上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

1 前言

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

球閥就其性能評價(jià)指標而言，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。球閥出流流量與進(jìn)出口壓差關(guān)系可用下式表征：

式中：C——流量系數；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)結構幾何特性決定。C 是一個(gè)十分復雜的量，它與液流流動(dòng)狀態(tài)、閥的幾何結構等因素有關(guān)，它的確定大多數依賴(lài)于實(shí)驗方法。目前還沒(méi)有計算球閥流量系數的理論計算式和通用的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式，這給球閥的設計與應用帶來(lái)很大不便。為了填補這方而欠缺，從液流流動(dòng)機理出發(fā)，提出球閥流量系數計算簡(jiǎn)化模型就顯得尤為重要。

2 流量系數的確定

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

式中：φ——流體出流流速系數；μ——收縮系數。

(1) 流速系數的計算

根據文獻《流體力學(xué)及流體機械》，可得下式：

式中：ξ——局部阻力系數

圖 1 球閥結構

對于圖 1 情況，根據文獻《機械設計手冊（第四卷）》：

式中：A——入口截面積

它們的計算公式如下：

式中：d——閥座孔直徑；x——閥芯升高量；R——鋼球直徑。

因此，流速系數可按下式計算：

(2) 收縮系數 μ 的計算簡(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)生分離現象，而在閥座 A 點(diǎn)有可能出現分離或流線(xiàn)改變方向引起過(guò)流斷面收縮。從這個(gè)機理出發(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尖角，引起流線(xiàn)方向的突然改變，在閥座邊緣側出現流體過(guò)流斷面的收縮，而沿鋼球一側的流動(dòng)不會(huì )出現收縮現象。因此流經(jīng)鋼球與閥座之間的流動(dòng)實(shí)際上是外側收縮內側不收縮的環(huán)形流。由于環(huán)形縫隙流縫隙相對很小，根據縫隙流理論，它可以展開(kāi)成兩平板間縫隙流。再由于其存在外側面收縮現象，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，對應尺寸如圖 2。

圖 2 球閥內液流簡(jiǎn)化模型

其環(huán)形流外側收縮系數可按閘孔出流情況計算選取。

閘口流收縮系數 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 C 可根據式（5）與表 1 計算。

3 實(shí)驗研究

嚴格地講，球閥流量系數 C 與雷諾數 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：

式中：K、n 為系數、指數，與閥結構形狀等有關(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 Re 超過(guò) Rec 后，C 不隨 Re 變化，而趨于常數。一般來(lái)講 Rec 往往很小，而球閥在正常工作時(shí) Re 遠大于 Rec。因此可以認為在工作狀態(tài)下，C 是常數。

為了驗證模型的有效性及 Rec 與閥的幾何尺寸關(guān)系，我們對不同幾何參數的球閥進(jìn)行了實(shí)驗研究得出，在 Re 大于 Rec 后，模型的計算結果與實(shí)驗結果吻合良好。

4 結論

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

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