控制阀细节分析之八——控制阀模块化设计
李宝华
摘要：模块化设计是先进制造技术的现代设计方法，对控制阀产品进行模块化设计是发展趋势。从系统论出发，一个好产品首先要全系统通盘考虑，有一个响应全局的结构；再由系统结构决定部件功能；细节决定功能的完善与缺陷。在决定系统结构后，在结构没有问题的前提下，细节决定成败。本文试对控制阀模块化设计以及部分厂家的模块化控制阀产品进行探讨和细节分析
关键词：模块化设计；控制阀系统结构；细节优化；分析
引言
控制阀（Control valve，国标GB/T 17213.1-1998定义为控制阀，国内旧称调节阀）是终端控制元件，决定着过程控制是否及时有效，在整个控制回路中较为重要但又是长期以来技术比较薄弱的环节。
国内外控制阀的生产厂家众多，造成控制阀品种多、规格多、参数多，质量参差不齐。相比之下，国产控制阀更显弱势，原有的产品设计理念和制造模式使其与国外控制阀厂家的技术差距加大，产品质量更存有较多问题，需要努力和改进的地方很多。
不同厂家的同类型控制阀的设计差异、技术特点和应用情况如何？产品设计理念向何方转变？都是大家关注的问题。针对大多数厂家都能生产的直通单座控制阀，本文试对控制阀模块化设计以及部分厂家的模块化控制阀产品进行探讨和细节分析。
模块化设计
模块化设计（Modular Design缩写MD）是先进制造技术的现代设计方法，也是上世纪九十年代初国际上迅速发展的快速设计技术（Rapid Design Technology缩写RDT）中的重要组成，面对整个产品系统的标准化、组合化设计。
模块化设计是对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，并通过对模块的选择和组合构成不同产品的设计方法。分散的相对独立的模块遵守共同的明确规则，以保证这些模块能够组合成一个完整的系统，并能够随时加入新的模块增加系统功能。动态的模块化设计创造了选择权，缩短了产品生产周期，事后竞争性再集中大大增强了产品的灵活性和竞争力。从产品的集中设计到模块化分散设计是一种创新，是工业产品的发展趋势。
从系统论出发，一个好产品首先要全系统通盘考虑，有一个响应全局的结构；再由系统结构决定部件功能。细节决定功能的完善与缺陷。在决定系统结构后，在结构没有问题的前提下，细节决定成败。模块化设计就是系统结构优先、部件功能优化、模块动态组合，用现代设计技术实现包括控制阀在内的工业
产品先进制造的成功之路。
控制阀模块化设计
模块化设计的产品举例控制回路中向来薄弱的是终端控制元件（控制阀、执行机构），源自OREDA的回路故障分析，终端控制元件的故障率占了全部故障的50％。传统的控制阀产品性能落后、功能单一、维修不便，在技术上急待改进和创新，发展的方向应是控制阀模块化设计以及数字化应用。
控制阀模块化设计也是遵守从系统结构入手，将整个控制阀系列产品按照功能切分成有限多的通用模块（不变部分）和专用模块（变化部分），各模块独立开发并要求具有更多更好的性能，优化设计并尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件，基于大部分部件确定使用通用模块、少部分按用户技术条件选择专用模块，从而快速响应市场，组合成满足需求的控制阀产品。
模块化设计的控制阀以其全新的系统结构、优化的模块部件、简便的计算与选型、高安全性和可靠性，以及产品紧凑坚固、号型齐全多样、部件通用可换、易于维护检修，使控制阀整体功能和性能明显提升。有统计资料显示，采用模块化设计的控制阀与传统设计的控制阀相比，其零部件数量可减少25%，成本可降低20%，可组成的品种规格可增加40%之多。对最终用户来说，会更有利于设备管理和运行维护，并能大幅度减少备件库存数量。对制造厂而言，工装模具数量将明显减少，中间产品数量和库存也将大大减少，响应市场更快。
对控制阀实施模块化设计较早出现在欧洲的控制阀厂家及其产品系列，在上世纪八、九十年代，德国SAMSON公司有模块化的紧凑型240/250/280系列控制阀、德国ARCA公司有模块化的ECOTROL 控制阀。而全球生产控制阀历史最久的美国FISHER公司（属EMERSON集团）一直坚守传统的设计、推崇原有的E家族系列控制阀，最终也在2004年推出模块化GX型控制阀。中国的控制阀制造厂也开
