（化工过程机械专业论文）两位三通电磁阀结构设计与研究.pdf

学位论文数据集 删删i l 删删f | y 18 7 7 2 8 中图分类号 t h l 3 7 5 2 + 3 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 8 5密级公开 学位授予单位代码 l 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张伟学号2 0 0 8 0 0 0 6 8 5 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向过程装备与先进控制 论文题目两位三通电磁阀结构设计与研究 关键词两位三通阀，结构设计，水击，动网格，换向时间，阀瓣优化 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师戴凌汉高工北京化工大学化工过程机械 评阅人l钱才富教授北京化工大学化工过程机械 评阅人2范德顺教授北京化工大学化工过程机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答懒蝴钱才富教授北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容 答辩委员l 陈朝晖高工 化工过程机械 器标准化委员会 答辩委员2蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 答辩委员3陈平副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员4段成红副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员5范德顺教授 北京化工大学化工过程机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 两位三通电磁阀结构设计与研究 摘要 自动反冲洗叠片过滤器的反冲洗采用两位三通电磁换向阀进行控制， 本论文对两位三通电磁阀进行了结构设计，并且针对电磁阀在换向过程中 极易产生水击现象，论文运用f l u e n t 动网格技术对阀杆的下降过程进 行了动态模拟，得出了阀瓣形式及换向时间与阀门换向水击压力之间的关 系，提出了通过优化阀瓣形状及换向时间来解决此类阀门水击问题的新思 路，最后将阀瓣下降过程中水击压强的数值模拟结果与实验结果进行了对 比，结果表明数值模拟的结果是符合实际的。 一、根据对关键部位的应力分析和强度校核结果，并参考最新的国 内外阀门设计标准对两位三通电磁阀进行了结构设计。 二、用g a m b i t2 3 1 6 建立了阀门过滤状态及反冲洗状态时的稳态网 格模型，对换向过程进行了分析与划分，将一个换向回合分为4 个阶段， 分别是阀瓣下降过程l 、2 及阀瓣上升过程1 、2 ，并用g a m b i t 建立了各 个阶段初始时刻的动网格模型，设置了相应的动网格边界条件，之后将网 格模型导入f l l j l 巳n t6 3 2 6 ，对两位三通电磁换向阀进行了稳态及换向过 程的动态模拟。模拟结果表明：通过观察换向过程最终时刻的速度和压力 分布图，发现阀门在换向时没有发生气蚀和水击现象。 三、除了两位三通电磁阀常用的快开阀瓣，本文将三种典型的调节 阀阀瓣用于此阀主阀，对主阀阀瓣下降过程中的水击压强进行对比，结果 北京化工大学硕士学位论文 发现快开阀瓣在下降的初始阶段压强较高，为了安全起见，建议采用调节 阀阀瓣。 四、通过对下降过程2 、上升过程1 不同换向时间的水击压强进行 对比发现，阀瓣上升时间不同，最大压强分布的位置和数值也不同，为了 安全起见，对于不同的换向时间，应该分别做模拟，找出最大压强所在的 位置，采取必要措施，如阀体壁厚局部加厚等措施，提高阀体强度，保证 阀门的安全运行。且换向时间越短，产生最大压强时，压力场的分布越不 行越不平稳，此时容易造成阀体的 f l 切巳n t ，水击，动网格，换向时 s t r u c t u r a ld e s i g na n d r e s e a r c ho nt w o t h r e e 一，a ym a g n e tv a l v e a b s t r a c t b a c k w a l s h i n go ft h ea u t o m a t i c - b a c k w a s hl a m i n a t e df i l t e ri sc o n t r o l l e db y t v 旧t h r e e 。