遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)

遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)

研制一種遠(yuǎn)程、先導(dǎo)式高壓大流量減壓閥；介紹了該減壓閥特點(diǎn)，建立了減壓閥數(shù)學(xué)模型，利用進(jìn)行該減壓閥動(dòng)力學(xué)仿真，研究各個(gè)參數(shù)對(duì)減壓閥性能的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，加工了一臺(tái)實(shí)物產(chǎn)品。搭建了減壓閥性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，分析了壓力、流量特性，并和仿真做了比較。

結(jié)果表明：仿真和試驗(yàn)符合的比較好，說明仿真對(duì)減壓閥的研制與分析具有指導(dǎo)作用。該減壓閥使用方便，安全、可靠，已經(jīng)用于數(shù)個(gè)試驗(yàn)中。是一種平衡式高壓差電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。配用智能一體式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接受統(tǒng)一的4-20mA或1-5V·DC的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的直線位移，自動(dòng)地控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：高壓大流量減壓閥；動(dòng)力學(xué)仿真；數(shù)學(xué)模型



0　遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)引言

減壓閥是氣動(dòng)系統(tǒng)中的重要元件之一。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，減壓閥是重要的壓力調(diào)節(jié)部件。儲(chǔ)存于高壓氣瓶?jī)?nèi)的氣體經(jīng)氣體減壓閥節(jié)流減壓為較低且恒定的輸出壓力，以壓力損失為代價(jià)實(shí)現(xiàn)減壓，使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的工作特性。減壓閥必須保持穩(wěn)定的參數(shù)輸出。通過仿真的方法研究特性，可以為減壓閥優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)，并能減少試驗(yàn)次數(shù)，降低研制成本。

方面做了大量工作。在仿真方面。對(duì)減壓閥做了全面、深入的理論分析工作。他的動(dòng)力學(xué)分析涉及了氣體作用力、彈性力、阻尼力，還有非線性因素，諸如摩擦力，氣體穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)作用力，涵蓋了減壓閥的各項(xiàng)主要影響因素。國(guó)防科大研制了大流量減壓閥。對(duì)自主研制的氣體減壓閥，建立了數(shù)學(xué)模型，研究了減壓閥的靜態(tài)特性、穩(wěn)定性和響應(yīng)特性。



液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常用的反向卸荷式減壓閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用四階分析了減壓閥在啟動(dòng)增壓過程中的動(dòng)態(tài)特性。此外，一些研究者利用對(duì)平衡式氣動(dòng)減壓閥動(dòng)態(tài)特性、航空供氧減壓閥進(jìn)行數(shù)值仿真和研究，獲取了氣動(dòng)減壓閥動(dòng)、靜態(tài)性能，為減壓閥的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供強(qiáng)有力的理論支撐。

采用電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥（或防爆型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥）+溫控器+智能型壓力變送器及3芯屏蔽線等附件組成，具有高控制精度,可達(dá)±0.2%的控制精度，調(diào)節(jié)性能及控制精度遠(yuǎn)超過常規(guī)自力式（蒸汽）減壓閥。

該閥大的特點(diǎn)只需普通220V電源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量，直接對(duì)蒸汽、熱氣、熱油與氣體等介質(zhì)的壓力（溫度）實(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，亦可使用在防止對(duì)過熱或熱交換場(chǎng)合。本文研究了一種先導(dǎo)式、高壓大流量減壓閥。通過仿真，獲得了各個(gè)參數(shù)對(duì)減壓閥性能的影響，繼而研制一臺(tái)高壓、大流量減壓閥。試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓、大流量減壓閥安全、性能可靠。該閥已用于多類試驗(yàn)中。



1　工作原理1所示，所研制的減壓閥是逆向、先導(dǎo)薄膜式減壓閥。

該減壓閥具有以下特點(diǎn)：

1）遠(yuǎn)程通過先導(dǎo)閥為主閥控制腔注入控制氣，不需要人員去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓；

2）高壓氣垂直于閥芯，對(duì)閥芯軸向無作用力，出口壓力不受入口壓力影響；

3）非金屬膜片，膜片力可以忽略不計(jì)；而且膜片預(yù)壓縮，閥門打開的方向是膜片解除壓縮的方向；

4）設(shè)計(jì)了保護(hù)膜片的壓盤，使膜片不至于受剪切力而失效。

考慮閥芯受力，以向下為正：



2　遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)數(shù)學(xué)模型

2.1　　模型假設(shè)

