1．引言

阀门没计中有时会遇到系列化的问题，比如要求设计某种型号的阀门，口径从小到大有若干尺寸，压力从低到高有若干等级，这便可称为系列化设计。

系列化没计一个重要特点就是种类多，结构相近，重复工作量大。如果口径或压力多达十几甚至几十种，此时采用传统二维设计方法，只能逐规格的进行设计，那么可以想象，工作量是巨大的。而传统二维设计在这种大工作量的情况下，要保证图纸的设计质量往往也是很费力的。举例来说，在AutoCad中，不能采用参数化驱动设计，当全部图纸完成后，若某一结构需要修改，需逐规格的进行修改。如果图纸按比例绘制，修改量更大。有时一个尺寸的变化涉及相邻几个尺寸，可能会有较大的改动，尺寸标注也需进行相应调整。设计者往往将精力耗费在这些繁琐的修改上面，有时还不能保证图纸尺寸跟设计尺寸完全准确对应。此外，产品重量计算、有限元分析等功能在设计时也需要方便有效的执行。因此，传统二维设计，特别是缺少参数化驱动的设计方法已经逐渐不能满足我们这种系列化设计的要求。

那么，有没有一种相对高效快捷的设计方法或软件来适应这种系列化设计呢?经研究，下文将要介绍的三维设计软件SolidWorks便是其中较为理想的一种设计软件。

2．SolidWorks及系列零件设计表

SolidWorks是目前主流的三维CAD软件之一，功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点。SolidWorks提供了基于特征的实体建模功能，通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计，可方便的进行实时、动态修改。Solidworks还提供了生成完整的工程图的工具。工程图是全相关的，当修改图纸时，二三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。利用自带的Cosmos插件，还可方便地进行一般有限元分析。

在系列化零件设计方面，SolidWorks提供了一种简单的方法即配置管理，它是一个cad文件，来开发与管理一组有着不同尺寸、零部件或其他参数的模型，简化了设计的重复利用与迭代。建立配置的最佳方法就是通过建立系列零件设计表。系列零件设计表是一张内嵌的exceI表格，用于从一个单独的零件建立出一个零件系列。表格中的每一行代表一个规格的零件，每一列代表零件的一个设计尺寸。通过对表格的操作，可方便地对零件系列尺寸数据进行设计及管理。

3．应用实例

本节以8”Class600规格的全焊接球阀阀杆为例，详细介绍SolidWorks(本文软件版本为SolidWorks OfricePremium 2006)及其系列零件设计表在阀门系列化设计中的应用。

3．1 建立实体模型

建模过程简要介绍如下(括号中为该建模步骤所涉及的尺寸名称)：

拉伸基体1(阀杆总长l，阀杆头部直径d)；

基准面1、拉伸切除1(阀杆中部直径d1，阀杆头部长度13)；

基准面2、拉伸切除2(阀杆尾部直径d3，阀杆尾部长度17)；

基准面3、拉伸切除3(密封槽1的位置14、16及直径d2)；

基准面4、拉伸切除4(密封槽2的位置14，15及直径d2)；

基准面5、拉伸切除5(阀杆头插入部分长度12及宽度w1)；

基准面6、基本面7、拉伸切除6(键槽尺寸11—r1、b及w2)；

螺纹孔1(键槽螺孔尺寸M1、h1、h2及c3)；

螺纹孔2(阀杆头部防静电孔尺寸c1)；

螺纹孔3(阀杆中部防静电孔尺寸c2)。

建立好的模型见图1。

3．2 修改尺寸属性

本阀杆模型用到的设计参数如下：

总长l=233.5； 头部直径d=94；

头部长度l3=56；中部直径d1=80；

尾部直径d3=75；尾部长度l7=94；

密封槽1尺寸：l4=9.5、l6=27、d2=70；

密封槽2尺寸：l4=9.5、l5=20、d2=70；

阀杆头插入部分尺寸：l2=34、ω1=58；

键槽尺寸：l1-r1=79、2*r1=b=22、ω2=66；

键槽螺孔尺寸：M1=4、h1=12、h2=16、c3=45；

头部防静电孔尺寸c1=16；中部防静电孔尺寸c2=16。

上述尺寸名称为我们设计时所使用，而在建模过程中使用的尺寸名称为默认值，如第一个步骤中“拉伸基体l”，阀杆总长的默认尺寸名称为“D1@拉伸1”。当尺寸较少时，使用此类尺寸名称未为不可，而当尺寸较多时，就需要对尺寸名称进行更改，使得尺寸名称与我们的设计时所使用的名称一致。如将上述阀杆总长名称“D1@拉伸1”更改为“1@拉伸1”，具体更改过程如下：

在设计树视图中右键点击“注解”，再点击“显示特征尺寸”，在拉伸1特征里，右键点击“233.5”尺寸，在弹出项里选择“属性…”，此时将弹出一“尺寸属性”对话框。原名称为D1”，现更改为“l”，全名随之自动改为“l@拉伸1”。其余尺寸均照此更改，以便与设计名称保持一致，对后续工作有重要帮助。

3．3 建立系列零件设计表

当所有的尺寸更改完成之后，便可建立系列零件设计表，过程如下：

点击“插入”菜单中的“系列零件设计表”，在弹出的属性中“源”有三个选项，分别为“空白”、“自动生成”和“来自文件”，此处，我们应选择“自动生成”。在“编辑控制”中我们可以选择“阻止更新系列零件设计表的模型编辑”，这样便可保证只能通过设计表来驱动模型。其余参数可保持默认。

当参数选好后，单击“确定”，系统便生成一张内嵌的excel表格，同时弹出“尺寸”对话框，列出需要添加到设计表的尺寸名称。此时可根据需要进行尺寸名称选择。尺寸选择之后，可看到这些尺寸出现在excel表格中的列中。而表格中的横向为零件规格系列，第一行中的数值即为当前规格的零件尺寸值。至此，系列零件设计表建立完成。

3．4 进行零件系列化设计

当系列零件设计表建立之后，进行零件系列化设计就很方便。在第4行第1列输入规格10”Class600，表示即将进行一新规格的阀杆设计。在随后各列输入相应尺寸。当所有尺寸输入完毕后，提示“此系列零件设计表将生成以下配置”，点击确定即可，此时生成了10”Class600的阀杆。可点击“配置管理器”看到当前我们所拥有的配置。照此，继续设计其他规格的阀杆，完成后的配置见图2。

若要设计一种新规格的阀杆，仅需在图3所示的设计表中插入一行，并且输入相应的设计参数便可。系统会自动生成模型图，还可生成对应的工程图，并且可自动进行尺寸标注。另外，通过excel表格将各规格的尺寸值组织在一起，更容易判断在系列化设计中各设计尺寸的合理性。如需改动，仅需重新输入尺寸，通过在后续的分析中不断对尺寸进行修正、优化，设计者便可将精力主要放在设计上，从而大大提高设计效率和质量。

4．总结及展望

通过以上实例可以看到，SolidWorks及其系列零件设计表能较好解决目前阀门系列化设计存在的问题，如自动化程度低、重复工作较多、修改繁琐等等。当然，传统二维设计也有自己的优势，因此，目前设计者还应将SolidWorks和传统二维设计方法紧密结合起来。下一步工作将对SolidWorks工程图到AutoCad的无缝导入、零部件之间的尺寸约束、单独的系列化设计界面等方面进行研究，从而更好地推动阀门系列化设计。

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1．引言

法兰连接结构由法兰盘、密封垫、螺栓等组成，是管路系统重要的连接形式，在阀门及管道设计时，法兰的标准、结构选择以及图样生成是一项重要且烦琐的工作。法兰依管路的不同，涉及的标准规范繁多，结构多样，如何设计一种快捷便利的，含有标准数据的通用法兰生成程序，成为阀门等专业CAD系统设计中一项较有意义的工作。

2．法兰连接概述

目前，我国管路系统常用的法兰标准有：中国国家标准：GB/T 9112～9124；GB/Tl 7241.1～17241.7；GB/T15530.1～15530.8；中国机械行业标准：JB/T74～86；中国化工行业标准：HG20592～20626；中国石化行业标准：SH 3406；美国标准：ASMEBl6.1；ASMEBl6.5；ASMEBl6.47；日本标准：JIS B2220；国际标准：ISO 7005-l；欧盟标准：ENl092-l～1092-4；此外德国标准、英国标准、前苏联标准等也有一定程度的应用。

由于历史的原因，目前法兰标准中的公称压力和公称通径形成了欧、美两大体系，尺寸参数互有借鉴但存在较大的不同，很难通用。程序设计时必须分开罗列，分别组织，数据量十分庞大。

法兰依类型可分为：整体法兰、对焊法兰、承插焊法兰、螺纹法兰、平焊法兰等，根据密封面形式又可分为：平面法兰、突面法兰、凹凸面法兰、榫槽面法兰、环连接面法兰等，在数据组织，图形生成和界面设计时必须考虑到相互的组合多样。实际上，法兰的结构形式并不仅限于这些，如阀门的中法兰结构就是一种非标准的法兰连接，软件设计中也应考虑这类工程应用。

作为一种标准管道附件的辅助设计工具，软件系统还应体现：数据准确，操作简洁，表达合理、灵活，编辑方便，具有可扩展性等特点。

3．数据组织

从CAD开发的角度来看，法兰具有结构简单，图形表达方便，标准化、系列化程度高的特点。但法兰涉及的标准繁多，数据量庞大，数据的有效组织，快速检索、调用，二次编辑，以及用户自定义等，成为法兰CAD系统开发的难点之一。最有效的办法就是引入数据库系统来管理法兰数据，由于CAD系统通常都不具备功能强大的数据库功能，只有寻求外部数据库链接，数据库链接是CAD中连接图形对象和数据的有效方式，它比AutoCAD环境中的其他的数据引用方式更加灵活。目前，可供选择的关系数据库产品有很多种，如：VF、SQL、Oracle、Ac-cess等，其中Access是Microsoft Ofrice的组件，接口丰富，适应性强，应用更加广泛。法兰数据虽然繁多，但数据结构并不复杂，使用Access作为数据管理工具完全能够满足系统要求。

4．程序结构

4．1 程序流程

本系统集成于AutoCAD环境，主程序及图形生成程序采用Visual Lisp完成，人机界面采用Delphi编写，Access负责数据库操作，流程如图所示。

首先在AutoCAD环境下由菜单运行Lisp主程序，系统自动调用由Delphi控制程序生成的人机界面，人机界面接受用户的交互式操作，根据用户选择由数据库访问程序访问Access数据库，提取所需数据，最后由绘图参数接口程序将绘图所需参数传递给参数化图形生成程序，生成图形。

4．2 主要技术特征

程序设计了标准数据检索和自定义参数管理系统，标准数据库结构不可更改，自定义参数管理系统对用户开放，具有无限量数据扩充功能，适应多种工程应用。所有操作栏目具备记忆功能，建立“名词术语库”以方便操作和规范输入。

程序中引用了“成组技术”，对法兰亚元进行编码，以便于数据的归类组织。

4．3 Delphi程序的调用

法兰CAD的开发涉及大数据量操作和多级复杂界面的设计，一般图形开发工具难以完全满足要求，我们尝试了选择Delphi7语言设计界面和数据库操作程序。Delphi是：Boland公司推出的可视化编程环境，它提供了方便、快捷、高效的windows应用程序开发手段，将面向对象的语言功能和方便的可视化开发环境紧密结合在一起，并且具有强大的数据库处理功能，Delphi程序的调用并不困难，只要Lisp主程序通过startapp函数来激活即可，如(startapp”delphi控制程序．exe”)。

但Lisp程序一旦启动了外部应用程序，就不能对它进行控制，造成Delphi控制程序运行中会出现拾取设备的点击错误，因此，在Delphi控制程序中对目标范围要作强制限定，语句实例：

