遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進

遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進

研制一種遠程、先導式高壓大流量減壓閥；介紹了該減壓閥特點，建立了減壓閥數學模型，利用進行該減壓閥動力學仿真，研究各個參數對減壓閥性能的影響。根據仿真結果，加工了一臺實物產品。搭建了減壓閥性能測試試驗臺，分析了壓力、流量特性，并和仿真做了比較。

結果表明：仿真和試驗符合的比較好，說明仿真對減壓閥的研制與分析具有指導作用。該減壓閥使用方便，安全、可靠，已經用于數個試驗中。是一種平衡式高壓差電動調節閥。配用智能一體式電動執行機構，接受統一的4-20mA或1-5V·DC的標準信號，將電流信號轉變成相對應的直線位移，自動地控制電動調節閥的開度，達到對管道內流體的壓力、流量、溫度、液位等工藝參數的連續調節。

關鍵詞：高壓大流量減壓閥；動力學仿真；數學模型



0　遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進引言

減壓閥是氣動系統中的重要元件之一。在液體火箭發動機系統中，減壓閥是重要的壓力調節部件。儲存于高壓氣瓶內的氣體經氣體減壓閥節流減壓為較低且恒定的輸出壓力，以壓力損失為代價實現減壓，使整個發動機系統具有穩定的工作特性。減壓閥必須保持穩定的參數輸出。通過仿真的方法研究特性，可以為減壓閥優化改進設計提供一定的依據，并能減少試驗次數，降低研制成本。

方面做了大量工作。在仿真方面。對減壓閥做了全面、深入的理論分析工作。他的動力學分析涉及了氣體作用力、彈性力、阻尼力，還有非線性因素，諸如摩擦力，氣體穩態、瞬態作用力，涵蓋了減壓閥的各項主要影響因素。國防科大研制了大流量減壓閥。對自主研制的氣體減壓閥，建立了數學模型，研究了減壓閥的靜態特性、穩定性和響應特性。



液體火箭發動機常用的反向卸荷式減壓閥的動態數學模型，采用四階分析了減壓閥在啟動增壓過程中的動態特性。此外，一些研究者利用對平衡式氣動減壓閥動態特性、航空供氧減壓閥進行數值仿真和研究，獲取了氣動減壓閥動、靜態性能，為減壓閥的設計和改進提供強有力的理論支撐。

采用電動單座調節閥（或防爆型電動調節閥）+溫控器+智能型壓力變送器及3芯屏蔽線等附件組成，具有高控制精度,可達±0.2%的控制精度，調節性能及控制精度遠超過常規自力式（蒸汽）減壓閥。

該閥大的特點只需普通220V電源，利用被調介質自身能量，直接對蒸汽、熱氣、熱油與氣體等介質的壓力（溫度）實行自動調節和控制，亦可使用在防止對過熱或熱交換場合。本文研究了一種先導式、高壓大流量減壓閥。通過仿真，獲得了各個參數對減壓閥性能的影響，繼而研制一臺高壓、大流量減壓閥。試驗結果表明，高壓、大流量減壓閥安全、性能可靠。該閥已用于多類試驗中。



1　工作原理1所示，所研制的減壓閥是逆向、先導薄膜式減壓閥。

該減壓閥具有以下特點：

1）遠程通過先導閥為主閥控制腔注入控制氣，不需要人員去現場調壓；

2）高壓氣垂直于閥芯，對閥芯軸向無作用力，出口壓力不受入口壓力影響；

3）非金屬膜片，膜片力可以忽略不計；而且膜片預壓縮，閥門打開的方向是膜片解除壓縮的方向；

4）設計了保護膜片的壓盤，使膜片不至于受剪切力而失效。

考慮閥芯受力，以向下為正：



2　遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進數學模型

2.1　　模型假設

1） 工作介質為理想氣體，滿足理想氣體狀態方程；

2） 介質通過氣動減壓閥可以看成等效收縮噴嘴流動來計算；

3）忽略工作過程的溫度變化；

4）忽略了活動部件的重力；

5）閥腔內氣體參數采用集中參數法來描述；

6）氣源壓力保持不變。

2.2　　流量方程

對于氣體流過減壓閥的節流口或限流孔時，一般情況下，可將孔口近似當作收縮噴嘴來處理，因此可按文獻 處理。

2.3　　質量守恒方程

根據質量守恒定律，在任何瞬時，流出控制體的質量流量等于控制體內的質量對時間的減少量，則控制體內的質量守恒方程為：



2.4　　活動部件的運動方程

PI調節當智能調節閥接受變送器信號進行PI調節時，微機先把變送器信號與給定信號進行比較，并按預先設定的PI參數規律計算，再發出控制信號給執行機構，并調節閥門，直至信號平衡為止。

智能電動調節閥的PI調節功能，是一個成本低，性能好的采樣控制系統，不需要用常規的PID控制器，而直接接受現場變送器的信號，完成模擬式連續控制系統難以完成的工作。有的工業對象滯后時間很長（如控制溫度的爐子），這將造成系統的誤差大、動作慢，利用微型計算機采樣并進行控制，可以提高低通的控制性能。

