先導(dǎo)式氣體減壓閥靜壓分析

介紹了氣體先導(dǎo)式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節(jié)流數(shù)學(xué)模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。先導(dǎo)活塞式氣體減壓閥由主閥和導(dǎo)閥兩部分組成。主閥主要由閥座、主閥盤(pán)、活塞、缸套、彈簧等零件組成。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)彈簧壓力設(shè)定出口壓力、利用膜片傳感出口壓力變化，通過(guò)導(dǎo)閥啟閉驅(qū)動(dòng)活塞調(diào)節(jié)主閥節(jié)流部位過(guò)流面積的大小，實(shí)現(xiàn)減壓穩(wěn)壓功能。
1、先導(dǎo)式氣體減壓閥靜壓分析先導(dǎo)式減壓閥的概述
　　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(qū)域、礦井和氣體管路等。隨著工業(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(wěn)定，過(guò)流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間短，減壓和卸壓時(shí)間短，壓力超調(diào)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、先導(dǎo)式氣體減壓閥靜壓分析先導(dǎo)式減壓閥的工作原理
　　先導(dǎo)式減壓閥是一種活塞式的減壓閥，是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的*配件。先導(dǎo)式減壓閥的內(nèi)部比較復(fù)雜，有安裝主閥、導(dǎo)閥等一些元件。先導(dǎo)式減壓閥是通過(guò)這兩部分的同時(shí)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)減壓的作用。然后整個(gè)實(shí)現(xiàn)氣體減壓和穩(wěn)壓的性質(zhì)上是比較復(fù)雜的，伴隨著很多的能量轉(zhuǎn)換。先導(dǎo)式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導(dǎo)閥芯、先導(dǎo)閥座、先導(dǎo)活塞和調(diào)整彈簧等組成(圖1) 。擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，壓縮調(diào)整彈簧，頂開(kāi)先導(dǎo)閥芯，介質(zhì)從進(jìn)口側(cè)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(diào)節(jié)彈簧的壓力改變導(dǎo)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。
先導(dǎo)式減壓閥通過(guò)改變節(jié)流面積，讓管道系統(tǒng)中的流速及流體的動(dòng)能發(fā)生改變，產(chǎn)生不同程度的壓力損失之后，達(dá)到管道內(nèi)部減壓的目的，通過(guò)細(xì)致控制和調(diào)節(jié)，讓閥門(mén)內(nèi)部壓力的波動(dòng)與彈簧力達(dá)到一種平衡，終使得管道中的閥后壓力保持在一定的誤差范圍內(nèi)恒定。
　　先導(dǎo)式減壓閥運(yùn)用液壓工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。先導(dǎo)式減壓閥作為一個(gè)局部壓力變化調(diào)整和節(jié)流的元件，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力，將其降低至某一設(shè)定的出口壓力范圍內(nèi)，然后憑借介質(zhì)本身的能量，讓出口壓力自動(dòng)保持穩(wěn)定的閥門(mén)。
1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 密封7. 先導(dǎo)閥芯8. 先導(dǎo)閥座9. 先導(dǎo)活塞10. 調(diào)整彈簧先導(dǎo)式減壓閥減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節(jié)流效應(yīng)而減壓。閥芯節(jié)流處方程為

3、先導(dǎo)式氣體減壓閥靜壓分析先導(dǎo)式減壓閥的仿真建模
　　先導(dǎo)式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設(shè)氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過(guò)程的溫度變化和節(jié)流處的阻尼，工作過(guò)程中節(jié)流處流量系數(shù)不變; 各容腔內(nèi)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(diào)整彈簧8. 先導(dǎo)閥芯9. 先導(dǎo)活塞10. 式減壓閥AMESim 模型
4、先導(dǎo)式減壓閥的特性分析
　　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(wěn)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(shù)間的函數(shù)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(shù)關(guān)系。將先導(dǎo)式減壓閥前的開(kāi)關(guān)閥關(guān)掉，開(kāi)啟減壓閥后的開(kāi)關(guān)閥，制造下游低壓環(huán)境，。再將調(diào)節(jié)螺釘按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至上位置，先關(guān)閉閥后的開(kāi)關(guān)閥，慢慢開(kāi)啟閥前的開(kāi)關(guān)閥至全開(kāi)。順時(shí)針慢慢旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，將出口壓力調(diào)至所需要的壓力，調(diào)整好后，將鎖緊螺母鎖緊，打開(kāi)閥后開(kāi)關(guān)閥。如在調(diào)整時(shí)出口壓力高于設(shè)定壓力，須從步開(kāi)始重新調(diào)整。

