一、引言

目前，自力壓差調(diào)節(jié)閥不需要額外的能量，利用調(diào)節(jié)介質(zhì)本身的能量引入執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥芯的位置，改變兩端的壓差和流量，使閥前（或閥后）壓力穩(wěn)定，動作靈敏，密封良好，壓力設(shè)定點波動小，設(shè)置檢測、控制、執(zhí)行多種功能，形成獨立的儀表控制系統(tǒng)。根據(jù)閥后、閥前控制分為兩類，即自力閥后（減壓）調(diào)節(jié)閥和自力閥前（減壓）調(diào)節(jié)閥，廣泛應(yīng)用于城市集中供熱、供水、供氣等民用工業(yè)和石油、化工、電力、冶金、紡織等工業(yè)領(lǐng)域，可自動控制蒸汽、液體、氣體、氣體等介質(zhì)。為了方便自力壓差調(diào)節(jié)閥的選擇和維護(hù)，有必要深入探索其基本原理。

對波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥的工作原理和優(yōu)點進(jìn)行了比較。

2、波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和原理

1、結(jié)構(gòu)

波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥由閥體、閥桿、閥芯、波紋管平衡部件、閥座、彈簧、膜片、壓力管組成。波紋管平衡部件的內(nèi)腔與閥門出口相連，而波紋管平衡部件的外腔通過壓力管與閥門入口相連。另一端通過壓力管與閥門出口相連（見圖1）。

2、工作原理

如圖1所示，閥前壓力P1.通過閥芯和閥座后，減少閥后壓力P2，P2通過管道輸入上膜室內(nèi)反饋到調(diào)節(jié)閥執(zhí)行部件膜，產(chǎn)生的力與彈簧的反應(yīng)力平衡，確定閥芯和閥座的相對位置，控制閥后的壓力P2。當(dāng)P2升高時，P2.膜上的力也增加了。此時，膜上的力大于彈簧的反作用力，使閥芯移動到關(guān)閉閥座的位置。此時，閥芯與閥座之間的循環(huán)面積減少，流阻力增大，P2減少，直到膜上的作用力與彈簧反應(yīng)力平衡，閥芯停留在新的平衡位置P2降低壓力，達(dá)到設(shè)定值，閥后壓力穩(wěn)定。

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圖1　波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

三、波紋管平衡型與無平衡元件自力壓差調(diào)節(jié)閥的比較

1.無平衡元件自力壓差調(diào)節(jié)閥的應(yīng)力分析

無平衡元件自力式壓力調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)力平衡分析見圖2，當(dāng)工作點設(shè)定好以后，彈簧的預(yù)載一直增加，直到達(dá)到能夠控制系統(tǒng)所要求的設(shè)定值：

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式中　F_F———彈簧力；
           k_F———彈簧剛度；
           x———彈簧壓縮量；
           F_M———作用于膜片的力；
           F_K———作用于閥芯的力；
           A_M———膜片面積；
           ΔP———上下游壓差；
           A_S———閥座面積。

可以看出，系統(tǒng)的擾動變量是上下游的壓差ΔP，流體通過閥體部件，上下游壓力分別作用于閥芯閥桿。如果壓差大或閥座直徑大，閥芯力大，會增加閥芯與閥座之間的靜摩擦和滑動摩擦。

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圖2　無平衡元件的自力式壓差調(diào)節(jié)閥

由于沒有采取壓力平衡措施，無平衡元件力壓差調(diào)節(jié)閥的性能受調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力變化的影響較大，限制了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度和適用壓力范圍。對于單個調(diào)節(jié)閥，其不平衡力較大，特別是在高壓差大的情況下。為了減少不平衡的不利影響，提高調(diào)節(jié)閥的性能，設(shè)計了壓力平衡系統(tǒng)，即波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥（見圖3），通過壓力管進(jìn)出口壓力進(jìn)入壓力平衡元件-波紋管內(nèi)外表面，波紋管相應(yīng)延長或縮短，平衡調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差對閥芯的擾動力，大大提高調(diào)節(jié)閥的性能。

2.波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥關(guān)鍵部件的應(yīng)力分析

(1)分析波紋管平衡機(jī)構(gòu)作用于閥芯的力

根據(jù)類型（1），彈簧剛度、膜有效面積和閥桿與填料之間的摩擦?xí)a(chǎn)生非線性偏差和行程偏差，采用波紋管壓力平衡機(jī)構(gòu)，波紋管作為平衡閥芯力，下游壓力P2作用于波紋管內(nèi)表面，上游壓力P1作用于波紋管外表面，使閥芯上下游的壓力相互平衡：

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式中　A_B———橫截面積的波紋管；
               F_B———作用于波紋管的力。

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圖3　波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥

如果A_B、A_S有效面積可保持恒定，假設(shè)閥芯閥桿的交叉面積被忽略，波紋管上的力可以補(bǔ)償閥芯力FK是的，平衡閥芯力是為了實現(xiàn)控制過程的精度。

