高壓空氣減壓閥的動態(tài)性能仿真

楊明國

武昌船舶重工有限責(zé)任公司軍事代表室，湖北 武漢 430064

高壓空氣減壓閥的動態(tài)性能仿真

楊明國

武昌船舶重工有限責(zé)任公司軍事代表室，湖北 武漢 430064

高壓空氣減壓閥是艦船氣動系統(tǒng)中的重要元件，通過建立高壓空氣減壓閥的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用Matlab軟件進行仿真計算，對其動態(tài)性能進行分析和預(yù)測。仿真結(jié)果表明采用合適的結(jié)構(gòu)減小閥口過流面積有助于高壓空氣減壓閥的性能穩(wěn)定。

高壓減壓閥；動態(tài)特性；仿真

1 引言

在艦船氣動系統(tǒng)中，由于從空氣壓縮機中出來的氣體壓力較高，需要根據(jù)使用要求將其降低，以適應(yīng)執(zhí)行元件的壓力等級，并節(jié)省能源。減壓閥使用廣泛，是保證艦船氣動系統(tǒng)正常工作的必需元件之一。

高壓化是艦船氣動系統(tǒng)高效化的重要手段。使用壓力提高，有利于運動速度、力和流量控制，也有利于元件小型化。目前超高壓氣動元件（壓力大于30 MPa）還未形成成熟的固化技術(shù)，其動態(tài)特性分析對于高壓氣動元件性能非常關(guān)鍵［1-3］。而高壓氣動元件由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其氣體流動狀態(tài)是一個變質(zhì)量系統(tǒng)的熱力學(xué)過程，因而對其特性的分析還在摸索之中［4-10］。本文所介紹的高壓空氣減壓閥屬于超高壓級別的氣動元件，最高輸入壓力達到了30MPa，相當于常用氣動系統(tǒng)壓力的30倍以上，輸出壓力要求又必須控制在0.1～1 MPa的較低壓力范圍內(nèi)，進口與出口壓差相當大，而且輸出壓力要求穩(wěn)定。

為了保證減壓閥的設(shè)計成功，達到預(yù)期的性能要求，減少設(shè)計中的不確定性，縮短設(shè)計周期，降低研制成本，提高工作效率，在設(shè)計的初始階段對其進行建模仿真是必要的。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的進步，可利用高可靠仿真軟件方便地進行仿真研究。

2 模型的建立

要對高壓空氣減壓閥動態(tài)特性進行仿真研究，首先必須根據(jù)其結(jié)構(gòu)模型，建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，然后利用仿真軟件進行仿真計算。高壓空氣減壓閥出口壓力的迅速建立以及穩(wěn)定在某個調(diào)定值是設(shè)計該減壓閥的關(guān)鍵要求，亦即穩(wěn)定性和快速響應(yīng)特性是一個最重要的要求。

1）結(jié)構(gòu)模型

工作原理示意圖如圖1所示，高壓空氣減壓閥主要由上下閥體、閥芯、復(fù)位彈簧、調(diào)壓彈簧、壓力比較活塞等組成。P1為輸入壓力，P2為輸出壓力。

比較活塞上方受到調(diào)壓彈簧作用，下方受到輸出壓力P2作用，當輸出壓力小于通過調(diào)壓彈簧設(shè)定的目標壓力時，比較活塞下移，帶動閥芯下移，則閥開口變大，節(jié)流壓差減小，輸出壓力增加，直至達到目標壓力；當輸出壓力大于通過調(diào)壓彈簧設(shè)定的目標壓力時，活塞上移，帶動閥芯上移，閥開口變小，節(jié)流壓差增加，輸出壓力降低，直至達到目標壓力。

2）數(shù)學(xué)模型

為了分析閥的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性，對其進行動態(tài)分析前首先建立數(shù)學(xué)模型。氣體在減壓閥中的流動過程是一個復(fù)雜變質(zhì)量系統(tǒng)的熱力學(xué)過程。為了簡化模型，作如下假設(shè)：氣體通過閥類元件可看成一個等效的收縮噴嘴來計算，在計算時假設(shè)氣體為理想氣體，氣體速度遠大于氣體與外界的熱交換，氣體流過噴嘴的能量損失可忽略不計，噴嘴中的流動可視為等熵流動。

這里主要需要關(guān)心的是出口壓力的建立過程和閥芯的動作過程，根據(jù)最基本的流量連續(xù)性方程、能量方程和動力學(xué)平衡方程建立出口腔一階壓力微分方程和閥芯動力學(xué)平衡方程。

出口腔一階壓力微分方程：

閥芯動力學(xué)平衡方程：

式（1）與式（2）即高壓空氣減壓閥的動態(tài)數(shù)學(xué)方程。上列各式中，S1和S2分別為閥口過流面積和出口等效噴嘴面積；V2為出口腔體積；m為閥芯質(zhì)量；h為閥芯開度；Ff為密封圈摩擦力（采用O形圈密封），方向與閥芯運動方向相反；Fb為粘性阻力；F1為調(diào)壓彈簧力，F(xiàn)1＝F01＋k1（1－h(huán)），F(xiàn)2為復(fù)位彈簧力，F(xiàn)2＝F02＋k2（1－h(huán)），F(xiàn)01和 F02分別為調(diào)壓彈簧和復(fù)位彈簧的預(yù)壓力；k1和k2分別為調(diào)壓彈簧和復(fù)位彈簧的剛度；A1為比較活塞有效受壓面積；Pe為外界壓力。k為空氣絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為空氣絕對溫度。

