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高压气动球阀状态监测与性能评估研究

本文以流体输送系统中广泛应用的高压气动球阀为研究对象,对球阀进行了状态监测和性能评价,构建了球阀状态监测实验系统,并进行了实验研究。对球阀的性能进行了分析和评价,得到了球阀的进、出口压力和阀门执行器的旋转角等信息。


1 高压气动球阀工作原理

图1为某流体传输系统中的高压气动球阀。

图1 气动球阀实物

它由球阀本体和气动执行机构等组成,如图2所示。

气动球阀的组成

1.阀体 2.球体 3.密封座 4.密封垫 5.气缸支架 6.气缸 7.回讯装置支架 8.回讯装置
图2 气动球阀的组成

以采用活塞拨叉式气动执行机构的球阀为例介绍其工作原理,如图3所示。当控制气体从气缸左端进入时,推动活塞右移。固定在活塞上的销带动拨叉转动,拨叉通过键与轴相连,轴随之转动,通过连接套带动阀杆转动,由此打开或关闭阀门。反之,当从气缸右端通入控制气体,同时另一端放气,则阀门反向运动,关闭或打开阀门。

活塞拨叉式气动球阀执行机构

图3 活塞拨叉式气动球阀执行机构

气路系统组成如图4所示。

气路系统的组成

图4 气路系统的组成

由球阀控制系统发出阀门开启(关闭)指令,控制二位五通电磁阀工作,在其控制下高压气体进入球阀,球阀按照前述原理工作打开(关闭)。

2 球阀状态监测实验系统设计与实现

在阀门开启(关闭)的动态过程中,阀门的转矩特性,即开启(关闭)角与执行器输出扭矩之间的关系是非常重要的。通过测量球阀进出口压力与球阀开(闭)角的关系,分析球阀入口与出口压差与球阀开(闭)角的关系,得到球阀的扭矩特性,从而实现对球阀动态过程和工作性能的分析和评价。

据此设计了一套实验系统,该系统主要由气源、减压阀、截止阀、二位五通电磁阀、球阀等各个部件和球阀状态监测系统组成。控制气体为氮气,压力为5 MPa,如图5所示。

球阀状态监测系统主要包括传感器和信号控制与数据采集单元,传感器包括3个压力传感器和1个位移传感器,3个压力传感器分别实现二位五通电磁阀入口、球阀进气口、球阀出气口处气体压力的测试,直接对球阀转角进行测试较为困难, 因此转化为对直线位移的测试,由1个位移传感器完成测试。信号控制与数据采集系统用于给电磁阀加入启动信号(阶跃信号),并进行数据的采集,采样频率设置为2 kHz。

球阀状态监测实验系统组成

图5 球阀状态监测实验系统组成框图


具体的传感器选型、安装与供电等如表1所示。 图6为测试系统实物图。

表1 球阀状态监测实验系统的传感器选型安装与供电

图6 球阀状态监测实验系统

3 球阀性能分析评估

利用获取的球阀进气口与出气口压力、执行机构转动角度等有关信息,对球阀的性能进行了分析评估。

3.1 二位五通阀性能分析评估

图7~图9分别给出了二位五通阀进气口、球阀进气口和球阀出气口压力情况。

图7 二位五通阀进气口压力

图8 球阀进气口压力

图9 球阀出气口压力

图7中,初始段压力值稳定在5 MPa,说明系统供气压力正常。此时球阀进气口压力为0,出气口压力为5 MPa,球阀处于关闭状态。当发出开阀指令后,二位五通阀动作,实现气路转换,球阀进气口压力为5 MPa,出气口压力为0,进气口与出气口的压力差形成的转矩驱动球阀打开; 当发出关阀指令后,二位五通阀动作,实现气路转换,球阀进气口压力为0,出气口压力为5 MPa,进气口与出气口的压力差形成的转矩驱动球阀关闭。图7压力曲线的两次波动反映了二位五通阀的状态转换,转换时间约为1 s,与该型二位五通阀的标称情况(转换时间小于1 s)基本一致。

3.2 球阀性能分析评估

1) 阀开启和关闭过程中进气口压力变化情况

图10给出了球阀开启和关闭过程中进气口压力变化情况。

图10 球阀进气口压力-阀转动角度曲线

球阀开启过程:当入口压力由0逐渐增加到大约4 MPa时,球阀开始动作。此后球阀逐渐打开,转动角度逐渐变大,直至最终到90°位置限位,之后回弹至稳定角度85°。这一过程中,入口压力稍微降低,但总体变化不大。到稳定角度85°后,压力继续增加直至5 MPa。

球阀关闭过程:当入口压力在二位五通阀的作用下由5 MPa逐渐减少到约1 MPa时,球阀开始动作。此后球阀逐渐关闭,角度逐渐变小,直至最终到-2.2° 位置限位,之后回弹至稳定角度0°。这一过程中,入口压力基本不变,到稳定角度0°后,压力继续降低直至0。

