CN111853248B - 一种适用多种工况的先导式截止阀及其控制和标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用多种工况的先导式截止阀及其控制和标定方法，该先导式截止阀阀体的上端盖设连接有阀盖，隔板将阀体内部隔成进流通道和出流通道，隔板的孔洞中固定有阀座，阀座上设有阀芯，阀芯能通过导向套筒实现上下移动；阀芯的顶部与阀体的顶部之间固定连接有环形隔膜，阀芯的内壁、隔膜及阀盖共同围成封闭的腔室；先导管分别与腔室和出流通道相连通；通过转动推杆能控制压盖上下移动进而调节阀芯内部弹簧的压缩量；阀芯的底盖上开设贯通的阻尼孔。本发明的先导式截止阀能够在不拆卸、不拆解的前提下，仅通过在线调节就能使先导式截止阀适用于多种工况，不仅拓展了先导式截止阀的应用范围，还提升了先导式截止阀的使用便利性。
Description
技术领域
本发明涉及先导式截止阀领域，尤其是涉及一种适用多种工况的先导式截止阀及其控制和标定方法。
背景技术
截止阀是指阀芯沿阀座中心线作直线运动的阀门，其是流程工业管路系统中必不可少的设备，主要用于接通或截断系统中的流体介质。当前，截止阀的启闭主要有手动、电动、液动、气动及联动等几种驱动方式。每种驱动方式均存在一定弊端，例如手动方式存在启闭缓慢的问题，而电动、气动及液动方式则存在驱动机构庞大、运行能耗高的问题。
近年来，先导式截止阀被逐渐推广使用。该种截止阀总体采用“小阀控制大阀”的设计思路，通过结构设计实现利用“节流效应”产生流体压力差从而推动主阀启闭的功能。然而，现有先导式截止阀往往仅能适用于一种工况。当工况发生改变，可能出现无法开启导致阀门失效或阀芯撞击阀盖导致阀门损坏等多种不利情况。若要解决这些问题，就需要将先导式截止阀从工位上拆卸下来，拆解并更换弹簧等零部件，对先导式截止阀的使用造成许多不便。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种适用多种工况的先导式截止阀及其控制和标定方法，从而能够在不拆卸、不拆解先导式截止阀的前提下，通过在线调节就能使先导式截止阀达到适用于多种工况的目的。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种适用多种工况的先导式截止阀，其特征在于，包括阀体、阀芯、阀座、隔板、阀盖和先导管，阀体的上端盖设连接有阀盖；隔板将阀体内部的流道隔成进流通道和出流通道，隔板在竖直方向上开设贯通的孔洞，孔洞中固定有阀座，阀座上设有阀芯；
阀芯的上部外侧同轴套设导向套筒，导向套筒固定于所述阀体内壁，阀芯能通过导向套筒的导向作用实现上下移动；当阀芯的底盖移动至与阀座贴合时，阀芯能将阀座完全封闭，使进流通道和出流通道不连通；当阀芯的底盖向上移动并与阀座脱离时，进流通道的流体能通过阀芯与阀座之间的间隙进入出流通道；阀芯的顶部与阀体的顶部之间固定连接有环形隔膜，隔膜为流体无法穿透的材料；所述阀芯的顶部设有阀芯压板，隔膜的内侧圆周固定于阀芯与阀芯压板之间，隔膜的外侧圆周固定于阀体与阀盖之间；阀芯的内壁、隔膜及阀盖共同围成封闭的腔室；所述先导管的一端与所述腔室相连通，另一端与所述出流通道相连通，先导管上安装有先导阀，用于控制管路的开闭；
阀芯内部设有能竖直方向上伸缩的弹簧，弹簧始终处于压缩状态；弹簧的一端与阀芯底盖连接，另一端固定有压盖，压盖的横截面积小于阀芯的横截面积；压盖上固定连接有推杆，推杆顶部贯穿阀盖并位于阀盖外侧，推杆与阀盖之间通过螺纹连接，通过转动推杆能控制压盖上下移动进而调节弹簧的压缩量；阀芯的底盖上开设贯通的阻尼孔，使流体从阀芯底部通过阻尼孔进入阀芯内部时能产生节流效应。
作为优选，所述先导阀为球阀、旋塞阀、截止阀或闸阀中的一种。
作为优选，所述推杆位于阀盖外部的顶端固定连接有手轮，能通过手轮控制推杆的转动。
作为优选，所述手轮上开设有供测量棒穿过的通孔，所述测量棒为带有刻度的直杆，测量棒与推杆的轴线互相平行，用于测量推杆下沉位移。
本发明的第二目的在于提供一种基于上述任一所述先导式截止阀的流体控制方法，其具体如下：
S51、当所述先导式截止阀启动至待机状态时，首先根据阀体的进流流速va，通过阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间关系的标定表确定推杆下沉位移ha；所述v为阀体进流口处的平均流速，h为推杆顶部相对于推杆基准位置的距离，所述推杆基准位置指的是转动推杆使压盖与阀盖相接触，弹簧高度达到最大时推杆顶部所处的位置；
通过转动推杆使推杆顶部相对于推杆基准位置的距离为ha；关闭先导阀，使流体自阀体的进流口流入进流通道，经阀芯底盖上的阻尼孔进入阀芯内部；通过先导阀的阻隔作用，使流体逐渐充满阀芯；当流体充满阀芯时，阀芯底盖的上、下表面流体压力相等，在弹簧弹力与阀芯重力的共同作用下，阀芯底盖与阀座之间紧密贴合，流体无法进入出流通道；
