基于包络线法的调节阀阀芯型面改进设计方法.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 0期 流体机械 5 3 文章编 号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 1 0 0 0 5 3～ 0 4 基于包络线法的调节阀阀芯型面改进设计方法 成鹏 。 李清廉 ， 李春 1 ． 国防科学技术大学 高超声速冲压发动机技术重点实验室， 湖南长沙 4 1 0 0 7 3 ； 2 ． 国防科学技术大学， 湖南长沙 4 1 0 0 7 3 摘要 针对一般阀座型面的调节阀， 提出了一种基于包络线的阀芯型面改进设计方法。采用该设计方法对具有圆弧 和抛物型阀座型面的2个阀芯型面进行了设计 ， 并利用数值方法对设计结果进行了检验。结果表明， 该设计 方法切实可 行 ， 精度高， 对阀芯设计有一定的参考价值。 关键词 型面设计； 包络线法； 阀芯 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 1 2 hnpr o v e d M e t ho d f o r De s i g n i ng t he Co n t o ur o f Co n t r o l Va l ve Pl ug Ba s e d o n t he Env e l o p M e t ho d C H E N G P e n g 一， L I Q i n g l i a n 一， L I C h u n ， 1 ． S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n S c r a m j e t L a b o r a t o r y ， N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o gy， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 ， C h i n a ； 2 ． N a t i o n al U n i v e r s i t y o f D e f e n s eT e c h n o l o gy， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o d e s i g n t h e c o n t o u r o f c o n t r o l v a l v e p l u g wi t h a g e n e r al v alv e s e a t ，a n i mp r o v e d me t h o d b a s e d o n t h e e n - v e l o p me t h o d i s b r o u g h t f o r w a r d ．T h i s me t h o d i s e mp l o y e d t o d e s i g n t wo c o n t o u r s o f c o n t r o l v a l v e p l u g ．o n e w i t h a r c c o n t o u r o f v alv e s e a t a n d a n o t h e r w i t h p a r a b o l i c c o n t o u r o f v a l v e s e a t ．T h e c o n t o u r s d e s i g n e d are c h e c k e d b y n u me r i c a l me t h o d ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s me t h o d i s f e a s i b l e a n d a c c u r a t e a n d i t c o u l d p r o v i d e c e r t a i n r e f e r e n c e s i g n i fi c a n c e f o r d e s i gn i n g the c o n t o u r o f v alv e p l u g ． Ke y wo r d s c o n t o u r d e s i g n i n g ； e n v e l o p e me t h o d； v alv e p l u g 1 前言 调节阀作 为液压气 动控制 系统 中的终端 元 件 ， 在调节系统 中必不 可少 j 。阀芯作为调节 阀 的关键部件 ， 其型面直接决定 了调节 阀的流量调 节特性 ， 型面的合理设计对于提高调节 阀的性能 以及生产效率意义重大。 