海水用节流阀的设计.pdf

2 0 0 1 年第 4 期 阀 门 文章 编 号 1 0 0 2 5 8 5 5 【 2 0 0 1 0 4 0 0 0 1 0 5 海水用节流阀的设计 刘美 霞 华 中科 技 大学 。湖 北武 汉4 3 0 0 7 4 摘要结合 海水 和直水介 质 的理化 特性 。论述 了海水 和淡水 用节流 阀研 制 中的关键 技 术 问题 。介 绍 j该 阀主要部件 的材质 、结构 形式 、动 力学特性 和 气蚀 特性 等 的分析及 计 算 。 关 键词木 压 传 动 ；节 流阀 ；设 计 ；气 蚀 中圉分 类号 “1 1 1 1 3 4 文献 标识 码 A Re s e a r c h O i l t hr o t t l e v a l v e f o r s e a wa t e r h y dr a ul i c s LI U M e i x l a Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ，C ] fi n a A b s t r a c t Ac c o r d i n g t o c h a r a c t e ri s t i c s o f wa t e r s q w fl t e r me d i u m， t h e k e y t e c h n o l o g y i e s o f t h e t h r o t t l e v a l v e f o r wa t e r h yd r a u l i c s a r e d i s c u s s e d． Ba s e d o n t h e s e 。 t h e hl g h p r e s s u r e t h r o t t l e v a l v e f o r wa t e r h y d r a u l i c s i s d e s i g n e d ． I n t h i s p a p e r ， t h e ma t e r i a 1 o f ma i n c o mp o n e nt s ， t he t ype of s t r uc t ur e。 t he dy na m i c b e ha v i o r a nd t he c a v i t a t i o n f or t hi s v alv e ar e a na l y z e d a nd c a l c u l a t e d i n d e t a i l 。 wh i c h a r e o f s o me s i g n i f i c a n c e f o r t h e d e s i g n o f o t h e r s ． Ke y wo r d s wa t e r h y d r a u l i c s ； t h r o Rl e v a l v e；d e s i g n； c a v i t a t i o n 1引言 以海 水和淡水为 工作介质 的液 压技术 ，因 其具 有抗燃 、对环境无 污染 、成本 较低 以及 功 率大 、运行平 稳 、响应速 度快等优 点，特别 适 用于钢铁抬炼 、矿山开采、食品加工、海洋开 发利用 以及军 事等 。并 符合环境保 护、安全 作 业和可 持 续 发 展 的 要 求，具 有 十 分 广 阔 的前 景，是 目前流体传动及控制领域国际学科前沿 的研 究方 向。 节流 阀是 流 体 传 动 及 控 制 系统 的重 要元 件 ．在系统 中可作为调 节流量 、给泵 加载 以及 调 节泵入 口的吸入 阻力 研 究泵在 不同 吸入 真 空度下的气蚀特性 。国内外对海、淡水节流 阎的研究 和产品开发 都投入 了大量 的精力 。为 减 少气蚀 的冲蚀 ． 日本 设计 了两级平 板 式节 流 作 者 恼介 刘 美曩 1 9 6 0一 ，女 ，工 程师 。 