某型浮空器自動(dòng)閥門研究

陸 曉,李昕虹,李 輝

(中國特種飛行器研究所 系統(tǒng)航電研究室,湖北 荊門 448035)

0 引言

目前的浮空器以無人型飛艇或無人型系留氣球?yàn)橹鱗1]。雖然現(xiàn)有的浮空器閥門能夠滿足浮空器的排氣量需求和密封性要求,但該閥門在開啟后供電中斷時(shí)無法自動(dòng)關(guān)閉,造成囊體內(nèi)氣體持續(xù)泄漏,具有較大的安全隱患。載人飛艇和飛艇適航取證,對(duì)浮空器閥門的安全性和可靠性具有很高的要求,因此急需開發(fā)一種新型的隨著囊體壓力增大而自動(dòng)開啟以及斷電后可自動(dòng)關(guān)閉并密封的浮空器閥門。

本文在現(xiàn)有浮空器閥門的基礎(chǔ)上,提出了一種新型的浮空器自動(dòng)閥門。首先進(jìn)行閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合CATIA運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)分析閥門的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然后通過MATLAB仿真分析得到閥門運(yùn)動(dòng)曲線,最后對(duì)所設(shè)計(jì)的閥門進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,該浮空器自動(dòng)閥門具有在供電中斷情況下仍具有一定壓力范圍內(nèi)的密封能力以及囊體壓力超過限定值后自動(dòng)開啟泄壓的功能。

1 閥門設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

浮空器自動(dòng)閥門作為飛艇超壓控制的關(guān)鍵部件,必須滿足以下要求:

(1)用于排出囊體內(nèi)的氣體;

(2)能夠電操縱控制閥門開啟和關(guān)閉;

(3)閥門在關(guān)閉狀態(tài)下具有良好的密封性;

(4)斷電后閥門能夠在自身機(jī)構(gòu)的作用下自動(dòng)關(guān)閉;

(5)閥門內(nèi)外壓力差達(dá)到一定壓力值時(shí),閥門自動(dòng)開啟且開度隨壓力近似線性變化。

1.2 運(yùn)動(dòng)原理

閥門運(yùn)動(dòng)依靠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),閥門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括彈簧、電動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿、搖臂等裝置。通過調(diào)節(jié)彈簧的變形量,保證閥門的密封性滿足閥門開啟壓力的指標(biāo)要求;通過電動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。

閥門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示。閥門開啟時(shí),搖臂1向下偏轉(zhuǎn),通過連桿2帶動(dòng)推桿3向下運(yùn)動(dòng),連桿的運(yùn)動(dòng)作用在導(dǎo)向軸7上,從而使閥門閥芯6被推開。閥門開啟的過程,彈簧5的變形量逐漸增加,作用在搖臂1上的主動(dòng)力也相應(yīng)的增加。關(guān)閉閥門時(shí),搖臂1向上運(yùn)動(dòng),通過連桿2帶動(dòng)推桿3向上運(yùn)動(dòng),連桿的運(yùn)動(dòng)作用在導(dǎo)向軸7上,從而使閥門閥芯6被拉回,同時(shí)曲臂4在彈簧自身作用力下順時(shí)針運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)連桿2和推桿3向上運(yùn)動(dòng),使閥芯復(fù)位。閥門關(guān)閉時(shí),在彈簧預(yù)緊力的作用下,閥芯與閥芯支座緊密貼合并擠壓密封墊,使閥門在關(guān)閉狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)密封。

圖1 閥門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

1.3 參數(shù)計(jì)算

為保證閥門在設(shè)定的囊體壓力范圍內(nèi)有良好的密封性,需要通過彈簧作用力對(duì)閥芯提供一定的預(yù)緊力。預(yù)使閥門在電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉,需要保證機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)作性能,并要求電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩滿足要求。

1.3.1 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧的選擇關(guān)系到閥門的密封性、閥門開啟壓力和電動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩的輸出,是保證閥門滿足設(shè)計(jì)要求的重要結(jié)構(gòu)。通過機(jī)構(gòu)受力分析,對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。

