某型浮空器自動閥門研究

陸 曉,李昕虹,李 輝

(中國特種飛行器研究所 系統航電研究室,湖北 荊門 448035)

0 引言

目前的浮空器以無人型飛艇或無人型系留氣球為主[1]。雖然現有的浮空器閥門能夠滿足浮空器的排氣量需求和密封性要求,但該閥門在開啟后供電中斷時無法自動關閉,造成囊體內氣體持續泄漏,具有較大的安全隱患。載人飛艇和飛艇適航取證,對浮空器閥門的安全性和可靠性具有很高的要求,因此急需開發一種新型的隨著囊體壓力增大而自動開啟以及斷電后可自動關閉并密封的浮空器閥門。

本文在現有浮空器閥門的基礎上,提出了一種新型的浮空器自動閥門。首先進行閥門結構設計,建立相應的數學模型,結合CATIA運動仿真技術分析閥門的運動狀態,然后通過MATLAB仿真分析得到閥門運動曲線,最后對所設計的閥門進行驗證。結果表明,該浮空器自動閥門具有在供電中斷情況下仍具有一定壓力范圍內的密封能力以及囊體壓力超過限定值后自動開啟泄壓的功能。

1 閥門設計

1.1 設計要求

浮空器自動閥門作為飛艇超壓控制的關鍵部件,必須滿足以下要求:

(1)用于排出囊體內的氣體;

(2)能夠電操縱控制閥門開啟和關閉;

(3)閥門在關閉狀態下具有良好的密封性;

(4)斷電后閥門能夠在自身機構的作用下自動關閉;

(5)閥門內外壓力差達到一定壓力值時,閥門自動開啟且開度隨壓力近似線性變化。

1.2 運動原理

閥門運動依靠運動機構實現,閥門運動機構包括彈簧、電動機構、連桿、搖臂等裝置。通過調節彈簧的變形量,保證閥門的密封性滿足閥門開啟壓力的指標要求;通過電動機構帶動裝置運動,實現閥門的開啟和關閉。

閥門運動機構原理圖如圖1所示。閥門開啟時,搖臂1向下偏轉,通過連桿2帶動推桿3向下運動,連桿的運動作用在導向軸7上,從而使閥門閥芯6被推開。閥門開啟的過程,彈簧5的變形量逐漸增加,作用在搖臂1上的主動力也相應的增加。關閉閥門時,搖臂1向上運動,通過連桿2帶動推桿3向上運動,連桿的運動作用在導向軸7上,從而使閥門閥芯6被拉回,同時曲臂4在彈簧自身作用力下順時針運動,帶動連桿2和推桿3向上運動,使閥芯復位。閥門關閉時,在彈簧預緊力的作用下,閥芯與閥芯支座緊密貼合并擠壓密封墊,使閥門在關閉狀態下實現密封。

圖1 閥門運動機構原理圖

1.3 參數計算

為保證閥門在設定的囊體壓力范圍內有良好的密封性,需要通過彈簧作用力對閥芯提供一定的預緊力。預使閥門在電動機構驅動下實現開啟和關閉,需要保證機構具有良好的動作性能,并要求電動機構輸出力矩滿足要求。

1.3.1 彈簧設計

彈簧的選擇關系到閥門的密封性、閥門開啟壓力和電動機構力矩的輸出,是保證閥門滿足設計要求的重要結構。通過機構受力分析,對彈簧進行設計。

假設閥門裝在囊體上,此時電動機構不工作,閥門依靠囊體內的氣體壓力實現開啟并保持平衡狀態。在理想狀態下,不考慮電動機構的影響,單從彈簧機構和所受氣體壓力進行分析。閥門初始狀態,即閥門開度為0時,氣體壓力作用下閥門密封狀態受力如圖2所示。

圖2 氣體壓力作用下閥門密封狀態受力

分別對曲臂4、推桿3和閥芯6以及密封預緊力進行分析[2]:

N1·sinγ·L2-2·F1·L1·sinα=0

(1)

N1-N2=0

(2)

N2-FN-G=0

(3)

FN-P1·S=0

(4)

式中:N1是推桿對曲臂拉力,單位N;γ是曲臂與推桿夾角,單位°;L2是曲臂長臂長,單位mm;F1是彈簧對曲臂拉力,單位N;L1是曲臂短臂長,單位mm;α是彈簧與曲臂夾角,單位°;N2是推桿對導向軸拉力,單位N;FN是閥門密封預緊力,單位N;G是閥芯重力,單位N;P1是閥門開啟壓力,單位Pa;S是閥芯截面積,單位mm2。

