氣動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)特性研究

石朝鋒，薛立鵬，張連萬，馬 飛，何延文

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氣動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)特性研究

石朝鋒，薛立鵬，張連萬，馬 飛，何延文

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

基于AMESim仿真分析軟件，對(duì)氣動(dòng)閥門內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、閥門內(nèi)部零組件相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行了研究，并采取了非接觸測(cè)量方法，測(cè)量了閥門內(nèi)部閥桿運(yùn)動(dòng)速度，確定了仿真分析的正確性。結(jié)果表明：氣動(dòng)閥門在打開瞬間，閥桿會(huì)有較大的運(yùn)動(dòng)速度，并可能發(fā)生頂桿與閥桿的反向碰撞問題，給頂桿或閥桿帶來損傷。

氣動(dòng)閥門；內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律；運(yùn)載火箭

0 引 言

氣動(dòng)閥門廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭的加注、泄出、排氣等系統(tǒng)，在飛型號(hào)的排氣閥、安溢閥，在研型號(hào)的加注閥、排氣閥等多采用氣動(dòng)控制閥。隨著閥門的直徑、流量的增大，閥門的結(jié)構(gòu)尺寸和重量也越來越大。氣動(dòng)閥門的控制氣一般為高壓氣（約5 MPa），在此氣體壓力下，強(qiáng)制作動(dòng)器內(nèi)的頂桿迅速運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活閥打開。隨著閥門口徑的增大，頂桿、活閥的快速運(yùn)動(dòng)和撞擊，帶來了閥門的動(dòng)強(qiáng)度問題。因此對(duì)閥門內(nèi)部閥芯、強(qiáng)制頂桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究越來越重要。

張永彬等[1]基于Adams軟件對(duì)一種快速泄放閥的響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真與分析，得出泄放閥閥芯運(yùn)動(dòng)規(guī)律和內(nèi)部氣體壓力變化規(guī)律；吳建軍等[2]通過Simulink軟件對(duì)抽油泵泵閥進(jìn)行仿真，得到泵筒內(nèi)的液體壓力變化規(guī)律曲線、泵閥打開高度曲線及泵閥運(yùn)動(dòng)速度曲線；余鋒等[3]采用ABAQUS軟件分析了保險(xiǎn)閥導(dǎo)向桿斷裂故障，得到導(dǎo)向桿設(shè)計(jì)動(dòng)強(qiáng)度不足的故障原因；孫海亮等[4]研究了充氣開關(guān)閥桿斷裂問題，得到閥桿斷裂失效機(jī)理；潘英朋等[5]提出了一種低溫氣動(dòng)閥門方案，并對(duì)波紋管等關(guān)鍵零件進(jìn)行了計(jì)算和分析；王春民等[6]研究了自鎖閥在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下性能變化情況。

本文以某火箭用加注閥為例，對(duì)氣動(dòng)閥門內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，采用AMESim軟件[7,8]對(duì)閥門運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，確定了閥門內(nèi)部頂桿和閥桿間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并采用非接觸測(cè)量手段得到閥門在打開時(shí)的活閥運(yùn)動(dòng)速度，以驗(yàn)證仿真分析的正確性。

1 氣動(dòng)閥門

加注閥結(jié)構(gòu)主要由閥瓣、閥桿、彈簧、作動(dòng)器殼體、頂桿、閥體和膜盒等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。閥門工作原理為：閥門打開時(shí)，由控制氣入口通5 MPa氣體，高壓氣體推動(dòng)膜盒和頂桿運(yùn)動(dòng)，克服彈簧力和閥門出口氣體壓力，使閥門打開；閥門關(guān)閉時(shí)，控制氣入口氣體泄壓，在彈簧力作用下，閥瓣和閥桿回位，閥桿推動(dòng)頂桿和膜盒回位，閥門關(guān)閉。

1— 閥體；2—閥芯；3，6，7—密封墊片；4—彈簧；5—閥桿；8—作動(dòng)器殼體；9—膜盒；10—頂桿

加注閥試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示。閥門啟閉試驗(yàn)流程為：打開A口（閥門入口），C口（控制氣入口）不通氣，B口（閥門出口）通入0.53 MPa氣體，C口再通入4.5 MPa氣體，使加注閥打開，C口放氣，加注閥關(guān)閉。

圖2 加注閥試驗(yàn)系統(tǒng)原理

本文主要關(guān)注閥門在試驗(yàn)過程，即模擬正常使用工況下的閥門內(nèi)部頂桿和閥桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，為閥門的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 氣動(dòng)閥門內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 閥門運(yùn)動(dòng)特性

為分析氣動(dòng)閥門在真實(shí)工況下的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用AMESim對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)和閥門進(jìn)行建模，模型如圖3所示。

圖3 加注閥性能試驗(yàn)仿真模型

通過AMESim仿真，對(duì)試驗(yàn)過程中，閥桿和作動(dòng)器頂桿的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，如圖4所示，根據(jù)分析可知閥門內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

a）閥門開啟。

1）由圖4可知，在0 s通氣時(shí)，作動(dòng)器頂桿沒有運(yùn)動(dòng)，隨后逐漸克服膜盒反力后頂桿開始運(yùn)動(dòng)，接觸到閥桿后，運(yùn)動(dòng)暫停。

