中高压水压节流阀的设计与计算_王东

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) 。国内外对淡水节流阀的研究和产品开发都投 入了大量的精力。为减少气蚀和冲蚀, 日本设计了 两级平板式节流阀口的形式[ 1] , 芬兰采用了两级锥 阀式节流阀口[ 2] 。华中科技大学液压气动技术研究 中心近 10 年来一直在从事海、淡水液压传动技术及 基础理论的研究工作, 在海、淡水节流阀研究方面取 得了初步成果。
3 结构型式
节流阀的结构型式( 见图 1) 主要根据工作压力 和调节特性的要求确定, 由此可选择节流口的形式、 计算节流开口面积。我们所研制的水压节流阀的工 作压力为 14M Pa、流量 40L / min, 由于工作压 力较 高, 为此, 选择轴向三角槽式节流口。
A 1 - 节流阀入口截面积; A 2- 节流阀出流断面截面积; v1 、v2 - 进出控制体过流断面上的平均速度; - 半锥角或液流角; - 水密度; Q- 出流断面流量; F0- 阀座重 叠锥面对控制体液体 的轴向作用 力。
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Z- 螺纹旋合圈数, 取 14。 [ P] - 螺纹材料的许用比压, 25 MP a。 5. 2. 2 剪切强度的校核
Fs f sZ
[]
( 16)
式中 f s - 一 圈螺纹 的剪 切面 积, 查表 f s = 1. 348
cm2 ;
[ ] - 螺纹材料的许用剪切应力, 40 M P a。
阀芯端面轴向三角阻尼槽示意图见图 3。
参数代入, 得 p e= 3. 5 103 Pa。 6. 3 三角过流断面流道内的流速分布
选取三角过流断面流道坐标系如图 4。原点在 三角形平面形心处。
图 4 三角过流断面流道来自流速分布 u 为u=
3 pe z - a
6 al
23
z + 3y - a z - 3y - a
3
3
( 22)
参数代入, 得
U = 6. 2( z - 0. 89) ( z + 3y - 1. 78) ( z - 3y - 1. 78) , m/ s。
7 结束语
图 3 阀芯三角槽
6. 1 三角过流断面的水力直径 de
de =
4A x 3a
( 18)
式中 A x - 三角过流断面面积,
A x = x 2 t g 2 sin2
随着材料学科的发展, 会出现性能更加优异的 耐磨耐蚀的材料, 为水压传动的发展奠定坚实的基 础。
收稿日期: 2009-03-12 作者简介: 王 东( 1963~ ) , 男, 博士, 教授. E-m ail: east _wang@ s oh u. com
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武汉工程职业技术学院学报
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1- 阀体 2- 阀套 3、4- O 型圈 5- 阀芯 6- 紧定螺 母 7- 锁紧 螺母 8- 手柄 9- 螺栓 10- 垫圈 图 1 水压节流阀结构
阀芯与阀座为锥面接触, 与线接触相比, 接触应 力、抗冲击能力将大为改善。阀芯与阀座的接触部 位经互研处理保证密封性。
阀芯是具有平底的锥型阀阀口, 在阀芯端部开 有两个斜的三角槽。因此, 轴向移动阀芯可以改变 三角槽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。
1Cr18Ni9T i 而言, [ ] = 155 Mpa。
实例计算:
A min = 201. 06 10- 6 m2 ;
式( 11) 左边为 76. 43 M pa, 满足变形要求。
5. 1. 2 阀杆的轴向稳定性校核
为了简化阀杆的轴向稳定性校核的过程, 兹作
如下假定:
( 1) 取传动螺纹的内径 dn 作为该断面的计算
入计算, 式( 12) 成立。
也有文献[ 3] 指出, 若 40 时, 可以不必进行稳
定性校核。
5. 2 螺母 5. 2. 1 许用比压的校核
传动螺纹副的失效主要由于螺纹磨损。按下式 校核
Fs fZ
[P]
( 15)
式中 f - 一圈螺纹的挤压面积,
f=
4
d2 -
d
2 n
d- 传动螺纹的外径。
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武汉工程职业技术学院学报
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, 可忽略不计。
于是, 可以建立下列轴向稳定性校核的基本条件
Q c ( 2. 5 ~ 4) Fs
