V型球阀阀芯优化设计研究

冉银波 叶锋 程启涛

摘要：V型球阀是一种具有紧凑结构、广阔调节范围的特殊阀门，本文介绍了V型球阀阀芯优化设计的意义与方法，以期通过对其阀芯形状进行优化设计的方式，进一步提升阀门使用的可靠性，希望能够给读者带来启发。

关键词：V型球阀;阀芯优化设计;原始球阀

一、V型球阀阀芯优化设计的意义

对于管路来说，阀门是一种极为必要的控制元件，在当前的社会发展过程中，V型球阀因其具备应用范围广、可靠性强、密封性良好等优点被广泛应用于水利工程、石油开采等领域工作当中。由于在阀门的实际应用过程中，其流通性与其实用性之间存在着直接的联系，尽管大部分V型球阀已经拥有了较为稳定的调节能力，但在其开度过小时，其等百分比特性将无法得到有效的保证，现阶段，为切实解决上述问题，相关工作人员可以通过对其进行优化设计的方式，进一步提升V型球阀的流通量，保证阀门能够切实满足人們的使用要求。

二、V型球阀阀芯优化设计的方法

（一）V型球阀阀芯设计优化流程

在阀门的实际使用过程中，V型球阀作为一种具备结构简单、开关方便等优点的阀门更是受到了人们的广泛关注。现阶段，为获得更好百比特性的V型球阀，首先，相关工作人员可以利用数值方法对球阀在原始开度情况下的流量进行计算，并且依据流量对其百比特性系数进行计算;其次，相关工作人员可以对不同等百比特性系数加以比较，并利用数学统计法，对数据样本的平均值进行计算;再次，对球阀理论流量与实际流量进行比较，然后依据等效面积法对球阀阀芯的形状进行修改，并对修改后的球阀阀芯等百比系数、样本均值、样本标准差、理论流量等参数进行计算;最后依据参数结果对V型球阀阀芯的形状进行继续修改，直到球阀的等百比特性处于较为平价的水平，从而达到优化V型球阀整体使用效果的目的[1]。

（二）V型球阀阀芯的具体优化步骤

1.选择优化的原始阀芯形状

本文主要对型号为DN5V型球阀的阀芯进行了优化设计，在实际优化过程中，这种V型球阀的阀芯内直径为50mm，原始开口设计角度为225°，为降低后续设计优化工作的难度，本文主要借助CFD数值仿真分析软件对该V型球阀的阀芯进行了数学建模并划分了网格结构，在设计优化的过程中，将球阀的开口角度与边界尺寸当做本次设计优化的主要设计参数，然后通过选择合适范围开口角度与边界尺寸的方式，为球阀阀芯结构的优化设计打下良好的基础。

2.计算原始球阀阀芯的流量

本文对V型球阀阀芯进行优化设计的主要目的在于提升其流量特性，而流量特征主要是反映阀门在不同开度的情况下，通过阀芯流量的大小，现阶段，为切实了解DN50V型球阀阀芯的形状优化方法，相关工作人员可以先对原始V型球阀阀芯在不同开度下的流量情况进行统计，然后参照等百分比流量数学表达公式，对不同开度下球阀的流量值进行计算，式中Q指的是某一开度下球阀的流量;Qmax指的是球阀在全开时的流量，指的是球阀的相对流通流量，RQ指的是等百比特性系数，l指的是球阀某一开度的行程，L指的是球阀全开的行程。在进行设计优化时，相关工作人员可以应用CFD数值分析法，选择13个阀门开度，然后利用数值优化算法对V型球阀阀门不同开度下的量进行计算，统计结果如表1所示。对于一个V型球阀阀芯的新能进行分析后可以了解到，等百比特性能够反映阀门调节能力的好坏，一个质量较好的球阀其等百比特性系数计算数值相差应比较小，从表1可以了解到，型号为DN50的V型球阀阀门的相对开度处于92.9%到50.0%时等百比系数相对均匀，而当球阀的相对开度处于21.4%到7.1%之间时，其等百比系数迅速增长，因此，相关工作人员需要对处于这一区间的球阀阀芯几何形状进行优化调整[2]。

3.计算原始球阀等百比特性系数均值、理论流量

在计算过程中，相关工作人员可以设定不同开度的V型球阀阀芯的等百比特性系数RQ采样样本分别为（x1，x2，……，x12，x13），取92.9%的开度作为计算基准，此时等百比系数RQ1=1491，剔除开度分别为7.1%、14.3、21.4与28.6这四个相对开度点的等百比系数，选取剩余9个相对开度的等百比系数计算等百比系数的均值，然后利用均值求解13个样本点的标准差，然后使用等百比流量数学表达式计算V型球阀的理论流量Q2。

结论：

总而言之，为更好地满足人们对阀门实用性的要求，通过对球阀实际流量、理论流量进行不断比对的方式对V型球阀的阀芯进行优化设计，可以了解到，当球阀的开度为92.9%，阀芯的流量增大到1.65kg/s，等百比性系数减小到12.4时，该阀门的质量得到了有效的改善。

参考文献：

[1]毛伟.V型球阀流阻特性及空化特性分析与研究[D].兰州理工大学，2020.

[2]张皓男，王国峰，赵巧男.V型球阀阀芯的设计优化[J].机械设计与制造，2021（04）：100-103.