某型導彈高壓正向式減壓閥靜態特性分析

秦新亞， 王學生， 劉延斌， 陳琴珠， 趙 賽

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237； 2.上海航天精密機械研究所， 上海 201600)

引言

減壓閥是導彈/發射筒上氣源裝置中必不可少的附件之一，用于氣源裝置高壓氣瓶出口氣體的減壓與穩壓，高壓氣體流經閥芯與閥座之間的狹窄通道，受到節流作用，從而達到減壓的目的[1-2]。氣源裝置用于為導引頭紅外探測器致冷提供氣源，氣源裝置中的電爆管起爆后，氣瓶內的高壓氣體(一般為高純氬氣或氮氣)通過減壓閥減壓后流向紅外探測器，系統原理如圖1所示。氣源裝置分為兩類，一類為筒上氣源裝置，另一類為彈上氣源裝置[3-4]。某型號單發產品對氣源裝置的需求量每年達到上千枚， 此外還有兩種型號的導彈也需要該類型的氣源裝置，所以減壓閥作為該氣源裝置的關鍵單機，其需求量非常大，同時對該氣源裝置的需求緊迫。

1.高壓氣瓶 2.電爆管 3.減壓閥 4.單向閥 5.紅外探測器

某型號單發產品所需要的氣源裝置的氣源壓力為超高壓氣體，最高可達51.0 MPa，變化范圍為10.5～51.0 MPa，出口壓力不小于9.5 MPa，現行國家標準規定的進口壓力的范圍變化一般控制在進口壓力的80%～105%，經減壓后的氣體壓力一般為閥前壓力的1/2，該氣源裝置中的減壓閥工況已遠超過其要求，其減壓閥的性能對導彈/發射筒的正常工作有著直接的影響，因此對減壓閥的靜態特性要求較高。氣源裝置對減壓閥的基本要求是：在一定輸出流量范圍內，輸出壓力與輸入壓力變化要求較高；結構簡單，重量輕；能在產品要求的環境條件下可靠、安全地工作。因此都是采用零件少而簡單的直動形式[5]，同時該減壓閥為小流量減壓閥，宜采用正向形式，所以設計了一種正向直動式減壓閥。本研究通過建立某型號單發產品上減壓閥靜態特性數學模型，應用AMESim軟件對減壓閥進行建模仿真分析，研究彈簧總剛度等結構參數對其特性的影響，為該減壓閥的改進和重新設計提供了一定的依據。

1 減壓閥結構組成及工作原理

減壓閥的結構組成如圖2所示，三維模型的外形圖與截面圖如圖3所示，主要由調節彈簧、反饋腔敏感活塞、錐形閥芯、復位彈簧、阻尼孔和調節螺母等組成。

1.調節彈簧 2.反饋腔活塞 3.錐形閥芯 4.復位彈簧 5.阻尼孔 6.調節螺母

圖3 減壓閥三維模型外形與截面圖

減壓閥是一個閉環調節系統，工作原理如下：處于非工作狀態時，進口無壓力，該減壓閥的閥芯活門在調節彈簧和復位彈簧的作用下處于打開位置；高壓氣體從入口進入減壓閥的高壓腔內，氣體經過閥芯錐面與閥座之間的環形縫隙節流形成壓降，降壓后的低壓氣體進入低壓腔；低壓腔內的氣體分為兩路，一路從出口流向負載，另一路經過閥體上的阻尼孔流向反饋腔；高壓腔壓力作用在閥芯上，凸臺的力用來抵消高壓腔壓力作用在閥芯錐面上的力，減小進口壓力對出口壓力的影響；在低壓腔壓力作用在閥芯上的力、反饋腔壓力作用在敏感活塞上的力、當地大氣壓作用在敏感活塞上表面的力、調節彈簧力與復位彈簧力的共同作用下，閥芯上下移動來改變節流面積，進行壓力的調節；當出口壓力高出額定輸出壓力時，作用在閥芯大端和敏感活塞上的力增大，力的平衡狀態遭到破壞，帶動閥芯向上移動，節流面積減小，輸出壓力減小，直到達到新的力平衡，保持穩定的額定出口壓力；相反，當出口壓力低于額定輸出壓力時，力帶動閥芯向下移動，節流面積增大，輸出壓力增大；通過調節螺母，可以改變閥后輸出壓力。