w a ym a g n e tv a l v e i nt h i st h e s i s ，s t r u c t u r ed e s i g nf o rm et w o t h r e e - w a ym a g n e tv a l v ew a sc a r l i i e do u ta n da sm ew a t e rs t r i k ep h e n o m e n a d u r i n g t h ec o m m u t a t i o n p r o c e s sc o u l db ep r o d u c e de a s i l y ， ad y n 锄i c s i m u l a t i o nf o rt h el o w i n g p r o c e s so ft h es t e mw a sp e r f o m e du s i n gt h e d ”a m i c 鲥d i n gt e c h n o l o g yo ff l u e n t a sar e s u l t ，t h er e l a t i o n s h i p b e 铆e e n d i s c f o m s ，c o m m u t a t i o nt i m ea n dw a t e r h a m m e r p r e s s u r ed u r i n g c o m m u t a t i o np r o c e s si so b t a i n e d s o l u t i o n st o o v e r c o m es u c hv a l v ew a t e r h a m m e ra r e p r o p o s e db yo p t i m i z i n gd i s c s h a p e s a n d r e v e r s i n gt i m e c o m p a r i s o nf i n d st h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h ew a t e rh a m m e r p r e s s u r ew e l la g 丁e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e m s f i r s l y ，b a s e do nt h es t r e s sa 1 1 a l y s i sa n ds t r e n 舀ha s s e s s m e n tf o rt h ek e y p a n so ft h ev a l v e ，s 仃u c t u r ed e s i g l lf o rt h et 、o t h r e e w a ym a g n e tv a l v ew a s c o m p l e t e dr e f e r r i n gt ot h el a t e s td e s i g ns t a n d a r d sa th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y ，s t e a d ym e s h i n gm o d e lo ft h ev a l v e s n l t e r i n g a sw e u2 l s b a c k w a s h i n gs t a t e sw a se s t a b l i s h e d b yu s i n gg 锄b i t2 3 16 ，a n dt h er e v e r s i n g ! ! 塞竺三奎兰堡主兰竺笙奎 一 一一一 p r o c e s sw a sa n a l y z e d 锄dc l a s s i f i e di n t o4s t a g e s ，n 锄e l y d e c r e a s i n gp r o c e s sl ， 2a n dr i s i n gp r o c e s sl ，2 t h em i t i a ld y n 锄i cm e s h i n gm o d e l f o re a c hs t a g e w a sm a d ew i t hg a m b i ta n dc o r r e s p o n d i n gb o u n d a 巧c o n d i t i o n sw e r e9 1 v e n t h e n ，t h em o d e lw a si m p o r t e di n t