调节阀流量系数与可调比关系的研究
&技术专栏:
&&&文章标题：调节阀流量系数与可调比关系的研究
作&&者：程怀济 鞍热工装自控仪表有限公司
摘&&要：从实际使用要求出发，讨论了调节阀流量系数与可调比关系，提出把可调比看作流量特性曲线的特征参数，在此基础上，指出国家标准和IEC标准对流量系数偏差规定的区别，并通过相应计算得出国内现有标准及产品设计中存在的不足之处。
关键字：调节阀 流量系数 可调比
&&&&& 调节阀有两种基本的流量特性：
&&&&& 线性流量特性&&&&Ф=Ф0+[（R-1）/R] ＊h（1）
&&&&& 等百分比流量特性&&Ф=Ф0Rh （2）
&&&&& 式中：&&&&& Ф为对应某开度时的流量系数&&&&& R为可调比&&&&& h为相对开度&&&&& Ф0为h=0时的流量系数。
&&&&& 按照传统的解释，可调比R是指所能控制的最大流量和最小流量的比值，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&& R=最大控制流量/最小控制流量=Qmin/Qmax（3）
&&&&& 在设计调节阀时，需先设定一个R值，然后计算各开度下的流量系数Ф，以此作为设计阀芯曲线或套筒窗口的依据。国内调节阀行业的两次统一设计，都是在设定R=30前提下，计算出了各开度对应的流量系数理论值（见表1）。
表1 R=30调节阀各相对开度的流量系数Ф&
&&&&& 从应用角度，希望调节阀的放大倍数KD大一些，而KD与可调节比R有关，
&&&&& 线性特性&&&& KD=（Qmin/L）＊（R-1）/R&&&& &&&& &（4）
&&&&& 等百分比特性&&&KD=（Qmin/L）＊InR＊R h-1&&&&&&（5）
&&&&& 式中：L为全行程开度。可以看出，增大KD，应提高R值。因此，制造厂都都将可调比大于某一数值作为一项性能指标予以标明。但是调节阀R值越大，设计制造难度越大。对单、双座调节阀，若R值过大，阀芯制造时会在90%~100%开度范围内产生根切现象；对套筒调节阀，若R值太大，在90%~100%开度范围内会因窗口尺寸过宽而无法制造。这些都限制了R值的提高。
&&&&& 制造厂是在R=30前提下设计制造出调节阀产品，但对调节阀产品实际R值是多大、它与R=30的偏差等问题，目前尚未引起人们的重视。由于，设汁人员对R值的认识仅局限在Qmax和Qmin的比上，而Qmin只是个理论上存在的数值，无法进行测量，因此认为实际可调比也是无法计算的。在目前见到的有关调节阀的资料中，尚未看到这方面的论述。国内外调节阀的标准中，也未提出对R值的测量、计算和考核办法。这是由于对可调比概念的片面理解所造成的，现在有必要从可调比与流量系数的关系入手作进一步探讨与研究。
&&&&& <FONT color=# 可调比与流量特性曲线的关系
&&&&& 从流量系数的计算公式可以看出，R值取决于Qmin，但它决定了任意一个相对行程时的流量系数值。因此，无论从调节阀的设汁、制造和应用角度讲，这一点都具有很重要的实际意义。因为，任何调节阀都不可能使用在它的最小开度，也就是不会用其Qmin来工作，大量的使用场合是在某一开度（一般在全行程的20%—80%）上对流量进行控制。此时，调节阀的流量系数大小决定了调节阀的工作开度，流量系数相对于行程的变化量决定了调节阀的放大倍数，这些均与R值有关。因此，不能简单地从Qmax和Qmin的比去理解R值，而应当把R值看作是整个流量特性曲线的一个特征参数。
&&&&& 分析式（1）、式（2）与式（3）、式（4）可以看出，尺值变化对线性流量特性影响不大，特别在R&&1时，Ф与KD均与R值无关；对等百分比特性影响则较大，因此本文讨论R值对流量系数的影响仅限于等百分比特性。
