差動(dòng)式快開(kāi)閥開(kāi)閥過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析與仿真

差動(dòng)式快開(kāi)閥開(kāi)閥過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析與仿真以電磁閥為先導(dǎo)閥，自力式差壓控制的快開(kāi)閥用于模擬產(chǎn)生管線發(fā)生破裂時(shí)的瞬間泄露工況，在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)快速、穩(wěn)定的開(kāi)啟是該閥研制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。分析了差動(dòng)式快開(kāi)閥的機(jī)構(gòu)及開(kāi)啟原理，以流體力學(xué)基本理論為根底，建立了壓降隨開(kāi)度變化的關(guān)系，完成了閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析與仿真計(jì)算，得到了不同閥門(mén)開(kāi)度下的開(kāi)啟時(shí)間、速度及加速度，閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力逐漸減小，開(kāi)啟時(shí)間、開(kāi)啟速度及加速度三者隨開(kāi)度的變化呈非線性變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，閥體開(kāi)閥時(shí)間與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，開(kāi)閥過(guò)程的速度及加速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，為工程設(shè)計(jì)中主要部件的優(yōu)化研究提供了理論依據(jù)。

泄漏是管線常見(jiàn)的事故工況，管線泄漏不僅造成油料的損失，影響管線的正常輸送，甚至?xí)?dǎo)致管線輸送中斷，直接影響戰(zhàn)爭(zhēng)后勤油料保障;大量的油料泄漏還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，必須對(duì)管線使用和管理人員開(kāi)展泄漏事故工況的針對(duì)性訓(xùn)練，提高處置泄漏事故的能力。

為此，可設(shè)計(jì)研制一套訓(xùn)練輔助裝置，模擬產(chǎn)生瞬間泄漏等事故工況。該裝置突發(fā)泄漏工況的模擬關(guān)鍵在于快開(kāi)閥的研制。目前國(guó)內(nèi)外高速開(kāi)關(guān)電磁閥控制流量較小，單一依托電磁閥無(wú)法滿足該訓(xùn)練輔助裝置控制需求。本文研究的快開(kāi)閥采用電磁控制先導(dǎo)閥，主閥利用差壓控制原理，既可有效提高控制流量，其開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間也能滿足控制需求。由于該閥在輸油現(xiàn)場(chǎng)使用，不宜采用電氣原理，而應(yīng)采用科學(xué)、穩(wěn)定、可靠的液體與機(jī)械控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)啟，其中閥體的開(kāi)閥過(guò)程是研制該閥的關(guān)鍵性技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹了差動(dòng)式快開(kāi)閥開(kāi)閥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)原理、閥體構(gòu)造和仿真計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果開(kāi)展了分析和討論。1、閥體構(gòu)造與開(kāi)閥過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

閥體構(gòu)造如圖1所示?？扉_(kāi)閥未動(dòng)作時(shí)，電磁先導(dǎo)閥關(guān)閉，流體經(jīng)孔1流入并充滿閥芯內(nèi)部空腔，流體對(duì)閥芯底部壓力等于閥芯內(nèi)部流體壓力，彈簧預(yù)壓力等于底座對(duì)閥芯的支持力，閥芯受力平衡。當(dāng)電磁先導(dǎo)閥通電開(kāi)啟，流體經(jīng)孔2流出。由于孔2直徑遠(yuǎn)大于孔1直徑，流體在閥芯內(nèi)部無(wú)法聚壓，閥芯底部受力大于腔內(nèi)流體壓力、彈簧力與流體粘性摩擦力的合力，使閥芯向上運(yùn)動(dòng)，閥門(mén)開(kāi)啟，大部分流體從閥芯右側(cè)流出。閥門(mén)的開(kāi)啟程度由限開(kāi)度機(jī)構(gòu)控制。

