CN103020397A - 一种调节阀阀芯型面的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调节阀阀芯型面的设计方法，包括以下步骤：获取阀座型面离散点，离散阀座行程；平移阀座型面离散点到某一行程点，求解平移后的阀座型面的一次包络线；对于所有行程节点求取一次包络线，对所有一次包络线求取二次包络线即得到阀芯型面。本发明能针对任意给定的阀座型面进行阀芯型面的设计，弥补了现有设计方法不能适用于一般阀座特殊型面的缺陷。

Description

一种调节阀阀芯型面的设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械领域以及计算机辅助设计(CAD)领域，具体而言，涉及一种流量调节阀阀芯型面的设计方法。

背景技术

调节阀作为液压气动控制系统中的终端元件，在调节系统中必不可少。阀芯作为调节阀的关键部件，阀芯的型面直接决定了调节阀的流量调节特性，其合理的设计对于调节阀的性能以及生产效率意义重大。

目前阀芯的设计还没有一个高效、通用的设计方法。现在主要还是以经验、流量试验和修形结合的设计方法。然而这样的设计方法过程复杂、效率低、研发周期长、开发费用高，严重降低了企业的效率。

文章(杨明，安培文.调节阀柱塞型阀芯形面数学模型推导[J].流体机械，2009，37(10)：34-37.)提到一种阀芯的设计方法，其采用了曲线包络线对阀芯型面建立了工程数学模型。其设计方法能够满足具有特定阀座即阀座为平面的调节阀门设计。该方法不适合任意阀座型面的阀芯设计。

发明内容

为了弥补现有设计方法只适用于特殊阀座，本发明提出一种调节阀阀芯型面的设计方法，根据任意给定的阀座型面，按照给定的调节阀流量特性设计阀芯型面，以实现设计的流量特性。

本发明一种调节阀阀芯型面的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、获取阀座型面m+1个离散点，得到离散的坐标点集{x_j，y_j}，j＝0，1，2…m，；

步骤二、离散阀座行程：

将阀座总的行程离散为n+1个离散的节点，行程节点索引号为i的行程节点处阀座的位移

i＝0，1，2…n，pn为阀座总的行程；

步骤三、初始化行程节点索引号i＝0，即p_i＝p₀，阀座型面位于初始位置；

步骤四、判断位移p_i≤p_n，若是，则转步骤五；若否，则转步骤十二；

步骤五、平移阀座型面离散点，将阀座初始型面离散点沿y轴平移p_i就得到当前的阀座型面离散点，即对初始阀座型面离散点集做变换{x_j，y_j}→{x_j，y_j+p_i}；

步骤六、初始化阀座型面离散点索引号j＝0；

步骤七、判断j≤m是否成立，若是，则转步骤八；若否，则转步骤十。

步骤八、求解等面积曲线：

由 $\left\{\begin{array}{c}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{\cos \mathrm{\θ}}(x_j^2-x^2)\\ \tan \mathrm{\θ}=\frac{y-(y_j+p_i)}{x_j-x}\end{array}\right.---\left(2\right)$

确定离散点(x_j，y_j+p_i)等面积曲线；

过流面积A_i、θ为点(x_j，y_j+p_i)和点(x，y)的连线与x负方向的夹角。

步骤九、阀座型面索引号j自加1，即j＝j+1，转步骤七；

步骤十、计算一次包络线；

由步骤七到步骤九对位移为p_i阀座型面曲线上所有的离散点{x_j，y_j+p_i}都求取了等面积曲线，组成一个曲线族A，利用包络线方法，由曲线族A可以得出一次包络线3；

步骤十一、行程节点索引号i自加1，即i＝i+1，计算新的位移

转步骤四；

步骤十二、计算二次包络线

步骤四到步骤十一对所有的行程离散点对应的阀座型面曲线都求取了一次包络线，这一系列一次包络线构成一个曲线族B，利用包络线方法，由曲线族B可以得出一条二次包络线，即阀芯型面。

为了实现上述目的，本发明根据阀座型面曲线，采用数值计算、通过两次包络线方法确定阀芯型面。

阀芯型面的设计就是要保证阀芯在任意位置，阀芯与阀座之间的最小流通面积都满足设计的流通面积，而不同的阀芯位置具有不同的流通面积。

首先阀芯在某个位置时，阀座上任一点，根据阀芯位置对应的设计流通面积可以计算出一条曲线，该曲线上任一点与阀座上该点连线绕阀芯轴线旋成的曲面面积为该阀芯位置对应的设计流通面积。那么由阀座上所有点可求出一系列曲线，这一系列曲线求得的一次包络线即为等流通面积曲线。