S52、当所述先导式截止阀由待机状态转变至工作状态时，开启先导阀，使先导管处于连通状态；流体自阀体的进流口流入进流通道，经阀芯底盖上的阻尼孔进入阀芯内部，然后通过先导管流入出流通道，并经阀体出流口流出；通过阻尼孔的节流效应，阀芯底盖上表面的流体压力低于下表面的流体压力，上、下表面的压力差产生沿着阀芯轴线向上的轴向力；当向上的轴向力大于弹簧弹力与阀芯重力的合力时，阀芯被向上抬升，阀芯与阀座之间产生间隙；同时，弹簧被进一步压缩，弹簧的弹力增大；当轴向力与合力的大小相同时，阀芯位置保持不变；此时，流体自阀体的进流口流入进流通道，一部分通过阀芯与阀座之间产生的间隙进入出流通道，另一部分经阀芯底盖上的阻尼孔进入阀芯内部，然后通过先导管流入出流通道；
S53、当所述先导式截止阀由工作状态转变至待机状态时，关闭先导阀，使先导管处于断开状态；流体自阀体的进流口流入进流通道后不再通过阻尼孔和先导管流入出流通道，流体流经阻尼孔时的节流效应消失，阀芯底盖上表面与下表面的流体压力相同；此时，在弹簧弹力与阀芯重力的共同作用下，阀芯逐渐下降，直至阀芯底盖与阀座之间紧密贴合，流体无法进入出流通道；
S54、当阀体进流流速由va变化至vb时，首先按照S4将所述先导式截止阀转变至待机状态，然后通过所述标定表确定推杆下沉位移hb，通过转动推杆使推杆顶部相对于所述推杆基准位置的距离为hb；最后按照S3将所述先导式截止阀由待机状态转变至工作状态。
本发明的第三目的在于提供一种如上述任一所述先导式截止阀的标定方法，其具体如下：
S61、根据设计文件，通过三维建模软件构建所述先导式截止阀的三维结构模型A；所述设计文件包括所述先导式截止阀的组成信息和使用工况信息，组成信息包括先导式截止阀的结构、尺寸和材料属性，使用工况信息包括通入流体的物性、阀体出流口处的压力p2以及阀体进流流速的最大值vmax和最小值vmin；
S62、在所述三维结构模型A中，沿着导向套筒的轴线方向移动阀芯，使阀芯底部与阀座顶部的距离为0.8Lmax，同时开启先导阀，使先导管处于连通状态，得到三维结构模型B；
其中，阀芯与阀座接触时的位置为a位置，阀芯与阀盖接触的位置为b位置，当阀芯分别位于a位置与b位置时，阀芯底面之间的距离为最大阀芯位移Lmax；
S63、通过所述三维结构模型B得到先导式截止阀的流道模型，流道模型是由进流通道、阀芯与阀座之间的间隙空间、阻尼孔、腔室、先导管内腔和出流通道共同组成的三维几何空间结构；
S64、将所述流道模型通过网格划分软件离散得到先导式截止阀的网格模型；
S65、将所述网格模型导入计算流体力学软件；
S66、在所述计算流体力学软件中，根据S61中进流流速的最大值vmax和最小值vmin，将阀体的进流流速设置成若干流速梯度，将阀体出流口处的压力设置为与S61中所述设计文件中相同的p2值，对所述网格模型占据的全部空间赋予与S61中所述设计文件中相同的流体物性；
S67、完成S66的设置后，通过所述计算流体力学软件，得到由阀芯底盖上、下表面压力差引起的阀芯轴向力FA；
S68、完成S67的设置后，通过公式得到此时的推杆下沉位移h，具体如下：
其中，根据S61中所述设计文件，确定弹簧的刚度为k，弹簧的初始压缩长度为c，阀芯及安装在阀芯上零部件的合重力为G；
S69、在所述计算流体力学软件中，调整阀体的进流流速依次为S66中所述流速梯度的值，对于每一个进流流速值，均可以根据S67～S68获得对应流速下的推杆下沉位移；将每个流速值对应下的推杆下沉位移进行汇总，得到该出流口压力p2下的标定表。
作为优选，S61中所述三维建模软件为Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYS Workbench DesignModeler和ANSYS Workbench SpaceClaim中的一种。
作为优选，S64中所述网格划分软件为ICEM CFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro、ANSYS Workbench Mesh中的一种。
作为优选，S65中所述计算流体力学软件为ANSYS Fluent、ANSYS CFX、STAR-CD、STAR-CCM、NUMECA、OpenFOAM中的一种。
作为优选，S66中所述若干流速梯度的划分按照公式进行，具体如下：
其中，vi为单位梯度下的进流流速，n∈[0，N]且n为整数，
为梯度步长。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)本发明的先导式截止阀能够在不拆卸、不拆解的前提下，仅通过在线调节就能使先导式截止阀适用于多种工况，不仅拓展了先导式截止阀的应用范围，还提升了先导式截止阀的使用便利性；
