关于求解气动阀有效截面积的问题.pdf

Hy dr a u l i c s Pne uma t i c s＆ S e a l s ／No ． 3． 2 01 0 关 于求解气 动 阀有效截 面积 的 问题 陈乾斌 史维祥 李正泉 1 ．西安交通大学机械工程学院 ，西安7 1 0 0 4 9 ； 2 ．西安秦森科技有限公司 摘要本文研究了设计气动换向阀合理的最大开口选择。重点研究了由阀流道节流口几何截面积合成阀有效截面积 s a的近似工 程合成算法。研究了A 阀几何开 口面积 ，S c 根据试验 由有效截面积 S的定义算出 ，S a 近似工程合成算法算出及 s v 声 速放气法试验求得随阀开度 X变化而变的规律 ，通过对 比探讨了求解 以上各种有效截面积方法的可靠性 可信性及相互关 系等。 关键词阀有效截面积；近似工程合成算法 ；声速放气法 中图分类号T H1 3 8 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 3 0 0 3 3 0 5 S o me Qu e s t i o n s a b o u t S o l v i n g E fi e c t i v e Cr o s s S e c t i o n Ar e a o f P n e u ma t i c Va l v e C H E N Q i a nb i n S H I W e i x i a n g L I Z h e n g q u a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 ， C h i n a ； 2 ．X i ’ a n Q i n S e n T e c h n o l o g y C o m p a n y Ab s t r a c t T h i s t h e s i s r e s e a r c h e s a b o u t o f ma x ．o p e n i n g f o r d e s i g n i n g p n e u ma t i c v a l v e ． I t ma i n l y s t u d y s a p p r o x i ma t e e n g i n e e r i n g s y n t h e s i s a l g o r i t hm a b o ut e f f e c t i v e c r os s s e c t i on a r e a o f v a l v e，S a，wh i c h s yn t he s i s b y g e o me t r i c a l c r o s s s e c t i o n a r e a s o f r e s t r i c t o r i n v a l v e flo w c h a n ne 1 ． I t r e s e a r c h e s t h e r e g u l a r i t y o f A g e o m e t r i c a l c r o s s s e c t i o n a r e a o f v a l v e ，S c o b t a i n e d b y t h e d e f i n i t i o n o f e f f e c t i v e c r o s s s e c t i o n a r e a o f v a l v e ， S a a n d S v o b t a i n e d b y s o n i c v e l o c i t y a i r e x h a u s t m e t h o d t o t h e c h a n g e o f t h e o p e n i n g o f v a l v e ， x ．