針對(duì)單座式調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)的流固耦合振動(dòng)問(wèn)題,建立了考慮閥門(mén)定位器作用的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型,給出了求解閥芯-閥桿系統(tǒng)響應(yīng)的預(yù)估-校正算法,利用ANSYS軟件對(duì)系統(tǒng)在固定開(kāi)度與變開(kāi)度情況和流開(kāi)型與流閉型情況下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了定性分析。研究表明:對(duì)于固定開(kāi)度,閥芯穩(wěn)態(tài)位移偏移量以及流體力隨壓差增加以及開(kāi)度減小而增大,閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間隨壓差增加而縮短,而流開(kāi)型流向時(shí)閥芯位移響應(yīng)幅度要大于流閉型流向。對(duì)于開(kāi)度減小情況,采用流閉型流向時(shí)閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間更短,且壓差越大,閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間越短,而流開(kāi)型流向時(shí)則相反;對(duì)于開(kāi)度增大情況,閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間和壓差之間的關(guān)系與開(kāi)度減小情況相反。

　　調(diào)節(jié)閥在水利、電站、化工、石油、冶金等過(guò)程控制系統(tǒng)中起著重要作用，然而調(diào)節(jié)閥在某些工況下產(chǎn)生的振動(dòng)往往成為引起各種事故的主要原因，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至影響系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥振動(dòng)的主要原因是閥體內(nèi)部流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性，與流固耦合作用直接相關(guān)。

　　流固耦合導(dǎo)致的調(diào)節(jié)閥振動(dòng)可以分為兩種：一種是調(diào)節(jié)閥整體在管道上的振動(dòng);另一種是本文要研究的調(diào)節(jié)閥自身閥芯-閥桿系統(tǒng)振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)閥流固耦合振動(dòng)的研究較少，且大多偏重于在某些固定開(kāi)度、單一流向工況下分析閥體及流道內(nèi)的瞬態(tài)流場(chǎng)及其與閥體或閥芯、閥桿的彈性振動(dòng)之間的流固耦合相互作用，例如分別對(duì)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、截止閥、換向閥以及溢流閥等不同類(lèi)型的閥的動(dòng)態(tài)特性與流固耦合問(wèn)題進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。

　　本文以某型號(hào)單座式調(diào)節(jié)閥為對(duì)象，研究調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)在流開(kāi)式與流閉式流向、固定開(kāi)度與變開(kāi)度工況時(shí)的流固耦合振動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)建立考慮定位器作用的系統(tǒng)有限元流固耦合模型并進(jìn)行仿真，分析流開(kāi)型和流閉型調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)在固定開(kāi)度和變開(kāi)度條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1、閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

　　1.1、單座式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

　　單座式調(diào)節(jié)閥整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制器輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)閥閥桿的直線位移;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，并將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為閥芯和閥座之間流通面積的變化，從而改變流經(jīng)閥體的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了使閥芯和閥座之間的開(kāi)度穩(wěn)定在某個(gè)特定位置以保證實(shí)現(xiàn)控制器所要求的目標(biāo)狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥設(shè)有閥門(mén)定位器附件，組成以閥桿實(shí)際位移為測(cè)量信號(hào)、以控制器電流輸出為設(shè)定信號(hào)的反饋控制系統(tǒng)。

圖1 單座式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.彈簧2.膜片3.氣室4.位移刻度5.閥桿6.填料7.閥芯8.閥座9.閥體10.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11.執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.2 閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

　　閥芯-閥桿系統(tǒng)是調(diào)節(jié)閥執(zhí)行-調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主體，主要包括薄膜膜片、推桿、彈簧、填料、閥桿、閥芯和閥座等，如圖1所示。

　　對(duì)于特定調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，其調(diào)節(jié)性能主要取決于閥芯-閥桿相對(duì)閥座的運(yùn)動(dòng)。閥芯-閥桿與氣室彈簧、填料、流體等組成一個(gè)流固耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。在建立閥芯-閥桿動(dòng)力學(xué)模型之前作如下假設(shè)：調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流體(水)是不可壓縮的;在調(diào)節(jié)閥工作過(guò)程中，水沒(méi)有熱交換;閥桿與填料之間的摩擦力認(rèn)為是一種粘性阻尼力;整個(gè)閥體為剛性體，忽略其彈性變形;閥芯-閥桿只沿軸線運(yùn)動(dòng)，不考慮橫向運(yùn)動(dòng);單座閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　根據(jù)以上假設(shè)以及單座閥的結(jié)構(gòu)圖，可以將閥芯-閥桿系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，如圖2所示。閥芯位移坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在閥門(mén)全關(guān)的位置，取向上為正方向。

