海水用節(jié)流閥的設計

1、作者簡介:劉美霞(1960-,女,工程師。海水用節(jié)流閥的設計劉美霞(華中科技大學,湖北武漢430074摘要結合海水和淡水介質的理化特性,論述了海水和淡水用節(jié)流閥研制中的關鍵技術問題。介紹了該閥主要部件的材質、結構形式、動力學特性和氣蝕特性等的分析及計算。關鍵詞水壓傳動;節(jié)流閥;設計;氣蝕中圖分類號:TH 134文獻標識碼:AR esearch on throttle valve for sea w ater hydraulicsL IU Mei 2xia(Huazhong University of Science &Technology ,Wuhan 430074,China Abs

2、tract :According to characteristics of water (seawater medium ,the key technologyies of the throttle valve for water hydraulics are discussed.Based on these ,the high pressure throttle valve for water hydraulics is designed.In this paper ,the material of main compo 2nents ,the type of structure ,the

3、 dynamic behavior and the cavitation for this valve are ana 2lyzed and calculated in detail ,which are of some significance for the design of others.K ey w ords :water hydraulics ;throttle valve ;design ;cavitation 1引言以海水和淡水為工作介質的液壓技術,因其具有抗燃、對環(huán)境無污染、成本較低以及功率大、運行平穩(wěn)、響應速度快等優(yōu)點,特別適用于鋼鐵冶煉、礦山開采、食品加工、海洋開發(fā)利用以

4、及軍事等,并符合環(huán)境保護、安全作業(yè)和可持續(xù)發(fā)展的要求,具有十分廣闊的前景,是目前流體傳動及控制領域國際學科前沿的研究方向。節(jié)流閥是流體傳動及控制系統(tǒng)的重要元件,在系統(tǒng)中可作為調節(jié)流量、給泵加載以及調節(jié)泵入口的吸入阻力(研究泵在不同吸入真空度下的氣蝕特性。國內外對海、淡水節(jié)流閥的研究和產(chǎn)品開發(fā)都投入了大量的精力。為減少氣蝕的沖蝕,日本設計了兩級平板式節(jié)流閥口的形式6,芬蘭采用了兩級錐閥式節(jié)流閥口5。華中科技大學先后研制出壓力710MPa 、流量100L/min 的海、淡水溢流閥和節(jié)流閥,及壓力14MPa 、流量10L/min 的海、淡水溢流閥和節(jié)流閥。這些閥門應用于海水泵的試驗中,效果良好。目前

5、,仍在進行高壓、大流量不同類型閥口的流量壓力和氣蝕特性等方面海、淡水液壓閥的研究工作。2材料的選用由于海水和淡水均有腐蝕性,制造油壓閥的材料對水介質完全不適應。如油壓溢流閥用于淡水,工作34天后就會發(fā)生嚴重的銹蝕并完全失效。因此使用合適的材料是研制高性能水壓元件的先決條件。選材的基本原則是:耐腐蝕,包括化學及電化學腐蝕。具有自潤滑性能,在高速重載工況下摩擦磨損性能良好,即磨損率低,摩擦系數(shù)小,并具有良好的耐粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損及疲勞磨損性能。良好的機械性能及腐蝕疲勞特性。良好的抗沖蝕磨損和氣蝕性能。熱穩(wěn)定性良好,熱膨脹系數(shù)小,吸水率低,無毒。成型和加工工藝性好,容易購買且成本適宜等。節(jié)

6、流閥的閥體一般采用奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti或鍛鋁(LD5,表面進行陽極氧化處理(根據(jù)需要采用軟或硬質陽極氧化處理,能有效地防止海水或淡水的腐蝕。閥瓣與閥座可采用耐蝕合金、增強塑料或工程陶瓷(如Al2O3、ZrO2、Si3N4等材料。在金屬表面進行特殊處理的方法有噴涂陶瓷或表面鍍鎳磷合金等。由于涂層與金屬基體間結合力有限,經(jīng)試驗證明易受到?jīng)_蝕作用的破壞,其應用受到很大限制。工程陶瓷具有很高的硬度,很強的耐腐蝕、氣蝕和沖蝕磨損性能,可用于閥瓣或閥座材料。耐蝕合金的耐氣蝕和耐沖蝕磨損的能力較差,通常用于制造閥座,可使工藝性較差的閥座得到較高的加工精度,并降低成本。增強塑料良好的耐腐蝕和耐磨