……

var pos:trect;

begin

post:=人机界面控件.BoundsRect;

mapwindowpoints(handle，O，pos，2)；

clipcursor(@pos)；

end；

……

4．4 参数传递

参数在系统中是由数据库传递给Delphi，再由Delphi传递给Lisp。

数据库与Delphi之间的参数传递是由Delphi单方面控制实现的，Delphi通过自身的ADO组件可以轻松解决这一问题。

Delphi与Lisp之间的参数传递必须通过中间媒介实现，这个中间媒介就是数据文件。首先Delphi将经过处理的编码信息和由数据库传递过来的法兰尺寸参数保存到数据文件中，然后Lisp通过读取数据文件中的编码信息和法兰尺寸参数，破解编码信息，调用绘图子程序，依照法兰尺寸参数生成图形。

Delphi参数存储语句段：

……

var myf：textfile；

if fileexists(数据文件)then

deletefile(数据文件)；

assignfile(myf，数据文件)；

rewrite(myf)；

writeln(myf，edit．text)；

……

Lisp读取参数语句段：

……

(defun getfile(filename/s s_Line SS_line)

(setq s(open filename”r”))

(while(setq s—line(read—line s))

(setq s_line(list s_line))

(setq ss—line(append ss—line s—line)

)

……

5．界面设计

人机操作界面采用多级弹出式对话框界面，在AutoCAD中，对话框设计一般采用DCl，语言，但由于DCL语言不是可视化编程语言，在形成复杂界面和使用数据库关联组件的时候显得力不从心。而Delphi丰富的可视化编程工具和强大的数据库关联组件，使这部分工作变得轻松和有效。

操作界面主要分为法兰结构生成界面和法兰参数维护界面。

在法兰结构生成界面中，用户确定“材料大类”、“标准类型”、“法兰类型”、“密封面”、“压力等级”，系统将自动显示法兰亚元图，并与数据库实时通讯，在参数列表中实时反映符合要求的法兰结构数据，实现交互式对话操作，根据所编辑参数，可以直接参数化生成所需法兰结构图形。

法兰参数维护界面，如图2所示，主要用于参数维护，特别是非标结构的自定义操作和未纳入的标准参数扩充，普通用户借此可以建立自己的法兰结构数据库，系统将自动将其接入法兰结构生成界面，在操作上具有完全相同的形式。但在数据纳入前，要合理归类，以方便设计时的数据检索。

界面设计时要充分考虑系统的友好与容错，要有一定的提示与警告设置，并注意界面美观合理。

6．结束语

采用计算机辅助设计方法来解决繁杂的法兰结构设计问题是一次有益的尝试，开发过程中要注意开发环境、开发工具的合理选择，数据的组织，程序结构和界面设计是其中的关键，集成的工作环境，稳定的性能和开放的数据结构可以大大提高系统在工程应用中的实用性和适应性。

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由于大口径闸阀阀体容纳闸板的内腔通常为扁圆形或接近椭圆形的异形容器，所以它的变形较大，如大圆和小圆的倒角处会出现应力集中。针对这些情形，通过采用在阀体内腔外围加筋的方案来解决这些问题。本文以阀体最大等效应力为目标函数，加强筋的结构尺寸为设计变量，采用有限元软件ANSYS—Workbench的DX模块中的确定性优化方怯对筋的结构尺寸进行优化，使筋的结构分布更合理，使得整个阀体变形协调，最大等效应力显著下降。

1．阀体有限元模型建立及优化分析过程

1．1 三维参数化模型的建立

阀体的参数化模型应该能准确反映结构的实际状况，即其形状、边界条件和载荷与实际情况要保持一致，同时在保证计算精度的情况下，模型应尽可能简化。因此在建模过程中对阀体的一些不影响总体性能的特征进行了简化处理，忽略了一些不必要的倒角，最后的计算模型。

阀体的材料为WCB，材料特性为：杨氏弹性模量E=206GPa，泊松比μ=O.25，材料的许用应力[σ]=120.69MPa。

以阀体为分析对象，模拟阀体在水压试验时的受力状况。阀体在水压试验时，在阀体进出口两端法兰施加固定约束，中法兰施加y方向约束；根据阀门水压试验要求，按设计压力的1.5倍在阀体内表面施加7.5MPa压力作为计算压力。

依据图纸建立大口径闸阀，进行有限元单元划分，有限元网格单元的类型为10节点四面体，单元基本大小为30mm，单元总数目为30383个。

1．2 计算结果

经计算机求解后，得到由第三强度理论为基础的阀体等效应力。阀体最大等效应力为151.65MPa，最大等效应力超出材料许用应力范围，在阀体中腔有明显的应力集中现象；阀体最大位移为0.14735mm，也出现在阀体中腔处。原因是此处形状发生突变，并且截面为近似椭圆体形状，受力状况不好。因此，在阀体中腔外部加加强筋，以此增加阀体强度，降低阀体最大等效应力，位移变形量，使阀体变形协调。

1．3 加筋后的模型

根据闸阀中腔外壁的结构尺寸加三筋，三筋中靠近中法兰的为第一条筋，往下依次为第二条筋和第三条筋，第一条筋处中腔外壁形状接近圆形，筋设计成圆形；第二条筋和第三条筋设计成近似椭圆形。

加强筋有沿厚度方向和垂直于厚度的径向方向。

在径向方向，近似椭圆形结构尺寸主要由小圆半径R₁，大圆半径R₂，过渡倒角R₆决定。

圆形结构尺寸由圆半径R决定。分别以：

第一条筋的圆半径r₁=314.4mm为第一个参数；

第二条筋的小圆半径r₂=314.4mm，大圆半径r₃=1275mm，过渡倒角r₄=200mm为第二,三，四个参数；

第三条筋的小圆半径r₅=314.4mm，大圆半径r₆=1230mm，过渡导角r₇=100mm为第五，六，七个参数。

在厚度方向，分别以：

第一条筋的厚度h₁=30mm为第八个参数；

第二条筋的厚度h₂=30mm为第九个参数；

第三条筋的厚度，h₃=30mm为第十个参数。

1．4 加筋后的计算结果

加筋后，进行力学分析，阀体最大等效应力下降为100.23MPa。阀体中腔处最大位移减小为0.086868mm。

加筋后，阀的质量由原来的616.3kg增加到654.4kg。筋的质量增加了38.1kg增加了6.18个百分点．阀体最大等效应力由151.65MPa下降为l00.23MPa，下降了33.9个百分点。并且应力分布更加均匀。阀体中腔处的位移也显著下降。

但这还不是最理想结果，本文研究的大口径闸阀阀体中腔为连续渐变的椭圆结构，其受力十分复杂，在其外部加的加强筋结构参数也多。我们不能盲目通过增加筋的厚度和横向尺寸，来降低阀体的应力，这样会增加阀体质量和成本；除此之外，阀体还受铸造工艺。安装要求的限制。因此，我们也不能盲目增加加强筋，有必要对加强筋的结构进行优化。即在一定的设计范围内。寻求结构的最优解。因为合理的加强筋结构质量分布更能提高阀体强度与刚度。

2．阀体加强筋结构优化

2．1 影响阗体强度的加强筋结构参数化及其优化

以阀体质量约束条件下阀体最大等效应力更小化为目标函数，以阀体加强筋结构的尺寸作为设计变量，对阀体加强筋结构进行优化。本文仅以加强筋的六个主要参数来研究它们对阀体最大等效应力影响。

对加强筋r₁,r₃,r₆,h₁,h₂,h₃的进行参数化，分别以这些参数为优化变量进行优化。

(1)优化目标：阀体最大等效应力。

(2)加强筋结构参数化

第一条筋的半径ds_R1为设计变量，初值为314.4mm，根据螺栓安装要求确定优化范围为290～330/mm；

第二条筋的大圆半径ds_R2为设计变量，初值为1275mm，根据阀安装要求确定优化范围为1250～1310/mm；

第三条筋的大圆半径ds_R3为设计变量，初值为1230mm，根据阀安装要求确定优化范围为1210～1270/mm；

第一条筋的一半厚度ds_FD1为设计变量，初值为15mm，根据螺栓安装要求确定优化范围为7～15/mm；

第二条筋的一半厚度ds_FD2为设计变量，初值为15mm，根据铸造要求确定优化范围为7～20/mm；

第三条筋的一半厚度ds_FD3为设计变量，初值为15mm，根据铸造要求确定优化范围为7～20/mm。

(3)优化方法：采用一阶优化方法，即通过对目标函数添加罚函数将有约束的多变量非线性规划问题变成无约束的非线性规划问题，以因变量对设计变量的偏导数来决定搜索方向，自动运行优化程序，在优化的每一次循环中都对模型重新划分网格，完成优化分析。

(4)参数的灵敏度分析

由图10可知，参数的灵敏度显然不同，FD3即第三条加强筋厚度的灵敏度最高为O.1770，R1即第一条加强筋半径的灵敏度最低为-0.0128。同时这些参数的灵敏度符号不同，有正负之分，正号表示随参数的增加，阀体最大等效应力在减小，负号表示随参数的增加，阀体最大等效应力在增加。在本文指定的设计参数中，阀体第三条加强筋厚度对阀体最大应力的影响所占的比重最大；其次为第二条加强筋厚度和第二、三条加强筋大圆半径；第一条加强筋的厚度和半径两个参数对阀体最大等效应力的影响比重最小。

(5)参数对阀体最大等效应力的影响

第一条加强筋设计变量ds_FD1接近11mm时，阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时，应力减小很快。如图11所示。

第二条加强筋设计变量ds_FD2逐渐增大时阀体最大等效应力逐渐减小。如图12所示。

第三条加强筋设计变量ds_FD3接近16mm时，阀体最大等效应力最小，当偏离这个值时，应力上升很快。如图13所示。

第一条加强筋设汁变量ds_R1接近305mm时，阀体最大等效应力最大，当偏离这个值时，应力减小很快。如图14所示。第二、三条加强筋与第一条加强筋情形相似。

以上是单个参数对阀体最大等效应力的影响，下面是两个组合参数对阀体最大等效应力的影响即应力强度设计空间，如图15所示。

经优化后得到设计变量的优化值：

第一条筋的半径R1，由初值为314.4mm变为324.55mm；

第二条筋的大圆半径R2，由初值为1275mm变为1301mm；

第三条筋的大圆半径R3，由初值为1230mm变为1258.5mm；

第一条筋的一半厚度FDl，由初值为15mm变为8.9261mm；

第二条筋的一半厚度FD2，由初值为15mm变为10.458mm；

第三条筋的一半厚度FD3，由初值为15mm变为17.946mm；

由此，我们求得在一定的设计范围内，加强筋结构合理分布的最优解。

优化后第一、二条筋的厚度减小，第三条筋的厚度增加；第一条筋的半径和第二、三条筋的大圆半径都有所增大。

2．2 结构优化后计算结果

优化后的模型进行对有限元分析，材料、网格划分、约束与载荷同改进前相同。

进行优化以后，阀的由原来的质量616.3Kg增加到660.9Kg，筋的质量增加了44.6Kg增加了7.2个百分点，阀体最大等效应力由151.65MPa下降为97.33MPa，下降了35.82个百分点；阀体中腔处最大位移减小为O.082023mm。加强筋优化前后结果比较，见表1。

3．结论

(1)阀体进行加强筋设计后，其阀体强度得到了改善，改进后的阀体等效应力最大值下降了33.9％；阀体中腔处最大位移减小。

(2)利用确定性优化方法优化筋的结构尺寸后，使加强筋结构更合理，阀体最大等效应力更显著下降，下降35.82％：且应力分布更均匀；阀体中腔处最大位移减小，阀体变形更加协调，密封性能得到很大改善。

(3)利用有限元软件ANSYS优化分析模块对大口径闸阀阀体进行结构的优化，大大缩短阀门设计周期，提高设计效率，使阀体结构设计合理。

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1．概述

阀门主要应用于石油、化工、市政、燃气、水务、电力、长输管线、造船、医药、食品、军工、核工业、航天等领域的流体控制。由于国民经济的发展需要，推动了阀门电动执行器工业的发展。近年来，在满足各方面高参数新要求的同时，对阀门电动执行器的结构、材料和生产工艺等方面，就如何更好的提高性能、增强可靠性及降低成本等受到更多的关注。智能型阀门电动执行器和传统阀门电动执行器比较，具有使用方便、性能可靠、操作简便灵活、控制精度高、结构紧凑、有可靠的故障自我诊断处理机制和及时的报警机制、人机界面等优点得到广泛的应用，满足了日益高速发展的自动化系统需求。