of l l n 玎n t 6 3 2 6 t oc a r 巧o u tt h es t e a d y s t a t ea n dd y n a m i cs i m u l a t i o n sf o rt h ec o m m u t a t i o np r o c e s s o ft h et w o t h r e e w a ym a g n e tr e v e r s m gv a l v e s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t n o a b s t r a c t 一_ t i m e ，t h em o r eu n e v e no ft h ep r e s s u r ed i s 仃i b u t i o na n dt h eg r e a t e ro ft h e p r e s s u r ed i f f e r e n c eo ft h ev a l v e sf l o wf i e l da r e i ns u c hc a s e ，t h ev a l v ew 订l n o tw o r ks o s t a b l ya n dt h ev i b r a t i o no ft h ev a l v e sb o d yc o u l db ei n d u c e d e a s i l y 1 ( e y w o r d s ：伽。慨e - w a yv a l v e ，咖c t u r ed e s i 印，w a t e r h 锄m e r ，d y n a m i c m e s h i n g ，r e v e r s i n gt i m e ，d i s co p t i m i z a t i o n v v i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究的目的和意义1 1 2 两位三通阀概述l 1 2 1 两位三通阀介绍1 1 2 2 两位三通阀的研究进展4 1 3 本论文研究内容6 1 4 本课题的难点6 第二章结构设计7 2 1 阀门的基本技术参数及性能要求7 2 2 设计流程7 2 3 阀门结构形式及设计计算要点7 2 3 1 材料选取7 2 3 2 阀门结构8 2 3 3 结构设计计算1 l 2 4 启闭力核算1 6 第三章数值模拟。1 9 3 1 动网格模型简介1 9 3 2 前处理19 3 2 1 建模及网格划分2 0 3 2 2 边界条件2 2 3 3 稳态模拟2 2 3 3 1 过滤状态数值模拟2 2 3 3 2 反冲洗状态数值模拟2 4 3 4 换向过程动态模拟2 6 3 4 1 阀芯下降过程动态模拟2 6 3 4 2 阀芯上升过程动态模拟3 2 3 4 3 反过程对比3 5 3 5 流固耦合特性分析3 7 3 5 1 研究思路。3 7 3 5 2 前处理。3 7 v i i 北京化工大学硕士学位论文 3 5 3 结果及分析3 9 第四章阀瓣优化4 l 4 1 阀瓣优化思路4 l 4 2 下降过程1 对比4 2 4 3 直线特性阀瓣水击压强分析4 4 4 4 整个下降过程对比4 5 4 5 结论4 7 第五章换向时间研究4 9 5 1 研究思路4 9 5 2 不同换向时间对比4 9 5 3 换向时间研究的结论5 2 第六章结论与展望5 3 6 1 论文的主要结论5 3 6 2 对于本课题研究的展望5 4 参考文献5 5 致谢5 9 研究成果及发表的学术论文6 1 作者和导师简介6 3 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 。“1 1 1s o u r c ep u 印o s ea n ds i g n m c a n c eo ft h es t u d y 1 1 2o v e r v i e wo f t 、v ot h r e e - w a yv a l v e 1 1 2 1i n t r o d u c t i o no f t 、ot h r e e - w a yv a l v e l 1 2 2r e s e a r c hp r o g r e s so f 似，ot h r e e w a yv a l v e 4 1 3c o n t e n t so fs t u d y 6 1 4d i m c u l t i e si ns t u d y 6 c h a p t e r 2s t r u c t u r ed e s i g n 。