V型球閥閥芯優(yōu)化設(shè)計研究

冉銀波 葉鋒 程啟濤

摘要：V型球閥是一種具有緊湊結(jié)構(gòu)、廣闊調(diào)節(jié)范圍的特殊閥門，本文介紹了V型球閥閥芯優(yōu)化設(shè)計的意義與方法，以期通過對其閥芯形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方式，進(jìn)一步提升閥門使用的可靠性，希望能夠給讀者帶來啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：V型球閥;閥芯優(yōu)化設(shè)計;原始球閥

一、V型球閥閥芯優(yōu)化設(shè)計的意義

對于管路來說，閥門是一種極為必要的控制元件，在當(dāng)前的社會發(fā)展過程中，V型球閥因其具備應(yīng)用范圍廣、可靠性強(qiáng)、密封性良好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于水利工程、石油開采等領(lǐng)域工作當(dāng)中。由于在閥門的實際應(yīng)用過程中，其流通性與其實用性之間存在著直接的聯(lián)系，盡管大部分V型球閥已經(jīng)擁有了較為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力，但在其開度過小時，其等百分比特性將無法得到有效的保證，現(xiàn)階段，為切實解決上述問題，相關(guān)工作人員可以通過對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方式，進(jìn)一步提升V型球閥的流通量，保證閥門能夠切實滿足人們的使用要求。

二、V型球閥閥芯優(yōu)化設(shè)計的方法

（一）V型球閥閥芯設(shè)計優(yōu)化流程

在閥門的實際使用過程中，V型球閥作為一種具備結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)方便等優(yōu)點的閥門更是受到了人們的廣泛關(guān)注。現(xiàn)階段，為獲得更好百比特性的V型球閥，首先，相關(guān)工作人員可以利用數(shù)值方法對球閥在原始開度情況下的流量進(jìn)行計算，并且依據(jù)流量對其百比特性系數(shù)進(jìn)行計算;其次，相關(guān)工作人員可以對不同等百比特性系數(shù)加以比較，并利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計法，對數(shù)據(jù)樣本的平均值進(jìn)行計算;再次，對球閥理論流量與實際流量進(jìn)行比較，然后依據(jù)等效面積法對球閥閥芯的形狀進(jìn)行修改，并對修改后的球閥閥芯等百比系數(shù)、樣本均值、樣本標(biāo)準(zhǔn)差、理論流量等參數(shù)進(jìn)行計算;最后依據(jù)參數(shù)結(jié)果對V型球閥閥芯的形狀進(jìn)行繼續(xù)修改，直到球閥的等百比特性處于較為平價的水平，從而達(dá)到優(yōu)化V型球閥整體使用效果的目的[1]。

（二）V型球閥閥芯的具體優(yōu)化步驟

1.選擇優(yōu)化的原始閥芯形狀

本文主要對型號為DN5V型球閥的閥芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在實際優(yōu)化過程中，這種V型球閥的閥芯內(nèi)直徑為50mm，原始開口設(shè)計角度為225°，為降低后續(xù)設(shè)計優(yōu)化工作的難度，本文主要借助CFD數(shù)值仿真分析軟件對該V型球閥的閥芯進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并劃分了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在設(shè)計優(yōu)化的過程中，將球閥的開口角度與邊界尺寸當(dāng)做本次設(shè)計優(yōu)化的主要設(shè)計參數(shù)，然后通過選擇合適范圍開口角度與邊界尺寸的方式，為球閥閥芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

2.計算原始球閥閥芯的流量

本文對V型球閥閥芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要目的在于提升其流量特性，而流量特征主要是反映閥門在不同開度的情況下，通過閥芯流量的大小，現(xiàn)階段，為切實了解DN50V型球閥閥芯的形狀優(yōu)化方法，相關(guān)工作人員可以先對原始V型球閥閥芯在不同開度下的流量情況進(jìn)行統(tǒng)計，然后參照等百分比流量數(shù)學(xué)表達(dá)公式，對不同開度下球閥的流量值進(jìn)行計算，式中Q指的是某一開度下球閥的流量;Qmax指的是球閥在全開時的流量，指的是球閥的相對流通流量，RQ指的是等百比特性系數(shù)，l指的是球閥某一開度的行程，L指的是球閥全開的行程。在進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時，相關(guān)工作人員可以應(yīng)用CFD數(shù)值分析法，選擇13個閥門開度，然后利用數(shù)值優(yōu)化算法對V型球閥閥門不同開度下的量進(jìn)行計算，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。對于一個V型球閥閥芯的新能進(jìn)行分析后可以了解到，等百比特性能夠反映閥門調(diào)節(jié)能力的好壞，一個質(zhì)量較好的球閥其等百比特性系數(shù)計算數(shù)值相差應(yīng)比較小，從表1可以了解到，型號為DN50的V型球閥閥門的相對開度處于92.9%到50.0%時等百比系數(shù)相對均勻，而當(dāng)球閥的相對開度處于21.4%到7.1%之間時，其等百比系數(shù)迅速增長，因此，相關(guān)工作人員需要對處于這一區(qū)間的球閥閥芯幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[2]。

3.計算原始球閥等百比特性系數(shù)均值、理論流量

在計算過程中，相關(guān)工作人員可以設(shè)定不同開度的V型球閥閥芯的等百比特性系數(shù)RQ采樣樣本分別為（x1，x2，……，x12，x13），取92.9%的開度作為計算基準(zhǔn)，此時等百比系數(shù)RQ1=1491，剔除開度分別為7.1%、14.3、21.4與28.6這四個相對開度點的等百比系數(shù)，選取剩余9個相對開度的等百比系數(shù)計算等百比系數(shù)的均值，然后利用均值求解13個樣本點的標(biāo)準(zhǔn)差，然后使用等百比流量數(shù)學(xué)表達(dá)式計算V型球閥的理論流量Q2。

結(jié)論：

總而言之，為更好地滿足人們對閥門實用性的要求，通過對球閥實際流量、理論流量進(jìn)行不斷比對的方式對V型球閥的閥芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以了解到，當(dāng)球閥的開度為92.9%，閥芯的流量增大到1.65kg/s，等百比性系數(shù)減小到12.4時，該閥門的質(zhì)量得到了有效的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛偉.V型球閥流阻特性及空化特性分析與研究[D].蘭州理工大學(xué)，2020.

[2]張皓男，王國峰，趙巧男.V型球閥閥芯的設(shè)計優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2021（04）：100-103.