1、概述

阀门扭矩是阀门开启或关闭过程中由驱动装置施加的作用力或力矩，是阀门内部在介质压力作用下所产生的一项综合技术指标。由于缺乏阀门工作时扭矩的实际数据，使得阀门执行机构在选型配套方面经常出现选择型号不匹配的问题，如扭矩选择过剩造成执行机构使用浪费，或选择的执行机构扭矩不足无法正常驱动阀门。本文以高压油煤浆调节阀为例，介绍一种简便的调节阀扭矩计算方法。

2、建模

调节阀用于油煤浆泵的最小流量控制。阀门公称通径DN80，输送介质为油煤浆，流量特性为近似等百分比，执行机构采用双作用气缸活塞。利用SolidWorks软件对调节阀内部零部进行三维建模（图1）。

1.阀座2.阀杆3.填料4.阀盖5.阀瓣6.阀体

图1 调节阀

3、扭矩计算

调节阀的扭矩由机构内零部件的摩擦和介质压力的作用产生。通过对调节阀的机构分析，阀内主要产生扭矩的部件有两部分，一个是阀瓣与阀座（图2）之间的摩擦力矩，另一个是阀杆与填料之间产生的摩擦扭矩（图3）。

图2 阀瓣与阀座

1.填料2.填料压盖3.阀杆

图3 阀杆与填料

调节阀扭矩M为

M=MT+MF   （1）

    （2）

     （3）

     （4）

式中  MF———阀瓣与阀座之间扭矩N·m

F———弹簧预紧力，N

S1———介质与阀瓣之间的作用面积，mm2

S———阀瓣与阀座之间的接触面积，mm2

P———介质内部的压力，MPa

r1———阀瓣扇形缺口的内部直径，mm

r2———阀瓣扇形缺口的外部直径，mm

μ———阀瓣与阀座之间的摩擦系数（取μ=0.15）

MT———阀杆与填料之间扭矩，N·m

QT———阀杆与填料之间摩擦力，N

μT———填料与阀杆的摩擦系数（μT=0.15）

hT———填料的总高度，mm

dF———填料作用在阀杆上的直径，mm

4、扭矩分析

研究介质压力对调节阀的扭矩作用，需要对调节阀的流道进行数值模拟分析。根据调节阀的三维模型，在Solidworks将ARC调节阀流道的三维模型分离出来，并采用ICEMCFD进行网格划分，流道采用四面体网格划分，设定网格的尺寸为0.004，由于四面体网格不能很好的描述圆弧的边缘特征，为了能用尽量少的网格特征圆弧，在生成四面体网格后，再使用三棱柱网格细化圆弧边缘，设定高度比为1.3，层数为4，划分后总共网格数789848。针对调节阀不同开度分别建模。采用CFD流体分析软件对不同开度时的流道进行数值模拟仿真，研究内部压力场的分布情况。试验介质为油煤浆，其中固体煤含量57%，油煤含量53%，工作密度为1090kg/m3，动力粘度v=587mPa·s，温度25℃。试验设定了低中高三种不同压差，分别为5MPa、23.35MPa和40MPa（表1），这三种压力工况是油煤浆泵在正常使用、启动过程中出现的三个工况。

表1 调节阀仿真试验压力设定

以5MPa压差时的模拟仿真结果进行分析（图4）。调节阀进、出口压力较为均匀，压力在流道内成阶梯变化，从入口开始逐渐减小。根据式（1），调节阀的扭矩主要由介质压力P产生。减小调节阀扭矩可以从降低阀瓣处的压力考虑。不同开度时的调节阀进行相同的数值模拟仿真，并将不同压差和开度时阀瓣压力进行统计（表2）。

图4 90°开度的流道压力云图

表2 不同压差和开度下阀瓣压力    MPa

根据表2统计的不同压差和开度下调节阀内部阀瓣的压力，运用式（1）计算出不同开度和压差下调节阀的扭矩（表3）。

表3 不同压差和开度下调节阀扭矩N·m

分析表3，在同一开度，调节阀的扭矩随着压差的增加而增加，压差越大，调节阀扭矩越大。在同一压差下调节阀扭矩随着开度的增大出现先增大后减小的趋势，在45°开度时调节阀扭矩最大。

利用回归分析法对调节阀的扭矩进行拟合函数处理，得到调节阀扭矩与压差和开度的函数关系。

M=（2.3×10-8θ5－4.1×10-6θ4+1.9×10-4θ3－1.9×10-5θ2－0.037θ+56）ΔP      （5）

式中  M———调节阀扭矩，N·m

θ———调节阀开度，（°）

ΔP———调节阀前后压差，MPa

根据式（5）可以计算出油煤浆调节阀在任何压差和开度时的扭矩，方便了调节阀执行结构的选型。

5、结语

通过对油煤浆调节阀的数值模拟仿真，得到不同压差和开度时的阀瓣压力和扭矩及其函数关系，为调节阀的扭矩计算提供一种新算法，方便了阀门制造商对调节阀执行机构的选型。