通过对国内外同类产品的分析研究发现，国内正在使用的各种电动执行装置普遍存在设备庞大，结构匹配不合理，控制精度较低．安全性不好，缺乏完善的故障处理和报警装置，人机对话接口很不方便，难于现场标定和维修等缺陷，已跟不上工业发展的需要。管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行器的功能和使用要求也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高生产效率。

随着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学技术的发展，国外许多相关厂家相继开发了新一代智能型阀门电动执行器。但国外生产的阀门电动执行器及其控制器价格昂贵，而且很难和国内目前使用的电动执行器相兼容，售后服务不完善，零部件配套困难。因此．运用数字技术、单片机技术、电力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功能完善的新型智能电动阀门执行器，对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制，以满足国内外广大用户生产使用的要求，适合我国工业生产和发展需要，具有十分重要的现实意义。

新型智能电动执行器利用微机和现场总线通信技术将伺服放大器与执行机构合为一体，不仅实现了双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，还增设了行程保护、过力矩保护、电动机过热保护、断电信号保护、输出现场阀位显示和故障报警等功能。它可进行现场或远程操作，完成手动操作及手动／自动之问无扰动切换。

新型智能阀门电动执行器的成功开发，有助于提高国内阀门电动执行执行器的产品水平，也有利于提高生产控制的自动化水平，最终实现生产过程的智能化。我公司开发的EXC电动执行器是在采用原有的合理技术基础上，进行大量可靠的技术创新开发形成的，是与国内外同类产品相比具有很多创新的新型高科技光机电一体化产品。

2．开发背景

电动执行器在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动化的“手足”。电动执行器以电能为动力，接受调节器来的标准信号(模拟量或数字量)，通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、直线或多转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以电动执行器对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。

2．1 计算机控制

在过程控制中，需要通过调整阀门的开度来调节流量和压力。通常电动执行器，按照外部发来的控制信号驱动阀门，这些控制信号来自控制系统的微处理器。在电动执行机构中，增加带有智能控制的伺服放大器，其后是增加给定值控制功能。先进的阀门电动执行器具有更完善的智能控制，可按给定值自动进行PID调节，控制流量和压力等过程变量。智能化阀门电动执行器能响应外部4—2W模拟信号或经由RS—485通讯口发来的数字信号或按自身程序设定的参数进行PID控制。

2．2 安全措施

智能化阀门电动执行器：具有高度的自身保护及系统保护功能，如装有三相电机的执行机构有可能因为相线接错而反转，导致执行机构和阀门损坏，而智能型的电动执行机构则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机正确起动。此外，在阀门卡死的情况下，保护功能还可以避免电动机被损坏。在电动机通电期间不断检测阀门的动作，若发现一定的时间内不动作，就认为是卡住，控制器就发出命令，切断电动机电源并发出警报。除了有自身保护功能外，智能化阀门电动执行器还具有系统保护功能，即当某些部件出现故障或系统出现其他问题时，会自动采取应急措施以免发生事故。

2．3 通讯功能

智能化阀门电动执行器采用数字通讯的方法与主控制室相连，主控制室送出的可寻址数字信号通过电缆被电动执行器接收，电动执行器的微处理器根据收到的信号对电动执行器进行相应的控制。系统就是采用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络(LAN)，一个典型的系统可以包括电动执行器、计算机阀门控制器(CVC)、网络连线、网络接口部件(NIU)以及主计算机。NIU与主计算机之间采用标准的ASC工工字符码通过串行口进行通讯。此外，智能阀门电动执行器允许工程师在远地对其进行监测、整定和修改参数或算法等。

2．4 智能诊断

在阀门电动执行器上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，而在电路方面也设置了各种监测功能，如电源相序和后备电池的电压检测。微处理器在运行中连续对整个系统进行监测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。当出现故障需要专家协助解决时，有的智能化阀门电动执行器还可以通过调制解调器与专家实时联网，以便及时地诊断和排除故障。

2．5 一体化结构

一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中，使控制系统的设计、安装、操作和维护等工作大为简化，且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素对系统的影响，提高可靠性。

此外，智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因素，其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大范围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。智能型电动装置带有防水保护和双层密封外壳，工作温度在—30℃～+70℃之间。还可根据实际需要另行设计。

从上述产品特点中，可以看到智能电动执行机构的发展趋势：机电一体化结构逐步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，运用红外遥控的非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术，带通信的逐步取代不带通信的，数字控制逐步取代模拟控制。智能电动执行器根据控制电信号，直接操作改变阀的位移，利用微机技术和现场通信技术扩大功能，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平，是现代电动执行器的发展方向。

3．总体结构

EXC智能型电装从设计到开发以及生产都遵循着面向实际工业应用的目标，因此系统的总体设计也自始至终贯彻“简单实用、操作灵活、技术先进”的原则。

以电动执行器作为最终执行器的自动控制系统中，传统的方法的以调节仪表输出的模拟信号去控制电动执行机构动作。而传统的电动执行机构比较笨重，伺服驱动器和执行器两大部分分成两块，实际应用中很不方便。新型电动执行器则是将位置反馈信号输入计算机，在计算机内与控制中心信号(数字信号)比较，比较后输出开关信号，驱动执行器动作。

EXC阀门电动执行装置主要由控制器和执行器以及人机对话和远程通讯接口组成，是以380V三相交流电源作为驱动电源，接受来自控制中心的数字控制信号，并将其转换为相应的输出轴角位移，去操纵阀门本体。工作原理如图1—1所示，由示意图可看出，阀门电动执行机构的控制过程是一闭环控制，通过设定信号和反馈信号的比较控制电机运转，驱动阀门动作。借鉴现阶段己有的技术，控制器采用专门用于电机控制的PLC控制器为核心、配以相应的外围电路；执行器的驱动电机采用三相交流异步电动机、涡轮蜗杆采用锌铝合金制作，明显简化了系统的结构，降低成本，提高了控制精度。

该型电动执行器是在控制器的控制下完成设定动作的机械执行部分。主要由电动机、主传动机构、手／自切换机构等部分组成，它是用于直接驱动阀门的。

控制器，传感器以及人机对话和远程通讯接口部分，其具体的工作原理和系统结构图如图2所示。从图中可以看见，系统主要包括以下几部分：四种信号的检测模块，系统供电电源，核心控制模块，电机开关控制模块(即接触器、灭弧器)，人机对话接口模块，远程监控通讯接口模块系统的详细构成，硬件设计和软件设计。

本智能型非侵入式电动执行器，是集绝对式光电旋转编码技术、压电传感技术、微控制器技术、总线控制技术、红外遥控技术、高清晰宽屏液晶显示、磁控开关等多种新型技术和先进制造工艺为一体的光机电一体化产品。本产品包括了电机及机械驱动部分、系统电源部分、信号检测部分、控制模块、远程通讯部分以及人机对话接口部分。检测部分利用四种专门设计的传感器检测电机和机械驱动部分的运行状态和故障信息，为控制部分和人机对话部分提供详细的电动执行器运行数据；控制模块根据用户的指令以及电动执行器的运行状况对电机进行相应的控制；远程通讯部分完成电动执行器向DCS的远程中控室提供电动执行器的运行和故障数据，同时接受来自中控室的控制命令，完成相应动作，同时我们的电动执行器可向远程中控室提供阀位和力矩的4—20mA模拟量信号；人机对话接口部分，是操作者与电装之间的桥梁，操作者可以通过红外遥控器和磁控旋钮对电动执行器进行各种相应的操作，同时通过液晶显示模块监视电装的运行状况，并可以完成对电动执行器的调试和参数设定，我们设计了具有很强亲和力的和谐人机对话接口。

为了满足不同的控制需求，我们为电动执行器提供了以下几种控制方式：远程控制具有双线开、双线关、点动、自保持等四种控制方式，现场控制具有点动和自保持两种控制方式。同时我们的智能型电动执行器还具有如下一些功能：自动相序保护和纠正功能；电机过热保护；掉电信息记忆保护、掉电动作信息储存、电机瞬时逆转保护；过力矩保护；阀门卡塞保护；双速关阀功能；行程、力矩精确测量；不同控制方式下电机的正、反转控制；故障情况处理(电源故障、电机过热、电机过力矩等等)。

4．技术概要

高度光机电一体化的电动执行器的开发涉及从硬件到软件，从PLC到单片机，从传感器到控制器，从红外遥控到磁控技术，从模拟技术到数字技术等各方面先进技术，充分体现了现代控制的发展趋势。

传感检测部分技术概要，对于电动执行器而言，力矩和行程是两个重要的检测参数，EXC电动执行器使用了专门设汁的力矩检测机构，以确保对电动装置输出扭矩的控制。在吸收了目前的力矩测量方法基础上，改进了以往产品不注重数据处理的缺点，采用曲线拟合、量程拟合等方法，能根据各台电装的细微不同之处，拟合出适合该电装特性的量程曲线，因此在力矩测量的精度、线性度和重复性上有很大的提高，能达到控制转矩重复误差小于1％的精度。

在行程测量的方法上，EXC系列电动执行器采用了绝对式光电旋转编码的方法采集行程和转速信号，并由电机控制器进行行程控制。绝对式光电旋转编码测量行程的方法属于非接触的绝对式测量方法，掉电仍能记忆位置，是目前最为先进的，精度和可靠性都最高的行程和位置测量方法。目前世界上还没有在电动执行器上使用如此先进的行程测量方法的先例。EXC系列电动执行器在行程测量上可达到30位的绝对测量精度。

系统电源部分技术慨要，电源是系统正常工作所必须具备的基本条件。电动执行器采用的供电方式是三相交流380V或者单相220V。通过专用变压器转换为直流24V电源供内部控制系统使用，在系统内部使用7818和LM336分别提供所需的18V和2.5V直流，使用LM4960提供系统的5V电源。

在主控制模块设计上，首次采用了双控制核心设计，使用了PLC控制器来负责完成电动执行器的控制功能；同时使用了独立的微控制器专门负责完成强大的人机对话接口功能。这样的双核心控制系统不仅保证了电动装置动作的实时性、稳定性，以及故障响应的快速性，而且允许我们在人机对话接口上采用更多新的设计，创造出操作简便的中英文可选操作菜单。

在与中央控制室的信息交换中，不仅提供了数字量和模拟量的数据交换方式，还提供了Profilbus和Modbus两种总线通讯方式，为电动装置接入DCS系统提供了最大的方便。同时系统内部还十分注意与外部的隔离，系统采用了继电器隔离和光耦隔离两种方式。

现代化电动执行器技术的不断发展，对其智能化提出了更高要求。人机对话接口是电动执行器智能化很重要的一部分．这部分担负着操作人员与电动执行器的信息交流，是操作人员实现对电动执行器操控过程的主要环节。简便实用的人机对话接口不仅能提供设备的实用性，更重要的是能节约用户的调试和维护成本。

目前，国内先进的电装大多是直接进口或者在引进国外技术基础上开发的，因此菜单显示内容均是以英文、字符及符号为主，使用起来就相当繁琐，如果能采用图形点阵式液晶屏，通过合理的菜单结构设计和实现，就能实现在小型液晶屏上显示大量的信息，同时可以让设备的最终用户使用最简便的操作方式完成对设备的调试和运行管理，实现国内电动执行器真正的智能化和实用化，因此在国内生产的电动执行器人机接口上采用中文结构化菜单已经成为国内电装生产厂商的当务之急。

EXC智能型电动执行器的设计正是针对目前电动执行器人机对话接口简单、便捷的要求，基于图形点阵式液晶显示技术设计并实现了信息齐全、结构合理、操作简便的中文结构化菜单。使用了串行数据传输方式的宽屏幕液晶模块，利用图形点阵式液晶显示模块显示汉字、图片及滚动闪烁等功能实现菜单的基本要素，采用树状结构的方法使菜单清晰易懂，并且实现了用简单的确认和取消两个按钮来完成复杂菜单的所有操作功能。

