【班尼戈】調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系兩者之間的研究數(shù)據(jù)
摘要：從實際使用要求出發(fā)，討論了調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)與可調(diào)比關(guān)系，提出把可調(diào)比看作流量特性曲線的特征參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，指出國家標(biāo)準(zhǔn)和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)對流量系數(shù)偏差規(guī)定的區(qū)別，并通過相應(yīng)計算得出國內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計中存在的不足之處。
關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥；流量系數(shù)；可調(diào)比
調(diào)節(jié)閥有兩種基本的流量特性：
線性流量特性
等百分比流量特性 Ф=Ф0Rh （2）
式中：Ф 為對應(yīng)某開度是的流量系數(shù)；R 為可調(diào)比；h 為相對開度；Ф0 為 h=0 是的流量系數(shù)。
按照傳統(tǒng)的解釋，可調(diào)比 R 是指所能控制最大流量的比值，即
在設(shè)計調(diào)節(jié)閥時，需先設(shè)定一個 R 值，然后計算各開度下的流量系數(shù) Ф，以此作為設(shè)計閥芯曲線和套簡窗口的依據(jù)。國內(nèi)調(diào)節(jié)閥行業(yè)的兩次統(tǒng)一設(shè)計，都是在設(shè)定 R=30 前提下，計算出了各開度對應(yīng)的流量系數(shù)理論值（見表 1）。
| 流量特性 | Ф0 | 各相對開度 Ф 值 | |||||||||
| 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||
| 線性 | 3.33 | 13.00 | 22.67 | 32.33 | 42.00 | 51.67 | 61.33 | 71.00 | 80.67 | 90.33 | 100.00 |
| 等百分比 | 3.33 | 4.68 | 6.58 | 9.25 | 12.99 | 18.26 | 25.65 | 36.05 | 50.65 | 71.17 | 100.00 |
從應(yīng)用角度，希望調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù) KD 大一些，而 KD 與可調(diào)節(jié)比 R 有關(guān)，
線性特性
等百分比特性
式中：L 為全行程開度。可以看出，增大 KD，應(yīng)提高 R 值，因此，制造廠都將可調(diào)比大于某一數(shù)值作為一項性能指標(biāo)予以標(biāo)明。但是調(diào)節(jié)閥 R 值越大，設(shè)計制造難度越大。對單、雙座調(diào)節(jié)閥，若 R 值過大，閥芯制造時會在 90%~100% 開度范圍內(nèi)產(chǎn)生根切現(xiàn)象；對套筒調(diào)節(jié)閥，若 R 值太大，在 90%~100% 開度范圍內(nèi)會因窗口尺寸過寬而無法制造。這些都限制了 R 值的提高。
制造廠是在 R=30 前提下設(shè)計制造出調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品，但對調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品實際 R 值是多大、它與 R=30 的偏差等問題，目前尚未引起人們的重視。由于，設(shè)計人員對 R 值的認(rèn)識僅局限在 Qmax 和 Qmin 的比上，而 Qmin 只是個理論上存在的數(shù)值，無法進(jìn)行測量，因此認(rèn)為實際可調(diào)比也是無法計算的。在目前見到的有關(guān)調(diào)節(jié)閥的資料中，尚未看到這方面的論述。國內(nèi)外調(diào)節(jié)閥的 標(biāo)準(zhǔn)中，也未提出對 R 值的測量、計算和考核辦法。這是由于對可調(diào)比概念的片面理解所造成的，現(xiàn)在有必要從可調(diào)比與流量系數(shù)的關(guān)系入手作進(jìn)一步探討與研究。