7、性以及可吸收沖擊的能力,使其應用前景十分廣闊。3結構型式節(jié)流閥的結構(圖1主要根據(jù)工作壓力和調節(jié)特性確定,并由此選擇節(jié)流口的形式和計算節(jié)流開口面積。如工作壓力為14MPa,流量40L/min的海、淡水節(jié)流閥,選擇了軸向三角槽式節(jié)流口。該閥閥瓣與閥座為錐面接觸。與線接觸相比, 錐面接觸應力和抗沖擊能力較好。閥瓣與閥座的接觸部位經(jīng)互研處理保證密封。閥瓣是具有平底的錐形閥閥口,在閥瓣端部開有2個斜向三角槽。因此,軸向移動閥瓣可以改變三角槽式節(jié)流開口的大小以調節(jié)流量。軸向三角槽式節(jié)流口的水力半徑較大,小流量時穩(wěn)定性較好。當三角槽對稱布置時,液壓徑向力得到了平衡,因此,適用于較高壓力。11手柄21鎖緊螺

8、母31緊定螺母41 閥瓣5、61O形圈71閥套81閥體圖1海、淡水節(jié)流閥結構4動力學特性411閥瓣液動力液體在閥內流動時,因閥瓣開啟或關閉,其流動方向和流速大小都將發(fā)生變化而產(chǎn)生液動力(穩(wěn)態(tài)力,圖2。由流體的動量方程可求出作用在閥瓣上的液動力。圖2閥瓣受力F S=p1A1-p2A2-Q(V2cos-V1+F0(1A2d m x sin(2V2=C v2p(3Q=Cx d m sin2p(4F0=A0p i d A sin(5式中F S閥瓣所受液體作用力,Np1、p2節(jié)流閥入、出口壓力,MPaA1節(jié)流閥入口截面積,mm2A2節(jié)流閥出流斷面截面積,mm2V1、V2進出控制體過流斷面上的平均速度,m

9、/s半錐角或液流角,°水或海水密度,kg/m3Q出流斷面流量,m3/minF0閥座重疊錐面對控制體液體的軸向作用力,Nd m圓錐閥口平均直徑,mmd m=d1+d22x閥瓣抬起高度,mmC v流速系數(shù)p節(jié)流口兩端壓差,MPap=p1-p2C流量系數(shù)A0重疊面面積(錐臺側面,mm2p iA0面上不同點的壓力,MPa一般情況下,V2µV1,故略去V1。為研究方便,將圓錐環(huán)形間隙展開,成為扇形平行平板間隙,并把扇形平板間隙流動看作為平行圓形平板間隙流動的一部分。則式(5為F0=2R20-r20lnR0r0p1(6式中R0、r0分別為圓錐環(huán)形間隙部分上、下半徑,mm將式(2、(3、

10、(4、(5和(6代入式(1,則閥瓣所受液體作用力為F S=p14d21-p2d m x sin-pCC vd m x sin2+2R20-r20lnR0r0p1(7412流動系數(shù)的確定由式(7知,需要確定流量系數(shù)C及流速系數(shù)C v。41211流量系數(shù)以海、淡水作為輸送介質,其流動狀況基本上是紊流(大Re數(shù),且節(jié)流口過流收縮是不完善收縮,流量系數(shù)不僅與Re數(shù)有關,還與錐角、錐臺重疊面寬度(凡爾線寬度等有關。目前廣泛采用的圓錐閥口流量系數(shù)計算公式為C=24sinlnd2d11Re m2hd m+fd md12+d md225435-12(8式中h開口寬度,mmh=x sinRe m雷諾數(shù)Re m=

11、V m hf系數(shù),一般取f=0118V m閥口平均流速,m/sV m=QA2水或海水的運動粘度,mm2/s 41212流速系數(shù)流速系數(shù)C為C=11+(9式中閥口總阻力系數(shù),且以局部阻力系數(shù)為主=216-018d1x+0114d1x2(10413實例計算已知:半錐角=30°,d1=32mm,d2= 33115mm,開啟高度x=6mm,r0= 1117mm,R0=16mm。入口壓力p1= 710MPa,流量Q=40L/min,水的運動粘度=0155mm2/s,水的密度=1000kg/m3,則=2138,C=0154,Vm=2117m/s,Re m= 11846,C=0164,p=0155

12、MPa,V2= 5166m/s,V1=0183m/s,F S=768315N。5主要部件校核511閥桿51111拉伸(壓縮變形閥桿在軸向力F S作用下,其拉伸(壓縮變形的校核選取閥桿的最小工作斷面即最危險斷面進行。一般條件為FsA min(11式中A min閥桿的最小工作斷面,mm2 閥桿材料的拉伸(壓縮許用應力,MPa實例計算,A min=201106×10-6m2, 1Cr18Ni9Ti的=155MPa,則式(11左邊為76143MPa,滿足變形要求。51112軸向穩(wěn)定性為了簡化閥桿軸向穩(wěn)定性校核的過程,假定取傳動螺紋的內徑d n作為該斷面的計算直徑。閥桿工作部分的兩端可視為鉸支

