·返回首页 ·联系我们 ·加入收藏
您所在的位置: 首页 >> 公司新闻 >> 差动式快开阀开阀过程动力学分析与仿真
差动式快开阀开阀过程动力学分析与仿真
时间:2012-11-1 8:15:22 阅读次数:576
   泄漏是管线常见的事故工况,管线泄漏不仅造成油料的损失,影响管线的正常输送,甚至会导致管线输送中断,直接影响战争后勤油料保障;大量的油料泄漏还会造成严重的环境污染,危及人民的生命财产安全。因此,必须对管线使用和管理人员进行泄漏事故工况的针对性训练,提高处置泄漏事故的能力。
        为此,可设计研制一套训练辅助装置,模拟产生瞬间泄漏等事故工况。该装置突发泄漏工况的模拟关键在于快开阀的研制。目前国内外高速开关电磁阀控制流量较小,单一依托电磁阀无法满足该训练辅助装置控制需求。本文研究的快开阀采用电磁控制先导阀,主阀利用差压控制原理,既可有效提高控制流量,其开启响应时间也能满足控制需求。由于该阀在输油现场使用,不宜采用电气原理,而应采用科学、稳定、可靠的液体与机械控制技术来实现高速开启,其中阀体的开阀过程是研制该阀的关键性技术。本文重点介绍了差动式快开阀开阀过程的动力学原理、阀体结构和仿真计算,并对计算结果进行了分析和讨论。
        1 阀体结构与开阀过程动力学分析
        阀体结构如图1所示。快开阀未动作时,电磁先导阀关闭,流体经孔1流入并充满阀芯内部空腔,流体对阀芯底部压力等于阀芯内部流体压力,弹簧预压力等于底座对阀芯的支持力,阀芯受力平衡。当电磁先导阀通电开启,流体经孔2流出。由于孔2直径远大于孔1直径,流体在阀芯内部无法聚压,阀芯底部受力大于腔内流体压力、弹簧力与流体粘性摩擦力的合力,使阀芯向上运动,阀门开启,大部分流体从阀芯右侧流出。阀门的开启程度由限开度机构控制。
        2 阀体开阀时间计算
        如图2所示,阀内空腔直径不同,为了便于分析,将阀内空腔(有流体流经的部分)分为a,1,2,3,4,5几个部分,流体在每个部分流动都相当于在圆管内流动,只是长度和直径有所区别。a部分流量、上下压差、长度、直径分别表示为Qa,ΔPa,La,da;1部分可表示为Q1,ΔP1,L1,d1,其他依次类推。
        阀门在开启过程中,空腔内的流体经孔2排出,腔3内流体排出时间即为阀门开启时间。
        2.1 阀芯内腔流量计算
        主阀阀体是倾斜的,阀芯空腔内划分的各个部分可看成为非水平管。非水平管道层流时,流体重力只影响位能,不影响流动特性。因此,在只讨论速度分布的情况下,阀芯空腔内各个部分流体速度分布可按水平管处理,根据水平管的N-S方程,经进一步计算,水平管内过该截面的流量可表示为: 
                本文所研究的阀门跟截止阀原理相同,根据研究,阀门开启时压降与主阀开度之间的关系ΔP=f(x)满足双曲线变化关系,可设:
        式中:P0为阀门开启前主阀底部压力,近似为管线运行压力;A,B,C是阀门压降与开度变化关系的系数,可通过实验测得。
        阀芯上、下的压降随开度变化关系可经实验测得。在式(14)中代入不同的开度x值,可得不同开度情况下的阀门开启时间。
        2.6 分析结果
        简化阀门结构,并进行一定的假设,采用数值模拟的方法得到式(15)的系数值;式(14)中,除阀门开度x值外,其余都是已知数,代入不同的主阀开度x值,就可得到不同开度情况下的阀门开启时间理论值。样机实验中,利用瞬变数据采集系统,通过位移传感器,阀芯向上每运动2mm记录一次时间数据,得到不同开度下阀门开启时间实验值。结果见表1。
        为了直观地反映理论值与实验值之间的关系,将部分数据拟合成曲线,见图4。可以看出,阀门开启时间随开度的变化近似呈线性变化,理论值与实验值吻合良好。
        3 仿真计算分析
        3.1 开启速度分析
        阀门的开启速度即为腔3内液柱长度沿轴线方向的减小速度。根据式(12)得,阀门开启速度为: 
        式(16)中代入不同的阀门开度x值,即为不同开度时的阀门瞬时速度。
        3.2 开启加速度分析
        阀门开启加速度是阀门开启速度对时间的倒数,即加速度将阀门开启速度关系式(16)对时间求导,得:
图4 阀门开启时间理论值与实验值对比曲线


        式(17)中代入不同的阀门开度x值,即为不同开度时的阀门瞬时加速度。
        3.3 分析结果
        将上述理论值与实验值进行对比,结果见表2,3。为了直观地反映理论值与实验值之间的关系,将部分数据拟合成曲线,见图5,6。由图5,6可以看出,阀门开启过程的速度随开度的变化逐渐增大,开度越大,速度变化越平稳;加速度随开度的变化逐渐减小。理论值与实验值吻合较好。


        由速度和加速度变化规律分析可得,阀门开启过程阀芯运动稳定,未受到较大冲击,达到设计要求,满足工程学应用需求。