先導(dǎo)式減壓閥的動(dòng)靜態(tài)特性研究

2015-02-02 王程勇湖北三江航天紅峰控制有限公司

　　介紹了氣體先導(dǎo)式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節(jié)流數(shù)學(xué)模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。

1、先導(dǎo)式減壓閥的概述

　　減壓閥是一種自動(dòng)降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過高的區(qū)域、礦井和氣體管路等。隨著工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩(wěn)定，過流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間短，減壓和卸壓時(shí)間短，壓力超調(diào)率低，開展減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究，有利于了解其控制能力和狀態(tài)。

2、先導(dǎo)式減壓閥的工作原理

　　先導(dǎo)式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導(dǎo)彈簧、先導(dǎo)閥芯、先導(dǎo)閥座、先導(dǎo)活塞和調(diào)整彈簧等組成(圖1) 。擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，壓縮調(diào)整彈簧，頂開先導(dǎo)閥芯，介質(zhì)從進(jìn)口側(cè)進(jìn)入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，使主閥打開，由閥后壓力平衡調(diào)節(jié)彈簧的壓力改變導(dǎo)閥的開度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開度使閥后壓力保持恒定。

1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 先導(dǎo)彈簧7. 先導(dǎo)閥芯8. 先導(dǎo)閥座9. 先導(dǎo)活塞10. 調(diào)整彈簧

圖1 先導(dǎo)式減壓閥

　　減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節(jié)流效應(yīng)而減壓。閥芯節(jié)流處方程為

3、先導(dǎo)式減壓閥的仿真建模

　　先導(dǎo)式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設(shè)氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過程的溫度變化和節(jié)流處的阻尼，工作過程中節(jié)流處流量系數(shù)不變; 各容腔內(nèi)的壓力場(chǎng)均勻分布，氣源為恒壓源。

1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調(diào)整彈簧8. 先導(dǎo)閥芯9. 先導(dǎo)活塞10. 先導(dǎo)彈簧

圖2 先導(dǎo)式減壓閥AMESim 模型

4、先導(dǎo)式減壓閥的特性分析

　　減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進(jìn)口壓力或流量等參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指在進(jìn)口壓力或流量突然變化或其他擾動(dòng)因素的作用下，減壓閥出口壓力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

　　4.1、靜態(tài)特性

　　靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3 所示，P1為進(jìn)口試驗(yàn)壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進(jìn)口試驗(yàn)壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗(yàn)結(jié)果分析，進(jìn)口壓力為20 MPa 時(shí)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真P2 - 20數(shù)據(jù)變化

　　趨勢(shì)基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過適當(dāng)振蕩后壓力逐漸穩(wěn)定，超調(diào)量較小僅為3%，最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在4. 35 MPa，P2 - 20穩(wěn)定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內(nèi)，模型較準(zhǔn)確。利用模型仿真的進(jìn)口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對(duì)比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發(fā)現(xiàn)，三條曲線變化趨勢(shì)相同。在穩(wěn)定階段壓力波動(dòng)狀態(tài)完全一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進(jìn)口壓力越小則出口壓力也越小，但比進(jìn)口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設(shè)計(jì)要求。

1. P1—進(jìn)口試驗(yàn)數(shù)據(jù)　2. P2—出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)　3. P2 - 20—仿真進(jìn)口壓力為20MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù)　4. P2 - 15—仿真進(jìn)口壓力為15MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù)　5. P2 - 10—仿真進(jìn)口壓力為10MPa 時(shí)的出口數(shù)

圖3 進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)

　　4.2、動(dòng)態(tài)特性

　　根據(jù)靜態(tài)特性分析，對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，首先模型中增加了彈性元件的總剛度Kt以提高活動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，提高抗干擾能力，其次減小了模型中活動(dòng)件質(zhì)量，活動(dòng)件質(zhì)量越小，運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統(tǒng)的自激振蕩。

　　將進(jìn)口壓力P1從20 ～ 10MPa 變化，觀察出口壓力P2的變化( 圖4) 。1 ～ 2s 時(shí)進(jìn)口壓力從20MPa逐漸降為15MPa，2 ～ 3s 時(shí)進(jìn)口壓力逐漸降為10MPa。在此過程中，出口壓力也逐漸降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期間出口壓力微小波動(dòng)，最終穩(wěn)定，平均出口壓力分別為3. 7MPa 和3. 2MPa，與靜態(tài)分析中三種進(jìn)口壓力條件下出口壓力值一致。在1s 和2s 時(shí)出口壓力隨著進(jìn)口壓力降低而突降，當(dāng)3s 時(shí)進(jìn)口壓力升至20MPa，出口壓力突升至4MPa。出口壓力在進(jìn)口壓力突降和突升過程中壓力沒有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。