假設(shè)閥門裝在囊體上,此時(shí)電動(dòng)機(jī)構(gòu)不工作,閥門依靠囊體內(nèi)的氣體壓力實(shí)現(xiàn)開啟并保持平衡狀態(tài)。在理想狀態(tài)下,不考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響,單從彈簧機(jī)構(gòu)和所受氣體壓力進(jìn)行分析。閥門初始狀態(tài),即閥門開度為0時(shí),氣體壓力作用下閥門密封狀態(tài)受力如圖2所示。

圖2 氣體壓力作用下閥門密封狀態(tài)受力

分別對(duì)曲臂4、推桿3和閥芯6以及密封預(yù)緊力進(jìn)行分析[2]:

N1·sinγ·L2-2·F1·L1·sinα=0

(1)

N1-N2=0

(2)

N2-FN-G=0

(3)

FN-P1·S=0

(4)

式中:N1是推桿對(duì)曲臂拉力,單位N;γ是曲臂與推桿夾角,單位°;L2是曲臂長臂長,單位mm;F1是彈簧對(duì)曲臂拉力,單位N;L1是曲臂短臂長,單位mm;α是彈簧與曲臂夾角,單位°;N2是推桿對(duì)導(dǎo)向軸拉力,單位N;FN是閥門密封預(yù)緊力,單位N;G是閥芯重力,單位N;P1是閥門開啟壓力,單位Pa;S是閥芯截面積,單位mm2。

閥門完全打開,即閥門開度最大時(shí),氣體壓力作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力如圖3所示。

圖3 氣體壓力作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力

分別對(duì)曲臂4、推桿3和閥芯6進(jìn)行分析:

N1·sinγ·L2-2·F1·L1·sinα=0

(5)

N1-N2=0

(6)

N2·cosδ-P2·S-G=0

(7)

式中:P2是閥門完全開啟壓力,單位Pa;δ是直臂與導(dǎo)向軸夾角,單位°。

根據(jù)閥門初始狀態(tài)及閥門完全開啟狀態(tài)下的力學(xué)分析,結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]的計(jì)算方法,可求出彈簧參數(shù)。

1.3.2 電驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

電動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇關(guān)系到閥門啟閉功能和自關(guān)閉功能,是閥門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要部件。

假設(shè)閥門未裝在囊體上,不考慮氣體壓力的影響,此時(shí)閥門通過電動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉動(dòng)作。假設(shè)閥門開啟,在最大開度范圍內(nèi)的任意開度保持平衡,電驅(qū)動(dòng)作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力如圖4所示。

圖4 電驅(qū)動(dòng)作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力

分別對(duì)O1、O2和推桿3進(jìn)行分析:

-F·2·L1·sinα+N3·sinβ·L2+N1·sinγ·L2=0

(8)

N4·sinβ·L4-MD=0

(9)

N3-N4=0

(10)

N1-N2=0

(11)

N2·cosδ-G=0

(12)

式中:F是彈簧在閥門任意開度下的拉力,單位N;N3是推桿對(duì)曲臂的拉力,單位N;G是閥芯重力對(duì)O1點(diǎn)力矩,單位N·m;N4是連桿對(duì)電動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂的拉力,單位N;β是連桿與電動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂夾角,單位°;L4是電動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂長,單位mm;MD是電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩,單位N·mm。

通過分析計(jì)算得出閥門在不同開度下對(duì)電驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力要求,為電驅(qū)動(dòng)裝置的選型提供依據(jù)。

2 仿真分析

通過建立閥門開度與閥門開啟力和電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用CATIA運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù),模擬閥門在不同開度下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[4],得到各個(gè)狀態(tài)下的參數(shù)值,最后通過MATLAB仿真繪制出閥門在不同開度下與計(jì)算量之間的關(guān)系曲線[5]。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