圖2 閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

　　根據(jù)圖2所示，單座閥閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為

　(1) 式中

　　———閥芯t時(shí)刻的位移、速度及加速度

　　m———閥芯-閥桿系統(tǒng)的總質(zhì)量

　　k———彈簧剛度系數(shù)

　　c———等效粘性阻尼系數(shù)

　　Fc(t)———執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在閥芯上的控制力

　　Fl(t)———流體不平衡力

　　g———重力加速度

　　式(1)中流體不平衡力Fl(t)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)流體力)是指行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中流體作用在閥芯上的軸向合力，其大小與調(diào)節(jié)閥兩端的壓差、閥芯大小和形狀、調(diào)節(jié)閥類(lèi)型、閥上游壓力、流體流向及流體物理特性等因素有關(guān)。對(duì)于流開(kāi)式流向(圖1中流體從左側(cè)流入，右側(cè)流出)，流體力為

　(2)

　　式中 p1———閥前壓力 p2———閥后壓力

　　Δp———前后壓差 ds———閥芯直徑

　　dz———閥桿直徑

　　對(duì)于流閉式流向(圖1中流體從右側(cè)流入，左側(cè)流出)，流體力為

　(3)

　　對(duì)于動(dòng)態(tài)問(wèn)題，無(wú)論流開(kāi)式還是流閉式流向，閥芯受到的實(shí)際流體力Fl(t)由閥芯上下分布的壓力(通過(guò)預(yù)估-校正有限元流固耦合計(jì)算)對(duì)閥芯表面面積積分求得。為了使求解過(guò)程簡(jiǎn)化，可以將流體力近似認(rèn)為流體壓力在閥芯等效橫截面積上作用的結(jié)果。

　　式(1)中控制力Fc(t)是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)閥芯-閥桿系統(tǒng)上的軸向力，其大小與電-氣閥門(mén)定位器結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制器輸出電流信號(hào)產(chǎn)生的電磁力以及閥芯位移有關(guān)。閥門(mén)定位器是調(diào)節(jié)閥的主要附件。它將閥桿位移信號(hào)作為輸入的反饋測(cè)量信號(hào)，以控制器輸出信號(hào)作為設(shè)定信號(hào)，將二者進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時(shí)，改變其到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而建立了閥桿位移信號(hào)與控制器輸出信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即

　(4)

　　式中 p、q、T———與定位器結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的參數(shù)

　　N(X0)———與指定目標(biāo)位移X0成比例的電磁力

　　因此，調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可寫(xiě)為

　(5)

2、閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合問(wèn)題求解

　　由于前面建立的調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程中的流體力Fl(t)無(wú)法用準(zhǔn)確的解析表達(dá)式表示出來(lái)，需要通過(guò)有限元流固耦合方法計(jì)算得到。本文采用ANSYS12.0中的CFD模塊對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，首先建立內(nèi)部流場(chǎng)的幾何模型，然后對(duì)不同工況下的調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，求得流體力。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)幾何模型可以通過(guò)三維建模軟件SolidWorks來(lái)建立，計(jì)算流場(chǎng)時(shí)需要對(duì)ANSYS中的CFD模塊的流固耦合方法進(jìn)行改進(jìn)。

　　2.1、流固耦合分析典型步驟

　　通過(guò)ANSYS軟件物理環(huán)境方法對(duì)閥芯-閥桿系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合分析。閥芯-閥桿會(huì)在流體力作用下發(fā)生位移，位移的大小將改變閥芯移動(dòng)壁面邊界，從而顯著影響流場(chǎng)的形狀。流固耦合分析通過(guò)在結(jié)構(gòu)分析中得到閥芯移動(dòng)壁面位移，用于流場(chǎng)分析。具體流固耦合分析的典型步驟如下：

