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。

先導(dǎo)式減壓閥

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

閥芯節(jié)流處方程
先導(dǎo)式減壓閥
先導(dǎo)式減壓閥

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。

先導(dǎo)式減壓閥AMESim 模型

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。

進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)

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)。

5、結(jié)語

  利用AMESim 軟件建立仿真模型分析先導(dǎo)式減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性過程中,可以通過優(yōu)化模型結(jié)構(gòu),獲得需要的閥門性能,縮短了閥門研發(fā)周期,節(jié)約了設(shè)計(jì)制造成本。