智能化薄膜减压阀的研究.pdf

2 0 0 1 年第 4 期 阀 门 文章 编号 ：1 0 0 2 5 8 5 5 c 2 0 0 1 】0 4 0 0 2 5 0 2 智 能 化 薄 膜 减 压 阀 的 研 究 梁 春 成 中国 矿 业大 学 江 苏徐 州2 2 1 0 0 8 摘要介 绍 j智能化 薄膜减 压 阀的结构、 I作 原理 及控制程 序。 关键 词减 压 阀 ：智 能化 ：单片 机 中 图分 类号 ：T H1 3 4 文献 标识 码 ：A St udy o n i nt e l l e c t u al i z a t i o n o f a t hi n- f i l m pr e s s ur e r e du c i ng v a l ve LI ANG Chu n c h e n g ( C h i n a Uv e mi t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 C hin a ) Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e s t r u c t u r e ，o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d c o n t r o l p r o g r a m o f a t h i n · fi l m p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e Ke y wo r d s ：p r e s s u re r e d u c i n g v a l v e ； i n t e l l e c t u a l i z a t i o n； s i n g l e c h i p l引 言 科研 中经常 出现 需要气体恒 压或恒流 的研 究环境，尤其是有时需用不同压力值、流量值 及 多气源进 行研究 时 ，虽说 已有较高级 的测试 仪 器和数据 采集系统提 供支持 ，但系统设 计与 安 装 调试 占用 了研 究 人员过 多 的时 间与精 力 。 智 能化薄膜 减 压阀的研 究拟在解 决一些这 方面 的 问 题 。 智能化 薄膜减压 阔是在常见 的反作用 式薄 膜 减压 阀的基础上增 加 了测压传感 器 、测 量 电 路 、数据处 理系统和 电动调节机构 ，使该 阀增 加 了入 口压 力 、出口压力、流量就 地显示 、报 警 功能 、远 程信号传输 和远程调 节出 口压 力值 的功能。其 恒流功能 的实现依靠对 出 口压力 的 调 节 。 2 主 要结构 智能化 薄膜减压 阀 ( 图 1 ) 中新 增和 修改 结构包 括薄 膜 保护 结构 、压 力 调节 传动 机 构 、 测距 组件 、压力传 感器 、测量 电路 和数据处理 单元及 就地显 示器。 该 阀的保护 作用 主要 由薄 膜保护结 构和测 距组件 完成 。膜 片保护 应用 了限制运动 范 围的 弧形壁 和可更换 不同高 度的锁 紧螺母与 支撑板 限位措 施。测距组件 由调压连 杆 、测距 弹簧和 高精度 称重 传感器组成 ，与 阀瓣 连接 的调压连 杆 其 位移与弹簧所受 的力成正 比，高 精度称 重传感器 的输 出信号经 数据处理 单元处理 后还 原为位移值。当电机运转而测距输出值无变化 时 ，可 以认 为是 电机 或传动部分 损坏 ，发报警 信号 。如果 位移 量 已接近 设 定 的 位移 极 限 值 ， 并要求 电机继 续 向大位 移方 向运动，但 无位移 信号 ，则可 认为 已到达 顶点 ，单 片机将 自动控 制停止电机运行，并发出报瞀信号通知操作员 给定值已超范围；当给定信号超 出阀入 口压力 的低限 时，单 片机将拒绝 向 电机 发送运行 信号 并报警 。 压力调 节传动机构 由电机与 四级减速 结构 组成 。