13、結構。扭矩對閥桿軸向穩(wěn)定性臨界載荷的影響比軸向載荷的影響要小得多,忽略不計。于是,建立軸向穩(wěn)定性校核的基本條件Qc(2154Fs(12式中Qc軸向穩(wěn)定性臨界載荷。閥桿的柔度為=kLi(13式中L閥桿的計算長度,mmi閥桿斷面的慣性半徑,mmi=d n 4k長度系數(shù)當L=135mm,i=315mm,兩端鉸支k =1時,則=38157。臨界載荷Q C為Q C=491+0100022d2n4E(14式中E材料彈性模量,MPa將E=211×105MPa及各參數(shù)代入計算,式(12成立。也有文獻3指出,若40時,可以不必進行穩(wěn)定性校核。512螺母51211許用比壓傳動螺紋副的失效主要由于螺紋磨損

14、。按下式校核Fsf ZP(15式中f1圈螺紋的擠壓面積,mm2f=4(d2-d2nd傳動螺紋的外徑,mmZ螺紋旋合圈數(shù),取14P螺紋材料的許用比壓,MPa 51212剪切強度Fsf sZ(16式中f s1圈螺紋的剪切面積,mm2螺紋材料的許用剪切應力,MPa51213彎曲強度FsXW ZW(17式中X彎曲力臂,mmW1圈螺紋的抗彎斷面模量,mm3W螺紋材料的許用彎曲應力,MPa查表可知,P=25MPa,fs=13418mm2, =40MPa,X=1125mm,W=58mm3,W =25MPa,代入式(15、(16和(17均成立。6氣蝕特性在液體流動過程中,由于局部地區(qū)壓力急劇降低而在液體中產(chǎn)生

15、氣泡導致氣穴。當液體流至高壓區(qū)時,氣泡中所含空氣(水中溶解氣體不超過2%和蒸汽將突然重新混入,溶入液體或凝結為液態(tài),致使氣泡急劇破滅。在這一瞬間將產(chǎn)生強烈的沖擊,引起強烈的振動和噪聲,并伴隨有流體的氧化變質。當上述現(xiàn)象作用于固體壁面時,在反復沖擊和氧化作用下固體壁面將受到破壞以致剝落,即產(chǎn)生氣蝕。氣蝕分為氣體氣蝕和蒸汽氣蝕。海、淡水液壓閥中氣體氣蝕的影響很小,起主導作用的是蒸汽氣蝕。水通常以飽和蒸汽壓(01012MPa做為判斷氣穴產(chǎn)生的標準。對于節(jié)流閥的氣蝕,可用氣蝕指數(shù)描述。越大,氣蝕產(chǎn)生的可能性及危害也越大。 =p 1-p 2p 1-p =p p 1-p (18式中p v 水的蒸汽壓,MP

16、a將各參數(shù)代入后得,=0104。 一般來說,氣蝕現(xiàn)象出現(xiàn)在主流體和相對停滯的流體周圍之間的高紊流交界面上。在節(jié)流閥的設計上避免由于鋒利的突出物而引起出現(xiàn)局部高速流區(qū),從元件的角度來看,可采用設計平滑的流道。7三角槽式節(jié)流口閥瓣端面軸向三角阻尼槽如圖3。其三角過流斷面的水力直徑d e 和P e為 圖3閥瓣三角槽d e =4A x3a(19A x =x 2tg2sin 2(20P e =80Vl3d 2e(21式中A x 三角過流斷面面積,mm 2a 三角過流斷面邊長,mm 三角槽結構參數(shù),=60°水(或海水的動力粘度l 三角槽有效阻尼長度,mm V 流體流動的平均速度,m/s V =Q

17、/A x根據(jù)設計情況,l =915mm ,a =311mm 。綜合式(19(21,有p e =15Qa 2lA3x(22將參數(shù)代入式(22,得P e =315×103Pa 。選取三角過流斷面流道坐標系2(圖4。原點在三角形平面形心處。則流速分布u 為u =3P e 6al z -a23z +3y -a3z -3y -a3(23將參數(shù)代入式(23,得u =0162(z -0189(z +3y -1178(z -3y -1178,m/s 。圖4三角過流斷面流道8結語材料、設計和加工制造將是海、淡水液壓傳動裝置賴以發(fā)展的三大關鍵基礎技術。海、淡水節(jié)流閥的眾多關鍵技術問題使其研制有很大難度。因此,必須綜合運用流體力學、摩擦學、材料學、精密加工和測量技術等多門學科的最新研究成果,并在廣泛試驗的基礎上不斷完善發(fā)展。從合理選用材料,合理設計結構,采用正確設計理論及方法,運用先進的加工手段和制造工藝等入手,有效克服海、淡水節(jié)流閥的腐蝕、氣蝕和水擊等問題,才能研制出各種高性能的閥門。參考文獻1金朝銘.液壓流體力學M .北京:國防工業(yè)出版社,1994.2盛敬超.液壓流體力學M .北京:機械工業(yè)出版社,1980.3王孝天.不銹鋼閥門的設計與制造M .北京:原子能出版社,1987.4Erik