2024年1月15日发(作者：)
调节阀综述
1 调节阀的发展历程
2 调节阀在系统中的作用与重要性
3 调节阀的使用功能
4 十大类调节阀的功能优劣比较
5 调节阀标准与性能
6 调节阀泄漏标准的细分
7 调节阀在使用中存在的主要问题
8 九十年代调节阀的新发展
9 调节阀三代产品的初步划分
10 电动调节阀的应用前景
调节阀计算
1流量系数KV的来历
2 流量系数定义
3 原流量系数Kv计算公式
4 KV值计算新公式
5 调节阀口径计算
6 国际电工委员会推荐的新公式简介
不平衡力计算及校核
1 不平衡力和不平衡力距计算
2 输出力定义及计算
3 不平衡力的校核
4 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核
调节阀结构
1 调节阀的构成
2 气动薄膜执行机构
3 气动活塞执行机构
4 电动执行机构
5 阀盖与填料
6 调节阀主要阀型及结构特点
7 特殊阀
调节阀选型指南
1 调节阀结构型式的选择
2 执行机构的选择
3 材料的选择
4 作用方式的选择
5 弹簧范围的选择
6 流量特性的选择
7 流向的选择
8 填料的选择
9 附件的选择
10 型号决定
11 订货须知
12 调节阀选型的详细审定内容（115问）
13 调节阀选型的简化（提示）
调节阀的安装与维护
1 调节阀的主要性能及测试
2 调节阀的安装
3 调节阀的维护
4 调节阀常见故障处理60法
一、 调节阀综述
1. 1 调节阀的发展历程
1 调节阀的发展历程
调节阀的发展自20世纪初始至今已有七、八十年的历史，先后产生了十个大类的调节阀产品、自力式阀和定位器等，其发展历程如下：
20年代：原始的稳定压力用的调节阀问世。
30年代：以“V”型缺口的双座阀和单座阀为代表产品问世。
40年代：出现定位器，调节阀新品种进一步产生，出现隔膜阀、角型阀、蝶阀、球阀等。
50年代：球阀得到较大的推广使用，三通阀代替两台单座阀投入系统。
60年代：在国内对上述产品进行了系列化的改进设计和标准化、规范化后，国内才才有了自己完整系列的产品。现在我们还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品。这时，国外开始推出了第八种结构调节阀——套筒阀。
70年代：又一种新结构的产品——偏心旋转阀问世（第九大类结构的调节阀品种）。这一时期套筒阀在国外被广泛应用。70年代末，国内联合设计了套筒阀，使中国有了自己的套筒阀产品系列。
80年代：80年代初由于改革开放，中国成功引进了石化装置和调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得到了推广使用，尤其是套筒阀，大有取代单、双座阀之势，其使用越来越广。80年代末，调节阀又一重大进展是日本的Cv3000和精小型调节阀，它们在结构方面，将单弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧式薄膜执行机构，阀的结构只是改进，不是改变。它的突出特点是使调节阀的重量和高度下降30％，流量系数提高30％。
90年代：90年代的重点是在可靠性、特殊疑难产品的攻关、改进、提高上。到了90年代末，由华林公司推出了第十种结构的产品——全功能超轻型阀。它突出的特点是在可靠性上、功能上和重量上的突破。功能上的突破——唯一具备全功能的产品，故此，可由一种产品代替众多功能上不齐全的产品，使选型简化、使用简化、品种简化；在重量上的突破——比主导产品单座阀、双座阀、套筒阀轻70～80％，比精小型阀还轻40～50％；可靠性的突破——解决了传统阀一系列不可靠性因素，如密封的可靠性、定位的可靠性、动作的可靠性等。该产品的问世，使中国的调节阀技术和应用水平达到了九十年代末先进水平；它是对调节阀的重大突破；尤其是电子式全功能超轻型阀，必将成为下世纪调节阀的主流。
2. 调节阀在系统中的作用与重要性
2 调节阀在系统中的作用与重要性
调节阀在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节，被称之为生产过程自动化的“手脚” 。如图l-1所示
图1-1 自动调节系统的构成
气动调节阀(又称气动执行器)是以压缩空气为动力能源的一种自动执行器。它具有结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低廉、维修方便、防火防爆等特点，不仅能与气动调节仪表、气动单元组合仪表配用，而且通过电－气转换器 图1-1 自动调节系统的构成或电－气阀门定位器还能与电动调节仪表、电动单元组合仪表配套。它广泛地应用于化工、石油、冶金、电站、轻纺等工业部门中。
正由于调节阀结构简单，往往受不到重视，这是值得注意的。调节阀是直接安装在工艺管道上，使用条件恶劣，如高温高压、深度冷冻、极毒、易燃、易爆、易渗透、易结晶、强腐蚀和高粘度等，它的好坏直接影响到系统的质量。如果选型不当或维护不善，就会发生问题。例如，有的调节回路怎样也稳定不好，一直振荡，若在选择上作了改进，将线性特性阀芯改为对数特性阀芯或改变流向之后，调节品质大有改善。又如，有些调节过程中出现持续振荡，原因不在于调节器的比例度的过大或过小，而是由于阀门填料函的干摩擦太大，动作很不灵活。再如，调节阀的泄漏将造成厂区污染，甚至造成事故等。因此，应重视调节阀的作用，加强维护和保养。
3. 调节阀的使用功能
3 调节阀的使用功能
要正确使用调节阀，尤其是选择调节阀，必须首先弄清楚调节阀的使用功能，做到有的放矢，方能选好所需的调节阀。
3.1 调节功能
顾名思义，调节阀的首要功能就是调节，其主要表现在五个方面：
1) 流量特性
流量特性是反映调节阀的开度与流量的变化关系，以适应不同的系统特性要求，如对流量调节系统反应速度快需对数特性；对温度调节系统反应速度慢，需直线流量特性。流量特性反映了调节阀的调节品质。
2) 可调范围R
可调范围反映调节阀可控制的流量范围，用R＝Qmax：Qmin之比表示。R越大，调节流量的范围越宽，性能指标就越好。通常阀的R＝30，好的阀，如V型球阀、全功能超轻型调节阀，R可达100～200。
3) 小开度工作性能
有些阀受到结构的限制，小开度工作性能差，产生启跳、振荡，R变得很小(即Qmin很大)，如双座阀、衬胶蝶阀。好的阀小开度应有微调功能，即可满足很小流量的调节，且工作又要求十分平衡，这类阀如V型球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。
4) 流量系数Kv
流量系数表示通过流量的能力，同口径Kv值越大越好，尤其是球阀、蝶阀、全功能超轻型阀，它们的Kv值是单座阀、双座阀、套筒阀的2～3倍。
5) 调节速度
满足系统对阀动作的速度要求。
3.2 切断功能
切断由阀的泄漏量指标来表示，切断通常指泄漏量小于0.001％，它反映阀的
内在的质量。在阀的使用中，对国产阀泄漏量大的呼声反映很大。
3.3 克服压差功能
它通常用阀关闭时的允许压差来表示，允许压差越大，此功能也就越好。如果考虑不周到，阀芯就会被压差顶开，造成阀关不到位，泄漏量超标。因此，保证阀切断就必须克服阀关闭时的工作压差。通常单密封阀的允许压差小，如单座阀、角形阀、隔膜阀、三通阀；双密封的阀和转动类的阀的允许压差大，如双座阀、套筒阀、球阀、全功能超轻型阀。从泄漏量与克服压差两者上看：单密封阀泄漏小但允许压差小；双密封阀泄漏大，允许压差大；只有旋转类阀，泄漏量又小，允许压差又大，这就是旋转类阀使用越来越多的原因。
3.4 防堵功能
对不干净介质的调节或者即使是干净介质，管道中的焊渣等杂物都可能造成阀堵塞或被卡住，因此要求阀应有较好的防堵功能，使之正常调节。防堵性最好的是流路最简单的旋转类阀，如球阀、蝶阀、偏心阀、全功能超轻型阀；流路复杂的阀、上下衬套导向的阀易造成堵卡，如单座阀、双座阀、套筒阀等。旋转类阀不只是防堵功能好，而且泄漏又小，允许压差又大，因此它的使用将会越来越广泛。
3.5 耐蚀功能
抵抗介质的腐蚀和冲蚀，以提高阀的使用寿命。阀的腐蚀是由介质的化学性能引起的材质腐蚀问题，通常选用耐腐蚀的材料来解决；冲蚀是由高速流动的介质、含颗粒的介质和产生闪蒸被空化的介质所致。解决的途径是选用耐磨的材料，结构上采用反汽蚀、反冲蚀的措施，对高压阀、大压差工作的调节阀、含颗粒介质使用的调节阀需重点考虑此问题。
3.6 耐压功能
它反映阀的强度和安全指标，即介质不能通过密封处和阀体缺陷处向外渗漏。出厂时通常用1.5倍公称压力作试验来检验。对高压介质最好是采用锻件结构；铸铁阀的耐压强度是最低的，通常应选铸钢阀。
3.7 耐温功能
满足不同温度条件下阀的强度和性能，温度的较大变化会使阀体材质的强度降低，因此阀必须满足介质的温度变化范围的要求，使阀在工作温度下有较好的强度和安全保证。
3.8 外观
反映阀的外观质量且要求仪表化、轻型化、小型化。以往，人们对它不重视，现在正在改变。至目前，调节阀比较理想的外观是电子式全功能超轻型调节阀(见图4-27)。
3.9 重量
在满足以上功能的情况下，其重量应越轻越好，以方便使用，如起吊、安装、维护等。
4. 十大类调节阀的功能优劣比较
4 十大类调节阀的功能优劣比较
调节阀有十个大类，其九大功能具备的优劣情况如何呢？为了减少幅面，特汇总在下表中。
(表1-1)
九大类产品/功能 调节 切断 克服压差 防堵 耐蚀 耐压 耐温 重量 外观 最佳功能数量
直 单座阀 √ 0 × × √ √ √ × × 4
行
程
双座阀
套筒阀
角形阀
三通阀
隔膜阀
蝶阀
角 球阀
行 偏心旋转阀
程 全功能超轻
型调节阀
√
√
√
√
×
√
√
√
×
×
0
0
√
√
√
√
√
√
×
×
×
×
√
√
√
×
×
0
×
√
√
√
√
0
0
√
×
0
0
√
√
√
√
√
√
×
√
√
√
√
√
√
√
×
√
√
√
×
×
×
×
×
√
×
×
×
×
×
×
×
√
×
×
4
4
4
3
2
7
7
7
9 √ √ √ √ √ √ √ √
符号说明：“√”表示最佳；“0”表示基本可以；“×”表示差。
从上述比较表中我们可以看出：
（1）主导产品单座阀、双座阀、套筒阀的最佳功能仅有4个，故在使用中常出问题。
（2）蝶阀是较好的产品，最佳功能有7个，切断蝶阀会有更多的应用。故此，我们开发了球面硬密封切断蝶阀，三偏心蝶阀等高性能蝶阀，弥补了普通蝶阀泄漏大的不足。
（3）全功能超轻型调节阀是唯一在九大功能上都为最佳功能的产品，故冠名为全功能。由此特点，它使原来上百个品种、上千个系列、上万个规格的调节阀得到大大简化，使设计院选型更加简化；使工厂管理、维护、维修、备品备件等更加简化。
5. 调节阀标准与性能
