气动执行器及控制阀的流量特性

气动执行器及控制阀的流量特性

一、流量特性的定义

控制阀的流量特性：被调介质流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系，即

式中

Q/Qmax——相对流量，即控制阀某一开度流量与全开时流量之比；

l/L——相对开度，即控制阀某一开度行程与全开时行程之比； 

一般地说，流过控制阀的流量主要取决于执行机构的行程，即阀芯、阀座之间的节流面积。

实际上还受多种因素的影响，如在节流面积改变的同时，会引起阀前后压差变化，而压差的变化又会引起流量的变化。

为了便于分析比较，先假定阀前后压差固定，然后再引申到真实情况，于是流量特性又有理想特性与工作特性之分。

二、理想流量特性

在控制阀前后压差保持不变时得到的流量特性称为理想流量特性。它取决于阀芯的形状，如下图所示：

不同的阀芯曲面可得到不同的理想流量特性。典型的理想流量特性有直线、等百分比(对数)、快开和抛物线型，其特性曲线如下图所示：

其中R——控制阀所能控制的最大流量与最小流量的比值，即控制阀的可调范围或可调比

1.直线流量特性

定义：

指控制阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位位移变化所引起的流量变化是常数。

特点：

①流量小，流量变化的相对值大；阀门小开度，控制作用太强；

②流量大，流量变化的相对值小，阀门大开度，控制作用太弱，

③不利于控制系统的正常运行的。

2.等百分比流量

定义：

指单位相对位移变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。即控制阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增大而增大。

特点：

在同样的行程变化值下，负荷小时,流量变化小，控制平稳缓和;负荷大时，流量变化大，控制灵敏有效。

3.快开流量特性

在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快就达到最大，此后再增加开度，流量的变化甚小，故称为快开特性。

快开特性控制阀适用于要求迅速启闭的切断阀或双位控制系统。

4.抛物线流量特性

是一条抛物线，它介于直线流量特性与等百分比流量特性之间。

三、工作流量特性

在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。

控制阀的工作流量特性与实际的管道系统有关。

1.串联管道时的工作流量特性

当控制阀串联在管道系统中时，以△Pv表示控制阀前后的压力损失;△PF表示管道系统中除控制阀外所有其他部分(包括管道、弯头、节流孔板、其他操作阀门等)的压力损失;△p表示系统的总压差(如下图所示)

如果维持系统的总压差 △p不变，当流量增大时，由于串联管道系统的压力损失 △PF与流量的平方成正比，因此随着流量的增大 △PF也增加，因此控制阀两端的压差 △Pv会随流量的增大而减小。

由于控制阀上的压差变化，会使控制阀的相对位移与相对流量之间的关系也发生变化，于是，控制阀的理想流量特性发生了畸变，畸变后的特性就为工作流量特性。

以S(阻力比)，表示控制阀全开时阀上压差与系统总压差的比值，S值越小，表示与控制阀串联的管道系统的阻力损失越大，因此对阀的特性影响也越大。所以在实际使用中，一般希望S值不低于0.3~0.5。不同S值时控制阀的工作流量特性见下图。Qmax表示管道阻力等于零时控制阀全开流量。

图中在S=1时，管道阻力损失为零，控制阀上的压差就等于系统总压差，实际工作特性和理想流量特性是一致的。随着S的减小，直线特性渐渐趋近于快开特性曲线；等百分比特性曲线渐渐接近于直线特性。

在现场使用中，当控制阀选得过大或生产处于非满负荷状态时，控制阀将工作在小开度。有时，为了使控制阀有一定开度，而把工艺阀门关小些以增加管道阻力，使流过控制阀的流量降低。这样，实际上就使S值下降，流量特性畸变，控制阀的实际可调范围减小，恶化了控制质量。当管道系统的阻力太大、严重时会使控制阀启闭不再起什么作用。

在使用中要注意：不能任意关小控制阀两端的截止阀。

2.并管道时的工作流量特性

控制阀一般都装有旁路阀，便于手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选得过小时，由于控制阀流量不够面只好将旁路阀打开一些，这时控制阀的理想流量特性变为工作流量特性。

上图表示并联管道时的情况。管路的总流量是控制阀流量与旁路流量之和，即Q=Q1+Q2。

若以x代表管道并联时控制阀全开流量与总管最大流量 Qmax之比，可以得到在△p为一定，而x值为不同数值时的工

作流量特性，如下图所示。

图中纵坐标流量以总管最大流量Qmax为参比值。

由图可见：当x=1，即旁路阀关闭时，控制阀的工作流量特性同理想流量特性。随着x的减小，即旁路阀逐渐打开，虽然阀本身的流量特性变化不大，但可调范围大大降低了，控制阀关死，即l/L=0时，流量Qmin大大增大。同时，在实际使用中总存在着串联管道阻力的影响，控制阀上的压差还会随流量的增加而降低，使可调范围下降更多些，控制阀在工作过程中所能控制的流量变化范围更小，甚至几乎不起控制作用。所以，采用打开旁路的控制方式是不好的，一般认为旁路流量最多只能是总流量的百分之十几，即x值最小不低于0.8。

四、总结

综合上述串、并联管道的情况，可得如下结论：

①串、并联管道都会使理想流量特性发生畸变，串联管道的影响尤为严重；

②串、并联管道都会使控制阀可调范围降低，并联管道尤为严重；

③串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加；

④串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减小，

串联管道时控制阀大开度，则S值降低对放大系数影响严重，

并联管道时控制阀小开度时，x值降低对放大系数影响更严重