2 減壓閥的靜態數學模型

在建立減壓閥的靜態特性數學模型前，作以下假設：工作氣體為理想氣體；在減壓閥中的流動為定常絕熱流動；氣體在減壓閥各個腔室的溫度相同；工作過程中流量系數不變；忽略摩擦力；忽略泄漏[6-7]。

2.1 氣體質量流量方程

當減壓閥處于穩定工作狀態時，閥芯與閥座之間的節流口可近似當作收縮噴嘴來處理[8]，其節流口的進口質量流量為[9]：

(1)

式中，Qm1—— 進口質量流量

Cd—— 節流口處的流量系數

p1—— 進口壓力

p2—— 出口壓力

Ath—— 節流口面積

Rg—— 氣體常數

T1—— 進口溫度

此處Ath=πdhsinα-πh2sin2αcosα，可簡化為[10]：

Ath=πdhsinα

(2)

式中，d—— 閥道通徑

h—— 閥門穩態工作時的開口量

α—— 錐形閥芯半角

根據p2/p1與臨界壓力比的大小，分為以下兩種情況[11-13]：

當p2/p1>ε時，為亞聲速流動：

(3)

當p2/p1<ε時，為聲速流動：

(4)

式中，k為氣體絕熱指數；ε為臨界壓力比。

2.2 連續方程

根據質量流量連續原理，減壓閥的進口質量流量與出口質量流量相等：

Qm1=Qm2

(5)

(6)

式中，Qm2—— 出口質量流量

Aj—— 出口負載節流口面積

p0—— 當地大氣壓

T2—— 出口溫度

2.3 靜力平衡方程

閥芯受力圖如圖4所示，其中,F1=p1A1；F2=p2A2；F3=p0A6；F4=p2A3；F5=p1A4；F6=p3A5；Ft=K1X1+K1(H-h)；Ff=K2X2-K2(H-h)。

圖4 閥芯受力圖

在靜態條件下，忽略閥芯的質量，減壓閥閥芯的受力平衡方程如下：

p1A1+p2A2+p0A6+K1X1+K1(H-h)

=p2A3+p1A4+p3A5+K2X2-K2(H-h) (7)

式中，p3—— 反饋腔壓力

A1—— 進口壓力在錐形閥芯作用面積

A2—— 出口壓力在錐形閥芯作用面積

A3—— 出口壓力在閥芯大端作用面積

A4—— 進口壓力在高壓腔凸臺作用面積

A5—— 反饋壓力在反饋腔活塞作用面積

A6—— 調節彈簧腔室受大氣壓力作用面積

K1—— 調節彈簧的剛度系數

K2—— 復位彈簧的剛度系數

X1—— 調節彈簧的預壓縮量

X2—— 復位彈簧的預壓縮量

H—— 閥門的初始開口量

A1,A2的計算公式為[14]：

(8)

式中，d1—— 閥桿直徑

d3—— 閥芯大端直徑

聯立式(1)、式(2)、式(5)、式(6)得：

(9)

將式(9)代入式(7)得到該減壓閥的靜態特性數學模型：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+K1X1-

額定工況點靜態方程為：

p10(A10-A4)+p20(A20-A3)-p30A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h0)=0

(11)

改變閥前壓力p1，當穩定在另一工況點時，靜態方程如下：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h)=0

(12)

改變工況后，閥芯移動量極小，所以A1≈A10，A2≈A20，式(12)減去式(11)得該減壓閥的靜態特性偏差方程：

(13)

3 AMESim建模

根據該減壓閥的結構及其工作原理，建立的AMESim模型，如圖5所示，主要參數設置如表1所示。

表1 減壓閥AMESim模型參數表

圖5 減壓閥AMESim模型

4 仿真結果分析

4.1 減壓閥靜態特性

壓力特性曲線反映出口壓力與進口壓力的關系，當流量控制不變時，改變進口壓力p1的值，觀察出口壓力值p2的變化，出口壓力值變化的越小，減壓閥的壓力特性越好[15]。

圖6為該減壓閥的壓力特性曲線，其橫坐標是減壓閥的進口壓力，變化范圍為0～51 MPa，縱坐標為出口壓力；圖7為輸出壓力偏差與輸入壓力的關系曲線。由圖6、圖7可以得出：在進口壓力較低時，輸出壓力低于額定輸出壓力，負偏差較大；在輸入壓力遞增的情況下，其輸出壓力呈遞增趨勢，在進口壓力大于13 MPa后，輸出壓力在9.8～10.1 MPa之間波動，調節精度的偏差在-2%～1%之間。

