CN110043703A - 一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法，包括：建立运动方程；建立主阀关闭速度与行程的关系式；建立主阀开启速度与行程的关系式；关键参数计算；校核计算。本发明应用结构运动力学和水力学原理，建立了活塞式水击泄压阀主阀的运动方程，确定了各主要影响因素相互之间的函数关系。并根据泄压阀关闭和开启的水力学特点，提出了计算活塞式水击泄压阀开启和关闭过程速度与行程（开度）的公式。同时提出了活塞式水击泄压阀主阀运动部件和液压传动***关键参数的设计计算方法。通过所述的方法使泄压阀的设计和调整建立在科学的基础上，摆脱了盲目现场调试的局面，提高了工作效率，减少了盲目的调整，节约了水击阀的制造成本。

Description

一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法

技术领域

本发明涉及一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法，是一种安全装置的设计方法，是一种防止输水管水击的安全阀的设计方法。

背景技术

水击现象指在有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象。不仅是输水管道会产生水击，在输送油品或其他液体的管道中也会产生这种冲击现象，但一般的认知中都将任何液体输送管道内产生的冲击成为“水击”。水击的危害有时十分严重，特别是大型管道***，甚至会发生管道***的破坏，因此为防止水击危害而设置安全装置十分必要。

水击泄压阀(或称为水击泄放阀、水击调压阀)是一种预防水击危害的安全阀，当管道水击发生时，一旦水压超过设计临界值，则阀门迅速开启泄水减压，防止水压的进一步升高，稍后，当水压低于设计临界值时，则阀门缓慢关闭。

活塞式水击泄放阀是一种先导式泄压阀，它由导阀和主阀组成，通过导阀的启闭来控制主阀的启闭，主阀具有快开慢关的功能，能够迅速开启防止水击(水锤)压力的大幅升高，而缓慢关闭可防止自身关阀产生的水击危害。活塞式水击泄压阀是一种不用油压控制和电动控制的防水击破坏的阀门，阀门的启闭完全受输水干管水压控制，特点是：阀门开度随时间的变化在水击过程中是未知量，包括阀门是否会完全开启。

由于活塞式水击泄压阀具有动作灵敏、安全可靠性高、投资小的特点，正在输水工程的水击危害防护方面发挥越来越重要的作用。但是，目前活塞式水击泄压阀的设计理论研究尚不成熟，缺乏对其运动规律与结构参数和水力学参数关系的数学描述，使得在应用的过程中存在下述主要问题：

1)选用时缺乏对影响泄压阀启闭运动相关因素的了解，包括水压、弹簧、重力等是如何影响泄压阀的运动的；

2)阀门生产厂家无法提供确切的泄压阀启闭规律，泄压阀的开启、关闭时间无法事先设定，只能通过现场调试，由于受事先泄压阀配置的影响，现场调试结果可能与设计预期存在较大差异，达不到水击控制的要求。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法。所述的方法通过建立运动方法，使泄压阀的设计和调整建立在科学的基础上，摆脱了盲目现场调试的局面。

本发明的目的是这样实现的：一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法，所述方法所述设计的活塞式先导水击泄压阀包括主阀和导阀；

所述的主阀包括：与输水干管联通的主阀进水腔和与主阀泄水管连通的主阀泄水腔；所述的主阀进水腔和主阀泄水腔之间设有主阀瓣和主阀座，所述的主阀瓣通过主阀连杆与主阀活塞固定连接，所述的主阀活塞上下两侧分别设有上腔和下腔，所述的下腔设有与主阀泄水腔连通的缓冲孔，所述的主阀连杆周围设有使主阀瓣复位的主阀弹簧；

所述的导阀包括：通过上腔管与上腔连通的导阀进水腔和与导阀泄水管连通的导阀泄水腔，所述的导阀进水腔和导阀泄水腔之间设有导阀座和导阀瓣，所述的导阀瓣通过导阀连杆与导阀隔膜盘固定连接，所述的导阀隔膜盘上侧设有导阀弹簧腔和导阀复位弹簧，所述的导阀隔膜盘下侧设有导阀控制腔，所述的导阀控制腔通过取样管与主阀进水腔连通，所述的导阀隔膜盘周围设有使导阀隔膜盘能够上下运动的导阀隔膜；