阎口的 形 式 _ 6 。芬 兰 采 用 了 两 级 锥 阀式 节 流 阎 口_ 5 】 。 华 中 科 技 大 学 先 后 研 制 出 压 力 7 ． 0 MP a 、流 量 l O O L ／ mi n的 海、 淡 水 溢 流 阀 和节 流 阀。及 压 力 1 4 MP a 、流 量 1 0 L ／ mi n的 海 、淡 水 溢流阀和节流 阀。这些 阀门应用于 海 水 泵的试验 中，效果 良好 。 目前 ，仍在 进行 高 压、大流 量不同类型 阎 口的流量一 压力和气蚀 特性等 方面 海、淡水液 压阗 的研究工作 。 2材料 的选用 由于海水和淡水均有腐蚀性，制造油压阀 的材 料对水 介质完全不 适应 。如油 压溢流阎用 于 淡水 。工 作 3 ～4天 后 就 会发 生严 重 的锈蚀 并 完全失效 。 因此使用 合适 的材料是 研制高性 能水 压元 件 的先决 条 件 。选 材 的基 本原 则 是 ① 耐腐蚀 ，包括化学及 电化 学腐蚀 。②具有 自 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第 4 期 润滑性 能 ，在高 速重 载工况下 摩擦 磨 损性 能 良 好 ，即磨损率低 ，摩 擦系数小 ，并具 有 良好 的 耐粘 着磨损 、磨粒磨 损 、腐蚀 磨损及 疲劳磨 损 性 能。③ 良好 的机械 性能及腐 蚀疲劳 特性 。④ 良好 的抗 冲蚀磨 损和 气蚀性能 。⑤热 稳定性 良 好 ，热膨胀 系数小 ，吸水率低 ，无毒 。⑥成 型 和 加工工 艺性 好 ，容 易购买且 成本适 宜等 。 节流 阀 的 阀体 一 般 采 用 奥 氏 体 不 锈 钢 1 C r 1 8 Ni 9 Ti 或 锻铝 L D5 ，表 面进 行 阳极 氧 化处理 根据需 要采用软或 硬质 阳极氧化 处 理 ，能 有效 地 防止 海水 或 淡 水 的腐 蚀。 阀瓣 与 阀座可 采用耐 蚀合金 、增强 塑料或 工程 陶瓷 如 Ab O3 、Z r O2 、S i 3 N4 等材 料 。 在金属 表面进 行特殊处 理的方 法有喷涂 陶 瓷或表 面镀镍磷 台金 等 。 由于涂层 与金属基 体 间结合力 有限 ，经试验证 明易受到 冲蚀作 用的 破坏 ，其应用受 到很大 限制 。工 程 陶瓷具 有很 高的硬 度 ，很强 的耐腐蚀 、气蚀 和冲蚀磨 损性 能 ，可 用于 阀瓣 或 阀座 材料。耐 蚀合金 的耐气 蚀和耐 冲蚀磨 损 的能力 较差，通 常用于制 造阀 座 ，可 使工艺性 较差 的阀座得到 较高 的加 工精 度 ，并 降低成本 。增强 塑料 良好 的耐腐 蚀和耐 磨性 以及可 吸收冲击 的能力 ，使 其应用前 景十 分 广 阏 。 3结 构型 式 节流 阀的结构 图 1 主 要根 据 工作 压力 和调 节特性确 定 ，并 由此选择节 流 口的形 式和 计算 节 流 开 口面 积。 如 工 作 压 力 为 1 4 MP a ， 流量 4 0 L ／ mi n的 海、淡 水 节 流 阀， 选 择 了轴 向三 角槽 式节 流 口。该 阀阀瓣与 阀座为 锥面接 触 。与线 接触 相 比，锥 面接触应 力和抗 冲击能 力较 好 。阀瓣 与 阀座的接触部 位经互研 处理保 证 密 封 。 阀瓣 是具 有平 底的锥形 阀阀 口，在 阀瓣端 部开有 2个斜 向三 角槽 。因此 ，轴 向移动 阀瓣 可 以 改变 三 角 槽 式节 流开 口的 大 小 以调 节流 量。轴 向三角槽式 节流 口的水 力半径较 大 ，小 流量 时稳 定性 较好 。当三 角槽 对称 布置 时 ，液 压径 向力 得 到 了平 衡 ，因 此 ，适 用 于 较 高 压 力 。 1 ． 手 柄2 ． 锄 嚣螺 母3．紧定 螺 母4． 闱 瓣 5、6 ． O 形 固7．阎套8 阀件 圈 I 海 、泼 水 节 流 阀结 构 4动力学特 性 4． 