[发明专利]一种深海采油树电液控制阀组双电低压换向阀设计方法

摘要

本发明提供了一种深海采油树电液控制阀组双电低压换向阀设计方法，具体设计方法包括根据实际使用环境确定设计方案、几何尺寸校核计算、阀体运行受力校核计算及复审校核等四步。本发明设计方法合理，计算效率和精度高，且设计值与实际使用值更为接近，有效的提高了深海水下采油树电液控制阀组双电低压换向阀的设计工作的可靠性，从而有助于提高阀体在实际使用中的稳定性和可靠性。

主权项

1.一种深海采油树电液控制阀组双电低压换向阀设计方法，其特征在于：所述的深海采油树电液控制阀组双电低压换向阀设计方法包括如下步骤：第一步，根据实际使用环境确定设计方案，根据阀体的深海水下运行实际环境情况，及工作介质情况，初步确定阀体的有效工作环境适应范围、设阀体的各项运行技术指标及阀体的基本机械结构；第二步，几何尺寸校核计算，根据第一步设定的阀体技术指标及基本机械结构，对阀体的几何尺寸进行校核计算，其中需对进出油口直径、主球阀阀座内孔和推杆直径、主阀阀口最小开度及主阀芯行程进行校核计算；第三步，阀体运行受力校核计算，根据第一步设定的运行环境及技术指标，同时结合第二步计算得到的机械结构的具体尺寸，对阀体运行情况中各受力情况进行计算校核，其中需对摩擦阻力、运动阻力、液压卡紧力、稳态液力、阀芯作用力及回位弹簧弹力进行校核计算；第四步，复审校核，根据第一步的设定技术指标范围，选定至少一组数据，并将选定数据带入到第二步和第三步计算得到的具体数据中，然后结合阀体实际运行情况进行校核复审计算；所述的第二步中出油口直径、主球阀阀座内孔和推杆直径、主阀阀口最小开度及主阀芯行程进行校核计算公式如下：出油口直径计算公式： QUOTE 其中：d—油口直径Q‑‑额定流量l/min；—进出油口直径d出油液流速，压力越大速度越高；主球阀阀座内孔直径及推杆直径和钢球直径计算公式:d1≥1/2 D1通过阀口与推杆间环形通道的流量公式为上式流量Q以额定流量带入，环形通道中的油液流速V，因 QUOTE  ，则其中： QUOTE  —推杆直径QUOTE  —推杆直径主球阀阀座内孔直径QUOTE  —环形通道中的油液流速主阀阀口最小开度计算公式：根据通过阀口的流量计算公式为：式中： QUOTE  ——通过阀口液体流量m³/s； QUOTE  ——阀口过流面积m²； QUOTE  ——阀口两端压差Pa； QUOTE  ——流体密度kg/m³; QUOTE  ——为阀口流量系数；阀口过流面积A计算公式为：QUOTE ；其中， QUOTE  ；D——阀口直径；当 QUOTE  时， QUOTE  ，上式变为 QUOTE   ；所以阀的开口最小开度公式化解为： QUOTE  ；主阀芯行程计算公式：由阀芯的行程S必须大于 QUOTE  得：S> QUOTE  其中：S—阀芯的行程；QUOTE  —主阀阀口最小开度；所述的第三步中摩擦阻力、运动阻力、液压卡紧力、稳态液力、阀芯作用力及回位弹簧弹力的计算公式如下：摩擦阻力计算公式：由于QUOTE  =0.55 QUOTE  ； QUOTE  为O形密封圈的端面直径,假定在 QUOTE  的作用下，O形圈与控制活塞只发生接触移动，而接触宽度不变；O形圈对控制活塞的卡紧力为 QUOTE  ；则其中： QUOTE  ——摩擦阻力； QUOTE  ——摩擦系数，取 QUOTE  =0.1； QUOTE  ——活塞杆直径； QUOTE  ——O形圈端面直径； QUOTE  ——允许背压；运动阻力计算公式：其中： QUOTE  ——运动阻力；D——控制活塞直径；L——控制活塞与阀体孔的接触长度；V——阀芯运动速度；μ——油液动力粘度； QUOTE  ——阀芯与阀体孔的单边配合间距；液压卡紧力计算时，液压卡紧力的产生是因为流体在液压阀阀芯与阀体之间的配合间隙中的流动时，由于阀芯和阀体孔有锥度和偏心量，使圆周方向的不同间隙处存在压力分布变化，而对阀芯产生了一个径向不平衡力，同时由于本设计的阀芯与阀体间采用O形密封圈密封，泄漏量几乎为零，本设计忽略液压卡紧力；稳态液力计算公式： QUOTE    （2‑17）同时，由于阀芯的结构，在阀芯换向时两口都处于开启状态，一边的液流成下流形式，一边的液流成上流形式，但是阀芯受到的稳态液动力都朝一个方向，都与液流方向相反，所以在计算式需计算两个球阀的稳态液动力；并且阀芯不管是处于左位还是右位，情况都是相同的，在计算时，只用计算阀芯在一边的稳态液动力，阀芯的稳态液动力计算需计算两种情况下的稳态液动力，一种是小开口，即 δ=1/3δmax，一种是阀芯全开时；由此得到，稳态液动力总和为：式中： QUOTE  ——为阀口流量系数； QUOTE  ——阀口直径；δ——阀的开口量； QUOTE  ——阀口两端压差Pa；α——液流角阀芯作用力计算公式：由于阀体在工作时，阀芯具备开启和闭合两种工作状态，因此需要对阀芯在开启和闭合状态喜爱的作用力分别计算，因此开启状态作用力： QUOTE  闭合状态作用力： QUOTE  所以弹簧的刚度：式中： QUOTE  ——开启状态阀芯作用力； QUOTE  ——闭合状态阀芯作用力； QUOTE  ——摩擦阻力总和； QUOTE  ——阀芯产生的压力； QUOTE  ——弹簧最小工作负荷； QUOTE  ——阀芯圈打开时的稳态液动力； QUOTE  ——小弹簧最大工作负荷； QUOTE  ——弹簧的刚度；由此得：开启控制活塞开启控制活塞欲打开阀芯，需满足以下条件QUOTE  ——摩擦阻力总和； QUOTE  ——阀芯产生的压力； QUOTE  ——小弹簧最小工作负荷；当阀芯到位后，需满足以下条件:QUOTE  ——阀芯圈打开时的稳态液动力； QUOTE  ——小弹簧最大工作负荷； QUOTE  ——锁紧活塞作用；为了阀能稳定可靠的动作，取 QUOTE  最大时，即系统压力最大时计算自锁控制活塞自锁控制活塞是在阀芯打开后，将阀芯顶住，迫使阀芯一直处于开启状态；所以自锁活塞需满足以下条件 QUOTE  ；关闭控制活塞当阀关闭时，关闭活塞推开主阀芯，此时需克服自锁活塞的力和摩擦力还有稳态液动力；阀关闭时P、R、C相通，阀处于卸荷状态，自锁活塞内的液体失去压力，关闭控制活塞，所以只用计算关闭控制活塞在阀开始关闭时的力；关闭控制活塞需满足以下条件回位弹簧弹力计算公式：式中： QUOTE  ——阀芯在569bar全开口时的稳态液动力； QUOTE  ——阀芯在569bar时摩擦阻力之和； QUOTE  ——球阀芯在569bar时受到的液体压力;当阀芯到位后，需满足以下条件，由于阀芯动作速度很快，小于0.01s，所以为了阀芯的可靠，假设控制活塞内液体还没有来得及流出，所以此处需计算控制活塞产生的作用力；当阀芯到小开口位置时，需满足以下条件，同样需计算控制活塞产生的作用力；QUOTE  ——阀芯在69bar小开口时的稳态液动力。