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1．前言

自1929年LIMITORQUE制造出了世界上第一台阀门电动装置以来，阀门电动装置获得了较快的发展．国外是将电动执行机构与电动装置视为同一类产品，分别应用于闭环控制系统和开环控制系统。国外的电动执行机构品牌有里米托克(Limitorque)、罗托克(Rotork)、西门子(SIEMENS，电动执行机构部门已被auma收购，改名为S1POS)、奥马(auma)、BlFI、伯纳德(Bernard)、凯士通(Keystone)等，现已分别在国内电力、冶金、石油化工、污水处理及市政等各个行业得到应用。

2．阀门电动装置的发展方向

用户的需求是多种多样的，有希望带控制的、带无线遥控的、带状态显示的、带总线通讯等。现场的工况条件千差万别，如长期潜水、抗辐射、抗震动、耐高温、耐腐蚀、防爆等。总体上阀门电动装置的发展正按照用户需求、工况条件朝着高智能型、高可靠性两个方向发展：

一是随着电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快速发展，单片机和新型高速微处理器代替以模拟电子器件为主的阀门电动装置控制单元，阀门电动装置正朝着高智能型方向快速发展，功能越来越强大。适合一般现场工况环境，操作和控制越来越方便。

二是为适应特殊行业的恶劣工况环境，这些场合往往对阀门电动装置自身控制的要求不高，但特别强调高可靠性，通过特殊的机械结构设计和材料选用，经过严酷的试验测试．使阀门电动装置正朝着高可靠性方向发展。

3．高智能型的发展方向

3．1 智能型电动装置的含义

智能型电动装嚣是指配有功率控制部分、微处理器及可加装数字通信接口，具有闭环控制功能，并能够进行故障诊断的电动装置。

在功率控制方面，分为有触点控制和无触点控制，采用接触器为有触点控制，采用固态继电器和变频器为无触点控制，应用于开环控制系统的多采用接触器控制，智能型电动装置一般采用固态继电器控制，高端智能型电动装置采用变频器控制。采用变频控制的有SIPOS和H&B以及扬州电力设备修造厂的2SA8智能型阀门电动装置等，在控制性能、功能方面要比采用固态继电器的产品更丰富。

智能型阀门电动装置控制功能相当丰富，采用了计算机控制技术，使阀门电动装置智能化，如可进行故障自诊断、现场组态、状态显示、具有多种控制模式，具备多种现场总线接口，能与各种自动化设备相匹配，适应控制系统完全数字通信的需求。采用非接触式控制元件，具备红外遥控功能，现场调试与操作时无需打开阀门电动装置，保证了防护性能。

3．2 智能型电动装置的关键技术

智能型电动装置的关键技术是计算机控制技术、电机变频调速技术及数字通信技术在电动装置中的应用。由于采用先进的变频技术，使电动装置能按要求进行各种变速调节，实现特定的操作运行方式及PID调节，改善阀门特性，减少阀门及挡板所受的冲击，提高调节质量。

在智能型电动装置中矢量控制高性能专用变频器得以广泛应用，矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压和频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。

3．3 智能型电动装置的抗电磁干扰能力

抗电磁干扰能力是电动装置不可忽视的问题。各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。阀门电动装置工作在工业现场，电磁环境比较恶劣，带一体化控制的电动装置都会有电磁干扰，其电子线路要承受严峻的考验，智能型变频电动装置由于壳体内变频器的大电流高频开关动作，其引起的电磁辐射更加突出，必须具有较强的抗电磁辐射干扰能力，需通过电磁兼容试验。

3．4 采用变频控制的智能型变频阀门电动装置的技术特点

智能控制。电动装置控制模块是整个装置的核心，它协调和控制电动装置的各个部件运行。电动装置具备了变频调速功能以后，使得电动装置内部需要检查、管理和组态的参数增多。

故障自诊断。采用全面的故障诊断及保护技术，使电动装置的运行更加安全，维护更加方便。故障诊断内容包括对控制模块的电源部分、变频器工作状态、内部关键器件、电机、阀门以及用户接线等多项内容进行在线检查和智能判断，发现故障后给出提示和报警，并记录在存储器中，便于用户分析故障原因。对影响到电动装置正常运行的严重故障可以立即进入紧急状态。电动装置提供了多种紧急状态下的处理方式由用户组态设定。故障自诊断和保护技术涉及电路硬件分析设计、软件的智能判断和故障冗余等多项技术。同时，对于电动装置电机工作时间、控制模块工作时间、电机起停次数、转矩动作次数、全开全关次数等基本运行情况都进行实时记录，记录亦保存于存储器中。

矢量控制、变频调速。变频器采用矢量控制方式，不仅可使电动装置调速范围宽，而且可以准确控制电动装置的转矩。在现场可按工况要求对电动装置的开、关向速度进行设定。电动装置使用的变频器技术源于通用变频器技术，但又有自己的特点。电动装置要求变频器在整个工频段内保持恒定的输出转矩，在最大额定转矩范围内保证输出转矩的线性和一致性。采用一体化设计的变频器是密封在电动装置内部的。

任意位置缓开、缓闭。电动装置可以在任意位置缓开、缓闭，实现柔性起停和精确的动态定位，在接近设定或极限位置时，变频器自动调整电机供电的频率和电压，降低电机转速，以最低速度慢慢到达位置，避免因惯性对阀门造成的过调和冲撞，有效防止了冲击载荷对阀门及电动装置本体、电机可能造成的损伤，延长使用寿命。

现场总线控制。具备现场总线通信是智能型电动装置所必需的，用户的需求又是多种多样的，因此必须为电动装置配备多种现场总线的接口才能满足市场的需求。目前国际上现场总线标准较多，主要有MODBUS、PROFIBUS、DEVICNET、FF等较流行的现场总线标准。当智能电动装置与现场总线连接时，智能电动装置就成了现场总线控制系统中的一块现场仪表，这时它不仅具有电动装置的功能，还具有控制、运算和通信等功能。

4．高可靠性的发展方向

近年来国内核电发展迅速，需要使用的电动装置数量很可观，大型舰船上也需要使用大量的电动装置，这些特殊应用场合中有其特殊的要求，如抗辐射要求、抗震动要求、耐高温、耐腐蚀的要求等，对电动装置的可靠性提出了苛刻的要求，这些都需要对电动装置所用材料、结构等进行专门的设计和试验方能实现。

由于核级产品的工况要求最为苛刻，下面以核级阀门电动装置为例加以介绍。核级阀门电动装置有开关型和调节型两种形式，分别应用于开环控制系统和闭环控制系统。核级阀门电动装置的标准：EJ/Tl022.11—96主要参照RCC—E标准，而EJ／T531则完全等同IEEE382。

4．1 核级阀门电动装置的安全等级

核级阀门电动装置的安全等级为1E级(1E级：是反应堆和核电厂电气设备和系统的一个安全级别。参照标准EJ／T531的定义)。在GB／T15474核电厂仪表和控制系统及其供电设备安全分级标准中还有安全有关的(SR)设备以及非安全重要(NS)设备，其中安全级(1E)设备的使用条件最为苛刻。典型的安全级(1E)仪表及其供电系统设备如：反应堆保护系统，安全执行系统的仪表和控制设备，专设安全设施(如应急堆芯冷却系统、安全壳喷淋系统、安全壳空气控制系统、蒸汽发生器辅助给水系统和安全壳隔离系统)的某些仪表和装置设备，安全系统辅助设施(如设备冷却水系统、应急厂用水系统)的某些仪表和执行设备，某些辐射检测系统以及逆变装置等。

从设计开始，就应尽可能全面的核实电动装置的实际工况条件，在安全级的系统中，有些设备可能是非安全级的；在安全有关的系统中，有些设备可能是安全级的，应针对具体情况具体对待。

4．2 核级阀门电动装置的产品分类

参照标准EJ/T1022．11，核级阀门电动装置可分为：Kl类、K2类和K3类。

K1类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以内，在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下以及在事故期间或事故之后仍能够执行规定的功能。

K2类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以内，在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下仍能执行规定的功能。

K3类核级阀门电动装置是指安装在核反应堆安全壳以外，在正常的环境条件下和在SL2(安全停堆地震动)载荷下仍能执行规定的功能。

4．3 核级阀门电动装置的相关试验

热老化试验。热老化模拟试验是证明在加速热老化环境作用下和作用以后被试验驱动装置的可运行性，加速热老化模拟环境相当于设备安装寿命期间预期的正常热老化环境。在EJ/T531中规定加热阀门电动装置至138℃并保持该温度进行正常热老化模拟。在EJ/T1022.11中规定阀门将电动装置在干燥的空气中加热至135℃，试验950h。对于不同于135℃的试验温度和试验时间按公式另行计算。

机械磨损老化试验。阀门电动装置应在加载情况下，经2000次循环动作试验。该试验应在辐照试验前后各进行1000次。

辐照试验。标准对此要求差异比较大，RCC—E要求70℃下辐照老化为250KGy，事故辐照为600KGy。EJ/T1022.11—96中规定：辐照在干燥的空气中进行，温度70±3℃，辐照老化累计辐照剂量250kGy，事故辐照剂量600 KGy，总累计剂量850 kGy，剂量率为O.25±O.14Gy/s。而IEEE382辐照老化是常温下700 KGy，事故辐照为1200KGy。

承压试验。将阀门电动装置置于压力为O.49 MPa的压力容器中进行气体加压试验，每次加压时间为3min，共进行15次。要求电动装置运转正常，壳体及各主要零部件不得损坏。

振动试验。分别在阀门电动装置的三个正交轴向施加幅值为O.75g的正弦扫描激振信号，扫描频率范围从5HZ到200HZ再到5HZ，扫描速度为2倍频程/分，每个方向施加振动时间为90分钟。驱动机构在负荷下每l5分钟开关一次。

动态特性探察试验。分别在阀门电动装置的三个正交轴向输入加速度幅值不大于O.2g的白噪声进行激振，测量机构的自振频率和阻尼比。振动时间不少于120s，试验分别在机构阀门开启和关闭两种状态下进行。

抗震鉴定试验。试验分别在三个正交轴向进行。采用阀门电动装置的上安装面(或相近位置，视安装情况而定)处的加速度信号作为控制信号完成0BE和SSE地震试验。

失水事故(LOCA)环境实验。参照RCC—E标准可分为状态调节阶段、第一阶段LOCA环境试验、第二阶段LOCA环境试验、事故后环境工况试验。

寿命试验。寿命试验是在未经老化和失水事故试验的样机上进行的。参照标准EJ/T1022.11在运行转矩(1/3最大控制转矩)载荷下进行20000次的寿命试验。

4.4 lE级Kl类核级阀门电动装置的技术特点

鉴定寿命长。由于K1类产品的需要经受辐照、腐蚀、高温、高湿度环境，并要满足40年的使用寿命要求．在核级阀门电动装置的设计时需要求零配件、油漆、箱体、控制机构、电气元件、密封件以及所有非金属件选择能够符合要求的材料。

辐照剂量大。由于核级阀门电动装置需要经受辐射和高温等严酷试验、对可靠性要求非常高，所以需对电机、导线、行程开关、力矩开关、接插件包括导线等所有电气器件都采用特殊要求的产品，并进行辐照老化试验。

抗震要求高。能经受5次OBE加1次SSE 地震载荷．OBE 地震加速度在X、Y、z轴线上单方向为4g，SSE地震加速度在X、Y、z轴线上单方向为6g，整机固有振动频率大于33Hz。针对核级产品在抗振和抗震上的要求，产品在保证强度的前提下精确设计每一个零配件，尽量减轻整机重量，同时合理布置．做到重心尽量靠近中心线，同时尽量降低重心的高度。

LOCA环境试验恶劣。LOCA小室由室温预热至50℃，从预热开始计时，在50±10℃rF持续24h。第一阶段LOCA在30秒内温度由50℃快速升至156～160℃，在156℃以上保持12min后在封闭条件下自然降温至50℃。第二阶段LOCA在30s内温度由50℃快速升至156℃以上，在156℃恒温200秒后开始化学喷淋(喷淋液含1.5％硼酸和0.6％氧氧化钠)，时间延续96h。事故后环境工况试验在100±5℃恒温恒压保持240h后，关闭样机电源及试验区热源。

