CN1888498A - 高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀的实现方法及阀门，旨在提供一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置及制造方法。该控制阀芯装置包括流量控制阀筒，流量控制阀筒内依次安装有流量控制阀芯和线性螺旋弹簧，流量控制阀筒尾端和压紧盖连接；流量控制阀芯是中空的，可沿着流量控制阀筒的内壁滑动，其上设置有入口端面固定孔、入口侧流固定孔和弧形边侧流通道；该控制阀芯装置的制造方法包括对线形螺旋弹簧的选取和侧流通道的开设。本发明的控制阀芯装置具有很高的流量控制精度，工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，当应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。本发明的制造方法简单可靠，便于数控加工。

Description

高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种阀的实现方法及阀门，更具体地说，是涉及一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置及制造方法。

背景技术

高档建筑物中央空调系统中，水泵及冷却塔设备平均可节能60％～80％、制冷主机平均可节能10％～40％，建筑空调系统节能潜力十分巨大。在中央空调水系统管网中普遍存在着水力失调现象，管网水力不平衡易造成系统能源的浪费和设备运行噪声的增加。自动流量平衡阀是解决复杂管网水力平衡的最佳手段之一，综合节能效果10％～45％左右。

目前工程中普遍应用的机械自力式自动流量平衡阀有两种实现原理：

1、平衡阀的流量阀芯通流孔两端压差依靠机械自力式自动平衡控制原理，即平衡阀的两端压差DP＝P₁-P₃随机变化时，利用机械弹簧自力式压差控制装置(阀)通过改变DP₂＝P₂-P₃的值自动控制流量阀芯通流孔的压差DP₁＝P₁-P₂恒定，或者利用机械弹簧自力式压差平衡控制器通过改变DP₁＝P₁-P₂的值确保流量阀芯通流孔的压差DP₂＝P₂-P₃自动恒定。这种实现原理控制精度高，运行稳定，但平衡阀起始压差偏高，从而导致管网流体输配的能耗高；

2、平衡阀主要由流量阀芯、流量阀套、线性螺旋弹簧与阀组件等部件构成，当平衡阀的两端压差DP＝P₁-P₃随机变化时，平衡阀的流量阀芯压差作用力与线性螺旋弹簧作用力保持永远平衡，通过阀芯通流孔的改变保持流量的自动恒定控制。这种原理的平衡阀结构简单、运行可靠、起始压差小但流量控制精度偏低。

基于第二种原理实现的自动流量平衡阀目前有大量的进口产品，但流量控制精度普遍偏低、工作压差控制范围适应性差、应用不灵活、且实现方法多是基于理想单孔板装置的经验方法。

目前公知的还没有发现一种具有高精度流量控制功能的自动流量平衡阀的控制阀芯通流孔实现方法。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置及制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，包括流量控制阀筒5，流量控制阀筒5内依次安装有流量控制阀芯4和线性螺旋弹簧6，流量控制阀筒5尾端和压紧盖7连接；流量控制阀芯4是中空的，可沿着流量控制阀筒5的内壁滑动，其上设置有入口端面固定孔1和入口侧流固定孔2。

作为一种改进，所述流量控制阀芯4壁上还开有至少两个侧流通道3。

作为一种改进，所述侧流通道3具有沿着流体流动方向逐渐放大的弧形边缘。

作为一种改进，所述压紧盖7外沿有一O形密封圈8。

作为一种改进，所述流量控制阀筒5尾端与压紧盖7之间是螺纹连接、压紧或卡装连接。

本发明还提供了一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置的制造方法，包括根据下列方法选用线形螺旋弹簧：

(1)线性螺旋弹簧的弹性模量为：

$F=k\×L=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)$

$k=\frac{\mathrm{\π}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)}{4L}$

(2)线性螺旋弹簧初始压缩量为：

$X_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_1}{{\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1}\×L$

式中：阀芯最小工作压差ΔP₁、阀芯最大工作压差ΔP₂、全行程压缩量L、阀芯直径D、入口端面固定孔直径d、线性螺旋弹簧的弹性模量k。

作为一种改进，还包括根据下列方法在流量控制阀芯上开设侧流通道：

取离散点的数量N+1，当i＝0、1、2、......N-1时，流量控制阀芯上侧流通道的形状坐标为：

x_i＝L×i/N，

$y_i=\frac{\mathrm{NQ}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2L}}(\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1\text{L+}({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i-1}}}-\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΔP}}_{1}L+({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i+1}}});$

特殊坐标点取：

$y_0={2y}_0^{\text{'}}-y_1$

$y_N={2y}_{N-1}^{,}-y_{N-2}$

式中：阀芯的控制流量值Q、阀芯最小工作压差ΔP₁、阀芯最大工作压差ΔP₂、全行程压缩量L、线性螺旋弹簧的初始压缩量X₀、流体密度ρ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的控制阀芯装置的制造方法简单可靠，便于数控加工。基于本制造方法实现的自动流量平衡阀的控制阀芯装置具有很高的流量控制精度，且工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产，当应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。

