阀门启闭扭矩连续测试装置的试验与研究

化工大师

摘要  
介绍了阀门启闭扭矩连续测试装置的性能特点、技术性能及其控制方式。给出了装置通过扭矩传感器测试阀门的力矩变化并将模拟数据转换成数字信号由计算机控制输出的工作过程（该装置专利申请号：200620149672X）。
关键词：阀门；启闭扭矩；测试装置
Valve torque testing device for testing and research
XIANG Meigen，XIANG Xiaoming，XU Yongjie，DAI Xuexiang
(Huang Shanliang industry valve Limited，Huangshan  245041，China)
Abstract： torque sensor in stem moves when measured torque changes, simulation data with A / D converted into digital signal input credited to the computer numerical control valve to the operation of electrical devices, computer can show that the realtime data, and printer output.
Keywords : valves; Hoist torque; Testing Device
1　概述
阀门的扭矩是指阀门开启或关闭所必须施加的作用力或力矩，是阀门在介质压力作用下动作的一项综合技术指标。关闭阀门时，需要使启闭件与阀座两密封面间形成一定的密封比压，同时还要克服阀杆与填料之间、阀杆与螺母的螺纹之间、阀杆端部支承处及其他摩擦部位的摩擦力，因而必须施加一定的关闭力和关闭力矩。另外，阀门在启闭过程中，所需要的启闭力和启闭力矩是变化的，其最大值是在关闭的最终瞬时或开启的最初瞬时。对有些特殊工况启闭过程的速度有特殊要求。如有的要求迅速开启或关闭，以防发生事故。有的要求缓慢关闭，以防产生水击等。有的要求在紧急状态下实现快速关闭，避免事故的发生和提高其处理能力。
目前阀门检测装置大多数根据国家的相关标准以压力表显示其试验强度和密封性能，这一简单的试验方法并不能完全反映出一种阀门在设计与加工中存在的诸多问题。为了力求降低阀门及其关闭力和关闭力矩，考核阀门综合性能，只有对阀门启闭全过程的扭矩进行检测，并对得到相应的数据加以判断，才能得出合理的结论，这对设计和制造阀门显得尤为重要。
2　性能特点
以阀门采用部分回转驱动装置为例进行分析。
①阀门可通过手动控制驱动装置开关阀门，也可使用计算机程序对驱动装置进行操作。
②在驱动装置与阀门之间连接一个转矩传感器，用于测量驱动装置的输出转矩即阀门的转动转矩。
③在驱动装置上方安装了阀门关闭件位移传感器，与输出轴直接连接，当驱动装置运行时可输出阀门关闭件的位移讯号。
④驱动装置、讯号采集器连接到工业计算机。
⑤工控机内除了一般计算机所具有的配置外，为了满足测控要求还增加了三块插件板，P8R8DIO板、ISO－LD板和ENCODER300板。P8R8DIO板用于控制驱动装置的运行并接收驱动装置的行程开关和转矩开关信号。ISO－LD板用于提供转矩传感器工作电源并接受来自转矩传感器的输出信号，经放大后进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号。ENCODER300板用于接收来自信号采集器阀门关闭件的位移信号。
3  技术参数
（1）测试装置的工作原理见图1。
（2）测试装置的型式、代号、最大测试扭矩和连接型式及尺寸见表1和图2。阀门启闭扭矩连续测试装置型号由两部分组成。第一部分为字母，表示装置的类别。第二部分为数字，表示装置可测试的最大扭矩。例如型号NQ—5表示阀门启闭用扭矩连续测试装置为部分回转型，最大测试扭矩为5000N.m。
（3）扭矩传感器精度为0.5%。扭矩测试系统的测量误差≤1%。
（4）测试装置的机械部分与测控显示系统分置。其两部分连接方便、快捷（电缆连接线长≥5m）。
（5）测试装置能显控阀门扭矩测试过程中任一开度位置的扭矩值，并能输出打印（阀门开度位置与扭矩值对应曲线图）。
（6）测试装置既可卧式也可立式安装，其驱动方式既可电动也可手动。

图1  测试装置结构
表1  测试装置参数

注：NZ——多回转型。专门用于测定闸阀、截止阀、节流阀、隔膜阀、柱塞阀等阀门关闭件作直线运动的阀门动态扭矩。
NQ——部分回转型。专门用于测定球阀、蝶阀、旋塞阀等阀门关闭件只作部分回转的阀门动态扭矩。
NS——通用型。可作部分回转型用，又可作多回转型用。但用于测定闸阀、截止阀、节流阀、隔膜阀、柱塞阀等关闭件作直线运动的阀门动态扭矩时，测试装置输出轴最大转圈数为3圈，可以测定被测阀门在该范围内的启闭动态扭矩。