7 2 1b a s i ct e c h n i c a lp a r 锄e t e r sa n dp e 响m l a n c er e q u i r e m e n t so f m ev a l v e 7 2 2d e s i g nf l o w 7 2 3s t m c t u m lf o 肌a u l dd e s i g nc a l c u l a t i o np o i n t so ft h ev a l v e 7 2 3 1m a t e r i a ls e l e c t i n g 7 2 3 2s t l l j c t u r eo ft h ev a l l v e 8 2 3 3s t m c t u r ed e s i g i la n dc a l c u l a t i o n 1 1 2 4o p e n i n ga n dc l o s i n gf o r c ea c c o u i l t i n g 16 c h a p t e r3n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l 9 3 1i m r o 山l c t i o nt 0d y n a m i cm e s h i n gm o d e l 1 9 3 2p r e t l - c a t m e n t 19 3 2 1m o d e l i n ga n dg r i dp a r t i t i o n 2 0 3 2 2b o u n ( 1 a r yc o n d i t i o i l s 2 2 3 3s t e a d ys t a t es i m u l a t i o n 2 2 3 3 1n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f f i l t e r i n gs t a t e 2 2 3 3 2n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f b a c i ：w a s h i n gs t a t e 一2 4 3 4d y n 锄i cs i m u l a t i o no fc o m m u 协t i o np r o c e s s 2 6 3 4 1d y n a h l i cs i m u l a t i o no f v a l v es p o o ld e c r e a s i n gp r o c e s s 2 6 3 4 2d y n 啪i cs i m u l a t i o no f v a l v es p o o lr i s i n gp r o c e s s 3 2 3 4 3r e v e r s ep r o c e s sc o n t m s t 3 5 3 5f l u i d - s o l i dc o u p l i n ga n a l y s i s 3 7 3 5 1i 沁s e a r c hi d e 2 l s 3 7 3 5 2p r e 灯e a t m e n t 。j 3 7 i x 北京化工大字坝上字位论又 一一一 3 5 3r e s u l t sa n da j l a l y s i s 3 9 c h a p t e r 4v h l v es p o o lo p t i m i z a t i o n ”“4 1 4 1v a l v es p o o lo p t i m i z a t i o ni d e a ：”4 1 4 2c o n t r a s to fd e c r e a l s i n gp r o c e s so n e 4 2 4 3w r a t e rh 锄m e rp r e s s u r ea n a l y s i so fl i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sd i s c 一4 4 4 4c o n t r a s to ft t l ew h o l ed e c r e a s i n gp r o c e s s 4 5 4 5s u m n l a r y 4 7 c h a p t e r 5s t u d yo nc o m m u t a t i o nt i m e 4 9 5 1i 沁s e a r c hi d e a u s 4 9 4 9 5 2 5 3 5 3 5 4 5 5 5 9 6l 6 3 符号说明 p p r 符号说明 阀盖的实际厚度，舢 