1） 工作介質(zhì)為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

2） 介質(zhì)通過氣動(dòng)減壓閥可以看成等效收縮噴嘴流動(dòng)來計(jì)算；

3）忽略工作過程的溫度變化；

4）忽略了活動(dòng)部件的重力；

5）閥腔內(nèi)氣體參數(shù)采用集中參數(shù)法來描述；

6）氣源壓力保持不變。

2.2　　流量方程

對(duì)于氣體流過減壓閥的節(jié)流口或限流孔時(shí)，一般情況下，可將孔口近似當(dāng)作收縮噴嘴來處理，因此可按文獻(xiàn) 處理。

2.3　　質(zhì)量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在任何瞬時(shí)，流出控制體的質(zhì)量流量等于控制體內(nèi)的質(zhì)量對(duì)時(shí)間的減少量，則控制體內(nèi)的質(zhì)量守恒方程為：



2.4　　活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方程

PI調(diào)節(jié)當(dāng)智能調(diào)節(jié)閥接受變送器信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)時(shí)，微機(jī)先把變送器信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并按預(yù)先設(shè)定的PI參數(shù)規(guī)律計(jì)算，再發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并調(diào)節(jié)閥門，直至信號(hào)平衡為止。

智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)功能，是一個(gè)成本低，性能好的采樣控制系統(tǒng)，不需要用常規(guī)的PID控制器，而直接接受現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)，完成模擬式連續(xù)控制系統(tǒng)難以完成的工作。有的工業(yè)對(duì)象滯后時(shí)間很長(zhǎng)（如控制溫度的爐子），這將造成系統(tǒng)的誤差大、動(dòng)作慢，利用微型計(jì)算機(jī)采樣并進(jìn)行控制，可以提高低通的控制性能。

PI調(diào)節(jié)當(dāng)智能調(diào)節(jié)閥接受變送器信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)時(shí)，微機(jī)先把變送器信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，并按預(yù)先設(shè)定的PI參數(shù)規(guī)律計(jì)算，再發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并調(diào)節(jié)閥門，直至信號(hào)平衡為止。智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)功能，是一個(gè)成本低，性能好的采樣控制系統(tǒng)，不需要用常規(guī)的PID控制器，而直接接受現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)，完成模擬式連續(xù)控制系統(tǒng)難以完成的工作。有的工業(yè)對(duì)象滯后時(shí)間很長(zhǎng)（如控制溫度的爐子），這將造成系統(tǒng)的誤差大、動(dòng)作慢，利用微型計(jì)算機(jī)采樣并進(jìn)行控制，可以提高低通的控制性能。



3　遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)仿真研究

以上述所建立的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用四階龍格-庫(kù)塔數(shù)值方法，運(yùn)用Matlab編程進(jìn)行仿真，研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)性能所產(chǎn)生的影響。氣體介質(zhì)采用氮?dú)猓肟趬毫Γ?0 MPa；出口壓力：5 MPa；下游模擬串聯(lián)孔板，孔板喉徑16 mm。模擬2 s后，下游閥門突然打開，減壓閥開始工作。

3.1　　阻尼孔喉徑對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

下游閥門打開到穩(wěn)定的時(shí)間基本一樣。但是超調(diào)量和頻率不一樣。尺寸越小，超調(diào)量越大，頻率越低。當(dāng)下游閥門打開的時(shí)候，先是出口腔壓力下降，然后阻尼腔氣體通過阻尼孔到出口腔，阻尼腔喉徑越小，阻尼腔壓力下降的越慢，減壓閥打開就越慢，減壓閥補(bǔ)氣就越慢，所以出口腔壓力下降的幅度大。

3.2　　彈簧剛度對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

為不同彈簧剛度對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響情況（其他參數(shù)：Φ=5 mm，M=0.5 kg，λ= 0.24）。剛度越小，震蕩幅度減小，震蕩頻率增加，震蕩時(shí)間加長(zhǎng)。震蕩幅度減小是因?yàn)閺椈蓜偠刃?huì)在阻尼腔壓力下降不大時(shí)頂開閥芯，閥門打開，補(bǔ)氣迅速，出口腔壓力迅速恢復(fù)。但是，剛度小又會(huì)造成穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)的問題。



