先導式減壓閥動(dòng)靜態(tài)特性研究
介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節流數學(xué)模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
1、概述
減壓閥是一種自動(dòng)降低管路工作壓力的專(zhuān)門(mén)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(guò)高的區域、礦井和氣體管路等。隨著(zhù)工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩定，過(guò)流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復時(shí)間短，減壓和卸壓時(shí)間短，壓力超調率低，開(kāi)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、工作原理
先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導彈簧、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調整彈簧等組成( 圖1) 。擰動(dòng)調節螺釘，壓縮調整彈簧，頂開(kāi)先導閥芯，介質(zhì)從進(jìn)口側進(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(kāi)，由閥后壓力平衡調節彈簧的壓力改變導閥的開(kāi)度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開(kāi)度使閥后壓力保持恒定。
1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 先導彈簧7. 先導閥芯8. 先導閥座9. 先導活塞10. 調整彈簧
圖1 先導式減壓閥
減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節流效應而減壓。閥芯節流處方程為
3、仿真建模
先導式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設氣體為理想氣體，滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過(guò)程的溫度變化和節流處的阻尼，工作過(guò)程中節流處流量系數不變; 各容腔內的壓力場(chǎng)均勻分布，氣源為恒壓源。
1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調整彈簧8. 先導閥芯9. 先導活塞10. 先導彈簧
圖2 先導式減壓閥AMESim 模型
4、特性分析
減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?xún)煞N。靜態(tài)特性是指在穩定流動(dòng)狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進(jìn)口壓力或流量等參數間的函數關(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)間的函數關(guān)系。
4.1、靜態(tài)特性
靜態(tài)仿真結果如圖3 所示，P1為進(jìn)口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數據，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進(jìn)口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結果分析，進(jìn)口壓力為20 MPa 時(shí)，其試驗數據和仿真P2 - 20數據變化
趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過(guò)適當振蕩后壓力逐漸穩定，超調量較小僅為3%，最終試驗數據穩定在4. 35 MPa，P2 - 20穩定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內，模型較準確。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，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10曲線(xiàn)可以發(fā)現，三條曲線(xiàn)變化趨勢相同。在穩定階段壓力波動(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，符合減壓閥設計要求。
1. P1———進(jìn)口試驗數據
2. P2———出口試驗數據
3. P2 - 20———仿真進(jìn)口壓力為20MPa 時(shí)的出口數據
4. P2 - 15———仿真進(jìn)口壓力為15MPa 時(shí)的出口數據
5. P2 - 10———仿真進(jìn)口壓力為10MPa 時(shí)的出口數
圖3 進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗和仿真數據
4.2、動(dòng)態(tài)特性
根據靜態(tài)特性分析，對模型進(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，運動(dòng)時(shí)慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統的自激振蕩。
5、結語(yǔ)
利用AMESim 軟件建立仿真模型分析先導式減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性過(guò)程中，可以通過(guò)優(yōu)化模型結構，獲得需要的閥門(mén)性能，縮短了閥門(mén)研發(fā)周期，節約了設計制造成本。
