中高精度定量阀的优化设计.pdf

5 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 42， No ． 8， 2 01 4 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 0 80 0 5 2一 o 4 中高精度定量阀的优化设计 王博 ， 汤伟 ， 一 ， 刘庆立 ， 王樨 1 ． 陕西科技大学轻工与能源学院， 陕西西安 7 1 0 0 2 1 ； 2 ． 陕西科技大学工业 自动化研究所， 陕西西安 7 1 0 0 2 1 摘要 针对原定量阀投入现场应用过程中存在的问题 ， 采用新的机械结构设计了电动执行器。步进电机插入精密行 星减速机减速增力驱动阀芯旋转 ， 在减速器输出轴上布置有机械限位装置及同步带轮， 阀门回讯器与传动轴线平行布 置， 通过同步带传动指示并反馈阀位。与阀位检测反馈机构沿传动轴线布局的结构相比减小了长度尺寸及重量， 在直管 道上安装时所受弯矩小 ， 产品更加精巧， 布局更合理。该阀门已经在浙江富阳一造纸机上使用， 取得了良好的控制效果 和经济效益。 关键词 高精度定量阀； 电动调节阀； 执行器； 优化设计 ； 造纸机定量控制 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 1 1 Op ti ma l D e s i g n o f Me d i u m Hi g h - P r e c i s i o n Qu a n t i t a t i v e Va l v e f o r B a s i s We i g h t Co n t r o l o f P a p e r M a c h i n e WA N G B o ， T A N G We i ， L I U Q i n g ． 1 i ， WA N G X i 1 ． F a c u l t y o f L i g h t I n d u s t r y＆ E n e r g y o f S h a a n x i U n i v e r s i t y of S c i e n c e＆T e c h n o l o g y ， X i a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a ； 2 ． I n d u s t ri a l A u t o m a t i o n I n s t i t u t e of S h a a n x i U n i v e r s i t y of S c i e n c e＆T e c h n o l o gy， X i a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e e x i s t i n g B a s i s We i g h t Valv e h a s s o me f a u l t s i n t h e s t r u c t u r e ， n e w e l e c t ri c al v alv e a c t u a t o r w a s d e s i g n e d b y u s i n g n e w me c h a n i c al s t ruc t u r e ． T h e s t e p p e r mo t o r w e r e fi t t e d o n p l an e t a r y r e d u c e r ， a n d d ri v e t h e v alv e c o r e r o t a t i n g ． T h e u l t i ma t e ma e h i n e r y d e v i c e a n d s y n c h r o n i z i n g p u l l e y w e r e i n s t all e d o n t h e g e a r b o x