1阀瓣液 动力 液体 在阀 内流 动 时， 因 阀瓣 开 启或 关 闭 ， 其流动方 向和流速 大小 都将发 生变化而 产 生液 动力 稳 态力 ， 图 2 。 由流 体 的动 量 方 程 可 求 出作 用在 阀瓣 上的液 动力 。 圈 2阀瓣 受 力 F s Pl A1 一p 2 A2 一艘 Vz ms OV1 A 2 ≈ dmz s n V2 C Q c m sin 口 ／ F。 f A P l d A 1 s in F0 1 2 3 4 5 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 4 期 阀 门 式中F s 阀瓣所受液体作用力，N P l 、P z 节流阔人、出口压力，MV a A1 节流 阀入 口截面积 ，mmz A2 节流 阀出流断面截 面积 ，一 Vl 、V2 进 出控制 体 过 流 断 面 上 的 平均速 度．m／ s 日 半锥 角或液流 角． 。 p 水或海水 密度 ，k g ／ m Q 出流 断面流 量 ，m] ／ ml n F o 阀座 重 叠 锥 面 对控 制 体 液 体 的 轴 向作用力 ，N d 圆锥 阀 口平均 直径 ，F i l m } 蔼瓣 抬起高 度 ，mm C 流速 系数 △p 节流 口两端 压差 ，MP a Ap Pl Pz c 流量系数 A0 重叠面面积 锥 台侧面 ，mm 2 P f A0面上不 同点的压力 ，MP a 一 般 情 况 下 ． V2 V1 ， 故 略 去V1 。 为 研究方便 ，将 圆锥 环形 问 隙展开 ，成为 扇形 平 行 平板 间隙 ，并把 扇形 平板 间隙流 动看 作为 平 行 圆形平板 间隙流动的～部分 。则式 5 为 詈 筒In ㈣ l l 式 中 R0 、 r 。 分 别 为 圆 锥 环 形 间 隙 部分 上 、下半径 ，mr l l 将式 2 、 3 、 4 、 5 和 6 代入 式 1 ，则阀瓣所受液体作用力为 FsPI “l2 一 P2 s i n口 c c n 2 日 号 鬻 p 7 I n t r 0 J 4． 2 流动 系数 的确 定 由式 7 知，需 要确定 流量 系 数 C及 流 速系数 C 。 4． 2 ． 1流量系 数 海、淡水作为输送介质，其流动状况基 本上是 紊流 大 R e数 ， 且 节 流 口过 流 收 缩 是不完 善 收 缩， 流 量 系 数 不 仅 与 R e数 有 关， 还与锥 角 、锥 台重叠 面宽度 凡 尔线宽度 等 有关 。 目前广泛采 用 的 圆锥 阀 口流量 系数计算 公 式 为 c i n 1 翦 ， 8 式 中 开 口宽度 ，mm Re 雷诺数 V Pm一 ， 系数 ，一般 取 ，0 ． 1 8 v 阎 口平均流 速 ，m／ s 是 水 或海水 的运动粘 度 ，mm2 ／ s 4 ． 2 ． 2流速系数 流速 系数 C 为 c ‘ 式中∑ f 阀 口总 阻 力 系 数，且 以局部 阻 力系数 为主 f 2 ． 6 0 ．8 f 1 0 ． 1 4 f 虫1 1 0 4． 3 实例计算 已知 半锥 角 03 0 。 ，d1 3 2 mm，d2 3 3 ． 1 5 ram， 开启 高度 6 ram， r 0 1 1 ． 7 mm， R o 1 6 mm。 入口 压 力P 1 7 ． 0 MP a ，流量 Q4 0 I ／ mi n ，水 的运动 粘度 O． 5 5 mm2 ／ s ，水 的 密 度 p1 0 0 0 k g ／ m ，则 f2 ． 3 8 ， C 0． 5 4 ， V 2 ． 1 7 r n ／ s ， Re 1 1 8 4 6 ， C 0． 6 4 ， △p 0． 5 5 M P a ． V2 5 ． 6 6 Ⅱ 1 ／ s ， V1 0 ． 8 3 m／ s ， V s 7 6 8 3 ． 5 N。 5 主要 部件校核 5 ． 