所述的上腔管设置一交汇点，分支出一条与主阀进水腔连通的进水管，所述的进水管上依次设置微调阀和过滤网；

设计基本原则为：

1)主阀开启迅速，时间短，以减小管道水击压力升高；

2)主阀关闭缓慢，以防止关闭过快产生关阀水锤；

所述方法包括如下计算：

建立运动方程：

设定两个假设：

假设1：进水管、上腔管、取样管、泄水管很短，水流的惯性力和弹性忽略不计；

假设2：主阀的水道高程差与干管水压相比微小，忽略不计；

以活塞式泄压阀主阀运动部件作为控制体，并以主阀阀瓣开启方向为行程Y的正向，则作用在控制体上的力是活塞与主阀阀瓣上下表面的水压力、运动部件的重力、主阀弹簧的弹力、活塞表面摩擦力及阀杆表面摩擦力，其中：水压力与作用表面垂直，重力和弹簧力方向与Y方向相反，摩擦力与运动方向相反，在此条件下，主阀运动部件的运动方程为：

式中：m为主阀运动部件的质量；V为主阀瓣运动速度 为主阀瓣运动加速度Y为主阀瓣行程；P_d，u、P_d，l为主阀活塞上、下面的水压力；P_v，u、P_v，l为主阀阀瓣上、下面的水压力；E为主阀弹簧弹力；F为活塞及阀杆表面摩擦阻力，sgn(V)为符号函数；G_y运动部件沿Y方向的重力G_y＝Gsinα；G为运动部件的重力；α为阀杆与水平面的夹角；

建立主阀关闭速度与行程的关系式：

其中：

Y_max为弹簧压缩量最大；

其中：C_f为滑动摩擦系数；N为阀杆所受正压力；G_y运动部件沿Y方向的重力G_y＝Gsinα，α为阀杆与水平面的夹角；γ为水的比重；A_d为活塞面积；A_v为主阀瓣面积；ΔH_v，max为最大水压差；ΔH_v,ini为初始主阀水头损失；k为弹簧系数；S_p为进水管阻抗系数；S_u为上腔管阻抗系数；S_ori为缓冲孔阻抗系数；

建立主阀开启速度与行程的关系式：

Y＝Y₀+V₀Δt

式中：V₀为时刻t₀时的主阀瓣运动速度；Δt＝t-t₀；主阀开始开启时刻t₀＝0，Y₀＝Y_ini为主阀弹簧预压缩长度；主阀完全开启时，Y＝Y_max；

关键参数计算：

缓冲孔水头损失：

式中：h_ori为缓冲孔水头损失；▽为泄压阀使用地点的海拔高程；

R的计算：

A_d＝A_v

校核计算：

主阀完全关闭的时间T_s是否大于等于期望时间：

主阀开启速度和行程与时间的关系：

如果T_s没有达到大于等于期望时间的要求，则通过选择较小管径的进水管与较大直径的缓冲孔、上腔水管、泄水管的优化组合，实现主阀开启迅速且关闭缓慢的目的。

进一步的，所述的方法所设计的泄水阀的各个管道和缓冲孔的水头损失为：

进水管进口视为管道突缩，阻力系数ζ_in＝0.2～0.5；

泄水管出口和上腔水管进口视为管道突扩，阻力系数ζ_out＝1.0；

管道90°弯头，阻力系数ζ_w＝0.137～0.291；

光滑管急转弯头，阻力系数ζ_jw＝1.1；

过滤网为Y型滤网，阻力系数ζ_y＝1.5～3；

导阀全开时，阻力系数ζ_c＝3～7；

微调阀为针阀，全开时阻力系数ζ_n＝4.8～7.2；

缓冲孔为孔板出流，阻力系数ζ_ior≈1.5。

进一步的，所述的进水管、上腔管、泄水管的阻抗系数公式计算：

式中：S为进水管、上腔管、泄水管的阻抗系数；f为进水管、上腔管、泄水管的阻力系数；L为进水管、上腔管、泄水管的管长；d为进水管、上腔管、泄水管的管径；A_p为进水管、上腔管、泄水管的截面积；g为重力加速度；ζ为进水管、上腔管、泄水管的阻力系数；