图2  连接形式及尺寸

（7）测试装置通过过渡接盘与阀门中法兰上的连接座连接。
（8）为使测试装置与阀门方便连接，联轴器采用三爪离合器连接方式，传感器输出轴三爪由供方按最大扭矩设计制造。
（9）测试装置所配电动装置为户外型（防护等级：IP55），传感器等采取防水措施。
（10）为使测试装置方便准确地与阀门对接，大规格测试装置设置了吊钩，使其平稳吊装。
4　软件设计
系统的软件由VISUAL  BASIC语言编写，主要有控制和输出二部分。工程文件和窗体文件包含有Visal Basic 语言的原代码，供用户进一步改进时进行参改。
（1）工作过程控制模块
　①操作权控制，在计算机开机前，操作权属现场控制按钮，模块可以将操作权收归计算机控制。
　②驱动装置的开、关、停动作控制。
　③行程整定功能，其作用是控制驱动装置进行一次开、关操作，以求得阀门全行程编码器输出的脉冲总数，以便于以后的数据处理。因为每一个阀门的行程不完全相同，所以计算机必须测试一下阀门的行程确切数值，以备今后的数据处理，以免显示的曲线变形。
　④读传感器转矩功能。按下“转矩单次采样”按钮，程序进行一次扭矩采样，采样值显示在”阀门转矩”右边的窗口内，单位为KNm。
⑤讯号采集器脉冲数功能。点击“读脉冲数”按钮，在阀门开度右边的窗口内会显示阀门从全关运行到当前位置所生成的脉冲数，阀门运行一圈将产生4000个脉冲。
　⑥在传感器不受力时的转矩调零功能。由于工作条件的变化，传感器输出的零位可能会有少许变化，此时可确定“转矩调零”按钮进行调零。若传感器在不受力的情况下，确定“转矩单次采样”的数据不为零，进行转矩调零后，再确定“转矩单次采样”后采出的数据值应接近于零。
　⑦开阀和关阀过程中连续采样功能主要采集阀门动作转矩、行程、运行时间三个数据。开阀连续采样时，先操作阀门到全关状态，确定“开阀连续采样”，阀门开始开启，计算机开始采样，每次三个数据，阀门扭矩，阀门开度，运行时间累计数，一直到阀门全开为止。关阀连续采样过程类似于开阀连续采样，只不过采用此功能前应先将阀门操作到全开位置。
⑧存贮功能可将最近一次开阀与关阀采样所得的数据存贮在某一文件内，文件的名称由3部分组成，第一部分为“采集数据”，第二部分为“当天的日期”，第三部分为用户输入的内容（可以是当天的试验编号，也可以是简短的说明）。每次开阀连续采样或者关阀连续采样后，操作者如认为数据有效，应及时进行存贮，存贮后就形成一个数据文件。确定“保存连续采样数据”按钮，程序会要求操作者输入一组字符，作为文件名的一部分，该数据文件由“采集数据”+试验日期+开(或关)+操作者输入字符几个部分组成，以区分每一次试验所得到的数据。
（2）输出打印模块
①读取试验后保存的数据、根据读取的数据显示图像。
②显示阀门转矩与开度关系曲线和阀门动作时间与开度关系曲线，打印显示的图像。
③打印所读取的数据。
5结语
利用计算机数据采集技术对阀门启闭过程中的扭矩进行采样，由计算机进行整理输出阀门启闭过程的扭矩图谱，并记录打印输出分析结果，可对阀门的启闭过程中发生的扭矩变化进行全面定量了解、和阀门设计与使用过程中产生的问题进行分析，供阀门执行机构的正确选配提供依据，与影响阀门扭矩大的因素进行分析研究，以达到降低阀门操作扭矩，为控制生产成本，提高阀门产品质量与使用寿命提供解决方法，这对阀门的新产品开发设计、给驱动装置的合理配套选型等都有非常重要的意义。首台测试扭矩为20 000N.m的阀门启闭扭矩连续测试装置通过反复试验运行，各项技术指标均符合设计要求。
作者简介：项美根（1942.12）浙江浦江人，高级工程师，从事阀门与阀门驱动装置的开发研究。原为机械部合肥通用机械研究所高级工程师，现任黄山良业阀门有限公司董事长，中国机械工程学会阀门专业委员会委员，中国阀门协会科技专家委员会顾问，国际标准化技术委员会ISOTC153专家，全国阀门标准化技术委员会委员，参加国际与国内阀门行业相关标准的制定，是我国第二代阀门电装联合设计主持人。