摘 要：针对传统止回阀存在高开启压力和高流阻的问题，设计了一种微流阻、微开启压力的止回阀。依据CAD设计图，对阀门开启压力和流阻进行了理论计算。利用Solidworks Flow Simulation软件，分析阀门分别处于75°、40°、10°工况时的压力云图，计算出每个工况下的流量系数。结果表明，设计的阀门开启压力小、流阻系数小、流量系数大、通流能力好，能有效减小流体系统中总输送泵的能耗，达到了设计的目标。
关键词：止回阀；微流阻；微开启压力；流体分析
传统止回阀存在高开启压力和高流阻的弊端，造成总输送泵的能耗高。旋启式止回阀阀瓣采用悬挂式布置，阀瓣自身重力大，开启角度小[1,2]；升降式止回阀流阻系数更大；蝶式止回阀通流能力较好，但密封性能较差，容易出现卡塞现象[3]。如何在保证开启角度的情况下，降低止回阀的流阻，一直是设计中的难点[4-7]。针对普通止回阀存在的缺点，将阀瓣的结构进行了改进，设计了一种新型的微流阻微开启压力止回阀。通过AUTOCAD作图并进行理论计算，利用Solid⁃works Flow Simulation对新型止回阀的内部流动特性进行分析，对管路液体系统节能有一定的指导意义。
1 微流阻微开启压力止回阀结构原理
微流阻微开启压力止回阀结构原理如图1。
图1 微流阻微开启压力止回阀结构原理图
Fig.1 Structure principle chart of check valve with low flow resistance and low opening pressure
通过调整阀瓣后部平衡块大小来调整运动部件的重心，使阀瓣自身重心达到自平衡,使整个运动部件的组合重心位于转轴下后部，这样既能在很小的介质压力下，保证阀门能正常开启，又能在需要止回时保证阀门关闭。因为是锥面密封结构，转轴位于密封面圆柱范围以内，所以阀瓣转轴与阀体只能为浮动定位，如图2阀瓣转轴是悬浮于扭簧内部不固定的。这样就无法避免阀门在止回关闭过程中出现阀瓣关过位情况，我们在这里巧妙的运用两只扭簧反向缓冲扭力来平衡此类情况。使阀门在止回关到位后密封副处于正确位置。
图2 转轴悬浮于扭力弹簧示意图
Fig.2 Schematic diagram of the shaft suspended in the torsion spring
传统旋启式止回阀的平面密封结构，当介质回流使阀门关闭时，阀瓣关闭时撞击力是完全由平面密封面正面承受的。我们在这里设计成锥面密封面结构，当阀瓣关闭时，阀瓣的撞击力不是正面撞击在密封面上，而是形成一个角度撞击，这样可以有效的保护密封面，提高阀门使用寿命。
阀瓣销轴设置扭力弹簧，并可以调节扭力大小，使阀门密封面可以应对不同快慢的止回动作。因为阀瓣销轴为浮动设置，为防止在关闭时阀瓣关过位，必须在阀瓣动作至正确关闭位置时，有一种措施来对阀瓣施加一个反向力，保证阀瓣处于正确关闭位置密封。在这里，我们巧妙的在销轴两端设置了两只扭力弹簧，既可以保证阀瓣的位置正确，还可以缓冲阀瓣的撞击力，对保护密封面起到一定的作用。
2 实现微流阻微开启压力的理论依据
下面以实际工况为例：工况条件如下表1：
表1 实际工况条件
Table 1 Practical working conditions
2.1 实现微开启压力的计算：
阀门开启瞬间，对阀瓣运动组件作受力分析（如图3）：
图3 阀瓣受力分析结构图
Fig.3 Structure diagram of force analysis of valve clack
阀门开启压力按下式计算[8]：
式中：P-阀门开启压力（MPa）；S下-阀瓣转轴下部面积（mm2）；L下-阀瓣下部面积相对于转轴的相当力臂（mm）；S上-阀瓣转轴上部面积（mm2）；L上-阀瓣上部面积相对于转轴的相当力臂（mm）；F-扭簧的平衡扭力（N）；r-扭簧的中径半径（mm）；mg-阀瓣运动组件所受重力（N）；L'-阀瓣组件重心处相对于转轴的力臂（mm）；代入相关条件和参数计算：