假設(shè)閥門電驅(qū)動(dòng)裝置未上電,不考慮電驅(qū)動(dòng)裝置的影響。閥門依靠外界拉力開啟,外界拉力作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力如圖5所示。

圖5 外界拉力作用下閥門完全開啟狀態(tài)受力

對(duì)閥門進(jìn)行分析,如下:

N1·sinγ·L2-2·F·L1·sinα=0

(13)

N1-N2=0

(14)

F拉-G-N2·cosδ=0

(15)

F=k·x

(16)

式中:F拉是閥門開啟拉力,單位N;k是彈簧剛度,單位N·mm-1;x是彈簧變形量,單位mm。

由上式求出閥門開啟力F拉:

F拉=(2·k·x·L1·sinα·cosδ)/(sinγ·L2)+G

(17)

將閥門開啟拉力等效為氣體推力,則可求出作用在閥芯內(nèi)側(cè)的氣體壓力P:

P=F拉/S

(18)

由式(8)至式(10)可求電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩MD:

MD=sinθ·L4(2·k·x·L1·sinα·cosδ-G·sinγ·L2)/(sinβ·cosδ·L2)

(19)

公式(17)至式(19)分別為閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩的數(shù)學(xué)模型。

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真

閥門運(yùn)動(dòng)仿真可以模擬查看電動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)閥門閥芯運(yùn)動(dòng)的情況,同時(shí)可以實(shí)時(shí)測量獲得閥門在不同開度下的各夾角和彈簧變形量。結(jié)合2.1節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型,可分別得出閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩的仿真結(jié)果。閥門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真如圖6所示。

圖6 閥門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真

通過閥門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真,測量得出閥門在不同開度下的?、δ、γ、x等值,將數(shù)值代入公式(17)至式(19),可求出不同開度下的閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出力矩。

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型和閥門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真,求解出閥門開度與開啟拉力、開啟氣體壓力的關(guān)系如圖7所示,閥門開度與電機(jī)輸出力矩的關(guān)系如圖8所示。由圖可知,閥門開度隨開啟力(氣體壓力)增加先快速增大,后緩慢增加,最后趨于平穩(wěn)。閥門開啟至45 mm時(shí),閥門開啟力為50.2 N,氣體壓力為 627.6 Pa;電機(jī)輸出力矩隨著閥門開度的增加逐漸增大,閥門開度為45 mm時(shí),電機(jī)輸出力矩最大,為606.8 N·cm。

圖7 閥門開度與開啟拉力、開啟氣體壓力關(guān)系

圖8 閥門開度與電機(jī)輸出力矩關(guān)系

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 動(dòng)作性能試驗(yàn)

閥門動(dòng)作性能試驗(yàn)接線圖如圖9所示。根據(jù)圖9連接線路,進(jìn)行閥門動(dòng)作性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)通過控制器,控制閥門開啟和關(guān)閉,并調(diào)節(jié)閥門開度。

圖9 閥門動(dòng)作性能試驗(yàn)接線圖

試驗(yàn)表明該機(jī)構(gòu)可控制閥門開啟和關(guān)閉且閥門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。當(dāng)閥門開啟至最大開度時(shí)關(guān)閉電源,閥芯在自身機(jī)構(gòu)的作用力下自動(dòng)復(fù)位,實(shí)現(xiàn)閥門關(guān)閉,滿足其斷電后自動(dòng)關(guān)閉要求。

3.2 開啟壓力試驗(yàn)

開啟壓力試驗(yàn)原理圖如圖10所示。通過氣源向氣罐內(nèi)鼓入氣體,利用差壓傳感器測量氣罐內(nèi)氣體壓力,在閥芯與密封圈貼合處噴灑肥皂水,當(dāng)接觸部位有氣泡冒出,此時(shí)氣罐內(nèi)的壓力即為閥門開啟壓力。