腐蚀余量，m m 形状系数 隔膜厚度，m m 隔膜外径，n u n 允许细长比 支撑型式影响系数 管道内介质的流速( 截面的平均流速) ，州s 管道内径，n u i l 介质的运动粘度，m 2 s 动力粘度，p a s 介质密度，蛳3 螺栓孔中心圆直径，m m 管道横截面积，m m 2 在给定条件下，气体的理论密度，m m 3 压缩系数 热力学温度，k 阀杆的实际细长比 相对分子质量 绝对压力，m p a 公称压力，m p a 理想单元高度，m m 材料的许用拉应力，m p a 材料的许用弯曲应力，m p a 计算弯曲应力，m p a 比热，j l ( g k 质量流量，t 1 1 体积流量，m 3 m 阀门的工称通径，m m 阀瓣行程，m m o 型圈与阀芯的滑动摩擦因数 x i 7 r 白c k 万d 如儿 d y 刁 研如 疋r a m p 肌枷一p p0锄咖巩办力 北京化工大学硕士学位论文 po 型圈的径向压缩比 eo 型圈的弹性模量， n c m 2 d阀芯的外径， c m d ，o 型圈的内径， c m “o 型圈的泊松比 矽石棉填料的系数 办阀杆直径，i 眦 p 计算压力，m p a 如阀杆的计算长度，n u n 砌密封面处介质作用力，n g 胛 密封面必需比压，m p a f 肝密封面上密封力，n 密封面上总作用力，n 口密封面计算比压，m p a 砌7密封面许用比压，m p a 巩材料的抗拉强度，m p a 炙材料的屈服强度，m p a f螺栓承受的总拉力，n 口 螺栓所受的拉应力，m p a p驱动腔水压，m p a 凡厂隔膜密封面上的必需预紧力，n 月 密封面处介质作用力，n 甩填料断面系数 厢阀杆总轴向力，n r阀杆径向截面上介质作用力，n d m法兰根径，m m r z螺栓计算载荷，n 法兰厚度，咖 d d断面平均直径，m m ，断面高度，m m s一螺栓的横截面积，n u n 2 r隔膜的等效半径，m m d流量，一s x i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 本课题来源于导师的研究项目。目的在于研制先进的两位三通电磁阀，为中心的 自动反冲洗叠片过滤器的研制提供技术储备。 自动反冲洗叠片过滤器属于在线式反冲洗过滤器领域，是一种在线式过滤器，当 叠片之间的沟纹积满污物后，控制器发出一个启动反洗的电信号，通过改变水流流向， 自动进行叠片过滤单元的反冲洗，能自动进行过滤模式和反冲洗模式切换的过滤器。 自动反冲洗叠片过滤器的反冲洗采用两位三通电磁换向阀，它靠电磁先导阀控制 主阀上腔水压的建立与释放，实现过滤模式和反冲洗模式之间的自动切换。 目前对两位三通电磁换向阀的换向过程进行数值模拟分析还存在严重不足。两位 三通电磁阀由于电磁先导阀的开关速度很快，在运行过程中极易发生水击现象，目前 主要通过减小电磁导阀的口径和增大主阀上腔体积来减少水击，本文试图寻找减少水 击的新方法，对两位三通电磁阀的设计具有一定的指导意义。 1 2 两位三通阀概述 1 2 1 两位三通阀介绍 两位三通阀是一种双座阀l l 】，主要用于关闭或接通介质。二位阀【2 】的阀芯有两个 工作位置，三通阀是指其阀体有三个出口，它比普通阀门多一个出口，当阀芯运动到 不同位置时，流体的流向和出入口也不同。 两位三通阀也有两个阀座，但它和双座阀不同，两位三通阀当阀芯与一个阀座间 的距离增加时，与另一个阀座间的距离减少，而在双座阀中两个阀芯与阀座间的距离 是同时增加或同时减少的。两位三通阀【3 l 按驱动腔介质的不同分为气动和液动两种类 型，液动类型应用较为广泛。 液动型两位三通阀也叫水力控制阀【4 1 ，水力控制阀按结构可分为隔膜型【5 】和活塞 型恂j 两类，工作原理类似，都是以驱动腔与主阀下腔的压力差p 为动力，由先导阀 控制，使隔膜1 7 j ( 活塞) 带动阀杆运动，从而使主阀阀阀瓣运动至下一工作位置，主 阀一般由阀体和驱动机构组成。当驱动腔内的压力水排出时，作用在隔膜下方的压力 值就大于驱动腔的压力，此时主阀阀杆将被向上推动；当驱动腔内的压力水没排走时， 作用在隔膜( 活塞) 上方的压力值就大于下方的压力值，此时主阀阀瓣将被一直推到 北京化工大学硕士学位论文 下止点。可调先导阀通过改变自身的开度，改变隔膜( 活塞) 上方驱动腔的压力值， 控制主阀阀瓣的位置。除此以外，常见的还有气动两位三通阀【8 】，它与液动型两位三 通阀的主要区别在于，气动型采用气源作为驱动压力。 两位三通阀驱动腔的控制方式主要有手动型和自动控制型。自动控制型两位三通 阀如无线遥控电磁型、小型控制器控制电磁型等，都是靠电磁先导阀控制主阀上腔水 压的建立与释放，进而驱动阀杆动作。 