附图说明

图1是本发明的流量阀芯剖面示意与计算变量符号标识图。

图2是本发明的流量阀芯侧面可变流孔的形状坐标(Xi，Yi)示意图。

图3是本发明的高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置示意图。

具体实施方式

结合附图，下面将对本发明进行详细描述。

本实施例中的一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，包括流量控制阀筒5，流量控制阀筒5内依次安装有流量控制阀芯4和线性螺旋弹簧6，流量控制阀筒5尾端和压紧盖7连接；流量控制阀芯4是中空的，可沿着流量控制阀筒5的内壁滑动，其上设置有入口端面固定孔1和入口侧流固定孔2，流量控制阀芯4壁上还开有两个沿着流体流动方向逐渐放大的弧形边缘的侧流通道3，紧盖7外沿有一O形密封圈8，流量控制阀筒5尾端与压紧盖7之间是螺纹连接、压紧连接或者卡装连接。

为了实现高精度的流量控制，本发明还提供了一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置的制造方法如下：

(1)根据下列方法选用线形螺旋弹簧：

  线性螺旋弹簧的弹性模量为：

$F=k\×L=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)$

$k=\frac{\mathrm{\π}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)}{4L};$

线性螺旋弹簧初始压缩量为：

$X_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_1}{{\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1}\×L;$

(2)根据下列方法确定流量阀芯固定通流孔面积：

阀芯的侧面固定通流孔面积A_t、端面固定通流孔面积A由初试设计时给定，与控制流量值Q在三个通流孔的分配值有关。当端面固定通流孔面积A为圆孔时，取 $A=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×d^2;$

(3)根据下列方法确定流量阀芯可变通流孔的形状坐标：

取离散点的数量N+1，当i＝0、1、2、......N-1时

x_i＝L×i/N，

$y_i=\frac{\mathrm{NQ}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2L}}(\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1\text{L+}({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i-1}}}-\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΔP}}_{1}L+({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i+1}}});$

特殊坐标点取：

$y_0={2y}_0^{\text{'}}-y_1$

$y_N={2y}_{N-1}^{,}-y_{N-2}$

以下对本发明的制造方法进行详细描述：

当流量阀芯的初试设计参数给定时，对于不可压缩流体流经薄壁小孔时的流量计算公式：

$Q=\mathrm{CA}\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

式中：A：通流孔的面积，

ΔP：通流孔的前后压差平均值，

ρ：流体密度，

C：流量系数，与雷诺数R_e有关，可以通过实验方法进行标定。

本发明的流量阀芯如附录图1～图3所示，给定阀芯的参数变量：

(1)给定的阀芯最小工作压差：ΔP₁

(2)给定的阀芯最大工作压差：ΔP₂

(3)给定的阀芯控制流量值：Q

(4)给定的阀芯全行程压缩量：L

(5)流量阀芯的端面尺寸：给定阀芯直径D；阀芯端面通流孔与控制流量

Q有关，当为圆孔时直径d。

(6)线性螺旋弹簧的弹性模量：k

(7)线性螺旋弹簧的初始压缩量：X₀

(8)阀芯的端面固定通流孔面积：A

(9)阀芯的侧面固定通流孔面积：A_t

(10)阀芯的侧面可变通流孔面积：A₀

(11)阀芯端面通流孔的流量系数：C₁

(12)阀芯侧面通流孔的流量系数：C₂

(13)阀芯侧面可变孔的形状坐标：(x_i，y_i)

其中：x_i∈[O，L]

设计方法的公式具体推导如下：

(1)线性螺旋弹簧的弹性模量k：

薄壁阀芯在轴向的受力可以简化为流体压力差与线性弹簧力的平衡，即：

$F=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×\mathrm{\ΔP}---\left(2\right)$

阀芯两端压差值由ΔP₁增加ΔP₂到时，线性螺旋弹簧压缩量从X₀变化到了L+X₀，所以有公式：

$F=k\×L=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)$

$k=\frac{\mathrm{\π}(D^2-d^2)\×({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)}{4L}$ (3)

(2)线性螺旋弹簧初始压缩量X₀：

阀芯两端压差为ΔP₁时，线性螺旋弹簧的初始压缩量为X₀，即：

$F_0=k{\×X}_0=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×\mathrm{\Δ}{P}_1---\left(4\right)$

式(3)与式(4)联立求解，得到：

$X_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_1}{{\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1}\×L---\left(5\right)$

(3)阀芯通流孔面积：

阀芯的端面固定通流孔面积A由初试设计时给定，与控制流量值Q相关。

其中固定通流孔为圆孔时： $A=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×d^2---\left(6\right)$

阀芯的侧面固定通流孔面积A_t由初试设计时给定，与控制流量值Q相关。

当端面固定通流孔面积A、侧面固定通流孔面积A_t给定时，阀芯的侧面可变孔通流面积A₀由通流孔的形状坐标(x_i，y_i)来确定计算。

(4)阀芯侧面可变通流孔的形状坐标：

假设侧面可变孔形状坐标(x_i，y_i)。

当阀芯两端压差为ΔP₁时，侧面通流孔的通流面积达到最大(如附图2中阴影部分A₀)：

$Q=(C_1\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}+C_2\×A_1+C_2\×A_0)\sqrt{\frac{{2\mathrm{\ΔP}}_1}{\mathrm{\ρ}}}$