B y c o n t r a s t i v e m e t h o d t h i s t h e s i s d i s c u s s e s t h e r e l i a b i l i t y c r e d i t a b i l i t y a n d c o r r e l a t i o n o f a l 1 me t h o d s a b o v e f o r s o l v i n g e f f e c t i v e c r o s s s e c t i o n a r e a o f v a l v e ． Ke y W or d se ffe c t i v e c r o s s s e c t i o n a r e a o f v a l v e； a p pr o x i ma t e e n g i ne e ring s y n t h e s i s a l g o rit hm ；s o n i c v e l o c i t y e x ha us t me t h o d 0 引言 西安秦森 科技 有限公 司生 产 的石油机 械上 用 的 Q S T S自动卡盘是 由气动 系统实现远程 控制 的，其上 所用的气动 阀控制性 能要求高 ，系统需要在很短时 间 内安全可靠地对石油钻具进行卡紧或松开 。为此结合 该课题 ，本文对气动 阀的有效截 面积进行了较 系统深 入 的研究 。 众所周知 ，说明气动阀的基本规格及性能 的主要 参数之一是通流能力 ，而代表通 流能力通常用阀的有 效截面积 s这个参数 ，如在换向阀等产 品手册上都给 出了有效截 面积之值。从后 面将给 出的公式 可看出 ， 知道通过阀的压力降及有效截面积 ，就可算 出阀的流 量 。实 际上 ，阀 的通 流 面积有 1 由阀开度 x算出的几何开 口面积 。 2 按 阀的有效截面积的定义从壅塞流流量公式 算 出的面积 s 。 3 按 国家标准规定 的声速放气法实验及规定公 式求出的有效截面积 5 。 4 以及 用阀各 串联通 流几何 面积按公式 5 算 出的合成等效面积 5 等四种。 因此 ，摆在我们面前 的问题就有 收稿 日期 2 0 0 9 - 1 O l 3 作者简介 陈乾斌 1 9 8 4一 ， 男 ， 硕 士研究 生 ， 西安 交通 大学机 械工 程学 院机械电子工程专业 ， 现从事流体传动领域的科学研究 。 1 在各种不 同情况下 如不 同的阀开度 X等 5与 差别有多大能否用几何面积 的 来代替有效 截面积 5 7 2 根据试验 由有效截面积 s的定义算 出的 S 与 声速放气法试验求得的 5 在数值上是否一致放气法 试验求得的 5 是否可靠 3 对 于 合成 等效 面 积 S 近 似 工程 合 成 算 法 ，怎样选取各节流 口几何面积 4 。 等才能使算 出的 S 与 ．s 及 S 接近 ，使工程近似计算法有效等等。 以上诸多 问题 是学术界及工程界都关 心的问题 ， 亦正是本文要研究及回答的问题 。 1 与有效截面积有关的理论计算公式 有效截面积 5的定义 壅塞流态下 ，理想气体流过最小截面积为 S的收 缩喷管的质量流量为 g 0 ．0 4 务 q * J T o 1 若被测气动元件与上述 喷灌有相同的进 口总参数 总压 P 。 、总温 T o ，流动也处于壅塞流态 ，且通过的 质量流量 q m 也相等 ，则上式 中 S值就被称为该 气动 元件处于 壅塞流态 下 的有 效截 面积。通过试 验得 到 q 、 、P 。 即可求 S 。 。 在近似计算 中，有效截 面积 S亦 用于亚声速流态 液 压 气 动 与 t -；J - ／ 2 01 0 年 第 3期 流量的粗略计算。将质量流量 q 化为标准状态下 的体 积流量 q 。 L ／ m i n N R ，进行单位换算后 ，得 o ． z 48 ．s谢 0 ． 5 2 8 △ p ， 。 最大开口面积若选得不当，在设计 阀时 ，过大的 不必要 的开 口使阀的体积与重量成不必要 的增大 ；在 作 阀的流量特性试验时，应该明确 ，若 阀全打开 ，测 出的流量特性是整个 阀的 ，而不是控制口的，因这时 △ p △ p 。事实上，根据试验 ，当阀开 口大于一定值 后 ，流量及压力降 △ p都不随阀开 口变化而变化。 此外 ，在设计及试验气动 比例 阀、减压阀及节流 阀等流量控制阀时 ，应尽可能使阀的工作区在线性 区 第一 阶段 。 3 换向阀有效截面积的近似工程计算法 在设计新阀时 ，要估算额定流量 ，为此首先要估 算其有效截面积 s 。 。下面介绍的工程近似估算法虽早 已提出了，但未经试验 系统地验证其正确性。