1、可比閥與流量特性曲線的關(guān)系
從流量系數(shù)的計算公式可以看出，R 值取決于，但它決定了任意一個相對行程時的流量系數(shù)值。因此，無論從調(diào)節(jié)閥的設(shè)計、制造和應(yīng)用角度講，這一點都具有很重要的實際意義。因為，任何調(diào)節(jié)閥都不可能使用在它的最小開度，也就是不會用其 Qmin 來工作，大量的使用場合是在某一開度（一般在全行程的 20%~80%）上對流量進(jìn)行控制。此時，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)大小決定了調(diào)節(jié)閥的工作開度，流量系數(shù)相對于行程的變化量決定了調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù)，這些均與 R 值有關(guān)。因此，不能簡單地從 Qmax 和 Qmin 的比去理解 R 值，而應(yīng)當(dāng)把 R 值看作是整個流量特性曲線的一個特征參數(shù)。
分析式（1）、式（2）與式（3）、式（4）可以看出，R 值變化對線性流量特性影響不大，特別在 R＞1 時，Ф 與 KD 均與 R 值無關(guān)；對等百分比特性影響則較大，因此本文討論值對流量系數(shù)的影響僅限于等百分比特性。
當(dāng) R 值作為流量特性曲線的一個特征參數(shù)時，可以設(shè)想將全行程的流量特性曲線看成由幾個不同 R值決定的幾段流量特性曲線組合而成。在 0~80% 開度時，R 值取大一些，使調(diào)節(jié)閥在工作行程范圍內(nèi)有足夠的 R 值，也就是有足夠的放大倍數(shù)。在 80%~100% 開度范圍，R 值取小一些，使調(diào)節(jié)閥制造過程中，閥芯曲線和套筒開窗都容易實現(xiàn)。提高工作開度下的 R值，也可以作為在調(diào)節(jié)閥設(shè)計中探索提高流通能力的一個途徑。分段取不同的 R 值這一思想，已從 IEC534—2—4（草案）和國外一些調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)表中體現(xiàn)出來，這時可調(diào)比的含義已經(jīng)不再是 Qmax 和 Qmin 之比了，它應(yīng)當(dāng)作為流量特性曲線的一個特征參數(shù)被認(rèn)識、被研究。
2 R 值計算方法
調(diào)節(jié)閥實際可調(diào)比 R 值是可以計算出來的，根據(jù)公式（2）可推導(dǎo)出
lnФ=lnФ0+hlnR （6）
在 lnФ—h 坐標(biāo)系中，等百分比流量特性曲線是一直線，R 值實際上決定了該直線的斜率。實際測量一臺調(diào)節(jié)閥的流量特性，可以得到若干組（Ф，h）數(shù)據(jù)，由于制造和測量誤差，這些測量值在 lnФ—h 坐標(biāo)系中呈近似直線分布，并認(rèn)為這條近似直線就是這臺調(diào)節(jié)閥的實際流量特性曲線。要得到這樣一條直線，并使其最接近坐標(biāo)系中的這些點，建議用最小二乘法求解。
在測量一臺調(diào)節(jié)閥于不同開度時的流量系數(shù)時，可以得到相對行程和流量系數(shù)的 K 組數(shù)據(jù)，代入公式（6）得到方程組
式中：Ф0，R 為這臺調(diào)節(jié)閥的實際值，可從方程組（7）中用最小二乘法求其近似值：
一般情況下取 10 個開度進(jìn)行測量，即 hi 分別去 0.1，0.2，0.3，…，1.0。此時有 K=10，
=5.5；
=3.85，代入式（8）則有
將測量所得流量系數(shù) Фi 代入公式（9），即可解出該臺調(diào)節(jié)閥的實際可調(diào)比 R 值。若將表 1 中等百分比流量系數(shù)的理論值代入公式（9），即可反算出 R=30。按式（9）解出的是全行程的可調(diào)比，為了準(zhǔn)確了解調(diào)節(jié)閥在工作段的可調(diào)比，hi 可分別取 0.2，0.3，…，0.8，即 k=7，
=3.5，
=2.03，則有