o u t p u t s h a f t ， p a r all e l t o t h e t r a n s mi s s i o n s h aft e q u i p p e d w i t h l i mi t s wi t c h b o x ， a n d d ri v e b y s y n c h r o n o u s b e l t ． C o mp a r e d t o t h e s c h e me wh i c h f e e d b a c k s y s t e m i n - l i n e wi t h t h e d r i v e a x l e ， i t S d e c r e a s e t h e l e n h and w e i g h t ， a n d h a s s mall e r b e n d i n g mo me n t w h e n i n s t all e d i n t h e v e r t i c al p i p e l i n e ， t h e p rod u c t W as mo r e i n - g e n i o u s a n d t h e l a y o u t a r e m o r e r e a s o n a b l e ． Th e p r o d u c t s d e v e l o p e d h a v e b e e n u s i n g i n a p a p e r ma c h i n e i n F u y a n g C i t y ， Z h e j i a n g p r o v i n c e a n d s a t i s f a c t o r y c o n t rol p e r f o r ma n c e a n d e c o n o mi c b e n e fi t are o b t a i n e d ． Ke y wo r d s h i gh p r e c i s i o n b a s i s w e i g h t q u ant i t a t i v e c o n t r o l v al v e ； e l e c t ri c al v a l v e ； e l e c t ri c al v al v e a c t u a t o r ； o p t i m al d e s i gn； b a - s i s we i g h t c o n t rol o f p a p e r ma c h i n e 1 前言 纸张定量是抄造过程 中的重要参数 ， 定量控 制常采用定量阀调节上网绝干浆量的方法来实 现⋯ ， 即在浓度稳定 的前提下 ， 通过调节 中浓 浆 流量来调节成纸定量。对于车速小于 4 5 0 m ／ m i n 的中低速纸机 ， 流送部多配置高位箱 ， 定量调节全 靠安装在 高位箱 出 口处 的高精度 定量 阀 流量 阀 来实现 如 图 1所示 ， 定量调节精度主要取 决于定量阀本身的精度。由于 国产电动调节阀精 度较低 ， 精度一般只有 1 0 0步左右 ， 难 以满足定量 调节的要求 ， 所 以通常采用 Me t s o和 B T G公 司垄 断生产的高精度阀门 ， 一般具有 1 5 0 0 0 2 0 0 0 0步 的精度 J 。可是， 这类产品价格十分昂贵， 一般 每台售价 1 5万到 2 0万元 ， 令 国内诸多造纸厂望 而却步。 