圖10 開啟壓力試驗(yàn)原理圖

將閥門置于試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行多次試驗(yàn),測得閥門開啟壓力平均值為587.5 Pa。根據(jù)仿真結(jié)果可知閥門開啟壓力理論值為571.3 Pa。由于閥門開啟過程其內(nèi)部機(jī)構(gòu)存在摩擦力,而在閥門的理論計(jì)算過程中不考慮摩擦力的影響,因此允許實(shí)際閥門開啟壓力值與理論計(jì)算值之間存在一定的誤差,故可認(rèn)為開啟壓力試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符合。

3.3 開啟拉力與閥門開度試驗(yàn)

開啟拉力與閥門開度試驗(yàn)原理圖如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)將被測閥門安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上,在測力計(jì)下方掛重物,利用重物將閥門拉開。測力計(jì)可以測得重物的質(zhì)量,并利用游標(biāo)卡尺測量閥門開度。

圖11 開啟拉力與閥門開度試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)測得閥門開度與閥門開啟拉力關(guān)系如圖12所示。閥門開度隨著開啟拉力增加先緩慢增大,后迅速增加。當(dāng)開啟拉力增加到71 N時(shí),閥門完全開啟。

圖12 閥門開度與閥門開啟拉力關(guān)系

將試驗(yàn)測量的閥門開啟拉力與閥門開度和理論計(jì)算的閥門開啟拉力與閥門開度進(jìn)行對(duì)比,理論開啟拉力與實(shí)際開啟拉力對(duì)比圖如圖13所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn),閥門開度為0.3 mm時(shí),實(shí)際開啟拉力為47 N,理論開啟拉力為45.7 N,兩者相差1.3 N?？紤]到閥門開啟過程中存在摩擦力的影響,允許實(shí)際值與理論值之間存在一定的誤差,故認(rèn)為閥門剛開啟時(shí),實(shí)際開啟拉力與理論值基本相等。隨著閥門開度的增加,閥門實(shí)際開啟拉力與理論計(jì)算值之間的差距逐漸增大。當(dāng)閥門開至最大45 mm時(shí),理論開啟拉力為50.2 N,實(shí)際開啟拉力為71 N,兩者相差20.8 N,理論與實(shí)際不符。

4 結(jié)論

(1)計(jì)算表明:閥門開啟拉力與氣體壓力存在線性關(guān)系,因此閥門開度與閥門開啟拉力曲線和閥門開度與氣體壓力曲線為同一曲線?？赏ㄟ^閥門開啟拉力與開度試驗(yàn)驗(yàn)證氣體壓力與開度之間的關(guān)系。理論表明閥門開啟拉力隨開度的增加先快速增大,然后緩慢增加,最后有所減少。

(2)閥門動(dòng)作性能試驗(yàn)表明:閥門設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)構(gòu)控制閥門的開啟和關(guān)閉功能,且閥門開度可控。在斷電情況下,閥門可依靠自身機(jī)構(gòu)的作用實(shí)現(xiàn)關(guān)閉并密封,具有閥門斷電自動(dòng)關(guān)閉功能。

(3)閥門開啟壓力試驗(yàn)表明:閥門開啟壓力的理論值與試驗(yàn)值基本保持一致,在進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)時(shí),可通過理論計(jì)算保證閥門開啟壓力在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)。

(4)通過閥門開啟拉力與開度試驗(yàn)可知:閥門開啟拉力隨開度的增大先快速增加,當(dāng)閥門開度增大到某一值后,閥門開啟拉力隨開度增大而緩慢增加。

(5)通過理論開啟拉力與試驗(yàn)開啟拉力關(guān)系可知,最大閥門開啟拉力試驗(yàn)值與理論值相差較大。該差值與密封形式、密封材料和彈簧參數(shù)等相關(guān)。考慮到設(shè)計(jì)的彈簧剛度和密封墊材料對(duì)閥門開啟力的影響較大,后續(xù)將從彈簧和密封墊材料著手進(jìn)行改進(jìn),縮小理論值與試驗(yàn)值之間的差值。