王一翔，黃靖添，陳敬秒

(1.浙江省泵閥產品質量檢驗中心，浙江 溫州 325100；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030)

0 引言

安裝于管道系統(tǒng)中的控制閥啟閉件一直處于連續(xù)運行狀態(tài)，其位置誤差控制會受裝配間隙、控制閥閥桿表面粗糙度和工況清潔度、填料密封預緊力、密封填料材質、設計結構尺寸、溫濕度等眾多因素影響。這會導致摩擦力的大小和方向切換有差異，引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而影響控制閥的泄漏量、流量系數(shù)、流阻系統(tǒng)和流量特性等參數(shù)。GB/T 17213.4—2015《工業(yè)過程控制閥 第4部分 檢驗和例行試驗》(等同IEC 60534-4:2006《Industrial-process control valves-Part 4:Inspectionandroutine testing》[1-2])、GB/T 4213—2008《氣動調節(jié)閥》[3]、JB/T 7387—2014《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電動控制閥》[4]等標準針對控制閥運行中摩擦力的影響，提出了滯環(huán)誤差、基本誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項目的技術要求。

然而通過分析對比發(fā)現(xiàn)，這些標準中的定義和曲線特性存在一定的不規(guī)范描述和錯誤的定義解析。這些問題影響了控制閥企業(yè)對產品質量的分析判斷，會造成企業(yè)對檢驗項目的定義理解不清晰，從而常常忽視控制閥控制精度的設計本質。在控制精度達不到理論輸出要求時，采用更大輸出力的執(zhí)行器和精度更高的定位器來滿足控制系統(tǒng)要求，會導致因沒有合理匹配使用控制元件從而增加產品生產成本。因此，對控制閥運行過程中摩擦力的研究是設計控制閥的基礎。降低摩擦力影響，能夠提高控制閥滯環(huán)誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項目的精度等級。

1 標準對誤差曲線的定義分析

GB/T 17213.4(IEC 60534-4)標準針對控制閥摩擦力影響繪制了滯環(huán)誤差、死區(qū)和回差曲線技術要求。

GB/T 17213.4標準定義的滯環(huán)誤差為：全范圍上行程和下行程移動減去死區(qū)值后得到的被測變量兩條校準曲線間的最大偏差，即滯環(huán)誤差等于回差和死區(qū)相減得到的最大偏差。GB/T 17213.4滯環(huán)誤差特性如圖1所示。該曲線表示0～100%信號過程的滯環(huán)誤差。

圖1 滯環(huán)誤差特性示意圖

GB/T 17213.4標準定義的死區(qū)為：輸入變量的反向變化不至引起輸出變量有任何可察覺變化的有限數(shù)值區(qū)間的最大間隔值。GB/T 17213.4死區(qū)特性如圖2所示。

圖2 死區(qū)特性示意圖

但是圖2中的死區(qū)不應是x1和x2區(qū)間，而是在行程輸出發(fā)生變化，摩擦力剛好是最大靜摩擦力切換為滑動摩擦力瞬間的坐標點。GB/T 17213.4滯環(huán)誤差加死區(qū)特性如圖3所示。同時，死區(qū)也不應是平行四邊形繪制，而應是當達到滑動跳動信號瞬間，位移剛好發(fā)生了移動。但此時的信號并沒有再次增加，行程輸出量在此處滑動跳動信號點應是直角轉換。

圖3 滯環(huán)誤差加死區(qū)特性示意圖

GB/T 17213.4標準定義回差為：裝置或儀表按施加輸入值的方向順序給出對應于其輸入值不同的輸出值的特性。

通過以上對滯環(huán)誤差、死區(qū)、回差標準定義的分析，發(fā)現(xiàn)GB/T 17213.4標準中所提的滯環(huán)誤差描述和曲線表達不規(guī)范，即死區(qū)和滯環(huán)誤差兩者是不同的對象量值，輸出量和輸入量不能夠進行相減。滯環(huán)誤差的定義不應為全范圍上行程和下行程移動減去死區(qū)值后得到的被測變量兩條校準曲線間的最大偏差。因此，滯環(huán)誤差和滯環(huán)誤差加死區(qū)的曲線不應如圖1、圖3所示繪制表達。

2 控制閥啟閉摩擦力影響過程

根據(jù)JB/T 8218—1999《執(zhí)行器術語》[5]標準的定義，死區(qū)為輸入信號正反方向變化不致引起行程有任何可察覺變化的有限區(qū)間。GB/T 4213—2008《氣動調節(jié)閥》死區(qū)試驗方法為：緩慢改變(增大或減小)輸入信號，直到觀察出一個可察覺的行程變化，記錄這時的輸入信號值；按相反方向緩慢改變(減小或增大)輸入信號，直到觀察出一個可察覺的行程變化，記下這時的輸入信號值；兩項輸入信號值之差的絕對值即為死區(qū)。死區(qū)應在輸入信號量程的25%、50%和75%這三點上進行試驗，死區(qū)用調節(jié)閥輸入信號量程的百分數(shù)表示。因此，死區(qū)是某一輸入量附近的一個區(qū)域范圍。根據(jù)死區(qū)試驗方法規(guī)則，某一點輸入信號值的死區(qū)可分為正行程死區(qū)β和反行程死區(qū)δ。如25%信號正、反方向死區(qū)特性如圖4所示。一個死區(qū)的曲線只能反映某一點輸入信號時引起行程輸出微變的正反方向信號變化量，如圖4只能表示25%信號時的死區(qū)，不能代表整體輸入信號的死區(qū)(如4～20 mA)。

