先导式减压阀的动静态特性研究

2015-02-02 王程勇湖北三江航天红峰控制有限公司

　　介绍了气体先导式减压阀的工作原理，建立了减压阀阀芯节流数学模型，分析了减压阀静态特性和动态特性。

1、先导式减压阀的概述

　　减压阀是一种自动降低管路工作压力的专门装置，作用是在给定减压范围后，将阀前管路较高的压力降低至阀后管路所需的水平。减压阀广泛用于高层建筑、城市给水管网水压过高的区域、矿井和气体管路等。随着工业控制精度的提高，减压阀的控制精度也逐步提高，要求阀后压力稳定，过流能力大，反向压力损失小，瞬态恢复时间短，减压和卸压时间短，压力超调率低，开展减压阀静态和动态特性研究，有利于了解其控制能力和状态。

2、先导式减压阀的工作原理

　　先导式减压阀主要由阀体、主弹簧、主阀芯、主阀座、活塞、先导弹簧、先导阀芯、先导阀座、先导活塞和调整弹簧等组成(图1) 。拧动调节螺钉，压缩调整弹簧，顶开先导阀芯，介质从进口侧进入活塞上方，由于活塞面积大于主阀阀芯面积，推动活塞向下移动，使主阀打开，由阀后压力平衡调节弹簧的压力改变导阀的开度，从而改变活塞上方的压力，控制主阀芯的开度使阀后压力保持恒定。

1. 阀体2. 主弹簧3. 主阀芯4. 主阀座5. 活塞6. 先导弹簧7. 先导阀芯8. 先导阀座9. 先导活塞10. 调整弹簧

图1 先导式减压阀

　　减压阀基本原理是采用气体在管路中的节流效应而减压。阀芯节流处方程为

3、先导式减压阀的仿真建模

　　先导式减压阀采用AMESim 软件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 图2) 。假设气体为理想气体，满足理想气体状态方程。忽略减压阀工作过程的温度变化和节流处的阻尼，工作过程中节流处流量系数不变; 各容腔内的压力场均匀分布，气源为恒压源。

1. 主弹簧2. 活塞3. 主阀芯4. 出口5. 气体属性 6. 气源7. 调整弹簧8. 先导阀芯9. 先导活塞10. 先导弹簧

图2 先导式减压阀AMESim 模型

4、先导式减压阀的特性分析

　　减压阀的特性分静态特性和动态特性两种。静态特性是指在稳定流动状态下，减压阀出口压力与进口压力或流量等参数间的函数关系。动态特性是指在进口压力或流量突然变化或其他扰动因素的作用下，减压阀出口压力与时间的函数关系。

　　4.1、静态特性

　　静态仿真结果如图3 所示，P1为进口试验压力( P1 = 20MPa) ，P2为出口试验数据，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分别为进口试验压力为20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口压力。从试验结果分析，进口压力为20 MPa 时，其试验数据和仿真P2 - 20数据变化

　　趋势基本相同，初始阶段出口压力快速上升。经过适当振荡后压力逐渐稳定，超调量较小仅为3%，最终试验数据稳定在4. 35 MPa，P2 - 20稳定在4.25MPa，两者有一定差异，但在可接受范围内，模型较准确。利用模型仿真的进口压力15 MPa 和10MPa下出口压力的变化情况，对比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲线可以发现，三条曲线变化趋势相同。在稳定阶段压力波动状态完全一致，在不同压力下出口压力也不相同，进口压力越小则出口压力也越小，但比进口压力减小比例小，即出口压力变化小，符合减压阀设计要求。

1. P1—进口试验数据　2. P2—出口试验数据　3. P2 - 20—仿真进口压力为20MPa 时的出口数据　4. P2 - 15—仿真进口压力为15MPa 时的出口数据　5. P2 - 10—仿真进口压力为10MPa 时的出口数

图3 进口压力和出口压力的试验和仿真数据

　　4.2、动态特性

　　根据静态特性分析，对模型进行了优化处理，首先模型中增加了弹性元件的总刚度Kt以提高活动系统的固有频率，提高抗干扰能力，其次减小了模型中活动件质量，活动件质量越小，运动时惯性力越小，这样较小的阻尼力就可抑制系统的自激振荡。

　　将进口压力P1从20 ～ 10MPa 变化，观察出口压力P2的变化( 图4) 。1 ～ 2s 时进口压力从20MPa逐渐降为15MPa，2 ～ 3s 时进口压力逐渐降为10MPa。在此过程中，出口压力也逐渐降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期间出口压力微小波动，最终稳定，平均出口压力分别为3. 7MPa 和3. 2MPa，与静态分析中三种进口压力条件下出口压力值一致。在1s 和2s 时出口压力随着进口压力降低而突降，当3s 时进口压力升至20MPa，出口压力突升至4MPa。出口压力在进口压力突降和突升过程中压力没有出现明显的波动。