邓君
（湖南工业大学机械工程学院，湖南 株洲 412000）
摘要：从多个方面分析了阀门振动和噪声产生的主要原因，并从设计、加工、阀门选用以及配套设备布置等方面提出了预防和减弱阀门振动噪声的措施。
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关键词 ：阀门；振动；噪声；预防
0引言
阀门是流体输送系统中重要的调节元件，能够改变流体流动方向和流通面积，具有截止、导流、分流、泄压等功能，在水利、电力、制造、冶金、石油等行业应用广泛。随着科技进步，对阀门的使用要求也越来越高，振动和噪声作为阀门最明显的问题之一，在实际工作中会影响阀门自身以及所连接管路和设备的使用寿命，甚至直接造成损害而发生安全事故。并且阀门噪声已经成为许多工厂主要污染之一，对工人和附近居民造成了严重影响。
1阀门振动噪声来源以及产生原因
声音是由振动而产生，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，在实际工况下，阀门发出噪声时也总是伴随着剧烈振动，因此要综合阀门噪声和振动产生的具体原因来分析。下面从机械振动、流体动力学和水锤影响几个方面来分析。
1.1机械振动原因
阀门机械振动产生的噪声具体可以分为阀门整体振动噪声和阀门内部零件振动噪声。阀门整体振动是由阀体所在流体输送管道或阀座产生振动所引起。阀门内部零件振动与其内部零件加工、装配精度以及磨损程度有关，各零件之间的间隙会导致零件在流体冲撞时产生振动。特别是当外部频率与阀体自身固有频率接近或相同时，会产生达到3 000～7 000 Hz频率的剧烈共振。这个振动频率已经可以产生严重的振动噪声，并会对阀门阀体和内部零件造成疲劳损害。
1.2流体动力学原因
当流体通过阀门时，流道形状改变会导致流体流动状况发生变化，产生湍流和涡流，从而引发阀体振动和噪声，不过湍流噪声一般比较小，对于液体介质甚至可以不做考虑。
在阀芯节流口处，阀门内部流通面积发生改变会导致流体流速与压力发生剧烈变化，当流体静压低于流体介质的汽化压力时，流体介质就会发生汽化也就是闪蒸现象。而随着管路静压升高，气泡发生破裂，会产生汽蚀噪声，汽蚀噪声在大压降调节阀中普遍存在。
涡流和汽蚀噪声频率相对复杂而且随机性高，噪声频谱成宽带分布，很容易引起阀门内部传动或导向零件发生共振，从而带动整个阀门发生剧烈振动。
1.3水锤影响
水锤是指在流体输送管道中，由于阀门或水泵突然启闭，稳定流动的流体介质被快速中断，流体压力发生急剧变化。水压突然升高会对阀门和管路产生较大冲击，甚至造成阀门和管路破裂。而当外排管路中放空阀门突然关闭时，阀门出口侧压力会骤然降低甚至形成高度真空，从而产生严重的空化现象，甚至会使管路瘪塌。
2阀门振动和噪声的预防
因为阀门振动和噪声产生原因较为复杂，所以为了减少振动和噪声，在阀门设计、加工、选用以及配套设备布置时都要进行综合分析。
2.1合理设计
在设计阀门时，要分析不同的使用工况和需求，合理设计能够大幅减少阀门噪声和振动。
（1） 合理设计高压差调节阀。通常可以把额定压力PN≥16 MPa的调节阀认为是高压差调节阀，对高压差调节阀影响最大的并不是高静压，而是调节阀前后压差大，压差过大很容易引起流体介质对阀体和阀芯冲蚀和汽蚀。设计高压差调节阀时，要尽量增长阀内以及阀芯节流区或者采用多层节流装置，例如采用多座式调节阀芯、迷宫式减压阀芯、多级套筒减压阀芯。图1是一种常见的迷宫式调节阀阀芯，这种阀芯可以有效控制流经阀芯内流体流速，起到抑制汽蚀现象发生的作用，从而明显减少振动和噪声产生。
但是在大压差、高流速的工况中，调节阀难以完全消除汽蚀，而阀芯和阀杆又较容易受到汽蚀破坏，从而导致传动和导向间隙变大、阀芯偏心和不平衡等后果，进而引发不必要的振动。为了提高抗汽蚀能力，可以为易受汽蚀影响的关键零件选用抗汽蚀能力强的材料。一般情况下，可以选用综合性能好的不锈钢，当汽蚀特别严重时，可以选用硬度更高、具有良好抗汽蚀能力的钴铬硬质合金，但其成本高、加工性较差，所以使用范围受到限制。由于汽蚀一般都发生在零件金属表面，所以可对易受汽蚀影响的零件表面做表面硬化处理，比如在阀芯和阀杆表面喷镀或堆焊，可采用材料主要有司特立合金、奥氏体不锈钢和低碳马氏体不锈钢等［1］。表面处理后，该零件抗汽蚀和冲蚀能力可提高10倍以上。