然后对阀芯所有位置都计算出其对应的等流通面积曲线就能得到一系列曲线，那么由这一系列曲线求解出的二次包络线就是所求的阀芯型面。

由包络线理论可知，包络线与得到该包络线的曲线族中的每一条曲线都相切，因此包络线与所有曲线有且仅有一个交点。那么对于任一阀芯位置，阀芯型面上总有一点在该阀芯位置所对应的等流通面积曲线上，这样就能保证在任一阀芯位置阀芯与阀座之间的最小流通面积均为设计的流通面积。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明设计流程图。

图2为本发明根据阀座离散点求解等面积曲线示意图。

图3为本发明根据等面积求解一次包络线示意图。

图4为本发明根据一次包络线族求解二次包络线的示意图。

图5为本发明具体实施例阀座特征参数及p_i＝0时一次包络线求解示意图。

图6为本发明具体实施例中二次包络线求解示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明设计方法，以阀芯为参考系，即认为阀芯是固定不变的，阀座沿阀芯对称轴移动，通过两次包络线方法确定阀芯型面。包括以下步骤：

步骤一、获取阀座型面离散点：

若阀座型面曲线可表示为解析的方程，那么对阀座进行离散，得到离散的坐标点集{x_j，y_j}，j＝0，1，2…m，并将该点集作为阀座初始型面离散点集。若阀座本身为离散的数据，则此步骤可跳过。需要注意的是离散点越密，最终的求解结果越精确，但是计算量也越大。

步骤二、离散阀座行程：

将阀座总的行程离散为n+1个离散的节点。那么行程节点索引号为i的行程节点处阀座的位移

i＝0，1，2…n，p_n为阀座总的行程。需要注意的是离散点越密，最终的求解结果越精确，但是计算量也越大。

步骤三、初始化行程节点索引号i＝0，即p_i＝p₀＝0，阀座型面位于初始位置；

步骤四、判断位移p_i≤p_n，即阀座位移在行程范围内。若是，则转步骤五；若否，则转步骤十二。

步骤五、平移阀座型面离散点

对于行程节点索引号为i的行程节点，阀座的位移为p_i。此时将阀座初始型面离散点沿y轴平移p_i就得到当前的阀座型面离散点，即对初始阀座型面离散点集做变换{x_j，y_j}→{x_j，y_i+p_i}。

步骤六、初始化阀座型面离散点索引号j＝0。

步骤七、判断j≤m是否成立，即阀座型面索引号j是否超出阀座索引号范围。若是，说明未完成所有阀座型面离散点的计算，则转步骤八；若否，说明已完成所有阀座型面离散点的计算，则转步骤十。

步骤八、求解等面积曲线：

给定阀座位移p_i，此时的过流面积A_i＝g(p_i)为常数。图4中，y轴为阀芯轴线，圆台侧面为虚线C₂围绕y轴旋成的曲面。对于阀座型面1上的离散点(x_j，y_j+p_i)，根据过流面积A_i按几何关系可以得到式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{\cos \mathrm{\θ}}(x_j^2-x^2)\\ \tan \mathrm{\θ}=\frac{y-(y_j+p_i)}{x_j-x}\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据式(1)可以确定平面内一条曲线2(图中仅给出部分曲线)，这里称之为等面积曲线。曲线2上任意点与点(x_j，y_j+p_i)构成的曲面面积为给定的过流面积A_i，如图2中虚线C₁、C₂、C₃围绕y轴旋成的曲面面积均为A_i。

步骤九、阀座型面索引号j自加1，即j＝j+1，准备计算下一个阀芯型面离散点。转步骤七。

步骤十、计算一次包络线；

步骤七到步骤九对阀座型面曲线1上所有的离散点{x_j，y_j+p_i}都求取了等面积曲线，得到一系列曲线，这些曲线组成一个曲线族A，如图3中虚线。图3中仅给出曲线族A的部分曲线。图中，曲线2-1、2-2、2-3、2-4分别为离散点D1、D2、D3、D4对应的等面积曲线。