缓冲孔阻抗系数计算：

式中：n为缓冲孔数；ζ_ori为缓冲孔的阻力系数；A_ori为缓冲孔面积。

进一步的，所述的期望时间为30秒。

本发明产生的有益效果是：本发明应用结构运动力学和水力学原理，建立了活塞式水击泄压阀主阀的运动方程，确定了各主要影响因素相互之间的函数关系。并根据泄压阀关闭和开启的水力学特点，提出了计算活塞式水击泄压阀开启和关闭过程速度与行程(开度)的公式。同时提出了活塞式水击泄压阀主阀运动部件和液压传动***关键参数的设计计算方法。通过所述的方法使泄压阀的设计和调整建立在科学的基础上，摆脱了盲目现场调试的局面，提高了工作效率，减少了盲目的调整，节约了水击阀的制造成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法所设计的活塞式先导水击泄压阀的示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法，所述方法所述设计的活塞式先导水击泄压阀包括主阀和导阀；

所述的主阀包括：与输水干管1联通的主阀进水腔2和与主阀泄水管连通的主阀泄水腔3；所述的主阀进水腔和主阀泄水腔之间设有主阀瓣4和主阀座5，所述的主阀瓣通过主阀连杆6与主阀活塞7固定连接，所述的主阀活塞上下两侧分别设有上腔8和下腔9，所述的下腔设有与主阀泄水腔连通的缓冲孔10，所述的主阀连杆周围设有使主阀瓣复位的主阀弹簧11；

所述的导阀包括：通过上腔管12与上腔连通的导阀进水腔13和与导阀泄水管14连通的导阀泄水腔15，所述的导阀进水腔和导阀泄水腔之间设有导阀座16和导阀瓣17，所述的导阀瓣通过导阀连杆18与导阀隔膜盘19固定连接，所述的导阀隔膜盘上侧设有导阀弹簧腔20和导阀复位弹簧21，所述的导阀隔膜盘下侧设有导阀控制腔22，所述的导阀控制腔通过取样管23与主阀进水腔连通，所述的导阀隔膜盘周围设有使导阀隔膜盘能够上下运动的导阀隔膜24；

所述的上腔管设置一交汇点B，分支出一条与主阀进水腔连通的进水管25，所述的进水管上依次设置微调阀26、过滤网27、检修阀28。

本实施例所述方法所设计的活塞式水击泄压阀一种导阀控制、液压驱动的控制阀，主要由主阀、导阀、微调阀和过滤网等组成。主阀一般为截止阀，例如角式、直流式、柱塞式截止阀等。活塞与主阀瓣由主阀连杆刚性连接，在活塞两侧的控制上腔和控制下腔压力差作用下使活塞缸内往复运动。控制上腔的水压受导阀控制，控制下腔通过缓冲孔与主阀泄水腔相通，可使主阀的关闭得到缓冲。

导阀也是一种泄压阀，它由导阀隔膜盘、导阀隔膜、导阀控制腔、导阀弹簧等组成。其导阀瓣的启闭受导阀控制腔水压和导阀弹簧的控制，而导阀控制腔的水压由取样管从主阀进水腔或者说从输水干管中取得。

微调阀的主要用作调节流进主阀控制上腔的流量大小，以控制主阀的启闭速度。过滤网的功能是过滤存在于管道介质中的颗粒物质，以防止取样管、进水管和上腔的堵塞。

取样管两端分别与导阀和主阀连通，使得导阀控制腔水压几乎完全等于主阀进口水压或者输水干管水压。进水管进口与主阀进口相通，而出口分别与上腔管和泄水管相通。上腔管一端与上腔相通，另一端与进水管和泄水管交汇。

活塞式水击泄压阀的液压传动***的主要部件是：

1)控制调节装置，包括导阀(控制阀)、微调阀和缓冲孔等，用来控制液压***的压力、流量和流动方向，以保证执行元件完成预期的动作；

2)执行元件，包括针阀控制上腔和下腔、活塞等，用以将输水干管液体的压力能转换为主阀阀瓣上下运动的机械能；

3)辅助装置，进水管、上腔管、泄水管与各种管接头、过滤网、检修阀等，它们起着连接、过滤、检修等辅助作用，以保证液压***可靠.稳定、持久地工作。

活塞式水击泄压阀的工作原理是：当输水干管道发生水击时，一旦主阀进口压头H_p超过导阀开启的临界压头H_cri，即H_p＞H_cri，则导阀弹簧受导阀控制腔水压(主阀进口水压或者输水干管水压)作用压缩，导阀止回阀向上运动瞬时全开，致使上腔水压迅速降低，这时主阀阀瓣在进口水压的作用下迅速向上运动，即主阀开启，迫使上腔水体通过上腔管与进水管来流汇合后一起通过导阀止回阀-泄水管迅速排出，同时，随着主阀的开启，输水干管水体通过主阀孔口被泄放到外界，以避免干管水压超过设计限制。当H_p≤H_cri时，导阀弹簧伸展复位，导阀止回阀向下运动瞬时全关，然后，主阀进口液体通过进水管-上腔管流入上腔，使上腔水压迅速增加，通过活塞上下面水压差的作用，迫使主阀阀瓣在上腔水压+弹簧力+重力的作用下向下缓慢运动，直到完全关闭。