（2） 当振动和噪声较小时，可以提高阀杆、阀芯、传动装置和定位器弹簧等运动和定位机构的刚度，运动、定位结构刚度提高可明显提高其稳定性，从而明显减少振动。
（3） 合理设计阀门内部壁面曲线弧度及节流口、进出口形状。阀内不合理的引流面形状会导致紊流和涡流产生，严重时会加重汽蚀影响。在设计时尽量避免突兀过渡和非流线造型，良好的引流面可使流体流动状态保持平稳，而且对节流件形状尺寸做较小程度改变就可以有效改变流体流动引起的振动频率，在共振不太强烈时，可起到明显的抑制作用。
（4） 增加阀门壁厚和流体管路壁厚，可明显减少阀门振动和噪声的产生及传播。在不方便更换阀门和流体管路时，可在其表面覆盖隔音材料，能有效吸收大部分噪音。
2.2提高加工和装配精度
适当提高阀门内部零件的加工精度，降低阀门内壁面粗糙度以及减少阀门内部流道壁面毛刺，可减少因壁面粗糙引起的流阻损失和紊流。提高传动、导向零件装配精度，减小不必要的配合间隙，避免因零件不同心和不平衡引起的振动。
2.3合理选用、布置阀门及其配套流体输送管路设备
阀门及其配套流体输送管路设备选择不当，会造成阀门及管路产生振动和噪声，严重时甚至会造成阀门和管路损坏而发生安全事故。
选择阀门时，在工况特殊或有额外要求时，例如，高温高压的工作条件、流体介质中含有杂质或有腐蚀性、低噪音工作要求等，要综合各方面因素来考虑设计是否合理。在大压差、大流速场合下，一般要选择多级套筒式调节阀或迷宫式调节阀来抑制汽蚀现象产生。在高温环境下，因为材料力学性能降低且传动、导向间隙变小，会加速阀门磨损从而引起振动甚至失效，所以必须要考虑选用合适的高温调节阀［2］。
在布置流体输送管路时，为避免产生水锤而引起阀门和管路振动噪声，可采取以下措施：（1） 水泵出口处的止回阀应选择缓闭止回阀，防止止回阀快速关闭而产生水锤；（2） 在泵和止回阀之间布置自动排气阀，可排出管道内空气，保证开启水泵前管道内能充满水；（3） 安装泄压保护阀或水锤消除器，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压；（4） 布置输水管路时尽量保证管路平缓，尽量避免出现突峰或大角度突变；（5） 安装安全气压罐，安全气压罐可随着管路中压力变化向管道补水或吸收管路中过高压力，从而保证供水管路水压平稳；（6） 管路设计流速不宜过大，设计管径大小时要结合预防水锤、管路和水泵铺设的工程造价来综合考虑。
2.4注意阀门日常使用和维护
在日常使用中，正确使用和维护，使阀门处于正常的运行状态，不仅关系阀门及整个系统的运行质量，还影响阀门使用寿命及其工作可靠性［3］。主要应注意以下几点：（1） 开、关阀门的动作应缓慢而匀速，适当延长阀门开启和关闭时间可有效避免汽蚀振动和水锤；（2） 在开启水泵时，水泵出口处阀门不能全开，否则会产生较大的水冲击；（3） 阀体、阀芯、阀座密封面以及阀芯节流孔都要定期清理，防止因腐蚀和堵塞而导致阀门工作失效；（4） 定期检查和更换密封盘根或密封圈，保证阀门密封良好；（5） 传动和导向装置定期加注润滑油，保证传动装置可靠稳定运行。
3结语
阀门振动和噪声产生的原因非常复杂，很难做到完全消除。但可以通过合理设计和选型、提高加工装配精度以及正确使用和维护来保证阀门正常稳定运行，从而有效减少振动和噪声。
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参考文献］
［1］陆培文.实用阀门设计手册［M］.3版.北京：机械工业出版社，2012.
［2］宋虎堂.阀门选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2009.
［3］明赐东.调节阀应用1000问［M］.北京：化学工业出版社，2009.
收稿日期：2015-08-10
作者简介：邓君（1987—），男，湖南娄底人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计及数字化制造。