5．总结

高智能型与高可靠性是从实际情况出发。考虑的侧重点有所不同。只有对用户使用需求、工况环境条件有了充分了解．并采取相应的技术措施，才能符合阀门电动装置的发展方向。

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1．概述

阀门电动装置是工业过程自动化控制领域常用的一种机电一体化执行设备，它以电能作为动力，可以按照预先的设定要求，输出具有一定动能的角位移或直线位移(即行程控制)，同时能限制输出的转矩或推力(即转矩控制)，此外还可以安全地进行手动操作。阀门电动装置主要用来驱动各种介质(如水、油、气、蒸汽、灰渣等)的管道阀门或挡板，并对其进行开启、关闭或连续调节，以使流量、压力、温度等参数适应控制系统的指令要求。

由于核级产品有抗震要求，因此设计核级产品时，在满足功能要求的前提下应尽量做到使所设计的产品体积小、重量轻、重心低。而对小转矩(本文所指的小转矩范围：对多回转电动装置，输出转矩10～100Nm；对部分回转电动装置，输出转矩50～1000Nm)核级阀门电动装置的体积和重量影响最大的就是其主传动机构，目前(核级)阀门电动装置的主传动绝大部分是采用涡轮蜗杆传动，采用涡轮蜗杆传动虽然也能实现较大的速比．但大速比下，其体积较大，结构不够紧凑，而且传动效率较低。小转矩核级阀门电动装置的主传动采用2Z-X(I)型少齿差行星齿轮传动后，可以较好地满足其体积、重量和重心要求。该传动具有以下几个主要优点：

(1)2Z-X(I)型少齿差行星传动采用双内啮合齿轮传动，结构紧凑；

(2)传动效率较高；

(3)加工方便，成本较低(内、外齿可用普通插齿机加工)；

(4)由于传动时可以产生多对齿面啮合，承载能力大；

(5)运转平稳可靠、噪音小、寿命长。

2．参数选择与设计计算

图1是扬州电力设备修造厂专门为田湾核电站开发的用于逐步替代进口原供电动装置的小转矩SDZH核级阀门电动装置。该电动装置主要技术参数与指标如下：

电源：三相380VAC±10％，50Hz

电机工作制式：S2，15min

防护等级：IP67

环境条件：环境温度-20℃～+60℃；常温常压下，相对湿度<95％

技术指标：转矩重复精度为：≤±lO％；行程重复精度为：≤±5°

开关与控制信号装置：力矩开关(一常开、一常闭)、行程开关(两常开、两常闭)

核安全等级：K2／K3

总重量：≤20Kg

控制转矩范围：5～15Nm、10～30Nm、20～50Nm

输出转速：10rpm；输出轴最大转圈数：l0圈

电气及机械接口与进口原供电动装置相同。

由于是替代项目，该电动装置的体积和重量受到了进口原供电动装置的限制，主传动采用了2Z-X(T)型少齿差行星齿轮传动后(其传动简图见图2)，电动装置结构紧凑。满足了体积和重量等方面的替代要求。

本文主要从传动比和效率计算以及加工误差对齿轮齿廓重迭干涉影响的角度讨论2Z—X(I)型少齿差行星齿轮传动在小转矩多回转核级阀门电动装置上的应用。

2．1 主传动的构成及参数选择

2．1．1 主传动的构成：由一对正齿轮和一个2z—x(I)型少齿差行星传动减速机构构成。

2．1．2齿轮参数选择

(1)一级正齿轮副E、F。模数取m一1．齿数分别取为：Z_E—42，Z_F—93。

(2)2z—x(I)型少齿差行星减速齿轮模数及齿数等参数的确定。

按文献(1)第14篇第6章的相关内容进行少齿差行星齿轮的参数选择，参数见表1，注：内啮合齿轮副内齿轮齿数与外齿轮齿数之Z_d=Z₂-Z₁=Z₄-Z₃乙称为齿数差。一般齿数差Z_d=1～8称为少齿差。

2．2 传动比的计算

2．3 传动效率的计算

行星齿轮传动的效率是评价其传动性能优劣的重要指标之一。试验研究和理沦分析发现行星传动的效率有如下特点：

(1)行星齿轮传动的效率，随其结构类型的不同而不同；

(2)同一型式的行星齿轮传动的效率，随传动比的变化而变化；

(3)同一型式的行星齿轮传动，当主、从动件改变时，效率随之改变；

(4)行星齿轮传动的效率的变化范围很大，高的达O.98以上。低的可接近于零，甚至自锁。

SDZH核级阀门电动装置的主传比为136.16。其中2z—x(I)型少齿差行星传动部分的传动比为61.5，其主动件为偏心转臂(x)，输出件为内齿输出轴(内齿轮4)，固定件为内齿轮2(见图2)。该行星传动的效率计算如下：

2．3．1 一级正齿轮副E、F的传动效率ηEF

直接选取ηEF=0.97

2．3．2 2Z—X(I)型少齿差行星齿轮传动效率计算

(1)第一对内啮合齿轮副1和2的啮合效率讲η^r_e12的计算

本文主要以内啮合齿轮副I(外齿l和内齿2)为例说明，内啮合齿轮副Ⅱ(外齿3和内齿4)类同，仅加以必要的说明。

将齿轮参数表中的相关数据代入上述公式计算可得：

2．4 齿廓重迭干涉计算(G_s)

2Z–x(I)型少齿差行星齿轮传动的两对内啮合齿轮副必须分别满足各自的齿廓重迭干涉条件才能避免传动时发生齿廓重迭干涉，内啮合齿轮副不产生干涉的条件是必须确保G_s12>0与G_s34>0，设计时一般取G_s>O.05。对于内齿轮副I，其齿廓重迭干涉条件G_s12的表达式为：

只要将上式中的下标1和2分别置换成3和4，即可得到内齿轮副Ⅱ的G_s34的表达式。

2．4．1 不考虑齿轮加工误差对齿廓重迭干涉验算值G_s12、G_s34的影响

将齿轮的相关数据代入上述公式计算可得：

由齿廓重迭干涉验算值G_s12、G_s34的计算结果可知，该少齿差内啮合齿轮传动，在不考虑加工误差的影响时，不会产生齿廓重迭干涉。

2．4．2 分析加工误差对齿廓重迭干涉验算值G_s12、G_s34的影响

实际应用中，由于零件加工误差的存在，齿轮啮合时往往还是会出现轻微的干涉现象，使电动装置的噪音增大，效率下降。对齿廓重迭干涉产生影响的工误差主要有：齿轮的齿圈径向跳动、齿轮传动的中心距极限偏差(偏心转臂的偏心距)、齿轮的齿顶圆偏差以及转臂轴承游隙等。

下面就以齿圈径向跳动为例来分析齿轮的加工误差对齿廓重迭干涉的影响，四个齿轮均采用8级精度，其径向跳动均为F_r=0.045。这个误差将影响到内啮合齿轮副的实际传动中心距。假设实际传动时的中心距为α^″=α^′±F_r。

实际传动时的中心距α^″愈大，则啮合角愈大，愈不易产生齿廓重迭干涉。故只要验证实际中心距α^″=α^′-F，时的状态是否干涉即可，假设齿轮的实际径向跳动偏F_r≤0.045。

由以上计算可知，由于齿圈径向跳动偏差的存在，就可能使原本不干涉的少齿差内啮合齿轮产生齿廓重迭干涉。所以，为了确保少齿差内啮合齿轮的传动质量，必须采取措施消除齿圈径向跳动偏差对齿廓重迭干涉的影响。另外，对齿廓重迭干涉影响较大的加工误差还有中心距极限偏差和齿顶圆直径偏差。在通常的齿轮传动设计中，中心距极限偏差一般按设计手册取正负偏差值，由于中心距取负偏差时，实际中心距减小了，往往导致G_s变小，易产生齿廓重迭干涉；反之，中心距取正偏差时，使G_s变大，不易产生干涉。所以对少齿差内啮合齿轮传动来讲应该采用正的中心距偏差。同理，齿顶圆直径偏差对内齿轮来说应取正偏差，对外齿轮来说应取负偏差相当于齿顶高进一步缩短，可使G_s变大，不易产生齿廓重迭干涉。

所以2Z—X(I)型少齿差行星齿轮传动可以采用中心距(甚至可以把齿圈径向跳动的影响直接加到中心距上，即取中心距α^″=α^′+F_r)正偏差以及适当加大齿顶圆直径偏差(内齿轮取正偏差，外齿轮取负偏差)的办法来弥补加工误差对齿廓重迭干涉的影响。

3．结语

由于2z—x(I)型少齿差行星齿轮传动具有承载能力强、速比大、效率高等优点，从而使所设计的sDzH核级阀门电动装置结构紧凑，体积小、重量轻，重心低，很好地满足核级产品的抗震要求。只要在少齿差行星齿轮传动的设计中，充分考虑到加工误差因素对齿廓重迭干涉的不同影响，从而在设计上采取相应的补偿措施，就能设计出理想的小转矩核级阀门电动装置或与其配套的少齿差行星减速器。

sDzH核级阀门电动装置在外壳采用球铁铸件的情况下，其整机实际重量仅为19.4kg，比进口原供电动装置(外壳为铝合金)略有增加，经抗震分析计算及实际的抗震试验表明，在与阀门连接的机械接口不变情况下，sDzH核级阀门电动装置完全能满足标准规定的抗震鉴定要求。它的体积比进口原供电动装置要小，完全满足了替代的安装尺寸要求。

2008年4月，SDzH核级阀门电动装置通过了由中国机械工业联合会主持的科学技术成果鉴定。由来自国家环境保护部核安全中心、中国核电工程有限公司、中国核动力研究设计院、上海核工程研究设计院、中科华核电技术研究院、清华大学核能与新能源技术研究院等核领域单位的专家组成的鉴定委员会一致认为，sDzH核级阀门电动装置性能可靠，在国内居领先水平，达到了国际同类产品水平。

SDzH核级阀门电动装置的成功开发不仅解决了二代加CPRl000堆型上大量小口径截止阀、隔膜阀用电动装置的自主化配套问题，同时还有力推动了田湾核电站“物项替代”进口原供阀门电动装置的国产化进程。目前，已有多台小转矩sDZH核级阀门电动装置在田湾核电站安装运行，并且运行良好。

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1．前言

堆焊是一种应用较为广泛的焊接方法，可以获得性能优良的抗腐蚀、耐磨损的堆焊层，从而保护设备的安全及有效运行。阀门作为制动以及管道和设备安全的蓖要环节，对设备的安全运行以及操作人员的人身安全都至关重要。目前的阀门的密封面大多使用堆焊的方法来获得满足使用要求的耐腐蚀、抗磨损性能。堆焊是阀门行业使用最为广泛的焊接方法。

由于基体材料多变，阀门密封面的要求也不尽相同，因此在阀门的堆焊中，工艺变化很大。针对不同的母材和使用场合，需要制定不同的焊接工艺规范。目前，在阀门研制和生产制造中，钴基硬质合金以其无可替代的卓越综合性能被广泛应用到各类阀门密封面的堆焊中。这种合金以铸造成型为主，制成焊丝和焊条及粉末等堆焊材料，采用气焊、电弧焊、惰性气体保护焊、喷焊等工艺方法制造，以获得阀门密封面的表面硬化层。本文就以钴基合金作为堆焊材料，配合几种常用的焊接方法，对阀门堆焊工艺进行研究探讨。同时，对阀门耐磨损堆焊的一些常用的材料进行介绍和总结。

2．堆焊材料

表1、表2分别介绍了用于阀门堆焊的焊条和粉末等离子堆焊合金粉末的牌号，堆焊材料的化学成分以及堆焊层硬度。由此可见，目前国外采用的用于抗磨、抗热、抗腐蚀的堆焊合金都是以钴基、铁基、镍基为基础的，但各国的资源不同，都在努力寻求发展具有自己特点的合金材料。

在我国，按照JB/T 6438-92《阀门密封面等离子弧堆焊技术要求》的内容，常用基体材料主要有：25、35、40、WCB、ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Ni9、ZGCr5Mo、ZG20CrMoV、1Cr5Mo、12CrMo、15CrMo、12CrlMoV、15CrlMoV、WC6、WC9、1Crl3、2Crl3、1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、1Crl8N．12M02Ti。