若在主阀关闭过程中H_p＞H_cri，则导阀重新开启，使主阀停止关闭，重新增大主阀开度，防止干管压力持续升高。换句话说，在主阀开启泄水减压的过程中，导阀可能经历多次全开和全关的过程。

建立运动方程：

为了突出主要因素的影响，假设：

1)泄压阀上腔进水管、上腔管、取样管、泄水管很短，水流的惯性力和弹性可忽略不计；

2)泄压阀的水道高程差与干管水压相比微小，可忽略不计；

3)活塞密封泄漏量很小，可忽略不计。

以下所述的“阀瓣面积”、“活塞面积”等均为阀瓣或活塞的迎水面或背水面的面积。所述的管道面积也应当理解为管道的截面面积。

当以图1活塞式水击泄压阀主阀运动部件作为控制体，并以主阀瓣开启方向为行程Y的正向，则作用在控制体上的力是活塞与主阀阀瓣上下表面的水压力、运动部件的重力、主阀弹簧的弹力、活塞与缸体及阀杆与阀套的摩擦力，其中：水压力与作用表面垂直，重力和弹簧力方向与Y方向相反，摩擦力与运动方向相反。在此条件下，主阀运动部件的运动方程为：

式中：m为主阀运动部件的质量；V为主阀瓣运动速度 为主阀瓣运动加速度Y为主阀瓣行程；P_d，u、P_d，l为主阀活塞上、下面的水压力；P_v，u、P_v，l为主阀阀瓣上、下面的水压力；E为主阀弹簧弹力；F为活塞及阀杆表面摩擦阻力；sgn(v)为符号函数。当主阀开启时，sgn(V)＞0，取值为1；当主阀关闭时，sgn(v)＜0，取值为-1；Gy运动部件沿Y方向的重力G_y＝Gsinα；G为运动部件的重力；α为阀杆与水平面的夹角。

根据胡克定律，弹簧弹力与行程的关系为：

E＝kY (2)

式中：k弹簧系数，N/m。弹簧系数的选择不仅需要考虑主阀开启迅速的要求，而且需要考虑关闭缓慢的要求。

活塞与缸体及阀杆与阀套的摩擦力是：

F＝∑C_fN (3)

式中：C_f为滑动摩擦系数；N为所受正压力，N。

根据假设1和2，当主阀关闭时，水体由进水管和上腔管流入上腔，由伯努利方程可得活塞上面的水压是

当主阀开启时，上腔水体由上腔管流出与进水管水流在图1点A合流后通过泄水管排出，

式中：H_d,u为上腔的压头，m；H_v,l为进水管进口或者主阀阀瓣下面的压头，m；Q_p为进水管流量，m³/s；Q_u为上腔管流量，m³/s；S＝∑fL/2gdA²+∑ζ/2gA²管道阻抗系数；f为管道沿程阻力系数；L为管长，m；d为管径，m；A为管道截面积，m²；g为重力加速度，m/s²；ζ为局部阻力系数；S_p为进水管阻抗系数，可通过针阀开度调整；S_u为上腔管的阻抗系数，由于上腔管流动方向发生变化，其局部阻力系数因流动方向的不同而不同。

当主阀关闭时，主阀活塞上面水压力是：

当主阀开启时，

式中：γ＝gρ水的比重，N/m³；ρ为水的密度，kg/m³；A_d为活塞横剖面积，m²。

缓冲孔也具有双向流动特性，当主阀关闭时，液体从下腔流出，主阀下腔水压与缓冲孔出口水压(主阀阀瓣上面的水压)的关系为：

H_d,l＝H_v,u+S_oriQ² (6a)

当主阀开启时，液体流入下腔，

H_d,l＝H_v,u-S_oriQ² (6b)