PI調節當智能調節閥接受變送器信號進行PI調節時，微機先把變送器信號與給定信號進行比較，并按預先設定的PI參數規律計算，再發出控制信號給執行機構，并調節閥門，直至信號平衡為止。智能電動調節閥的PI調節功能，是一個成本低，性能好的采樣控制系統，不需要用常規的PID控制器，而直接接受現場變送器的信號，完成模擬式連續控制系統難以完成的工作。有的工業對象滯后時間很長（如控制溫度的爐子），這將造成系統的誤差大、動作慢，利用微型計算機采樣并進行控制，可以提高低通的控制性能。



3　遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進仿真研究

以上述所建立的數學模型為基礎，采用四階龍格-庫塔數值方法，運用Matlab編程進行仿真，研究了各個參數對減壓閥動態性能所產生的影響。氣體介質采用氮氣，入口壓力：10 MPa；出口壓力：5 MPa；下游模擬串聯孔板，孔板喉徑16 mm。模擬2 s后，下游閥門突然打開，減壓閥開始工作。

3.1　　阻尼孔喉徑對閥門動態特性的影響

下游閥門打開到穩定的時間基本一樣。但是超調量和頻率不一樣。尺寸越小，超調量越大，頻率越低。當下游閥門打開的時候，先是出口腔壓力下降，然后阻尼腔氣體通過阻尼孔到出口腔，阻尼腔喉徑越小，阻尼腔壓力下降的越慢，減壓閥打開就越慢，減壓閥補氣就越慢，所以出口腔壓力下降的幅度大。

3.2　　彈簧剛度對閥門動態特性的影響

為不同彈簧剛度對閥門動態特性的影響情況（其他參數：Φ=5 mm，M=0.5 kg，λ= 0.24）。剛度越小，震蕩幅度減小，震蕩頻率增加，震蕩時間加長。震蕩幅度減小是因為彈簧剛度小會在阻尼腔壓力下降不大時頂開閥芯，閥門打開，補氣迅速，出口腔壓力迅速恢復。但是，剛度小又會造成穩定時間長的問題。



3.3　　活動部件質量對閥門動態特性的影響

為不同活動部件質量對閥門動態特性影響的情況（其他參數：Φ=5 mm，K=20 N/mm，λ=0.24）。震蕩頻率基本一樣，活動部件質量越小，震蕩幅度越大，震蕩時間也縮短。活動部件質量小，根據公式，相當于彈簧剛度和阻尼系數變大。

3.4　　阻尼系數對閥門動態特性的影響

所示為阻尼系數對閥門動態特性影響（其他參數：Φ=5mm，K=20N/mm，M=0.5kg）。如所示，阻尼系數越大，穩定性越好，振蕩會在短時間之內停止。下游開閥相當于流量突然變化，之后振蕩減弱并逐漸穩定下來，就是由于有阻尼的作用。阻尼系數的大小對減壓閥穩定性是至關重要的。對本文來說，選擇合適的阻尼系數即選擇合適的閥門彈簧。阻尼系數需要依靠實驗確定。本文僅對阻尼系數的大小對減壓閥動態特性的影響進行了定性的分析研究。



4　遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進試驗研究

根據以上仿真結果，結合閥門強度、密封設計研制高壓大流量減壓閥，并搭建一個減壓閥性能測試試驗臺，原理圖如圖6所示。介質采用氮氣。孔板經過標定，可以測量流量。

4.1　　壓力特性

以一組入口壓力（6～14 MPa）為例，出口設4 MPa，觀察該減壓閥的壓力特性。p1為入口壓力，p2為出口壓力。可以看到，兩者的出口壓力、流量都是非常穩定。試驗中減壓閥出口壓力從3.34 MPa至3.22 MPa之間變化，出口壓力偏差為3.7%，減壓閥的壓力特性較好，輸出壓力穩定。

4.2　　流量特性

選定3個入口壓力，分別做了流量特性試驗，結果所示。可以看出，不同入口、出口壓力，覆蓋的流量是不一樣的。當入口為30 MPa，出口20 MPa時，減壓閥流量能夠達到10 kg/s。從圖8還可以看出，隨著流量增大，出口壓力在逐漸降低。這是因為，流量增大，閥芯開度越大，出口壓力逐級降低；當閥芯開度到達極限之后，流量再想增大，就只能以犧牲出口壓力作為代價。

4.3　　動態特性

而仿真1.5 s打開閥門后，經過0.2 s左右的震蕩，然后才穩定，穩定值6.53 MPa。試驗和仿真比較，主要是振蕩段存在很大差異，仿真有一個明顯的振蕩然后衰減最后穩定的過程。仿真結果在理論上能夠解釋，而實際過程中，減壓閥的工作過程比較復雜。此外，試驗的壓力測量頻率、精度都對結果有影響。這些都使得仿真不能反應真實試驗的情況。但是，比較曲線可以看出，仿真能夠反映出口壓力的變化趨勢，誤差也在允許范圍內，說明所建模型是正確的。



5　遠程智能控制電動超高壓大流量減壓閥優化改進結論

利用先導式減壓閥仿真模型，分析各個參數對減壓閥性能的影響，根據仿真結果，研制出高壓大流量減壓閥。研制結果表明：

1）仿真縮短了閥門研發周期，節約了設計制造成本。

2）研制的減壓閥可以承壓30 MPa，流量達到了10 kg/s以上。該閥已用于數個試驗中，工作安全、可靠，達到了設計指標。