常规旋启式止回阀的开启压力为：0.008～0.012之间。通过理论计算，可以看到，微流阻微开启压力止回阀的开启压力是优于常规的旋启式止回阀的。
2.2 实现微流阻的计算：
压力降按下式计算[9]：
式中：Kv-阀门流量系数；Qv-流体介质体积流量（m3/h）；ρ-流体介质密度（kg/m3）；ΔP-压力降（MPa）；m
代入相关条件和参数计算：
常规旋启式止回阀的流阻为：0.006～0.015之间。同样，理论计算表明，微流阻微开启压力止回阀的流阻是优于常规的旋启式止回阀的。
3 设计的软件分析
为了实现微流阻，设计从两个方面入手，一方面优化阀门的过流部件，使其具有很好的流线性。另一方面，在保证阀瓣不抖动的情况下，使阀瓣拥有最大的开启角度。具体解释为阀瓣开启角度越大，需要的介质冲击力越大，在介质流速一定的情况下，我们在阀瓣还没有开启到最高角度时就应该在阀体上设置凸起挡点，避免因流速的微小变化，使开启角度也不停的微小变化（既阀瓣抖动）。
做到以上两点，可以最优化阀门的Kv值，而Kv值的增大，在其它参数不变的情况下，就表示阀门的ΔP减小（既流阻减小）。
3.1 从流线性方面分析
如前文所述，要实现微流阻，阀门内腔及过流部件的流线性非常重要，我们可以使用Solid⁃works Flow Simulation来模拟阀门过流时的情形（以介质流线不出现大角度转折为优）。
图4为软件模拟阀门工作时的内腔介质速度流线图。要使阀门具有小的运行压力降，阀内腔过流部件要具有较好的流线性。如图所示，流线没有出现大的偏转角度，且同一根流线上没有出现大的速度变化。说明阀内腔流线性是很好的（流线的速度也是以不同颜色对应右上角图示速度数值）。
图4 阀门内腔介质速度流线图
Fig.4 Streamline diagram of the medium velocity in the valve intracavity
3.2 对阀门流阻的分析：
衡量阀门的流动阻力大小，主要量化指标就是阀门流量系数Kv值大小。Kv值越大，代表阀门过流性能越好，流阻越小。而通常的情况要求阀门在不同开度时都具有很好的过流性能。所以我们在这里分三种情况分析阀门的过流能力。开启角度分别为：75°（全开如图5）、40°（半开如图6）、10°（微开如图7）。
表2 不同工况下的流量系数
Table 2 Flow Coefficient under Different Conditions
由于流体流动过程中，影响流阻的不确定因素太多，所以造成用流体力学公式计算的结果与实际情况有较大出入。我们在这里选择使用Solidworks Flow Simulation模拟出流动过程中的不同部位压力值，从而计算出压力降ΔP。再由公式（1）、（2）来计算出Kv值，以此数值来衡量阀门的流阻损失。
图5分别为不同开启角度下的静压力值。
如图5（a）～（c）所示，是阀门在2.6 MPa进口压力下不同开启角度工作时,阀内腔各部位的压力值云图。以不同颜色对应不同压力值。进口颜色对应值-出口颜色对应值既为阀门的压力降。所以得出阀门在不同开度运行时的压力降约为：0.00248 MPa（75°）、0.003768 MPa（40°）、0.0117 MPa（10°）。
由此可以看出，阀门在不同开启角度下，运行压力降都远小于传统旋启式止回阀。表明这种微流阻微开启压力止回阀具有很优异的过流性能和灵敏的开启反应。适用于流体管路系统的止回部件。在生产实践中，可以较为有效的实现节能。
图5 不同工况下止回阀内部静压力云图
Fig.5 Cloud images of internal static pressure of the check valve under different conditions
