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气动阀门运动特性研究

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发表于 2018-11-9 11:32:34 |显示全部楼层

摘要:基于AMESim仿真分析软件,对气动阀门内部的运动规律、阀门内部零组件相互运动关系进行了研究,并采取了非接触测量方法,测量了阀门内部阀杆运动速度,确定了仿真分析的正确性。结果表明:气动阀门在打开瞬间,阀杆会有较大的运动速度,并可能发生顶杆与阀杆的反向碰撞问题,给顶杆或阀杆带来损伤。


关键词:气动阀门;内部运动规律;运载火箭


引  言

气动阀门广泛应用于运载火箭的加注、泄出、排气等系统,在飞型号的排气阀、安溢阀,在研型号的加注阀、排气阀等多采用气动控制阀。随着阀门的直径、流量的 增大,阀门的结构尺寸和重量也越来越大。气动阀门的控制气一般为高压气(约5 MPa),在此气体压力下,强制作动器内的顶杆迅速运动,推动活阀打开。随着阀门口径的增大,顶杆、活阀的快速运动和撞击,带来了阀门的动强度问题。因此 对阀门内部阀芯、强制顶杆运动规律的研究越来越重要。


张永彬等基于Adams软件对一种快速泄放阀的响应特性进行了仿真与分析,得出泄放阀阀芯运动规律和内部气体压力变化规律;吴建军等通过Simulink软件对抽油泵泵阀进行仿真,得到泵筒内的液体压力变化规律曲线、泵阀打开高度曲线及泵阀运动速度曲线;余锋等采用ABAQUS软件分析了保险阀导向杆断裂故障,得到导向杆设计动强度不足的故障原因;


孙海亮等研究了充气开关阀杆断裂问题,得到阀杆断裂失效机理;潘英朋等提出了一种低温气动阀门方案,并对波纹管等关键零件进行了计算和分析;王春民等研究了自锁阀在振动和冲击环境下性能变化情况。


本文以某火箭用加注阀为例,对气动阀门内部运动规律进行了研究,采用AMESim软件对阀门运动特性进行了分析,确定了阀门内部顶杆和阀杆间的运动关系,并采用非接触测量手段得到阀门在打开时的活阀运动速度,以验证仿真分析的正确性。


1 气动阀门

加注阀结构主要由阀瓣、阀杆、弹簧、作动器壳体、顶杆、阀体和膜盒等组成,其结构如图1所示。阀门工作原理为:阀门打开时,由控制气入口通5 MPa气体,高压气体推动膜盒和顶杆运动,克服弹簧力和阀门出口气体压力,使阀门打开;阀门关闭时,控制气入口气体泄压,在弹簧力作用下,阀瓣和阀杆回 位,阀杆推动顶杆和膜盒回位,阀门关闭。

图1  加注阀结构原理

1—阀体;2—阀芯;3,6,7—密封垫片;4—弹簧;

5—阀杆;8—作动器壳体;9—膜盒;10—顶杆

加注阀试验系统原理如图2所示。阀门启闭试验流程为:打开A口(阀门入口),C口(控制气入口)不通气,B口(阀门出口)通入0.53 MPa气体,C口再通入4.5 MPa气体,使加注阀打开,C口放气,加注阀关闭。


本文主要关注阀门在试验过程,即模拟正常使用工况下的阀门内部顶杆和阀杆的运动规律,以及相互运动关系,为阀门的设计提供指导。


图2  加注阀试验系统原理

2 气动阀门内部运动规律分析


2.1 阀门运动特性

为分析气动阀门在真实工况下的内部运动规律,采用AMESim对试验系统和阀门进行建模,模型如图3所示。


图3  加注阀性能试验仿真模型

通过AMESim仿真,对试验过程中,阀杆和作动器顶杆的运动特性进行了分析,如图4所示,根据分析可知阀门内部运动规律为:


