閥門執行器——自力閥

     1 概述

     在管道流體控制中，自動控制閥是保證控制質量和提高效率的重要裝置。近幾年來，我們在探求閥門定位器結合自力式提供操作動力源的技術來促進普及閥門的自動化應用技術方面做了大量工作，并取得成果。以此技術可以開發出一種新穎執行器一自力閥的系列閥門品種。

      2 自力閥主體結構

     自力閥是由活塞執行機構和調節閥組成，配置輔助機構閥門定位器后，即構成為自力閥執行器體系。其中調節閥是由閥體與閥瓣組成，閥瓣設置在閥座的進口腔一側。活塞執行機構是由活塞、活塞缸及活塞桿組成，設置在調節閥的閥體內與調節閥形成一個整體，活塞與閥瓣之間由活塞桿作活動連接。輔助機構閥門定位器為多通道分配閥形式，是通過信號輸送通道管線與自力閥主體中的執行機構進行連接。

      3 工作原理

     首先閥門定位器是在接受輸入的調節信號驅動下開始進行工作。這種調節信號可以是手動給出的，也可以是從自動控制系統調節環節中的調節器輸出的。閥門定位器在調節信號驅動下，能將引進調節閥前作為輸入的調節動力信號源的流體壓力，以一定的規律變換成調節動力信號輸出給活塞執行機構，對執行機構的活塞缸，以充卸壓的形式調控活塞推力與閥瓣受到背壓所產生的不平衡力之間的力平衡所處位置的位移點來調節閥的開度。

     自力閥在利用調節閥前的流體壓力能作為動力源時，流體在閥的進出口或閥的內外必須存在壓差，設計中可以考慮采用壓力差為Δp≥0.02MPa。

      4 自力閥分類

     自力閥的主體可設計成截止型自力閥和節流型自力閥。截止自力閥中又分為設置有單活塞型和雙活塞型。截止單活塞型自力閥，只在閥座出口一側的腔內設置主活塞執行機構。截止雙活塞型自力閥設置有主活塞執行機構與副活塞執行機構。主活塞執行機構設置在閥出口腔中，副活塞執行機構設置在閥進口腔中。主副活塞缸能在同時分別接受從閥門定位器出內容相反的充卸壓信號情況下，對調節閥進行調節。節流型自力閥的執行機構形式與截止單活塞型自力閥的執行機構設置相同。但是閥的關閉件為節流閥型的閥瓣。并在閥的進口腔中設置有閥瓣調節阻尼活塞機構，用來調整閥的調節線性質量。

     自力閥的通徑、壓力和溫度可以使用國內外通用標準設計。由于自力閥可以不受流體在閥的調節過程中所產生不平衡力參數的限制，可以設計出大通徑和高壓差參數的閥門品種。

      5 閥門定位器

     閥門定位器針對自力閥的3種型號和調節工藝的需求，所采用的形式不同。一種為兩通柱塞滑閥結構的閥門定位器，它們可以與機械式的傳感調節器組合成壓力、溫度和液位的工藝系列閥門定位器。機械傳感調節器的工作信號傳遞過程的動力都來自于調節對象的勢能。所以它們與自力閥的主體單元組合成的工藝自動調節系統可以稱為工藝自力閥系列，如減壓自力閥和溫度自力閥等。還有一種是回轉閥門定位器。

     回轉閥門定位器是由閥體、設置有多通道的閥座、通道分配閥瓣、閥瓣密封壓緊彈簧、閥桿、閥蓋及密封件等主要構件組成。閥瓣與閥桿連接，坐落在閥座上，在壓緊彈簧作用下使其可以加強閥瓣與閥座之間的密封性能?；剞D閥門定位器可以通過其閥桿接受輸入的調節信號，閥桿在調節信號調控下，操作閥瓣的回轉角（如0°~90°），改變通道的流向或者流量，以此實現將輸入的信號動力源，變換成調節輸出動力信號給活塞執行機構，實現對調節閥的調控。

     回轉閥門定位器閥桿接受輸入調節信號的操作動力來源有2種形式。一種為手控回轉閥門定位器，在其閥桿上設置手柄，以手動方式向閥門定位器輸出調節信號。另一種為電動回轉閥門定位器，在其閥桿上設置電動機。將由調節器或手動操作器通過電動機驅動閥桿向閥門定位器輸出調節信號。自力閥中的回轉閥門定位器元件可以作為標準系列件來設計，試制中回轉式閥門定位器其閥桿軸心轉矩〈1N•m。電動閥門定位器一般采用電機功率10W。其可以適用于任何通徑和壓力級參數的調節閥中。

     回轉閥門定位器設置通道數量的多少，是根據自力閥使用形式而定。如二通回轉閥門定位器用于節流型自力閥中，三通回轉閥門定位器用于截止型單活塞自力閥中，四通回轉閥門定位器用于截止型雙活塞自力閥中。

      6 自力閥產品開發   

      6.1 手動截止自力閥系列

      ① 手動截止自力閥

     采用截止雙活塞型自力閥與手控四通回轉閥門定位器組合，通過設置在回轉閥上的操作手柄向閥門定位器輸入調節信號對自力閥進行操作。DN100mm、PN1.6MPa的手動截止式自力閥的樣機已試制成功。

     手動截止自力閥是采用了操作動力源就地取材自給供應技術，可以經濟方便地將自動調節技術普及應用到常規的手動閥的調節機構中，其對任何通徑和壓力級的閥門調節驅動力〈1N.m。此時的閥門操作省力省時，方便快捷，能在數秒鐘內做到有控制節奏地完成操作閥門的開關調節。截止自力閥可以作為一般通用閥來應用。