目前阀芯的设计还没有一个高效 、 通用的设 计方法， 主要还是以作图、 流量试验和修形结合的 设计方法 。然而这样 的设计 方法过程复杂 、 效 率低、 研发周期长、 开发费用高， 严重降低了企业 的效率 。 李战明等采用 B P神经网络的方法， 对调节 收稿 日期 2 0 1 3 0 2～ 0 1 基金项目 国防科学技术大学优秀研究生创新资助项目 S 1 2 0 1 0 2 阀阀芯型面进行二次拟合， 最后得到了满足线性 流量特性 的调节阀曲线 j 。 杨明等提出一种阀芯的设计方法 ， 其采用 了 曲线包络线对阀芯型面建立起数学模型 硼 。其 模型是 针对 具有 尖 角 的阀 座而 建 丑的， 如 图 1 所示。文中所述等值面积曲线旗是内 会点处 得 出的， 因此对于每个开度 ， 节流面积都是阀 尖 点与阀芯上某点 的连线。而对于一般情况 ， 当阀 芯移动时 ， 其节流面积对应 的位置相对阀座来说 不是确定的， 如图 2中 A 与 A 为不同阀芯位置 对应的节流面积位置。因此文献中的方法只能满 足具有特定阀座的调节阀门设计， 对于一般阀座 来说却不适用。 2 0 1 3年第 4 l 卷第 1 0期 流体机械 5 5 由此可以采用求解曲线族相邻曲线公切线的方法 得出近似的包络线。图5给出了采用公切线求解 包络线的示意。 翟 菘 | 一 ． 线2 ． ’ ． ．。 ’ 。．D 3 阀芯型面设计实例与数值验证 现采用本文方法针对两具具有不同阀座的阀 芯型面进行设计 。实例 1阀座型面为圆弧 ， 实例 2阀座型面为抛物线型。阀座型面方程如下 f 0 ． 0 1 l ≤O ． 0 2 5 Y l [ 0 ． 0 3 一 10 ． o 4 ] 【 0 ． 0 l ≤ 2 ≤0 ． 0 2 5 Y 2 0 ． 1 20 ． 0 1 3 其中， 下标 1 对应实例 1 ， 下标 2对应实例2 。 在数值计算中将曲线其离散成离散点。两实例中 节流面积 s与阀芯位移P为线性关系 S 2 ． 5 1 3 3 x 1 0 _ 4一1 ． 8 8 5 01 0 - 2 p 0≤ P≤ 0 ． O 1 4 式 中S 节流面积， m P 一 阀芯位移， m 根据上文计算方法求解阀芯型面曲线。求解 结果如图6 、 7 所示。图中y 轴即为调节阀的对称 轴， 计算出来的阀芯型面曲线为整个阀芯型面的 工作部分。 图6 实例 1 计算结果 0 ． 01 x m 图 7 实例 2计算结果 为 了检验设计结果 ， 对 不同阀座位移下 的最 小面积进行数值计算。采用搜索法找出阀芯与阀 座之间的最小面积作为节流面积。对计算出来的 位移与最小面积数据点进行线性拟合 ， 拟合效果 如图 8 、 9 。 岂 陋 牡 塞锥位置 m 图 8 圆弧阀座的数值验正结果 昌 【。 一 喧 牡 5 6 F L U I D MA CHI N ER Y Vo 1 ． 41 ，No． 1 0， 2 01 3 暑 喧 梧 塞锥位置 m b 一 椭 值 避 招 图9 圆弧阀座的数值验证结果 拟合后的直线方程为 ≤ p 叭 ． 』 s l 2 5 1 4 2 1 0 一 8 8 6 4 1 0 ～ P l 0≤P≤0 ． 0 1 L S2 2． 51 4 2 1 0～ 一 1 ． 8 8 7 0 1 0一 P 对比式 4 与 5 ， 计算得到节流面积 与设计 值误差， 圆弧型阀座为 0 ． 0 8 ％， 抛物型阀座为 0 ． 1 7 ％ 。 对节流面积进行 回归分析 ， 计算结果 以及误 差分析如图8 、 9 。从图中可以看出节流面积残差 很小， 节流面积线性程度非常高。 4 结语 应用范围。设计结果表明该方法具有很高的精度 和较强的适应性 ， 对于阀芯型 面的设计有一定的 借鉴意义。 参考文献 明赐东． 调节阀计算选型使用[ M] ． 成都 成都科技 大学出版社， 1 9 9 9 ． 王匡时． 阀门设计与计算[ M] ． 合肥 合肥通用机械 研究所 ， 1 9 7 4 ． 杨明． 调节阀阀芯形 面计算机辅助设计方法研究 [ D] ． 宁夏 宁夏大学， 2 0 0 9 ． 李战明， 王云峰， 袁 占亭． 基于流量特性的调节阀阀 芯曲线智能拟合[ J ] ． 中山大学学报自然科学版 本 ， 2 0 0 9 ， 4 8 1 2 2 - 2 5 ． 杨明， 安培文． 调节阀柱塞型阀芯形面数学模型推 导[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 9， 3 7 1 0 3 4 - 3 7 ． 孙斌 ， 许安俊． 高压止回阀断裂矢效分析 [ J ] ． 压力 容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 6 3 - 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