首先是 高速端 的皮带 传动 ， 其传 动 比 f =2 ，其次 使 用 传 动 比 =2 4减 速 器 ，叉 f =7 9 2 9 的 圆柱 齿 轮 进 行 中 间连 接 ， 最 后 是 i 作者简介：粱春虚 ( 1 9 5 6 一) ，男，北京市人，工程师，从事空气重介质流化床于法选煤工艺丑设备的研究。 维普资讯 http:/www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 2 6 一 阀 门 2 0 0 1 年第 4期 1 闷体2 复位弹簧3 罔藉4 入 口压力传 感器5 调压连 杆6 薄膜7 最 小压力限位板8 最大压力限位板9 电机 l 0 调压螺杆1 1调压螺母1 2 测距弹簧1 3 电路与显示器 1 4 称重传感器l 5 传动齿 轮1 6 轴 承“ 调压弹簧1 8 皮 带 传动1 9 减速器】 I 】 调 压支撵架2 1 出 口压力传感器 图 1 减 压 阀结 构 =3 4的螺 旋 传动 。调 压 螺母 转 动 时，调 压螺 杆 受到销 钉 的 限制 不 转 动 而 只能 作 上 、下 移 动 ，并对调压 弹簧施力 。该 阀的下部 结构与 普 通 薄膜减 压阀相 同。在 螺母通过 圆柱 齿轮传 动 旋 转时 ，为减小摩擦 力，在结 构 中使用 了推 力 球轴承 。 测 压传感器装 在阀 的入 口和 出 口并 在导压 口加装 了滤波元 件。 信号测量电路和数据处理单元在硬件上包 括 ：仪 表 放 大 器 、A D转 换 器 、单 片 机 、 电 机驱动 功率放大 器、远程 通讯 4 8 5接 E l 和静 态 显示接 L 1 等 。 就地显示 器 由 L C D构成 。 同时 显示 阀 入 口压力 值 、阀 出E l 压力 值及流量值 。 3 工作 原理 智能化 薄膜减 压阀可工作 在恒压状 态和恒 流 状 态，由操作员 在上位机进行 设定 。当工作 于 恒压 状 态 时单 片机 根据 指 定 阔 出 口压 力 值 检查 阀 出 口压 力并 与设定值 进行 比较 ，驱 动 电机 运转 以类似 手 动调压 的方式对 输 出压力 值调整 。当工作 于恒流状 态时 ， 阀出 口的气体 流量受 阎入 口压力、 出 口压力 、 阀瓣运 动距离 和结 构参 数 的影 响 ， 阀瓣 位 置 在 阀入 口压 力 、 阀出 口压力 、复位弹簧 压力 、膜片受 力 、测距 弹簧 压力 、压舌 弹 簧 压 力 、流 体 密度 、流 量 、 相关零 件重力 和结构尺 寸 的共 同作用下保 持平 衡 。其数 学表 达式为 W =P K P ( z ( A +A A r ) +M耳一P。 R ) J 式 中w 质 量流量 ，k g s P ， 阀入 口压力 ，MP a K 压力与流量影响系数，k g 2 m s 3 P 阀出 口压力 ，MP a z 阀瓣运动距 离，mm A 调压弹 簧 刚度 ，N mm A 测 距弹 簧 刚度 ，N ram A， 复位弹 簧刚度 ，N mm M 相关 零件 的质量 ，k g 重力加速 度 ， I S 2 R 膜 片半径 ，mm 从上 式中可 以看 出， 当测定 阀入 、出压力 值 ，并选定 适 当的 K 值后 ，调节 阀瓣 的位 移， 可达到 调节 阀出 口流量的 目的。而某种原 因 I 起 的流量 变化 ，在弹簧特性 的作用 下将使 阀瓣 产 生位移 ，其 变化量 由单 片机 通过 测距结 构输 入 ，经计算后 驱动 电动机 保持 原设 定 的流 量 。 4 单片 机程序设 计 本 阀选 用 P I C系 列 单 片机 。首 先 进 行 上 电初 始 化， 内容 是 对 各 Wo 口进 行 相 应 的设 置，对运行 标志位进行 设置 ，对数据 存贮 器进 行设置 ，显 示器 清零 ，然后开 始 自检 如 一切 正常 ，使出 口压力复 位 。 进 入通讯模 块，上位机 应首 先指示本 阀的 工作状 态 然后 给定相应 的压 力值或体 积流量 值 。 由单片机 进行计算 ，检 查 给定 的值 是否超 限 +如超限则 发报警信 号。 