5 调节阀标准与性能
5.1 调节阀新国标
气动调节阀国标GB4213-84 《气动调节阀通用技术条件》于1984年3月21日发布，于1985年1月1日实施。本标准又于1992年进行了修改，修改后的标准代号为GB/T4213-92，于1993年10月实施。该标准主要依据IEC国际标准，并结合我国具体情况而制定。原执行的部标自新国标实施之日起作废。
新旧标准比较，主要有以下不同：
(1) 新国标增加了“寿命”指标，共计14个性能指标：1基本误差；2回差；3死区；4始终点偏差；5额定行程偏差；6泄漏量；7填料函及其它连接处的密封性：8气室的密封性；9耐压强度；10额定流量系数；11固有流量特性；12抗振动性；13动作寿命；14外观。
(2) 新国标对基本误差、回差、死区、始终点偏差、额定行程偏差分为A、B、„„H、这8个等级，以便根据不同阀满足不同功能的要求选择性能成本比最佳的指标等级。旧标准针对每种阀而确定一个唯一对应的指标，缺乏灵活性。
(3) 新国标对泄漏量规定为A、B„„F，这6个等级，最高F级以每分钟气泡数计。旧标准只有一个等级，高压阀规定泄漏量为0是不符合实际的。
(4) 流量特性误差检验方法，新国标增加了按斜率法检验的方法。
(5) 新国标将旧标准流通能力改称流量系数。其数值旧标准做了统一规定，新国标由制造厂自行确定，更方便新产品设计定型。
(6) 对基本误差、回差的测试点由旧标准分为10个测试点改为5个测试点。
(7) 新国标对调节阀气源和环境温度的要求。
气源应为清洁、干燥的空气，不含有明显的腐蚀性气体、溶剂或其他液体。带定位器的调节阀，其气源所含固体微粒数量应少于0.1g/m，且微粒直径应大于3μm，含油量应小于1ppm。
调节阀环境温度为-25～+55℃或－40～+70℃。
调节阀工作时应满足上述要求。定位器气源不干净是造成定位器工作不正常的主要原因，占故障率的2/3以上，应特别注意这一点。
6. 调节阀泄漏标准的细分
6 调节阀泄漏标准的细分
6.1 国标对泄漏量的规定
GB/T4213-92的国标标准对泄漏规定了六个等级，其具体规定见表1-2。其中最低级别
为Ⅰ级，不作具体要求；最高级别是Ⅵ级，即为气泡级。当泄漏量大于0.5％KV值时，可免于测试。
表1－2
泄漏等级 试验介质 试验程序
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅳ－S1
Ⅳ－S2
Ⅴ
Ⅵ
最大阀座泄漏量
由用户与制造厂商定
5×10×阀额定容量，1/h
10×阀额定容量，1/h
10×阀额定容量，1/h
5×10×阀额定容量，1/h
2×10×△P×D，1/h
1.8×10×△P×D，1/h
3×10×△P×（表1-3规定的泄漏量）
L或G
L或G
L
G
L
G
G
L
G
1
1
1或2
1
1或2
1
1
2
1
注：①△P以KPa为单位。
②D为阀座直径，以mm为单位。
③对于可压缩流体体积流量，绝对压力为101.325KPa和绝对温度为273K的标准状态下的测定值。
④试验程序“1”表示△P＝0.35MPa、介质为水；试验程序“2”表示△P等于工作压差、介质为水或气体。
(表1-3)
阀座直径
mm
25
mL/min
0.15
泄漏量
每分钟气泡数
1
40
50
65
80
100
150
200
250
300
350
400
0.30
0.45
0.60
0.90
1.70
4.00
6.75
11.1
16.0
21.6
28.4
2
3
4
6
11
27
45
-
-
-
-
注：①每分钟气泡数是用外径6mm、壁厚1mm的管子垂直浸入水下5～10mm深度的条件下测得的，管端表面应光滑，
无倒角和毛刺。
②如果阀座直径与表列值之一相差2mm以上，则泄漏系数可假设泄漏量与阀座直径的平方成正比的情况下通过
类推法取得。
表1－2中的额定容量按下面表1-4的公式计算：
(表1-4)
介质/条件
液体
气体
表中： Q1———液体流量，m/h；
Qg———标准状态下的气体流量，m/h；
Kv———额定流量系数；
Pm ＝(P1+P2)/2 ，KPa；
P1———阀前绝对压力，KPa；
P2———阀后绝对压力，KPa；
△P———阀前后压差，KPa；
t———试验介质温度，取20℃；
G———气体比重，空气＝1；
ρ/ρ0相对密度（规定温度范围内的水ρ/ρ0 ＝1）。
6.2 美国的泄漏标准
美国ANSI B16.104-1976调节阀的泄漏量标准见表1-5。
(表1-5)
级别
Ⅱ级
最小泄漏量
0.5％额定Cv
试验介质
Ⅲ级 0.1％额定Cv
Ⅳ级 0.01％额定Cv
压力和温度
工作压差△P或50磅/英寸（3.5空气或水 巴）压差，取其中较小的一个值，温度10～52℃
工作压差△P或50磅/英寸（3.5空气或水 巴）压差，取其中较小的一个值，温度10～52℃
工作压差△P或50磅/英寸（3.5空气或水 巴）压差，取其中较小的一个值，温度10～52℃
5×10 m/秒/巴（压差）/mm
Ⅴ级 水 工作压差△P或，温度10～52℃
(阀座直径）（公制）
阀座直径 汽泡/ml/分
(in) (mm) 分
1" 25 1 0.15
1.5" 38 2 0.30
工作压差△P或50磅/英寸（3.52" 51 3 0.45 空气或
Ⅵ级 巴）压差，取其中较小的一个值，2.5" 64 4 0.60 氮气
温度10～52℃
3" 76 6 0.90
4" 102 27 1.70
6" 152 27 4.00
8" 2.3 45 6.75
6.3 泄漏标准的细分和定量概念
我们认为，上述标准划分还不够细腻，特别是Ⅳ级密封～Ⅴ级密封，其泄漏率由10突然跳跃到10，猛增1000倍。为此，笔者认为应将泄漏标准与切断的关系进一步细分。切断的等级与泄漏率见表1-6。同时，为了有一个量的概念，现列举Kv＝100（双座阀DN100、单座阀DN80～100、套筒阀DN100、V型球阀DN50、全功能超轻型阀DN50时的Kv值100）时，试验△P＝0.35 MPa、介质为水，每分钟在不同等级时的泄漏量（g/min）也列举在表1-6中。
(表1-6)
一般切断
切 断 等 级
举例Kv＝100、△P＝0.35
MPa、介质为水，每分钟的泄漏量克／分
转化为：滴水／分
较严密切断 严密切断
10 10 10 10
31
465
完全切断
微气泡级
10
310
4650
标准中的Ⅵ级，3.1 0.31 0.031
数气泡
46 4.6 0.46 /
注：lg≈15滴水
7. 调节阀在使用中存在的主要问题
7 调节阀在使用中存在的主要问题
调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品，也是更新换代最慢的产品，几十年一贯制，到现在，还是以五六十年代水平的产品―单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品(占70％左右)，可见，产品陈旧落后；另F方面，使用的问题也很突出。为了寻找调节阀的突破方向，在“九五”计划的初期，笔者首先对调节阀进行了专门的问卷调查，得到的结论是：
(1) 反映调节阀不象仪表、太笨重的占33.3％；
(2) 反映品种、规格繁多，选型复杂、工厂管理复杂、维护工作量大的占67.1％；
(3) 反映泄漏大的占42.5％；
(4) 反映经常堵卡、动作迟钝的占25.8％；
(5) 反映寿命短的占13.7％；
(6) 反映推力不够、阀关不严的占9.6％；
(7) 反映流量系数小、调节范围小的占5.2％；
(8) 反映阀外漏的占4.3％；
(9) 反映振动、振荡、啸叫的占1.7％。
在对上述存在问题作进一步的归纳分析后，得出最突出的问题有四个：
(1) 笨重：回头看一下调节阀的重量，一台DN200的阀重700～800公斤，一台DN300的阀重900～1000公斤，对它们的运输、安装、维护都必须要用吊车才能够进行，用户对此反映极为强烈；
(2) 品种规格繁多：单座阀、双座阀、套筒阀等产品加上压力、温度、特性等变型参数总计达10000多个规格，造成调节阀选型、工厂管理复杂化；
(3) 泄漏大：一是产品结构缺陷所致；二是没有考虑密封的可靠性；三是执行机构推力不够；
(4) 调节阀堵卡：阀的流路复杂，不干净介质必定造成堵卡。
归纳起来，从阀的结构上找原因，主要是片面地追求出厂性能，忽视了阀的可靠性；从使用上找原因，阀的选型不全面(也怪阀的品种规格太多，给选型带来了难度)。
对调节阀使用中的问题分析、处理见第七篇。
8. 九十年代调节阀的新发展
8 九十年代调节阀的新发展
六十年代调节阀的发展，在国外主要是推出了套筒阀，在国内主要是联合设计了单座阀、双座阀、角形阀等老产品；七十年代产生了偏心旋转阀；八十年代主要是精小型调节阀；九十年代主要是解决特殊疑难阀的使用问题，以往在使用上的老大难相继被解决，如高压阀的汽蚀问题、强腐蚀介质的腐蚀问题、不干净介质的堵塞问题、超小流量的调节问题、0.2秒紧急动作等，但较长一段时间里，均没有新的调节阀品种问世。直到1998年，华林公司推出了新一代产品——全功能超轻型调节阀，它主要针对调节阀使用存在的问题——调节阀功能不齐全、可靠性差、调节阀笨重，并对此进行立项逐一攻关的结果。它综合了旋转类调节阀的优点而产生的又一新品种，具有功能齐全(故称全功能)、重量轻(比单、双座阀、套筒阀等老产品轻70％～80％，比80年代的精小型阀还轻40％～50％，故称超轻型)、高可靠性的特点，对整个调节阀产生了重大突破，它使中国的调节阀水平大大地提高，并缩短了与国外的差距。作为新的一代产品，它必将取代老一代产品，成为下一世纪调节阀的应用主流。
9. 调节阀三代产品的初步划分
9 调节阀三代产品的初步划分
从本世纪初到现在的七八十年的时间里，调节阀还处于第一代产品的水平上。其特征是：①以六、七十年代水平的单座阀、双座阀、套筒阀为主导产品；②这代产品功能不齐全，不得不依靠扩充产品品种、变型来适应各种不同的场合，造成了品种规格繁多，对调节阀使用、计算、选型、调校、维护、备件等要求特别高；③可靠性差，使用的问题多；④十分笨重。
第二代产品将从可靠性、功能、重量上得到突破。其特征是：①全功能超轻型阀代替众多可靠性差、功能不齐全、又十分笨重的产品，即以它代替第一代的主导产品单座阀、双座阀、套筒阀，成为第二代主导产品；②电子式电动全功能超轻型阀逐步取代传统的因原执行机构可靠性差，不得不采用的“气动阀+电气阀门定位器+气源”的组合方式，从第二代产品的气动阀使用为主变成以电子式电动阀为主，这代产品预计要10年时间(2000～2010年)。
第三代产品就是智能化。在应用上的特点是：①与计算机接口；②可靠性更加提高，故障率进一步下降；③调节阀的品种以及对调节阀的使用要求进一步的简化。