a)阀门开启。

1)由图4可知,在0 s通气时,作动器顶杆没有运动,随后逐渐克服膜盒反力后顶杆开始运动,接触到阀杆后,运动暂停。

2)气体压力继续上升,当压力克服了弹簧力、膜盒力、阀门B口气体压力(0.53 MPa)后,顶杆和阀杆一起向前运动,如图5所示。

3)当顶杆运动到限位后停止并有一定的反弹,阀杆在惯性作用下继续运动,运动到弹簧压力克服惯性力后,阀杆停止运动,并有一定的反弹。


b)阀门关闭。

强制气撤去后,阀门在弹簧力作用下,阀杆推动顶杆回位,阀杆限位后,顶杆在膜盒反力下继续运动到限位。


对于加注阀,其顶杆行程为23 mm,阀杆行程为21.4 mm,但在实际运动中,阀杆的最大行程约为34 mm,这样应在设计中考虑增加的行程对于阀门内部结构的影响;另外,对于加注阀,其顶杆和阀杆之间有一个 蝶形钩,如果阀杆继续向前运动超过1.4 mm(见图1),则会发生阀杆与顶杆的反向碰撞,根据计算其与顶杆的相对速度约为4.4 m/s(见图6、图7),因此可能给阀杆和顶杆造成冲击损伤。


a)阀杆和顶杆的位移曲线

b)阀杆和顶杆的速度曲线

图4  阀门主要运动情况

图5  阀门内部压力分布曲线

图6  阀杆和作动杆(顶杆)的相对速度曲线

图7  阀杆和顶杆反向碰撞时的相对速度曲线

2.2  阀芯运动测量


为了确定阀杆冲击速度,对阀杆运动速度进行测量。试验系统如图8所示。阀门B口工装开一个圆孔,加装一个玻璃钢窗口,利用激光位移传感器,测量阀芯在打开 时的位移,对位移微分,得到阀芯运动速度,阀芯与阀杆紧固连接,因此得到阀杆运动速度。根据试验测量,两次测试结果分别为:最大运动位移约为32.86 mm和32.43 mm,速度分别为4.2 m/s和4.05 m/s。


图8  阀芯运动测量系统

两次测量一致性较好,说明测试方法正确、有效。位移曲线和速度曲线如图9~11所示。

图9  阀芯位移曲线

图10  位移局部放大图

由图11可知,速度曲线中第1次测试与第2次测试中曲线波纹不同,是因为第1次测试采样频率为1000 Hz,第2次为5000 Hz,后一致采用5000 Hz。


根据试验结果,并对于0.53 MPa时阀芯运动速度和位移与试验结果比较,如图12、图13所示。


图11  速度局部放大

图12  阀芯位移仿真与试验对比

图13  阀芯速度仿真与试验对比

表1给出了B口不同压力下阀杆最大速度和最大位移与试验结果的比较。由表1可知,本文所建立的仿真模型具有较好的精度,表明模型正确、可靠。


表1  仿真结果与试验结果的对比

由分析可知,阀门在工作过程中可能发生快速的碰撞,从而导致阀杆断裂失效。因此,为减小撞击速度,可以减小阀门强制气限流孔通径,增加弹簧刚度和预紧力,减小撞击速度。


3  结  论

基于AMESim软件仿真技术,确定了气动阀门内部阀杆和顶杆的运动规律,提出气动阀门在运动中可能发生顶杆与阀杆的反向碰撞问题,并可能给顶杆或阀杆带 来损伤。为确定仿真分析的正确性,采取了非接触测量阀杆的运动速度,其结果与仿真结果基本一致。根据分析提出了加注阀存在的设计缺陷,并在试验中得到验 证,根据阀门内部的运动规律分析,给出了降低阀杆运动速度的意见。在碰撞不能避免的情况下,可以通过更换不锈钢或其他强度更高的材料来增强阀杆和顶杆的结 构强度。







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