代入 20%~80% 開度時的各流量系數(shù)，可以得到該段流量特性的 R 值。同樣，將表 1 中理論值數(shù)據(jù)代入式（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現(xiàn)，無論用絕對流量系數(shù)或相對流量系數(shù)計算其結(jié)果都是相等的。因此，用來計算 R 值是很方便的。同樣，當(dāng)需要計算任意段流量特性曲線的 值時，都可以推出相應(yīng)的計算公式。
3 國內(nèi)外一些調(diào)節(jié)閥 R 值的比較
依據(jù)式（9）用國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計的雙座調(diào)節(jié)閥和聯(lián)合設(shè)計的套筒調(diào)節(jié)閥，以及 Fisher 公司的 ED 型套筒閥的流量系數(shù)計算相應(yīng)的 R 值，其結(jié)果見表 2~表 4。
從表中可以看出，盡管雙座調(diào)節(jié)閥和套筒調(diào)節(jié)閥在設(shè)計時預(yù)先設(shè)定 R=30，但實際生產(chǎn)的各種規(guī)格的調(diào)節(jié)閥其 R 值是不相同的。
| 公稱通徑 DN×dN | 各相對開度 Ф 值 | 可調(diào)比 R | |||||||||
| 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||
| 25 | 2.65 | 4.57 | 7.84 | 12.76 | 17.96 | 25.04 | 35.00 | 49.11 | 74.53 | 103.39 | 51.5 |
| 32 | 3.09 | 6.30 | 9.90 | 13.99 | 18.90 | 24.60 | 30.10 | 42.80 | 74.40 | 100.00 | 34.6 |
| 40 | 7.44 | 10.28 | 11.52 | 13.22 | 16.88 | 21.92 | 28.82 | 52.84 | 78.92 | 92.00 | 17.4 |
| 50 | 7.68 | 11.89 | 14.90 | 18.40 | 22.90 | 29.50 | 37.80 | 53.50 | 70.40 | 98.20 | 14.6 |
| 65 | 3.95 | 7.72 | 11.36 | 15.53 | 20.20 | 26.56 | 36.51 | 50.77 | 77.53 | 99.58 | 28.9 |
| 80 | 3.34 | 7.64 | 10.49 | 14.63 | 19.85 | 28.00 | 37.75 | 50.28 | 75.49 | 97.25 | 32.4 |
| 100 | 4.70 | 7.68 | 10.32 | 14.20 | 18.81 | 27.35 | 37.02 | 52.82 | 72.39 | 97.60 | 27.1 |
| 125 | 4.14 | 6.49 | 9.47 | 12.89 | 19.37 | 27.61 | 37.34 | 51.88 | 66.66 | 103.63 | 32.3 |
| 150 | 2.55 | 5.70 | 8.50 | 12.42 | 18.17 | 25.45 | 34.98 | 48.48 | 76.74 | 96.81 | 45.7 |
| 200 | 12.20 | 16.10 | 20.10 | 25.10 | 32.00 | 46.50 | 75.80 | 100.50 | 20.0 | ||
| 公稱通徑 DN×dN | 各相對開度 Ф 值 | 可調(diào)比 R | |||||||||
| 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||
| 25 | 4.10 | 7.90 | 12.10 | 16.50 | 20.40 | 29.60 | 42.20 | 61.00 | 81.50 | 103.00 | 30.9 |
| 40 C=16 | 2.12 | 6.06 | 10.00 | 14.31 | 18.75 | 24.75 | 34.50 | 51.06 | 73.75 | 96.88 | 45.3 |
| 60 C=25 | 6.54 | 9.12 | 11.76 | 14.84 | 20.24 | 28.16 | 38.60 | 56.00 | 78.00 | 99.20 | 21.3 |
| 50 | 3.10 | 6.45 | 9.90 | 15.05 | 22.48 | 32.50 | 46.50 | 67.50 | 90.50 | 97.75 | 45.2 |