10. 电动调节阀的应用前景
10 电动调节阀的应用前景
随着电子产品不断进步，尤其是可靠性的进一步提高，使得九十年代国外电动执行机构产生了质的飞跃，其突出的表现是：①可靠性极高，可以在5-10年内免维修；②重量大幅度下降，比老式的DKZ、DKJ的电动执行机构轻70％～80％；③外观也得到了极大的改善；④性能提高、调整简化、使用更加方便、简单。值得一提的是，国内的执行机构与之差距太大，仍处于六七十年代的水平。正由于电动执行机构的可靠性得到了根本上的解决，配上高可靠性的全功能超轻型调节阀，使得调节阀成为了真正意义上的第二代产品，到下世纪初，这种高可靠性电子式全功能超轻型调节阀必将逐步取代传统的“气动阀+电气阀门定位器+气源”的组合方式。除上述高可靠、全功能、超轻型的特点外，还将带来如下好处：
(1) 用电源既方便又节约，省去了建立气源站的一系列费用；
(2) 用“气动阀+电气阀门定位器+气源”的复杂方式，它不只是增加了费用，反而带来了可靠性的下降(环节越多，可靠性差的因素增加)；
(3) 从经济性上看，除省去气源站的费用外，还省去电气阀门定位器的费用：现在一台好的进口的电气阀门定位器，通常在5000～6000元以上，更好的在8000～10000的价位上，而这个价位基本上可购回上述高可靠的电子式执行机构；
(4) 环节减少了，相应减少了维修工作量。
二、 调节阀计算
1. 流量系数KV的来历
1 流量系数KV的来历
调节阀同孔板一样，是一个局部阻力元件。前者，由于节流面积可以由阀芯的移动来改变，因此是一个可变的节流元件；后者只不过孔径不能改变而已。可是，我们把调节阀模拟成孔板节流形式，见图2－1。对不可压流体，代入伯努利方程为：
（1）
解出
命
图2-1 调节阀节流模拟
再根据连续方程Q＝ AV，与上面公式连解可得：
这就是调节阀的流量方程，推导中代号及单位为：
V1 、V2 —— 节流前后速度；
V —— 平均流速；
P1 、P2 —— 节流前后压力，100KPa；
A —— 节流面积，cm；
Q —— 流量，cm／S；
ξ—— 阻力系数；
r —— 重度，Kgf／cm；
g —— 加速度，g = 981cm/s ；
（2）
如果将上述Q、P1、P2 、r采用工程单位，即：Q ——m/ h；P1 、P2 —— 100KPa；
r——gf/cm。于是公式（2）变为：
（3）
再令流量Q的系数 为Kv，即：Kv ＝
或 （4）
这就是流量系数Kv的来历。
从流量系数Kv的来历及含义中，我们可以推论出：
（1）Kv值有两个表达式：Kv = 和
（2）用Kv公式可求阀的阻力系数 ξ = （5.04A/Kv）×（5.04A/Kv）；
（3） ，可见阀阻力越大Kv值越小；
（4） ；所以，口径越大Kv越大。
2. 流量系数定义
2 流量系数定义
在前面不可压流体的流量方程（3）中，令流量Q的系数 为Kv，故Kv 称流量系数；另一方面，从公式（4）中知道：Kv∝Q ，即Kv 的大小反映调节阀流量Q的大小。流量系数Kv国内习惯称为流通能力，现新国际已改称为流量系数。
2.1 流量系数定义
对不可压流体，Kv是Q、△P的函数。不同△P、r时Kv值不同。为反映不同调节阀结构，不同口径流量系数的大小，需要跟调节阀统一一个试验条件，在相同试验条件下，Kv的大小就反映了该调节阀的流量系数的大小。于是调节阀流量系数Kv的定义为：当调节阀全开，阀两端压差△P为100KPa，流体重度r为lgf/cm (即常温水)时，每小时流经调节阀的流量数（因为此时 ），以m/h 或
t／h计。
例如：有一台Kv ＝50的调节阀，则表示当阀两端压差为100KPa时，每小时的水量是50m ／h。
2.2 Kv与Cv值的换算
国外，流量系数常以Cv表示，其定义的条件与国内不同。Cv的定义为：当调节阀全开，阀两端压差△P为1磅／英寸2，介质为60°F清水时每分钟流经调节阀的流量数，以加仑／分计。
由于Kv与Cv定义不同，试验所测得的数值不同，它们之间的换算关系:Cv ＝
1.167Kv （5）
2.3 推论
从定义中我们可以明确在应用中需要注意的两个问题：
（1）流量系数Kv不完全表示为阀的流量，唯一在当介质为常温水，压差为100KPa时，Kv才为流量Q；同样Kv 值下，r、△P不同，通过阀的流量不同。
（2）Kv是流量系数，故没单位。但是许多资料、说明书都错误地带上单位，值得改正。
3. 原流量系数Kv计算公式
3 原流量系数Kv计算公式
3.1 不可压流体的流量系数公式
公式（4）是以不可压流体来推导的，此公式即为不可压流体的流量系数公式。
3.2 可压流体的流量系数公式
可压流体由于考虑的角度不同，有不同的计算公式，主要采用的是压缩系数法和平均重度法两种。
压缩系数法是在不可压流体流量系数公式（4）基础上乘上一个压缩系数ε 而来，即
或
并将r换算成标准状态（0℃、760mmHg）的气体重度：
于是得出 （6）
式中，ε——压缩系数，由试验确定为ε＝ 1－0.46△P／P1，在
饱和状态时， △P／P1 ＝ 0.5，此时流量不再随△P的
增加而增加，即产生了阻塞流（阻塞流的定义为：
流体通过调节阀时，所达到的最大极限流量状态），
见图2－2。 ε＝1－0.46×0.5 ＝ 0.76；
t——介质温度，℃；
N——在标准状态下的参数。
用于蒸气计算时，计算公式略有不同，见表2－1。
3.3 平均重度法
平均重度法公式推导要复杂得多。在推导中将调节阀相当长度为L、断面为A的管道来代替，并假定介质为理想流体，当介质稳定地流过管道时，采用可压缩流体流量方程式： （2-11）
式中， Lf——摩擦功；
g ——加速度。
在上式基础上，再引入三个辅助方程：
理想气体多变热力过程的变化规律方程
P1V1m ＝ 常数
状态方程 P1V1 ＝ RT1
连续方程 VA／v ＝常数
以上三式中：v——比容；
m——多变指数；
R——气体常数；
T——绝对温度；
V——流速。
由上述4个方程通过一系列纯数学推导（略），得到其流量方程为：
为简化公式，把实际流动简化为等温度变化来处理，故取m＝1。同时，把物理常数代入，即可整理得：
(7)
当 △P／P1 ≥0.5时，流量饱和，故以 △P＝ 0.5P1 代入上式得：
(8)
同样，蒸气的计算公式也是在公式（7）、（8）基础上推导出来的。
综合上述，把原各种介质的Kv值计算公式汇总在表2－1中。
表2-1 原调节阀流量系数Kv值计算公式
流体 压差条件
液
体
计 算 公 式
-
G——重量流量（t／h）
压缩系数法 平均重度法
一般气体
气
体
一般气体
蒸
气
Gs——重量流量
4. KV值计算新公式
4 KV值计算新公式
目前，调节阀计算技术国外发展很快，就KV值计算公式而言，早在20世纪70年代初ISA（国际标准协会标准）就规定了新的计算公式，国际电工委员会IEC也正在制定常用介质的计算公式。下面介绍一种在平均重度法公式基础上加以修正的新公式。
4.1 原公式推导中存在的问题
在前节的KV值计算公式推导中，我们可以看出原公式推导中存在如下问题：
（1）把调节阀模拟为简单形式来推导后，未考虑与不同阀结构实际流动之间的修正问题。
（2）在饱和状态下，阻塞流动（即流量不再随压差的增加）的差压条件为△P／P=0.5 ，同样未考虑不同阀结构对该临界点的影响问题。
（3）未考虑低雷诺数和安装条件的影响。
4.2 压力恢复系数 FL
由P1在原公式的推导中，认为调节阀节流处由P1直接下降到P2，见图2－3中虚线所示。但实际上，压力变化曲线如图2－3中实线所示，存在差压力恢复的情况。不同结构的阀，压力恢复的情况不同。阻力越小的阀，恢复越厉害，越偏离原推导公式的压力曲线，原公式计算的结果与实际误差越大。因此，引入一个表示阀压力恢复程度的系数FL来对原公式进行修正。FL称为压力恢复系数（Pressure reecvery factor），其表达式为:
(9)
式中， 、 表示产生闪蒸时的缩流处压差和阀前后压差。
图2-3 阀内的压力恢复
关键是FL的试验问题。用透明阀体试验，将会发现当节流处产生闪蒸，即在节流处产生气泡群时，Q就基本上不随着△P的增加而增加。这个试验说明：产生闪蒸的临界压差就是产生阻塞流的临界压差，故FL又称临界流量系数（Critical flow
factor），因此FL既可表示不同阀结构造成的压力恢复，以修正不同阀结构造成的流量系数计算误差，又可用于对正常流动，阻塞流动的差别，即FL定义公式（9）中的压差△Pc就是该试验阀产生阻塞流动的临界压差。这样，当△P＜△Pc时为正常流动，当△P≥△Pc时为阻塞流动。从（9）公式中我们即可解出液体介质的△Pc为： △Pc = FL(P1-Pv) (10)
由试验确定的各类阀的FL值见表2－3。
4.3 梅索尼兰公司的公式——FL修正法
1）对流体计算公式的修正
当△P＜△PC时，为正常流动，仍采用原公式（4）；当△P≥△Pc时，因△P增加Q基本不增加，故以△Pc值而不是△P值代入公式（4）计算即可。当△Pv≥0.5P1时，意味差有较大的闪蒸，此时△Pc还应修正，由试验获得： (11)
式中：Pc表示液体热力学临界点压力，见表2－4。
2）对气体计算公式的修正
原产生阻塞流的临界差压条件是△Pc＝0.5P1，即固定在△P／P1＝0.5处，这和实际情况出入较大。实际上△Pc仍与FL有关，由试验得临界压差条件为：△Pc ＝ 0.5
FL P1 （12）
利用FL概念推得的新公式有好几种，但以在原平均重度法公式基础上修正的新公式最简单、方便，即平均重度修正法，它只需将原阻塞流动下的计算公式除上FL即可。若要更精确些，则再除上一个系数（y－0.14y），其中 。蒸气计算公式的修正同上。为了便于比较、应用，将采用FL修正的新公式和原公式汇总于表2－2中。归纳起来，有两个不同：一是流动状态差别式不同；二是在阻塞流动的情况下计算公式不同。引入了3个新的参数：FL、PC、（y－0.148y）
原计算公式
流动
流动状态判介 质 状态 计算式
别
一般流动
无
当液
体
阻
塞
流
动
时
- -
当 时
新计算公式
流动状态判断 计算式
同原计算式
一般
△P/P1 < 0.5
流动
气
体
阻塞
流动
同原计算式
原计算式乘
或
一般
流动
饱
和
蒸
阻塞
气
流动
蒸
气
一般
流动
同气体
同气体 同原计算式
同气体
同气体 同原计算式
原计算式乘同气体
同气体
或
过
热
蒸 阻塞
气 流动
原计算式乘同气体
同气体
或
Q：液体流量 m/h
表
中
代
号
及
单
位
QN：气体流量 Nm/h
GS：蒸气流量 kgf/h
r：液体重度 g/cm
rn：气体重度 kg/Nm
P1：阀前压力 100KPa
P2：阀后压力 100KPa