设 置通 讯在 中断 方式 ， 便在 进 行其 他工 ( 下转 第 2 9页 ) 维普资讯 http:/www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436 2 0 0 1 年第 4 期 阀 门 2 9 开 设排 气孔 ， 以便于 排 除模 腔 内的气 体 。本模 具利用 顶 出 器的配 合 间 隙 ( 0 0 5 ram)进 行 排 气 。 为 使模 具 工 作 时 合 模 准 确 ，调 试 维 修 方 便 ，仅 依靠上下模 自身 的导 向是 不够 的 。本模 具 在模 架上设置 了对 角分布 的导柱 、导套， 以 消除加 压时产生 的侧 向力 的影响 。对 于有 芯阻 碍的铝合金 ，取 收 缩率 为 0 墙。此 外 ，还 应 考虑模 具的冷却系统 和 多余液 态金属 的溢 出通 道 1 下 模板2 支架3 藏压缸4 导柱5 导套6 上 模板 7 冲头8 ，上垫 板9 固定板l O 侧 芯】 】 导 向块1 2 下模 1 3 顶件器l 4 顶 杆】 5 下垫板l 6 压缩弹簧1 7 水玲套 图 2 模 具结 构 为 了达 到均 匀 良好 的塑变效 果 ，避免 因模 腔 狭窄 ，上模施 压距离过 长 ，导致 形变不 良而 产 生裂纹 ，本模 具采用 了冲头与顶 件器 同时加 压的成形 方 式( 图 2 ) 。上 下模 封 闭时 多 余 金 属 液体 由溢流 槽排 出，其后 凹模 随着上模 的推 动 下行 ，使得模腔 内的液 态金届在 凸模与顶件 器 的双 重 加压下结 晶，从而 获得较 为致 密 的组 织 。 5 结语 液态模 锻工艺是 铸造与 热模锻相结 合 的制 造方 式，对 于一些形 状复杂 ，性能 又有一定要 求制件的成形 ，有着其他工艺方法无可比拟的 优越 之处 。对于多 品种 、多规格 的阀门行业 有 着 广泛 的应 用前景 。在 工艺 设计 中，应根 据液 态金属 在加 压条件下 完成结 品过 程 的特 氨，充 分考虑 具体 和件 的结 构特征进 行工艺参 数的选 择和模 具设 计 。只有这 样，才 能发挥该工 艺的 优 势 。 参考文献 1 王仲仁 特种塑性 戚形 M 北京 ：机械工业出版杜 1 9 95 2 中 国机 械 学会 锻压 分会 锻压 手册 M 北 京 ：机 械 工 业 出版 杜 。1 9 9 3 ( 锻压技术手册)编委台锻压 技术手册 Mj 北京 ： 国 防工 业 出版 杜 1 9 8 9 ( 收 璃 日期 ：2 0 0 1 0 3 0 3 ) ( 上接 第 2 6页 】 作时可及 时响应上 位机修改 工作状态 或重 新设 定给定值 的要求。单片机通 过 A D转换输入 阀入 、出 口的压力值 和称重传感 器 的受力值 并 计 算 出流量值 与给 定 的压力 或流量值 进行 比 较，不相符时输出电机运行信号进行调整，相 符 后发 出就地 显示信号 复位通 讯模块 后与上 位机通讯 ，将 当前 的数 据 远传 至数 据库 保存 ， 供数据分析使用。本段程序反复运行。 程序在运 行 中要 重视 看 门狗 的正 确 使用 并对 系统 中不 正常状 态 的应急 处理做 出相 应 的 错误 处理模块 。 5 结语 智 能化 薄膜 减 压 阔 可为 科 研提 供 低 费用 、 快速和 数据 丰富的研 究条 件 。 由于结构设 计上 的 问题 ，本 阀不 能快 速地 对 给 定值 进行 反 应 在一定 程度上 限制 了其 应用范 围。滤波 电路与 数字滤 波应根据 系统状 态作相应 处理 以保证 精度 。压力与 流量 系 数 K 调 试 的工 作量 比较 大 ，有待 在数学 模型上重 新考虑 。 参考文献 1 杨源 泉阀门设计手 册E M 北 京：机械工业 出艋 社 1 9 9 2 【 2 窦振 中P I C系列单 片机原理和 程序设 计 M 北 京：北 京航 空航天大学 出艋社 1 9 9 8 ( 收稿 日期 ：2 0 】 】0 8) 维普资讯 http:/www.cqvip.com VALVE DESIGN QQ：40444436 VALVE DESIGN QQ群号：40444436