同时，按照GB/T 984-2001《堆焊焊条》的内容，目前常用的堆焊焊条有60多个型号的产品。另外，随着技术的发展，近几年，国内外很多科研单位都开发出了性能优异的耐磨损合金粉末。

耐磨损堆焊主要是使用钴基合金：EDcoCr××-××，以及wC粉末：EDW××-××。对于WC管状焊条，其型号第一个字母“E”表示焊条；第二个字母“D”表示用语表面耐磨堆焊；后面字母“G”和元素符号“WC”表示WC管状焊条，其后数字1、2、3表示芯部wc粉化学成分分类代号(见表3)。短划后面为wc粒度代号，用通过筛网和不通过筛网两个目数表示，以“/”相隔，或只用通过筛网的一个目数表示(见表4)。

3．堆焊方法

目前钴基合金的堆焊常用方法有等离子弧焊、氩弧焊、氧乙炔堆焊、电弧焊等。

等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属。等离子弧的特性是能量密度可达10000—100000W/cm²，其温度可达18000～24000K。通过控制粉末送给量的稳定和灵活的可调性，非转移弧与转移弧的电流规范送粉气与离子气的精确调节转动台速度的调节，喷枪摆幅与摆动频率的调节，喷嘴与工件的距离等参数，可以堆焊出其他焊接方法无法实现的高硬度、高强度，特别是其他焊接方法无法焊接的高熔点、高强度合金粉末。

氩弧焊时，首先对工件进行预热，为了保证堆焊面的硬度，必须焊二层或三层以上，且堆焊电流要适中。焊后需要进行热处理。由于该焊接方法温度也比较高，因此获得的钴基合金堆焊层的性能也还比较好。

只有没有等离子弧焊及氩弧焊的条件，才进行手工电弧焊，手工焊有氧…乙炔焊和手工电弧焊。

氧一乙炔堆焊是一个传统的操作工艺，具有设备简单、熔敷率高、堆焊层化学成分稳定等优点，且堆焊一层(3mm)即可达到设计及主品使用要求。这种焊接方法中，气焊火焰的掌握十分关键。火焰有三部分：中性火焰、氧化焰、还原焰，堆焊操作时，必须采用乙炔三倍于氧气的还原火焰(碳化焰)。堆焊前，将工件用火焰加热到300～350℃，然后将还原焰对准工件堆焊面加热到工件表面发红，此时会在表面出现一层很薄的渗碳层。将焊材放入还原火焰区域，熔化的材料会在工件表面随渗碳层迅速展开，火焰持续动作，熔滴有节奏与工件结合形成硬化堆焊层。焊后还要进行消应力热处理。

电弧焊的堆焊用电流主要与焊条的直径有关。对于Φ3.2的焊条，一般焊接电流为90～120A；对于Φ4.0的焊条，焊接电流一般为140～170A；对于Φ5.O的焊条，焊接电流一般为170～200A。焊接时直流短弧。

4．工艺要求

堆焊施工首先需要编制焊接作业指导书。焊工应严格按照操作说明上进行。焊接主要分三部分：焊前准备、焊接、焊后处理。

4．1 手工堆焊工艺

焊前准备的内容：首先是焊接材料的选择。对于碳钢和低合金钢，一般应按照钢材的强度等级选用焊条，同时还应综合考虑焊缝的塑性、韧性。不同强度等级的碳钢和低合金钢或不同低合金钢之间焊接，应按异种钢接头中强度等级较低的钢选用焊条，保证焊缝及接头强度高于较低一侧强度。对于耐腐蚀要求的结构，应选择相应配套的专用焊条或熔敷金属化学成分与其相近的焊条。结构复杂、刚性大，焊接条件差、工作要求苛刻的重要结构，应选用低氢碱性焊条。耐热钢焊条可根据钢种和结构工作温度来选用熔敷金属化学成分和力学性能与母材相同或相近的焊条，同时要求接头等强性。异种钢选级别低的一侧的化学成分为焊条，但预热温度和焊后热处理应按高级别的一侧。从保证焊接接头的抗裂性能出发，应选用低氢焊条。焊条选择好以后，在焊接前需要进行焊条的烘干。焊条必须在指定温度下烘干，烘干后放进保温筒中随用随取。按照焊接作业指导书的要求，还应调整焊接设备的工艺参数。由于阀门对尺寸要求较高，因此焊前需要对毛坯的尺寸进行测量，并进行喷丸处理。为了防止飞溅对以后的机加工的影响，应在堆焊的影响表面覆盖石棉或涂上石灰水进行防护。

焊接需要针对不同的阀门，不同的母材，不同的焊接方法，制定不同的焊接工艺，并严格执行。

焊后，除了要清理焊渣及焊缝周围的飞溅，还应对需要热处理的工件进行热处理，并做好焊工标记。焊后还应进行目测检查。堆焊层不得有任何裂纹、外部气孔、夹渣等缺陷。对密封面进行粗加工时发现有缺陷时还应进行补焊。同时，如果在硬度、金相等检验时发现有焊接缺陷时，也应进行补焊等处理。

4．2 等离子弧焊工艺要求

等离子弧焊必须严格控制下列参数：粉末送给量的稳定和灵活的可调性，非转移弧与转移弧的电流规范送粉气与离子气的精确调节转动台速度的调节．喷枪摆幅与摆动频率的调节，喷嘴与工件的距离等。

在焊接前，需要对工件进行机械清理的处理，工件表面必须有金属光泽．除去锈绌、油污和氧化物。要选取好合适的焊接电流，不能因为追求速度而过度调高电流。一般喷枪与工件的距离为20mm。某些较大的低碳、中碳及低合金钢零件需要进行预热。对于珠光体、马氏体钢，即便是较小的零件也必须预热．以防止堆焊层裂纹的出现。大的零件，以电炉做恒温预热较方便，保温一定的时间使工件的内部温度与表面温升相一致。然而由于大工件堆焊时间长，工件温度梯度大，刚性强，容易形成很大内应力，因此堆焊过程中应不间断加热；焊毕后做等温缓冷处理。如果采用的合金粉末具有较高的硬度。而堆焊的面积又较大则在堆焊过程中必须采用不同的手段进行不问断的预热，以防止堆焊层产生新的裂纹。因此，焊前预热及焊后热处理对堆焊层很重要。

另外，对等离子堆焊工艺中几个重要参数也进行了分析。熔敷率指单位时间内合金粉末在零件上熔敷的效率。该参数必须严格控制．防止堆焊金属被稀释。冲淡率(混合比)指一般在在堆焊层中母材占成分的5％～10％。冲淡率随填充材料不同而不同，如当堆焊高度为5mm时，Co-Cr-W混合比可打10％，而Co-Cr-W-B混合比为4％。冲淡率的测量一般采用作图法将堆焊层宏观照片放大，测量焊层熔深部分的面积与堆焊总面积的比值。

粉末送给系统要求稳定可靠，合金粉末一般应在干燥恒温箱内烘焙一小时。对于主弧转移电弧，若转移弧增加，则送粉量及离子气增加，使送粉发生困难，飞溅增加，熔敷率下降，焊接质量下降。喷枪与工件的距离若过大，则弧柱稳定性下降，电弧发生漂移，对熔池的保护效果显著下降。距离过小则熔深增加，冲淡率增加。经过大量实践，喷枪与工件的距离及机器的性能有密切关系。首先是与转移电弧的空载电压喷枪设计有直接关系。必须指出，某些自熔性差，熔点较高的粉末在变化堆焊参数的前提下(如离子气流量加大送粉气和送粉量增加，工件移动速度慢，摆动频率减小等)，将喷枪与工件的距离适当提高，反而改善了堆焊的工艺性能。主要原因是具有高速动能的合金粉末，从喷枪最喷出后，有一个相对的较长时间在弧柱内停留，增加了合金粉末的受热时间。减弱了合金的动能，使粉末飞溅状况有明显改善。

工件移动速度和喷枪摆动频率对稀释度、堆焊层的埂度及焊层的高度有很大影响。工件移动速度快。在其他工艺参数不变的情况下，堆焊层高度降低，冲淡率降低，合金粉末焊层金属与基本金属结合强度下降。若摆动频率过高，焊炬往返来回过快，从喷嘴喷出的粉末严重散失，沉积率下降。摆动频率在不超过特定范围的情况下，对堆焊高度的影响不明显，但对熔深影响很大。

5．缺陷避免及排除措施

堆焊时如果操作不当就会出现各种缺陷。为了减少或消除缺陷，可以在工艺上采取措施。

5．1 手工焊缺陷排除

对于气孔和翻泡之类的缺陷，堆焊时如果工件表面局部温度过高，基体温度过热，堆焊层内会混入过多的基体金属，当出现焊接火焰或焊弧晃动，保护气氛不良及表面准备工作不完善等，就会出现气孔及翻泡。如果出现这种情况，就应该重新用加热焰重新加热一次，可以使气泡逸出。

裂纹出现的情况：堆焊前预热温度低，工件几何尺寸复杂的不见，堆焊过程中保温不良和堆焊后工件无保温措施，形成急冷，均会出现裂纹和裂缝。另外接头收口过急或堆焊中火焰突然从熔池离开，都会因为出现弧坑而发生龟裂。而没有经过退火的工件也很容易产生裂纹。要减少或排除这些裂纹，可以对小工件用火焰仔细深熔；大工件则必须均匀加热，出现裂纹，可以打磨至基体从新补焊。

夹渣的出现，与焊材中的夹杂物及工件表面的氧化批有关，在焊第二层时，如果第一层的氧化物没有浮出，就会出现夹渣。要排除夹渣，必须做好焊前打磨工作，在焊完第一层后，应对表面进行检查，并去除氧化皮。

疏松的出现原因很多，如火焰离开熔池速度过快。在修复气孔时因为不仔细，会在加工后发现有密集的小孔。在换焊丝时，如果火焰处理不稳，移动位置或在熔池上过烧，都会出现疏松。排除的措施是重新用火焰熔一次。

硬度不均的原因有三个，一个是局部基体被过烧，大量基体金属进入熔池。一个是氧乙炔焊时因为焊接供气不稳定，还有就是火焰的焰心进入熔池使碳含量增加。采取的措施主要是稳定好火焰，并严格按照作用指导书进行操作。

5．2 等离子弧焊缺陷排除

工艺故障主要有四种。一个是非转移弧不能起弧，主要原因有：高频发生器火花室发火点错位或间隙过大，排除方法是检查高频发火室，将发火点对准，并用起子调整间隙。钨极与压缩道上端距离太大，排除方法是调节电极与压缩角尖端的距离。喷嘴锥角附有氧化膜等污物．排除方法是拆下喷嘴，用盐酸腐蚀清洗后，用细砂纸打磨。其他原因还有如电压过低、钨电极烧损严重、电流调节过小、离子气未接同、钨极与喷嘴短路等。

粉末堵塞是另一个常见故障。主要原因及解决方法有：送粉气流量不足，吹送力不大。排除方法是逐渐加大送粉气流量。其他原因还有送粉量过大、密封卷漏水、通粉孔被大颗粒或异物阻塞等。第三个故障是缺水或压力不足。主要原因是水冷电缆发生皮管发烫、喷嘴漏水，因水压不足不能使水泵打开，排除方法是使用车床皂水冷却泵增加水压。第四个故障是转移弧不正常。主要原因有：喷枪与夹持件发生短路；电缆没有接上或通水电缆焊接处脱开；转移弧有明暗抖动，可能是钨极损坏，同心度偏差大；转移弧有闪耀辉光并有兰色弧光，可能是喷嘴漏水；转移弧发出“呼呼”声，是因为离子流量太大或钨极内缩太大。