　　先導(dǎo)式減壓閥調(diào)壓步驟
　　1、首先，關(guān)閉先導(dǎo)式減壓閥前的閘閥，然后開(kāi)啟先導(dǎo)式減壓閥裝備上的閘閥，實(shí)現(xiàn)下游低壓狀態(tài)。
　　2、將先導(dǎo)式減壓閥的調(diào)節(jié)螺釘按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至上位置，記住千萬(wàn)不能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，然后關(guān)閉先導(dǎo)式減壓閥的后方的閥。
　　3、慢慢開(kāi)啟先導(dǎo)式減壓閥前的閘閥，知道前閥全部打開(kāi)。
　　4、這時(shí)候，需要把先導(dǎo)式減壓閥的閥門(mén)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，主要是為了將出口壓力調(diào)至所需要的壓力。
　　5、如在調(diào)整先導(dǎo)式減壓閥的時(shí)出現(xiàn)出口壓力比設(shè)定的壓力要高，這是需要停止下面的操作，然后從步開(kāi)始重新調(diào)整。
　　4.1、靜態(tài)特性
　　靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3 所示，P1為進(jìn)口試驗(yàn)壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進(jìn)口試驗(yàn)壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗(yàn)結(jié)果分析，進(jìn)口壓力為20 MPa 時(shí)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真P2 - 20數(shù)據(jù)變化
　　趨勢(shì)基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過(guò)適當(dāng)振蕩后壓力逐漸穩(wěn)定，超調(diào)量較小僅為3%，終試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在4. 35 MPa，P2 - 20穩(wěn)定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內(nèi)，模型較準(zhǔn)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(duì)比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發(fā)現(xiàn)，三條曲線變化趨勢(shì)相同。在穩(wěn)定階段壓力波動(dòng)狀態(tài)*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(shè)計(jì)要求。

1. P1—進(jìn)口試驗(yàn)數(shù)據(jù)　2. P2—出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)　3. P2 - 20—仿真進(jìn)口壓力為20MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù)　4. P2 - 15—仿真進(jìn)口壓力為15MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù)　5. P2 - 10—仿真進(jìn)口壓力為10MPa 時(shí)的出口數(shù)
圖3 進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)
　　4.2、動(dòng)態(tài)特性
　　根據(jù)靜態(tài)特性分析，對(duì)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(tǒng)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(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統(tǒng)的自激振蕩。
　　將進(jìn)口壓力P1從20 ～ 10MPa 變化，觀察出口壓力P2的變化( 圖4) 。1 ～ 2s 時(shí)進(jìn)口壓力從20MPa逐漸降為15MPa，2 ～ 3s 時(shí)進(jìn)口壓力逐漸降為10MPa。在此過(guò)程中，出口壓力也逐漸降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期間出口壓力微小波動(dòng)，終穩(wěn)定，平均出口壓力分別為3. 7MPa 和3. 2MPa，與靜態(tài)分析中三種進(jìn)口壓力條件下出口壓力值一致。在1s 和2s 時(shí)出口壓力隨著進(jìn)口壓力降低而突降，當(dāng)3s 時(shí)進(jìn)口壓力升至20MPa，出口壓力突升至4MPa。出口壓力在進(jìn)口壓力突降和突升過(guò)程中壓力沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

5、結(jié)語(yǔ)
　　利用AMESim 軟件建立仿真模型分析先導(dǎo)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(jié)構(gòu)，獲得需要的閥門(mén)性能，縮短了閥門(mén)研發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)制造成本。