常见的两位三通阀主要有以下几种结构： 图1 1 中a 所示两位三通阀的主要特点是在驱动腔隔膜上方设有弹簧，当驱动腔 隔膜下方通入气体时，由于弹簧上有初始压缩量和弹性，气体将缓缓注入驱动腔，这 样阀芯就会缓慢上升，而不是突然上升，阀芯动作较平稳；当阀芯下降时，由于有弹 簧力的作用，只需在驱动腔上方的通气孔通入少量气体就能使阀芯下降至下阀座位置。 图1 1 中b 所示的两位三通测9 1 ，其主要特点是，上阀座a 和零件4 2 的结构与常 见两位三通阀有很大区别，零件4 2 可以使阀芯缓慢上升，这样能使阀门换向更加平 稳，阀盖上的气孔同时实现了驱动腔气压的释放与建立，使阀门的结构更简单。 图1 1 中c 所示两位三通阀的主要特点是驱动腔不设弹簧，而是通过控制驱动腔 水流的释放速度使阀杆缓慢上升，使阀门的结构更简单，在阀门设计过程中计算启闭 力时无弹簧力项，强度校核时无需再对弹簧进行疲劳校核，减少了设计人员的工作量。 图1 1 中d 所示两位三通阀的主要特点是驱动腔被隔膜分为两个腔，驱动腔下腔 阀杆外套有弹簧，阀杆下降较c 更加平稳，减少了阀芯与下阀座的冲击，减小了动态 液动力，当阀芯上升时作为动力出现，加速了驱动腔水压的释放，提高了阀门换向速 度。 图1 1 中e 所示阀门是电磁先导式高压两位三通阀【l 叭，它靠电磁先导阀来控制阀 门左阀室气压的建立于释放，靠压力差实现阀门的换向，构造简单，使用方便，控制 精度高，适用压力高，实现了自动控制。 图1 1 中f 所示两位三通阀和b 大同小异，区别是无图b 中的4 2 零件，这样就 使阀芯上升速度较快，阀门换向不平稳，液动力较大。 2 a c e b d f 图l l 常见的几种两位三通阀 f i g l - l s e v e r a ic o m m o nt 、v ot h r e e - w a yv a l v e 争 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 两位三通阀的研究进展 目前，对于两位三通阀的研究，国内许多学者都做了一些研究，但和世界上先进 技术相比还有一定差距，因此我们需要加大人力和物力的投入，提高两位三通阀的设 计制造水平，为国民经济的发展提供便利。 经查阅相关文献，至今还没有对两位三通阀换向过程进行数值模拟的报导。 王彬，胡远银【l l 】介绍了水力控制阀的结构、工作原理及特性，列举了几种典型的 水力控制阀，分析了水力控制阀的向导阀及其气蚀与闪蒸问题，本文中的两位三通电 磁阀也是隔膜阀，阀杆的驱动原理相同，此文对于阀门换向的力学分析有所帮助。 哈尔滨工业大学的刘华坪，陈浮，马波等【1 2 】利用f l u e n t 软件所提供的动网格 技术及用户自定义函数u d f 技术对闸阀、蝶阀、球阀及调节阀四种阀门的启闭过程 进行了动态数值模拟。此文仿真模拟了阀门的开关动态过程中流体的流动状态和阀门 受力情况，可以为阀门结构与强度设计的优化提供参考。本文中两位三通阀的换向过 程也是动态过程，因此考虑用动网格及u d f 技术实现控制体边界的运动。 上海理工大学的石娟，姚征等【1 3 】运用f l u e n t 软件对快开式单座调节阀进行了 三维数值模拟。不仅对各种开度下的定常水力特性进行了分析，还用f l u e n t 动网格 技术对阀门的启闭过程进行了模拟和分析，预测出了阀门在启闭过程中受到的冲击载 荷，这是普通实验难以得到的，为本文动态模拟结果的分析提供了思路。本文中对换 向过程的动态模拟主要关注阀门内部流场压强的分布与变化。 北京理工大学的陈轶杰，顾亮【1 4 j 针对车用减振器内部阻尼阀开度会突然变化的特 点，提出了研究阻尼阀水击压强的重要性，并研究了减振器节流阀对阀门水击力的影 响，为本文水击的研究提供了思路，本文试图通过优化阀瓣形状来减少水击压强。 陈兵，杜鹃【1 5 】进行了调节阀阀瓣型线设计研究，推导出了可以方便计算符合不同 工况下的流量特性曲线的调节阀阀瓣型线公式，对本文阀瓣的建模提供了思路。 冯俊杰，翟国亮，邓忠【l6 j 等从过滤器用水压驱动反冲洗三向阀的结构和工作原理 出发，对换向阀启闭过程中阀杆的受力情况进行分析，提出了反冲洗时所需驱动力的 计算方法，并结合过滤器的正常压力条件，对驱动力进行了校核。为本阀门的驱动力 校核提供了切实可行的办法。 李树勋，张喜军，把桥环【1 7 】等提出了一种新型的无线遥控水力电磁隔膜阀，此阀 具有无线遥控装置r 能方便控制隔膜阀的启闭。为自动控制两位三通水力阀的研究提 供了新的思路，同时也提出了阀门与自动控制装置连接的方法。 华晔，廖伟丽【1 8 】运用c f d 动网格方法和特征线法对管道水击力进行了计算，结 果表明c f d 方法能够反映阀门关闭过程中水击最大压力，动态模拟还能观察到阀门 4 第一章绪论 的受力情况。