收稿 日期 2 0 1 3一 O 1 0 7 修稿 日期 2 0 1 40 6 2 5 基金项 目 国家国际科 技合 作计 划项 目 2 0 1 0 D F B 4 3 6 6 0 ； 陕西 省科 技统 筹计 划项 目 2 0 1 2 K T C Q 0 11 9 ； 西 安市 未央 区科 技项 目 2 0 1 3 1 1 ； 陕西省科学技术研究发展计划项 目 2 0 1 4 k 0 7 2 2 ； 温州市对外科技合作 交流科技计划项 目 H 2 0 1 0 0 0 9 7 ； 陕 西 科技大学校科研基金的资助项 目 Z X1 1 2 5 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 流体机械 5 3 对于车速大于 4 5 0 m ／ m i n的中高速纸机， 上 浆流量更大， 采用高位箱的重力势能供浆难以满 足流量要求 ， 通常采用变频器调节上浆泵转速的 方法来实现 ， 采取变频器精调 ， 定量阀粗调的调节 方式 ， 因此对定量阀的调节精度要求不像高位箱 系统那样高 。实践表 明 精度为 2 0 0 0～5 0 0 0步的 定量阀能够满足变频上浆系统定量调节的需求。 然而这种精度的定量阀尚属空档 ， 国外罕见 ， 国内 也难 以找到。因此研制精度 为 2 0 0 0～5 0 0 0步 的 中高精度定量 阀 ， 以满 足车速大 于 4 5 0 m ／ m i n的 中高速纸机定量控制的要求 ， 具有广 阔的市场前 景。课题组针对这一现状 ， 研制了高精度定量阀， 价格相对低廉 ， 已经在造纸厂试用 ， 精度上完全满 足定量控制的需要 ， 但是存在着一些不足 ， 因此需 要对阀门执行器进行优化设计 ， 使产品更加完善 。 2 高精度定量阀的应用 如图 1 所示上浆泵变频供浆 ， 成浆池较浓 的 纸浆与网下 白水混合 ， 由浓调 阀调节添加 白水 的 量 ， 使浆浓达到设定值 ， 由上浆泵送人白水桶进一 步稀释 ， 再由冲浆泵将浆料送人流浆箱 。浓调 阀 调节加入送浆管路的白水流量， 保持浆料浓度的 稳定 ； 上浆泵 由变频器驱动 ， 通过变频器输 出频率 的变化精确的调节送浆量 ， 定量 阀起 到粗调 的作 用。送浆管路上安装有浓度计 和流量计 ， 根据浆 料浓度和流量的乘积计算出进人流浆箱的绝干浆 量 ， 实现对纸张定量 的精确控制 l 5 J 。 白水 2 变频器 定量阀 压力筛 图 1 上浆泵变频供浆工 艺流程 定量阀接人工厂的 P r o fi b u s D P控制网络， 使 用分布式 网络进行组态和监控 J 。C P U 3 1 5 D P 为控制主机作为主站 ， 将阀门控制器配置为从站 ， 接收主站的开阀、 关阀信号， 并将阀门的信息如阀 位、 报警信息发送至主站， 组态监控的工控机也挂 在 D P网络上进行整个工段的监控 。如果希望增 加阀门的开度， 定量阀控制器将开阀信号转换成 步进电机的开阀脉冲信号， 驱动步进电机向开度 增大的方 向旋转 ； 反之 ， 若要减小阀门开度 ， 则发 送关 阀脉冲信号 ， 步进电机反转 ， 经过精密减速器 带动阀杆关小阀门。 阀门采用 电机、 传动及检测元件 同轴线布局 的方案 J 。执行器采用步进 电机驱动 ， 步进电机 的输出轴伸入精密减速机传动， 经过减速增力将 旋转运动传递到阀杆， 使阀杆产生 0 。 ～ 9 0 。 的转 角 ， 步进电机后输 出轴的另一端连接有盘车用 的 手轮， 以方便在检修、 停电状况下使用手摇开关 阀。与减速器连接有上联轴器 ， 与上联轴器连接 有减速器的传动轴 ， 传动轴上安装有与其 同步转 动的摆臂和同步带轮 1 ， 传动轴外部设置有全开 位置检测开关、 全关位置检测开关、 正向超程保护 开关 、 反 向超程保护开关 ， 其 中全开位置检测开关 和全关位置检测开关为光电开关 ， 二者 的光轴间 隔为 9 0 。 ， 正 向超程保护开关 和反 向超 程保 护开 关为机械行程开关 。执行器 内安装有精密角位移 传感器， 将阀位变换成 0～1 0 V信号传递到控制 器 J 。研制 的产 品机械结构和三维造型如图2所 示 。 图 2 电机 、 传动及监测反馈兀 剑l 司轴线布局 为了提高定量阀的精度 ， 采用 了如下策略 1 定量 阀选用高性能步进 电机驱动 ， 具 有 良好 的 “ 脉 冲 一步 距 ” 特 性 ， 不 容 易 产 生 失 步 现象 。 2 每一次 脉冲发 送均采 用 S型加 减速 策 略 ， 从控制程序上保证阀门的平稳加减速 ， 降低传 动的冲击 ， 减小失步的可能 。 