圖1快開(kāi)閥構(gòu)造簡(jiǎn)圖

圖2閥內(nèi)空腔劃分圖2、閥體開(kāi)閥時(shí)間計(jì)算

如圖2所示，閥內(nèi)空腔直徑不同，為了便于分析，將閥內(nèi)空腔(有流體流經(jīng)的部分)分為a，1，2，3，4，5幾個(gè)部分，流體在每個(gè)部分流動(dòng)都相當(dāng)于在圓管內(nèi)流動(dòng)，只是長(zhǎng)度和直徑有所區(qū)別。a部分流量、上下壓差、長(zhǎng)度、直徑分別表示為Qa，ΔPa，La，da;1部分可表示為Q1，ΔP1，L1，d1，其他依次類(lèi)推。

閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，空腔內(nèi)的流體經(jīng)孔2排出，腔3內(nèi)流體排出時(shí)間即為閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。

2.1、閥芯內(nèi)腔流量計(jì)算

主閥閥體是傾斜的，閥芯空腔內(nèi)劃分的各個(gè)部分可看成為非水平管。非水平管道層流時(shí)，流體重力只影響位能，不影響流動(dòng)特性。因此，在只討論速度分布的情況下，閥芯空腔內(nèi)各個(gè)部分流體速度分布可按水平管處理，根據(jù)水平管的N-S方程，經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算，水平管內(nèi)過(guò)該截面的流量可表示為：

(1)式中，d為水平管的直徑。

2.2、閥芯空腔各部分壓差計(jì)算

根據(jù)圓管流量式(1)得到閥空腔內(nèi)6個(gè)部分的流量，分別為：

在閥芯向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，a，1，2部分的流體液面不會(huì)發(fā)生變化，認(rèn)為流量沒(méi)有變化，即Qa=Q1=Q2。根據(jù)流量關(guān)系得：

(2)閥芯向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，腔3內(nèi)流體經(jīng)孔2中排出，腔3內(nèi)液位會(huì)有明顯變化;腔4，5內(nèi)液位不會(huì)產(chǎn)生變化，直到閥門(mén)到達(dá)最大開(kāi)度。若dt時(shí)間內(nèi)，閥芯沿軸線方向上升dx，即腔3內(nèi)有dx長(zhǎng)度的流體流出，考慮到從腔2內(nèi)進(jìn)入的流量，可表示為：

(3)由于腔4，5內(nèi)的凈剩流量沒(méi)有變化，則，Q3=Q4=Q5，由6個(gè)部分流量表達(dá)式及式(3)，可以得到下面關(guān)系式：

2.3、閥芯腔內(nèi)壁面粘性摩擦力計(jì)算

閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，流體受擠壓經(jīng)孔2中排出，閥芯內(nèi)腔壁面會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生一個(gè)阻礙其運(yùn)動(dòng)的力，這個(gè)力就是流體對(duì)閥芯內(nèi)腔內(nèi)壁面產(chǎn)生的粘性摩擦力。

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，可得管中流體產(chǎn)生的切應(yīng)力為：

在管壁處τ=τ0，r=R=d/2，則有

于是流體對(duì)管壁的摩擦力可表示為：

(4)根據(jù)式(4)可以得到，流體對(duì)閥空腔內(nèi)6個(gè)部分的摩擦力為：

(5)2.4、壓差力計(jì)算

為便于計(jì)算壓差產(chǎn)生的力，將閥芯內(nèi)腔部分由軸線方向向兩側(cè)劃

幾個(gè)區(qū)域，區(qū)域劃分以此前劃分的6個(gè)部分的直徑大小(da經(jīng)計(jì)算，各部分壓差力分別為：

(6)圖3計(jì)算壓差力時(shí)閥內(nèi)空腔劃分圖

2.5、閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間分析

閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，彈簧受力壓縮，彈簧壓力f的大小可近似認(rèn)為等于流體壓差力與流體對(duì)閥芯內(nèi)壁面粘性摩擦力的合力，表示為：

(7)將式(5)、(6)代入式(7)，得：

(8)將式(2)代入式(8)，進(jìn)一步化簡(jiǎn)，得：

(9)式中：

彈簧產(chǎn)生的壓力f可表示為：

式中：k表示彈簧的彈性系數(shù);x表示主閥開(kāi)度，即閥芯沿軸線上升的距離;