1阀杆 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第4期 5 ． 1 ． 1 拉伸 压缩 变形 阀杆 在 轴 向 力 Fs作 用 下 ， 其 拉 伸 压 缩 变形 的校核选 取 阀杆 的最小工 作断面 即最 危 险断面 进行 。一 般条件为 ≤ [ ] 1 1 nm 式 中A一 阀杆 的最小工 作断面 ，mm 2 [ ] 阀杆 材 料 的拉 伸 压 缩 许 用应 力。MP a 实 例 计 算， AⅢ i 。 2 0 1 ． 0 6 1 0一 m ， 1 C r 1 8 Ni g T i的【 ] 1 5 5 MP a ， 则 式 1 1 左 边为 7 6 ． 4 3 MP a ，满足变 形要求 。 5 ． 1 ． 2轴 向稳定性 为了简化阀杆轴 向稳定性校核的过程，假 定 ①取传 动螺 纹 的 内径 d 作 为 该 断 面的计 算 直径 。② 阀 杆 工 作 部分 的两 端 可 视 为 铰 支 结 构 。③ 扭矩对 阀杆 轴向稳定性 临界载荷 的影 响 比轴 向载 荷 的影 响要 小得 多 ，忽 略 不 计 。 于 是 ，建 立轴 向稳定性校核 的基本 条件 Qc ≥ 2． 5 ～4 F s 1 2 式 中。 c 轴向稳定性 临界 载荷 。 阀杆 的柔度 为 1 3 式 中上 ， 阀杆 的计算 长度 ，mm 阀杆 断面的惯性 半径 ，mm ． d 长度 系数 当 L1 3 5 mm，i 3． 5 ram， 两端 铰 支 1时 ，则 3 8 ． 5 7 。 临界 载荷 Qc为 Q c 警 式 中E材 料弹性模 量，MP a 将 E2 ． 1 1 0 MP a 及各参数代入计算， 式 1 2 成立 。 也有文 献 【 ∞指 出，著 ≤ 4 0时 ， 可 以 不 必进行稳 定性校核 。 5 ． 2螺母 5 ． 2． 1 许 用 比压 传动 螺纹副 的失 效 主要 由于 螺纹磨 损。按 下 式 校 核 ≤[ P] 1 5 J厶 式 中 1圈螺 纹的挤 压面积 ，mm2 ， 詈 d 一 d d 传动螺 纹 的外 径 。mm z 螺纹旋 台 圈数 ，取 1 4 [ P] 螺纹 材料 的许 用 比压 ，MP a 5 ． 2 ． 2剪切强度 ≤ 1 6 式中 1圈螺纹 的剪切 面积 ，mm2 [ r ]螺 纹 材 料 的 许 用 剪 切 应 力 ， M Pa 5 ． 2 ． 3弯 曲强度 ≤[ w] 1 7 式 中x 弯 曲力臂，mm w 1圈螺纹的抗 弯断面 模量 ，m [ ] 螺 纹 材 料 的许 用 弯 曲 应 力 ， M Pa 查表可知， [ P] 2 5 MP a ， 1 3 4 培Ⅲ ， [ r ]4 0 MP a ,x1 ． 2 5 mm，w 5 8 mm3 ，[ 钾 ] 2 5 MP a ，代入式 1 5 、 1 6 和 1 7 均成立。 6气蚀特性 在 液体流动过程 中， 由于 局部地 区压 力急 剧 降低 而在液体 中产 生 气泡 导致气 穴 。当液体 流 至高 压区时 ，气泡 中所含 空气 水 中溶解 气 体不超 过 2％和 蒸汽 将 突然 重新 混入 ，溶 入 液体或 凝结为液 态，致使 气泡急剧 破灭 。在这 一 瞬间将产生强烈的冲击，引起强烈的振动和 噪声。并伴随有流体的氧化变质。当上述现象 作用于 固体 壁面 时，在反复 冲击和 氧化作 用下 固体壁面将受到破坏以致剥落。即产生气蚀。 气蚀分为 气体气 蚀和蒸 汽 气蚀 。海 、淡 水 液 压阎 中气体气蚀 的影响很 小 。起 主导作 用的 是 蒸 汽 气 蚀 。 水 通 常 以 饱 和 蒸 汽 压 0． 0 1 2 MP a 做 为判断 气穴产生 的标准 。 对于节流阀的气蚀 ，可用气蚀 指数 描述。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 4 期 阀 门 8越大．