回油过滤器的的过滤，最终流入油箱内，使液压缸的活塞杆伸出，从而推动齿条运动，将阀门的启闭件推动到液流通道的底部，使得阀门快速关闭，然后对比例调节装置的工作油路进行检测并维修。

（5）启闭件的快速调节：由于数字阀自身的流量较小，因此当使用数字阀对阀门启闭件开度进行调节时，调节过程耗时较长，而当阀门的启闭件需要从较大开度向较小开度调节时，如果仅靠第一数字阀向液压缸的无杆腔内充入液压油的方式对直线行程阀门启闭件的调节时，会出现耗时久的状况，过程较慢。因此，在需要将阀门的启闭件从较大开度向较小开度进行调节时，可以先将工作油路关闭，使用保护油路向液压缸的无杆腔内充入液压油，使活塞杆快速伸出，当阀门的启闭件迅速调节至接近设定位置时，再将保护油路关闭，再打开工作油路，实现启闭件到达精确位置。

比例调节装置不仅解决了使用比例换向阀或伺服阀对阀门的启闭件开度进行调节时带来的成本高、维护不方便等问题，在保证调节精度的情况下，还增加了保护油路，使得整个工作系统的安全性大大增加。并且该装置操作简单、成本低，结构简单，耐污染性好，因此维护起来较为容易。

2 仿真模型的建立及仿真

根据工业阀门数字比例调节装置的工作原理，采用AMESim 软件建立仿真模型，如图3 所示。在AMESim 软件中仿真时系统所有模型均被参数化［6-11］，其他元件都有详细的参数，在这里仅列举关键的参数。液压缸的参数：油缸缸径100 mm，活塞杆直径55 mm，油缸行程500 mm，工作压力25 MPa。而一些其他的参数，则比较难以确定，如：液压缸末端的弹性刚度、阻尼系数及其末端的变形量、黏滞摩擦系数，则使用系统推荐的经验值，分别为10 000 N/mm、1 000 N/（m/s）、0.001 mm、10 000 N/（m/s），泄漏系数为0.8×105L/（min·Pa）［12-21］。设定仿真条件见表1。

图2 数字比例调节装置AMESim 仿真模型

表1 仿真条件

3 仿真结果分析

通过运行仿真模型，得到如图4 所示的输出曲线。从活塞杆位移变化特性曲线（慢关）的仿真结果可看出，在6 s 的时刻，活塞杆的位移达到500 mm，与预先设定的活塞杆的行程相一致。

图4 活塞杆位移变化特性曲线（慢关）

工业阀门数字比例调节装置的另一重要功能是实现工业阀门的快速关闭，保护调节装置的安全，通过将工作油路关闭，利用保护油路向无杆腔供油。运行仿真模型，得到如图5 所示的活塞杆位移变化特性曲线（快关）。由仿真曲线可知，液压控制回路的响应速度快，在较短的时间内，可以达到快关位置要求，在1 s 的时刻，活塞杆的位移达到371 mm，符合快速关闭的要求，与原理预期一致。

图5 活塞杆位移变化特性曲线（快关）

4 结语

通过对工业阀门数字比例调节装置的设计与分析，采用两个数字阀实现工业阀门流量的比例控制，配置液压锁，保证阀门达到位置后准确锁定，具有慢开、慢关、快速关闭和阀门保护等功能，原理设计巧妙、经济适用。基于AMESim 平台搭建了动态仿真模型，同时对仿真曲线进行分析，验证了液压系统的可行性，达到了液压伺服比例调节装置的功能要求，在6 s 内实现活塞杆500 mm位移精确到达，在2 s 内快关阀门，为下一步的开发和改进，提供了理论依据。