5 4 F L U I D MACHI NE RY V o 1 ． 4 2， N o ． 8， 2 0 1 4 3 针对可能存在的机械传动间隙 ， 从两方 面予以解决。一方面选用高精度机械传动组件， 选用近乎无间隙的精密减速器、 高 刚性 同步联轴 器减小传动误差。另一方面， 针对确实存在的传 动间隙， 采用软件补偿策略， 在阀门改变旋转方向 时 ， 加上传动回差对应 的驱动脉冲个数 ， 使机械间 隙得到了相应的补偿 。 在采用了以上诸多策略基础上 ， 阀门的精度 得到了充分的保证 ， 经实际测试具有 4 0 0 0步的精 度 ， 经过在富阳一造纸厂使用表明这种结构 的阀 门在精度上完全满足使用需要 。但是阀门存在着 一 些不足 ， 最显著 的特征是 总体 长度较长 ， 重量 大 ， 略显笨重的问题 。采用这一布局方案， 在传动 轴线上布局元件较多 ， 阀门的长度尺寸较大 ， 执行 器几何尺寸为 3 4 7 m m 7 5 0 mm， 重量为 8 2 k g 。定 量 阀往往安装在竖直管道上 ，阀门水平伸 出， 重 力弯矩对阀门影响大， 为了保证传动精度， 需要较 厚实的壳体及框架结构支撑传动轴 ， 以减少变形 ， 因此阀门所用材料较多， 重量比较大。因此将 主 要的优化 目标集 中在通过优化机械结构来减小执 行器几何尺寸和重量上 ， 力求达到近似于 国外同 类产 品的水平 。 3新型定量阀结构设计 新型定量控制执行器的关键技术是在保证执 行器精度的前提下通过合理的机械布局调整， 进一 步减小阀门的几何尺寸和重量， 使 阀门更加精巧 ， 提高阀门工作的可靠性。机械优化 的目标是几何 尺寸 高度 减小 3 0 ％以上， 重量减小 2 0 ％以上。 课题组设计了2种方案， 均能满足几何要求。 3 ． 1 电机、 传动轴、 检测元件平行布局 如图 3所示 ， 为了进一步减小阀门的长度尺 寸， 将电机、 传动轴及 检测 元件平行 布局。减速 器、 联轴器及 阀杆位于主传动轴线上 ， 步进电机位 于传动轴线左侧， 两者的法兰均固定在支撑板上 同向布置， 安装有同步带轮传递旋转运动。检测 反馈装置布置传动轴线右侧 ， 通过 同步带连接 到 阀门回讯器的传动轴回馈阀位信号。阀门执行器 的总体尺寸为 4 0 0 mm 3 8 0 m m， 高度尺寸大幅减 小 ， 相 比原方案减小 了近大半 。电机位于减速器 安装板之下 ， 因此节约了阀门在高度方向的尺寸 ， 但是伴随产生了两个难 以解决 的问题。首先是散 热 ， 在湿部环境 中滴水、 淋水 比较常见 ， 为了提高 防护等级 ， 通常将壳体做成全封闭的， 步进电机在 运行时会产生大量的热量， 又安装在壳体内部， 内 部空气相对静止 ， 难以对流传热 ， 仅仅靠辐射和传 导带走的热量有限 ， 不能满足 电机 的散热需求 。 其次是同步带的张进问题， 同步带是由橡胶材料 制成 ， 有一定的弹性 ， 在使用一段时间后会产生变 形， 需要定期张进同步带， 如果传动带松弛之后就 不能够传递足够的扭矩 ， 易产生丢步现象。鉴于 造纸行业对设备的可靠性有着极高的要求 ， 设备 最好具有免维护性 ， 因此这一方案不完美 ， 需要进 一 步改进 减速器同步带轮 精密 减速机 步进 电机 同步带轮 步进 电机 反馈主 同步带轮 限位器 联 轴器 阀杆 器 图 3 新型高精度定量 阀结构 3 ． 2 电机 、 传动轴 同轴 ， 检测元件平行布局 针对图 3所示方案存在的不足 ， 也借鉴它的 优点。结合高精度同步传动的要求， 将步进电机 的输 出轴插入行星减速器 的轴套内锁 紧， 电机 的 法兰和减速器法兰紧密结合 ， 电机坐在减速器之 上。减速器的输出轴通过联轴器连接到调节球阀 的阀杆 ， 实现旋转运动的传递。此方案相 比原方 案 ， 将 限位机构压缩、 精简 了一个联轴器 ， 阀位反 馈指示装置平行于主传动链布置 ， 节省 了长度尺 器 器 轮 图4 新型高度定量阀结构 步进电机位于执行器箱体之外， 散热情况好 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 流体机械 5 5 转 ； 也 省去 了同步带轮 ， 免除 了同步带松 弛的隐 患 。