　　(1)創(chuàng)建整個(gè)幾何模型：包括流體區(qū)域和調(diào)節(jié)閥閥體結(jié)構(gòu)區(qū)域。

　　(2)創(chuàng)建流體物理環(huán)境：給流體區(qū)域賦予單元類(lèi)型，還要確定迭代次數(shù)，激活湍流模型，施加邊界條件。

　　(3)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)物理環(huán)境：清除在流體物理環(huán)境中設(shè)定的信息，準(zhǔn)備定義結(jié)構(gòu)物理環(huán)境。轉(zhuǎn)換單元類(lèi)型并設(shè)定單元選項(xiàng)，將流體區(qū)域單元設(shè)定為NULL，將結(jié)構(gòu)區(qū)域賦予單元類(lèi)型，施加結(jié)構(gòu)邊界條件，定義合適的載荷步和求解選項(xiàng)，然后寫(xiě)入結(jié)構(gòu)物理環(huán)境文件。

　　(4)流體/結(jié)構(gòu)求解循環(huán)：在本系統(tǒng)中，入口的速度作為總體收斂的準(zhǔn)則。當(dāng)兩次Flotran求解的入口速度差值足夠小時(shí)，求解結(jié)束。初始Flotran分析設(shè)置的迭代次數(shù)應(yīng)當(dāng)多一些，以利于較好地收斂。隨后的流體分析由于是在前一次流體分析基礎(chǔ)上重啟動(dòng)，因此，迭代次數(shù)可以少一些。結(jié)構(gòu)分析同樣也需要重啟動(dòng)。對(duì)于非線性分析，節(jié)點(diǎn)必須在重啟動(dòng)以前恢復(fù)到初始位置。本文計(jì)算一共執(zhí)行了5次耦合迭代，第1次Flotran分析共迭代100次，以得到較高的收斂精度，隨后的4次Flotran分析各迭代40次，即可滿(mǎn)足精度要求。一共迭代260次，取前250次數(shù)據(jù)即前0.25s的位移響應(yīng)。

　　2.2、閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合模型預(yù)估-校正求解算法

　　由于調(diào)節(jié)閥閥芯與流場(chǎng)接觸面為移動(dòng)壁面，ANSYS軟件的典型流固耦合方法難以滿(mǎn)足計(jì)算要求，本文采用預(yù)估-校正算法[8]來(lái)解決這種情況下的流固耦合問(wèn)題。根據(jù)閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程(5)和預(yù)估-校正算法，可得出閥芯-閥桿系統(tǒng)的預(yù)測(cè)步和校正步計(jì)算表達(dá)式，分別為

　　預(yù)測(cè)步

　(6)

　(7)

　(8)

　　第r步校正步

　(9)

　(10)

　　2.3、閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合有限元模型建立

　　2.3.1、調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)幾何模型創(chuàng)建

　　調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)就是調(diào)節(jié)閥內(nèi)部充滿(mǎn)流體后所占的空間。假設(shè)閥體、閥芯是剛體，流場(chǎng)的邊界是閥體、閥芯與流體的耦合面，閥體與流體之間的耦合面是不動(dòng)的，而閥芯與流體之間的耦合面是移動(dòng)的(包括固定開(kāi)度下的振動(dòng)和變開(kāi)度時(shí)的移動(dòng))。由于假設(shè)閥芯是剛體，所以在做流場(chǎng)分析時(shí)，需要將閥芯部分挖去，對(duì)于不同的開(kāi)度，只需要將對(duì)應(yīng)閥芯位移的不同位置挖去即可，由于閥桿對(duì)流場(chǎng)的影響比較小，所以在建立的模型中忽略閥桿。調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)模型如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)模型

　　2.3.2、網(wǎng)格劃分

　　本文采用自由網(wǎng)格劃分方法。在劃分網(wǎng)格之前首先要設(shè)置單元類(lèi)型，并為實(shí)體模型分配單元屬性，本文中的流場(chǎng)模型采用的是Fluid142單元。閥芯與流體之間的耦合面流場(chǎng)變化比較大，采用最大為0.002的網(wǎng)格劃分，而其他部位閥體與流體之間的耦合面，采用最大為0.004的網(wǎng)格劃分，根據(jù)劃分結(jié)果，共有單元102306個(gè)，節(jié)點(diǎn)20531個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 流場(chǎng)模型網(wǎng)格劃分