3.3　　活動(dòng)部件質(zhì)量對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

為不同活動(dòng)部件質(zhì)量對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性影響的情況（其他參數(shù)：Φ=5 mm，K=20 N/mm，λ=0.24）。震蕩頻率基本一樣，活動(dòng)部件質(zhì)量越小，震蕩幅度越大，震蕩時(shí)間也縮短。活動(dòng)部件質(zhì)量小，根據(jù)公式，相當(dāng)于彈簧剛度和阻尼系數(shù)變大。

3.4　　阻尼系數(shù)對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

所示為阻尼系數(shù)對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性影響（其他參數(shù)：Φ=5mm，K=20N/mm，M=0.5kg）。如所示，阻尼系數(shù)越大，穩(wěn)定性越好，振蕩會(huì)在短時(shí)間之內(nèi)停止。下游開閥相當(dāng)于流量突然變化，之后振蕩減弱并逐漸穩(wěn)定下來，就是由于有阻尼的作用。阻尼系數(shù)的大小對(duì)減壓閥穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。對(duì)本文來說，選擇合適的阻尼系數(shù)即選擇合適的閥門彈簧。阻尼系數(shù)需要依靠實(shí)驗(yàn)確定。本文僅對(duì)阻尼系數(shù)的大小對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了定性的分析研究。



4　遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)研究

根據(jù)以上仿真結(jié)果，結(jié)合閥門強(qiáng)度、密封設(shè)計(jì)研制高壓大流量減壓閥，并搭建一個(gè)減壓閥性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，原理圖如圖6所示。介質(zhì)采用氮?dú)?。孔板?jīng)過標(biāo)定，可以測(cè)量流量。

4.1　　壓力特性

以一組入口壓力（6～14 MPa）為例，出口設(shè)4 MPa，觀察該減壓閥的壓力特性。p1為入口壓力，p2為出口壓力?？梢钥吹?，兩者的出口壓力、流量都是非常穩(wěn)定。試驗(yàn)中減壓閥出口壓力從3.34 MPa至3.22 MPa之間變化，出口壓力偏差為3.7%，減壓閥的壓力特性較好，輸出壓力穩(wěn)定。

4.2　　流量特性

選定3個(gè)入口壓力，分別做了流量特性試驗(yàn)，結(jié)果所示。可以看出，不同入口、出口壓力，覆蓋的流量是不一樣的。當(dāng)入口為30 MPa，出口20 MPa時(shí)，減壓閥流量能夠達(dá)到10 kg/s。從圖8還可以看出，隨著流量增大，出口壓力在逐漸降低。這是因?yàn)椋髁吭龃?，閥芯開度越大，出口壓力逐級(jí)降低；當(dāng)閥芯開度到達(dá)極限之后，流量再想增大，就只能以犧牲出口壓力作為代價(jià)。

4.3　　動(dòng)態(tài)特性

而仿真1.5 s打開閥門后，經(jīng)過0.2 s左右的震蕩，然后才穩(wěn)定，穩(wěn)定值6.53 MPa。試驗(yàn)和仿真比較，主要是振蕩段存在很大差異，仿真有一個(gè)明顯的振蕩然后衰減最后穩(wěn)定的過程。仿真結(jié)果在理論上能夠解釋，而實(shí)際過程中，減壓閥的工作過程比較復(fù)雜。此外，試驗(yàn)的壓力測(cè)量頻率、精度都對(duì)結(jié)果有影響。這些都使得仿真不能反應(yīng)真實(shí)試驗(yàn)的情況。但是，比較曲線可以看出，仿真能夠反映出口壓力的變化趨勢(shì)，誤差也在允許范圍內(nèi)，說明所建模型是正確的。



5　遠(yuǎn)程智能控制電動(dòng)超高壓大流量減壓閥優(yōu)化改進(jìn)結(jié)論

利用先導(dǎo)式減壓閥仿真模型，分析各個(gè)參數(shù)對(duì)減壓閥性能的影響，根據(jù)仿真結(jié)果，研制出高壓大流量減壓閥。研制結(jié)果表明：

1）仿真縮短了閥門研發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)制造成本。

2）研制的減壓閥可以承壓30 MPa，流量達(dá)到了10 kg/s以上。該閥已用于數(shù)個(gè)試驗(yàn)中，工作安全、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。