水液压节流阀关键技术的设计研究解读.docx
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水液压节流阀关键技术的设计研究解读
文章编号:
10025855（200805000803
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。
:
（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
Designandresearchofkeyproblemsinwaterhydraulicthrottlevalve
ZHOUDi,WANGDong
（WuhanUniversityofScience&Engineering,Wuhan430073,China
Abstract:
Thecalculationprocessofwaterhydraulicthrottlevalveareintroducedinthispaper.Somenecessarydatahasbeenoffered,wecandecidetheentrancestyleandthestructureofthevalve.Thencalculatetheappropriatesizeofinfallandway-out,andthesizeofvalvestem,stillthesizeofdisplacement.Thematerialwhichthevalveneededhasbeendisplayed,aswellassomefactorwhichwouldworkonflowcharicteristicsofthevalvehavebeenshownintheendofthispaper.Keywords:
throttlevalve;conevalve;valvestem;size1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=6667cm3
/s公称压力下的内泄漏允许值[qnx]=
6667cm3/s3结构设计31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。
32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。
33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
p（1
式中q流量,m3/s
A过流面积,m
2
p进出口压差,MPaCq阀口流量系数水密度,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=02~03MPa。
34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,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
LD5
1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti
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
∀13.1（2
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!
0463g
ZjVj
=655mm（3取dj=8mm
（3阀芯节流口的锥半角
节流口的锥半角一般取10#~20#（图1,取=15#。
流量一定时,较小的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
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（15mm∃15mm,则R1=5mm,R2=65mm
。
图1阀芯顶部
根据式（1得到
A=
Cqp
（4
带入数值算出A=587mm2。
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=!
dmxsin（1-2dm
sin2
（5
dm=R1+R2=115mm带入数值
020x2
-935x+5870=0
则x1=7501mm,x2=38490mm（不合理,舍去。
取x=75mm
（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
BH!
Qg
2V
g
（6
则有Qg
2B1H1%Vg%5m/s
B1H1!
667mm2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=
&∀y#lyds
Vy2
2g
+
&
∃#Vy∋22g
%p
（7
式中∀y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
#水介质质量,kg
ly计算沿程压力损失的流道长度,cmds计算沿程压力损失的流道水力直径
（对圆形流道即为直径,cmVy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/s
2
∃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02MPa,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。
1密封圈2出水口3进水口4泄孔5阀芯6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
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.D1/2SEC055-058VE,2004.
（4RCC-MM4301-2000,PRODUCTPROCUREMENT
SPECIFICATIONCLASS3COPPER-ALUMINIUMCASTINGSFORPWRAUXILIARYSYSTEMPUMPSANDVALVES（S.
（5AMRI阀门HALAR涂层工艺流程AXA210（Supplyof
HALARcoatingonductileirondiscsGAMMAandISORIAKSB.AMRI
（收稿日期:
20080807
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