2) 球阀开启和关闭过程中出气口压力变化情况

图11给出了球阀开启和关闭过程中出气口压力变化情况。

图11 球阀出气口压力-阀转动角度曲线

球阀开启过程:当出口压力由5 MPa逐渐减小至约2 MPa时,球阀开始动作。此后球阀逐渐打开,角度逐渐变大,直至最终到90°位置限位,之后回弹至稳定角度85°。这一过程中,出口压力稍微降低但总体变化不大,到稳定角度85°后,压力继续降低直至0。

球阀关闭过程:当出口压力在二位五通阀的作用下由0逐渐增大到约2 MPa时,球阀开始动作。此后球阀逐渐关闭,角度逐渐变小,直至最终到-2.2°位置限位,之后回弹至稳定角度0°。这一过程中,出口压力基本不变,到稳定角度0°后,压力继续升高直至5 MPa。

3) 球阀开启和关闭过程中球阀进气口与出气口间压力差的变化情况

图12给出了球阀开启和关闭过程中进气口与出气口间压力差的变化情况。

图12 球阀进气口与出气口间压力差-阀转动角度曲线

球阀开启过程:初始时进气口压力为0,出气口压力为5 MPa,入口与出口间压力差为-5 MPa。当二位五通阀状态转换后,入口压力逐渐增大,出口压力逐渐减小,入口与出口间压力差由-5 MPa逐渐增至约1.57 MPa时,球阀开始转动,球阀转角至极限值90°。这一过程中,气压差值略有下降。当球阀转角回到稳定值85°后,压差值继续升高直至5 MPa。

球阀关闭过程:初始时入口压力为5 MPa,出口压力为0,入口与出口间压力差为5 MPa。当二位五通阀状态转换后,入口压力逐渐减小,出口压力逐渐增大,入口与出口间压力差由5 MPa逐渐降至约1.57 MPa时,球阀开始转动,球阀转角至极限值-2.2°。这一过程中,气压差值略有下降。当球阀转角回到稳定值0°后,压差值继续下降直至-5 MPa。

4) 阀开启(关闭)时间

图13给出了球阀开启和关闭过程中进气口压力变化情况。

图13 球阀进气口压力

由图13的进气口压力可以大致估算出阀开启(关闭)时间。进气口压力由0~5 MPa的过程(如图A点至B点)就是球阀的开启时间,约为1.22 s;进气口压力由5 MPa到0的过程(如图C点至D点)就是球阀的关闭时间,约为1.12 s。这与该型球阀的标称情况(小于1 s)基本一致。实验中所用球阀为实际系统中淘汰下来的球阀,性能稍差,所以开启(或关闭)时间较长。

5) 模拟故障实验

将一个球阀的阀体取下,与一个正常的球阀的情况进行了对比分析。图14给出了球阀开启和关闭过程中球阀进气口与出气口间压力差的变化情况。左边的图14a是带有阀体的球阀情况,图14b是不带阀体的球阀情况。图中横轴为阀转动角度,纵轴为压力。


图14 球阀进气口出气口间压力差-阀转动角度曲线


由图可见,带有阀体的球阀需要更大的转动力矩驱动,阀开启压力差为2 MPa。不带阀体的球阀需要的转动力矩较小,阀开启压力差为0.2 MPa。从图上两者的对比很明显,据此情况,可以对于球阀卡滞、动作变慢等故障进行诊断。

4 结论

(1) 结合球阀的稳态特性和瞬态特性,利用球阀的进出口压力和球阀的开(闭)角,对球阀的稳态特性和瞬态特性进行了分析和评价。

(2) 在信息采集方面,压力传感器可以测量球阀的进、出口压力,将球阀的开(闭)角转化为线性位移的测量,由位移传感器完成试验。测试系统的组成相对简单,仪器设备比较通用,信号处理部分可以利用现有实际系统的相关硬件(如数据处理终端和一些信号传输链路),易于工程实现。

(3) 在数据处理方面,通过一般的时域分析,可以得到入口与出口之间的压差-阀旋转角曲线,算法简单稳定。

(4) 在性能评价方面,阀门进出口压差和旋转角度曲线能较好地反映球阀工作过程的稳态和瞬态特性,能够准确可靠地评价球阀的性能,特别是动态性能。

(5) 通过对两种带阀体和不带阀体的球阀的对比试验,发现进气道与出口的压差和阀门的旋转角曲线存在明显差异(阀体球阀的压差大于无阀体球阀的压差)。利用这种差异,可以实现球阀的故障分析。在工作流体容易结晶的情况下,球阀与球阀管之间形成的晶体会增加球阀旋转阻力,从而增大球阀入口与出口之间的压差。通过对进出口压力数据的监测,可以及早发现这类故障。因此,可以及时处理,避免阀门开不开(或不开)对流体输送的影响。



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