利用现有技术公知的包络线方法，由曲线族A可以得出一条包络线3，如称图3，并称之为一次包络线。该包络线与阀座型面曲线满足处处的流通面积都为A_i＝g(p_i)给定的过流面积。

步骤十一、行程节点索引号i自加1，即i＝i+1。计算新的位移

准备对下一个行程节点进行计算，转步骤四。

步骤十二、计算二次包络线

步骤四到步骤十一对所有的行程离散点对应的阀座型面曲线都求取了一次包络线，得到一系列一次包络线，这一系列一次包络线构成一个曲线族B，如图4中的虚线部分。图中仅给出了曲线族B的部分曲线。如图4中，不同行程离散点下的阀座型面曲线1-1、1-2、1-3、1-4，其对应的一次包络线分别为3-1、3-2、3-3、3-4。

利用现有技术公知的包络线方法，由曲线族B可以得出一条包络线4，如图4。此即所求阀芯型面。

下面举例说明本发明的设计过程：

已知阀座曲线为圆弧，如图5中曲线5。图5给出了阀座的初始位置、基本型面及尺寸，圆弧的圆心位于(0.04，0)，单位为m。圆弧半径为0.03m，对应半径与x轴负方向角度为[0，60°]的圆弧段。

已知流量特性得到的面积与位移关系为：

A＝g(p)＝2.51×10^-4-1.885×10^-2·p(m²)                (4)

设计阀芯行程为0.01m。

根据步骤二，取n＝20，即将行程离散化为21个离散点，于是：

$p_i=\frac{i}{n}\·p_n=i\frac{0.01}{20}=i\·5\×{10}^{-4}m,$ i＝0，1，2…20

图5中还给出了初始位置，即i＝0，p_i＝0时，计算一次包络线的示意图。虚线6是当前行程下，阀座离散点的(0.01，0)部分等面积曲线。所有虚线为等面积曲线构成的曲线族的一部分。曲线7则是当前行程下的一次包络线。

图6给出了计算二次包络线的示意图。其中曲线族5s为不同位置的阀座型面曲线。曲线族7s即一次包络线构成的曲线族。最终计算处的曲线8为二次包络线，即为所求阀芯型面。

各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式作修改或变形，不背离发明的实质和范围。

Claims (1)

1.一种调节阀阀芯型面的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、获取阀座型面m+1个离散点，得到离散的坐标点集{x_j，y_j}，j＝0，1，2…m，；

步骤二、离散阀座行程：

将阀座总的行程离散为n+1个离散的节点，行程节点索引号为i的行程节点处阀座的位移

i＝0，1，2…n，p_n为阀座总的行程；

步骤三、初始化行程节点索引号i＝0，即p_i＝p₀，阀座型面位于初始位置；

步骤四、判断位移p_i≤p_n，若是，则转步骤五；若否，则转步骤十二；

步骤五、平移阀座型面离散点，将阀座初始型面离散点沿y轴平移p_i就得到当前的阀座型面离散点，即对初始阀座型面离散点集做变换{x_j，y_j}→{x_j，y_j+p_i}；

步骤六、初始化阀座型面离散点索引号j＝0；

步骤七、判断j≤m是否成立，若是，则转步骤八；若否，则转步骤十。

步骤八、求解等面积曲线：

由 $\left\{\begin{array}{c}{A}_i=\frac{\mathrm{\π}}{\cos \mathrm{\θ}}(x_j^2-x^2)\\ \tan \mathrm{\θ}=\frac{y-(y_j+p_i)}{x_j-x}\end{array}\right.---\left(1\right)$

确定离散点(x_j，y_j+p_i)等面积曲线；

过流面积A_i、θ为点(x_j，y_j+p_i)和点(x，y)的连线与x负方向的夹角。

步骤九、阀座型面索引号j自加1，即j＝j+1，转步骤七；

步骤十、计算一次包络线；

由步骤七到步骤九对位移为p_i阀座型面曲线上所有的离散点{x_j，y_j+p_i}都求取了等面积曲线，组成一个曲线族A，利用包络线方法，由曲线族A可以得出一次包络线(3)；

步骤十一、行程节点索引号i自加1，即i＝i+1，计算新的位移

转步骤四；

步骤十二、计算二次包络线

步骤四到步骤十一对所有的行程离散点对应的阀座型面曲线都求取了一次包络线，这一系列一次包络线构成一个曲线族B，利用包络线方法，由曲线族B可以得出一条二次包络线，即阀芯型面。

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