( 12)
式中 Qc- 轴向稳定性临界载荷。
5. 1. 2. 1 阀杆的柔度
=
kL i
水压节 流阀 的 阀 体 一般 采 用 奥 氏 体 不锈 钢 ( 1Cr18Ni9T i) 或锻铝( L D5) 表面进行阳极氧化处理 ( 根据实际需要采用软质或硬质阳极氧化处理) 就能 有效地防止水的腐蚀。阀芯与阀座可 采用耐蚀合 金、增强塑料和工程陶瓷( 已研制出了 A l2 O3 、Zr O2 、 Si3N 4) 等材料。在金属表面进行特殊处理的方法, 如, 喷涂陶瓷、表面镀镍磷合金等, 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。由于工程陶瓷具有很 高的硬度、很强的耐腐蚀、气蚀和冲蚀磨损性能, 可 用于阀芯或阀座材料。耐蚀合金因其耐气蚀和冲蚀 磨损的能力较差, 但由于气蚀对阀座的破坏力小于 阀芯, 通常只用于阀座, 可使工艺性较差的阀座易得 到较高的加工精度, 并降低成本。增强塑料良好的 耐腐蚀、耐磨性以及可吸收冲击的能力, 使其应用前 景十分广阔。
4 动力学特性
4. 1 阀芯液动力 所谓阀芯液动力, 是指液体在阀内流动时阀芯
所受液体的作用力。因阀芯开启或关闭时, 液体流 动方向和流速大小都将发生变化而引起。如图 2 所 示。由流体的动量方程可求出作用在阀芯上的液动 力, 见式( 1) 。
Fs = p 1 A 1 - p 2 A 2 - Q ( v 2 cos - v 1 ) + F0 ( 1) 式中 Fs- 阀芯所受液体作用力;
1000kg / m3 。
计算后有:
= 2. 38, Cv = 0. 54, vm = 2. 17m/ s, R em = 11846, C= 0. 64, p = 0. 55 M Pa,
v2 = 5. 66 m/ s, v 1 = 0. 83 m/ s, Fs = 15367N 。
5 阀主要部件的校核
p1
( 7)
王 东 刘文健 陆全龙: 中高压水压节流阀的设计与计算
7
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
Cv 。
4. 2. 1 流量系数
水作为工作介质传动, 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 Re 数有关, 还与锥角、锥台重叠面宽
p 1 、p 2 - 节流阀入、出口压力;
图 2 阀芯受力
A 2 d mx s in
( 2)
其中: 式中 x - 阀芯抬起高度,
dm - 圆锥阀口平均直径, d m= ( d1 + d2 ) / 2 ;
v2 = Cv 2 p
( 3)
式中 Cv - 流速系数; p - 节流口两端压差,
则
p= p1- p2
( 19)
a- 三角过流断面边长;
- 三角槽结构参数, = 60 。 6. 2 三角过流断面的压降 Pe
pe =
80 vl
3
d
2 e
( 20)
式中 - 水的动力粘度;
l- 三角槽有效阻尼长度; v- 流体流动的平均速度; v= Q/ A x 。
5. 1 阀杆 5. 1. 1 拉伸( 压缩 ) 变形的校核
阀杆在轴向力 Fs 作用下, 其拉伸( 压缩 ) 变形 的校核应对阀杆的最小工作断 面即最危险断 面进
行。一般条件为
Fs A min [ ]
( 11)
式中 A min - 阀杆的最小工作断面;
[ ] - 阀杆材料的拉伸( 压缩 ) 许用应力。对
( 13)
式中 L- 阀杆的计算长度; L= 135mm;
i - 阀杆断面的惯性半径;
i = dn/ 4= 3. 5mm;
k- 长度系数, 两端铰支时 k= 1。
则 = 38. 57
5. 1. 2. 2 临界载荷 Qc
Qc =
49 1 + 0. 0002 2
d 4
2 n
E
( 14)
式中 E - 材料弹性模量, 2. 1 106kg/ cm2 。参数代
Q = C x d msin 2 p
( 4)
式中 C- 流量系数。 多数情况下, v2 v1 , 可略去 v1 不计。而
F0 =
p idA sin
( 5)
A0
式中 A 0- 重叠面面积, 为锥台侧面;
p i - A 0 面上不同点上的压力。
为研究方便, 将圆锥环形间隙展开成为扇形平
行平板间隙, 并把扇形平板间隙流动看作为平行圆
度( 凡尔线宽度) 等有关。目前广泛采用的、由理论
分析得到的圆锥阀口流量系数计算公式, 见式( 8) 。
1
24 s in
ln
d2 d1
Re m
1 2h d m
+
2
C=
f
dm d1
2
+
dm 2 54 d 2 35
( 8)
式中 h- 开口宽度, h= x sin ;
Rem - 雷诺数, Rem = V mh ;