您現(xiàn)在的位置:首頁 > 技術(shù)文章 > 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)

  • 發(fā)布日期:2022-11-07      瀏覽次數(shù):970
    • 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)存于高壓氣瓶內(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。國防科大研制了大流量減壓閥。對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。

      電動(dòng)減壓閥接線圖04.png

      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,亦可使用在防止對過熱或熱交換場合。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)場調(diào)壓;

      2)高壓氣垂直于閥芯,對閥芯軸向無作用力,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)對象滯后時(shí)間很長(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)對象滯后時(shí)間很長(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。

      電動(dòng)減壓閥接線圖02.png

      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)?,入口壓力?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  彈簧剛度對閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

      為不同彈簧剛度對閥門動(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。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)間長的問題。

      電動(dòng)減壓閥接線圖03.png

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

      為不同活動(dòng)部件質(zhì)量對閥門動(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?;顒?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)對閥門動(dòng)態(tài)特性的影響

      所示為阻尼系數(shù)對閥門動(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)的大小對減壓閥穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。對本文來說,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。本文僅對阻尼系數(shù)的大小對減壓閥動(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)減壓閥性能測試試驗(yàn)臺(tái),原理圖如圖6所示。介質(zhì)采用氮?dú)???装褰?jīng)過標(biāo)定,可以測量流量。

      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??梢钥吹剑瑑烧叩某隹趬毫?、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??梢钥闯?,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)的壓力測量頻率、精度都對結(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,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)。