3 仿真計算

利用工程仿真軟件Matlab進行仿真研究。Matlab是面向科學(xué)計算、數(shù)據(jù)可視化以及交互式程序設(shè)計的高技術(shù)計算語言。Matlab還帶有一系列功能強大的工具箱，其中包括用于建模仿真的Simulink［11］。

以上面建立的動態(tài)方程為數(shù)學(xué)模型，在Matlab／Simulink環(huán)境中采用定步長四階龍格—庫塔法求解微分方程式（1）及式（2）。

以閥口通徑為4 mm為尺寸模型，將各仿真參數(shù)代入以上建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，建立高壓空氣減壓閥的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。各仿真參數(shù)采用實物的物理參數(shù)，取值如下：

1）仿真結(jié)果

當入口壓力為30 MPa時的仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2出口壓力最終穩(wěn)定在0.1MPa，圖3出口壓力最終穩(wěn)定在1 MPa，其中圖（a）縱坐標表示出口壓力P2，單位是Pa，圖（b）縱坐標表示閥芯動作位移h，單位是m。圖2中，出口壓力P2最終穩(wěn)定在 0.1 MPa時，閥芯位移為 0.005mm。圖 3中，出口壓力P2最終穩(wěn)定在1 MPa時，閥芯位移為 0.05mm。

入口壓力為4 M P a時仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。圖4中出口壓力最終穩(wěn)定在0.1M P a，閥芯位移大約為0.037mm。圖5中出口壓力最終穩(wěn)定在 1M P a，閥芯位移大約為 0.37mm。

2）仿真結(jié)果分析

從以上仿真結(jié)果我們可看出，由于入口壓力高，出口壓力波動幅度很大；入口壓力越高，調(diào)定的出口壓力越低，出口壓力的建立過程越快，入口30 MPa時，大約70 ms就已建立穩(wěn)定的出口壓力。

通過分析還發(fā)現(xiàn)，保持其它參數(shù)不變，改變出口腔容積，隨著出口腔容積的減小，出口壓力能較快達到穩(wěn)定，但出口壓力的波動變大，容積變大則出口壓力穩(wěn)定性增加，但達到穩(wěn)定的時間變長。調(diào)壓彈簧和復(fù)位彈簧剛度應(yīng)該合適，剛度太大時，出口壓力出現(xiàn)較大波動，過小時，彈簧所需壓縮量大，由于整個閥有尺寸限制，所以彈簧工作行程不宜過大。設(shè)計時應(yīng)選擇合適的彈簧剛度。閥芯質(zhì)量越小則出口壓力的穩(wěn)定越快，但不宜過小，質(zhì)量太小則閥芯易振動，從而引起出口壓力的波動。達到穩(wěn)定出口壓力后，閥芯開度很小。入口壓力越高，要使得出口壓力減小到相同的值，則閥芯開度越小，如圖2中所示。將30 MPa的入口壓力減小到0.1 MPa 時，閥芯的開度只有 0.005mm，入口壓力即使在4 MPa的情況下要使出口壓力減小到0.1 MPa，閥芯開度也只有 0.037 mm，開口太小，控制難度大。圖6，圖7是閥口過流面積是原來的1／5情況下，入口壓力30MPa時的仿真結(jié)果。圖6中出口壓力為 0.1 MPa，閥芯位移 0.025 mm，圖 7 中出口壓力為1MPa，閥芯位移0.25mm?？梢钥闯觯旈y口過流面積減小后，能有效起到節(jié)流減壓的作用。為了有效減壓，必須減小閥口過流的面積，但通過減小閥芯開度和通徑來減小閥口節(jié)流的面積，效果則不明顯，而且閥芯開度太小難以控制，所以必須考慮采用能有效減小閥口過流面積的閥口形式，以使在較低的要求出口壓力下有較大的閥芯開度。

4 結(jié)束語

通過建立高壓空氣減壓閥的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，用Matlab對數(shù)學(xué)模型進行計算，研究了高壓空氣減壓閥在不同進口壓力下出口壓力的情況以及閥芯的開度值，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對高壓空氣減壓閥動態(tài)性能的影響。通過仿真，可知高壓空氣減壓閥的動態(tài)性能和穩(wěn)定性能較好，能在短時間內(nèi)迅速建立并穩(wěn)定出口壓力，但在進口為超高壓力的情況下出口壓力達到要求比較困難，主要體現(xiàn)在閥芯開度上：在相同的出口壓力下，入口壓力越高閥芯開度越小。超高壓力下理論上可以實現(xiàn)預(yù)期的出口壓力，但由于在加工裝配誤差等一些不可避免的情況下，要實現(xiàn)微小的閥芯開度是很困難的。故考慮減小閥口的過流面積來增大閥芯開度，設(shè)置閥口過流面積為原來的1／5后進行仿真計算?？梢婇y芯在相同入口壓力及出口壓力下位移大大增加，便于控制。仿真結(jié)果為高壓空氣減壓閥的設(shè)計提供了參考，也為高壓減壓閥的研究提供了參考。

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Dynam ic Simulation of the High Pressure Air Reducing Valve

Yang Ming-guo
Military Representative Office in Wuchang Shipbuilding Heavy Industry Ltd.， Wuhan 430064，China

High pressure air reducing valve is an important component inmarine pneumatic system.The dynamic mathematicalmodel of the high pressure air reducing valve was established and computed with Matlab software to analyze the dynamic characteristics of the valve.The simulation results show that reducing the throttling area of the valve with a proper structure will help tomaintain the dynamic characteristics of the valve.

high pressure air reducing valve； dynamic characteristic； simulation

U664.5

A

1673-3185（2010）04-56-05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.013

2010-01-28

楊明國（1966-），男，碩士，高級工程師。研究方向：機電一體化