△P：压差 100KPa
其中
※ Pv：饱和蒸气压100KPa
Pc：临界点压力（见表2-4）
FL：压力恢复系数（见表2-3）
t：摄氏温度 ℃
tsh：过热温度 ℃
△Pc：临界压差 100KPa
※ 可查GB2624-81或理化数据手册。蒸气、气体压力为绝压。
表2-3 FL值
调 节 阀 形 式
单
座
调
节
阀
双 座
调节阀
柱塞形阀芯
“V”形阀芯
套筒形阀芯
柱塞形阀芯
“V”形阀芯
柱塞形阀芯
角型调节阀
套筒形阀芯
文丘里形
“O”型
“V”型
60°全开
90°全开
偏心旋转阀
流向
流开
流闭
任意流向
流开
流闭
任意流向
任意流向
流开
流闭
流开
流闭
流闭
任意流向
任意流向
任意流向
任意流向
流开
FL值
0.90
0.80
0.90
0.90
0.80
0.85
0.90
0.80
0.90
0.85
0.80
0.50
0.55
0.57
0.68
0.55
0.85
球阀
蝶阀
3）公式计算步骤
第一步：根据已知条件查参数：FL、Pc；
第二步：决定流动状态。
液体：①判别 Pv 是大于还是小于0.5P1；
②由①采用相应的△Pc公式：
③△P＜△Pc为一般流动；△P≥△Pc为阻塞流动。
气体： 为一般流动， 为阻塞流动。
第三步：根据流动状态采用相应Kv值计算公式。
4）计算举例
例1 介质液氨，t＝33℃，r＝0.59，Q＝13t／h，P1＝530×100KPa，P2＝70×100KPa，△P＝460×100KPa，Pv＝15×100KPa，选用高压阀，流闭型。
第一步：查表得FL＝0.8，Pc＝114.5×100KPa
第二步： ∵0.5P1＝265＞Pv
∴△Pc＝FL（P1－Pv）＝329。
△P＞△Pc，为阻塞流动。
第三步：采用阻塞流动公式
例2 介质空气，t＝20℃，rN＝1，QN＝100M/h，P1＝2×100KPa（绝压），P2＝1.5×100KPa（绝压），△P＝0.5×100KPa，选用单座阀，流开型。
第一步：查表FL＝0.9
第二步： ＝ 0.25＜0.5FL ＝0.5×0.92＝0.4为一般流动。
第三步：采用一般流动Kv值计算公式
例3 在例2基础上，改P2＝1.1×100KPa（绝压），即△P＝0.9×100KPa
∵ ＝0.45＞0.5FL＝0.4
∴为阻塞流动。采用公式为：
若要更准确些时，上式再除以（y－0.148y），即
其中， y －0.148y＝0.93
表2-4 临界压力 Pc
介质名称
醋酸
丙酮
乙炔
空气
PC（100KPa 绝压）
59
48.4
63.7
38.2
介质名称
甲烷
甲醇
氧
氧化氯
PC（100Kpa 绝压）
47.2
81
51.2
73.8
氨
氮
氟
氦
氢
氩
苯
二氧化碳
一氧化碳
114.5
34.5
25.7
2.33
13.1
49.4
49
75
36
辛烷
氯
乙烷
乙醇
氯化氢
丙烷
二氧化硫
水
戊烷
25.4
73
50.2
65
84
43.2
80
224
34
5. 调节阀口径计算
5 调节阀口径计算
5.1 口径计算原理
在不同的自控系统中，流量、介质、压力、温度等参数千差万别，而调节阀的流量系数又是在100KPa压差下,介质为常温水时测试的，怎样结合实际工作情况决定阀的口径呢？显然，不能以实际流量与阀流量系数比较（因为压差、介质等条件不同），而必须进行Kv值计算。把各种实际参数代入相应的Kv值计算公式中，算出Kv值，即把在不同的工作条件下所需要的流量转化为该条件下所需要的Kv值，于是根据计算出的Kv值与阀具有的Kv值比较，从而决定阀的口径，最后还应进行有关验算，进一步验证所选阀是否能满足工作要求。
5.2 口径计算步骤
从工艺提供有关参数数据到最后口径确定，一般需要以下几个步骤：
（1）计算流量的确定。根据现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算的最大工作流量Qmax和最小工作流量Qmin。
（2）计算压差的决定。根据系统特点选定S值，然后决定计算压差。
（3）Kv值计算。根据已决定的计算流量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的Kvmax。
（4）初步决定调节阀口径，根据已计算的Kvmax，在所选用的产品型式系列中，选取大于Kv-max并与其接近的一档Kv值，得出口径。
（5）开度验算。
（6）实际可调比验算。一般要求实际可调比应大于10。
（7）压差校核（仅从开度、可调比上验算还不行，这样可能造成阀关不死，启不动，故我们增加此项）。
（8）上述验算合格，所选阀口径合格。若不合格，需重定口径（及Kv值），或另选其它阀，再验算至合格。
5.3 口径计算步骤中有关问题说明
1）最大工作流量的决定
为使调节阀满足调节的需要，计算时应考虑工艺生产能力、对象负荷变化、预期扩大生产等因素，但必须防止过多地考虑余量，使阀口径选大；否则，不仅会造成经济损失、系统能耗大，而且阀处小开度工作，使可调比减小，调节性能变坏，严重时还会引起振荡，使阀的寿命缩短，特别是高压调节阀，更要注意这一点。现实中，绝大部分口径选大都是此因素造成的。
2）计算压差的决定——口径计算的最关键因素
压差的确定是调节阀计算中的关键。在阀工作特性讨论中知道：S值越大，越接近理想特性，调节性能越好；S值越小，畸变越厉害，因而可调比减小，调节性能变坏。但从装置的经济性考虑时，S小，调节阀上压降变小，系统压降相应变小，这样可选较小行程的泵，即从经济性和节约能耗上考虑S值越小越好。综合的结果，一般取S＝0.1～0.3（不是原来的0.3～0.6）。对高压系统应取小值，可小至S＝0.05。最近，为减小调节阀上的能耗，我们还提出了采用低S值的设计方法（S＝0.05～0.1），即选用低S节能调节阀。
压差计算公式，由S定义S＝△P／（△P＋△P管）得：
再考虑设备压力的波动影响，加（5％～10％）P作为余地，故
+(0.05～0.1)P
式中，△P为调节阀全开时的阀上压降； △P管 为调节阀全开时，除调节阀外的系统损失总和，即管道、弯头、节流装置、手动阀门、热交换器等损失之和。
若一个实际投运了的系统，如引进装置，对方提供了已知的最大、最小流量及相应压差，阀门的标准Kv值，即可由下公式求S值：
3）开度验算
由于决定阀口径时Kv值的圆整和S值对全开时最大流量的影响等因素，所以还应进行开度验算，以验证阀实际工作开度是否在正确的开度上。
在过去的有关资料中，在开度验算公式和工作开度允许值方面存在一些问题。针对存在的问题，特推导出相应的验算公式和工作开度允许值，其内容见表2－5。其中开度验算公式应采用以理想流量特性解出的公式，该公式简单，但其Kvi应是对应工作条件计算出的流量系数。
4）可调比验算
调节阀的理想可调比R＝30，但在实际运行中，受工作特性的影响，S值越小，最大流量相应减小。同时工作开度也不是从0至全开，而是在10％～90％左右的开度范围内工作，使实际可调比进一步下降，一般能达10左右，因此验算时，以R＝10来进行。
验算公式：R实际 = R
把R＝10代入上式，得可调比验算公式为：R实际＝10
当S≥0.3时，R实际≥3.5，能满足一般生产要求，此时，可以不验算。
若调节阀不能满足工艺上最大流量、最小流量的调节要求时，可采用两个调节阀进行分程控制，也可选用一台R较大的特殊调节阀来满足使用要求。
表2-5 正确的开度验算公式及验算要求
原公式及验算要
内 容 原公式及验算要求 正确公式及验算要求
求存在的问题
直线特性
考虑实际工作情况（即考虑对S值的影响）的验开度验算算公式
公式
以理想流量特性（即不考虑S值的影响）来验算的近似公式
由于原公式是由液体来推导的，不能用于气体。用于
气体时公式的根号内出现负值，无法计算。
直线特性
≈
对数特性
实际是相对流量，只有直线特性时可近似看成相对K = 1+开度，用于对数特性时，将造成验算上的错误。
对数特性
不管流量特性与带定位器否，笼统因为调节阀的Kv值是理地规定在90％左想值，应考虑其误差。右是不合理的。以因此，本方法考虑调节90％计算，当系统阀出现最大负全行程偏为最大流量，而调差时和负10％Kv的流量节阀又出现最大误差时，具有的实际流开的负流量误差时，量作为全开时的流量，度最大工作希望大工作开度应90％左右，直线特性将有4％令此流量为最大工作流验开度验算 即 Kv（不带定位器）、量，得出的条件为；
算 1％Kv（带定位器）直线特性：
的流量不能通过不带定位器Kmax﹤86%
调节，选用对数特带定位器Kmax﹤89%
性时，使调节阀还对数特性：
有5％Kv（不带定不带定位器Kmax﹤92%
位器）、16％Kv（带带定位器Kmax﹤96%
定位器）的容量没有充分利用，造成
选大调节阀的可能。
没考虑高压阀小一般情况Kmin>10%高压最小工作最小工作开度不应小于10％即
开度冲蚀以及小关阀、阀稳定性差时开度验算 Kmin>10%
开度易振荡问题 Kmin>10～30%
Qi——某一开度的流量m/h
K——对应Qi的工作开度
式中代号
r——介质重度，kg/cm
Kvi——对应Qi的计算流量系数
Kv——调节阀的流量系数。
△P——调节阀全开的压差，100KPa
S——压差分配比
5.4 计算实例
[例1] 工作条件为：介质液氨，t＝33℃，r＝0.59g/cm，Pv＝15×100KPa，Qmax＝15m/h，对应Qmax之P1、P2、△Pmin为530、130、400×100KPa，Qmin＝5m/h，△Pmax＝500×100KPa，S＝0.2，选用高压阀，直线特性，带定位器工作，求口径DN。解：
（1）流量已确定为：Qmax＝15m/h；Qmin＝5m/h。
（2）压差确定为：△Pmin＝400×100KPa，△Pmax＝500×100KPa。
（3）Kv值计算：
第一步：查表得FL＝0.8
第二步：决定流动状态
∵0.5P1>>Pv
∴△Pc＝FL(P1－Pv）＝0.82(530－15)＝320×100KPa
又∵△Pmin＞△Pc
∴均为阻塞流
第三步：采用阻塞流动状态的Kv值计算公式
（4）根据Kvmax＝0.64查高压阀流量系数，得DN＝10，dg＝7其Kv＝1.0。
（5）开度验算
因Kv＝1只有直线特性，应采用直线特性验算公式，故有：
Kmax﹤ 89%，Kmin >10%，故Kv＝1.0验算合格。
（6）可调比验算：R实际 = 10
R实际≥
（7）压差校核△P＜[△P]（因ds>dg），校核通过。
（8）结论：DN＝10，dg＝7，Kv＝1.0，验算合格。
验算合格
6. 国际电工委员会推荐的新公式简介
6 国际电工委员会推荐的新公式简介
6.1 公式简介