　　2.3.3、載荷施加

　　在網(wǎng)格劃分之后，要對(duì)模型施加載荷以及邊界條件，本文中對(duì)模型施加的具體條件如下：

　　(1)入口：定義壓力為0.2～2.1MPa。

　　(2)出口：定義壓力為0.1MPa。

　　(3)固定壁面條件：所有與閥體接觸的耦合面上流體流動(dòng)速度為零，相對(duì)位移為零，即除了進(jìn)出口端面和閥芯周?chē)�的耦合面外，其余邊界上速度和位移均為零�?/p>

　　(4)移動(dòng)壁面條件：與閥芯接觸的耦合面上的流體速度和位移應(yīng)該與閥芯的運(yùn)動(dòng)速度和位移一致，即當(dāng)閥芯靜止時(shí)，耦合面上的流體速度和位移均為零;當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，耦合面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的任何時(shí)刻的速度和位移大小都與閥芯上對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的速度和位移大小相同。由于本文只考慮閥芯軸向運(yùn)動(dòng)，所以以上提到的位移和速度均指軸向位移和軸向速度，其余方向的位移和速度都為零。

　　(5)不考慮溫度變化，即不涉及熱交換。

3、閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

　　通過(guò)求解閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合模型，仿真計(jì)算調(diào)節(jié)閥在不同邊界條件下閥芯受到的動(dòng)態(tài)流體力以及閥芯-閥桿系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)，分析定位器對(duì)調(diào)節(jié)閥閥芯振動(dòng)的影響，考察閥內(nèi)介質(zhì)流向不同時(shí)，閥芯在固定開(kāi)度和變開(kāi)度的振動(dòng)情況，找出閥芯受到的動(dòng)態(tài)力與位移、壓差之間的關(guān)系。

　　3.1、閥門(mén)定位器對(duì)閥芯-閥桿系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

　　假設(shè)閥芯在目標(biāo)位移15mm處，分別在進(jìn)出口壓差為0.1、0.5、1.0、2.0MPa下工作，介質(zhì)流向?yàn)榱鏖_(kāi)狀態(tài)，初始相對(duì)位移為-0.1mm，初始速度和加速度均為零，初始流體力為50N。分別對(duì)比分析帶有閥門(mén)定位器和沒(méi)有閥門(mén)定位器時(shí)閥芯-閥桿系統(tǒng)的閥芯位移和流體力響應(yīng)，如圖5、6所示。

圖5 單座閥閥芯的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

(a)壓差0.1MPa(b)壓差0.5MPa(c)壓差1.0MPa(d)壓差2.0MPa

　　由圖5可得：帶有定位器比無(wú)定位器時(shí)閥芯振動(dòng)波動(dòng)小得多，而且趨近目標(biāo)平衡位置的時(shí)間更短。在較大壓差(0.5～2.0MPa)下，無(wú)論是否帶有定位器，壓差越大，閥芯振動(dòng)偏離目標(biāo)位置越遠(yuǎn)，并且振幅越大，而帶有定位器的調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)更為穩(wěn)定、精確。

　　由圖6可以看出：隨著壓差增大，無(wú)定位器的閥芯受到的流體力波動(dòng)也隨之增大，而帶有定位器的閥芯受到的流體力變化則一直保持平穩(wěn)，并且逐漸從小于前者的均值過(guò)渡到大于其均值。

圖6 單座閥閥芯受到的流體力對(duì)比

　　3.2、單座閥在固定開(kāi)度下的動(dòng)態(tài)特性分析

　　假設(shè)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)全關(guān)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，取向上為正方向，總行程為0(全關(guān)位置)～25mm(全開(kāi)位置)，進(jìn)出口壓差變化范圍為0.1～2.0MPa，介質(zhì)流向分別為流開(kāi)和流閉�？疾扉y芯在目標(biāo)位移(指定開(kāi)度)作自由振動(dòng)時(shí)閥芯的振動(dòng)情況。

