大型閥門快開系統設計與性能研究

趙麗麗 呂慧杰 李忠泉 袁露露

摘要：以大口徑管道閥門為研究對象，為滿足快速泄復壓要求，設計了大型閥門快開系統。研究了采用比例換向閥和比例調速閥的大型閥門快開系統的穩定性;閥門在不同開度下的泄復壓效果;以及系統最優的泄復壓控制方案的選擇。仿真結果表明：該系統滿足穩定性要求;系統采用比例換向閥的泄復壓性能優于采用比例調速閥的泄復壓性能;采用比例換向閥的大型閥門快開系統，當閥門開度為70°時，系統的泄復壓效果控制最佳。

Abstract： In order to meet the requirement of rapid relief of compound pressure， a large valve quick opening system was designed， and a simulation model was established to study the stability of the large valve quick opening system using proportional directional valve and proportional speed regulating valve. The relief and compound pressure effect of valve under different opening degrees; The simulation results show that the system meets the requirement of stability. The compound pressure relief performance of the system using proportional directional valve is better than that of the system using proportional speed regulating valve. Adopt the large valve quick opening system of proportional reversing valve， when the valve opening is 70， the control effect of relief and compound pressure is the best.

關鍵詞：閥門快開系統;閥門開度;泄復壓性能

Key words： quick opening system of valve;valve opening;compound pressure relief performance

中圖分類號：TP215 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0101-03

0 ?引言

大型閥門快開控制系統常用于航天航空領域中[1]。在航空航天領域中，載人航天器的密封艙具有泄復壓功能，它可以用來平衡氣閘艙的內外壓力，從而保證航天員安全、方便地進出航天器，使飛行任務順利完成[2]。目前比較常用的泄壓方式有快開盲板閥控制，這種控制方式的加工拆裝方便，應用范圍較廣，但在操作時泄壓閥的開關不夠靈活，有時會出現卡阻的現象，導致快開門無法快速打開進行泄壓;汽輪機控制的泄壓方式結構簡單，控制精度較高，同時也具有自鎖功能，工作性能較好，但在工作過程中經常會發生吸油中斷的現象，導致系統無法完成泄壓;泄復壓系統控制的泄壓方式，這種控制方式可以控制系統泄壓的數值，從而對系統泄壓速率進行調節，可操作性比較強，但在使用過程中通常具有復壓的精度及穩定性不夠的特點[3]。

本文擬采用液壓系統控制大型閥門的開閉情況，液壓系統的控制精度高、響應快，能夠保證系統連續、快速的工作。在該控制系統中，比例換向閥和比例調速閥的選取，以及大型閥門的開度，都對系統的泄復壓性能產生很大的影響。本文設計了閥門快開液壓控制系統，在PID控制下，對采用比例換向閥和采用比例調速閥控制系統的性能分別進行仿真研究，并對采用比例換向閥的大型閥門處于不同開度時的控制系統進行仿真研究。

1 ?大型閥門快開系統設計

該大型閥門快開控制系統為液壓控制系統，該系統具有反應速度快、質量輕的特點。出于經濟性考慮，系統中的液壓泵選用造價較低的定量泵;為了使液壓缸能夠進行雙向運動，選用單桿雙作用液壓缸;在系統工作過程中，要求液壓缸的運行速度穩定，故選用比例調速閥;要求系統工作時的壓力恒定，所以選用比例溢流閥。根據設計要求進行系統各元器件的選取，大型閥門快開系統工作原理如圖1。當換向閥左位工作時，液壓缸做快速伸出運動，液壓缸推動大型閥門的閥板快速旋轉打開;換向閥右位工作時，液壓缸做回程運動，閥板快速旋轉閉合;當換向閥位于中位時，系統恢復初始狀態。

2 ?大型閥門快開系統的建模與仿真

2.1 仿真模型的建立

本文采用液壓系統控制大型閥門的開閉，為研究該液壓系統在航天器密封艙的泄復壓性能，需要對該液壓系統進行仿真研究。常用的液壓系統仿真軟件有Hopsan、FluiSIM、AMESim等。Hopsan仿真軟件可以對系統性能進行預測，并通過仿真對系統進行整體分析，提高系統穩定性;FluiSIM仿真軟件可以實現顯示和控制回路的動作，能夠正確估計回路的工作狀態，縮短設計工作時間，在設計中發揮導向作用;AMESim仿真軟件是基于鍵合圖的液壓、機械系統進行建模，軟件對液壓系統中的大多數元件都有相對應的子模型，在此基礎上對液壓系統進行仿真和計算，研究系統的穩定和動態性能，同時，AMESim軟件操作簡單，更符合本設計的使用要求。