2)本发明的先导式截止阀通过数值模拟，确定了阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间关系，不仅规避了实验测试的高经济成本和高时间成本，还简化了设计流程，提升了设计效率。
附图说明
图1是本发明先导式截止阀的结构示意图；
图2是本发明先导式截止阀的剖面示意图；
图3是图2中阀芯的局部放大示意图；
图4是图2中手轮的局部放大示意图；
图5是图2中压盖的局部放大示意图；
图6是将本发明的先导式截止阀安装于目标系统中的示意图；
图7是本发明的先导式截止阀处于待机状态的剖面示意图；
图8是本发明的先导式截止阀处于工作状态的剖面示意图；
图中：1阀盖，2螺栓，3推杆，4手轮，5先导阀，6先导管，7阀体，8螺母，9导向套筒，10阀芯压板，11弹簧，12隔膜，13第一螺钉，14阀芯，15阀座，16压盖，17第二螺钉，18推杆压板，19测量棒，20阻尼孔，21隔板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1和2所示，为本发明的一种适用多种工况的先导式截止阀，其包括阀体7、阀芯14、阀座15、隔板21、阀盖1和先导管6。其中，阀体7是一个开设有三个圆口的容器，其中两个圆口相互平行，并垂直于第三个圆口，三个圆口外侧均设有法兰。三个法兰上分别设置有一圈通孔，通孔数大于或等于6个，用于与阀体7连接安装。阀体7上相互平行的两个圆口分别为阀体7的进流口与阀体7的出流口，用于流体流入和流出阀体7。竖直方向上的第三个圆口为安装口，用于安装阀体7内的零部件。阀体7的上端盖设连接有阀盖1，阀盖1的横截面为圆形，纵向截面为“凹”字形，且“凹”口朝向阀体7内部来进行安装。阀盖1的直径与阀体7安装口的法兰直径相同，在阀盖1近边缘处沿周向开设有一圈通孔，与阀体7安装口法兰通孔相对应，用于与阀盖1相应通孔吻合安装。阀体7内设置有隔板21，隔板21将阀体7内部的流道隔成进流通道和出流通道，隔板21截面为斜“Z”字形，阀体7与隔板21之间可以通过铸造一体成型，来增加密封性能。隔板21在竖直方向上开设贯通的孔洞，孔洞中固定有阀座15，阀座15通过过盈配合安装于该孔洞内。
如图3所示，阀座15上设有阀芯14，阀芯14的上部外侧同轴套设导向套筒9，导向套筒9固定于阀体7内壁，阀芯14能在导向套筒9的导向作用下实现竖直方向的上下移动。导向套筒9与阀体7的固定方式可以为：阀体7安装口内侧设置有一圈环形凸台，导向套筒9通过过盈配合安装于该凸台上。阀芯14为平底圆筒形，筒口朝向阀体7安装口外侧，其周向与导向套筒9间隙配合。当阀芯14的底盖移动至与阀座15贴合时，阀芯14能将阀座15完全封闭，使进流通道和出流通道不连通。当阀芯14的底盖向上移动并与阀座15脱离时，进流通道的流体能通过阀芯14与阀座15之间的间隙进入出流通道。为了使阀芯14与阀座15贴合时进流通道和出流通道不连通，可以在阀座15顶部周向设置一圈隔水密封条，或者在阀芯14底部周向开设凹槽，阀座15能够刚好与该凹槽卡合连接，以增加密封性能。
阀芯14的顶部与阀体7的顶部之间固定连接有环形隔膜12，隔膜12为流体无法穿透的材料。阀芯14的顶部设有阀芯压板10，阀芯压板10为环形结构，其纵向截面为倒“L”字形，阀芯压板10的一边开设有一圈螺纹孔，与阀芯14顶部的筒口处开设的螺纹孔相对应。隔膜12为环形薄片，沿内侧圆周和外侧圆周均开设有两圈通孔，内侧的通孔与阀芯14筒口螺纹孔相对应，利用六角螺栓2与六角螺母8，将隔膜12外侧夹紧于阀体7与阀盖1之间。外侧通孔与阀体7安装口法兰通孔相对应，利用六角螺钉13，将隔膜12内侧夹紧于阀芯14与阀芯压板10之间。由此，阀芯14的内壁、隔膜12及阀盖1共同围成了一个相对封闭的腔室。阀芯14的底盖上开设贯通的阻尼孔20，使流体从阀芯14底部通过阻尼孔20进入阀芯14内部时能产生节流效应。
阀芯14内部设有能竖直方向上伸缩的弹簧11，弹簧11始终处于压缩状态，在竖直方向上具有弹力。在阀芯14底盖开设一个中央圆槽，弹簧11外径等于阀芯14底盖上中央圆槽的直径，弹簧11的一端与阀芯14底盖连接，另一端固定有压盖16。压盖16的横截面积应小于阀芯14的横截面积，防止由于压盖16横截面积过大阻碍水流在阀芯14内部的流通状态。
