V型球閥閥芯優化設計研究

冉銀波 葉鋒 程啟濤

摘要：V型球閥是一種具有緊湊結構、廣闊調節范圍的特殊閥門，本文介紹了V型球閥閥芯優化設計的意義與方法，以期通過對其閥芯形狀進行優化設計的方式，進一步提升閥門使用的可靠性，希望能夠給讀者帶來啟發。

關鍵詞：V型球閥;閥芯優化設計;原始球閥

一、V型球閥閥芯優化設計的意義

對于管路來說，閥門是一種極為必要的控制元件，在當前的社會發展過程中，V型球閥因其具備應用范圍廣、可靠性強、密封性良好等優點被廣泛應用于水利工程、石油開采等領域工作當中。由于在閥門的實際應用過程中，其流通性與其實用性之間存在著直接的聯系，盡管大部分V型球閥已經擁有了較為穩定的調節能力，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，現階段，為切實解決上述問題，相關工作人員可以通過對其進行優化設計的方式，進一步提升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型球閥閥芯優化設計的方法

（一）V型球閥閥芯設計優化流程

在閥門的實際使用過程中，V型球閥作為一種具備結構簡單、開關方便等優點的閥門更是受到了人們的廣泛關注。現階段，為獲得更好百比特性的V型球閥，首先，相關工作人員可以利用數值方法對球閥在原始開度情況下的流量進行計算，并且依據流量對其百比特性系數進行計算;其次，相關工作人員可以對不同等百比特性系數加以比較，并利用數學統計法，對數據樣本的平均值進行計算;再次，對球閥理論流量與實際流量進行比較，然后依據等效面積法對球閥閥芯的形狀進行修改，并對修改后的球閥閥芯等百比系數、樣本均值、樣本標準差、理論流量等參數進行計算;最后依據參數結果對V型球閥閥芯的形狀進行繼續修改，直到球閥的等百比特性處于較為平價的水平，從而達到優化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化步驟

1.選擇優化的原始閥芯形狀

本文主要對型號為DN5V型球閥的閥芯進行了優化設計，在實際優化過程中，這種V型球閥的閥芯內直徑為50mm，原始開口設計角度為225°，為降低后續設計優化工作的難度，本文主要借助CFD數值仿真分析軟件對該V型球閥的閥芯進行了數學建模并劃分了網格結構，在設計優化的過程中，將球閥的開口角度與邊界尺寸當做本次設計優化的主要設計參數，然后通過選擇合適范圍開口角度與邊界尺寸的方式，為球閥閥芯結構的優化設計打下良好的基礎。

2.計算原始球閥閥芯的流量

本文對V型球閥閥芯進行優化設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，現階段，為切實了解DN50V型球閥閥芯的形狀優化方法，相關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行統計，然后參照等百分比流量數學表達公式，對不同開度下球閥的流量值進行計算，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，l指的是球閥某一開度的行程，L指的是球閥全開的行程。在進行設計優化時，相關工作人員可以應用CFD數值分析法，選擇13個閥門開度，然后利用數值優化算法對V型球閥閥門不同開度下的量進行計算，統計結果如表1所示。對于一個V型球閥閥芯的新能進行分析后可以了解到，等百比特性能夠反映閥門調節能力的好壞，一個質量較好的球閥其等百比特性系數計算數值相差應比較小，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%時等百比系數相對均勻，而當球閥的相對開度處于21.4%到7.1%之間時，其等百比系數迅速增長，因此，相關工作人員需要對處于這一區間的球閥閥芯幾何形狀進行優化調整[2]。

3.計算原始球閥等百比特性系數均值、理論流量

在計算過程中，相關工作人員可以設定不同開度的V型球閥閥芯的等百比特性系數RQ采樣樣本分別為（x1，x2，……，x12，x13），取92.9%的開度作為計算基準，此時等百比系數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，選取剩余9個相對開度的等百比系數計算等百比系數的均值，然后利用均值求解13個樣本點的標準差，然后使用等百比流量數學表達式計算V型球閥的理論流量Q2。

結論：

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、理論流量進行不斷比對的方式對V型球閥的閥芯進行優化設計，可以了解到，當球閥的開度為92.9%，閥芯的流量增大到1.65kg/s，等百比性系數減小到12.4時，該閥門的質量得到了有效的改善。

參考文獻：

[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，2020.

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