本文将 研究如何具体确定阀各节流 口 A ，使按式 4 算 出的合成 s 接近实际。此外本文亦提出了各节流部分 的压降比 的概念 ，以便分析阀的通流瓶颈及测试系 统 的合理性等。 为避免偶然性 ，使所研究 的结果更可靠，我们测 试 了E t 本 S MC公 司生 产的大小 两只换向阀，型号为 V Q 4 2 0 1 及 S y 5 5 2 0 。下面介绍具体计算方法。 1 换向阀 V Q 4 2 O l 大阀 。 规格 阀芯直径 d 1 3 ra m，小径 d 7 m m，接 管通 径 d 9 ra m 1 ／ 4测 压 管 ，最 大 开 口 一 3 ． 1 m m，有效截面积 S 3 9 ． 6 ra m 。 图 2为从本阀抽象 出的 S计算模型。在用几何面 积合成法计算 s时，阀内流道节流 口 A 的选择原 则应是在同一流道上 ，选那个节流 口面积最小的 不 Hy dr a u l i c s Pne u ma t i c s＆ Se a l s ／No ． 3 ．2 01 0 图 2 V Q 4 2 0 1 大 阀计算模 型 能重复选多个 A 。在一 只阀有 两种 不 同尺寸 通径 不同尺寸管接头 时 ，应 选取最大 的。为此我们选 了 4个 A，即 t 阀进 口处最小截面积 这里是测压管通径 式 4 面 积 1 T ／ 4 。 2 A 阀芯边与阀体形成 的控制 口 底面直径为 d 高为 圆柱侧 面积 2 d 0 ． 4 ，这 里多算 0 ． 4 是由于阀体倒角及 阀体碰到密封 圈前与阀芯边存在缝 隙等原因导致 的 0 ram时也存在的小开 口 。 3 A 阀芯 小 杆 与 阀体 形 成 的环 形 通 道 面 积 w d 2 ／ 4 一 ,r r d m 2 ／ 4 。 4 A 阀出口处最小截面积 这里是测压管通径 面积 盯 d ／ 4 。 因此按公式 4原 理 由进 出 口A 、A 的几何 合 成面积 sⅡ ，其他 4 按 阀全开 即 3 ． 1 m m 、A 。 合 成为 5 I ，再 由s I 及 S Ⅱ 合成 出阀总的有效面积 s 。按 下面公式直接算出 S 的结果亦一样 。 7 计算 尺 按 式 5 。所 算 出 的 大 阀结 果 如 表 1 所示 。 表 1 大 阀计算结果 几何合成面 积 A 2 A3 A1 4 各节 流口面积 1 4 2 ． 9 4 9 4 ． 2 5 6 3 ． 5 9 6 3 ． 5 9 合 成 等效 面 积 S 3 9 ． 1 总压降 中所 占比例 RI 2 5 ％ RlI7 5 ％ 2 换 向阀 S y 5 5 2 0 小阀 。 规格 阀芯直径 d v 6 ram，小径 d 3 ． 5 ram，接 管 通 径d 4 ． 5 m m， 最 大 开 口 ⋯ 1 ． 5 m m， S1 0 ． 6 2mm 。 图 3为从本阀抽象出的 5计算模型。与上 面对大 阀的分析一样 ，所选取的流道节流面积亦为 A 。 、A 2 ,r r d 0 ． 1 阀较小只多算 0 ． 1 、 ， 、 ，利用 图 3 S y 5 5 2 0 小 阀计算模 型 及 5 等算 出小阀结果如表 2所示。 表 2 小 阀计算 结果 几何合成面积 SI SⅡ 2 A3 Al A4 各节流 口面积 3 0 ．1 4 l 8 ． 6 5 1 5 ． 9 0 l 5 ． 9 0 合成等效面积 总压降中所 占比例 R 13 3 ％ RII6 6 ％ 从上面对两只阀有效截 面积近似工程计算 可得 出 下面几点结论 1 在几 何合 成计 算 中，选 择流 道几 何节 流 口 以 、A 、 及 A 代 表 的原则及方法是合 理 的， 因此所计算 的大小阀有效截面积 S 与产品手册上给出 的有效截面积是基本一致的，这里大 阀算出的为 S 3 9 ． 1 m m ，而阀产品手册上给 出的是 3 9 ． 6 m m ；小 阀 为 S a 9 ． 1 m m ，而产品手册上给出的为 1 0 ． 6 2 m m 。 2 R是按式 5 不可压缩 流态计算 ，实际流 态 由于气体压缩性等原因在 S 较小节 流 口处气体 密度 较大 ，其实 际压 降 比按式 5 计算 的略大 ，5 较大 节流口处气体密度较小 ，实 际压 降 比按 式 5 计算 的略小。