如图5所示，压盖16上固定连接有推杆3，推杆3顶部贯穿阀盖1并位于阀盖1外侧，阀盖1中央开设有一个螺纹孔，该螺纹孔用于与推杆3相连接，通过转动推杆3能控制压盖16上下移动，进而调节弹簧11的压缩量。在实际应用时，为了便于组装拆卸，可以将推杆3制作为底部焊有圆板的杆状结构，直杆外侧设置螺纹，用于与阀盖1中央的螺纹孔配合转动。压盖16为平底圆盖形，盖口朝向阀体7内侧，压盖16内径等于阀芯14底部中央圆槽的直径。压盖16的顶部中央开设有一个圆形槽，该圆形槽直径大于推杆3底部圆板的直径，二者差值大于或等于1mm，该圆形槽的深度等于推杆3底部圆板的厚度。压盖16顶部近边缘处沿周向开设有一圈螺纹孔，螺纹孔数大于或等于8。推杆压板18为中央开设有通孔的圆板，其中央通孔与弹簧推杆3圆棒部分间隙配合。推杆压板18的底部开设有一个圆形槽，该圆形槽的直径等于压盖16顶部中央圆形槽的直径，该圆形槽的深度小于或等于推杆3底部圆板厚度的五分之一。推杆压板18近边缘处沿周向开设有一圈通孔，该通孔与压盖16顶部开设的螺纹孔相对应。利用第二螺钉17，将推杆3底部圆板夹持于弹簧压盖16顶部中央圆形槽与推杆压板18底部圆形槽之间，第二螺钉17可以采用一字开槽圆柱头螺钉。
如图4所示，为了便于旋转推杆3，通过转动推杆3控制压盖16上下移动，进而调节弹簧11的压缩量，可以在推杆3位于阀盖1外部的顶端固定连接一个手轮4，通过手轮4来控制推杆3的转动，推杆3顶部与手轮4之间可以通过螺纹相连接。手轮4上沿周向可以开设有一圈通孔，通孔数大于或等于4，该通孔与测量棒19间隙配合。测量棒19为表面绘有刻度的直杆，测量棒19与推杆3的轴线之间互相平行，用于测量推杆下沉位移。
如图2所示，先导管6的一端与阀芯14的内壁、隔膜12及阀盖1共同围成的腔室相连通，先导管6的另一端与出流通道相连通。先导管6上安装有先导阀5，用于控制管路的开闭。其中，先导管6为两端均设置有连接凸台的光管，连接凸台外侧设置有螺纹。阀盖1顶部在中央螺纹孔与近边缘的一圈通孔之间设置有一个通孔，沿着该通孔周向在阀盖1顶部设置有一个连接凸台，连接凸台外侧设置有螺纹。阀盖1与连接凸台通过铸造一体成型。阀体7近出口处设置有一个通孔，沿着该通孔周向在阀体7外侧设置有一个连接凸台，连接凸台外侧设置有螺纹。阀体7与连接凸台通过铸造一体成型。利用六角的螺母8和上述连接凸台的配合作用，将阀盖1与先导管6，先导管6与先导阀5，先导管6与阀体7分别相连。先导阀起开关作用，当先导阀5处于开启状态时，先导管6连通；当先导阀5处于关闭状态时，先导管6断开。该先导阀5可以采用球阀、旋塞阀、截止阀或闸阀中的一种。
如图6所示，上述先导式截止阀在实际应用时，首先将该先导式截止阀安装于目标系统中，该目标系统包括阀前段、先导式截止阀和阀后段，三者依次通过管路进行连接，流体自阀前段进入，经先导式截止阀后流向阀后段。当先导式截止阀在目标系统中安装好后，就可以进行流体的控制，具体如下：
S51、如图8所示，当先导式截止阀启动至待机状态时，首先根据阀体7的进流流速va，通过阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间关系的标定表，来确定推杆下沉位移ha。其中，v为阀体7进流口处的平均流速，h为推杆3顶部相对于推杆基准位置的距离，推杆基准位置指的是转动推杆3使压盖16与阀盖1相接触，也就是弹簧11高度达到最大时，推杆3顶部所处的位置。
借助刻度棒19，通过旋转手轮4来调整弹杆3的下沉位移，使推杆3顶部相对于推杆基准位置的距离为ha，则弹簧10保持与推杆3高度相应的压缩量。取下测量棒后，关闭先导阀5，使流体自阀体7的进流口流入进流通道，经阀芯14底盖上的阻尼孔20后进入阀芯14的内部。由于先导阀5处于关闭状态，因此流体通过先导阀5的阻隔作用在阀芯14内无法流出，逐渐充满阀芯14。当流体充满阀芯14、阀盖1与隔膜12包围而成的空间后，会停止不动。此时，阀芯14底盖的上、下表面流体压力相等，在弹簧11弹力与阀芯14重力的共同作用下，阀芯14底盖与阀座15之间紧密贴合，形成有效密封，流体无法进入出流通道。
S52、如图7所示，当先导式截止阀由待机状态转变至工作状态时，开启先导阀5，使先导管6处于连通状态。流体自阀体7的进流口流入进流通道，经阀芯14底盖上的阻尼孔20进入阀芯14内部，然后通过先导管6流入出流通道，并经阀体出流口流出。通过阻尼孔20的节流效应，阀芯14底盖上表面的流体压力低于下表面的流体压力，上、下表面的压力差产生沿着阀芯14轴线向上的轴向力。当向上的轴向力大于弹簧11弹力与阀芯14重力的合力时，阀芯14被向上抬升，阀芯14与阀座15之间产生间隙。同时，弹簧11被进一步压缩，弹簧11的弹力逐渐增大。阀芯14最终维持在一定高度，在该高度下，阀芯14底部上、下表面压力差等于弹簧11弹力与阀芯14重力的合力。此时，流体自阀体7的进流口流入进流通道，一部分通过阀芯14与阀座15之间产生的间隙进入出流通道，另一部分经阀芯14底盖上的阻尼孔20进入阀芯14内部，然后通过先导管6流入出流通道。