式中：H_d,l为下腔的压头，m；H_v,u为主阀阀瓣上面的压头，m；Q为缓冲孔的流量，m³/s；为缓冲孔的阻抗系数；n为缓冲孔数；ζo_ri为缓冲孔局部阻力系数，为常数；A_ori为缓冲孔面积，m²。考虑到主阀阀瓣上面的压头分部的不均匀性，缓冲孔可以是多个小孔的组合，将它们轴对称布置在下腔底部。

主阀阀瓣下面和上面的水压力差：

P_v,l-P_v,u＝A_vγ(H_v,l-H_v,u)＝γA_vΔH_v (7)

式中：A_v为主阀阀瓣横剖面积，m²；ΔH_v＝(H_v,l-H_v,u)为主阀阀瓣下面和上面的压头差，m。ΔH_v与输水***水击过程和主阀行程Y有关。

把式(2)、(3)、(5a)、(7)代入式(1)得主阀关闭的运动方程，

把式(2)、(3)、(5b)、(7)代入式(1)得主阀开启的运动方程，

下面将根据主阀关闭和开启过程的水力学特点，建立Q_p、Q_s、Q与主阀运动速度V的函数关系。

建立主阀关闭速度与行程的关系：

当导阀瞬时关闭后，泄水管流量Q_s＝0，主阀进口液体通过进水管和上腔管流入上腔，主阀开始关闭，水从下腔流出，

Q_u＝Q_p＝Q (10)

缓冲孔流量等于下腔体积随时间的变化，

Q＝dV_l/dt＝(dV_l/dY)(dY/dt)＝A_dV (11)

式中：V_l为下腔体积，m³；A_d为dV_l/dY为活塞面积。

把式(10)和(11)代入式(8)得活塞式水击泄压阀主阀关闭的运动方程，

显然，对活塞式泄压阀，主阀的关闭速度不仅与管道水压有关，与主阀弹簧、摩擦力、重力与进水管、上腔进水管和缓冲孔的阻抗系数有关，而且与泄压阀体型结构尺寸有关。对于给定的活塞式水击泄压阀，参数γ、m、A_d、A_v、k、S_p、S_ori、C_fN、G或G_y是已知的，未知量是Y、V和ΔH_v。

为了防止泄压阀主阀关闭产生过高的水击压力及频繁的压力波动，通常采用主阀缓慢的关闭方式，运动部件的惯性力可以忽略不计，这时，式(12)可简化为：

-γ(A_d-A_v)ΔH_v+γA_d(S_p+S_u+S_ori)(A_dV)²-kY+∑C_fN-G_y＝0

求解得：

式中：负号表示主阀瓣运动方向与Y方向相反，即表示主阀关闭。

分析式(14)可得下述重要结论：

1)主阀弹簧力、重力是主阀关闭的驱动力，而摩擦力具有减小主阀关闭速度的作用，所以减小弹簧系数k和G_y可以减小主阀的关闭速度V，即延长主阀的关闭时间。

2)当A_d-A_v≠0时，则主阀关闭速度V受主阀阀瓣面上的水压差ΔH_v＞0的影响。当A_d-A_v＞0，则水压差ΔH_v会加快主阀关闭的速度，可能导致产生较大的关阀水锤，优点是主阀完全关闭后密封力大，密封好；当A_d-A_v＜0，则ΔH_v会减缓主阀关闭的速度，甚至无法关闭。当A_d-A_v＝0，则主阀关闭速度不受ΔH_v的影响。

3)当针阀开度趋于零时，则S_p→∞，V→0；当缓冲孔孔径趋于零时，S_ori→∞，V→0；因此，调节针阀行程和缓冲孔孔径中任一个都可调整主阀关闭速度。换句话说，缓冲孔减缓主阀关闭速度的作用可以通过减小针阀开度来代替，这时缓冲孔起着连通孔的作用。

当假设主阀阀瓣下面和上面的水压差ΔH_v是Y的线性函数，即：

ΔH_v＝ΔH_v,max-(ΔH_v,max-ΔH_v,ini)Y/Y_max (15)