&&&&& 当R值作为流量特性曲线的一个特征参数时，可以设想将全行程的流量特性曲线看成由几个不同R值决定的几段流量特性曲线组合而成。在0~80%开度时，R值取大一些，使调节阀在工作行程范围内有足够的R值，也就是有足够的放大倍数。在80%~100%开度范围，R值取小一些，使调节阀制造过程中，阀芯曲线和套筒开窗都容易实现。提高工作开度下的R值，也可以作为在调节阀设计中探索提高流通能力的一个途径。分段取不同的R值这一思想，已从IEC534-2-4（草案）和国外一些调节阀流量系数表中体现出来，这时可调比的含义已经不再是Qmax和Qmin之比了，它应当作为流量特性曲线的一个特征参数被认识、被研究。
&&&&& <FONT color=# R值计算方法
&&&&& 调节阀实际可调比R值是可以计算出来的。根据公式（2）可推导出
&&&&& InФ=InФ0+h＊InR&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &（6）
&&&&& 在InФ—h坐标系中，等百分比流量特性曲线是一直线，R值实际上决定了该直线的斜率。实际测量一台调节阀的流量特性，可以得到若干组（Ф，h）数据，由于制造和测量的误差，这些测量值在坐标系中呈近似直线分布，并认为这条近似直线就是这台调节阀的实际流量特性曲线。要得到这样一条直线，并使其最接近坐标系中的这些点，建议用最小二乘法求解。
&&&&& 在测量一台调节阀于不同开度时的流量系数时，可以得到相对行程和流量系数的K组数据，代入公式（6）得到方程组
&&&&& InФ1=InФ0+h1＊InR&&
&&&&& InФ2=InФ0+h2＊InR&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&& （7）
&&&&& ..............
&&&&& InФi=InФ0+hi＊InR&&&
&&&&& 式中，Ф0，R为这台调节阀的实际值，可从方程组（7）中用最小二乘法求其近似解：
&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&& （8）
&&&&& 一般情况下取10个开度进行测量，即hi分别取0.1，0.2，0.3，…，1.0。此时有
&&&&& 带入式（8）则有
&&&&& InR=0.545*In（Ф10/Ф1）+0.424*In（Ф9/Ф2）+0.303*In（Ф8/Ф3）+0.182*In（Ф7/Ф4）+0.061*In（Ф6/Ф5）& （9）
&&&&& 将测量所得流量系数Фi代入公式（9），即可解出该台调节阀的实际可调比R值。若将表1中等百分比流量系数的理论值代入公式（9），即可反算出R=30。按式（9）解出的是全行程的可调比，为了准确了解调节阀在工作段的可调比，hi可分别取0.2，0.3…，0.8，即
&&&&& 则有
&&&&& InR=1.07*In（Ф8/Ф2）+0.714*In（Ф7/Ф3）+0.357*In（Ф6/Ф4）&&& （10）
&&&&& 代入20%~80%开度时的各流量系数，可以得到该段流量特性的R值。同样，将表1中理论值数据代人式（10），也可反算出R=30。由于式（9）、式（10）中Ф值都是以比值形式出现，无论用绝对流量系数或相对流量系数计算其结果都是相等的。因此，用来计算R值是很方便的。同样，当需要计算任意段流量特性曲线的R值时，都可以推出相应的计算公式。
&&&&& <FONT color=# 国内外一些调节阀R值的比较
&&&&& 依据式（9）用国内统一设计的双座调节阀和联合设计的套筒调节阀，以及Fisher公司的ED型套筒阀的流量系数计算想应的R值，其结果见表2~表4。
表2 双座调节阀流量系数Ф值及R计算值&
表3 套筒调节阀流量系数Ф值及R计算值&
表4 Fisher公司ED型套筒阀流量系数Ф值及R计算值&
