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0 引言

    V型球閥是一種直角回轉的高級控制閥，主要作調節閥使用，也可作開(kāi)關(guān)閥使用。V 型球閥閥體采用一體化結構設計，結構性能穩定，閥芯設計成帶有特殊形狀的V 型缺口，所以具有良好的剪切力及自潔功能，尤其適用于含有黏稠、纖維顆粒或有微小固體顆粒狀介質(zhì)的控制；具有良好的等百分比流量特性，控制精確，可調比范圍廣。因此V 型球閥廣泛應用于氣體、液體、蒸汽等流體自控系統中，以及化工、生化、石油、多晶硅、化纖、制藥、環(huán)保、造紙等工業(yè)部門(mén)。

    V型球閥與閥座具有V 型切口的球體配合，當V 型球閥處于小開(kāi)度工作時(shí)，流經(jīng)通道截面處的介質(zhì)由于節流使流速增大，壓力較高，流向改變，并會(huì )產(chǎn)生渦流。長(cháng)時(shí)間小開(kāi)度工作，高速且高壓的介質(zhì)從小開(kāi)度的側面空間噴射，進(jìn)行單點(diǎn)沖刷，從而導致閥體內腔和閥座沖刷磨損，特別是當介質(zhì)中含砂粒時(shí)，情況會(huì )更嚴重。導致V型球閥使用壽命不長(cháng)，通常只有 1~3 個(gè)月就需要更換整臺閥門(mén)。

    針對單點(diǎn)沖刷磨損等問(wèn)題，設計研究使用壽命較高的防沖刷V 型球閥。該閥在閥體中設置具有擋流板的閥座，擋流板閥座具有擋流功能（降低流量）和改變介質(zhì)流向，能夠使介質(zhì)從靠近中間的部位通過(guò)。V 型球閥在小開(kāi)度工作時(shí)，帶砂粒的漿水對閥體內腔的磨損極少，從而大大提高了產(chǎn)品的使用壽命，降低了產(chǎn)品的現場(chǎng)維修率，并提高了安全性能。

1 結構設計

    1.1 材料和結構特征

    防沖刷V 型球閥的主要材料為ASTM A216 中的高溫用可熔焊碳鋼鑄件材料WCA，熱處理為退火、或正火、或正火加回火，化學(xué)成分和拉伸性能要求分別見(jiàn)表 1，2。

    防沖刷V 型球閥結構包括閥體、閥芯、閥座、 O 型圈、預緊彈簧、上閥桿、下閥桿、執行器、流道、入口、出口，其結構如圖 1 所示。

    防沖刷V 型球閥設計結構特征為：
   （1）防沖刷V 型球閥包括閥體，閥體內設有閥座和閥芯，閥芯為具有V 型切口的球體，閥芯的密封球面與閥座配合密封，閥座的通道內具有擋流板，擋流板與閥座連為一體，V 型切口位于球體的左側，擋流板連在閥座的通道左側；

   （2）擋流板的右側邊緣為V 型口，V 型口與球體的V 型切口配合；

    （3）球體設置在閥體內腔中，球體的上端連接上閥桿，球體的下端連接下閥桿，閥座與閥體之間設有O 型圈，閥座的外圈設有凹槽圈供O 型圈設置，閥座由預緊彈簧向閥芯預緊配合密封。

    1.2 防沖刷V 型球閥設計

    防沖刷V 型球閥的閥體內設有閥座和閥芯，閥芯為具有V 型切口的球體，閥芯的密封球面與閥座配合密封，球體（即閥芯）設置在閥體內腔中，球體的上端連接上閥桿，球體的下端連接下閥桿，上、下閥桿均采用花鍵與閥芯連接，連接在閥體上的執行器帶動(dòng)閥芯在閥體內轉動(dòng)，按工況的流量調節需求使閥芯轉動(dòng)對應的開(kāi)度。閥體內設有填料，填料由壓蓋壓住，上閥桿穿過(guò)填料。介質(zhì)從球閥閥座這側進(jìn)入，從另一側流出，如圖 2 所示。

    閥體左端為流道的入口，右端為流道的出口，閥座位于流道的入口處。閥座與閥體之間設有O型圈，閥座的外圈設有凹槽圈供O 型圈設置，方便設置O 型圈起密封作用。閥座由預緊彈簧（如六角彈簧）向閥芯預緊配合密封，以便球體與閥座密封配合。
    閥座中間孔道為通道，該閥座的通道內具有擋流板，擋流板與閥座連為一體，V 型切口位于球體的左側，擋流板連在閥座通道的左側。閥座的擋流板具有擋流以及改變介質(zhì)流向的功能，介質(zhì)通過(guò)閥座時(shí)會(huì )改變方向，使介質(zhì)從閥體內腔通道的中間部位通過(guò)，對閥體內腔的磨損極少，起防沖刷作用。比如某種工況的流量需要閥芯轉動(dòng)較小的開(kāi)度（角度），較小開(kāi)度導致流速大、壓力大且單側單點(diǎn)沖擊閥體內腔壁；通過(guò)閥座的擋流板擋流，為滿(mǎn)足該工況的流量則需要增加閥芯轉動(dòng)的開(kāi)度，降低了流速和壓力，并且通過(guò)擋流板改變了流向不會(huì )單側沖擊，而是從中部通過(guò)。V 型球閥在小開(kāi)度工作時(shí)，帶砂粒的漿水對閥體內腔的磨損極少。從而大大提高了產(chǎn)品的使用壽命，降低了產(chǎn)品的現場(chǎng)維修率，并提高了安全性能。

    擋流板的右側邊緣為V 型口，如圖 3 所示。

    擋流板的閥座上下對稱(chēng)，V 型口與球體的V型切口配合。當V 型球閥小開(kāi)度時(shí)，V 型口與V型切口相互配合形成菱形口，如圖 4 所示。菱形口供介質(zhì)流過(guò)。

    閥芯采用不銹鋼鑄件制造，閥芯的密封球面全部噴焊鎳基合金，噴焊層加工后不小于 0.7 mm，硬度HRC58~65，球體基材與表面材料冶金熔化結合，結合強度高，確保噴焊材料在使用中不會(huì )脫落。閥座采用不銹鋼鍛件制造，密封面噴焊鎳基合金，加工后厚度不小于 2 mm，硬度HRC56~60，基材與表面材料冶金熔化結合，結合強度高，確保噴焊材料在使用中不會(huì )脫落。

2 擋流板工作仿真分析

    介質(zhì)包含單相液體或氣體、液固兩相、氣固兩相和氣液兩相等工況條件，流體流動(dòng)要滿(mǎn)足守恒：

式中，ρ為流體密度；Φ為通用變量，代表k，l，m 變量；t 為時(shí)間；k 為速度矢量在x 方向的分量；Γ為廣義擴散系數；Q 為廣義源項；l 為速度矢量在y方向的分量；m 為速度矢量在z 方向的分量。
    由SolidWorks 軟件對防沖刷V 型球閥進(jìn)行建模，三維模型如圖 5 所示。
    為了驗證擋流板在球閥小開(kāi)度時(shí)如何起作用來(lái)改變液流方向及減少渦流，將模型導入SolidWorks Flow Simulation 進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，選取球閥（DN65）相對小開(kāi)度 40% 和 30% 進(jìn)行分析。介質(zhì)為帶有固體顆粒的常溫水，對球閥定義計算域，定義出、入口邊界條件，入口質(zhì)量流量為 0.5 kg/s，出口為靜壓。