浙江中特气动阀门成套有限公司
 基于压力特性的电动水阀阀芯设计研究

摘 要:针对某型号电动水阀压力特性线性度差的问题,对阀芯结构进行优化设计,给出了阀芯的设计和计算过程。通过给定的参数,确定了阀口形式和结构尺寸。简述了阀口的密封形式和装配特点。

关键字:水阀 阀芯 压力特性 除磷喷嘴


1 概述

在钢铁冶金行业的冷却设备中,电动水阀的使用很广泛,它是整个控制的核心部件,用来实现对被控对象的调整和控制。高压水除鳞一直是中厚板轧钢工艺中不可缺少的一道重要工序,除鳞效果的好坏直接影响钢板的质量。在整个高压水除鳞过程中,水流压力的控制至关重要,因此对水阀的压力调节特性有很高的要求。市场上现有的电动水阀,一般采用锥阀芯来实现节流调压。实际使用过程中发现,在压力特性要求较高的场合,这种通用水阀就很难满足控制要求,压力调节线性度差,尤其对高压小流量的控制十分困难,常常导致阀门在小开度频繁抖动,加剧阀门的磨损,容易引起控制过程振荡,甚至出现阻塞现象。

根据现场工作需要,建立了高压水除磷喷嘴特性测试试验台,用来检测喷嘴和电动水阀的性能。试验台高压泵出口处安全阀的设定压力为20MPa,此值为除磷喷嘴测试的最高压力。系统的实际流量和压力由电动水阀进行调节,通过测试得到喷嘴在不同压力下的打击力分布情况和电动水阀的压力调节特性。该试验台使用的电动水阀结构图如图1所示,主要由阀体和阀芯两大部分组成,采用的是锥形阀芯,阀芯最大行程为21.3mm,压力工作范围为0~20MPa,公称流量为100L/min。通过试验测试,得到水阀的初始压力调节特性如图2所示,线性度很差,因此需要对电动水阀的阀芯进行局部结构优化,以满足控制要求。

图1 电动水阀结构图

图2 电动水阀压力特性曲线图

2 阀芯结构设计

2.1 密封形式

由于水的粘度很低,水压节流阀的阀口开度比等型号和规格的油压节流阀小很多,同时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。因此可以在阀体与阀芯之间添加一个阀套,阀体与阀套、阀套与阀芯行程末端均采用直接密封的形式,可以变传统的间隙密封为直接密封,使得部件之间的配合公差较小,实现微量或零泄漏。从使用情况来看,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,这种形式的密封性能可靠。

2.2 进出口压差

在工作过程中,节流阀进出口压差△p是随着系统中执行元件负载的变化而在很大范围内变化。在试验台测试系统中,喷嘴出口处的压力可近似为零,电动水阀的出口直接回水箱,压力也近似为零,所以△p可近似为系统的实际调定压力,其变化范围为0~20MPa。

2.3 节流口通流面积

对于薄壁锐边孔口来说,节流口的流量特性公式为:

    (1)

式中,Q-流量,m3/s;Cq-节流口的流量系数;A0-节流口的通流面积,m2;△p-节流口的进出口压差,Pa;ρ-液体密度,kg/m3;m-节流口的特性指数。

由式(1)得节流口的通流面积为:

    (2)

根据改造后的阀芯与阀套配合方式以及节流口的结构特点,取流量系数Cq=0.85,指数m=0.6,水的密度ρ=1000kg/m3,得到节流系数K=0.038。系统提供的是定量泵,所以流量Q=100L/min为恒定值,将数值带入式(2)得到不同压差下的通流面积,如表1所示。

表1 阀芯通流面积数值表

该系统的通流面积A0由水阀和喷嘴两部分组成,喷嘴的通流面积一般为2mm2,所以对应压差下水阀阀芯节流口的通流面积A0′为两者之差(表1所示)。

2.4 确定几何尺寸

2.4.1 阀芯尺寸

在阀芯原有尺寸基础上,取阀芯直径d=12mm,长度为23mm,前端和末端倒角分别取C1=0.5×45°,C2=1×45°,阀芯圆周上开有4个对称的扇形花键槽,键槽的起始端开口圆心角θ=45°(如图3)。

图3 阀芯结构图

2.4.2 键槽尺寸

水阀的压力调节范围为0~20MPa,为了达到线性调节的目的,取阀芯的有效行程为20mm,即阀芯上节流口加工长度为20mm,对应的压力变化为1MPa/mm。阀芯任意行程对应的通流面积为阀芯与阀套瞬时截面上4个相同节流口的通流面积之和:

    (3)

根据节流口的形状特性,每个节流口的通流面积可近似认为是截面上小扇形的面积S0(图4所示),由式(3)得:

    (4)

图4 阀芯截面图

依据扇形面积计算方法,可近似得到如下计算公式:

   (5)

式中L为小扇形的弧长,h为高(即节流口的径向深度),在图5中可以看出节流口的边缘曲线近似为三角形,所以阀芯任意行程处节流口的弧长也是按比例变化,得到弧长L为:

    (6)

图5 节流口深度曲线图

将数值带入式(5)和式(6),得到阀芯对应行程处键槽的深度值h,如表1所示。从表1中可以看出,在阀芯的中间位,即调定压力为10MPa时,键槽的深度已经很小,10MPa以后的变化范围更小。根据加工工艺要求,在阀芯上先铣一个斜面,起始端开口圆心角为45°,斜面铣削的轴向距离为20mm(如图3)。结合计算值和加工工艺,取键槽的轴向加工长度为5mm、深度为不规则的样条曲线。为了便于加工,将曲线近似为圆弧加相切直线的形式,得到深度曲线如图5所示。阀芯的最终成型结构如图6所示。

图6 阀芯三维结构

3 阀套结构设计

根据阀芯结构尺寸,确定阀套的内径d=12mm,外径D由阀体孔径的实际尺寸确定,总长L=30mm。为了便于拆装,阀套没有加工成通孔,而是做成深度为25mm的沉孔,底端开有拆装螺纹孔。阀套的径向孔数为4,同时开有高度为10mm、宽度为1mm的环形槽(图7所示)。

图7 阀套结构图

根据计算和分析结果,优化后阀芯与阀套的装配形式如图8所示,并由试验得到水阀的压力调节特性曲线如图9所示。

图8 阀芯与阀套装配图

图9 优化后水阀压力特性曲线图

4 结语

经过结构优化设计,该型号电动水阀的压力调节特性得到明显改善,很好地满足了工作需求。该阀存在15~20MPa的高压工作区域,所以对阀芯阀套的加工精度,同轴度以及两者的装配精度都有很高的要求,既要保证阀芯能相对阀套平稳滑动,又要保证两者的装配间隙足够小,能在阀芯行程的后半部分维持很小的通流面积形成高压。

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