圖4 25%信號正、反方向死區(qū)特性示意圖

根據(jù)死區(qū)試驗方法，正行程死區(qū)β的最后行程輸出為正行程方向，反行程死區(qū)δ的最后行程輸出為反行程方向。最后行程輸出運動方向不同，使正、反行程死區(qū)的摩擦力方向也不同。25%信號摩擦力變化特性如圖5所示。

圖5 25%信號摩擦力變化特性示意圖

圖5中:f1、f4為最大靜摩擦力;f2、f3為滑動摩擦力。圖5只能表示25%信號位置時摩擦力變化特征。

測量β操作方法為：緩慢減小輸入信號，直到觀察出一個可察覺的反行程變化，記錄這時的輸入信號值；按相反方向緩慢增大輸入信號，直到觀察出一個可察覺的正行程變化，再次記錄這時的輸入信號值；兩項輸入信號值之差的絕對值為β。

測量δ操作方法為：緩慢增大輸入信號，直到觀察出一個可察覺的正行程變化，記錄這時的輸入信號值；按相反方向緩慢減小輸入信號，直到觀察出一個可察覺的反行程變化，再次記錄這時的輸入信號值；兩項輸入信號值之差的絕對值為δ[3]。

正、反行程死區(qū)受裝配間隙等因素影響，兩者數(shù)值稍微不同，β≈δ(同一位置附近的控制閥閥桿表面粗糙度均勻，裝配工藝保持一致[6])。

JB/T 8218標準定義基本誤差為在規(guī)定的參比條件下，實際的行程特性曲線與規(guī)定的行程特性曲線之間的最大差值，基本誤差用調節(jié)閥額定行程的百分數(shù)表示；定義回差為同一輸入信號上所測得的正反行程的最大差值的絕對值，回差用調節(jié)閥額定行程的百分數(shù)表示。根據(jù)GB/T 4213標準基本誤差和回差的試驗方法，試驗點應包含0%、25%、50%、75%、100%這五個信號點?；菊`差、回差特性如圖6所示。

圖6 基本誤差、回差特性示意圖

圖6中，信號輸入依次順序為0%→25%→50%→75%→100%→75%→50%→25%→0%。控制閥的運行過程中的摩擦力常以靜摩擦力和滑動摩擦力相互切換形式存在。

基本誤差、回差項目受摩擦力影響具有以下三個特征。

①曲線分離波動影響基本誤差、回差。

正行程過程的摩擦力方向為負(a、b、c、d段)。反行程過程的摩擦力方向為正(e、f、g、h段)。驅動力方向都為單一方向，因此會產生摩擦力拖滯影響。同一信號的正行程數(shù)值要比反行程數(shù)值小。正行程曲線和反行程曲線互不相交。正、反行程誤差曲線分離波動越大，基本誤差、回差就越大?？刂崎y企業(yè)可降低摩擦力，減小正、反行程曲線分離波動[7]。

摩擦力變化特性如圖7所示。

圖7 摩擦力變化特性示意圖

②動、靜摩擦力切換等于半個死區(qū)信號。

③各段曲線斜率基本相同。

如果控制閥以及工況的特征屬性不變，正行程b、c、d段和反行程f、g、h段的誤差曲線斜率大致相同，正行程a段和反行程e段由于完整死區(qū)因素影響，對于輸入信號的行程輸出靈敏度不如正行程b、c、d段和反行程f、g、h段，因此誤差曲線斜率坡度較小。

3 標準對控制誤差的技術要求

GB/T 4213—2008《氣動調節(jié)閥》和JB/T 7387—2014《工業(yè)過程控制系統(tǒng)用電動控制閥》標準分別針對摩擦力因素影響提出了控制閥位置誤差限要求，包括基本誤差、回差、死區(qū)和額定行程偏差?？刂崎y位置誤差限要求如表1所示。表1中，GB/T 4213標準的1992年版本的基本誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差項目(±1.0%、≤1.0%、≤0.4%、+2.5%)比2008年版本(±1.5%、≤1.5%、≤0.6%、+2.5%)具有更高的技術要求。但是隨著加工設備、技術、工藝、材料的提升和發(fā)展，管道系統(tǒng)趨向智能化控制形勢，控制閥的位置誤差限應具備同等1992年版本或更高的技術要求[8]。