根據系統的工作原理，在AMESim仿真軟件中，可以對液壓系統進行檢測，根據仿真結果分析閥門快開系統的快速性以及平穩性。分別對比例換向閥和比例調速閥進行模型搭建[3]，采用比例換向閥的大型閥門快開系統，其系統的仿真主要參數如表1所示。采用比例調速閥的大型閥門快開系統，其主要的仿真主要參數如表2所示。根據仿真結果分析系統的動態響應性能。

2.2 采用比例換向閥與采用比例調速閥控制的快開系統仿真結果分析

2.2.1 采用比例換向閥的仿真結果分析

對采用比例換向閥的控制系統進行仿真分析，采用比例換向閥的大型閥門快開系統液壓缸在4.2秒左右時開始響應，并在1秒之內液壓缸速度迅速達到近乎最大值，之后，液壓缸的運行速度隨時間的增加有較小的波動，在運行到15秒左右時系統開始減速，并在2秒之內速度很快減小到0停止運動。液壓缸隨著系統的響應在4.2秒左右開始做伸出運動，隨著速度的增大在接近15.9秒時伸出位移達到最大值，最大位移約為0.28米。系統在17.7秒完成泄壓，在18.64秒完成復壓。由上述結論不難得出，該系統在響應過程中可以保證系統的準確性、快速性和穩定性。在采用比例換向閥的控制系統中，得出在PID控制下，液壓缸的位移隨時間的變化曲線和液壓缸的速度隨時間變化曲線，其仿真結果如圖2所示。

2.2.2 采用比例調速閥的仿真結果分析

采用比例調速閥的大型閥門快開系統液壓缸在5.3秒左右時開始響應，并在1秒之內液壓缸速度迅速達到近乎最大值，之后，液壓缸的運行速度隨時間的增加有較小的波動，在運行到15.5秒左右時系統開始減速，并在2秒之內速度很快減小到0停止運動。液壓缸隨著系統的響應在5.2秒左右開始做伸出運動，隨著速度的增大在接近16.9秒時伸出位移達到最大值，最大位移約為0.28米。系統在18.7秒完成泄壓，在19.56秒完成復壓。在采用比例調速閥的控制系統中，得出在PID控制下，液壓缸的位移隨時間的變化曲線和液壓缸的速度隨時間變化曲線，其仿真結果如圖3所示。

2.3 閥門在不同開度時系統泄復壓總時間的仿真結果分析

根據對采用比例換向閥和采用比例速閥控制系統的分析可知：采用比例換向閥的泄復壓性能更好。大型閥門控制系統泄復壓的總時間等于閥門的開啟時間和航天器充氣放氣時間的總和。大型閥門開啟的時間和航天器的充氣與放氣的時間受閥門開度影響，所以可以進一步研究閥門在不同開度時系統的泄復壓時間，根據系統的仿真結果，找到閥門的最佳開度參數，在大型閥門的最佳開度下可以縮短系統的泄復壓總時間。本文在采用比例換向閥的控制系統中，分別對閥門開度為60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°的控制系統進行仿真研究，得到大型閥門在不同開度時，液壓缸的位移、速度隨時間的變化曲線，閥門在不同開度下的仿真結果如圖4所示。

由圖4可以得出，在PID控制下，采用比例換向閥的大型閥門快開系統，當閥門開度為70°時，系統充氣時間為4.04秒，放氣時間為2.74秒，閥門開啟時間為13.2秒，泄壓時間為15.94秒，系統復壓時間為17.59秒。在采用比例換向閥控制大型閥門的泄復壓系統中，當大型閥門開度為70°時，系統的泄復壓效果最佳。該控制系統在工作過程中，泄復壓的速度較快，同時具有一定的準確性和穩定性。

3 ?結論

①在PID控制下，分別對采用比例換向閥的大型閥門快開控制系統和采用比例調速閥的大型閥門快開控制系統進行仿真，仿真結果表明采用比例換向閥的控制系統的泄復壓性能優于采用比例調速閥的控制系統的泄復壓性能。

②在PID控制下，采用比例換向閥的大型閥門快開控制系統，在閥門不同開度時進行仿真，仿真結果表明大型閥門開度為70°時，系統泄復壓響應時間最短。

該研究為大型閥門快開系統的研發與改進提供了理論的指導。

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