S53、当先导式截止阀由工作状态转变至待机状态时，关闭先导阀5，使先导管6处于断开状态。流体自阀体7的进流口流入进流通道后，不再通过阻尼孔20和先导管6流入出流通道，流体流经阻尼孔20时的节流效应消失，阀芯14底盖上表面与下表面的流体压力逐渐恢复相等。此时，在弹簧11弹力与阀芯14重力的共同作用下，阀芯14逐渐下降，直至阀芯14底盖与阀座15之间紧密贴合，形成有效密封，流体无法进入出流通道；
S54、当阀体进流流速发生变化，比如阀体进流流速由va变化至vb时，首先按照S4将先导式截止阀转变至待机状态，然后通过标定表确定推杆下沉位移hb。借助刻度棒19，通过转动手轮4调整推杆3位置，使推杆3顶部相对于推杆基准位置的距离为hb，则弹簧10保持与推杆3高度相应的压缩量。最后按照S3将先导式截止阀由待机状态转变至工作状态。
为了获得更加精准的标定表以反映阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间的关系，本发明还提供了一种基于上述先导式截止阀的标定方法，具体如下：
S61、根据先导式截止阀的设计文件，通过三维建模软件构建先导式截止阀的三维结构模型A。设计文件包括先导式截止阀的组成信息和使用工况信息，其中，组成信息包括先导式截止阀所有组成零部件尺寸、材料属性，零部件相互之间装配关系的机械图纸或模型，使用工况信息包括通入流体的物性、阀体出流口处的压力p2以及阀体进流流速的最大值vmax和最小值vmin。三维建模软件可以采用Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYS Workbench DesignModeler和ANSYS Workbench SpaceClaim中的一种。
S62、在S61得到的三维结构模型A中，定义阀芯14与阀座15接触时的位置为a位置，阀芯14与阀盖1接触的位置为b位置，当阀芯14分别位于a位置与b位置时，阀芯14底面之间的距离为最大阀芯位移Lmax。则在三维建模软件中，沿着导向套筒9的轴线方向移动阀芯14，使阀芯14底部与阀座15顶部的距离为0.8Lmax。同时，开启先导阀5，使先导管6处于连通状态，得到三维结构模型B。
S63、在三维建模软件中创建一个实心几何体作为基体，使基体包含当前构建的先导式截止阀的三维结构模型B所占据的全部空间，并从基体中减出以先导式截止阀的流道模型。流道模型是由进流通道、阀芯14与阀座15之间的间隙空间、阻尼孔20、腔室、先导管6内腔和出流通道共同组成的三维几何空间结构。
S64、将S63得到的流道模型导入网格划分软件中，并离散为先导式截止阀的网格模型。网格划分软件可以采用ICEM CFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro、ANSYS Workbench Mesh中的任意一种。
S65、将S64中得到的网格模型导入计算流体力学软件中，计算流体力学软件可以采用ANSYS Fluent、ANSYS CFX、STAR-CD、STAR-CCM、NUMECA、OpenFOAM中的任意一种。
S66、在计算流体力学软件中，根据S61中进流流速的最大值vmax和最小值vmin，将阀体的进流流速设置成多流速梯度，将阀体出流口处的压力设置为与S61中设计文件中相同的p2值。对内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，流体密度与流体粘性数值依据设计文件中的介质物性。
其中，多流速梯度的划分可以按照公式(2)进行，具体如下：
公式中，vi为单位梯度下的进流流速，n∈[0，N]且n为整数，
为梯度步长。为了保证先导式截止阀的顺利工作，一般需要使N满足N≥4，以便在不同的流速工况下对先导式截止阀进行相应的调节，避免损坏。
S67、完成S66的设置后，通过计算流体力学软件，得到由阀芯14底盖上、下表面压力差引起的阀芯轴向力FA。
S68、完成S67的设置后，通过公式(1)得到此时的推杆下沉位移h，具体如下：
其中，根据S61中设计文件，确定弹簧11的刚度为k，弹簧11的初始压缩长度为c，阀芯14及安装在阀芯14上零部件的合重力为G。
S69、在计算流体力学软件中，调整阀体的进流流速依次为S66中流速梯度的值，对于每一个进流流速值，均可以根据S67～S68获得对应流速下的推杆下沉位移。将每个流速值对应下的推杆下沉位移进行汇总，得到该出流口压力p2下的标定表，标定表的形式可以为：
标定表
实施例
为了获得更加精准的标定表以反映阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间的关系，本实施例进行了基于上述先导式截止阀的标定方法，具体如下：