国际电工委员会（IEC）推荐公式见表2－6，对于液体，与表2－2中公式一样，只是气体计算公式方程有所不同。在考虑压力恢复系数FL的新概念基础上，不是表2－2中用FL对原平均重度法加以修正的形式，而是采用又一种新的修正方法－－膨胀系数修正重度法。膨胀系数修正重度法根据流量单位的不同，有体积流量和重量流量之分，前者用于一般气体；后者用于蒸气。对于一般气体，根据已知介质的标准重度rN、气体分子量M或对空气的比重G，有3种相对应的计算公式；对蒸气，根据已知的入口实际重度或分子量，有两个相对应的计算公式供选用。该方法比表2－2中推荐的平均重度修正法要复杂些。从表中可看出，膨胀系数修正重度法共引入了8个新的参数，其中物理参数4个：K、Pc、Tc、M；查图参数1个：Z；计算的参数3个：XT、FK、Y。由于考虑的因素多些，自然精度更高。
6.2 公式比较计算实例
下面，举例看看原平均重度法、平均重度修正法、膨胀系数修正重度法在同样条件下的计算差别。
例 已知二氧化碳QN＝76000Nm/h，rN＝1.977kg/m，P1＝40×100KPa（绝压），P2＝22×100KPa，t1＝50℃，选用双座阀，求Kv值为多少？解：
（1）按原平均重度法计算：
∵
∴为一般流动，Kv值计算公式为：
= 151.3
（2）按平均重度修正法计算：
查表得FL＝0.85
0.5FL＝0.5×0.85＝0.36
∵ ＝0.45> 0.5FL
∴为阻塞流动，Kv值计算公式为：
= 171.2
（3）按膨胀系数修正重度法计算：
查有关物理参数得：
K＝1.3；PC＝75.42×100KPa；TC＝304.2℃。
根据PC、TC查图得Z＝0.827
流动状态差别
∵XT＝0.84FL＝0.84×0.85＝0.61
FK＝K/1.4＝1.3/1.4
表2-6 国际电工委员会推荐的新公式汇总表
介质
流动
状态 流动状态
计算公式
Kv值计算公式
液体
一般流动
阻塞流动
同表2-2
推荐公式
同表2-2推荐公式
一般流动
气体
或
阻塞流动
或
一般流动
蒸气
阻塞流动
或
QN：气体标准状态下的流量Nm/h
Gs：蒸气重量流量kg/h
rN：气体标准状态下的重度kg/Nm
已经熟悉的代号
T1：入口绝对温度K
P1：阀前绝压100Kpa
r1：入口蒸气重度kg/m
△P：压差100Kpa （若为过热蒸气时，代入过热条件下的实际重度）
G：对空气的比重
Fk：比热比系数FK＝K／1.4
Z：压缩系数（由比压力P4／PC和比
K：气体的绝热指数
温度T1／TC查表得PC为临界压力TC为临界温度）
新引入的XT：临界压差比系数XT＝0.84FL
代号
Y：膨胀系数 Y =
或
表中代号及单位
（Y的范围0.667～1.0 ）
M：气体的分子量
注：Pc、Z、K可进一步查阅GB2624－81或理化数据手册
XTFk＝0.61×1.3/1.4＝0.57
△P/P1＝0.45﹤ XTFk
∴为一般流动，采用公式为：
Kv =
计算Kv值：
Kv =
（4）结论：
由以上计算实例可见，采用平均重度修正法与膨胀系数修正重度计算结论基本一致，其Kv值为171.1～171.2之间，而原平均重度法计算出的Kv值为151.3，差（171.2－151.3）/151.3＝13%。
这个例子是比较巧合的。平均重度修正法与膨胀系数修正法实际计算结果有差别，而后者精度更高，但是计算复杂，推广应用还比较困难。前者精度低些，同时也考虑了FL的影响。由于它计算简便，需要的物理参数不多，使用起来更加方便。从满足工程应用和简化上看，作者推荐前者。
三、 不平衡力计算及校核
1. 不平衡力和不平衡力距计算
1 不平衡力和不平衡力距计算
流体通过调节阀时，受流体作用力影响，产生使阀芯上下移动的轴向力或使阀芯旋转的切向力。对于直行程的调节阀，轴向力影响信号与位移的关系，这一轴向力称为不平衡力，以ft（任意位置时），Ft（关闭位置时）表示。对角位移的调节阀，如蝶阀、偏心旋转阀等，影响其角位移的切向合力矩称为不平衡力矩，以M表示。
影响不平衡力（矩）的因素很多，主要是阀的结构型式、压差、流向因素。阀的结构型式中又包括阀的类型、节流形式、阀芯（塞）形状、阀芯正装或反装、阀杆直径与阀座直径大小等关系。
从表3－1中工作状态中，可以非常直观地看出对单座式调节阀，阀芯正装，流开型，阀关闭时的阀芯所受的不平衡力Ft为：
其它阀的不平衡力（距）的推导道理一样，是一个简单的受力计算。常见的阀计算公式汇总在表3-1中。
表3-1 常用调节阀不平衡力和许用压差计算公式
调节不平衡力（力矩）
工作状态
阀 计算公式
单座阀
角形阀
允许压差计算式（P2≠0）
Ft =
P1-P2 =
双座阀
Ft =
P1-P2 =
Ft =
套筒阀
三通
（合流）
P1-P2 =
P1-P2 =
Ft =
Ft =
三通
（分流）
隔膜
P1-P2 =
Ft =
P1+P2 =
P1-P2 =
蝶阀
M=ξDN△P
ξ为转矩系数
M＇为输出力矩，J为推力系
数，f为摩擦系数
2. 输出力定义及计算
2 输出力定义及计算
2.1 输出力的正确定义
首先我们引入几个符号：ft表示任意开度的不平衡力；Ft表示阀关闭时的不平衡力；“-”表示不平衡力的作用方向是将阀芯顶开的；“+”表示不平衡力的作用方向是将阀芯压闭的。
过去的定义是：执行机构用来克服不平衡力的力。这个定义有两个问题：①调节阀任意开度都存在着不平衡力ft，这样，执行机构任意开度都有输出力克服Ft，使阀信号压力与开度一一对应，ft变化不影响阀位。实际并非如此，只有带定位器时才有这种功能。②克服“+”、“-”ft问题没有区分，造成混为一体的模糊概念，导致计算错误。表现在现场时，就是有的阀关不死或打不开。
我们知道，“-” Ft对阀芯产生顶开趋势，所需执行机构的输出力应该是克服它顶开，并保证阀密封的力；“+” Ft对阀芯产生压闭趋势，所需输出力应该是保证阀启动并能走完全行程的力。于是，我们得出输出力的正确定义为：阀处关闭位置时，执行机构具有克服“—” Ft，以保证阀的密封，克服“+” Ft，以保证阀正常启动并能走完全行程的力，这种力称为执行机构输出力，以F表示。
2.2 气动薄膜执行机构输出力的正确计算
过去F计算，没考虑Ft的不同作用方向，笼统地按阀处在“-” Ft情况来处理，造成阀处在“+” Ft的情况下工作时打不开等问题。下面分两种情况讨论。
1）“-” Ft时的F计算
（1）对气开阀，执行机构的预紧力，即Po·Ae，作用在阀芯上，克服“－” Ft，以保证阀密封。故其F为：
（0﹤Po≤Pmax－Pr） （18）
（2）对气闭阀，阀走完全行程，即阀芯接触阀座之后，再继续增加的力才作用在阀芯上克服“－” Ft，以保证阀的密封，故其F为：
F＝（P－Pr）·Ae （PL＜P≤Pmax
＝ （19）
2）“+” Ft时的F计算
“+” Ft所需的输出力是将阀芯打开的力。阀关闭时，阀芯受力为“+” Ft，阀一旦启动，它随开度的增加而按ft变化规律下降。由于阀从关至全开的弹簧张力变化为PrAe，所以当Ft ≥PrAe时，只要Ft下降PrAe，则弹簧张力相应补偿PrAe，阀靠Ft减小而启动至全开。这种阀一旦启动，信号压力不变，靠Ft减小而使阀突然打开一个范围，就是我们常说“突然启跳”。当Ft﹤PrAe时，小于部分则信号压力的正常改变使阀全开。
从上述讨论中可以看出：当“+” Ft≥ PrAe时，只要保证阀启动就可保证阀全开，不必在信号压力P中考虑阀全开而扣除Pr，即“+” Ft的F计算，不考虑Pr的影响。具体计算如下：
（1）对气开阀，首先是克服预紧力，余下的执行机构作用力才能抵抗“+” Ft，把阀芯拉开，故其F为：
F＝（P-Po）·Ae （Po﹤P≤Pmax） （20）
（2）对气闭阀，阀的启动是靠信号压力的减小，靠弹簧张力把阀拉开。故静态时，阀关闭到位时弹簧所具有的张力，就是把阀启开的作用力，即
F＝PL·Ae （PrBPL≤Pmax） （21）
3）小结
通过上述分析，还可得出如下有用的结论：
（1）“+” Ft的F计算，不扣除Pr，所以比原笼统地按“－” Ft计算要扣除Pr的输出力大得多，否定了笼统地说气动薄膜执行机构输出力小的结论。如最大执行机构的Ae＝1600cm，Fmax＝2.5×1600＝4吨。通常，它可比“－” Ft条件下的F大3～5倍以上。
（2）选用大的Pr，即可提高稳定性，又可提高“+” Ft时气闭阀的输出力。
（3）因“+”、“－” Ft方向相反，故所需输出力方向也相反。如气开阀，对“－”
Ft，增加F是调紧，即增大P0；对“+” Ft，增加F是调松，即要减小P0。由于过去笼统地按“－” Ft考虑，因而造成阀在“+” Ft情况下工作时F正好是减小，这就是“+” Ft时有的阀关不死，或打不开的原因所在。
（4）因“+” Ft比“－” Ft获得更大的F，故阀在“－” Ft的情况下不能正常工作时，可以通过改变流向的办法，使阀在“+” Ft的情况下工作，使之克服不平衡力。
（5）对两位型调节阀，它只起开关作用。因此，应使之在“+” Ft情况下工作（通常为流闭型）。这样，一方面它可获得比“－” Ft大3～5倍以上的许用压差，另一方面，“+”Ft的作用是将阀芯压紧，增加了阀芯对阀座的密封力，提高了切断效果，通常泄漏量可比“－” Ft小（80~90）％。
2.3 活塞执行机构的输出
活塞执行机构受力如图3—1所示。，从图可知其输出力为：
式中：D——活塞直径cm；
η——气缸效率（一般η＝0.8）；
P1、P2——气缸两侧压力。
3. 不平衡力的校核
3 不平衡力的校核
3.1 存在的问题
不平衡力校核是保证阀正常工作的不可缺少的计算环节。然而，在调节阀的计算中往往被忽视了，许多设计院在调节阀的规格表或计算书上，根本就没有阀关闭时的工作压差这一栏，更谈不上计算、校核。原来，有的阀在现场工作时，阀芯关不到位，大多是该原因所致。故此，我们完全有必要讲讲不平衡力的校核问题。
3.2 不平衡力的校核
不平衡力的校核就是让执行机构的输出力F足够的大于介质的不平衡力Ft、摩擦力和阀芯的重力等。通常的办法就是将不平衡力Ft乘一个系数。现在的问题就是此系数取多大，原来的公式只取到了1.2～1.3。通过实验证明，该系数取得过于保守，经常造成阀的输出力不够，不能有效的克服阀杆的摩擦力、阀芯导向处堵卡的摩擦力、阀动作不自如等。正确的公式应为：
F＝(1.5～2) Ft
式中，对四氟填料和干净介质可取系数为1.5，对石墨填料和不干净介质应取系数2。
值得再一提的是对高温高压阀、关键场合用的阀门，上述系数还应取2～3以确保阀动作的可靠性。
3.3 许用压差表
为了简化计算，生产厂根据工作条件对常用阀门计算出允许压差[△P](列在选型样本或说明书上)，现对阀的校核变成允许压差的校核，即工作压差小于允许压差[△P]：
即： △P ﹤[△P]