| 65 | 3.25 | 6.83 | 10.24 | 14.63 | 20.63 | 27.46 | 40.32 | 58.73 | 86.35 | 107.94 | 41.2 |
| 80 | 4.20 | 7.67 | 11.10 | 14.97 | 21.05 | 29.70 | 40.60 | 60.50 | 80.10 | 92.60 | 29.9 |
| 100 | 3.57 | 7.37 | 11.03 | 15.21 | 21.80 | 30.39 | 44.13 | 64.90 | 82.06 | 93.23 | 34.9 |
| 125 C=250 | 3.69 | 7.00 | 10.80 | 15.24 | 21.20 | 29.80 | 41.60 | 59.60 | 87.60 | 102.80 | 36.9 |
| 125 C=370 | 3.34 | 7.14 | 10.84 | 15.19 | 21.89 | 31.62 | 45.95 | 65.41 | 82.43 | 93.24 | 37.5 |
| 200 | 3.17 | 6.90 | 10.79 | 15.66 | 22.41 | 31.90 | 42.76 | 60.34 | 81.21 | 96.03 | 37.8 |
| 300 | 3.31 | 6.92 | 10.54 | 14.54 | 20.23 | 28.62 | 43.85 | 64.23 | 82.31 | 94.08 | 38.3 |
| 公稱通徑 DN×dN | 各相對開度 Ф 值 | 可調(diào)比 R | |||||||||
| 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||
1*1/4×1*5/16 | 0.783 | 1.54 | 2.20 | 2.89 | 4.21 | 5.76 | 7.83 | 10.9 | 14.1 | 17.2 | 27.4 |
| 1*1/2×1*7/8 | 1.52 | 2.63 | 3.87 | 5.41 | 7.45 | 11.2 | 17.4 | 24.5 | 30.8 | 35.8 | 36.3 |
| 2×2*5/16 | 1.66 | 2.93 | 4.66 | 6.98 | 10.8 | 16.5 | 25.4 | 37.3 | 50.7 | 59.7 | 57.6 |
| 2*1/2×2*7/8 | 3.43 | 7.13 | 10.8 | 15.1 | 22.4 | 33.7 | 49.2 | 71.1 | 89.5 | 99.4 | 41.3 |
| 3×3*7/16 | 4.32 | 7.53 | 10.9 | 17.1 | 27.2 | 43.5 | 66.0 | 97.0 | 120 | 136 | 54.2 |
| 4×4*3/8 | 5.85 | 11.6 | 18.3 | 30.2 | 49.7 | 79.7 | 125 | 171 | 205 | 224 | 64.8 |
| 6×7 | 12.9 | 25.8 | 43.3 | 67.4 | 104 | 162 | 239 | 316 | 368 | 394 | 47.1 |
| 8×8L=2 | 18.5 | 38.0 | 58.4 | 86.7 | 130 | 189 | 268 | 371 | 476 | 567 | 41.9 |
| 8×8L=3 | 27.0 | 58.1 | 105 | 188 | 307 | 478 | 605 | 695 | 761 | 818 | 43.1 |
比較表 2、表 3 這兩個系列調(diào)節(jié)閥的 R 值可以看出，雙座調(diào)節(jié)閥各種規(guī)格的 R 值偏差較大，套筒調(diào)節(jié)閥各種規(guī)格的 R 值偏差較小。這與兩種閥設(shè)計時對流量特性采用不同誤差判定標(biāo)準(zhǔn)相吻合，雙座調(diào)節(jié)閥以最大流量值的 10% 作為每個行程流量值的偏差范圍，而套筒閥采用國際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)中的斜率法計算流量特性偏差的方法。顯然，后一種方法較前一種方法更能保證 R 值達(dá)到設(shè)計要求，這也說明了 IEC 標(biāo)準(zhǔn)斜率法的先進(jìn)性。