S61、根据先导式截止阀的设计文件，通过三维建模软件构建先导式截止阀的三维结构模型A。设计文件包括先导式截止阀的组成信息和使用工况信息，其中，组成信息包括先导式截止阀所有组成零部件尺寸、材料属性，零部件相互之间装配关系的机械图纸或模型，使用工况信息包括通入流体的物性、阀体出流口处的压力p2以及阀体进流流速的最大值vmax和最小值vmin。本实施例采用的三维建模软件为Solidworks。
S62、在S61得到的三维结构模型A中，定义阀芯14与阀座15接触时的位置为a位置，阀芯14与阀盖1接触的位置为b位置，当阀芯14分别位于a位置与b位置时，阀芯14底面之间的距离为最大阀芯位移Lmax。则在三维建模软件中，沿着导向套筒9的轴线方向移动阀芯14，使阀芯14底部与阀座15顶部的距离为0.8Lmax。同时，开启先导阀5，使先导管6处于连通状态，得到三维结构模型B。
S63、在三维建模软件中创建一个实心几何体作为基体，使基体包含当前构建的先导式截止阀的三维结构模型B所占据的全部空间，并从基体中减出以先导式截止阀的流道模型。流道模型是由进流通道、阀芯14与阀座15之间的间隙空间、阻尼孔20、腔室、先导管6内腔和出流通道共同组成的三维几何空间结构。
S64、将S63得到的流道模型导入网格划分软件中，并离散为先导式截止阀的网格模型。本实施例使用的网格划分软件为ICEM CFD。
S65、将S64中得到的网格模型导入计算流体力学软件中，本实施例使用的计算流体力学软件为ANSYS Fluent。
S66、在计算流体力学软件中，根据S61中进流流速的最大值vmax＝3m/s和最小值vmin＝1m/s，将阀体的进流流速设置成多流速梯度，将阀体出流口处的压力设置为与S61中设计文件中相同的p2值，p2＝2.5MPa。对内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，流体密度与流体粘性数值依据设计文件中的介质物性，在本实施例中，采用的流体为常温液态水，其密度为998.3kg/m3，其粘度为0.0010006kg/(m·s)。
其中，多流速梯度的划分可以按照公式(2)进行，具体如下：
公式中，vi为单位梯度下的进流流速，n∈[0，N]且n为整数，
为梯度步长，本实施例中N＝4。
S67、完成S66的设置后，通过计算流体力学软件，得到由阀芯14底盖上、下表面压力差引起的阀芯轴向力FA。
S68、完成S67的设置后，通过公式(1)得到此时的推杆下沉位移h，具体如下：
其中，根据S61中设计文件，确定弹簧11的刚度为k，弹簧11的初始压缩长度为c，阀芯14及安装在阀芯14上零部件的合重力为G。在本实施例中，k＝2N/mm，c＝10mm，G＝10N。
S69、在计算流体力学软件中，调整阀体的进流流速依次为S66中流速梯度的值，对于每一个进流流速值，均可以根据S67～S68获得对应流速下的推杆下沉位移。将每个流速值对应下的推杆下沉位移进行汇总，得到该出流口压力p2下的标定表，本实施例的标定表为：
标定表
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于适用多种工况的先导式截止阀的流体控制方法，其特征在于，所述适用多种工况的先导式截止阀包括阀体(7)、阀芯(14)、阀座(15)、隔板(21)、阀盖(1)和先导管(6)，阀体(7)的上端盖设连接有阀盖(1)；隔板(21)将阀体(7)内部的流道隔成进流通道和出流通道，隔板(21)在竖直方向上开设贯通的孔洞，孔洞中固定有阀座(15)，阀座(15)上设有阀芯(14)；
阀芯(14)的上部外侧同轴套设导向套筒(9)，导向套筒(9)固定于所述阀体(7)内壁，阀芯(14)能通过导向套筒(9)的导向作用实现上下移动；当阀芯(14)的底盖移动至与阀座(15)贴合时，阀芯(14)能将阀座(15)完全封闭，使进流通道和出流通道不连通；当阀芯(14)的底盖向上移动并与阀座(15)脱离时，进流通道的流体能通过阀芯(14)与阀座(15)之间的间隙进入出流通道；阀芯(14)的顶部与阀体(7)的顶部之间固定连接有环形隔膜(12)，隔膜(12)为流体无法穿透的材料；所述阀芯(14)的顶部设有阀芯压板(10)，隔膜(12)的内侧圆周固定于阀芯(14)与阀芯压板(10)之间，隔膜(12)的外侧圆周固定于阀体(7)与阀盖(1)之间；阀芯(14)的内壁、隔膜(12)及阀盖(1)共同围成封闭的腔室；所述先导管(6)的一端与所述腔室相连通，另一端与所述出流通道相连通，先导管(6)上安装有先导阀(5)，用于控制管路的开闭；
阀芯(14)内部设有能竖直方向上伸缩的弹簧(11)，弹簧(11)始终处于压缩状态；弹簧(11)的一端与阀芯(14)底盖连接，另一端固定有压盖(16)，压盖(16)的横截面积小于阀芯(14)的横截面积；压盖(16)上固定连接有推杆(3)，推杆(3)顶部贯穿阀盖(1)并位于阀盖(1)外侧，推杆(3)与阀盖(1)之间通过螺纹连接，通过转动推杆(3)能控制压盖(16)上下移动进而调节弹簧(11)的压缩量；阀芯(14)的底盖上开设贯通的阻尼孔(20)，使流体从阀芯(14)底部通过阻尼孔(20)进入阀芯(14)内部时能产生节流效应；