$A_0=\frac{Q\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\Δ}{P}_1}}-C_1\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{C_2}-A_t$ (7)

将侧面可变孔的轴向长度(X向)分成N等分，取i＝0、1、2、......N，此时存在：

               x_i＝L×i/N                (8)

阀芯位移为x_i时，弹簧压缩量为X₀+x_i(如附录图2所示)，阀芯侧面可变孔通流面积为A_i，当弹簧作用力与流体压差力平衡时可得：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{X_0+x_i}{X_0}\×\mathrm{\Δ}{P}_1$

$Q=(C_1\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}+C_2\×A_t+C_2\×A_i)\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(9\right)$

$A_t=\frac{Q\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}{X}_0}{2(X_0+x_t)\mathrm{\Δ}{P}_1}}-C_1\×\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}}{C_2}-A_t$

如附录图2所示，图中S_ABCD＝A_i-A_i+1，并假设四边形微元体ABCD近似为梯形，y_i’为其中线，则有：

$S_{\mathrm{ABCD}}=y_i^{,}\×(x_{i+1}-x_i)=y_i^{,}\×\frac{L}{N}$

$y_i^{,}=\frac{y_i+y_{i+1}}{2}---\left(10\right)$

$y_i=\frac{y_i^{,}+y_{i-1}^{,}}{2}$

公式(10)和公式(9)联立解得：

$y_i=\frac{\mathrm{NQ}}{2L}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}{X}_0}{{2\mathrm{\ΔP}}_1}}(\sqrt{\frac{1}{X_0+x_{i-1}}}-\sqrt{\frac{1}{X_0+x_{i+1}}})$ (i＝1，2，......N-1)  (11)

将 $X_0=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_1}{{\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1}\×L$ 代入公式(11)，得：

$y_i=\frac{\mathrm{NQ}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2L}}(\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1\text{L+}({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i-1}}}-\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΔP}}_{1}L+({\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1)x_{i+1}}})---\left(12\right)$

特殊坐标点可以取 $\left\{\begin{array}{c}{y}_0={2y}_0^{,}-y_1\\ y_N={2y}_{N-1}^{,}-y_{N-2}\end{array}\right.---\left(13\right)$

显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，包括流量控制阀筒(5)，其特征在于，流量控制阀筒(5)内依次安装有流量控制阀芯(4)和线性螺旋弹簧(6)，流量控制阀筒(5)尾端和压紧盖(7)连接；流量控制阀芯(4)是中空的，可沿着流量控制阀筒(5)的内壁滑动，其上设置有入口端面固定孔(1)和入口侧流固定孔(2)。

2、根据权利要求1所述的高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，其特征在于，所述流量控制阀芯(4)壁上还开有至少两个侧流通道(3)。

3、根据权利要求2所述的高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，其特征在于，所述侧流通道(3)具有沿着流体流动方向逐渐放大的弧形边缘。

4、根据权利要求1所述的高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，其特征在于，所述压紧盖(7)外沿有一O形密封圈(8)。

5、根据权利要求1所述的高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置，其特征在于，所述流量控制阀筒(5)尾端与压紧盖(7)之间是螺纹连接、卡装连接或者压紧连接。

6、一种高精度自动流量平衡阀的控制阀芯装置的设计方法，其特征在于，包括根据下列方法选用线性螺旋弹簧：

(1)线性螺旋弹簧的弹性模量为：

$F=k\×L=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2)\×(\mathrm{\Δ}{P}_2-\mathrm{\Δ}{P}_1)$

$k=\frac{\mathrm{\π}(D^2-d^2)\×(\mathrm{\Δ}{P}_2-\mathrm{\Δ}{P}_1)}{4L}$

(2)线性螺旋弹簧初始压缩量为：

$X_0=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_1}{\mathrm{\Δ}{P}_2-\mathrm{\Δ}{P}_1}\×L$

式中：阀芯最小工作压差ΔP₁、阀芯最大工作压差ΔP₂、全行程压缩量L、阀芯直径D、入口端面固定孔直径d、线性螺旋弹簧的弹性模量k。

7、根据权利要求6所述的控制阀芯装置的设计方法，其特征在于，还包括根据下列方法在流量控制阀芯上开设侧流通道：

取离散点的数量N+1，当i＝0、1、2、……N-1时，流量控制阀芯上侧流通道的形状坐标为：

x_i＝L×i/N，

$y_i=\frac{\mathrm{NQ}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{2L}}(\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_{1}L+(\mathrm{\Δ}{P}_2-\mathrm{\Δ}{P}_1)x_{i-1}}}-\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_{1}L+(\mathrm{\Δ}{P}_2-\mathrm{\Δ}{P}_1)x_{i+1}}});$

特殊坐标点取：

y₀＝2y₀’-y₁

y_N＝2y_N-1’-y_N-2

式中：阀芯的控制流量值Q、阀芯最小工作压差ΔP₁、阀芯最大工作压差ΔP₂、全行程压缩量L、线性螺旋弹簧的初始压缩量X₀、流体密度ρ。

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