　　3.2.1、不同流向?qū)�單座閥動(dòng)態(tài)特性的影響

　　在某個(gè)目標(biāo)位移下，閥芯在受到初始運(yùn)動(dòng)條件的擾動(dòng)時(shí)，會(huì)在平衡位置作自由振動(dòng)。假設(shè)閥芯分別在不同目標(biāo)位移(3、5、10、15、20、25mm)下和不同進(jìn)出口壓差(0.1、0.5、1.0、2.0MPa)下工作，初始相對(duì)位移為-0.1mm，初始速度和加速度均為0，不同工況下初始流體力不同，考慮定位器作用，得出介質(zhì)流向不同時(shí)單座閥閥芯的位移與閥芯受到的流體力隨時(shí)間變化歷程。圖7為某固定開(kāi)度(目標(biāo)位移為10mm)時(shí)閥芯位移與閥芯所受流體力的時(shí)間響應(yīng)歷程。圖8為位移、壓差與流體力的三維關(guān)系圖和二維關(guān)系圖(為便于比較，圖中流閉時(shí)的流體力均取正值表示)。

圖7 固定開(kāi)度不同壓差下的振動(dòng)響應(yīng)

(a)位移響應(yīng)(b)流體力響應(yīng)

圖8 動(dòng)態(tài)流體力與位移、壓差之間的關(guān)系

(a)流開(kāi)狀態(tài)三維表示(b)流閉狀態(tài)三維表示(c)位移為參數(shù)(d)壓差為參數(shù)

　　由圖8可以看出：

　　(1)在不同的目標(biāo)位移下，無(wú)論介質(zhì)流向?yàn)榱鏖_(kāi)或者流閉，流體力總是隨壓差增大而線性增長(zhǎng)。

　　(2)在不同的進(jìn)出口壓差下，無(wú)論介質(zhì)流向?yàn)榱鏖_(kāi)或者流閉，流體力隨著位移的增大(開(kāi)度增大)而減小。

　　(3)在較小壓差(0.1MPa)下，流開(kāi)狀態(tài)下的流體力總是小于流閉狀態(tài)下的流體力;在較大壓差(0.5～2.0MPa)下，在閥門(mén)接近全開(kāi)和全關(guān)位置時(shí)，流開(kāi)狀態(tài)下的流體力小于流閉狀態(tài)下的流體力，而閥門(mén)在中間位置時(shí)，流開(kāi)狀態(tài)下的流體力大于流閉狀態(tài)下的流體力。

　　3.2.2、不同流向?qū)﹂y芯位移偏移量的影響

　　閥芯在不同壓差下趨向目標(biāo)開(kāi)度的過(guò)程中，實(shí)際工作開(kāi)度相對(duì)設(shè)置目標(biāo)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的閥芯位移之間有一定的偏移量。根據(jù)不同壓差、位移下閥芯運(yùn)動(dòng)仿真，可以得到不同介質(zhì)流向時(shí)閥芯偏移量與壓差、位移之間的關(guān)系，如圖9所示(為便于比較，圖中流閉時(shí)的偏移量均取正值表示)。

圖9 偏移量與壓差、位移之間的關(guān)系

(a)流開(kāi)狀態(tài)(b)流閉狀態(tài)

　　由圖9可以看出：

　　(1)在較小壓差(0.1MPa)下，流開(kāi)狀態(tài)下閥芯偏移量要比流閉狀態(tài)下的偏移量大;在較大壓差(0.5～2.0MPa)下，流閉狀態(tài)下的偏移量總體要比流開(kāi)狀態(tài)下的偏移量大;且各種工況下的偏移量都在允許的范圍(3%～5%)內(nèi)，能夠滿(mǎn)足定位精度。

　　(2)在同一個(gè)目標(biāo)位置處，壓差越大，偏移量越大。

　　(3)在同一壓差下，目標(biāo)位移越大，偏移量越小。

　　3.3、單座閥在變開(kāi)度下的動(dòng)態(tài)特性分析

　　閥芯在受到流體力和控制力作用時(shí)，會(huì)從初始位置向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，并最終保持在目標(biāo)位置附近作振動(dòng)。假設(shè)閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程為20～15mm(開(kāi)度變小)和5～10mm(開(kāi)度變大)，進(jìn)出口壓差分別為0.1、0.5、1.0、2.0MPa，初始相對(duì)位移為-0.1mm，初始速度和加速度均為0，不同工況下初始流體力不同，并考慮定位器作用，得出介質(zhì)流向不同時(shí)單座閥閥芯的位移與閥芯受到的流體力隨時(shí)間變化歷程，如圖10、11所示。