&&&&& 从表中可以看出，尽管双座调节阀和套筒调节阀在设计时预先设定R=30，但实际生产的各种规格的调节阀其R值是不相同的。
&&&&& 比较表2、表3这两个系列调节阀的R值可以看出，双座调节阀各种规格的R值偏差较大，套筒调节阀各种规格的R值偏差较小。这与两种阀设计时对流量特性采用不同误差判定标准相吻合，双座调节阀以最大流量值的10%作为每个行程流量值的偏差范围，而套筒阀采用国际IEC标准中的斜率法计算流量特性偏差的方法。显然，后一种方法较前一种方法更能保证R值达到设计要求，这也说明了IEC标准斜率法的先进性。
&&&&& 比较表2、表3、表4还可以看出，国产调节阀的R值比国外调节阀小，国内双座阀R=30.5、套筒阀R=36.2；Fisher公司ED型套筒阀R=45.9。
&&&&& 再按式（10）计算国内套筒阀和Fisher公司ED型套筒阀在工作行程段（h=0.2~0.8）时的R值，并与全行程时的R值相比较，结果见表5与表6。可以看出，国产套筒阀工作行程段的R值和全行程R值接近，无显著改变，R=34.2，而Fisher公司套筒阀在工作行程段的R值明显高于全行程的R值，R=60.5。
表5 国产套筒调节阀R值&
表6 Fisher公司套筒阀R值&
&&&&& 提高工作行程段的R值，其优越性在于它能更好地满足自控系统的需要，还能提高80%开度时的流量系数值，从而使全开时阀的流通能力有较显著的提高。通过对R值的分析比较，说明了国内外调节阀在设计水平上存在一定的差距。
&&&&& <FONT color=# 对IEC534-2-4（草案）的理解
&&&&& IEC 534-2-4（草案）第3.3款对等百分比流量特性作了如下规定：
&&&&& “在h=0.2和h=0.8之间，任意两个相邻流量系数发表值的对数之间的差值应在0.13和0.2范围内”。“低于h=0.2这两个值相应为0.13和0.25；高于h=0.8，此值应相应为0.03和0.2”。
&&&&& 这里作为流量特性偏差范围的选取，应当看作是按R值的变化范围决定的，试计算
&&&&& R=20，0.1 X logR=0.13&&&&& R=100，0.1 X logR=0.20&&&&& R=300，0.1 X logR=0.25&&&&& R=2，0.1 X logR=0.03
&&&&& 也就是说，流量特性偏差实质上是分段限制R值的变化范围，即
&&&&& h=0.2~0.8，R=20~100&&&&& h=0.8~1.0，R=2~100&&&&& h=0~0.2，R=20~300
&&&&& IEC的这一规定正是体现了将R值作为流量特性曲线的一个特征参数，并实现了在全行程范围内可以取不同R值这一设计思想。而国标GB 4213-84《气动调节阀通用技术条件》在这个问题上是和IEC标准存在一定差异的。深入讨论R值及流量系数的关系，无论对设计、制造、应用调节阀都有一定的意义，对加强调节阀的基础理论研究，提高我国调节阀设计制造水平，都是十分必要的。
&&&&& 参考文献
&&&&& 1 余善富 气动执行器 北京 机械工业出版社 1982&&&&&&2 程贺 调节阀放大倍数的估算 自动化仪表 1988年&&&&& 3 施俊良 调节阀的选择 北京 中国建筑工业出版社 1986&&&&& 4 GB 4213-84 气动调节阀通用技术条件
阅读：10139&次&&发表：& &
，以供随时在线阅读。
(媒体)&&热线：&&
. All Rights Reserved ..52418人问过
48179人问过
40187人问过
28871人问过
近一季收益率29%
大摩多因子策略股票基金年平均收益30%以上。
近一季收益率28%
财通可持续发展主题股票近一年收益率高达50%以上。
近一季收益率28%
军工主题基金强势拉升，长盛航天海工混合排名靠前。
近一季收益率20%
中邮战略新兴产业股票年平均收益高达88%。}