閥門完全打開,即閥門開度最大時,氣體壓力作用下閥門完全開啟狀態受力如圖3所示。

圖3 氣體壓力作用下閥門完全開啟狀態受力

分別對曲臂4、推桿3和閥芯6進行分析:

N1·sinγ·L2-2·F1·L1·sinα=0

(5)

N1-N2=0

(6)

N2·cosδ-P2·S-G=0

(7)

式中:P2是閥門完全開啟壓力,單位Pa;δ是直臂與導向軸夾角,單位°。

根據閥門初始狀態及閥門完全開啟狀態下的力學分析,結合設計手冊[3]的計算方法,可求出彈簧參數。

1.3.2 電驅動力矩計算

電動機構的選擇關系到閥門啟閉功能和自關閉功能,是閥門運動機構的重要部件。

假設閥門未裝在囊體上,不考慮氣體壓力的影響,此時閥門通過電動機構實現開啟和關閉動作。假設閥門開啟,在最大開度范圍內的任意開度保持平衡,電驅動作用下閥門完全開啟狀態受力如圖4所示。

圖4 電驅動作用下閥門完全開啟狀態受力

分別對O1、O2和推桿3進行分析:

-F·2·L1·sinα+N3·sinβ·L2+N1·sinγ·L2=0

(8)

N4·sinβ·L4-MD=0

(9)

N3-N4=0

(10)

N1-N2=0

(11)

N2·cosδ-G=0

(12)

式中:F是彈簧在閥門任意開度下的拉力,單位N;N3是推桿對曲臂的拉力,單位N;G是閥芯重力對O1點力矩,單位N·m;N4是連桿對電動機構搖臂的拉力,單位N;β是連桿與電動機構搖臂夾角,單位°;L4是電動機構搖臂長,單位mm;MD是電動機構輸出力矩,單位N·mm。

通過分析計算得出閥門在不同開度下對電驅動裝置的驅動力要求,為電驅動裝置的選型提供依據。

2 仿真分析

通過建立閥門開度與閥門開啟力和電動機構輸出力矩之間的數學關系,利用CATIA運動仿真技術,模擬閥門在不同開度下的運動狀態[4],得到各個狀態下的參數值,最后通過MATLAB仿真繪制出閥門在不同開度下與計算量之間的關系曲線[5]。

2.1 建立數學模型

假設閥門電驅動裝置未上電,不考慮電驅動裝置的影響。閥門依靠外界拉力開啟,外界拉力作用下閥門完全開啟狀態受力如圖5所示。

圖5 外界拉力作用下閥門完全開啟狀態受力

對閥門進行分析,如下:

N1·sinγ·L2-2·F·L1·sinα=0

(13)

N1-N2=0

(14)

F拉-G-N2·cosδ=0

(15)

F=k·x

(16)

式中:F拉是閥門開啟拉力,單位N;k是彈簧剛度,單位N·mm-1;x是彈簧變形量,單位mm。

由上式求出閥門開啟力F拉:

F拉=(2·k·x·L1·sinα·cosδ)/(sinγ·L2)+G

(17)

將閥門開啟拉力等效為氣體推力,則可求出作用在閥芯內側的氣體壓力P:

P=F拉/S

(18)

由式(8)至式(10)可求電動機構輸出力矩MD:

MD=sinθ·L4(2·k·x·L1·sinα·cosδ-G·sinγ·L2)/(sinβ·cosδ·L2)

(19)

公式(17)至式(19)分別為閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動機構輸出力矩的數學模型。

2.2 運動仿真

閥門運動仿真可以模擬查看電動機構搖臂偏轉帶動閥門閥芯運動的情況,同時可以實時測量獲得閥門在不同開度下的各夾角和彈簧變形量。結合2.1節建立的數學模型,可分別得出閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動機構輸出力矩的仿真結果。閥門運動狀態仿真如圖6所示。

圖6 閥門運動狀態仿真

通過閥門運動狀態仿真,測量得出閥門在不同開度下的?、δ、γ、x等值,將數值代入公式(17)至式(19),可求出不同開度下的閥門開啟力、閥芯氣體壓力和電動機構輸出力矩。

2.3 仿真結果分析

根據數學模型和閥門運動狀態仿真,求解出閥門開度與開啟拉力、開啟氣體壓力的關系如圖7所示,閥門開度與電機輸出力矩的關系如圖8所示。由圖可知,閥門開度隨開啟力(氣體壓力)增加先快速增大,后緩慢增加,最后趨于平穩。閥門開啟至45 mm時,閥門開啟力為50.2 N,氣體壓力為 627.6 Pa;電機輸出力矩隨著閥門開度的增加逐漸增大,閥門開度為45 mm時,電機輸出力矩最大,為606.8 N·cm。