常见焊接缺陷有气孔、裂纹和夹渣。气孔的出现原因及排除和预防措施有：工件表面有油污、锈蚀等杂质；母材可焊性差；转移弧电流过大，大量基体混入焊层；保护不良或氩气将耗尽导致纯度不高；粉末湿度大并有杂质；粉末颗粒空心导致气体无法及时逸出(这种情况在焊接时可以听到清脆的爆炸声)；粉末中含有低熔点杂质在高温下气化；母材中含有杂质；母材被化学处理。夹渣出现的原因有：保护不良使焊面氧化，第二层堆焊时氧化杂质夹人；粉末冶炼时存在氧化杂质；粉末渣系带有很大的粘性，焊时浮渣不彻底；工件移动速度快使粉末不能完全熔化；母材中有氧化杂质冒到焊层中等。

裂纹出现的原因有：使用的是有空淬性能的母材；母材未预热；母材本身有裂纹；堆焊金属与母材的热膨胀系数相差悬殊；母材受过淬火处理；工件移动速度快，堆焊层与母材结合强度差；送粉量过大，焊层与母材结合不良，内应力集中；焊前焊中预热保温及焊后热处理不当；没有衰减或衰减装置线性不佳，产生弧坑形成疏松，在内应力作用下产生裂纹；粉末硬度过高等。

上述缺陷应采取相应措施加以修补，修补手段可用氩弧焊、气焊或等离子弧焊进行小范围的局部补焊。

6．结论

要获得满足设计及使用要求的阀门堆焊面，需要在制定作业指导书以及操作中严格按照要求进行。同时要根据母材及焊接方法选取适当的焊接材料。虽然目前的主要堆焊方法有氧一乙炔焊接、氩弧焊、手工电弧焊等焊接方法，焊接缺陷种类也比较多，但只要掌握了他们的操作规律及缺陷出现的原因，就可以在工艺制定及操作方面减少和避免这些缺陷的出现。

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1．引言

随着我国经济的飞速发展，石油、石化等行业工程建设项目中压力容器、管道和管道元件等的安全性能要求普遍需要提高。低温阀门应用广泛，但也容易发生泄漏，对制造要求很高，而如何判断制造的阀门的耐泄漏水平成为一个难题。很多低温或者超低温的闸阀，适用于公称压力PNl.6～10.0MPa，公称通径DNl5～350mm，温度-40～-196℃的法兰和焊接连接的场合。其制造及在用过程中，都需要进行泄漏量的检测。目前，随着氦质谱检漏技术的发展，泄漏量的检测也变得方便起来。

氦质谱检漏仪是根据质谱学原理，用氦气作探索气体制成的气密性检测仪器。灯丝发射出来的电子在电离室内来回的振荡，与电离室内气体和经被检件漏孔进入电离室的氦气相互碰撞使其电离成正离子，这些离子在加速电场作用下进入磁场，由于洛伦兹力作用产生偏转，形成圆弧形轨道，改变加速电压可使不同质量的离子通过磁场和接收缝到达接收极而被检测。

氦质谱检漏法是根据质谱分析的原理，以氦作探索气体，对各种需密封的容器的漏隙进行快速定位和定量检测的理想的方法。因氦是惰性气体，对大气无污染，使用安全；氦原子量小、粘度小，易渗透过任何可能存在的漏率，检测灵敏度高、速度快、适用范围广；加之氦在大气中含量少(仅万分之五)，离子质量与其他气体离子质量相差很大，不易受干扰，不会错判。与当今诸多检漏方法(如气泡法、卤素检漏法等)相比，它是佼佼者。

氦泄漏试验时，将氦质谱检漏仪与嗅吸探头连接形成泄漏探测器，来检测被检测容器泄漏出的微量氦气，嗅吸探头将氦气吸入，送到泄漏探测器系统中，并将其转变为电信号，泄漏探测器再将电信号以光或声显示。氦质谱检漏仪可根据要求调整检测灵敏度，按照氦气的泄漏量决定是否报警。

任何密封都不可能做到绝对不漏，设计密封件的任务都是以泄漏率控制在允许的范围内为目的。因此，所有密封件都是允许泄露，不论是动、静密封件设计，均遵循这个原则。阀门的漏率一般控制在不大于60泡/min(0.0lPa·m³/s)，低温试验件按此作为密封质量评估参考。

我们通过不锈钢高磅级低温闸阀低泄漏型式试验的经验，总结了用氦气检测低温低泄漏闸阀的气体密封性能的方法。

2．试验装置及要求

本方法结合了APl598和壳牌MESC SPE 77/306的试验方法。

按壳牌MESC SPE 77/306的装置图连接阀门和其他设备。试验原理见图1。

试件范围：闸阀。DN：24英寸以下。PN：600磅以下。

温度：-196℃以上。试验压力：10MPa以下。

测试参数：冷媒温度，阀体、阀盖、阀杆、填料、密封件温度，介质压力，泄漏量。

冷媒：液氮与酒精的混合液或液氮。

试验介质：氦气或氮气。

装置用途：零部件深冷处理；阀门产品低温性能试验。

装置由低温储罐、试验槽、真空管道、高压管路、温度/压力测量器、控制阀、数据采集系统、控制台、氦质谱检漏仪等组成。满足JB/T7794、BS6364等标准对低温阀门的试验要求。

3．试验过程及要求

阀门试验前，先对试验管路通入一定的氦气，用氦质谱仪检测管路中的皮管、接头和压力表是否有明显的泄漏，如有泄漏设法消除。

环境温度下，把阀门垂直放置。两侧上好盲板，打开闸板，按照APl598进行阀门上密封试验和壳体试验。上密封试验时，完全打开闸板，松开上密封压板和压套，逐步加水压至不低于阀门在38℃时压力额定值的1.1倍，保压120s，测试阀门的上密封性能。然后做壳体试验，放下闸板至半开状态，放下压板和压套，逐步加水压至不低于阀门在38℃时压力额定值的1.5倍，保压300s，测试阀门的壳体强度。试验结果不能超过APl598的规定。

随后泄压，去除阀门内部的油脂和水分。完全开关闸板l5次，使闸板处于半开状态。同时通入0.6MPa的氦气，保压300s，用氦质谱仪检测阀门填料压板和中法兰垫片处的气体密封性能。然后放下闸板，放净出口处部分的氦气，按MESC SPE 77／312的压力：

—6 bang for PN 10 and PN 16 valves。

—10 bang for class 150(PN 20)valves，

—20 bang for class 300(PN 50)valves，

—25 bang for class 600(PN 100)valves。

—20％ of the rated valve body pressure at room temperature for valves in class 900(PN 150)and above．

要求注入氦气，并在出口处用氦质谱仪检测阀门闸板的气体密封性能。泄漏试验结果不能超过按壳牌MESC SPE 77／312的规定。随后把阀门拆下系统，放入深冷处理箱进行深冷处理。

使液氮覆盖阀体和阀盖使其降温，用热电偶测量阀体阀盖表面温度，达到一196℃。保持温度的情况下，把阀门再装入测试系统，通入0.6MPa的氦气，按上述低泄漏方法，再对阀门的填料垫片及气体密封进行试验。

泄漏试验结果不能超过壳牌MESC SPE 77／312的规定。

低温低泄漏试验完毕，用氦气对阀门吹，使其温度至常温。按APl598标准再次测试阀门的壳体强度。试验结果不能超过APl598的规定。

4．小结

对于低温或者超低温闸阀，通过使用氦质谱仪，结合低温的工作特点，使用液氮冷却和氦气检测泄漏量的方法，完全可以实现产品的制造检测，在生产实际和型式试验中都有一定的借鉴意义。

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1．前言

阀门填料在阀门安全运行中起到至关重要的作用。填料选用好坏直接影响到安装在压力管道。或工业设备上阀门的可靠性，填料泄漏易造成有毒有害、易燃易爆或高温介质的泄出，严重时可危及人身和财产安全。因此，对阀门填料的可靠性研究显得尤为重要，通过大量的模拟试验对填料进行选型，是判断填料适应性的一项重要的基础工作，而阀门填料试验机是进行这项工作不可缺少的设备。

2．依据标准

在JB/T7760～2008《阀门填料密封试验规范》中明确规定了填料试验的设备要求和试验方法。

3．填料试验设备的工作原理

JB/T7760—2008《阀门填料密封 试验规范》标准中给出了阀门填料试验机模拟图(图1)。

从图中可看出阀门填料试验机的基本构成。阀门填料试验机是由驱动装置(液压油缸)、填料箱、填料函、填料压盖、测力机构、加热及温度控制系统、介质压力给定及测量系统所组成。其工作原理为：将被测填料装入填料箱两端的填料函中，将填料压盖压紧至预紧力，给填料箱中输送介质并加压到给定值，然后给介质加温至给定温度，升温过程中应密切观察压力和填料压盖预紧力的变化，压力随温度的升高而升高，此时应通过节流阀调整压力至给定值，预紧力则随着温度的升高而降低，这是由于填料随着温度的升高而产生的松弛现象所致，此时应给填料压盖施加预紧力，否则填料箱中的介质会因汽化而喷出。当压力和温度达到给定参数时，驱动装置带动模拟阀杆做往复运动，动作行程由行程开关进行控制，循环次数由电磁计数器自动记录，摩擦力则是通过连接在驱动装置和模拟阀杆间的拉压力传感器测出拉压力值通过换算而获得。当运行到填料产生泄漏时(有过热水蒸气从填料函喷出)，记录下此时的循环数值即为填料的寿命次数。

4．原阀门填料试验机存在的问题

笔者曾于1982年～1983年参与原高温高压填料试验机的安装和调试并参与大量的填料试验研究工作，试验中发现该型试验机在当时测量仪器和控制元件匮乏的条件下有几处不尽完善的地方。

4.1 试验机结构型式

原试验机采用卧式结构(见JB/T7760—2008《阀门填料密封试验规范》标准中给出的阀门填料试验机模拟图)，而在压力管道上实际运行时却以立式为多(垂直与管道安装)，因此卧式结构由于阀杆和传感器受重力作用，阀杆和填料摩擦不均匀，填料函下部的填料易产生磨损，引起介质泄漏。

4.2 测量原理

原设备预紧力和摩擦力的测试是通过拉压力传感器进行测试和换算的。测试数据主要是将压力传感器输出的电压值经电阻应变仪放大后由函数记录仪绘出曲线读出，由于受介质温度传导影响，电阻应变仪极易产生零点漂移，使测试结果产生误差。

由于受当时传感技术落后的影响，原阀门填料试验机需要三个拉压力传感器，两个1吨的压力传感器放置在填料箱两端的填料压盖上，当拧紧压盖螺母时，压紧力通过压力传感器传至填料压盖上。摩擦力则是通过一个5吨的拉压力传感器两端分别连接驱动装置输出轴和模拟阀杆，当驱动装置做往复运动时，阀杆也同步运动。采集传感器输出的电压信号，经电阻应变仪放大后经函数记录仪记录下受力曲线，通过比对和换算得出预紧力和摩擦力。当时选用的是电阻应变传感器，该传感器感温灵敏，适用在摄氏温度不高于45度条件下工作，而当时采用填料箱外加热方式，即将电加热器安装在填料箱上，外敷保温材料。由于给介质加热的同时，热量也通过填料函和阀杆传至给传感器上，致使传感器产生零点漂移，不能稳定工作，为使传感器降温，采用在阀杆和填料压盖压紧螺栓上加循环水套，阻断热量向传感器传导，该冷却方法虽然能使传感器工作，但也减缓了介质温度的上升，试验最高温度仅达到摄氏250度左右，不能达到一般钢制阀门设计温度425度要求，也不能满足JB/T7760—2008标准4.3条推荐采用的介质最高温度(摄氏温度550度)。

4.3 配套设备

原试验机除主试验台外，还有其他的辅助设施，有液压站、电器控制台、仪器工作台、可控硅温控电源等。占地面积大，噪声高，能耗多，不宜维护保养。

5．新填料试验机的设计构想

由于上述原因，原填料试验机一直没有得到有效推广。笔者认为新的填料试验机应首先符合实际工况，采用立式结构(图2)。

5.1 驱动装置的构想

由于原填料试验机用液压油缸作为驱动装置，为使液压油缸动作，需建有液压站，运行维护成本高、寿命短、易产生液压油泄漏和液压元件故障。

近年随着气动元件的飞速发展，笔者设想，新填料试验机应采用气动元件作为驱动装置，将气动装置输出轴与模拟阀杆刚性连接，气动装置只要在0.3MPa～0.8MPa气源压力下即可动作，且气动装置寿命长，易控制和维护，符合节能和环保要求。气动装置可采用往复型或旋转型。

