水液压节流阀关键技术的设计研究.pdf

文章编号 100225855 2008 0520008203 作者简介周棣1978 - ,男,湖北人,硕士研究生,从事流体传动与控制技术的研究。 基金项目湖北省数字化纺织装备重点实验室073503 水液压节流阀关键技术的设计研究 周棣,王东 武汉科技学院 机电工程学院,湖北 武汉430073 摘要 介绍了水液压数字节流阀阀体的设计和计算过程。通过给定的参数,确定了阀口形式 和结构及进水口、出水口、阀芯与阀芯开口度等尺寸。论述了阀门材料的选择和影响节流阀流量 特性的因素。 关键词 节流阀;锥阀;阀芯;尺寸 中图分类号 TH134 文献标识码 A Design and research of key problems in water hydraulic throttle valve ZHOU Di , WANG Dong Wuhan University of Science cone valve ; valve stem; size 1 概述 水压节流阀是水液压系统中重要的控制元件之 一,其在系统中可用作调节流量和给泵加载等。设 计时阀口湍流流动噪声和空化噪声的控制及最小稳 定流量的控制是两个关键技术。湍流流动噪声通过 采用抑制空化产生的阀口及流道结构,使流动速度 不出现突变以减少空化现象。由于水的粘度很低, 水压节流阀的阀口开度要比等型号和规格的油压节 流阀小很多,在小流量小开度时为避免发生阻 塞,应依据工作条件设计合理的结构形式、选择合 理的阀芯与阀套组合材料。另外还需解决气蚀、冲 蚀和腐蚀作用的破坏以及高压下密封困难等问题。 因此需要充分考虑水介质特殊的理化性能,对水压 节流阀中的摩擦磨损机理、腐蚀气蚀特性及密封技 术等关键性问题进行有针对性的研究,从材料选 择、结构设计、加工制造等方面保证水压控制阀具 有优良的性能。 2 设计参数 水压节流阀的设计参数如下。 公称压力 Pg 14MPa 最大工作压力 Pm 21MPa 公称流量 Qg 66617cm3/ s 公称压力下的内泄漏允许值 [qnx] 61667cm3/ s 3 结构设计 311 密封形式 水介质的粘度低导致泄漏损失会增大,在间隙 和压差相同时,同样规格的水压控制阀的泄漏损失 为油压控制阀的数十倍。如果仍然采用间隙配合, 而且要保证内泄漏不变,则必须减小配合间隙,这 给加工工艺提出了严格的要求,增加了加工难度。 因此,简单的减小配合间隙无法适应水介质的特殊 要求。目前,在水压控制阀的设计中更多的采用了 带有衬套结构的锥阀和球阀形式,运动部件之间的 8 阀 门 2008年第5期 配合公差较小,可实现微量或零泄漏。在阀套和阀 体之间的密封,采用直接密封形式。实践证明,橡 胶类密封件非常适合于水压控制阀中的密封, O形 圈、U形圈、阶梯形圈和方形圈等密封件都是较 好的选择。 水压节流阀中采用了带有衬套结构的锥阀结构 形式,变传统的间隙密封为直接密封,通过阀套与 节流阀芯的锥面密封,这可使得运动部件之间的配 合公差较小,实现零泄漏。法兰与阀体之间和阀体 与阀套之间均采用O形圈加挡圈形式密封,这种 密封形式在高压水介质条件下密封性能可靠。 312 节流口形式 为实现节流阀可以微量调节流量,选用带有阀 座面的锥阀式节流阀口形式。锥阀能完全切断液 路,对液体中杂质污染的敏感度小,结构简单,容 易制造。为减小节流阀在高压下工作时的调节力, 在节流阀芯中部向内开有斜向的泄压孔,以使得压 力平衡,这不仅能够保证阀芯在低压下工作可靠, 而且在高压条件下工作调节力小,调节容易。 313 进出口压差 在工作状态,节流阀进出口压差 △p的数值是 随着系统中执行元件负载的变化而在很大范围内变 化。在设计阀时要确定一个 △p的值,以此作为计 算节流开口大小以及通过的最小稳定流量和最大流 量的依据。液流流经薄壁或锐边小孔的流量特 性公式为 q CqA 2 ρ Δp1 式中 q 流量, m3/ s A 过流面积, m2 △p 进出口压差, MPa Cq 阀口流量系数 ρ 水密度, kg/ m3 由式1知,对一定流量,△p取值越大, 阀的开口面积就越小,阀口就越容易堵塞。因此从 获得较小的稳定流量和不易堵塞的角度考虑,△p 应取小一些。但是为了使得节流阀取得较大的刚 度,△p应取大一点。这两个要求互相矛盾。考虑 到设计要求,取 △p 012～013MPa。 314 材料 由于水具有腐蚀性,其电导率约是液压油的一 千多倍,会使大多数油压控制阀材料锈蚀,从而降 低零件强度及表面质量,导致运动件卡塞、阀的寿 命降低等严重后果。