防水錘用緩沖油缸的理論分析與仿真

楊國來，徐美林，蘇華山，劉毅

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050;2.蘭州理工大學溫州泵閥工程研究院，浙江溫州 325105)

止回閥主要用于管道系統防止介質的倒流，保護管道和機械設備不受水錘破壞。工作過程中水錘瞬時沖擊壓力ΔH可能高于正常工作壓力的數倍［1］，對系統的性能穩定性和工作可靠性產生較大影響［2－3］，現采用阻尼緩沖油缸裝置使閥門快關緩閉［4－6］，減弱水錘沖擊。

1 止回閥工作原理

止回閥在介質靜壓力和沖量作用下開啟，閥門全開時閥瓣處于動態平衡狀態，閥瓣不隨介質速度變化而運動，流阻系數最小并恒定。意外停泵時，液體逆向加速運動，止回閥加速關閉，關閉瞬間產生嚴重水錘壓力，影響管道設備的使用壽命。

2 結構優化研究

2.1 油缸阻尼緩沖原理

油缸緩沖裝置是對運動部件的動能進行緩沖吸收，工作原理是緩沖活塞進入緩沖腔，封住活塞和端蓋之間的部分油液，強迫它從小孔或細縫中擠出，以產生很大的阻力，使工作部件受到制動逐漸減慢運動速度，達到減速緩沖的效果［7－8］。

2.2 油缸阻尼緩沖過程

止回閥在介質作用下開啟時油缸活塞受到推力，油液經單向閥流入右腔，閥瓣慢速度開啟，避免開啟水錘沖擊。隨止回閥開度增大，油缸活塞運動至J口打開，油液快速進入右腔，止回閥開啟速度加快，減小介質流阻系數及壓力損失。閥瓣全開時活塞已堵住N口，油缸底部分油液被封住吸收活塞動能防發生碰撞;防閥瓣開啟角度過大，不能立即響應關閉;使閥瓣在最大位置處保持平衡狀態，減小對流態的干擾，降低轉軸處摩擦損失及疲勞破壞［9］。

停泵介質流速降低，閥瓣趨于關閉，活塞受到拉力及左腔油液壓力開始運動，右腔油液通過J口快速流向左腔，止回閥迅速關閉大部分行程，造成很大局部阻力，部分水倒流，使升壓減小;介質在重力作用下開始倒流時，活塞已堵住J口，油液只能從節流口流出，腔內油液壓力升高對活塞產生阻力，活塞速度逐漸降為0，止回閥也緩慢關閉剩余行程。壓力的升高與流速的變化成正比，慢關過程導致流速變化的增量減小，把管道的壓力升高限制在允許的范圍之內，有效減弱停泵水錘。

2.3 理論分析與計算

緩沖油缸結構示意圖如圖1所示。這是一種靠活塞位置的自動反饋來實現緩沖作用的緩沖油缸。當活塞運動到J口時，節流口開始起緩沖作用;當活塞脫離J口時，油缸快速動作。

圖1 緩沖油缸結構示意圖

活塞向右運動到J口時的速度

式中:QJ為油缸運動過程從J口流出的流量;

A0為緩沖活塞有效作用面積。

油缸活塞快速運動階段時間即止回閥快關所用時間t1

式中:L為活塞快速運動階段的長度。

活塞到達J口開始緩沖，設活塞和負載的總質量為m，緩沖缸受到的外力F，則有

式中:F為作用于活塞上的外力;

Δp為緩沖活塞兩端壓力，

Δp=pi－p;

Ff為密封阻力，它與活塞速度、密封條件等有關，設計計算時常忽略;

m為活塞及運動部件質量;

a為活塞的加速度。

式 (1)簡化為:

根據連續性方程:

式中:v為活塞運動速度;

Q為緩沖過程從節流閥流出量。

通過節流口流量為:

式中:Cq為小孔流量系數;

ρ為油液密度。

由式 (4)— (6)得

式中:x為緩沖活塞位移。

積分得活塞位移:

邊界條件x=0，v=v0節流口開始起緩沖。

為簡化，令

將邊界條件及式 (9)，(10)代入式 (7)

當x=0時，減速度為a=amax。

減速度通用表達式

將式 (10)代入式 (8)得:

當x=0時緩沖腔的緩沖壓力最大。

當減速度a=(1～5)%amax時緩沖過程結束［8］。

由式 (7)、(8)可得:

式中:t0為油缸緩沖作用時間，即止回閥緩閉過程所用時間。

式中:kl為長度系數，取kl=1.5 ～2.3［8］。

不同類型、尺寸止回閥發生水錘時的水錘壓力增值不同［10］，利用上述的理論分析公式，計算可得阻尼孔大小、緩沖速度及兩階段關閥的時間，使止回閥關閉過程與水流的過渡狀態協調配合，達到有效控制水錘壓力的目的。

3 AMESim仿真

利用AMESim的仿真環境建立液壓緩沖缸的仿真模型［11－12］，進行仿真驗證。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation)是法國IMAGINE公司開發的一套高級仿真軟件，是一個圖形化的開發環境，用于工程系統的建模、仿真和動態性能的分析。AMESim特點是面向工程應用并成為汽車、液壓和航天航空等工業研發部門的理想仿真工具。用AMESim的各種模型庫來設計系統，可快速達到建模與仿真以及優化目標，同時還提供了與Matlab、ADAMS等軟件的接口，可方便地與這些軟件進行聯合仿真。

緩沖油缸的第一階段是普通油缸的快速運動，故只考慮緩沖過程的仿真，即從活塞將J口堵上以后的緩沖過程的仿真。

圖2為緩沖腔的壓力曲線圖。由圖可知最大逆流介質到達止回閥處，油缸封閉容腔內油液壓力逐漸升高，對運動活塞產生阻力，活塞速度逐漸減小至0，緩沖使止回閥關閥時間增長。

圖3為節流閥流量曲線圖，可知活塞將J口堵上的時油液從節流閥緩沖流出，當流量減小為0時緩沖階段結束。

圖2 緩沖腔壓力曲線圖

圖3 節流閥流量曲線圖

圖4為運動活塞速度曲線圖，由圖可知，阻尼緩沖油缸使活塞運動速度緩慢降低至0，延長了止回閥緩閉過程時間，從而把管道水錘壓力增值限制在允許范圍內。

圖4 運動活塞速度曲線圖

止回閥的關閥壓力取決于其動態關閉特性［13－14］，改進結構可降低水擊強度。防水錘緩沖油缸的理論分析與仿真，驗證了緩沖油缸有效防止水錘性能。

4 結論

(1)緩沖油缸克服了普通止回閥的缺點，使止回閥實現快關緩閉，并與水流的過渡狀態協調配合，有效地防止了停泵水錘。

(2)理論分析可選擇與一定范圍水錘壓力增值對應的緩沖缸阻尼孔尺寸。

(3)通過為科信閥門設計的緩沖油缸的理論分析與仿真，驗證了緩沖油缸的可行性。

(4)止回閥緩沖油缸的緩沖作用有效防止止回閥水錘壓力增值，保護泵及管路系統，及影響介質在止回閥內的運動規律，為工程設計和優化管道系統提供參考。

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