阀门设计中的冲击问题计算

摘要论述了阀门设计中的冲击应力的计算方法

关键词阀门；能量法；冲击载荷；冲击应力

中图分类号：TS737+.3 文献标识码：A 文章编号：

Calculation of impact problems on valve design

LI zhen-chun

(NENGFA WEIYE TIELING VALVE JOINT-STOCK CO．，LTD．，Liaoning 112616，China)

Abstract:This paper discuss the calculation method of impact stress

Keywords：valve；energy method；impact load；impact stress

概述 阀门是流体输送系统中用来控制其方向、压力、流量的装置。一般工况对阀门的启闭速度无严格限制，但有些工况对启闭速度有特殊要求，有的要求缓慢关闭，防止产生水击，如某大型引水工程的蝶阀启闭时间为900秒，而有的要求迅速启闭，以防发生事故，如汽轮机抽汽管路等系统的蝶阀关闭时间要求为0.3～1秒。理论上，当阀门零件的应变速率时，力学计算按静载荷处理，而当 =时，按动载荷中的冲击问题处理。快速启闭的阀门在启闭终止、操作过程中的快慢切换和缓冲初始瞬间都有惯性冲击的现象，工程上常采用能量法解决此类问题,本文以某热电厂的循环水泵出口的HD7BT43X-6DN1800重锤式液控止回蝶阀（以下简称阀门）为例，说明阀门设计中冲击应力的计算方法，阀门的外形结构见图1。

二、工作原理

循环水供水系统的每台机组配置2锁且互为备用的水泵和1座双曲线型自然通风冷却塔，每台水泵的出口安装1台与其联动的阀门，工作原理见图2～3。

1. 开阀：液压站上的油泵电机驱动油泵，油箱内的液压油进入油缸推动柱塞运动，通过连杆体臂将重锤举起，同时带动阀轴及蝶板转动，实现开阀，调节油泵的流量可在30～120秒内整定开阀时间。当阀门开至150时,液动装置上的行程开关联动水泵电机开关，水泵开始工作。

2. 关阀：当水泵开始停机或事故失电的瞬间，水泵与阀门同时动作，在重锤力矩等作用下，油缸内的液压油通过快关节流塞流回油箱，蝶板从全开位置（α=90º）快速关闭；当阀门关至20°±8°开度范围内的预先设定的快慢关切换点时，快慢关切换杆插入柱塞内孔后，油缸内的液压油经过慢关节流塞流回油箱，阀门进入慢关阶段直至关闭（α=0º），快关时间在5～20秒内可调，慢关时间在10～60秒内可调。

阀门关闭过程中的驱动扭矩计算

，N∙m

式中：

η—传动机构的机械效率，η=0.88

1、作用在阀门两端的压差

，MPa

式中：

—阀门在其开度α（º）时的流阻系数

ρ—管路内水的密度，ρ=1000kg/ m³

V—管路内水的平均流速（m/s）， ，其中，

g---重力加速度，g=9.81m/s²

H---水泵的设计扬程，H=20.80m

K---配管系统的损失系数，，其中，

、---阀门全开时的流阻系数和管路内水的流速， ，其中，

Q---水泵的设计流量，Q=5.14m³/s

D---阀门的阀座密封面直径，D=1.734 m

2、填料摩擦扭矩

，N∙m

式中：d—阀轴轴径，d=0.16m

h—填料高度，h=0.046m

—阀门的密封试验压力，

—填料与阀轴之间的摩擦系数，

3、轴承摩擦扭矩

，N∙m

式中：

G—蝶板部件的质量，G= 1990kg

—阀轴与轴承之间的摩擦系数，

4、动水力矩

，N∙m

式中：

—动水力矩系数

5、偏心力矩

，N∙m

式中：e—蝶板的二次偏心距，e=0.01m

6、油缸力矩，见图4

，N∙m

式中：

—柱塞油缸的柱塞直径 ，

—油缸油压（MPa），

其中，

---液压油的密度，对于46号汽轮机油，

υ---油管中的液压油流速 ，m/s

---油管内径，

L---油管的长度，L=5m

λ---油管的沿程阻力系数，当雷诺数Re＜2320时， ；当2320＜Re＜4000时， ；当4000＜Re＜100000时， 。其中， ，γ---液压油的运动粘度，对于46号汽轮机油，

---回油管路系统中的局部阻力系数之和，=13.5

W—阀轴孔中心A至销轴中心C的距离，W=0.425m

β—直线AC与BC的夹角（º）

7、重锤力矩

忽略连杆和连杆体质量的影响，按悬臂梁受重锤的集中载荷简化模型，见图4

，N∙m

式中：

G′—重锤质量，G′=1808kg

R—重锤质心的回转半径，R=1.3m

四、计算关闭过程中的转动组件的角速度

式中：

、—分别为阀门开度和时的角速度，rad/s

—阀门从开度关闭至的平均角加速度(rad/s²)，，其中，

、---分别为开度和时的角加速度，，其中，

J ---转动组件的转动惯量，J =5458kg•m²

Δt---阀门从开度关闭至的时间(s)，t=，其中，

Δα---阀门行程（rad），

五、连杆的冲击应力验算

从上表看，在关闭过程中，12°～28°开度范围内的转动组件的最大角速度出现在开度12°的位置，见图5。

重锤的冲击载荷计算

当阀门关闭到开度12°进行快慢关切换点时，连杆体突然受阻，以角速度0.552 rad/s瞬间过渡到近似停止的极限情况时，连杆受到重锤瞬间的惯性冲击将产生最大的弯曲变形和应力，根据机械能守恒定律，有

----------（1）

式中：

、、—分别为冲击前的重锤的动能、位能和连杆的变形能（N∙m），，，

、、—分别为冲击后的重锤的动能、位能和连杆的变形能（N∙m），，，

其中：

---冲击载荷下作用下的连杆动挠度（m）

---重锤重力作用下的连杆静挠度（m）， ，其中，

E---连杆材料的弹性模量， 对于45#碳钢，

Ⅰ---连杆的惯性矩， ，其中，

---连杆直径，=0.15m

—重锤的冲击载荷（N）

在弹性范围内，变形与载荷成正比例关系：

----------（2）

由式（1）和（2）解得 =99169N

连杆K-K截面的应力验算

式中

r —连杆体上的连杆孔的外端面至阀轴孔的距离，r=0.54m

W—连杆的抗弯截面模量(m³)，

---连杆上与连杆体连接部分的直径，=0.145m

因连杆的弯曲许用应力[σ]=284MPa，故选取的连杆直径符合强度条件。

结束语

1、本例中，重锤的冲击载荷是其重力的5.6倍，冲击载荷远大于静载荷。支座、阀轴和锥销的强度计算也应按类似的方法用机械能守恒定律先求出冲击载荷，再按静力学理论进行强度和刚度计算。

2、计算用的阀门开度α划分得越细、阀门行程Δα越小，计算结果会更精确。

参考文献

［1］李振东．核电液控止回蝶阀设计．阀门，1994，（4）：2-8

［2］沈阳阀门研究所．阀门设计．1976