但是，为了可靠起见，笔者还是建议作认真的计算。如果计算有困难，建议将阀关闭时的工作压差告诉生产厂，由生产厂进行计算校核(包括选定弹簧范围等)。
我们还建议，设计院的计算书、调节阀的规格书上应增加调节阀关闭时的最大压差一栏。
这是因为，至目前为止，一半的规格书上没有阀关闭时的最大工作压差，使生产厂想校核也无从着手；也有的工厂不管此问题，认为计算是设计院的事，这样往往把问题留给了用户，当开车时，才发现阀推力不够，阀关不严或打不开、动作不自如，再来做被动的处理。
3.4 不平衡力计算与校核的简化
为了方便用户，只需将阀关闭时的工作压差告诉生产厂，由生厂进行计算校核，提供满足上述阀关闭时的工作压差的阀即可。此简化只是给用户提供方便，不是不计算。
4. 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核
4 执行机构的刚度与调节阀的稳定性校核
4.1 执行机构刚度
执行机构抵抗负荷变化对行程影响的能力称为执行机构的刚度，也等于弹簧刚度。气动执行机构的刚度表达式为：
式中：B、K——执行机构、弹簧的刚度；
△ft、△L——不平衡力，推杆位移的变化量。
从式中，可得出如下推论：
(1) 刚度越大，在相同△ft变化下，推杆位移变化量△L越小，阀越稳定；反之亦然。
(2) B∞Pr，弹簧范围越大，刚度越大，阀越稳定。故阀易产生振荡时，应选Pr
大的弹簧。
4.2 调节阀的稳定性
调节阀的稳定性与阀关闭时的不平衡力Ft对阀的作用方向有关。当Ft的作用方向是将阀芯顶开时(即“－” Ft)，调节阀就稳定；反之，Ft的作用方向是将阀芯压闭时(即“+” Ft)，阀的稳定性就差——即容易产生振荡。调节阀在现场通常产生振荡就是此原因所致。解决振荡的办法就是改变阀的流向，把“+” Ft变成了“－” Ft，调节阀的振荡就消除了。
为什么“－” Ft阀稳定性好，而“+” Ft的稳定性差，产生振荡呢?从下面的分析就清楚了。
对“－” Ft：当干扰使阀增加一个“△Ft”时，阀被顶开，阀芯被顶开压差就下降，“△Ft”就自动消失。由此看出，由于它能自动排除干扰，所以阀稳定。
对“+”Ft：当干扰使阀增加一个“△Ft”时，阀芯被压闭，使阀的压差增加，“△Ft "再进一步地增大，又进一步地压闭阀芯，压差再增加，“△Ft "再增加，这样就破坏了原平衡状态，阀芯在干扰作用下，不能自动消除它，反而使得放大，迫使阀芯作浮上浮下运动，这就是我们所说的调节阀的振荡。
4.3 调节阀稳定性的校核
在对“+” Ft工作时，阀的稳定性差。在什么条件下才认为是稳定的呢？它与阀的刚度有关，最终的结果是(推导略)：
稳定的条件：“+” Ft ﹤ 1/3 PrAe
不稳定的条件：“＋” Ft ≥ 1/3 PrAe
4.4 调节阀不稳定(振荡)的克服
从上述看出“+” Ft稳定性差，“-” Ft稳定性好，通常阀产生振荡都是在“+”
Ft下工作造成的。遇到此现象，首先分析受力和流向，若为“+” Ft工作，只需将阀改变流向安装即可，从根本上消除上述问题；若不能改变流向，则必须增大弹簧范围，如Pr＝20～100KPa改为Pr＝40～200KPa等。
四、 调节阀结构
1. 调节阀的构成
1 调节阀的构成
国际电工委员会IEC对调节阀（国外称控制阀Control Valve）的定义为：“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件，它包括一个阀体部件，内部有一个改变过程流体流率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”可见，调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成，即
调节阀＝执行机构+阀体部件
其中，执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部件是调节阀的调节部份，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。
调节阀按其能源方式不同主要分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三大类。它们的差别在于所配的执行机构上。前者配的是气动执行机构，中间一种配的是电动执
行机构，后者配的是液动执行机构。
目前，国内将不带阀的电动执行机构称为电动执行器，这个习惯的称法有待纠正。
2. 气动薄膜执行机构
2 气动薄膜执行机构
2.1 老式气动薄膜执行机构
该执行机构是一种过去应用最广的执行机构。它通常接受20～100KPa的标准信号压力，具有结构简单、动作可靠、维修方便、价格低廉等优点。
该执行机构分为正、反作用两种形式，见图4—l。国产型号ZMA型（正作用）与ZMB型（反作用），其含义为：Z—执行器大类；M—气动薄膜型式；A—正作用；B—反作用。
当信号压力增加时，推杆向下动作的叫正作用式执行机构；反之，信号压力增加时，推杆向上动作的叫反作用式执行机构。在结构上，正、反作用执行机构基本相同，均由膜盖、波纹膜片、推杆部件、弹簧、支架等组成。在正作用式的结构上加上垫块，更换个别零件，即可变为反作用式。
它们的作用原理是：当调节器或定位器的输出信号P输入薄膜气室后，信号压力在薄膜上产生推力，使推杆部件移动，并压缩弹簧，直至弹簧的反作用力与信号压力在薄膜上产生的推力相平衡为止。这时推杆的移动，就是气动薄膜执行机构的位移，也称行程，用 表示，全行程用L表示。
输入信号压力P与执行机构的输出行程成线性关系。令执行机构正好启动时的信号压力为P0 ，全行程处的信号压力为PL ，则P0～PL 为执行机构走完全行程所需要的信号压力，亦称为弹簧范围，以Pr 表示，见图4－2。启动信号压力P0 可以通过调节件调整，使Pr 前后移动，可增加对气开阀，气闭阀所需要的输出力，以提高许用压差。
（a）正作用 （b）反作用
图４-1 老式气动薄膜执行机构
该类执行机构中的关键零件是波纹膜片和弹簧。
膜片由丁腈橡胶－26，中间夹锦纶－6的32支丝织
物制成。由于橡胶类零件有一定的温度使用范围，所
以规定了调节阀的环境温度为－30℃～+60℃。弹簧
是执行机构质量好坏的关键零件，在全行程范围内，
弹簧刚度应保持不变，才能保证执行机构的线性度。
老式薄膜执行机构主要参数见表4－1。 图４-2位移特性
表4-1
参数/执行机构 ZM□－1 ZM□－2 ZM□－3 ZM□－4 ZM□－5 ZM□－6
有效面积cm 200 280 400 630 1000 1600
推杆行程mm 10 10，16 16，25 25，40 40，60 60，100
弹簧范围KPa 20～100、20～80、50～130、80～160、60～180、130～210
气源压力KPa 140 250
2.2 精小型气动薄膜执行机构
它主要针对老式薄膜执行机构笨重和反作用可靠性差的问题而设计的。在减少重量和高度方面，它将老结构的单弹簧改为多弹簧，并将弹簧直接置于上下膜盖内，使支架大大地减小减轻； 在可靠性方面，将反作用的老式执行机构的深波纹滚动膜片改成“O”型圈密封；老式结构中的推杆没有导向，动作的平稳性差，而精小型执行机构增加了导向。
归纳起来，精小型执行机构具有可靠性高、外形小、重量轻的特点。其结构见4－3图；其型号：正作用ZHA、反作用ZHB；其参数见表4－2。
表4-2
型号 ZHA/B-11 ZHA/B-22 ZHA/B-23 ZHA/B-34 ZHA/B-45
行程 10 10，16 16，25 40 40，60
有效面积cm 200 350 350 560 900
弹簧范围KPa 20～100 20～80 50～130 80～160 130～210
气源压力KPa 140 250
重量精小型 / 20 21 35 70
比较老结构 ZMA/ZMB / 25/28 30/50 49/58 95/115
Kg 新比老结构下降％ / 22/29 30/40 29/43 26/39
（a）正作用 （b）反作用
图４-3 精小型气动薄膜执行机构
2.3 薄膜执行机构的优缺点
优点：结构简单、可靠。
缺点：①膜片承受的压力较低，最大膜室压力不能超过250KPa，加上弹簧要抵消绝大部分的压力，余下的输出力就很小了。②为了提高输出力，通常作法就是增大尺寸，使得执行机构的尺寸和重量变得很大；另一方面，工厂的气源通常是500～700KPa，它只用到了250KPa，气压没充分利用，这是不可取的，活塞执行机构解决了此问题。
3. 气动活塞执行机构
3 气动活塞执行机构
为了充分用足工厂的气源压力来提高执行机构的输出力、减少其重量和尺寸，便产生了活塞执行机构。
由于受到传统应用的影响，活塞执行机构的应用都局限于大推力上，故使用的场合较少。这是因为过去的定位器气源压力为140～250KPa，而700KPa气源的定位器的可靠性较差。如今，这一问题已不存在，定位器700KPa以上的气压都可用一台定位器来实现。换言之，现在的定位器，既可用于140～250KPa场合，又可用于700KPa的场合，这样一来，我们就应该改变传统的习惯作法——选用700KPa的气源定位器，配活塞执行机构去代替气动薄膜执行机构，使气动调节阀的尺寸和重量进一步下降。所以可以预言，气动活塞调节阀的应用会越来越广泛。
3.1 直行程活塞执行机构
它主要用于配直行程的调节阀，它分为有弹簧式和无弹簧式两种，其结构图见4－4。
1）无弹簧活塞执行机构
（1）用于故障下要求阀保位的场合；
（2）用于大口径阀要求执行机构推力特别大的场合；
（3）对两位阀配用二位五通电磁阀；对调节型的阀配用双作用式阀门定位器。
2）有弹簧式活塞执行机构
大多数场合使用有弹簧的活塞执行机构，其特点是：①在故障情况下，通过弹簧进行复位，实现故障开或故障关功能；②可以抵抗不平衡力的变化，增加执行机构的刚度，提高调节阀的稳定性。它的缺点是：①弹簧会抵消一部分输出力；②气缸内设弹簧，增加了气缸的长度和重量。
（a）无弹簧型 （b）有弹簧型
图4-4 单层活塞执行机构
3）双层活塞执行机构
为了进一步提高活塞执行机构的输出力，活塞执行机构可设计为双层式，输出
力可提高约一倍，主要用于大压差、大口径、输出力要求特别大的场合。其结构见图4—5。
3.2 角行程活塞执行机构
角行程的活塞执行机构主要用于角行程类的调节阀，按气缸的安装方向，分为立式气缸和卧式气缸两种。按活塞的推杆驱动输出轴转动的结构，常用的有：①曲柄连杆式；②齿轮齿条式；③活塞螺旋式。
1）立式曲柄连杆活塞执行机构