因此本文考虑用c f d 解法找出阀门换向水击上升的最大压力及受力情 况，为两位三通换向电磁阀的设计提供依据。 王民安，冯全【l 圳对现有节流阀进行了结构改进，将阀瓣端部加工出一个斜面，克 服了流量调节迟缓的缺陷，阀杆和阀瓣用钢珠连接在一起，连接牢固可靠，最后按第 四强度理论对阀体和中法兰螺栓进行了强度校核。 赵忠奎【2 0 】对截止阀的阀杆阀瓣进行了结构改进，将阀杆球面处留有相应的中心孔， 同时在阀瓣小端内孔底面上保留锥孔，这种改进后的截止阀已投入使用，证实了这种 改进是合理的，大大提高了阀门质量。 沈公槐【2 i j 通过对航天推力器电磁阀阀瓣进行受力分析，提出了一种不用过渡层硫 化成型的阀瓣结构，而且在推力器试车试验后发现，其运行状况令人满意。 方本孝，郑庆伦，王渭1 2 2 j 首先对止回阀的水锤问题进行了分析，接着介绍了止回 阀为了减少水锤时的压力升值经常采用的结构改进和设计思路，通过分析蝶形止回阀 的结构，发现中空球形阀瓣可以减少流体的流动阻力，加平衡块、增加关闭力矩，可 以实现阀门快关，密封面用球面和锥面进行密封，可以提高阀门的密封性能。 赵蕾，陈青，权龙【2 3 l 用p r o ，e 软件建立了滑阀模型，使用c f d 前处理软件g 锄b i t 对滑阀流场进行了网格划分，对于阀芯的开启和闭合过程，采用f l u e n t 软件的动网 格技术进行模拟，阀芯所受的稳态和瞬态液动力由阀芯台肩面的压力在阀芯表面的积 分得到，压力可以直接由f l u e n t 模拟得到；由于滑阀的流道不对称，阀芯会受到径 向不平衡力的作用，当开度小，流量大及阀芯开启时，不能忽略。 吴石，张文平【2 4 j 建立了k 两方程湍流数学模型，对阀门内部的流动进行数值模 拟，发现由于阀门使流体的流动受阻，在阀门出口附近，流体将出现逆流，逆流的流 体做漩涡运动，从而引起流噪声，随着阀门开度的减小，漩涡增强，流噪声也增大。 付文智，李明哲，崔相吉，裴永生1 2 5 j 用有限元方法建立了微型滑阀式换向阀的数 学模型，给定边界条件后，用a n s y s 有限元程序求解代数方程组，得到了流场流速 及压力分布，并通过对压力差进行积分得出了阀芯所受的不平衡轴向力，由此可以对 阀芯的驱动力进行推导。 杜诗文，李永堂，程晓蒙i z 6 j 建立了三位三通电液锤主控换向阀的数学模型，并对 其进行有限元分析，发现出口节流的滑阀压力损失小，且轴向稳态液动力对阀芯的运 动有一定影响，阀芯的形状结构和液压冲击力有关。 杨建明，吴建华1 2 7 j 进行了只考虑流场边界不规则运动的挑流冲刷数值模拟，采用 了二阶精度的非正交同位网格有限体积法对控制方程进行离散，模拟得到的流场变化 及分布符合理论推断，证明了对此类问题的处理思路是正确可行的。 连学通，王晓枫【2 8 】用p r o e 软件对两路阀进行虚拟装配与运动仿真，之后将模型 导入大型有限元分析软件a n s y s 中，并对模型进行简化，假设阀体受均匀内压的作 一鬻 北京化工大学硕士学位论文 用，保证单元尺寸小于阀体的最小壁厚值，找出其应力集中处，并根据有限元分析结 果对结构进行了优化。 张锡文，汤荣铭，孙喜明【2 9 】对电磁阀内部流道流场进行了数值模拟；从实验和理 论分析两方面分析了内部流场的流动特性；研究了电磁阀内部流道结构对气动特性的 影响，研究结果为改进电磁阀的设计，提高电磁阀的性能提供了参考依据。由于电磁 阀的内部流道结构比较复杂，网格划分采用四面体的非结构性网格，控制方程为三维 可压缩的n s 方程，湍流模型为一方程的s a 模型，理论计算与实验结果吻合很好。 周忆，朱明君，石崇辉，唐中一【3 0 】讨论了气控液压换向阀的主要设计参数及优化 问题，并建立了该阀的动态数学模型，由计算机进行了求解。 黄津津【3 l 】对汽轮机主蒸汽阀门进行了通流能力分析，用u g 对阀门进行实体建模 及网格划分，并给定阀门材料性能参数及约束条件，分别对超临界和超超临界工况下 阀体的应力分布情况进行了计算分析，得出调节阀和蒸气室的过渡处热应力和机械应 力都很大，建议在此处进行平滑过渡。 1 3 本论文研究内容 本论文主要内容可归纳如下： ( 1 ) 用f l u e n t 动网格模型对两位三通电磁阀的换向过程进行动态模拟，得出动 态过程中阀门流场参数的变化情况，对阀门换向过程中可能产生的水击问题进行研究。 ( 2 ) 将几种典型的调节阀阀瓣用作此主阀阀瓣，并设置不同的换向时间，应用 c f d 动网格方法对阀瓣形式及换向时间与两位三通电磁换向阀水击压强的关系进行 系统研究，提出通过优化主阀阀瓣形状或适当延长换向时间来减少水击； ( 3 ) 对阀门的启闭元件进行受力分析【3 2 】，进行阀门的启闭力核算，保证阀门能顺 利进行过滤状态和反冲洗状态之间的切换； 1 4 本课题的难点 ( 1 ) 由于目前尚无对两位三通阀换向过程进行动态模拟的先例，因此合理的处 理换向过程，对换向过程进行分解，并建立合理的动网格模型是难点之一； ( 2 ) 对流体流动问题进行数值模拟p 3 3 7 j ，合理的网格划分是难点之一。网格太 粗，计算精度低，有些流动现象难以捕捉；网格太细，计算时间长，对硬件要求高， 计算累计误差也可能增大，有时甚至不收敛； ( 3 ) 应用动网格模型，首先要用c 语言编写刚体运动u d f 实现阀杆运动，并对 动网格模型进行合理的参数设置，这是又一个难点； 6 第二章结构设计 第二章结构设计 2 1 阀门的基本技术参数及性能要求 根据自动反冲洗叠片过滤机的运行要求，两位三通电磁阀的运行压力范围为： 0 0 8 1 m p a ；工作温度 7 0 ；阀门公称通径：d n 8 0 ；流体介质：水；p h ：4 1 3 。 两位三通电磁阀要求做到换向灵活、无泄漏、自动换向速度快、阀瓣接触阀座时 缓冲力大、无阀瓣撞击阀座现象。 2 2 设计流程 1 、调研、查阅国内外有关两位三通电磁阀设计的相关资料： 2 、确定两位三通电磁阀的具体结构形式； 3 、确定阀体及其他零件的材料，阀门零部件的结构设计与计算，施工图设计； 4 、试制产品及调试： 2 3 阀门结构形式及设计计算要点 2 3 1 材料选取 按水力控制阀j b 厂r1 0 6 7 4 2 0 0 6 中规定，阀体阀盖的材料选为h t 3 5 0 ，阀杆、 阀瓣、阀座面材料使用具有耐腐蚀性的不锈钢2 c r l 3 ；阀杆螺母、隔膜密封面材料选 为铸铝青铜z c u a l 9 m n 2 ；密封圈使用天然橡胶n r ；隔膜使用丁腈橡胶n b r ；螺栓、 螺母的性能等级为6 8 。 7 北京化工大学硕上学位论文 2 3 2 阀门结构 排污 原水进口 图2 1 两位三通电磁换向阀装配图 f i g 2 la s s e m b l yd r a w i n go ft w ot h r e e - w a ym a g n e tr e v e r s i n gv a l v e 两位三通电磁换向阀的结构【3 8 4 0 】如图2 1 所示。图中1 为阀体、2 为密封圈、3 为阀瓣、4 为阀盖、5 为节流阀、6 为电磁先导阀、7 为阀杆、8 为隔膜。主阀上腔进 水口与节流阀连接。 自动反冲洗叠片过滤机工作时，当启动反洗的时间条件达到时，控制器就发出一 个电信号，电磁先导阀接到电信号后，发送水压信号至主阀，主阀上腔充水，主阀上 腔与下腔存在压力差，造成阀杆下降，使其由过滤状态切换到反洗状态，此时两位三 通电磁阀会随之改变方向。 自动反冲洗叠片过滤机工作时，当启动过滤的时间条件达到时，控制器就发出一 个启动电信号，电磁先导阀接到电信号后，发送水压信号至主阀，主阀上腔放水，主 阀上腔与下腔存在压力差，造成阀杆上升，使其由反洗状态切换到过滤状态，此时两 位三通电磁阀会随之改变方向。 第二章结构设计 图2 2 阀门主视图 f i g 2 - 2 f r o n tv j e wo ft h ev a l v e 图2 3 阀门俯视图 f i g 2 - 3 t o pv i e wo ft h ev a l v e 图2 4 图2 6 为阀门部分零件图。 9 剜 竹 北京化工大学硕士学位论文 图2 4 阀盖结构图 f i g 2 - 4 b o n m tc h a n 图2 5 隔膜结构图 f i g 2 - 5 d i 印h 恻舯c h a n l o 第二章结构设计 2 3 3 结构设计计算 图2 6 阀体结构图 f i g 2 6 b o d ys t m c t u r e d 图2 7 阀体左法兰结构图 f i g 2 7 b o d yi e rf l a n g es t r u c t u r e 根据l m p a 铸铁法兰截止阀j i sb 2 0 4 l ，公称通径为8 0 i l u i l ，公称压力为l m p a 的法兰连接铸铁闸阀，其阀体的最小壁厚为8 i t i l 。 l 、阀盖强度校核 北京化工大学硕士学位论文 由于本设计中阀盖为非标准件，在此先按照实用阀门设计手册( 第二版) ( 以 后简称手册) 中平板i 型阀盖对其进行强度验算，据手册中表5 1 4 4 序号1 ： 阀盖所受的弯曲应力。w2 k p i 玉 ( 2 1 ) 式中p l 一计算压力，文中己计算为4 8 x l o 。4 m p a ； d 】一螺栓孔中心圆直径，本文设计为1 8