式中：ΔH_v，ini为初始主阀水头损失，m；ΔH_v，max为主阀瓣上下两侧的最大压头差，m。把式(15)代入式(14)得：

主阀完全开启时，弹簧压缩量最大，记为Y_max，当假设摩擦力为常数时，求解式(16)微分方程得：

求导得主阀关闭速度：

观察式(17)和(18)，可得下述结论：

4)主阀关闭行程(开度)是时间的二次函数；

5)主阀关闭速度与时间成线性关系，速度绝对值随时间的增加而减小，即先慢后快。

当令主阀行程完全关闭的时间为T_s及主阀关闭速度为零的时间为T_v，则由式(19)和(20)得：

建立主阀开启速度与行程的关系：

当导阀瞬时开启后，图1交汇点A处连续性方程是：

Q_u+Q_p＝Q_s (22)

根据假设1和2，列出进水管进口与导阀泄水管出口之间的伯努利方程可得：

式中：H_s为泄水管出口压头，m；S_s为泄水管的阻抗系数，受导阀止回阀开度控制。在一般情况下，H_s接近大气压头，H_s≈0，可忽略不计，这样，把式(22)代入式(23)消去Q_s得：

求解得：

由于：

Q_u＝Q＝A_dV (25)

将式(24)和(25)代入式(9)得活塞式泄压阀主阀开启的运动方程，

当不考虑主阀惯性力的影响时，得：

在设计计算的过程中，可取H_v,l＝H_cri。

行程Y的递推求解计算公式是：

Y＝Y₀+V₀Δt (28)

式中：下标“0”为时刻t₀；Δt＝t-t₀。主阀开始开启时刻，t₀＝0，Y₀＝Y_ini为主阀弹簧预压缩长度；主阀完全开启时，Y＝Y_max。

显然，对活塞式泄压阀，主阀的关闭速度不仅与管道水压有关，与主阀弹簧、摩擦力、重力与进水管、上腔进水管和缓冲孔的阻抗系数有关，而且与泄压阀体型结构尺寸有关。对于给定的泄压阀，参数γ、A_d、A_v、S_p、S_u、S_s、S_ori、C_fN、G_y、k是已知的，未知量是Y和V。

活塞式水击泄压阀的水力设计方法：

活塞式水击泄压阀水力设计的基本原则是：

1)主阀开启迅速，时间短，以减小管道水击压力升高；

2)主阀关闭缓慢，以防止关闭过快产生关阀水锤；

3)为了防止泄压阀开启过快导致下腔内液体汽化，缓冲孔水头损失：

式中：h_ori为缓冲孔水头损失，m；海平面水的汽化压头约为8m，▽为泄压阀使用地点的海拔高程，m。

影响活塞式水击泄压阀开启和关闭速度的关键参数是活塞横剖面积A_d与阻抗系数S_p、S_u、S_s、S_ori等。

A_d的设计：

由式(14)可知，当取活塞横剖面积A_d与主阀阀瓣横剖面积A_v相等，则水压差ΔH_v与主阀关闭速度无关，因此，在活塞式水击泄压阀设计中，可取A_d＝A_v。

这时，主阀阀瓣密封需要的压力可由结构设计自行解决，因为，主阀瓣面积A_v总是大于主阀进水口面积A_n，当阀门完全关闭时，通过上腔水压施加在主阀密封上的水压力为P＝gρH_v,ldA＝gρH_v,l(A_v-A_n)。

例如，当主阀阀瓣直径D_v＝0.16m、主阀进水口直径D_n＝0.15、主阀进口水压H_v,l＝10m时，则P＝9807×10×3.14×(0.16²-0.15²)/4＝238.7(N)，并且随主阀进口水压H_v,l的增加，密封挤压力会成正比增加。换句话说，在主阀正常工作水压足够大的情况下，密封压力可由水压力而不是弹簧力和重力解决。

主阀弹簧系数和运动部件质量的设计：

主阀弹簧系数k和运动部件质量m或者重力G_y按照常规的阀门设计。

校核：

当按照上述步骤确定A_d、S_p、S_u、S_s、S_ori、k、G_y的值以后，由式(21)可得主阀完全关闭的时间T_s是：

式中：

式中阀杆摩擦阻力C_fN初步设计时可忽略不计。在一般情况下，希望主阀完全关闭的时间T_s≥30s。

主阀开启速度和行程与时间的关系是：

Y＝Y₀+V₀Δt (36)

在设计计算的过程中，可取H_v,l＝H_cri。

当计算的主阀完全关闭和开启的时间不能满足设计要求时，可以通过调整可以通过选择较小管径的进水管与较大直径的缓冲孔、上腔水管、泄水管的优化组合，同时实现主阀开启迅速且关闭缓慢的目的。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水头损失的计算值的细化。本实施例所述的方法所设计的泄水阀的各个管道和缓冲孔的水头损失为：