它最常见的是用于蝶阀，其结构见图4－6。它是最老式、陈旧的结构，其主要存在的问题是：①曲柄连杆转动为滑动摩擦，不仅间隙大，而且摩擦力特别大、造成执行机构的回差大、动作不灵敏，常常使有效输出力矩损失约30％左右；②尺寸大、笨重，与现在追求调节阀为轻型化和高可靠的要求不相适应，故建议不选用。
2）卧式曲柄连杆活塞执行机构
它的典型结构见图4－7，其存在的问题同1），也是属淘汰的对象。然而，现在许多场合，如偏心旋转阀、球阀还在大量使用。显而易见，应该用更小型的、更可靠的活塞执行机构去取代它。
（a）无弹簧型 （b）有弹簧型
图4-5 双层活塞执行机构
图4-6 立式曲柄连杆活塞执行机构
3）卧式齿轮齿条活塞执行机构
它的结构见图4－8所示。它有如下特点：①齿轮齿条转动方式克服滑动摩擦，它比曲柄连杆的滑动摩擦方式的摩擦力小得多，同口径可提高效率20％；②齿轮齿条转动均匀，转动间隙小，因此运动自如、回差小；③很容易设计成双活塞式，使其输出力矩提高一倍；反过来，当输出力矩一定时，就可获得更小尺寸的执行机构，使重量和尺寸得到大幅度的减小；④非常容易实现与阀直接相连，又简化了阀的连接方式，并使所配阀的外形更加匀称、美观、小型。
图4-7 卧式曲柄连杆活塞执行机构
图4-8 卧式齿轮齿条活塞执行机构
4）立式螺旋式活塞执行机构
卧式活塞执行机构横向尺寸较大，对于一些特殊场合，横向安装尺寸受限，如国产化，原来的阀要更换下来，它的左右、前后尺寸都受到了限制，只能向上方空间发展，此时，卧式的执行机构就不能用了，只能配立式执行机构，见图4-9。气缸内开有螺旋槽的活塞直接带动输出
轴转动，具有尺寸小、重量轻的特点。但它比卧式齿轮齿条活塞执行机构的可靠性差、有效输出力矩小，所以图4-9 立式螺旋式活塞执行机构
除在不得已的情况下选用此执行机构外，我们还是建议选用卧式齿轮齿条活塞执行机构。
5）建议性意见
（1）直行程的调节阀，如单座阀、双座阀、套筒阀，建议选用立式直行程活塞执行机构去代替气动薄膜执行机构，它不仅可以减小尺寸，还有效地利用500KPa的气源来提高输出力、提高阀的刚度（如加粗阀杆、加大弹簧等）。
（2）对角行程类的调节阀，应选用卧式齿轮齿条活塞执行机构，最典型的是蝶阀，所配气动薄膜执行机构或立式活塞曲柄连杆的驱动方式都应淘汰，配用卧式齿轮齿条活塞执行机构。这样，不仅提高了动作的可靠性和精度，且外形尺寸大大减小，外形也更加美观；其次是偏心阀、球阀，也应将原来的老式曲柄连杆结构淘汰，由卧式的齿轮齿条活塞执行机构来代替。一个典型的阀改进的例子见图4-10。
（a）老式活塞蝶阀
图4-10
4. 电动执行机构
4 电动执行机构
由于老式电动执行机构可靠性差，因此选用较少，不得已只好采用“气动阀+电气阀门定位器+气源”的复杂组合方式，其目的就是绕开电动执行机构。通过近二十年电动执行机构的发展，尤其是近十年电子式执行机构的问世，它可靠性高、重量轻、外观美，所以其应用迅猛发展，大有取代“气动阀+电气阀门定位器+气源”之势，我们不得不对电动执行机构另眼相看了。
4.1 DKZ直行程电动执行机构
它是七十年代设计的老产品，其结构见图4－11。它可配用DFD电动操作器实现系统的手动、自动的无干扰切换、中途限位、远程控制等。DKZ执行机构分为普通型和隔爆型两种，其推力范围是40～1600kgf，行程是10—100mm。
主要存在的问题是：①可靠性差；②伺服放大器与执行机构分开安装，使用不方便；③笨重，最小规格DKZ－1100重达38kg，最大规格DKZ—5600重量高达150kg；④外形尺寸大，需占据较大的安装空间。如此看来，DKZ的应用将会越来越少。
b）新型小型蝶阀
图4-11 DKZ电动执行机构
（
4.2 DKJ角行程电动执行机构
它与DKZ同属七十年代设计的产品，其特点与DKZ一致，只是输出的是角行程，用于角行程类调节阀。其结构见图4－12。
它的缺点除与DKZ一
致外，另有两个缺点：①无防爆结构；②需另设置一个角铁零件再与阀连接，这种连接方图4-12 DKJ电动执行机构
式笨重、落后又复杂。它同DKZ一样属淘汰品种。
4.3 S系列（SKZ、SKJ）电动执行机构
为解决上述DKZ、DKJ存在的问题，在80年代对它们进行了改进型设计，原DKZ改进后为SKZ，原DKJ改进后为SKJ。其结构分别见图4－13、4－14。
改进后的优点为：①将DKZ顶置位阀改在了侧面；使高度有所降低；②顶置的手轮也改在侧面了，降低了高度，方便了手动操作；③在可靠性方面作了一定的改进；④较DKZ、DKJ减轻30％（普通型）、防爆型减轻20％；⑤角行程执行机构增加了直连式连接方式。
但仍存在的问题有：它仍然局限在老式的DKZ、DKJ的基础上的改进，没有得到根本性的突破，如可靠性问题、重量问题、外观问题、伺放另外安装问题等，较好地解决这些问 图4-12 DKJ电动执行机构题，还是下述的电子式执行机构。
图4-13 SKZ直行程电动执行机构
4.4 电子式电动执行机构
它于80年代问世，在90年代日趋完善，应用在国外越来越普及。非常遗憾的是，国内却没有这样的产品，除国内引进日本工装的电子式执行机构外，主要还是靠进口或国内代销，国内的厂家还在生产DKZ、DKJ及S系列，可见，执行机构与国外有十年的差距。好在进口执行机构的价格还算能够接受，与“气动阀+进口阀门定位器”的价格不相上下。为此，一方面，我们呼吁应尽量选用高可靠、高性能、超轻型的电子式执行器，同时，我们也呼吁国内厂家尽快研制出中国自己的产品（国内的厂家和研究所图4-14 SKJ角行程电动执行机构
也正在努力）。作者近十年在调节阀的研究上下了很大的功夫，认为在目前的情况下，进口电子式执行机构配国产的阀是当前调节阀的首选。
在后面第六篇将详细地介绍了日本工装、日本光荣、西德PS公司生产的电子式电动执行机构以及国产的电子式电动执行机构。
电子式电动执行机构有如下特点：
（1）可靠性高，好的进口执行机构可以在5～10年内免维修，这是最突出的特点：
（2）执行机构、伺服放大器一体化，其伺服放大器小到如烟盒大小。它不仅尺寸小，而且调整方便，功能齐全；
（3）超小超轻，轻到了3～5kg，而国内的DKZ、DKJ最轻也达30多公斤；
（4）外观美。这种电子式执行机构通常是两种形状，一种圆柱型，最小的形状尺寸约为Φ130×150mm，大规格的也不过如生活中的“高压锅”般大小；另一种是长方形，小规格的形如“小饭盒”般大小。它们与阀相匹配，使整个阀十分匀称。
（5）多功能。具有自诊断系统、状态切换、信号任意切换、行程任意选定、带过载保护、带过热保护、带阀位反馈等，这些都是老式电动执行机构无法相比的；
（6）调整方便。手动操作简单方便（不需手柄推进拉出）、调整方便、接线方便、伺服放大器一体化，不需考虑伺服放大器的另外安装；
（7）性能价格比优越，这也是它被大量使用的又一主要因素。
5. 阀盖与填料
5 阀盖与填料
5.1 上阀盖型式
调节阀的上阀盖位于执行机构与阀体之间，其作用是使填料函中的聚四氟乙烯填料在一定的温度范围内正常工作而保证密封性能，它有以下三种常见结构，如图4－15（a）、（b）、（c）。
（1） 普通型：使用工作温度为：铸铁－20～＋200℃；铸钢－40～＋250℃；
（2） 散热型：使用工作温度为：碳钢－40～＋450℃；不锈钢－60～＋450℃；
（3） 长颈型：使用工作温度为：－60～＋200℃。
散热型一般采用聚四氟乙烯填料。当采用新型的柔性石墨填料时，由于它可直接在600℃高温以下工作，因此，在高温场合也可用普通型上阀盖。
对有毒、易挥发或贵重流体介质场合，为避免泄漏，设计为波纹管密封型。它把阀介质隔绝在波纹管内侧而减少外漏。如图4－15（d）所示。
(a) (b) (c)
图4-15 上阀盖类型
(d)
5.2 填料
调节阀的填料装于上阀盖填料室内，其作用是防止介质因阀杆移动而向外泄漏。最常用的填料是由聚四氟乙烯制成。它具有摩擦系数小、密封性能好和耐腐蚀性能好等优点，但耐温差、寿命较短。其形状见4－16。
(a) (b)
图4-16 聚四氟乙烯
现在柔性石墨填料的应用越来越广泛。石墨填料是70年代初国外研制的新型填料，我国在70年代中期开始研制并用于调节阀中。石墨填料具有密封性和自润滑性好、耐腐、耐高低温、温度变化影响小等特点，它的应用将会越来越普遍。
石墨填料需要较大的压紧力，因此对阀杆摩擦力较大，一般要带阀门定位器或气动放大器才能工作。石墨填料工作温度为－200～＋600℃，可以直接在高温介质中工作，无需带散热片。它一方面减小了外形尺寸，同时经济性也好。
6. 调节阀主要阀型及结构特点
6 调节阀主要阀型及结构特点
至目前为止，共产生了十个大类的调节阀，在第一篇的“调节阀的发展过程”中作了综述。下面着重介绍这十大类的结构和使用特点，重点说明使用中的优缺点及其原因，以及使用中注意的问题。
6.1 直通单座调节阀
1）结构与使用特点
阀体内只有一个阀芯和阀座，见图4-17。DN≥25时，阀芯为双导向（现在的精小型单座阀已改为单导向）；DN≤20的，阀芯为单导向。该阀产生于四十年代，六十年代国内联合设计，属六十年代水平的产品，其使用特点如下：
（1）由于只有一个阀芯，容易保证密封，泄漏量小，但不能完全切断，其标准泄漏量为0.01％Kv，因
此适用于泄漏量要求小的场合。当进一步设计后，可作为切断阀使用。
（2）正因为只有一个阀芯，压差对阀芯产生的不平衡推力大。设阀前压力为P1，阀后压力为P2，图4-17
阀杆直径为ds，阀座直径为dg ，见图4－17中的（b），则往上的推力为0.25πdgPl，往下的推力为0.25π（dg-ds）P2。
不平衡力是：Ft＝0.25πdgPl－0.25（dg-ds）P2
＝0.25π（dg△P＋dsP2）
由公式可知，口径越大，上推的不平衡力越大，所以，允许压差△P越小，因此直通单座调节阀仅适用于△P小的场合，否则必须选用推力大的执行机构，或配用阀门定位器。但口径较小时，因△P作用面积小，也可用于大压差场合。
（3）因阀体流路较复杂，加之导向处易被固体卡住，不适用于高粘度、悬浮液、含固体颗粒等易沉淀、易堵塞的场合。
（4）太笨重。
2）使用须知
该阀主要优点一个：泄漏小；主要缺点三个：允许压差小、易堵卡、太笨重。因此，它仅适用于泄漏要求较严，压差不大的干净介质场合；反过来讲，不干净介质、压差较大时不能用。取代它的产品是精小型单座阀（重量、高度下降30％）和全功能超轻型调节阀（泄漏小、压差大、不干净介质场合可用，且重量约轻70％，尤其DN≥65时效果更明显）。
6.2 直通双座调节阀
1）结构与使用特点
直通双座调节阀阀体部件的结构如图4－18所示。阀体内有两个阀座、阀芯，阀芯为双导向。该阀产生于四十年代，六十年代国内联合设计，属六十年代水平的产品。它使用特点如下：
（1）由于流体压力作用在两个阀芯上，不平衡力相互抵消许多，因此允许压差大。这种能互相抵消许多不平衡力的结构为平衡式结构。