气蚀产生的可能性及危害也越大 。 8 且 1 8 P1一 P P1一 P 式 中 水的蒸汽 压 ，MP a 将各参 数代 入后 得， 0． 0 4 。 一 般来 说，气蚀 现象 出现在 主流 体和相对 停 滞的流体 周围之 间的高 紊流交 界 面上。在 节 流 阀的设计 上避 免 由于锋 利 的突 出物 而引起 出 现 局部高速 流区．从 元件 的 角度 来看 ，可采用 设 计平滑 的流道 。 7 三 角槽式节 流 口 阀瓣端 面轴 向三角 阻 尼槽 如 图 3 。其 三 角 过 流断面 的水力直径 以 和 △ P 为 图 3阀瓣 三 角 槽 d e - 1 9 A t g 等s i ． 2 0 2 0 A P e 2 1 式中 A 三 角过流断 面面积 。mm2 。 三角过流 断面边长 ，mm 口 三角槽 结构参数 ． 6 0 水 或海水 的动力 粘度 卜一 三 角槽 有效阻尼长 度，mm v 流体流 动的平均速度 ，m／ s VQ／ A 根 据设计 情况 ， 9 ． 5 ram． n3 ． 1 ram。 综合 式 1 9 ～ 2 1 ，有 2 2 将参 数代 入 式 2 2 ，得 △P 3 ． 51 0 P a 。 选取三 角 过 流 断面 流 道坐 标 系∞ 图 4 。 原点在三角形平面形心处 。则流速分布 ”为 一 万a z 一 一 隽 j 将参 数代入 式 2 3 ， 0 ． 6 2 z一0 ． 8 9 一 √3 1 ． 7 8 2 3 得 ￡, ／ 3 y一1． 7 8 m ／s o 图 4三 角 过 流 断面 流道 8结语 材料 、设 计和加 工制造 将是海 、淡水液 压 传动装 置赖 以发展 的三 大关 键 基础 技 术 。海 、 淡水 节流 阀的众多关 键技 术问题使其 研制有很 大难度 。 因此 ．必须 综合运 用流体力 学 、摩擦 学 、材 料学 、精 密加工 和测 量技术等多 门学科 的最新 研究成果 。并在 广泛试 验的基础上 不 断 完善发展 。从 合理 选 用 材 料 ．合 理设 计 结构 。 采 用正 确设计理 论及 方 法 ．运 用先进 的加工手 段和制造工艺等入手，有效克服海、淡水节流 阀的腐 蚀 、气蚀和水击 等 问题 ．才 能研 制 出各 种 高性 能 的阀门 。 参考文献 [ 1 ] 金朝龆液 压瘟体力学[ M] ．北京国防工业 出版 社， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 盛敬超 ．液 压流体力学[ M] 北京机械 工业 出版 社， 1 9 8 0 ． [ 3 ] 王孝天 ．不 锈钢 阿门的设计与制造[ M] 北京原 子能出版社。1 9 8 “ ／ ． [ 4]E r l k Tr c n a n n． Wa t e r l 】l i c C o mr o l Te c h n o l o g y [ c ]Mm d D e k k e r l n e，Ne w Yo r k ，US A, 1 9 9 6 [ 5 ] I n g J o a c h i m MJ u e r H h P r e 蛸u r e Va l v F o r Wa t e r Hy d r a u l ／ S y s t e m [ C]P r o c e e d i n g s。 f 4 t h S c a n d I r I c ． ． Co a1 ．On Fl u i d Po we ． Fi n l a nd ， 1 99 5． [ 6 ] 丸保节夫．承压 工亍厶开 发 方向性 0 、 一中 压钡域一[ c ] ． 日本 油压气动学公讲演 论文 集第 2 9 卷． 1 9 9 8 收稿 日期 2 0 0I ． 0 3 0 3 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载