圖10 開(kāi)度為20～15mm時(shí)在不同壓差下的閥芯振動(dòng)位移和流體力

(a)位移響應(yīng)(b)流體力響應(yīng)

　　由圖10、11可以看出：

　　(1)閥芯位移從初始位置以振蕩衰減的方式到達(dá)目標(biāo)位置，并在目標(biāo)位置附近作自由振動(dòng)。

　　(2)閥芯在向下運(yùn)動(dòng)減小開(kāi)度過(guò)程(20～15mm)中，采用流閉流向比采用流開(kāi)流向，閥芯到達(dá)目標(biāo)位置所用時(shí)間更短;當(dāng)介質(zhì)為流閉流向時(shí)，壓差越大，閥芯達(dá)到目標(biāo)位置所用時(shí)間越短，而介質(zhì)為流開(kāi)流向時(shí)，壓差越大，閥芯達(dá)到目標(biāo)位置所用時(shí)間越長(zhǎng)。

　　(3)閥芯在向上運(yùn)動(dòng)增大開(kāi)度過(guò)程(5～10mm)中，采用流開(kāi)流向比采用流閉流向，閥芯到達(dá)目標(biāo)位置所用時(shí)間更短;當(dāng)介質(zhì)為流開(kāi)流向時(shí)，壓差越大，閥芯到達(dá)目標(biāo)位置所用時(shí)間越短，而介質(zhì)為流閉流向時(shí)，壓差越大，閥芯達(dá)到目標(biāo)位置所用時(shí)間越長(zhǎng)。

圖11 開(kāi)度為5～10mm時(shí)在不同壓差下的閥芯振動(dòng)位移和流體力

(a)位移響應(yīng)(b)流體力響應(yīng)

　　(4)閥芯在向下運(yùn)動(dòng)(開(kāi)度減小)過(guò)程中，閥芯受到的流體力從初始位置以振蕩衰減的方式到達(dá)平衡位置，并在平衡位置附近振動(dòng)，且到達(dá)平衡位置所用時(shí)間與位移到達(dá)目標(biāo)位置所用時(shí)間相同;介質(zhì)為流開(kāi)流向時(shí)，壓差越大，閥芯受到的流體力達(dá)到平衡位置所用時(shí)間越長(zhǎng);介質(zhì)為流閉流向時(shí)，壓差越大，閥芯受到的流體力達(dá)到平衡位置所用時(shí)間越短;總體上看，在同一壓差下，閥芯在流開(kāi)流向時(shí)受到的流體力要比流閉流向時(shí)受到的流體力大。

　　(5)調(diào)節(jié)閥在向上運(yùn)動(dòng)(開(kāi)度增大)過(guò)程中，閥芯受到的流體力始終處于平衡位置附近，并且在同一壓差下，閥芯在流閉流向時(shí)受到的流體力比流開(kāi)流向時(shí)受到的流體力大。

4、結(jié)論

　　(1)建立了一個(gè)考慮定位器作用的調(diào)節(jié)閥閥芯-閥桿系統(tǒng)流固耦合動(dòng)力學(xué)模型，并利用ANSYS軟件對(duì)固定開(kāi)度和變開(kāi)度情況、流體流向?yàn)榱鏖_(kāi)和流閉情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析。

　　(2)研究結(jié)果表明，閥門(mén)定位器具有減小閥芯位移振動(dòng)響應(yīng)和閥芯位移偏移量的作用，選擇合適的定位器參數(shù)可以保證調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)性能處于良好狀態(tài)。對(duì)于固定開(kāi)度情況，無(wú)論流閉型還是流開(kāi)型流向，閥芯穩(wěn)態(tài)位移偏移量以及流體力隨壓差增加和目標(biāo)位移減小(開(kāi)度減小)而增大，閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間隨壓差增加而縮短，而流開(kāi)型流向時(shí)閥芯位移響應(yīng)幅度要大于流閉型流向。對(duì)于開(kāi)度減小情況，采用流閉流向相對(duì)流開(kāi)流向時(shí)閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間更短，采用流閉流向時(shí)，壓差越大，閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間越短，而流開(kāi)流向時(shí)則相反;對(duì)于開(kāi)度增大情況，閥芯動(dòng)態(tài)位移過(guò)渡時(shí)間和壓差之間的關(guān)系與開(kāi)度減小情況相反。