以图1为例，泄压阀进水管、上腔管、泄水管采用铜管，属于光滑管。管道进/出口、弯头、交汇点、滤网、针阀、球阀(检修阀)、导阀止回阀、缓冲孔产生局部水头损失。进水管进口可视为管道突缩，阻力系数ζ_in＝0.2～0.5；主阀开启时，上腔管进口(与上腔连接处)ζ_in＝0.2～0.5。泄水管出口和上腔水管进口(与上腔连接处)可视为管道突扩，阻力系数ζ_out＝1.0。管道90°弯头阻力系数ζ_w为0.137～0.291，光滑管急转弯头ζ_jw＝1.1。Y型滤网滤芯一般用不锈钢制成，滤孔总面积是入口管道截面积的3～5倍，阻力系数ζ_y＝1.5～3。导阀止回阀阻力系数ζ_c流道结构和开度有关，开度越小，ζ_c越大，全开时ζ_c＝3～7；针阀作为微调阀，可以调节进水管的流量，全开时阻力系数ζ_n＝4.8～7.2。缓冲孔为孔板出流，其局部阻力系数可视为管道突扩和突缩的组合，ζ_ori≈1.5。球阀作为检修阀，正常工作时保持全开，水头损失可忽略不计。在主阀关闭时，上腔水管进口可视为急转弯头。图1交汇点A局部水头损失情况复杂，与分流比、流态、相互角度有关，与止回阀相比较小。

在一般情况下，进水管局部阻力系数ζ为(进口+2个90°弯头+针阀+滤网)阻力系数＝0.5+2×0.291+5.0+1.5＝7.582；泄水管局部阻力系数ζ＝(导阀止回阀+出口)阻力系数＝3+1＝4；主阀关闭时，上腔管局部阻力系数ζ＝(进口1个急转弯头+出口)阻力系数＝1.1+1＝2.1；主阀开启时，上腔水管局部阻力系数ζ＝进口阻力系数＝0.5。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于阻抗系数计算的细化。本实施例其特征在于，所述的进水管、上腔管、泄水管的阻抗系数公式计算：

式中：S为进水管、上腔管、泄水管之一的阻抗系数；f为进水管、上腔管、泄水管之一的阻力系数；L为进水管、上腔管、泄水管之一的管长；d为进水管、上腔管、泄水管之一的管径；A为进水管、上腔管、泄水管之一的截面积；g为重力加速度；ζ为进水管、上腔管、泄水管之一的阻力系数。

缓冲孔阻抗系数计算：

式中：n为缓冲孔数；ζ_ior为缓冲孔的阻力系数；A_ori为缓冲孔面积。

实施例四：

本实施是上述实施例的改进，是上述实施例关于期望时间的细化。本实施例所述的期望时间是30秒。

期望时间的阈值选择不能不能太短，意见有足够的时间避免水锤的发生，但也不能太长，太长，以避免管道中的水流过多泄漏。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如水击阀的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种活塞式先导水击泄压阀的设计方法，所述方法所述设计的活塞式先导水击泄压阀包括主阀和导阀；

所述的主阀包括：与输水干管联通的主阀进水腔和与主阀泄水管连通的主阀泄水腔；所述的主阀进水腔和主阀泄水腔之间设有主阀瓣和主阀座，所述的主阀瓣通过主阀连杆与主阀活塞固定连接，所述的主阀活塞上下两侧分别设有上腔和下腔，所述的下腔设有与主阀泄水腔连通的缓冲孔，所述的主阀连杆周围设有使主阀瓣复位的主阀弹簧；

所述的导阀包括：通过上腔管与上腔连通的导阀进水腔和与导阀泄水管连通的导阀泄水腔，所述的导阀进水腔和导阀泄水腔之间设有导阀座和导阀瓣，所述的导阀瓣通过导阀连杆与导阀隔膜盘固定连接，所述的导阀隔膜盘上侧设有导阀弹簧腔和导阀复位弹簧，所述的导阀隔膜盘下侧设有导阀控制腔，所述的导阀控制腔通过取样管与主阀进水腔连通，所述的导阀隔膜盘周围设有使导阀隔膜盘能够上下运动的导阀隔膜；

