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球閥流量系數(shù)的研究

2021-12-21 10:09:31 50

1 前言

球閥由于密封性好、無(wú)滯后現(xiàn)象、工作壓力高、對(duì)污染不敏感、制造簡(jiǎn)單、故障少,近來(lái)受到人們的青睞,廣泛應(yīng)用在各種液壓系統(tǒng)中。

球閥就其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)而言,壓力流量特性無(wú)疑是衡量其工作特性的一個(gè)重要指標(biāo)。球閥出流流量與進(jìn)出口壓差關(guān)系可用下式表征:

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式中:C——流量系數(shù);Ax——閥口過(guò)流面積;△P——閥進(jìn)出口壓差;ρ——流體密度。

從式(1)中可以看出,在流動(dòng)介質(zhì)確定的情況下,Q與△P的關(guān)系取決于C與 A。A可由閥門(mén)結(jié)構(gòu)幾何特性決定。C是一個(gè)十分復(fù)雜的量,它與液流流動(dòng)狀態(tài)、閥的幾何結(jié)構(gòu)等因素有關(guān),它的確定大多數(shù)依賴于實(shí)驗(yàn)方法。目前還沒(méi)有計(jì)算球閥流量系數(shù)的理論計(jì)算式和通用的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式,這給球閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)很大不便。為了填補(bǔ)這方而欠缺,從液流流動(dòng)機(jī)理出發(fā),提出球閥流量系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)化模型就顯得尤為重要。

2 流量系數(shù)的確定

流量系數(shù)的大小實(shí)際上反映了孔口出流時(shí)阻力的損失及過(guò)流斷而的減少對(duì)出流流量的綜合影響,可用下式表示:

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式中:φ——流體出流流速系數(shù);μ——收縮系數(shù)。

(1) 流速系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)《流體力學(xué)及流體機(jī)械》,可得下式:

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式中:ξ——局部阻力系數(shù)

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圖 1 球閥結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖 1 情況,根據(jù)文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四卷)》:

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式中:A——入口截面積

它們的計(jì)算公式如下:

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式中:d——閥座孔直徑;x——閥芯升高量;R——鋼球直徑。

因此,流速系數(shù)可按下式計(jì)算:

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(2) 收縮系數(shù)μ的計(jì)算簡(jiǎn)化模型

如圖 1 所示,液流經(jīng)過(guò)閥座與鋼球之間間隙流出,由附面層理論可知,出流在鋼球迎面前半球面不可能發(fā)生分離現(xiàn)象,而在閥座A點(diǎn)有可能出現(xiàn)分離或流線改變方向引起過(guò)流斷面收縮。從這個(gè)機(jī)理出發(fā),可把流經(jīng)閥口縫隙的流動(dòng)分成兩部分,一部分沿過(guò)道壁流動(dòng),另一部分沿鋼球壁而流動(dòng)。沿過(guò)道壁而流動(dòng)的流體,由于壁面形狀改變出現(xiàn)尖角,引起流線方向的突然改變,在閥座邊緣側(cè)出現(xiàn)流體過(guò)流斷面的收縮,而沿鋼球一側(cè)的流動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。因此流經(jīng)鋼球與閥座之間的流動(dòng)實(shí)際上是外側(cè)收縮內(nèi)側(cè)不收縮的環(huán)形流。由于環(huán)形縫隙流縫隙相對(duì)很小,根據(jù)縫隙流理論,它可以展開(kāi)成兩平板間縫隙流。再由于其存在外側(cè)面收縮現(xiàn)象,因此可以簡(jiǎn)化成如圖 2 所示的無(wú)底坎閘孔出流流動(dòng)模型,對(duì)應(yīng)尺寸如圖 2。

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圖 2 內(nèi)液流簡(jiǎn)化模型

其環(huán)形流外側(cè)收縮系數(shù)可按閘孔出流情況計(jì)算選取。

閘口流收縮系數(shù)μ可用儒可夫斯基理論分析方法求值,如表 1 所示。

因此流量系數(shù)C可根據(jù)式(5)與表 1 計(jì)算。

表 1 模型對(duì)應(yīng)的收縮系數(shù) μ 值
2x/d 0.10 0.20 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75
μ 0.615 0.620 0.625 0.628 0.630 0.638 0.645 0.650 0.660 0.675 0.690 0.705

3 實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)格地講,球閥流量系數(shù)C與雷諾數(shù)Re(Re=Q/4dv)有密切關(guān)系,C隨Re的變化可以寫(xiě)成如下關(guān)系式:

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式中:K、n為系數(shù)、指數(shù),與閥結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān)。

研究表明,Re存在臨界值Rec,并且Re隨比值d/(2R) 增大而變大。當(dāng)Re超過(guò)Rec后,C不隨Re變化,而趨于常數(shù)。一般來(lái)講Rec往往很小,而球閥在正常工作時(shí)Re遠(yuǎn)大于Rec。因此可以認(rèn)為在工作狀態(tài)下,C是常數(shù)。

為了驗(yàn)證模型的有效性及Rec與閥的幾何尺寸關(guān)系,我們對(duì)不同幾何參數(shù)的球閥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究得出,在Re大于Rec后,模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

4 結(jié)論

(1) 球閥流量系數(shù)在很小范圍內(nèi)隨Re變化,Re存在臨界值Rec,當(dāng)Re>Rec時(shí),C趨于常數(shù)。

(2) 在Re>Rec 時(shí),木文模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,因此可用該模型計(jì)算球閥流量系數(shù)。

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