因此,选择与水介质具有较好 相容性的材料成为研制高性能水压控制阀的关键问 题,所选择的材料不仅要有较好的自润滑性能、较 强的抗腐蚀性,而且应当具备在水介质中性能稳定 和良好的抗疲劳性能等特点。 在水压节流阀中,为防止水介质腐蚀,阀体采 用表面镀铬、镍等工艺处理的奥氏体不锈钢,阀芯 和阀座采用耐蚀合金材料表 1 。 表1 阀零部件材质选用 零部件阀体阀芯阀套阀座螺栓 材质LD51Cr18Ni9TiQAl9 - 41Cr18Ni9Ti 零部件紧定螺母锁紧螺母垫圈 材质LD51Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 4 几何尺寸 水压节流阀的几何尺寸确定时除应满足有关设 计要求外,要尽量在保证强度的条件下,减小阀的 外形尺寸。 1进、出口直径 节流阀进出口直径D1为 D1≥0.463 Qg Vg ≈13.12 取D1 14mm。 式中 Qg 公称流量, m3/ s Vg 进、出口直径处流体的流速Vg 5 , m/ s 2阀套径向孔直径和孔数 通常取阀套径向孔的孔数Zj 4。阀套径向孔 处的流速应小于许用流速,则有径向直径dj为 dj≥01463 Qg ZjVj 6155mm3 取dj 8mm 3阀芯节流口的锥半角α 节流口的锥半角α一般取10 ～20图1 , 取α 15 。流量一定时 ,较小的α角使得锥阀的 开度较大,有利于提高抗污染能力。但是角度过小 将导致阀口稳态液动力增大,在数字节流阀设计 中,以致需要更大的步进电机。 4阀芯直径 根据锥半角的取值确定阀芯大直径D 18mm ,小直径d 4mm。 5节流口最大开口 先根据节流阀节流口流量压力方程,求出在设 92008年第5期 阀 门 定的节流口进出口压力差及额定流量下,节流口的 过流面积A,再根据过流面积的形状转换出相应 的最大开口量Xmax。 设d1 10mm ,阀 座 倒 角 为 1 15mm 115mm ,则R1 5mm ,R2 615mm。 图1 阀芯顶部 根据式1得到 A q Cq 2 ρ Δp 4 带入数值算出A 5817mm2。再根据锥阀阀口 的过流面积公式计算阀芯位移开口度x的值 A πdmxsinα1- x 2dmsin2α 5 dm R1 R21115mm 带入数值 0120 x2- 9135x 58170 0 则x1 71501mm ,x2 381490mm 不合理, 舍去。取x 715mm 6阀套沉割槽尺寸 阀套沉割槽宽度B和截面处尺寸H可根据结 构确定图2。在结构允许的范围内,应适当加 大B和H ,使液体在沉割槽中的流速小于许用流 速。当 图2 沉割槽 B H≥ Qg 2Vg 6 则有 Qg 2B1H1 ≤Vg≤5m/ s 带入数值得 B1H1≥6617mm2 同理 Qg 2B2H2 ≤Vg≤5m/ s 取B1 17mm ,H1 4mm ,B2 17mm ,H2 4mm。 7压力损失 压力损失 △Ps为 △Ps ∑ λyγ ly ds Vy2 2g ∑ ξ γ Vy′ 2 2g ≤ △p 7 式中 λy 根据水介质在阀内的流动情况而确定 的沿程摩擦阻力系数 γ 水介质质量, kg ly 计算沿程压力损失的流道长度, cm ds 计算沿程压力损失的流道水力直径 对圆形流道即为直径 , cm Vy 计算沿程压力损失时流道内水的平 均流速, cm/ s g 重力加速度, cm/ s2 ξ 根据水介质在阀内的流动情况而确定 的局部阻力系数 Vy′ 计算局部沿程损失时水介质的平均 流速, cm/ s △p取012MPa ,计算式7可知,满足要求。 根据计算和分析结果,可以设计出在给定技术 要求下的节流阀结构图 3 。 11 密封圈 21 出水口 31 进水口 41 泄孔 51 阀芯 61 阀套 图3 水压节流阀 5 结语 锥阀阀口由于其过流能力强,密封性好,有效 减轻气蚀侵蚀,从而成为水压阀中常用的结构型 式。设计时还应该考虑到其他因素对阀口流量特性 产生的影响。例如,阀芯圆锥顶角和阀座倒角对阀 下转第40页 01 阀 门 2008年第5期 蝶板材料,没有发现严重的腐蚀,但国内的316L 材料在海水中发现过严重腐蚀。选用这种设计将大 大降低阀门的采购成本。在钛板热交换器附近以及 腐蚀特别严重的的场合对于存在电偶腐蚀和空蚀严 重的位置,但系统要求不高,失效不会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板和阀体衬胶的阀门成本 低。对于存在电偶腐蚀及空蚀、选择性腐蚀比较 严重的位置,且系统要求较高,失效会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板254SMO 或双相不锈 钢、阀体衬胶的阀门成本高。