圖6 壓力特性曲線

圖7 壓力特性偏差曲線

流量特性曲線反映的是出口壓力與流量的關系，當進口壓力控制不變時，改變流量的值，觀察出口壓力的值的變化，出口壓力值變化的越小，減壓閥的流量特性越好[10]。

圖8為該減壓閥的流量特性曲線，其橫坐標是質量流量，變化范圍為0～50 g/s，縱坐標為出口壓力，圖9為輸出壓力偏差與流量的關系曲線。可以得出：在質量流量遞增的情況下，其出口壓力呈現下降趨勢，隨著進口壓力的降低，下降趨勢越明顯，流量特性越差。

圖8 流量特性曲線

圖9 流量特性偏差曲線

4.2 結構參數對靜態特性的影響

從靜態特性偏差方程式(13)可以看出，影響減壓閥出口壓力偏差的因素較多，例如閥前壓力和溫度等，但最主要的影響因素是減壓閥的結構因素[16]，減壓閥結構參數設計是否合理直接影響到其工作過程壓力特性的好壞[17]，主要分析閥芯半角、反饋腔活塞面積、彈簧總剛度。

1) 閥芯半角

從式(13)可以看出，Δp2與A1，A2有關，從式(8)可以看出，Δp2與閥芯半角有關，取閥芯半角分別為20°，30°，40°，在AMESim中進行仿真分析，觀察其對出口壓力偏差Δp2的影響，如圖10所示。

由圖10可知，閥芯半角對減壓閥的調節精度影響較明顯，隨著閥芯半角增大時，其壓力調節精度越高，在進口壓力較低時閥芯半角對調壓精度的影響最明顯。

圖10 不同閥芯半角的壓力特性曲線

2) 反饋腔活塞面積

取活塞直徑為15， 20， 25， 30，35 mm，在AMESim中進行仿真分析，如圖11所示。

由圖11可知，活塞面積對減壓閥的調壓精度影響較大，活塞的直徑越大，減壓閥的調壓精度越高，尤其當閥前壓力較低時，影響更加明顯。對比活塞直徑分別為15, 20 mm兩種情況，當閥前壓力為15 MPa時，其輸出壓力相差較大，為0.18 MPa；當閥前壓力為50 MPa 時，相差為0.05 MPa，是因為活塞的直徑越大，活塞對壓力的敏感度越高，輸入壓力較低時，調節精度也就越高。當閥前壓力為15 MPa時，減壓閥活塞直徑分別為30, 35 mm的輸出壓力相差0.02 MPa，閥前壓力較高時，輸出壓力相差更小，所以當活塞面積增加到一定值時，調節精度不再有明顯提高，可得出敏感活塞面積的適當增大能夠提高減壓閥的調節精度，但同時應考慮減壓閥的尺寸。

圖11 不同活塞直徑的壓力特性曲線

3) 彈簧總剛度

取彈簧總剛度分別為500， 850， 1200 N/mm進行仿真分析，如圖12所示。彈簧剛度對減壓閥的調壓精度存在影響，彈簧剛度越小，減壓閥的調壓精度越好，尤其在輸入壓力較低的情況下。但當彈簧剛度變小時，減壓閥的減壓過程容易出現壓力波動，所以并非彈簧剛度越小越好。當輸入壓力為15 MPa時，彈簧剛度分別為500， 1200 N/mm的輸出壓力僅相差為0.11 MPa，所以彈簧剛度的小幅度變化對減壓閥的調壓精度影響較小。

圖12 不同彈簧總剛度的壓力特性曲線

5 結論

本研究針對導彈/發射筒氣源裝置的減壓閥，建立了數學模型，并在AMESim軟件中搭建了仿真模型進行分析，討論了主要結構參數對減壓閥壓力特性的影響。得出以下結論：

(1) 錐形閥芯半角的增大能夠提高減壓閥的調壓精度；

(2) 敏感活塞面積的增大能夠提高減壓閥的調節精度，面積增大到一定值時，調節精度無明顯提高，同時需考慮減壓閥的尺寸；

(3) 彈簧總剛度越小，減壓閥的調節精度越高。