      ② 手動遙控截止自力閥

     在手動截止自力閥的組合基礎上，將手動四通閥門定位器通過信號通道與自力閥作一定距離（〈20米）連接組合。可以在近距離內對自力閥進行操作。

     手動遙控截止自力閥因其可以將自力閥主體部分按照工藝布置安裝，而將操作控制部分的閥門定位器分離，就近安裝在操作方便、**和環境相對理想的地方，這樣可以很好地解決閥門因安裝位置影響到對閥門操作的方便和**性，以及易于對閥門的調節驅動系統的維護保養。另外由于手動遙控截止自力閥具有近距離遙控功能，因此可以在很大范圍內替代電動閥。

      6.2 電動自力閥系列

      ① 電動截止自力閥

     采用雙活塞型自力閥和輔助機構電動四通回轉閥門定位器組成。通過設置在回轉閥上的電動機向閥門定位器輸入調節信號對自力閥進行操作。其通徑DN100mm、PN1.6MPa的電動截止自力閥的樣機已試制成功。電動截止自力閥的電動閥門定位器功率〈10W，執行信號源可以自給。因此可以經濟、簡潔和容易實現的方式為遠程遙控技術控制的工藝管道流體輸送，提供可靠的操作平臺。

      ② 電動節流自力閥

     采用節流型自力閥與輔助機構電動兩通回轉閥門定位器組成。該閥可為流體自動控制工藝提供經濟、簡潔、易行和可靠的操作平臺。隨著傳感和調節技術的發展，目前出現了智能型閥門。據資料介紹，智能閥所采用的執行器是氣動閥或電動閥。這一類執行器因其會受到執行動力源供應和執行機構結構等使用條件的制約，使智能閥的普及應用受到限制。然而電動節流自力閥可以用作智能閥的執行器元件，從而可以推動智能閥普及應用的進程。

      6.3 機械傳感調節自力閥系列

     機械傳感調節自力閥系列產品由自力閥與輔助機構機械傳感調節閥門定位器組成。該閥借助機械敏感元件（如柱塞滑閥的活塞與給定彈簧的組合等形式），接受調節對象的壓力、液位或溫度變化的信息，并按一定機械力的規律將其轉換成操作信號，驅動閥門定位器輸出操作指令信號，使之調節閥能根據調節對象的給定工藝參數進行自動調節。該系列自力閥可開發的產品有很多。

      ①減壓自力閥：其功能是能在無級調節情形下，節流調節控制閥后流體的壓力穩定。
      ②卸壓自力閥：其功能是節流調節控制閥前流體的壓力穩定。
      ③**自力閥：是一種先導式**閥。由壓力傳感調節閥門定位器與截止自力閥組合成。因其在采用起跳給定壓力彈簧的參數值可以比常規**閥所采用的小，為此這種**閥的靈敏度高，復原性好?？梢灾谱鞒筛邏汉痛罂趶降?*閥。
      ④液位調節閥：由浮桶式液位傳感調節閥門定位器與自力閥組合成?？梢詫θ萜鲀鹊囊何贿M行調控。該種液位自力閥產品，已用于一種名為“乳化油自動比例添加器”的自力式自動調節系統產品中，作為一個高壓自動補水工藝中的液位調節單元應用。

      7 自力閥用途

      7.1 普及自動化控制技術

     由于自力閥執行機構的調節動力信號源能自給，這種信號源是流體在閥前后或閥內外的壓差能，這種壓差能可以小到0.02MPa，由此自力閥的安裝使用成本可以與通用閥一樣，就如同手動閥那樣經濟、方便和廣泛地在管道上安裝使用。流體調節工藝自動控制系統領域應用中，一切先進的傳感調節技術都是在通過閥門定位器向調節閥的執行機構輸出調節信號來實現的。自力閥作為自動控制執行器因采用了輔助機構閥門定位器這種技術，由此可以使一些先進的自動控制工藝也可以在管道流體控制工藝中得到普及應用。如可以應用電動自力閥對城市水、氣、汽的輸送管網建立中央程控系統等的工藝自控系統。

      7.2 設計高參數的閥門

     自力閥設計時可以不受不平衡力參數的制約，設計出大通徑和高壓力的自力閥，也可以設計出高溫參數的自力閥。而此時閥門定位器調節執行動力均〈1J。由此對閥的操作可以做到省力快捷。

      7.3 性能好

     自力閥主體中的調節閥采用閥瓣為關閉件，這是閥類中結構較為簡潔，關閉性能良好，使用壽命長的關閉件。還有自力閥在執行調節中活塞執行機構與閥瓣都是浮動在調節動力信號中，做到無支點的調節。由此，自力閥可以得到調節靈敏、**可靠和調節質量高的性能。因自力閥的執行機構是在浮動無損工況下進行工作的，由此自力閥還能具有使用壽命長，維護保養少的特點。自力閥結構簡單，制作成本接近于一般同規格的截止閥，作為自動閥體系來說，其制作成本可屬于低水平的一種，使之在閥門市場上具有相對的價格競爭優勢。

      8 結語

     自力閥是以調節閥為主體，閥門定位器為輔助結構的模塊式組合。自力閥的主體只是3種形式，而變換閥門定位器的品種則可以組合出10多種調節工藝品種的多種規格自力閥系列產品來。由此自力閥結構有利于工業產業化和規模集約經營生產。