对于存在电偶腐 蚀及空蚀、选择性腐蚀比较严重的位置,且系统要 求较高,有RCC - M制造要求的阀门,建议选用 蝶板铝青铜 HALAR涂层、阀体衬胶的阀门。 参考文献 〔1〕 冈毅民.中国不锈钢腐蚀手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1992. 〔2〕 杨文斗.反应堆材料学 〔M〕.北京机械工业出版社, 2000. 〔3〕 中国科学院金属研究所沈阳中科腐蚀控制工程技术中心.蝶 板腐蚀原因分析 〔Z〕. 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AMRI 收稿日期 20081081 07 上接第7页 坏。所以为了保证阀门正常工作,在外壳体上设 置了波纹管用来平衡和消除由于温度变化而引起 的内外壳体变形。变形量根据3/ 1000mm的试验 数据确定,从而选定波纹管的规格。 6 阀门零部件的深冷处理 阀体材料采用了0Cr18Ni9奥氏体不锈钢, 该类材料在低温状态下存在着奥氏体组织向马氏 体组织转化的倾向 〔5〕, 当奥氏体向马氏体转化 时就会造成体积的变化,从而使得阀门密封面有 可能失去密封性能而失效。为了降低在工作状态 的这种转化量,其零部件在精加工前进行了深冷 处理。通常采用的方法是在液氮中浸泡1～2h , 并重复2～3次,满足使用要求。 7 结语 DN250液氢截止阀加工组装后,根据相关 标准的要求进行了强度试验和密封试验,产品试 验过程中无泄漏和异常变形等,满足了设计要 求。 该阀已申报专利申请号 2007201863261 3 。 参考文献 〔1〕 徐烈,等.低温容器 设计、制造与使用 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1987 , 136 - 157. 〔2〕 〔 苏〕H.T.洛马宁柯,Ю.Ф.库里柯夫.低温阀 〔M〕.北京机械工业出版社, 1990 , 24 - 48. 〔3〕 李珍.液氢活门截止阀设计中的几个问题 〔J〕.低 温工程, 1979 , 2 9 - 10. 〔4〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2002 , 1022 - 1025. 〔5〕 汪谦信.结合SF7 - 14谈超低温球阀 〔J〕.低温工程, 1979 , 4 39. 收稿日期 20081051 26 上接第10页 口流量特性的影响,阀芯顶端不同形状对阀口流 量特性的影响,阀芯与阀座叠合与否对阀口流量 特性的影响,若为带球头的锥阀,球头阀口颈部 长度L对阀口流量特性的影响,阀口开度、背 压对流量特性的影响等。根据实验得知,在选择 阀芯锥度和阀座倒角时,应使角度小一些,且两 者要相等。在相同压差情况下,带球头的锥阀要 比非球头的锥阀流量系数大。阀座无倒角时的流 量系数要比有倒角时的流量系数大。在设计球头 阀口时,球头颈部的长度短一些比较好。 参考文献 〔1〕 王春行.液压伺服控制系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1989. 〔2〕 杨曙东,李壮云,朱玉泉.水压传动的主要课题与研究 进展 〔J〕.中国机械工程, 1998 , 11 9 1070 - 1073. 〔3〕 雷天觉.液压工程手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002 , 988 - 995. 〔4〕 王东.海水液压柱塞泵关键技术及其样机的研究 〔J〕. 华中科技大学学报, 2002. 〔5〕 宋鸿尧,丁忠尧,等.液压阀设计与计算 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1982. 〔6〕 杨友胜.新型水压节流阀及水压元件综合性能试验台的 研制 〔J〕.华中科技大学学报, 2003 , 04 . 〔7〕 李壮云.液压元件与系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2005. 〔8〕 张铁华,杨友胜,等.二级圆锥式节流阀口的设计及试 验研究 〔J〕.液压与气动, 2001. 〔9〕 Water Hydraulics.A technical databook〔M〕.BFPA P82. 〔10〕 What is currently available in the field of water hydraulic 〔C〕. 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