圖7 閥門開度與開啟拉力、開啟氣體壓力關系

圖8 閥門開度與電機輸出力矩關系

3 試驗及結果分析

3.1 動作性能試驗

閥門動作性能試驗接線圖如圖9所示。根據圖9連接線路,進行閥門動作性能試驗。試驗時通過控制器,控制閥門開啟和關閉,并調節閥門開度。

圖9 閥門動作性能試驗接線圖

試驗表明該機構可控制閥門開啟和關閉且閥門運動平穩。當閥門開啟至最大開度時關閉電源,閥芯在自身機構的作用力下自動復位,實現閥門關閉,滿足其斷電后自動關閉要求。

3.2 開啟壓力試驗

開啟壓力試驗原理圖如圖10所示。通過氣源向氣罐內鼓入氣體,利用差壓傳感器測量氣罐內氣體壓力,在閥芯與密封圈貼合處噴灑肥皂水,當接觸部位有氣泡冒出,此時氣罐內的壓力即為閥門開啟壓力。

圖10 開啟壓力試驗原理圖

將閥門置于試驗臺上進行多次試驗,測得閥門開啟壓力平均值為587.5 Pa。根據仿真結果可知閥門開啟壓力理論值為571.3 Pa。由于閥門開啟過程其內部機構存在摩擦力,而在閥門的理論計算過程中不考慮摩擦力的影響,因此允許實際閥門開啟壓力值與理論計算值之間存在一定的誤差,故可認為開啟壓力試驗結果與理論計算基本相符合。

3.3 開啟拉力與閥門開度試驗

開啟拉力與閥門開度試驗原理圖如圖11所示。試驗時將被測閥門安裝在試驗臺架上,在測力計下方掛重物,利用重物將閥門拉開。測力計可以測得重物的質量,并利用游標卡尺測量閥門開度。

圖11 開啟拉力與閥門開度試驗原理圖

試驗測得閥門開度與閥門開啟拉力關系如圖12所示。閥門開度隨著開啟拉力增加先緩慢增大,后迅速增加。當開啟拉力增加到71 N時,閥門完全開啟。

圖12 閥門開度與閥門開啟拉力關系

將試驗測量的閥門開啟拉力與閥門開度和理論計算的閥門開啟拉力與閥門開度進行對比,理論開啟拉力與實際開啟拉力對比圖如圖13所示。對比發現,閥門開度為0.3 mm時,實際開啟拉力為47 N,理論開啟拉力為45.7 N,兩者相差1.3 N。考慮到閥門開啟過程中存在摩擦力的影響,允許實際值與理論值之間存在一定的誤差,故認為閥門剛開啟時,實際開啟拉力與理論值基本相等。隨著閥門開度的增加,閥門實際開啟拉力與理論計算值之間的差距逐漸增大。當閥門開至最大45 mm時,理論開啟拉力為50.2 N,實際開啟拉力為71 N,兩者相差20.8 N,理論與實際不符。

4 結論

(1)計算表明:閥門開啟拉力與氣體壓力存在線性關系,因此閥門開度與閥門開啟拉力曲線和閥門開度與氣體壓力曲線為同一曲線。可通過閥門開啟拉力與開度試驗驗證氣體壓力與開度之間的關系。理論表明閥門開啟拉力隨開度的增加先快速增大,然后緩慢增加,最后有所減少。

(2)閥門動作性能試驗表明:閥門設計實現了電動機構控制閥門的開啟和關閉功能,且閥門開度可控。在斷電情況下,閥門可依靠自身機構的作用實現關閉并密封,具有閥門斷電自動關閉功能。

(3)閥門開啟壓力試驗表明:閥門開啟壓力的理論值與試驗值基本保持一致,在進行閥門設計時,可通過理論計算保證閥門開啟壓力在設定的壓力范圍內。

(4)通過閥門開啟拉力與開度試驗可知:閥門開啟拉力隨開度的增大先快速增加,當閥門開度增大到某一值后,閥門開啟拉力隨開度增大而緩慢增加。

(5)通過理論開啟拉力與試驗開啟拉力關系可知,最大閥門開啟拉力試驗值與理論值相差較大。該差值與密封形式、密封材料和彈簧參數等相關。考慮到設計的彈簧剛度和密封墊材料對閥門開啟力的影響較大,后續將從彈簧和密封墊材料著手進行改進,縮小理論值與試驗值之間的差值。