所述的上腔管设置一交汇点，分支出一条与主阀进水腔连通的进水管，所述的进水管上依次设置微调阀和过滤网；

其特征在于，

设计基本原则为：

1)主阀开启迅速，时间短，以减小管道水击压力升高；

2)主阀关闭缓慢，以防止关闭过快产生关阀水锤；

所述方法包括如下计算：

建立运动方程：

设定两个假设：

假设1：进水管、上腔管、取样管、泄水管很短，水流的惯性力和弹性忽略不计；

假设2：主阀的水道高程差与干管水压相比微小，忽略不计；

以活塞式泄压阀主阀运动部件作为控制体，并以主阀阀瓣开启方向为行程Y的正向，则作用在控制体上的力是活塞与主阀阀瓣上下表面的水压力、运动部件的重力、主阀弹簧的弹力、活塞表面摩擦力及其阀杆表面摩擦力，其中：水压力与作用表面垂直，重力和弹簧力方向与Y方向相反，摩擦力与运动方向相反，在此条件下，主阀运动部件的运动方程为：

式中：m为主阀运动部件的质量；V为主阀瓣运动速度 为主阀瓣运动加速度Y为主阀瓣行程；P_d，u、P_d，l为主阀活塞上、下面的水压力；P_v，u、P_v，l为主阀阀瓣上、下面的水压力；E为主阀弹簧弹力；F为活塞及阀杆表面摩擦阻力，sgn(V)为符号函数；G_y运动部件沿Y方向的重力G_y＝Gsinα；G为运动部件的重力；α为阀杆与水平面的夹角；

建立主阀关闭速度与行程的关系式：

其中：

Y_max为弹簧压缩量最大；

其中：C_f为滑动摩擦系数；N为阀杆所受正压力；G_y运动部件沿Y方向的重力G_y＝Gsinα，α为阀杆与水平面的夹角；γ为水的比重；A_d为活塞面积；A_v为主阀瓣面积；ΔH_v，max为最大水压差；ΔH_v，ini为初始主阀水头损失；k为弹簧系数；S_p为进水管阻抗系数；S_u为上腔管阻抗系数；S_ori为缓冲孔阻抗系数；

建立主阀开启速度与行程的关系式：

Y＝Y₀+V₀Δt

式中：V₀为时刻t₀时的主阀瓣运动速度；Δt＝t-t₀；主阀开始开启时刻t₀＝0，Y₀＝Y_ini为主阀弹簧预压缩长度；主阀完全开启时，Y＝Y_max；

关键参数计算：

缓冲孔水头损失：

式中：h_ori为缓冲孔水头损失；▽为泄压阀使用地点的海拔高程；

R的计算：

A_d＝A_v

校核计算：

主阀完全关闭的时间T_s是否大于等于期望时间：

主阀开启速度和行程与时间的关系：

如果T_s没有达到大于等于期望时间的要求，则通过选择较小管径的进水管与较大直径的缓冲孔、上腔水管、泄水管的优化组合，实现主阀开启迅速且关闭缓慢的目的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法所设计的泄水阀的各个管道和缓冲孔的水头损失为：

进水管进口视为管道突缩，阻力系数ζ_in＝0.2～0.5；

泄水管出口和上腔水管进口视为管道突扩，阻力系数ζ_out＝1.0；

管道90°弯头，阻力系数ζ_w＝0.137～0.291；

光滑管急转弯头，阻力系数ζ_jw＝1.1；

过滤网为Y型滤网，阻力系数ζ_y＝1.5～3；

导阀全开时，阻力系数ζ_c＝3～7；

微调阀为针阀，全开时阻力系数ζ_n＝4.8～7.2；

缓冲孔为孔板出流，阻力系数ζ_ior≈1.5。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的进水管、上腔管、泄水管的阻抗系数公式计算：

式中：S为进水管、上腔管、泄水管的阻抗系数；f为进水管、上腔管、泄水管的阻力系数；L为进水管、上腔管、泄水管的管长；d为进水管、上腔管、泄水管的管径；A_p为进水管、上腔管、泄水管的截面积；g为重力加速度；ζ为进水管、上腔管、泄水管的阻力系数；

缓冲孔阻抗系数计算：

式中：n为缓冲孔数；ζ_ori为缓冲孔的阻力系数；A_ori为缓冲孔面积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的期望时间为30秒。