基于压力特性的电动水阀阀芯设计研究

　　1 概 述

　　在钢铁冶金行业的冷却设备中，电动水阀的使用很广泛，它是整个控制的核心部件，用来实现对被控对象的调整和控制。高压水除鳞一直是中厚板轧钢工艺中不可缺少的一道重要工序，除鳞效果的好坏直接影响钢板的质量。在整个高压水除鳞过程中，水流压力的控制至关重要，因此对水阀的压力调节特性有很高的要求。市场上现有的电动水阀，一般采用锥阀芯来实现节流调压。实际使用过程中发现，在压力特性要求较高的场合，这种通用水阀就很难满足控制要求，压力调节线性度差，尤其对高压小流量的控制十分困难，常常导致阀门在小开度频繁抖动,加剧阀门的磨损,容易引起控制过程振荡，甚至出现阻塞现象。

　　根据现场工作需要，建立了高压水除磷喷嘴特性测试试验台，用来检测喷嘴和电动水阀的性能。试验台高压泵出口处安全阀的设定压力为 20MPa，此值为除磷喷嘴测试的最高压力。系统的实际流量和压力由电动水阀进行调节，通过测试得到喷嘴在不同压力下的打击力分布情况和电动水阀的压力调节特性。该试验台使用的电动水阀结构图如图 1 所示，主要由阀体和阀芯两大部分组成，采用的是锥形阀芯，阀芯最大行程为 21.3mm，压力工作范围为 0~20MPa，公称流量为 100L/min。通过试验测试，得到水阀的初始压力调节特性如图 2 所示，线性度很差，因此需要对电动水阀的阀芯进行局部结构优化，以满足控制要求。

　　2 阀芯结构设计

　　2.1 密封形式

　　由于水的粘度很低，水压节流阀的阀口开度比等型号和规格的油压节流阀小很多，同时水介质的粘度低导致泄漏损失会增大，在间隙和压差相同时，同样规格的水压控制阀的泄漏损失为油压控制阀的数十倍。因此可以在阀体与阀芯之间添加一个阀套，阀体与阀套、阀套与阀芯行程末端均采用直接密封的形式，可以变传统的间隙密封为直接密封，使得部件之间的配合公差较小，实现微量或零泄漏。从使用情况来看，橡胶类密封件非常适合于水压控制阀中的密封，O 形圈、U 形圈、阶梯形圈和方形圈等密封件都是较好的选择，这种形式的密封性能可靠。

　　2.2 进出口压差

　　在工作过程中，节流阀进出口压差 △p 是随着系统中执行元件负载的变化而在很大范围内变化。在试验台测试系统中，喷嘴出口处的压力可近似为零，电动水阀的出口直接回水箱，压力也近似为零，所以 △p 可近似为系统的实际调定压力，其变化范围为 0~20MPa。

　　2.3 节流口通流面积

　　对于薄壁锐边孔口来说，节流口的流量特性公式为：