所述流体控制方法具体如下：
S51、当所述先导式截止阀启动至待机状态时，首先根据阀体(7)的进流流速va，通过阀体进流流速v与推杆下沉位移h之间关系的标定表确定推杆下沉位移ha；所述v为阀体(7)进流口处的平均流速，h为推杆(3)顶部相对于推杆基准位置的距离，所述推杆基准位置指的是转动推杆(3)使压盖(16)与阀盖(1)相接触，弹簧(11)高度达到最大时推杆(3)顶部所处的位置；
通过转动推杆(3)使推杆(3)顶部相对于推杆基准位置的距离为ha；关闭先导阀(5)，使流体自阀体(7)的进流口流入进流通道，经阀芯(14)底盖上的阻尼孔(20)进入阀芯(14)内部；通过先导阀(5)的阻隔作用，使流体逐渐充满阀芯(14)；当流体充满阀芯(14)时，阀芯(14)底盖的上、下表面流体压力相等，在弹簧(11)弹力与阀芯(14)重力的共同作用下，阀芯(14)底盖与阀座(15)之间紧密贴合，流体无法进入出流通道；
S52、当所述先导式截止阀由待机状态转变至工作状态时，开启先导阀(5)，使先导管(6)处于连通状态；流体自阀体(7)的进流口流入进流通道，经阀芯(14)底盖上的阻尼孔(20)进入阀芯(14)内部，然后通过先导管(6)流入出流通道，并经阀体出流口流出；通过阻尼孔(20)的节流效应，阀芯(14)底盖上表面的流体压力低于下表面的流体压力，上、下表面的压力差产生沿着阀芯(14)轴线向上的轴向力；当向上的轴向力大于弹簧(11)弹力与阀芯(14)重力的合力时，阀芯(14)被向上抬升，阀芯(14)与阀座(15)之间产生间隙；同时，弹簧(11)被进一步压缩，弹簧(11)的弹力增大；当轴向力与合力的大小相同时，阀芯(14)位置保持不变；此时，流体自阀体(7)的进流口流入进流通道，一部分通过阀芯(14)与阀座(15)之间产生的间隙进入出流通道，另一部分经阀芯(14)底盖上的阻尼孔(20)进入阀芯(14)内部，然后通过先导管(6)流入出流通道；
S53、当所述先导式截止阀由工作状态转变至待机状态时，关闭先导阀(5)，使先导管(6)处于断开状态；流体自阀体(7)的进流口流入进流通道后不再通过阻尼孔(20)和先导管(6)流入出流通道，流体流经阻尼孔(20)时的节流效应消失，阀芯(14)底盖上表面与下表面的流体压力相同；此时，在弹簧(11)弹力与阀芯(14)重力的共同作用下，阀芯(14)逐渐下降，直至阀芯(14)底盖与阀座(15)之间紧密贴合，流体无法进入出流通道；
S54、当阀体进流流速由va变化至vb时，首先按照S4将所述先导式截止阀转变至待机状态，然后通过所述标定表确定推杆下沉位移hb，通过转动推杆(3)使推杆(3)顶部相对于所述推杆基准位置的距离为hb；最后按照S3将所述先导式截止阀由待机状态转变至工作状态。
2.一种适用多种工况的先导式截止阀的标定方法，其特征在于，所述适用多种工况的先导式截止阀包括阀体(7)、阀芯(14)、阀座(15)、隔板(21)、阀盖(1)和先导管(6)，阀体(7)的上端盖设连接有阀盖(1)；隔板(21)将阀体(7)内部的流道隔成进流通道和出流通道，隔板(21)在竖直方向上开设贯通的孔洞，孔洞中固定有阀座(15)，阀座(15)上设有阀芯(14)；
阀芯(14)的上部外侧同轴套设导向套筒(9)，导向套筒(9)固定于所述阀体(7)内壁，阀芯(14)能通过导向套筒(9)的导向作用实现上下移动；当阀芯(14)的底盖移动至与阀座(15)贴合时，阀芯(14)能将阀座(15)完全封闭，使进流通道和出流通道不连通；当阀芯(14)的底盖向上移动并与阀座(15)脱离时，进流通道的流体能通过阀芯(14)与阀座(15)之间的间隙进入出流通道；阀芯(14)的顶部与阀体(7)的顶部之间固定连接有环形隔膜(12)，隔膜(12)为流体无法穿透的材料；所述阀芯(14)的顶部设有阀芯压板(10)，隔膜(12)的内侧圆周固定于阀芯(14)与阀芯压板(10)之间，隔膜(12)的外侧圆周固定于阀体(7)与阀盖(1)之间；阀芯(14)的内壁、隔膜(12)及阀盖(1)共同围成封闭的腔室；所述先导管(6)的一端与所述腔室相连通，另一端与所述出流通道相连通，先导管(6)上安装有先导阀(5)，用于控制管路的开闭；
阀芯(14)内部设有能竖直方向上伸缩的弹簧(11)，弹簧(11)始终处于压缩状态；弹簧(11)的一端与阀芯(14)底盖连接，另一端固定有压盖(16)，压盖(16)的横截面积小于阀芯(14)的横截面积；压盖(16)上固定连接有推杆(3)，推杆(3)顶部贯穿阀盖(1)并位于阀盖(1)外侧，推杆(3)与阀盖(1)之间通过螺纹连接，通过转动推杆(3)能控制压盖(16)上下移动进而调节弹簧(11)的压缩量；阀芯(14)的底盖上开设贯通的阻尼孔(20)，使流体从阀芯(14)底部通过阻尼孔(20)进入阀芯(14)内部时能产生节流效应；