表示彈簧的預(yù)壓量。將上式代入式(9)，得：

(10)閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，a部分流速很大，壓差ΔPa比其他幾個(gè)部分的壓差大得多，可近似認(rèn)為a部分的壓差ΔPa同閥芯上下壓差ΔP(閥內(nèi)6個(gè)部分壓差之和)相等，故式(10)又可表示為：

(11)閥芯向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，閥芯上、下的壓力差ΔP與主閥開(kāi)度相關(guān)，可表示為ΔP=f(x)，其中，x為主閥開(kāi)度，函數(shù)關(guān)系f需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。則式(11)可變化為：

(12)(13)對(duì)式(13)積分，得：

當(dāng)x=0時(shí)，t=0，則

上式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間為：

(14)本文所研究的閥門(mén)跟截止閥原理相同，根據(jù)研究，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)壓降與主閥開(kāi)度之間的關(guān)系ΔP=f(x)滿足雙曲線變化關(guān)系，可設(shè)：

(15)式中：P0為閥門(mén)開(kāi)啟前主閥底部壓力，近似為管線運(yùn)行壓力;A，B，C是閥門(mén)壓降與開(kāi)度變化關(guān)系的系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

閥芯上、下的壓降隨開(kāi)度變化關(guān)系可經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在式(14)中代入不同的開(kāi)度x值，可得不同開(kāi)度情況下的閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間。

2.6、分析結(jié)果

簡(jiǎn)化閥門(mén)構(gòu)造，并開(kāi)展一定的假設(shè)，采用數(shù)值模擬的方法得到式(15)的系數(shù)值;式(14)中，除閥門(mén)開(kāi)度x值外，其余都是已知數(shù)，代入不同的主閥開(kāi)度x值，就可得到不同開(kāi)度情況下的閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間理論值。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，利用瞬變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)位移傳感器，閥芯向上每運(yùn)動(dòng)2mm記錄一次時(shí)間數(shù)據(jù)，得到不同開(kāi)度下閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間實(shí)驗(yàn)值。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間理論值、實(shí)驗(yàn)值比照

為了直觀地反映理論值與實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系，將部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合成曲線，見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間隨開(kāi)度的變化近似呈線性變化，理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。3、仿真計(jì)算分析

3.1、開(kāi)啟速度分析

閥門(mén)的開(kāi)啟速度即為腔3內(nèi)液柱長(zhǎng)度沿軸線方向的減小速度。根據(jù)式(12)得，閥門(mén)開(kāi)啟速度為：

(16)式(16)中代入不同的閥門(mén)開(kāi)度x值，即為不同開(kāi)度時(shí)的閥門(mén)瞬時(shí)速度。

3.2、開(kāi)啟加速度分析

閥門(mén)開(kāi)啟加速度是閥門(mén)開(kāi)啟速度對(duì)時(shí)間的倒數(shù)，即加速度

將閥門(mén)開(kāi)啟速度關(guān)系式(16)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得：

(17)圖4閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間理論值與實(shí)驗(yàn)值比照曲線

式(17)中代入不同的閥門(mén)開(kāi)度x值，即為不同開(kāi)度時(shí)的閥門(mén)瞬時(shí)加速度。

3.3、分析結(jié)果

將上述理論值與實(shí)驗(yàn)值開(kāi)展比照，結(jié)果見(jiàn)表2，3。為了直觀地反映理論值與實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系，將部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合成曲線，見(jiàn)圖5，6。由圖5，6可以看出，閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程的速度隨開(kāi)度的變化逐漸增大，開(kāi)度越大，速度變化越平穩(wěn);加速度隨開(kāi)度的變化逐漸減小。理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

表2閥門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)速度理論值、實(shí)驗(yàn)值比照

表3閥門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)加速度理論值、實(shí)驗(yàn)值比照

圖5閥門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)速度理論值與實(shí)驗(yàn)值比照曲線

圖6閥門(mén)開(kāi)啟瞬時(shí)加速度理論值與實(shí)驗(yàn)值比照曲線

由速度和加速度變化規(guī)律分析可得，閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程閥芯運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，未受到較