海水用節(jié)流閥的設(shè)計(jì)

1、作者簡(jiǎn)介:劉美霞(1960-,女,工程師。海水用節(jié)流閥的設(shè)計(jì)劉美霞(華中科技大學(xué),湖北武漢430074摘要結(jié)合海水和淡水介質(zhì)的理化特性,論述了海水和淡水用節(jié)流閥研制中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。介紹了該閥主要部件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力學(xué)特性和氣蝕特性等的分析及計(jì)算。關(guān)鍵詞水壓傳動(dòng);節(jié)流閥;設(shè)計(jì);氣蝕中圖分類號(hào):TH 134文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhì)的液壓技術(shù),因其具有抗燃、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、成本較低以及功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),特別適用于鋼鐵冶煉、礦山開(kāi)采、食品加工、海洋開(kāi)發(fā)利用以

4、及軍事等,并符合環(huán)境保護(hù)、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(dòng)及控制領(lǐng)域國(guó)際學(xué)科前沿的研究方向。節(jié)流閥是流體傳動(dòng)及控制系統(tǒng)的重要元件,在系統(tǒng)中可作為調(diào)節(jié)流量、給泵加載以及調(diào)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(guó)內(nèi)外對(duì)海、淡水節(jié)流閥的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都投入了大量的精力。為減少氣蝕的沖蝕,日本設(shè)計(jì)了兩級(jí)平板式節(jié)流閥口的形式6,芬蘭采用了兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口5。華中科技大學(xué)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(mén)應(yīng)用于海水泵的試驗(yàn)中,效果良好。目前

5、,仍在進(jìn)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(duì)水介質(zhì)完全不適應(yīng)。如油壓溢流閥用于淡水,工作34天后就會(huì)發(fā)生嚴(yán)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(xué)及電化學(xué)腐蝕。具有自潤(rùn)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(jī)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(wú)毒。成型和加工工藝性好,容易購(gòu)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(jìn)行陽(yáng)極氧化處理(根據(jù)需要采用軟或硬質(zhì)陽(yáng)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(qiáng)塑料或工程陶瓷(如Al2O3、ZrO2、Si3N4等材料。在金屬表面進(jìn)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(jié)合力有限,經(jīng)試驗(yàn)證明易受到?jīng)_蝕作用的破壞,其應(yīng)用受到很大限制。工程陶瓷具有很高的硬度,很強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用前景十分廣闊。3結(jié)構(gòu)型式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)(圖1主要根據(jù)工作壓力和調(diào)節(jié)特性確定,并由此選擇節(jié)流口的形式和計(jì)算節(jié)流開(kāi)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(yīng)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(kāi)有2個(gè)斜向三角槽。因此,軸向移動(dòng)閥瓣可以改變?nèi)遣凼焦?jié)流開(kāi)口的大小以調(diào)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(shí)穩(wěn)定性較好。當(dāng)三角槽對(duì)稱布置時(shí),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(jié)構(gòu)4動(dòng)力學(xué)特性411閥瓣液動(dòng)力液體在閥內(nèi)流動(dòng)時(shí),因閥瓣開(kāi)啟或關(guān)閉,其流動(dòng)方向和流速大小都將發(fā)生變化而產(chǎn)生液動(dòng)力(穩(wěn)態(tài)力,圖2。由流體的動(dòng)量方程可求出作用在閥瓣上的液動(dòng)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(jìn)出控制體過(guò)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(duì)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(tái)側(cè)面,mm2p iA0面上不同點(diǎn)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(kāi),成為扇形平行平板間隙,并把扇形平板間隙流動(dòng)看作為平行圓形平板間隙流動(dòng)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(dòng)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(zhì),其流動(dòng)狀況基本上是紊流(大Re數(shù),且節(jié)流口過(guò)流收縮是不完善收縮,流量系數(shù)不僅與Re數(shù)有關(guān),還與錐角、錐臺(tái)重疊面寬度(凡爾線寬度等有關(guān)。目前廣泛采用的圓錐閥口流量系數(shù)計(jì)算公式為C=24sinlnd2d11Re m2hd m+fd md12+d md225435-12(8式中h開(kāi)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(yùn)動(dòng)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(shí)例計(jì)算已知:半錐角=30°,d1=32mm,d2= 33115mm,開(kāi)啟高度x=6mm,r0= 1117mm,R0=16mm。入口壓力p1= 710MPa,流量Q=40L/min,水的運(yùn)動(dòng)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(xiǎn)斷面進(jìn)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(yīng)力,MPa實(shí)例計(jì)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(jiǎn)化閥桿軸向穩(wěn)定性校核的過(guò)程,假定取傳動(dòng)螺紋的內(nèi)徑d n作為該斷面的計(jì)算直徑。閥桿工作部分的兩端可視為鉸支

13、結(jié)構(gòu)。扭矩對(duì)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(jì)。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(jì)算長(zhǎng)度,mmi閥桿斷面的慣性半徑,mmi=d n 4k長(zhǎng)度系數(shù)當(dāng)L=135mm,i=315mm,兩端鉸支k =1時(shí),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(jì)算,式(12成立。也有文獻(xiàn)3指出,若40時(shí),可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性校核。512螺母51211許用比壓傳動(dòng)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(dòng)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(qiáng)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(yīng)力,MPa51213彎曲強(qiáng)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(yīng)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(dòng)過(guò)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(dǎo)致氣穴。當(dāng)液體流至高壓區(qū)時(shí),氣泡中所含空氣(水中溶解氣體不超過(guò)2%和蒸汽將突然重新混入,溶入液體或凝結(jié)為液態(tài),致使氣泡急劇破滅。在這一瞬間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊,引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲,并伴隨有流體的氧化變質(zhì)。當(dāng)上述現(xiàn)象作用于固體壁面時(shí),在反復(fù)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(lái)說(shuō),氣蝕現(xiàn)象出現(xiàn)在主流體和相對(duì)停滯的流體周圍之間的高紊流交界面上。在節(jié)流閥的設(shè)計(jì)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(lái)看,可采用設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)流斷面面積,mm 2a 三角過(guò)流斷面邊長(zhǎng),mm 三角槽結(jié)構(gòu)參數(shù),=60°水(或海水的動(dòng)力粘度l 三角槽有效阻尼長(zhǎng)度,mm V 流體流動(dòng)的平均速度,m/s V =Q

17、/A x根據(jù)設(shè)計(jì)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(guò)流斷面流道坐標(biāo)系2(圖4。原點(diǎn)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(guò)流斷面流道8結(jié)語(yǔ)材料、設(shè)計(jì)和加工制造將是海、淡水液壓傳動(dòng)裝置賴以發(fā)展的三大關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。海、淡水節(jié)流閥的眾多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題使其研制有很大難度。因此,必須綜合運(yùn)用流體力學(xué)、摩擦學(xué)、材料學(xué)、精密加工和測(cè)量技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的最新研究成果,并在廣泛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷完善發(fā)展。從合理選用材料,合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),采用正確設(shè)計(jì)理論及方法,運(yùn)用先進(jìn)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(wèn)題,才能研制出各種高性能的閥門(mén)。參考文獻(xiàn)1金朝銘.液壓流體力學(xué)M .北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.2盛敬超.液壓流體力學(xué)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1980.3王孝天.不銹鋼閥門(mén)的設(shè)計(jì)與制造M .北京:原子能出版社,1987.4Erik