换 向 阀进 出 口处 节流面 积上压 降 压 力损 失 占总压降比 RⅡ 大阀 7 5 ％ ，小 阀 6 6 ％ ，远 大于阀 内部 节流 压 降 比 R 大 阀 2 5 ％ ，小 阀 3 3 ％ ，所以在阀全开时其进 出 口是限制阀通流能力 的瓶 颈 。 3 从对阀有效截 面积分析计算方法可看出 ，所 计算 的 。 与阀内部各流道 如 PA，PB，AO， B一0等 上 的各节 流 口几何面积及个数有关 ，因此 同一 阀可有多个 S ，所 以阀名牌上标示的 5 应选择确 能代表本阀通流能力 的那个流道的 5 。 。 4 有效截面积的试验研究一声速放气法 如众所周知，国家标准规定 了可用声速放气法求 3 5 一 且 一， 、 睦 阀 4 液 压 气 动 与 密 封／ 2 01 0年 第 3期 有效截面 积。前面已简述了声速放气法可用式 6 来计算等。式 6 是在下面的一些假设下推导出的。 1 气体处于壅塞流态下，不论气体元件上游总压 力p 。 和总温度 怎样变化，元件的5值大小几乎不变。 2 容器内放气时为等熵过程 ，停止放气为等容 过程，且全过程为声速放气。 根据以上条件 ，在做本试验时我们还考虑了以下 几点 1 根据选用容器 气罐体积 规定 ，本试验 用了不同 的两个容器对上述 的两只大小阀进行 了研 究 ，以使所得结果更可靠 。 2 通常过去的研究都是在阀的一个开 口量 如 最大开 口下进行的，这样得 出的结论有偶然性 ，而 本试验是在阀的各个 值下进行的 ，这样就揭示 了有 效截面积随阀开口变化的规律 ，同时亦使所得到的有 效面积 S与阀开 口几何 面积之间的关 系的结论等更可 靠。此外 ，事实上减压 阀、节流阀等亦是在不同开口 下工作的。 3 国家标准放气法规定 中忽略 了一个大问题 ， 即没有对容器 到被试 阀之 间管道及 其上 的阀的压 降 或有效面积作一个规定 ，因此所作出的试验结果 s 是管道及被试阀共同的。从我们的试验中可看到，前 者的影响可以很大。我们 的试验是在管道及其上阀的 压降 △ p占整个压降 即容器出 口压力 P 。 四分之一 以下进行的，这样在整个测试 系统上 ，被测 阀前管道 的压降可近似地忽略不计。 4 在试验回路上装 了流量传感器 ，采用了数据 采集与控制测试系统 ，可测出近似瞬时流量 流量传 感器相对压力传感器有时 间滞后 0 ． 20 ． 5 s ，这样 可 监测整个过程是否属壅塞流，并可进而从测出的流量 9 P、t 算出声速流导 C及有效截面积 s 。 5 试验结果 5 ． 1 大阀的试验结果 为了根据公式 1 求 s ，对大阀在 P 0 ． 4 MP a 条件下 ，用 I S O 6 3 5 8测 C b的试验 回路做 了不 同阀开 口 时的流量压力比特性试验 见图 4 。 取其壅塞流量可计算 5 。由于我们在放气法试验 气路上装了流量计，测压管，亦可算 出 ，所 以得到 了两种试验结果求 出 s ，将它们进行 比较 ，使求出的 S 更可靠。 图 5上 曲线是在不 同 z值时 ，按公式 1 即 Ls 定义算出的 s 与按近似工程计算法 见式 7 合成求 出的 s 的结果 。从图上可看到，在 阀的各种不同开 口 时 ，两种 J s 及 S 的值很接近。 3 6 图 4 I S O 6 3 5 8试验 回路测不同 值流量特性 图 5 大阀有效 面积 S 、 与开度关 系 图 6上曲线是在不同 值时，用声速放气法求出 的 s 及按公式 1 算出的 s 的结果。从两种曲线对 比可看出，它们是很接近的。 图 6 大阀有效面积 S 、S 与开度关系 图 7上是 s 与 5 。 的两条曲线。s 是放气法试验结 果 ，S 是本文推荐的近似工程算法求 出的结果，它们 在各种阀开 口面积时数值亦比较接近。 5 ． 2 小阀的试验结果 与大阀相同，图 8上两条曲线是在不同 值时 与 s 的值，同样它们在数值上很接近。 图 9上是 S 与 S 。 的数值曲线 ，这里可看出，与大 阀一样 ，小阀的 Ls 与放气法试验结果 5 也较接近。 图 1 O上是 5 与 5 的对比曲线 ，与大阀一样 ，它 们在不同 值下，其数值很接近。 图 7 大 阀有效 面积 S 、S a 与度关系 【 一 。