以 D N1 2 5阀门 配用 的执行 器 几 何 尺 寸 为 3 6 6 m m 4 6 6 m m， 重量为 6 2 k g 。实现了预定的几何 尺寸、 重量指标 ， 经实际加工的样机检测 ， 阀门的精 度为 4 0 0 0步 ， 能够满足纸张定量控制的要求。 1 阀位现场指示及反馈装置设计 阀位的指示和检测装置看似与阀门的精密运 行关系不大 ， 但是这一机构是定量 阀中最难找到 合理解决方法的一个环节。因为减速器的轴通过 联轴器直接与阀杆连接 ， 中间没有显示 阀位的合 适空间。原方案使用联轴器将减速器的输出轴连 接到阀位检测机构再 经过另一联 轴器输 出到阀 杆 ， 连接 阀位检测机构 的轴还承担着传递扭矩 的 作用 ， 因此轴 占用 了长度方向尺寸 ， 对执行器重量 的影响也不小。在研究 了多种方案之后 ， 终 于找 到了解决办法， 将 阀杆 的转动 同步转 移到执行器 的横 向， 在主传动链 的右侧布置阀位 现场指示及 检测装置 。减速器的输 出轴上设有主 同步带轮 ， 主同步带轮通过 同步带 连接至从 同步带轮 ， 从 同 步带轮上安装有连接轴 ， 主同步带轮 和从 同步带 轮齿数相等， 并通过 同步带的同步传动保持转角 一 致 ， 通过 回讯联轴器连接到阀门回讯器用 以检 测 、 指示 、 反馈阀位。 2 机械限位装置设计 机械限位装置是为了防止执行器过度旋转损 坏阀芯或密封面。为 了节省长度空间 ， 将 限位装 置安装在执行器壳体 内部 ， 出厂时 已经设定 到合 适状态 ， 一般不需要再进行调整 。机械限位装置 的硬限位块安装在减速器的输 出轴上 ， 在硬 限位 块外设置有与限位块关轮廓线配合限位的关限位 螺栓和与 限位块 开轮廓线 配合 限位 的开限位螺 栓 ， 关 限位螺栓安装在有螺纹的限位板上 ， 开限位 螺栓安装在有螺纹的限位板上 ， 限位板安装在壳 体上。限位块为渐开线轮廓 ， 并 与减速器输 出轴 同步转动。 图 5为阀门在全关位置状态 ， 限位块的关 轮 廓线到旋转 中心的半径逐渐增大 ， 若 阀门继续向 关的方向旋转， 限位块的关轮廓线会碰到关限位 螺栓 ， 将阻止阀门的继续转动 。 图 6为阀门在全开位置状态 ， 限位块的开轮 廓线到旋转中心的半径逐渐增大， 若阀门继续向 开的方向旋转， 限位块的开轮廓线会碰到开限位 螺栓 ， 将阻止阀门的继续转动。调整 限位螺栓在 限位板 中拧人的深度能够调节限位的行程 。 图 5 全关位置限位 图 6全开位置 限位 3 其他装置设计 为了提高阀门的防护等级， 在电机 的外面安 装有防护罩 ， 以适应造纸湿部 的潮湿 、 滴水环境 ； 为 了解决阀门在停电或者是检修状态下的人工开 阀、 关阀的问题 ， 还在电机的输出轴上安装有用 以 盘车的手轮 ， 以备停车时使用。 4结语 本课题设计的中高精度定量阀， 相 比原方案 更合理 ， 结构更精巧， 成本更低 ， 可全部采用国内 元件进行制造 ， 配 以精密的机械加工和装配能达 到 4 0 0 0步精度 ， 能够满足定量调节要求 ， 能完全 满足纸张定量控制的要求。由于国产化能够大幅 降低生产成本 ， 能够以价格和质量优势赢得市场 ， 现 已经进入大量推广应用阶段 。 参 考文献 [ 1 ] 郭雅飞， 汤伟， 王孟效， 等． 稀释水流浆箱的横 向定 量控制及其算法 探究 [ J ] ． 计 算机测量 与控制， 2 0 1 3 ， 1 7 5 4 9 4 5 - 9 4 7 ． [ 2 ] B T G集团． V B w- 1 1 1 0定量阀产品介绍 [ R] ． 德国， 2 011 ． [ 3 ] 美卓 自动化 耐莱斯阀门公司． N e l e s A C E T M定量 控制单元安装、 维护及操作说明[ R] ． 芬兰， 2 0 1 3 ． [ 4 ] 王敏． 纸机定量阀电子控制单元的国产化改造及应 用[ J ] ． 