表1 控制閥位置誤差限要求

4 控制閥摩擦力影響因素的改善措施

控制閥企業(yè)可通過優(yōu)化閥桿表面粗糙度、裝配間隙、加工裝配精度和工藝、密封填料、設計結構、工況清潔度、溫濕度等措施來降低摩擦力影響，提高控制閥的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。

4.1 閥桿表面粗糙度

控制閥閥桿機械加工過程中，閥桿表面的塑性變形、機床震動、切削速度等，會使閥桿表面切削留下一定刀痕。對此，需通過適當?shù)臒崽幚砉に囂岣唛y桿硬度，并經研磨或者滾壓加工，使控制閥閥桿表面粗糙度不大于Ra 0.8 μm，以降低閥桿表面粗糙度[9]。

4.2 裝配間隙

直行程控制閥的閥桿和執(zhí)行器的輸出軸，盡量通過行程標尺塊上的螺紋連接方式緊固裝配；角行程控制閥經常出現(xiàn)閥桿控制松動現(xiàn)象，一般是由于多次啟閉導致執(zhí)行器和閥桿鍵配合處產生間隙太松而引起的。對此，應采用花鍵套和花鍵軸組合調整配合方式，增加扭矩總接觸面積，同時提高閥桿和閥桿鍵的材料硬度，避免間隙產生[10]。

4.3 加工裝配精度和工藝

加工裝配精度和工藝影響填料函和閥蓋的垂直度、填料函和閥蓋連接螺紋端的同軸度。裝配工藝影響執(zhí)行器輸出軸和閥桿的同軸度、支架和閥蓋連接的垂直度。不正確的形位公差會直接影響控制摩擦力。對此，生產企業(yè)應在加工、裝配工藝卡中規(guī)范標注。

4.4 密封填料

控制閥安裝于管道系統(tǒng)。控制閥閥桿一直處于連續(xù)運行狀態(tài)。其填料和常規(guī)閥填料技術要求有所不同，因其不僅起到密封介質作用，還起到使閥桿能靈活滑動的作用。常用的密封填料有聚四氟乙烯填料和柔性石墨填料。柔性石墨填料可用于高溫場合，但是使用時應防止干涸，填料函須安裝注油器，注入適當潤滑油脂進行潤滑以減小摩擦力，同時在填料下方應設置壓縮彈簧以滿足密封要求。聚四氟乙烯填料具有良好的密封穩(wěn)定性，可壓制成V型疊放，在施加一定預緊力的情況下能實現(xiàn)良好的自密封效果，可不用增設壓縮彈簧。填料函壓縮彈簧的彈性系數(shù)和填料壓蓋螺紋連接預緊力應滿足摩擦力的設計要求，并使用扭矩扳手按照規(guī)定扭矩值施加填料壓蓋螺紋預緊力，控制填料所受的正壓力?？刂崎y企業(yè)不可為達到更高的密封要求，使用韌性更強的填料彈簧和壓蓋的螺紋預緊力。因為這樣會增加密封填料和閥桿之間的摩擦力，影響位置定位精度。

4.5 設計結構

為了保證閥桿強度和穩(wěn)定性，控制閥可采用套筒式結構提高閥桿穩(wěn)定性，減小閥桿直徑要求，改善摩擦力影響。較小直徑的閥桿能降低介質內部壓力軸向壓差作用力，特別是在高溫工況場合應避免熱脹冷縮而影響閥桿和填料之間的摩擦力。

4.6 工況清潔度

在復雜顆粒灰塵工況，控制閥閥桿應設置伸縮式保護套，以免因外露的閥桿表面產生結垢而降低閥桿表面粗糙度。過多的結垢堆積也會間接影響密封填料使用壽命。

4.7 工況溫濕度

干燥的高溫工況場合容易使石墨密封填料發(fā)生干涸。熱脹冷縮會導致閥桿和填料之間摩擦力發(fā)生變化[11]。對此，可通過優(yōu)化結構設計來滿足不同溫濕度工況的現(xiàn)場控制要求。

5 結論

本文通過分析控制閥啟閉過程中滯環(huán)誤差、回差、死區(qū)、額定行程偏差、摩擦力變化曲線特性，以及標準對控制誤差的技術要求，讓控制閥企業(yè)更加深刻地了解啟閉摩擦力對控制誤差的影響[12]。同時，本文提出控制閥摩擦力影響因素的具體改善措施。控制閥企業(yè)可通過優(yōu)化閥桿表面粗糙度、裝配間隙、加工裝配精度和工藝、密封填料、設計結構、工況清潔度、溫濕度等因素，降低啟閉摩擦力影響[13]，改善控制閥摩擦力的力值大小和方向切換差異，降低基本誤差、回差曲線分離波動，使正行程和反行程曲線盡量接近理論行程值，達到控制閥位置誤差限要求，從而提高控制閥精度、靈敏度和穩(wěn)定性。