所述标定方法具体如下：
S61、根据设计文件，通过三维建模软件构建所述先导式截止阀的三维结构模型A；所述设计文件包括所述先导式截止阀的组成信息和使用工况信息，组成信息包括先导式截止阀的结构、尺寸和材料属性，使用工况信息包括通入流体的物性、阀体出流口处的压力p2以及阀体进流流速的最大值vmax和最小值vmin；
S62、在所述三维结构模型A中，沿着导向套筒(9)的轴线方向移动阀芯(14)，使阀芯(14)底部与阀座(15)顶部的距离为0.8Lmax，同时开启先导阀(5)，使先导管(6)处于连通状态，得到三维结构模型B；
其中，阀芯(14)与阀座(15)接触时的位置为a位置，阀芯(14)与阀盖(1)接触的位置为b位置，当阀芯(14)分别位于a位置与b位置时，阀芯(14)底面之间的距离为最大阀芯位移Lmax；
S63、通过所述三维结构模型B得到先导式截止阀的流道模型，流道模型是由进流通道、阀芯(14)与阀座(15)之间的间隙空间、阻尼孔(20)、腔室、先导管(6)内腔和出流通道共同组成的三维几何空间结构；
S64、将所述流道模型通过网格划分软件离散得到先导式截止阀的网格模型；
S65、将所述网格模型导入计算流体力学软件；
S66、在所述计算流体力学软件中，根据S61中进流流速的最大值vmax和最小值vmin，将阀体的进流流速设置成若干流速梯度，将阀体出流口处的压力设置为与S61中所述设计文件中相同的p2值，对所述网格模型占据的全部空间赋予与S61中所述设计文件中相同的流体物性；
S67、完成S66的设置后，通过所述计算流体力学软件，得到由阀芯(14)底盖上、下表面压力差引起的阀芯轴向力FA；
S68、完成S67的设置后，通过公式(1)得到此时的推杆下沉位移h，具体如下：
其中，根据S61中所述设计文件，确定弹簧(11)的刚度为k，弹簧(11)的初始压缩长度为c，阀芯(14)及安装在阀芯(14)上零部件的合重力为G；
S69、在所述计算流体力学软件中，调整阀体的进流流速依次为S66中所述流速梯度的值，对于每一个进流流速值，均可以根据S67～S68获得对应流速下的推杆下沉位移；将每个流速值对应下的推杆下沉位移进行汇总，得到该出流口压力p2下的标定表。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述先导阀(5)为球阀、旋塞阀、截止阀或闸阀中的一种。
4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述推杆(3)位于阀盖(1)外部的顶端固定连接有手轮(4)，能通过手轮(4)控制推杆(3)的转动。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述手轮(4)上开设有供测量棒(19)穿过的通孔，所述测量棒(19)为带有刻度的直杆，测量棒(19)与推杆(3)的轴线互相平行，用于测量推杆下沉位移。
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S61中所述三维建模软件为Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYS Workbench DesignModeler和ANSYS WorkbenchSpaceClaim中的一种。
7.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S64中所述网格划分软件为ICEM CFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro、ANSYS Workbench Mesh中的一种。
8.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S65中所述计算流体力学软件为ANSYSFluent、ANSYS CFX、STAR-CD、STAR-CCM、NUMECA、OpenFOAM中的一种。
9.根据权利要求2所述方法，其特征在于，S66中所述若干流速梯度的划分按照公式(2)进行，具体如下：
其中，vi为单位梯度下的进流流速，n∈[0，N]且n为整数，
为梯度步长。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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