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

2013-09-05 孫振華后勤工程學(xué)院軍事供油工程系

　　以電磁閥為先導(dǎo)閥，自力式差壓控制的快開閥用于模擬產(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)式快開閥的機(jī)構(gòu)及開啟原理，以流體力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，建立了壓降隨開度變化的關(guān)系，完成了閥門開啟過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析與仿真計(jì)算，得到了不同閥門開度下的開啟時(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，開啟時(shí)間、開啟速度及加速度三者隨開度的變化呈非線性變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，閥體開閥時(shí)間與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，開閥過(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)䦟?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進(jìn)行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)鍵在于快開閥的研制。目前國(guó)內(nèi)外高速開關(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)高速開啟，其中閥體的開閥過(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)式快開閥開閥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)原理、閥體結(jié)構(gòu)和仿真計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1、閥體結(jié)構(gòu)與開閥過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

　　閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示。快開閥未動(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)，閥門開啟，大部分流體從閥芯右側(cè)流出。閥門的開啟程度由限開度機(jī)構(gòu)控制。

圖1 快開閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 閥內(nèi)空腔劃分圖

2、閥體開閥時(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，其他依次類推。

　　閥門在開啟過(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)間即為閥門開啟時(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：

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

　　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，直到閥門達(dá)到最大開度。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

　　閥門在開啟過(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、閥門開啟時(shí)間分析

　　閥門在開啟過(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)

　　閥門在開啟過(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與主閥開度相關(guān)，可表示為ΔP=f(x)，其中，x為主閥開度，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，得閥門開啟時(shí)間為：

(14)

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

(15)

　　式中：P0為閥門開啟前主閥底部壓力，近似為管線運(yùn)行壓力;A，B，C是閥門壓降與開度變化關(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)中代入不同的開度x值，可得不同開度情況下的閥門開啟時(shí)間。

　　2.6、分析結(jié)果

　　簡(jiǎn)化閥門結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行一定的假設(shè)，采用數(shù)值模擬的方法得到式(15)的系數(shù)值;式(14)中，除閥門開度x值外，其余都是已知數(shù)，代入不同的主閥開度x值，就可得到不同開度情況下的閥門開啟時(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)，得到不同開度下閥門開啟時(shí)間實(shí)驗(yàn)值。結(jié)果見表1。

表1 閥門開啟時(shí)間理論值、實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

　　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，見圖4。可以看出，閥門開啟時(shí)間隨開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、開啟速度分析

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

(16)

　　式(16)中代入不同的閥門開度x值，即為不同開度時(shí)的閥門瞬時(shí)速度。

　　3.2、開啟加速度分析

　　閥門開啟加速度是閥門開啟速度對(duì)時(shí)間的倒數(shù)，即加速度

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

　(17)

圖4 閥門開啟時(shí)間理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

　　式(17)中代入不同的閥門開度x值，即為不同開度時(shí)的閥門瞬時(shí)加速度。

　　3.3、分析結(jié)果

　　將上述理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表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，見圖5，6。由圖5，6可以看出，閥門開啟過(guò)程的速度隨開度的變化逐漸增大，開度越大，速度變化越平穩(wěn);加速度隨開度的變化逐漸減小。理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

表2 閥門開啟瞬時(shí)速度理論值、實(shí)驗(yàn)值對(duì)比