2）氣體壓力繼續(xù)上升，當(dāng)壓力克服了彈簧力、膜盒力、閥門B口氣體壓力（0.53 MPa）后，頂桿和閥桿一起向前運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

3）當(dāng)頂桿運(yùn)動(dòng)到限位后停止并有一定的反彈，閥桿在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到彈簧壓力克服慣性力后，閥桿停止運(yùn)動(dòng)，并有一定的反彈。

b）閥門關(guān)閉。

強(qiáng)制氣撤去后，閥門在彈簧力作用下，閥桿推動(dòng)頂桿回位，閥桿限位后，頂桿在膜盒反力下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到限位。

對(duì)于加注閥，其頂桿行程為23 mm，閥桿行程為21.4 mm，但在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，閥桿的最大行程約為34 mm，這樣應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮增加的行程對(duì)于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；另外，對(duì)于加注閥，其頂桿和閥桿之間有一個(gè)蝶形鉤，如果閥桿繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)超過1.4 mm（見圖1），則會(huì)發(fā)生閥桿與頂桿的反向碰撞，根據(jù)計(jì)算其與頂桿的相對(duì)速度約為4.4 m/s（見圖6、圖7），因此可能給閥桿和頂桿造成沖擊損傷。

圖4 閥門主要運(yùn)動(dòng)情況

圖5 閥門內(nèi)部壓力分布曲線

圖6 閥桿和作動(dòng)桿（頂桿）的相對(duì)速度曲線

圖7 閥桿和頂桿反向碰撞時(shí)的相對(duì)速度曲線

2.2 閥芯運(yùn)動(dòng)測(cè)量

為了確定閥桿沖擊速度，對(duì)閥桿運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。閥門B口工裝開一個(gè)圓孔，加裝一個(gè)玻璃鋼窗口，利用激光位移傳感器，測(cè)量閥芯在打開時(shí)的位移，對(duì)位移微分，得到閥芯運(yùn)動(dòng)速度，閥芯與閥桿緊固連接，因此得到閥桿運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量，兩次測(cè)試結(jié)果分別為：最大運(yùn)動(dòng)位移約為32.86 mm和32.43 mm，速度分別為4.2 m/s和4.05 m/s。

兩次測(cè)量一致性較好，說明測(cè)試方法正確、有效。位移曲線和速度曲線如圖9～11所示。

圖9 閥芯位移曲線

圖10 位移局部放大圖

由圖11可知，速度曲線中第1次測(cè)試與第2次測(cè)試中曲線波紋不同，是因?yàn)榈?次測(cè)試采樣頻率為1000 Hz，第2次為5000 Hz，后一致采用5000 Hz。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)于0.53 MPa時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)速度和位移與試驗(yàn)結(jié)果比較，如圖12、圖13所示。

圖11 速度局部放大

圖12 閥芯位移仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖13 閥芯速度仿真與試驗(yàn)對(duì)比

表1給出了B口不同壓力下閥桿最大速度和最大位移與試驗(yàn)結(jié)果的比較。由表1可知，本文所建立的仿真模型具有較好的精度，表明模型正確、可靠。

表1 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

Tab.1 Comparison of Simulation and Test Results

B口壓力MPa閥桿最大速度(仿真值)/(m·s-1)閥桿最大速度(試驗(yàn)平均值)/ (m·s-1)速度誤差閥桿最大位移（仿真值）/m閥桿最大位移(試驗(yàn)值）/m位移誤差 0.534.684.1313.3%33.5532.652.76% 0.433.963.882.06%29.4731.02-5% 0.32.963.28-9.75%24.6228.51-13.6% 00.2950.33-10.6%21.421.290.5%

由分析可知，閥門在工作過程中可能發(fā)生快速的碰撞，從而導(dǎo)致閥桿斷裂失效。因此，為減小撞擊速度，可以減小閥門強(qiáng)制氣限流孔通徑，增加彈簧剛度和預(yù)緊力，減小撞擊速度。

3 結(jié) 論

基于AMESim軟件仿真技術(shù)，確定了氣動(dòng)閥門內(nèi)部閥桿和頂桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出氣動(dòng)閥門在運(yùn)動(dòng)中可能發(fā)生頂桿與閥桿的反向碰撞問題，并可能給頂桿或閥桿帶來損傷。為確定仿真分析的正確性，采取了非接觸測(cè)量閥桿的運(yùn)動(dòng)速度，其結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。根據(jù)分析提出了加注閥存在的設(shè)計(jì)缺陷，并在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，根據(jù)閥門內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，給出了降低閥桿運(yùn)動(dòng)速度的意見。在碰撞不能避免的情況下，可以通過更換不銹鋼或其他強(qiáng)度更高的材料來增強(qiáng)閥桿和頂桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

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Analysis of the Kinetic Characteristic of Pneumatic Valve

Shi Zhao-feng, Xue Li-peng, Zhang Lian-wan, Ma Fei, He Yan-wen

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Based on the software AMESim, the inner movement regulation and the movement relationship of the elements is studied. And a noncontact measure method is used to measure the stem’s velocity to verify the simulation result. The results show that: the valve stem has a greater speed of movement when the pneumatic valve is opening, and the stem will collide with push rod that brings harm to stem or push rod.

Pneumatic valve; Kinetic characteristic; Launch vehicle

1004-7182(2018)01-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180108

TH136

A

2016-10-26；

2017-02-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51505036）

石朝鋒（1980-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殚y門設(shè)計(jì)