1.概述
通过对某大型热工试验台架的调节系统改造，对其系统内的调节阀进行优化改造。由于系统长期运行后填料受损，密封即将失效，且原调节阀芯为快开型，调节精度差，较小开度的流量很大，调节性能不好，无法精确调节，不能满足实验系统的运行要求，因此改造需要对密封填料和调节阀芯进行更换。
根据要求，对调节阀芯进行设计，将调节特性改为等百分比型，同时进行CFD流场模拟，对结构进行分析优化。调节阀芯加工成型后运往现场进行更换、安装和调试。调试过程中，阀门在开度35%～100%时调试无异常；开度约为30%时，出现阀杆与阀芯的振动现象，同时伴随着>85 dB(A)的啸叫声；开度低于30%后，振动和啸叫声减弱。调节压力平稳后，重复试验三次，阀门在30%左右开度时均出现振动和啸叫的现象。
2.结构特性
调节阀的振动和噪声根据其诱发因素的不同，分为机械振动、气蚀振动和流体动力学振动。本项目中的调节阀在实际使用过程中，诱发因素相互影响导致几种振动同时发生。
（1）调节阀在开度为30%左右时，出现剧烈的振动和啸叫声，开度低于30%后，振动和啸叫声减弱，却依然存在，可初步判断调节阀在小于30%开度时，由于阀内可通过的流道面积急剧减小，流体流速迅速增加，使得调节阀前后的压差在短时间内急剧变化，导致阀芯发生振动。而调节阀在开度30%左右时，振动和啸叫声突然增强，振动频率变大，从而判断调节阀与管路系统发生共振。
（2）调节阀的流体介质为中温高压液体，当调节阀开度变小，阀门前后压差增大时，流体急剧地缩流加速，部分液体发生汽化，阀腔内部出现汽蚀现象。该过程中形成的激波或高速微射流对调节阀阀芯造成冲击，产生不平衡力，导致阀瓣出现振动现象。
（3）调节阀阀芯为柱塞结构，而流体在调节阀内的节流过程，就是摩擦、阻力和扰动的过程，当流体通过阀芯部位时，由于阀芯的阻塞作用，会在不良绕流部位形成漩涡，漩涡会随着流体继续流动的尾流而脱落。这种漩涡脱落频率的形成及影响因素十分复杂，且随机性大，定量计算难度较大，但客观上存在一个主导脱落频率。当这一主导脱落频率在与调节阀及其附属装置的结构频率接近或一致时，会发生共振，调节阀发生振动，伴随着噪声。
3.解决方案
调节阀振动和噪声的解决方案，需结合阀门材质、节流组件结构和流体动力学以及其诱发因素综合考虑。由于该项目阀门在现场，无法返厂进行维护、修理，因此解决方案必须简单、方便，并且可以在现场实施操作。对调节阀进行声频振动分析，确定振动条件，分析振动原因，制定优化方案如下。
（1）阀门更换安装方向，由原来的高进低出改为低进高出。流体从阀芯下方进入阀体中腔，流体在阀芯下方对阀芯的作用力方向和大小均匀分布，避免阀芯因受力不均匀造成偏离振动。该阀门为法兰连接，更换安装方向比较容易实现。
（2）将阀芯导向槽下端部分去掉，增大阀芯背面环向流体作用力的受力面积，均匀阀芯背面的流体冲击力，平衡阀芯，避免阀芯由于受力不均衡而造成的偏离振动。
（3）修正调节阀调节型面，在偏差允许的范围内，改变阀芯在30%开度时的流通面积，增大阀门在小开度下的流通能力，同时改变调节型面在开度30%左右时阀门的固有频率。
（4）在阀体喉部（最小直径）位置，留出适当的空间以控制流体流量，其余部位向下磨切一定角度的斜面，避免阀芯背面不良绕行部位形成漩涡。同时扩大阀芯下方的流体受力面，以便阀芯下方所受作用力可以尽快消解，避免阀芯背面形成气垫，造成阀芯偏离振动。
（5）在阀杆与连接法兰之间增加一个支撑环，增大导向尺寸，减小配合间隙，避免阀杆头部因悬臂太长，造成阀芯的轻微振动被放大。因现场有合适的数控加工车床，支撑环加工方便，更改简单。
4. 方案验证
4.1 改进结果
对改进后调节阀进行理论流场分析和噪声分析，调节阀系统模型如图1所示，改进后的调节阀在30%开度的固有频率如表1所示。
4.2 结果分析
调节阀在开度为30%的数值模拟振幅曲线如图2所示，流激振动噪声主频分别是44Hz、192Hz、848Hz，1548Hz、1780Hz、1832Hz，对应的流激振动噪声主频下的振幅较小，约为0.25～0.9 mm，低频下的振幅大，高频下的振幅小。开度为30%的声压级分布云图及频率响应函数曲线分别如图3和图4所示。
(a)44Hz声压级分布云图 (b)192Hz声压级分布云图
(c)848Hz声压级分布云图 (d)1548Hz声压级分布云图
4.3 现场验证
安装更换改进后的阀芯，进行系统调试，对阀芯的调试效果进行验证。系统升压，待压力稳定后，调节阀开度从0～100%进行多级调试，共取0、5%、8%、10%、15%、20%、25%、28%、30%、35%、38%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%等18个调试开度对调节阀的调节性能及调节效果进行验证。从开到关，再从关到开重复调试验证3次，调试结果与理论计算结果接近，效果满足系统运行的要求，且调试过程中阀门运行平稳，无卡阻、噪声、震颤等情况出现。
结语
调节阀作为最主要的控制元件，调节工艺流体的压力、流量、温度等参数，使其达到生产或控制的期望值，在自动控制中起着十分重要的作用。但是，由于调节阀的节流增阻作用，工艺流体在经过阀门时，流体的速度场和能量场发生急速的变化，导致调节阀在运行过程中极易出现汽蚀、振动和噪声，影响控制系统的正常运行，严重时甚至会造成安全事故，因此在现场运行中必须尽量快速和安全地解决阀门的振动和噪声问题。本文调节阀的共振现象极具代表性，其解决方案可进行适当调整，运用在不同的振动现象处理中，实际操作性强，对现场处理调节阀的振动有很好的指导意义。
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