始走控制阀模块化设计之路，如吴忠仪表于2002年引进德国ARCA 公司模块化ECOTROL 控制阀08C 系列，并结合自身多年科研成果，形成在细节上有吴忠特点的模块化ECOTROL 控制阀。徐州阿卡也是在学习德国ARCA 公司模块化ECOTROL 控制阀的基础上推出阀门部件有明显传统产品设计印记的模块化06系列控制阀（与ECOTROL 控制阀明显不同是采用了传统的阀芯顶部导向结构）。
模块化控制阀
模块化设计控制阀面对整个产品系统，体现于产品系统的标准化、组合化，结构合理、部件优化。以控制阀两大组成部分（执行机构和阀）及附件为出发点，进行功能分析，划分出功能模块，并使有限多的模块实现功能最优化。图2给出模块化控制阀的一些模块划分，图3为模块组合示意。
(a)SAMSON 240系列                              (b)ARCA  ECOTROL 08C 系列                        (c)FISHER GX 型                                              图1  国外部分知名品牌的模块化设计控制阀
图2  模块化控制阀模块划分
主要部分          主要模块              模块细分 图3  模块化控制阀模块组合示意图
240系列控制阀
3241型－直通单座
3244型－三通
3246型－长颈低温型ANSI标准
3248型－低温型 3249型－无菌级角型 3345型－隔膜型 3347型－卫生级角型 3351型－开关阀 3510型－微流量
模块化设计的SAMSON 240/250/280系列控制阀
德国SAMSON公司率先采用先进的模块化设计，生产的模块化控制阀有240系列（低压系列，PN40/ANSI CL300）、250系列（高压系列，PN400/ANSI CL2500）和280系列（蒸汽减温减压）。其中实施模块化设计较完善的是240系列，参见图4和表1。
表1    SAMSON模块化控制阀部件通用性：240系列（PN10-40/ANSI CL125-300、Kv 0.1-1500/Cv 0.12-1730）
公称通径 DN15 20 25 32 40 50 65 80 100125 150 200 250300
尺寸    NPS½¾  1 1¼1½  2 2½  3    4    5    6 8 10 12
阀座 √√√√√√√√√
阀芯 √√√√√√√√
填料 √√√
波纹管密封 √√√
阀体垫片 √√√√√√√√√
延长段 √√√√√√√√√
连接件 √
说明：1.240系列阀杆与阀芯为一体化结构；阀杆直径：DN15-80为10mm、DN100-150为16mm、DN200-300为40mm。
2.每档次阀座在阀体上的安装螺纹是一样的，如DN15-25三个公称通径的阀座安装螺纹相同，而阀座上的通孔不同，其余类推。
从图4可看出SAMSON模块化控制阀240系列包括全部阀型，品种较全，而从表1进一步了解到SAMSON在模块化设计中所考虑的部件通用性，尽可能多地在不同口径的阀门中采用相同的零部件或采用安装连接相同的不同规格的零部件，如每个公称通径内都有多种流通能力的阀芯阀座组合，但阀座在阀体的安装螺纹是相同规格的，只是阀座上的通孔大小不同，更换和改变流通能力非常方便。
同时，240系列尽量减少模块数量，将支架与阀盖（包括阀杆导向、密封填料）一体化，将阀杆与阀芯
一体化。支架设计有符合IEC 60534-6-1标准的接口，可方便地连接阀门定位器等附件。在主要模块上也体现功能组合、结构组合，如在阀盖模块，标准型可随时加一个延长段和一个延长阀杆组合成长颈型阀盖，也可随时加装成波纹管密封型阀盖，如同搭积木。可看出，SAMSON对于占实际应用量比例最大的公称通径DN80以下控制阀，其模块化设计的模块功能优化、组合性、通用性也体现得最好。240系列按照符合EN和ANSI以及JIS标准设计，面向全球市场和用户。
SAMSON的250系列，DN15-DN500/NPS ½-20、PN16-400/ANSI CL 150-2500，由于应用压力高，支架和阀盖各自为独立模块，阀盖上的填料部分和阀杆导向套也有专门设计。其280系列用于蒸汽减温减压，是以250系列为基型设计增加了喷淋水部分而构成。