（2）在关闭时，因存在着加工误差，阀芯与阀
座的两个密封面不能同时密封，因此，泄漏量比单座阀大十倍到上百倍；同时，温度变化时泄漏量也会增大，这是它的突出的缺点，所以不能用在工艺要求泄漏小的场合。
（3）因阀体流路较复杂，加之上下导向处易被图4-18
固体颗粒卡住，不适用于高粘度、悬浮液、含固体颗粒等易沉淀、易堵塞场合。
（4）太笨重。
2）使用须知
该阀主要优点一个：允许压差大；主要缺点三个：泄漏大、易堵卡、太笨重。因此，它仅适用于泄漏要求不严、压差较大的干净介质场合。反过来讲，不干净介质、泄漏要求较严时不能使用。取代它的产品是精小型套筒阀（重量、高度下降30％）和全功能超轻型调节阀（泄漏小、压差大、不干净介质均可使用，且重量轻约70％，尤其是DN≥65时效果更明显）。
6.3 套筒阀
1）结构与使用特点
套筒阀是六十年代发展起来的新品种，具有七十年代水平。它由套筒阀塞节流代替单、双座阀的阀芯、阀座节流，其结构如图4－19所示。它有如下使用特点：
（1）阀的稳定性好。由于套筒阀的阀塞设有平衡孔，可以减少介质作用在阀塞上的不平衡力，加上足够的阀塞导向，因此不易引起阀芯的振荡。
（2）套筒提供的节流窗口有开大窗口和打小孔（喷射型）两种，后者有降低噪音，减小共振的功能。进一步改进，即可成为专门的低噪音阀。
（3）阀的泄漏大，因为是双密封结构（道理同双座阀）。
（4）也因为是双密封结构，故许用压差大。
（5）维修方便。套筒通过上阀盖被压紧在阀体上，不象单、双座阀那样，阀座是通过螺纹与阀体连接的，因此拆装简便。
（6）它由阀塞自身导向，加上流路复杂，更容易堵卡。
（7）太笨重。
图4-19
2）使用须知
该阀的主要优点二个：允许压差大、稳定性好；主要缺点三个：泄漏大、易堵卡、笨重。因此，它同双座阀一样，通常仅用于泄漏要求不严、压差较大的干净介质场合；反过来讲，不干净介质、泄漏要求较严时不能选用。取代它的产品是全功能超轻型调节阀（泄漏小、压差大、不干净介质均可用，且重量下降70～80％），尤其是DN≥50时效果更明显。
6.4 角形阀
1）结构与使用特点
将直通的阀体改为角形（相当于一个弯头）阀体，单座阀就变成了角形阀，见图4－20。该产品也是六十年代国内联合设计的产品，其节流、受力形式完全同单座阀，它除了保留单座阀泄漏小、许用压差小的特点外，同时还有如下特点：
（1）流路简单，具有“自洁”性能，可适用于不干净介质场合，还可进一步改进为防堵角阀。
（2）流阻小，具有双座阀的流量系数（比单座阀大）。
（3）需要角形连接的场合。
（4）阀体易于锻造毛坯，所以高压阀通常采用角形阀。
2）使用须知
通常仅用于角形安装的场合，如果为使防堵更好，可用全功能超轻型阀（防堵性能最好、重量轻60％左右）取
图4-20
代它。
6.5 三通阀
三通阀有3个出入口与管道相连，相当于两台单座阀合成一体。按作用方式分为合流阀和分流阀两种，见图4－12，它有如下特点：
（1）三通阀工作时，一个通路处全关，另一个通路全开位置，关闭时受力与单座阀相似。
（2）三通是由单、双座阀改型而成，并利用阀芯自身导向，更换气开气闭时，必须更换执行机(a) X型结构 (b) Q型结构
构。
（3）由于小口径不平衡力小，当Dg≤80时，合流阀可用于分流场合。
图4-21
（4）三通阀阀芯与套筒阀的套筒一样，其节流面积有开大窗口和打小孔（喷射型）两种，后者有降低噪音，减小共振的功能。
6.6 隔膜阀
它是最早的调节阀之一，见图4－22，它有如下使用特点：
（1）软的橡胶隔膜阀能切断介质做到不漏。
（2）因橡胶有一定的耐蚀性，在60年代前，还没有更好的耐腐蚀材质，它通常又被当作耐腐蚀材料来推广应用，甚至还延续到今天。
（3）流路简单，有“自洁”作用，可用于不干净介质。 图4-22
（4）开特性，但作为耐腐蚀调节阀用时， 只好用快开特性的前部分，其有效行程短，调节品质差。
（5）尤如一个疲劳试验件，强迫它上下折叠，容易破坏，因为隔膜是一个不可靠的零件，导致阀寿命较短，这是致命缺点。正由于此，作者近几年都在强调：应图4-22
该淘汰隔膜阀，用球阀、全功能超轻型阀取而代之。
（6）关闭时，介质作用力把膜片往上顶，不平衡力较大，需要较大的执行机构推力，因此，必须选用特别大的又笨又重的执行机构，使阀重量变得非常笨重，是球阀的2倍，是全功能超轻型阀的3—4倍。
（7）尤其需要强调的是：耐腐蚀材质越来越多，尤其是80年代末衬氟塑料工艺得以解决，衬氟球阀问世。由于氟塑料比橡胶耐腐蚀、耐温，而球阀的球芯又远比
隔膜阀隔膜的刚度强十倍百倍，所以建议在腐蚀介质的切断和调节场合，尽量不选用隔膜阀，选用耐腐蚀衬氟球阀、蝶阀和全四氟单座阀。不妨举一个例子说明：在水处理系统中，脱盐水装置上使用的阀，10年前，无论是国外还是国内装置，都选用了衬氟塑料的隔膜阀，其使用寿命长则一年左右，短则3～6个月，因此，不断地在更换隔膜。后选用我们推荐的水处理专用球阀后，此问题被很好地解决了，寿命长达7～8年，一般也能用到3～5年。
6.7 蝶阀
1） 结构及使用特点
蝶阀相当于切下一段管道来做阀体，中间阀板节流，结构见图4－23。它突出的特点表现在：
（1）阀大致分为普通蝶阀、椭圆蝶阀和高性能蝶阀。
（2）具有体积小、重量轻，特别适应于大口径的场合。
（3）有较好的近似对数流量特性，调节性能好。
因其阀体又兼阀座功能，能很好地利用节流的冲刷有效地对阀体内壁进行冲洗，又带来较好的“自洁”性能。
（4）最适用于大口径、大流量、低压力、不干净介质的场合。随着工艺参数的强化，口径的不断增大，蝶阀的应用将越来越广泛。
2）使用须知
该阀有重量轻、体积小、防堵的优点外，其缺点就是泄漏大，只能用于压力小的场合。为减小其泄漏量，便有了椭圆蝶阀，较普通蝶阀泄漏减小了3～5倍以上，为满足重量轻型化、尺寸小，而泄漏又要求小，特建议选用全功能超轻型调节阀或球面密封蝶阀等高性能蝶阀，泄漏可达10～零泄漏。早在五六十年代，蝶阀节流件衬胶用于耐腐蚀场合，但因衬胶蝶阀不耐蚀或可靠性差，早巳淘汰，而代之的是衬氟防堵切断蝶阀，它具有耐蚀、防堵、切断、重量轻、尺寸小等优点，适用场合较广泛，该阀已获国家专利。
6.8 球阀
1）结构与使用特点
球阀是一种成熟的老产品，有“O”形球阀、“V”形球阀之分，见图4—24。它利用球芯转动与阀座相割打开的面积来调节流量，其使用特点如下：
（1）最大特点是流路最简单、损失最小，“自洁”性能最好。
（2）“O”形球阀无阻调节，Kv值最大，通常用于不干净介质的两位切断。
（a）“O”型球阀 （b）“V” （3）“V”形球阀提供近似对数型球阀
图4-22
流量特性的调节特性，“V”形球阀与阀座相对转动时产生剪切作用，尤其适用于高图4-24
粘度、悬浮液、纸浆等不干净、含纤维介质的调节、切断。
（4）阀芯的受力是在△P作用下，将阀芯球推向一侧阀座上，对阀座产生的压紧力增加了阀芯转动时的摩擦力，因此△P 主要产生的是一种摩擦力，执行机构克服这一摩擦力容易得多，即球阀切断压差较大。
（5）水处理专用球阀可适用于强腐蚀介质场合。
（6）球阀与隔膜阀应用场合相似，建议多用球阀少用隔膜阀（隔膜太容易坏）。
2）使用须知
该阀比直通阀有更多的优点，但可靠性差、太笨重、价格贵又限制了它的使用；通常该阀座为软的四氟材料，目的是为了更好的切断，但耐温和耐磨不行，为此，宜选用“硬对硬”密封。推荐代替它的产品仍然是全功能超轻型阀（具有蝶阀、V型球阀、偏心阀的共同优点）。
6.9 偏心旋转阀
1）结构与使用特点
偏心旋转阀亦称凸轮挠曲阀，是70年代发展
的新品种，具有八十年代水平。其工作原理就是一
个偏心转动的扇形球阀，利用偏心球冠与
阀座相切，
打开时，球芯脱离阀座；关闭时，球芯逐
步接触阀
座，使球对阀座产生压紧力，图见4—25。其特点有：
（1）球面压紧阀座时，容易把结晶结巴物破坏， 图4-25
适用于结晶、结巴及不干净介质场合。烧碱专用阀就是利用这一特点设计的。
（2）流路简单，Kv值大，“自洁”性能好。
（3）阀体体积小、重量轻。
（4）比例调节时，执行机构需带定位器，若仅两位控制时，其优点更显著。
（5）密封形式有硬密封、软密封供选用。从可靠性上考虑，作者推荐选用硬密封（堆焊耐磨合金）。
2）使用须知
该阀比直通单座阀、双座阀、套筒阀有更多的优点，故使用越来越广。但是，它采用对夹式法兰，安装不方便；同时，阀的可靠性和重量不如全功能超轻型调节阀优，故推荐选用全功能超轻型调节阀（具有蝶阀、V型球阀、偏心阀的共同优点）优之。
6.10 全功能超轻型阀
6.10.1 结构及使用特点
本阀综合了蝶阀的超薄特点、球阀的节流与密封好的特点、偏心阀的转动摩擦小和芯座磨损小的特点，结合可靠性的研究而开发出的九十年代最新产品，其结构见图4—26。它有如下三大特点：
1）全功能
（1）调节性能好。通常调节阀的可调范围R＝Qmax:Qmin＝10～30，好的阀R也不过50，而本阀的可调范围可达100～200；小开度调节性能比单座、双座、套筒好得多， Kv值比单座阀、双座阀、套筒阀大2～3倍。
（2）防堵性能好。流路简单、介质直通，不使介质拐弯倒角和不易沉淀，尤其适用于高粘度、悬浮液、纸浆、含颗粒、纤维等不干净介质场合。
（3）切断性能好。常规的阀，阀芯密封面和阀座密封面是成60°、1～2mm的锥面配合，对锥面的同心度、位移度、平行度要求特别高，一般很难达到，故通常泄漏率达10，精密装配达10；而本阀的最大特点是球面阀芯与阀座斜面相切，成为线接触，接触面积小，而且球面阀芯能自动对心，容易良好接触，故泄漏率通常可达10，精密的装配能达10，比单座、双座、套筒的泄漏率提高了100～1000倍，比一般的硬密封球阀泄漏率10还高100倍。
图4-26
（4）克服压差大。双座阀、套筒阀的允许压差大，但泄漏大；单座泄漏量小一点，但压差全部作用在阀芯上，容易将阀芯顶开，故允许压差小。如DNl00的单座阀允许压差0.75MPa，双座阀的允许压差2.7MPa；而本阀的阀芯对中心，介质在球芯上产生的合力对中心转动的力矩极小，加上是旋转运动，还要乘以一个转动系数，这样不平衡力矩就更小，因此本阀的切断压差大，最大可达PN值。
（5）耐蚀性能好。本阀采用了耐腐蚀和耐冲蚀措施，具有极好的抗腐蚀和抗冲蚀功能。
（6）耐压性能好。采用锻件式阀体，PN可达32MPa。
（7）耐温性能好。耐热好，适用温度范围大：-60～600℃。
2）超轻型
①借用蝶阀的阀体，使阀体尺寸小、重量轻（比主导产品单座阀、双座阀、套筒阀轻70～80%），其比较见表；②气动为齿轮齿条式，电动为直连式，简单可靠；③电动配进口执行机构或国产直连式执行机构，它们结构紧凑、重量轻、外型美观。全功能超轻型调节阀与老式的主导产品的直观比较见图4－27。
表4-3 重量比较表
DN 65 80 100 125 150 200 250 300