5.2 测量试验参数的构想

由于气源是压缩空气，气体经容器出口减压阀减压和过滤后输出的是恒定气压值，测量阀杆和填料间的摩擦力可以通过采集作用于气缸上的气源压力，由压力变送器进行转换，经数据处理后即可得到摩擦力值。这样可以避免使用感温灵敏的拉压力传感器。

式中：f——摩擦力，N；

F——气源压力，MPa；

S——气缸面积，cm²；

u——填料摩擦系数。

随着传感技术的发展，国内已研制出耐高温压力传感器(最高工作温度可达摄氏150度)。测量填料预紧力的传感器在有冷却条件下可考虑选择配置。

由于预紧力的大小直接影响到阀杆与填料问的摩擦力，预紧力大，填料密封性能好，和阀杆之间的摩擦力增大，阀门启闭力矩增加，填料使用寿命短。因此选择合适的预紧力，关系到阀门的启闭力矩和填料的使用寿命。现实情况很少有阀门制造企业用传感器去测量填料的预紧力的，多数选用气动扳手。由于在给定的气源压力下，气动扳手力矩恒定，预紧力恒定。因此可以采用用力矩扳手拧紧填料压盖螺母，通过填料压套给填料施加预紧力。随着试验介质温度的升高，填料可能产生松弛现象引起介质泄漏，这就要求在达到给定的介质压力和温度时，用力矩扳手去拧紧填料压盖螺母，直至填料密封为止，记录下达到密封时的力矩值。然后就可以进行填料寿命试验，试验次数可以用行程开关和电气控制来实现。

压紧力和扭矩的关系为：

式中：M——拧紧扭矩，N·m；

K——拧紧扭矩系数；

P₀——预紧力，N；

d——螺纹直径，mm。

合适的填料预紧力矩参数对阀门制造企业和用户尤为重要。

5．3 温度和控制

随着温控技术的发展，温度控制技术已不是技术难题，采用热电偶和温控器即可解决。关键是如何达到给定温度，由于介质有压力甚至是高压，采用内置式电加热已不现实。采用电热锅炉供给蒸汽，运行成本大、压力低。唯一可选择的安全易行的还是采用定制外敷式电加热器，将加热器安装在填料箱的表面，为了能达到给定的设计温度，应适当增加填料箱的表面积，并采取保温措施。也可采用火焰加热方式，及将填料箱放置于火焰上进行加热，根据给定温度对火焰大小进行控制。

6．数据处理

通过数据采集，用计算机将数据进行处理。可以得出阀杆和填料之间的摩擦力；填料的预紧力；泄漏率待终止试验系统冷却后采集；填料的磨耗量用天平称重获得。

式中：W_N——阀杆开启N次后填料磨耗量，g；

W₁——试验前填料质量，g；

W₂₁——试验后填料质量，g。

7．安全防护

由于填料箱有压力，填料损坏时会有大量的过热蒸汽和过热水从填料函喷出，因此安全防护措施必不可少，试验机周围应安装防护板，试验时应透过防护板上的观察玻璃窗口(玻璃应采用钢化玻璃)进行观察，也可通过摄像装置进行观察。试验人员应穿长袖工作服，配防护眼睛和隔热手套进行试验过程中的操作，以免造成烫伤事故发生。

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1．引言

随着减压阀在国内得到广泛应用，产品性能与寿命试验日益受到关注，在新型减压阀国产化配套设备研制过程中，应用计算机测控技术，设计国内首次自主研发的具有国际先进水平的减压阀动态性能与寿命试验的多功能高性能测试装置，为摸清实际产品性能、改进设计方案提供参考依据。

2．测试系统及其控制调节

减压阀动态性能测试系统如图1所示，以高压多级泵为压力源，被测阀前压力调节阀安装在回水旁路上。试验过程中，减压阀阀前、后压力都要调到额定值，阀前压力通过旁路调节阀调节，阀后压力调节应在阀后调节阀保持一定开度后再调节被测阀。

压力流量等常规性能试验是检验减压阀产品合格与否的重要依据，为考核膜片、弹簧等元件还需进行产品寿命试验，才能为进一步提高和改善产品的可靠性和安全性提供全面的依据，为实现这一目的首先要解决试验系统恒流量下的压力控制问题，即一方面阀的进口压力要调节到试验工况所需压力值；另一方面要在恒流量下使阀的出口压力也能够调节到试验工况所需压力，而为了保证试验过程的稳定性，必须保证连续的恒压供给；同时为满足不同产品的试验要求，试验系统还需实现对流量及阀前后压力的自动控制与调节，才能满足多工况运行与各类试验要求。由于用户需求测试产品包括PNl.6～4.O、DN25～300共数十个规格，测试系统采用图2所示的模块化设计。用电磁阀模拟实际系统调节频率进行寿命试验时，因电磁阀局部阻力大，影响其他试验项目的流量调节范围，故各模块又分两路，分别进行流量特性、压力特性、流阻特性、流量系数和寿命试验。为保证高压泵和系统安全运行，设置了集流量感知、止回、旁通控制、多级降压多功能于一体的LYHT型自动回流阀，省却了单独的孔板、流量计、电磁控制旁通控制阀，简化了旁通回流系统，维持高压泵最小回流，当系统出现故障或调整试验项目时，自动回流阀主阀关闭，旁通阀开启，泵以小流量回流避免频繁启动，更经济有效地保证系统安全运行。阀前后与阀前旁路均采用高精度自动调节阀，实现了阀前后压力和流量调节与稳定控制。

图2为流量自动调节原理示意图，高压泵输出流量为Q_v，由流量变送器TF测量并输出信号x_r传给调节器C；给定信号x_i是一个常数，由操作人员给定；调节器发出控制信号x_c通过阀门定位器P_z作用在调节阀上。如流量下降，调节器C将调节阀开大，直到恢复到原定流量，当流量增加时，调节器将调节阀关小。图3为泵与管网特性曲线，设高压泵转速恒定，工作点为管阻与泵特性曲线的交点(Q_vo,P₀)。当管路损失增加时，管路特性由曲线2变为曲线3，流量降为Q_v1。为使流量恢复Q_vo，需使调节阀开度增大，以减小管路损失，使管路特性曲线恢复至曲线2，流量Q_v1重新恢复到给定值Q_vo。反之当管路损失降低时，曲线偏移为4，自动调节系统将调节阀关小，使流量Q_v2恢复到Q_vo。

图4为阀前压力自动调节示意图，图6为泵与主旁管路及整个管网系统特性曲线，假设给定某稳定工况点(P₀、Q_vo)，此时被测阀阀前和旁路调节阀阀前压力P₁近似等于泵出口压力P₀高压泵总流量为主管流量Q_vc和旁路流量Q_vb之和。试验过程中被测阀阀前后压力也都需要调节为试验规定值。被测阀阀前压力首先通过阀前旁路调节阀进行调节，然后通过被测阀及其阀后调节阀后压力，如被测阀前压力产生波动，再重复上述过程，直至使被测阀前后压力逐步趋于试验所规定的额定值。

如图5所示，假设为了增大被测阀前后压差，操作人员需要关小其开度，而此时主管阻力曲线将从2变为2′，而整个管网系统的阻力曲线随之由3改变到3′，这时高压泵出口压力由P₀增加到P₀₁，阀前压力随之增大，则压力变送器测得的被测阀门前压力与给定值产生一个偏差，调节器C会控制旁管路调节阀开大，使旁路阻力变小，其阻力曲线由1变成1′，流量变为Q_vb1，直至整个管网阻力曲线由3′返回3，使高压泵出口压力又趋于P₀直至被测阀前后压差增加至试验所需要的规定值。反之为减小被测阀前后压差，其原理与上述类似，但调节过程正好相反。

3．测试项目与试验结果

根据用户要求所需进行的减压阀动态运行特性试验包括“流阻——流量特性”试验、“流量特性”试验、“压力特性”试验、“流量系数”试验及寿命(连续运行特性)试验等。

3.1“流阻——流量特性”试验

流阻特性试验：保持被测阀门进口压力不变，调节被测阀门的调节弹簧，得到不同的出口压力和流量，找出流量和压差的关系，并做出△P—Q曲线。

图6～图9中以Y43H—40 DNl00被测阀为例，分别保持某一阀前进口压力(P₁=4.0MPa、P₁=3.0MPa、P₁=2.5MPa、P₁=1.6MPa)不变时的“流阻——流量特性”曲线图。

3．2 “流量特性”试验

给定被测阀前最高允许工作压力，调节被测阀后为某一出口压力，测定该工况下的流量值，然后调节流量至该工况的20％，测定两种工况下的出口压力偏差值△P₁/P₂。根据GB/T12245减压阀试验方法的要求|△P₂/P₂|平均值≤10％，考核流量变化时的阀后稳压能力，试验数据见表1。

3．3 “压力特性”试验

给定被测阀前最高工作压力，调节被测阀为某一出口压力，测得该工况下流量值，保持流量不变，使进口压力在80％～105％最高工作压力范围内变化，测定此时出口压力偏差值△P₂/P₂根据GB/T12245要求|△P₂/P₂|平均值≤5％，考核进口压力变化时的阀后稳压能力，试验数据见表2。

3．4 “流量系数”测量

流量系数：是衡量流通能力的指标，流量系数值随被测阀的尺寸、形式、结构而变化，目前先进工业国家已对减压阀流量系数有比较深入的研究，而国内尚比较缺乏对这此类产品深入的试验与研究，表3为Y43H—40型减压阀的流量系数试验数据。

3．5 “连续运行特性”试验

寿命(连续运行特性)试验以某一频率连续启闭，考核弹簧、膜片磨损与寿命，每次启闭为一试验循环，单位时间动作次数为频率。试验循环次数与动作频率应参照GB/T12245，表4中试验次数按规定为5000次。

4．试验数据分析

为评定试验精度需要对试验数据进行误差分析，限于篇幅本文仅以流阻试验为例进行试验误差分析。设试验过程中需要测试的一个工况点为：阀前压力P₁=4.OMPa，阀前后压差△P=2.0MPa，表5所示为间隔一分钟读数所得到的十组试验数据。

4.1 随机误差

首先计算10个流量值的平均值：(3)

将表5中的数据代入式(3)得：

计算其偏差值的平方和：(4)

将表5中的数据代入式(4)得：

计算测量值的均方根误差和极限误差：(5)

(6)

将数据分别代入式(5)、(6)得到：

同时检查V_i的值，如其中有大于△_lim者，应将该测量值剔除，再重复上述步骤。

计算算术平均值的均方根误差及其极限误差：(7)

(8)

将数据分别代入式(7)、(8)得到：

计算算术平均值的相对极限误差：(9)

将数据代入式(9)得到：

4．2 系统误差

(1)根据系统配置的流量测试仪表精度等级得到：δ_y=±0.5%

(2)温度变化引起的测量误差：

试验过程中由于水的密度随水温有所变化，将带来流量测量误差。设最大温升为5℃(如温度由28℃升高到33℃)，查水的物性表知：在一个大气压下，密度由996.23Kg/m₃。变为994.70Kg/m₃，变化率为±0.1％，也就是说由于温度升高给流量带来的测量误差为δ_t=±0.1%。

(3)水泵的非稳定运行引起的测量误差：

试验过程中由于电网波动，水泵的扬程和流量产生波动所带来流量测量误差：δ_p=±0.1%。(计算过程略)

4．3 测试误差

由上述随机误差和系统误差，得到总测量误差为：δ=±(1.5+0.5+0.1+0.1)%=±2.2%。

同理可计算得出阀前压力、阀前后压差的测量误差分别为±2.1％和±2.3％。

5．结论

厂所合作研制减压阀动态性能与寿命试验装置经专家技术鉴定和使用效果证明，系统测试范围宽、功能全、运行稳定，测试项目及精度等均达到GB/12246—2006的要求，填补了国内目前提出测试要求而无实测条件的空白。

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