华东纸业， 2 0 1 1 ， 4 2 5 1 7 - 2 7 ． [ 5 ] 杨海燕 ， 侯顺利， 牛绪钟． 稀释水水力式流浆箱的控 制探索[ J ] ． 纸和造纸， 2 0 1 3 ， 3 2 4 4 - 7 ． 下转第 8 3页 2 0 1 4年第 4 2卷第 8期 流体机械 8 3 从图 1 0 、 1 1可以看 出， 不论孔数多少都有 串 联时出口处温度和速度高于并联时的出口温度和 速度 ， 并随着放热时 间的推移两者的差异逐渐缩 小 ； 或者说 ， 若想达到相同的终温 ， 串联时会延迟 更长的时间。这是因为在总的蓄热量相同时串联 时孔道加长的结果。关于换热量 ， 如 图 1 2所示 ， 它与图 1 0 、 图 1 1 表现的规律有所不 同， 并联组合 较串联组合的放热量会随着孔数的增加和时间的 推移而先大后小。这也说明并联时放热速率更大 些 ， 而不如串联时来的平缓 。 7结语 与相变式蓄热装置相比， 由于固体蓄热装置 具有结构简单 、 运行简便、 安全可靠 、 造价低廉 的 特点 ， 其应用也在得到业 内人士 的重视。通过 以 氧化镁 固体为例进行 了在不同放热孔数下模 型的 建立 ， 以及在给定 的蓄、 放热初 、 终温度下进行的 蓄 、 放热特性分析 ， 给出了达到蓄热稳定状态下孔 数越多其所需蓄热 的时间越短 ， 故有利于快速蓄 热 ； 而在放热过程中又给 出了各种孔道中气 流的 温度 、 流速及换热量随孔道数和时间变化的关系 ； 并根据热负荷供需关系进行不同组合 串联或 并联 的分析 ， 得出串联组合时其放热量随时间的 变化稍微平缓些 ， 对均衡放热更有利 ， 但不足之处 可能流动阻力会 大些 。由于篇幅的原 因， 尽管对 系统中风机或水泵的能耗没有进行分析 ， 但 以氧 化镁固体蓄热装置为例所做 的分析 ， 同样适用于 其他不同固体蓄热材料。这些结论可为在相关领 域中科学、 合理的应用提供了必要的理论依据。 参考文献 [ 1 ] 杨志刚． 高温显热蓄热式电暖气的研制及其传热性 能研究[ D] ． 北京 北京工业大学， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 崔海亭， 杨峰． 蓄热技术及其应用[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 白胜喜， 赵广播 ， 董苋． 固体电蓄热装置及经济性分 析[ J ] ． 中国电力， 2 0 0 2 ， 3 5 6 7 9 8 0 ． [ 4 ] 张培亭， 黄怡珉． 电热固体蓄热装置蓄热过程的试 验研究[ J ] ． 应用能源技术 ， 2 0 0 4， 6 3 1 _ 3 4 ． [ 5 ] 赵广播， 董苋， 白胜喜， 等． 电热固体蓄热装置放热 过程的试验研究． 电站系统工程 ， 2 0 0 3 ， 1 1 1 3 ． 1 4 ． [ 6 ] 培克曼 G， 吉利 P V ． 蓄能技术及其应用[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 7 ] 陶文铨． 数值传热学[ M] ． 西安 西安交通大学出版 社 ， 2 0 0 1 ． 5 ． [ 8 ] 胡思科 ， 郭克寅， 李红贞． 电站循环冷却水系统多泵 变速运动 台数优选[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 45- 49． [ 9 ] 胡思科， 宋丽静 ， 高慧芬． 大型机组滑压运行时锅炉 给水泵 的调节特性分析 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 9 1 8 - 2 2 ， 3 2 ． [ 1 O 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男 ， 实验师 ， 在读博士研究 生， 主要 研究方 向为光机 电一体化 产品研制 ， 通 讯地址 7 1 0 0 2 1陕西西 安 市未央大学园区陕西科技大学机 电学 院办公室 3 0 5室。