(2)自力壓差調(diào)節(jié)閥膜片力的平衡分析

可以得出聯(lián)立式(1)、式(2)

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式中　l———閥芯位移；
       x_pl———彈簧的預(yù)載壓縮量。

根據(jù)公式(4)，彈簧的形變量隨出口壓力成比例變化x相當(dāng)于閥門行程的變化。ΔP和Δl關(guān)系不變，基本上是由膜的大小和彈簧的剛度決定的靜態(tài)常數(shù)。

(3)彈簧復(fù)位力

根據(jù)圖3，彈簧復(fù)位力為：

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式中　x———彈簧、波紋管位移；
       k_B———波紋管剛度；
       F_pl———彈簧預(yù)載附加力。

通過對圖2和圖3中靜態(tài)平衡力的分析，壓力平衡閥的執(zhí)行力小于非平衡閥。根據(jù)類型（5），彈簧復(fù)位力也與波紋管的彈性有關(guān)。

四、波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥的選擇和安裝

1、特點

波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥具有以下特點。

(1)無需添加驅(qū)動能源的節(jié)能自控系統(tǒng)，設(shè)備成本低，適用于爆炸性環(huán)境。
(2)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量小。
(3)設(shè)定點可調(diào)，范圍廣，便于用戶在設(shè)定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。

由于波紋管壓差平衡機(jī)構(gòu)，關(guān)閉時閥泄漏小，系統(tǒng)的擾動變量為閥前后壓差，大大降低了閥芯的作用力。波紋管上的作用力用于補(bǔ)償閥芯力，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏，控制精度高，允許壓差大。適用于工業(yè)生產(chǎn)過程中各種氣體和蒸汽的精密穩(wěn)壓，特別適用于城市供熱、供熱、無外部供電、供氣、需要控制流體和氣體壓力的場合。據(jù)報道，城市供熱供熱系統(tǒng)采用自力壓差調(diào)節(jié)閥，節(jié)能效率比以前提高30%~40%，節(jié)能效果顯著。

2.選擇自力式壓差調(diào)節(jié)閥

根據(jù)文獻(xiàn)對氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性的分析可知，自力式壓差調(diào)節(jié)閥是一種純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例控制的優(yōu)點是反應(yīng)快，控制及時，缺點是存在余差。調(diào)節(jié)精度一般為±5%～±10%。適用于質(zhì)量要求不高的場合。

對于波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥和無平衡元件的自力壓差調(diào)節(jié)閥，波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏，控制精度相對較高，允許壓差較大，但波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥成本高于普通自力壓差調(diào)節(jié)閥，使用壽命相對較低，管理維護(hù)復(fù)雜。

3、安裝方法

波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥滿足一般自力壓差調(diào)節(jié)閥的安裝要求，加熱系統(tǒng)安裝方法如圖4所示。原則上，自力壓差調(diào)節(jié)閥的安裝方法應(yīng)采用氣體介質(zhì)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)在上，閥體在下）、液體和蒸汽介質(zhì)。氣體介質(zhì)的溫度高于70℃，低于140℃、液體介質(zhì)溫度高于140℃當(dāng)自力壓力調(diào)節(jié)閥除倒置外，還應(yīng)在壓力管道上安裝隔離罐，并在壓力管道、隔離罐和膜頭上填充制冷劑，防止膜在高溫下老化。

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圖4 波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥安裝示意圖

從圖4可以看出，在安裝加熱系統(tǒng)時，當(dāng)介質(zhì)溫度小于70時，應(yīng)注意℃當(dāng)介質(zhì)溫度大于70時，自力式壓力調(diào)節(jié)閥可正立安裝℃自力壓差調(diào)節(jié)閥應(yīng)倒置安裝。當(dāng)介質(zhì)溫度較高時，倒置安裝的主要原因是可以通過壓力管上的冷凝器，防止壓力管內(nèi)高溫蒸汽的流向與冷凝水相反，導(dǎo)致壓力管堵塞；此外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜一般不耐高溫，如果高溫蒸汽介質(zhì)直接通過壓力管作用于膜，膜的機(jī)械性能將降低。

五、結(jié)論

波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥采用有效的壓力平衡措施，主要用于自動調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中的介質(zhì)壓力，輸出恒定的壓力值，防止管道中介質(zhì)壓力波動對管道和閥門造成損壞，確保管道系統(tǒng)的安全運行。波紋管作為平衡元件平衡閥芯力，使調(diào)節(jié)閥反應(yīng)靈敏，控制精度高，允許壓差大。

波紋管平衡自力壓差調(diào)節(jié)閥可以依靠介質(zhì)本身的壓力變化來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定壓力的目的，適用于蒸汽、非腐蝕性氣體和低粘度液體，特別適用于城市供熱、供熱、無外部供電、供氣等調(diào)節(jié)控制壓力的質(zhì)量要求不是很高。

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