／ ． j ／ I I ．／ 升度 x ／ mrn 图 8 小 阀有效 面积 S 、S 与开度关 系 小 阀有 效面积 S 开度关系 图 f f 多牛 一 - 一⋯ l ，』 ～L I I I 】 J ／ } ⋯⋯ ⋯一 ⋯ ． F-17／ ／- - I I ⋯一 ⋯⋯ L ． ． ． 一 ⋯ J } ⋯⋯ ⋯ 【 一一一 一一j 一 一 一 一 I J I ， ／ I 一 一＼T ⋯⋯ ● f f 图 9 小 阀有效面 积 S 、s 与开度关 系 ⋯⋯ 一 ， ／ 西 鲻 Sc r l一 } 庐 一 一一一一一j 一 一 一 一一 一 1 0 阀开 度 x ／ mm 图 1 O 小阀有效面积 S 。 、S c 与开度关系 还应说明的一点是在各 图上 ，横座标为 0时阀应 关闭，S应为零 ，但 实际上 X为一定负值时 5都有一 定值 ，这是因阀有径向间隙及阀边有倒角等造成。 6 结论 从图 4到图 1 0上所给出的大量的各种有效截面积 对 比结果可得出以下几点结论 1 从上面给出的诸多曲线都可看到，阀开 口从零 到一定值 如大阀约为 0 ． 5 m m，小阀约为 0 ． 3 m m 为线性段，这时阀的几何面积 A与有效面积 5只差一个 常系数 如为 盯 d ，在这以后就进入过渡区，最后进入 饱和区 大阀约为 2 ra m，小阀约为 l r n m以后 。因此只 有在线l 生 区， 才能代替 S ，在其他区都不行。这些现象 与前面图 1 曲线所显示的规律是一样的。 2 从图 7及 9大阀与小阀的 S 与 的对 比曲线 及图 6及 图 l 0上 S 与 S 对 比曲线均可看到 ，由公式 1 算 出的 S 亦 即按 s的定义 求 出 的 及 由式 5 合成算出的 S 与放气法实验求 出的 5 在各种不同 阀的开度下都很 接近。因此就说 明了一个重要 问题 ， 即国家标准规定的声速放气法 ，只要试验方法及所设 计的试验系统正确 ，所得出的结果是可靠 的，是可 以 用来求气动阀的有效面积 S的。 3 从图 7及 9上大小 阀的试验与计算结果 比较 可得出，用如本文所推荐的合理选取 4 ． 等方法 ，工程 近似算法得到的 S 。 是 能与试验结果 S 及 由公式 1 计算结果 5 很接近 ，所以是可以用在新 阀设计时近似 估算阀的有效面积 5的。 以上 的一些结论 回答 了本文开始时所提出的各个 问题 。 参考文献 [ 1 ] S MC 中国 有 限公司． 现代实用气 动技 术[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 5 1～ 5 7 ． [ 2 ] 赵明， 周洪， 陈鹰．气动元件流量特性各种定义的分析比 较[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 2 4 1 6 ． [ 3 ] 赵彤， 气动技术 的发展及在新领域 中的应用[ J ] ． 液压气 动与密封 ， 2 0 0 4 2 1 5 ． [ 4 ] 王祖温， 郭晓晨， 包钢， 李军．基于流场的气动换向阀流量 特性研究 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 4 2 1 4 ． [ 5 ] 滕燕， 孟国香 ， 张护平， 小根山尚武． 气动元件合成流量特 性的相关研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 1 2 2 83 0 ． [ 6 ] 焦素娟， 孟国香． 气动换向阀流量特性实验研究[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 6 8 9 4 9 5 ． [ 7 ] 蔡茂林． 现代气动技术理论与实践第一讲 气动元件的流 量特性[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 2 4 4 4 8 ． [ 8 ] 范翔 ， 陶国良． 气动元件流量特性测试系统的研究[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 8 1 0 3 7 3 9 ． 3 7