比較表 2、表 3、表 4 還可以看出，國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的 R 值比國外調(diào)節(jié)閥小，國內(nèi)雙座閥
=30.5、套簡閥
=36.2；Fisher 公司 ED 型套簡閥
=45.9。
再按式（10）計算國內(nèi)套簡閥和 Fisher 公司 ED 型套簡閥在工作行程段（h=0.2~0.8）時的 R 值，并與全行程時的 R 值相比較，結(jié)果見表 5 與表 6?？梢钥闯?，國產(chǎn)套簡閥工作行程段的 R 值和全行程 R 值接近，無顯著改變，
=34.2，而 Fisher 公司套簡閥在工作行程段的 R 值明顯高于全行程的 R 值，
=60.5。
提高工作行程段的 R 值，其優(yōu)越性在于它能更好地滿足自控系統(tǒng)的需要，還能提高 80% 開度時的流量系數(shù)值，從而使全開時閥的流通能力有較顯著的提高。通過對 R 值的分析比較，說明了國內(nèi)外調(diào)節(jié)閥在設(shè)計水平上存在一定的差距。
| 套筒閥行程段 | 套筒閥各規(guī)格 R 值 | R 平均 | ||||||||||
| 20 | 40 C=16 | 40 C=25 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 C=250 | 125 C=370 | 200 | 300 | ||
| 全行程 | 30.9 | 45.3 | 21.3 | 45.2 | 41.2 | 29.9 | 34.9 | 36.9 | 37.5 | 37.8 | 38.3 | 36.2 |
| h=0.2~0.8 | 26.9 | 28.9 | 20.5 | 49.2 | 33.4 | 29.5 | 35.4 | 33.0 | 39.2 | 35.2 | 38.4 | 34.2 |
| 套筒閥行程段 | 套筒閥各規(guī)格 R 值 | R 平均 | ||||||||
| 1*1/4×1*5/1 | 1*1/2×1*7/8 | 2×2*5/16 | 2*1/2×2*7/8 | 3×3*7/16 | 4×4*3/8 | 6×7 | 8×8L=2 | 8×8L=3 | ||
| 全行程 | 27.4 | 35.3 | 57.6 | 41.3 | 54.2 | 64.8 | 67.1 | 41.9 | 43.1 | 45.9 |
| h=0.2~0.8 | 25.8 | 41.5 | 69.7 | 46.2 | 78.1 | 99.7 | 69.0 | 45.0 | 69.7 | 60.5 |
4、對 IEC 534—2—4（草案）的理解
IEC 534—2—4（草案）第 3.3 款對等百分比流量特性做了如下規(guī)定：
“在 h=0.2 和 h=0.8 之間，任意兩個相鄰流量系數(shù)發(fā)表值的對數(shù)之間的差值應(yīng)在 0.13 和 0.2 范圍內(nèi)”?！暗陀?h=0.2 這兩個值相應(yīng)為 0.13 和 0.25；高于 h=0.8，此值應(yīng)相應(yīng)為 0.03 和 0.2”。
這里作為流量特性偏差范圍的選取，應(yīng)當(dāng)看作是按 R 值的變化范圍決定的，試計算
R=20，0.1×logR=0.13
R=100，0.1×logR=0.20
R=300，0.1×logR=0.25
R=2，0.1×logR=0.03
也就是說，流量特性偏差實際上是分段限制 R 值的變化范圍，即
h=0.2~0.8，R=20~80；
h=0.8~1.0，R=2~100；
h=0~0.2，R=20~300；
IEC 的這一規(guī)定正是體現(xiàn)了將 R 值作為流量特性曲線的一個特征參數(shù)，并實現(xiàn)了在全行程范圍內(nèi)可以取不同 R 值這一設(shè)計思想。而國標(biāo) GB 4213—84《氣動調(diào)節(jié)閥通用技術(shù)條件》在這個問題上是和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異的。深入討論 R 值及流量系數(shù)的關(guān)系，無論對設(shè)計、制造、應(yīng)用調(diào)節(jié)閥都有一定的意義，對加強調(diào)節(jié)閥的基礎(chǔ)理論研究，提高我國調(diào)節(jié)閥設(shè)計制造水平，都是十分必要的。
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