对于执行机构模块，SAMSON有多种型号、尺寸、输出推力可选，与支架、阀门的接口（连接）是标准化的，便于装配拆卸更换。气动薄膜执行机构为多弹簧气室结构，标准弹簧多种范围组合，执
图4  SAMSON模块化控制阀240系列
行器有效面积从60、80、120 cm2一直到最大的双重2800cm2、最大可有151.2kN净输出推力。行程从7.5到120mm有五种范围。也有可供阀门定位器集成安装连接的气动薄膜执行器（3277型，阀门定位器连接按照VDI/VDE 3847标准、内置气路），还有各种电动执行机构和电液执行机构。手轮机构、机械行程限位可顶装在执行器膜盖上部，大尺寸手轮装于侧部，火灾安全部件集成在执行器气室内部。
模块化设计的ARCA ECOTROL控制阀
ECOTROL是德国ARCA公司称之为技术创新的名称，ECOTROL控制阀按照模块化设计，产品系列现有：
08C系列（≤DN100、PN16-40/ANSI CL 150/300）；
6N系列（≥DN150、PN16-40/ANSI CL 150/300）；
6H系列（高压 PN63-160/ANSI CL 600/1500）；，
ECOTROL控制阀主要模块分为气动执行机构、阀盖、阀内件、阀体。
气动执行机构为多弹簧的812系列或单弹簧的811系列气动薄膜执行器，与支架一体化结构，并有手轮、电动执行器可选；而812系列只有320、720cm2两种尺寸可选，推杆行程为20、30、60mm 三种；集成安装阀门定位器（按照VDI/VDE 3847标准），无外接管的内置气路；执行器改变正反作用只要简单翻转即可，快捷方便，这是ECOTROL控制阀812系列气动薄膜执行器的一大特点。
阀盖有标准型、压力平衡型、散热型、长颈型和用于高、低温的长颈型；特殊结构的阀杆密封可保证最低的泄漏和摩擦力。
阀内件差异在阀芯阀座类型上，有标准、多级、平衡、低噪声、抗磨损等9种，可选多种金属材料，阀座是快装结构，透过阀盖、套筒压紧，但要使用密封环。
ECOTROL控制阀的阀体仅是三端口直通型式，分法兰端面或焊接端面或带有下导向结构。在其它的非ECOTROL控制阀系列如100、200系列等，才有多种阀门型式（直通、角通、三通等）以及蒸汽减温减压阀型。
模块化设计的FISHER GX型控制阀
FISHER的模块化设计的GX型控制阀结构紧凑、部件数量少，不同口径具有最大的零件通用性，按照符合EN和ANSI标准设计，公称通径为DN15-150，压力等级PN10-40/ANSI CL150和300。
GX型控制阀主要模块也是气动执行机构、阀盖、阀内件、阀体。
气动执行机构与支架一体化结构，为多弹簧的气动薄膜执行器，尺寸有225、750、1200cm2三种，推杆行程为20、40、60mm；下膜盖与支架焊接在一起，内置气路连接集成安装的阀门定位器，支架上还有符合IEC 60534-6-1的连接设计，满足NAMUR安装。不同口径的阀对应不同的执行器，从而简化了选型计算。
阀盖为夹紧型式，有标准型和带波纹管密封型可选。阀盖包含密封填料、阀杆导向功能，为自加载式填
料、上部导向。
阀体现仅有直通型式，阀内件的阀芯阀座为单座结构，设计为每个公称通径内有多个通径可选，如DN 100就有46、70和90mm三种孔径。
结束语
通过比较部分厂家的模块化设计控制阀，可看出SAMSON公司在先进制造上是领先的，掌握了现代设计技术，模块划分及功能优化方面合理、认真，产品系列、品种比较齐全。
通过了解控制阀模块化设计及其不同厂家产品，给了我们这样的启示：模块化设计面向整个产品系统，看重系统结构优先、部件功能优化、模块动态组合；从系统考虑产品，由结构决定部件功能，用细节决定功能的完善与缺陷。以不变的通用模块为基础，以变化的专用或特制模块满足用户各种需求，灵活、快速响应市场，用现代设计技术实现控制阀的先进制造。
参考文献：
1.  SAMSON.240/250/280系列控制阀.T 8000-1 ZH 2005.5
2.  SAMSON.模块化控制阀系统.WA 43 EN 2006.3
3.  ARCA.ECOTROL系列控制阀.DS ECOTROL-gb
4.  ARCA.控制阀的模块化系统.DS 040 E
5.  fisher.GX控制阀和执行器.51.1:GX 200
6.6

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。