高压空气减压阀的动态性能仿真

杨明国

武昌船舶重工有限责任公司军事代表室，湖北 武汉 430064

高压空气减压阀的动态性能仿真

杨明国

武昌船舶重工有限责任公司军事代表室，湖北 武汉 430064

高压空气减压阀是舰船气动系统中的重要元件，通过建立高压空气减压阀的动态数学模型，利用Matlab软件进行仿真计算，对其动态性能进行分析和预测。仿真结果表明采用合适的结构减小阀口过流面积有助于高压空气减压阀的性能稳定。

高压减压阀；动态特性；仿真

1 引言

在舰船气动系统中，由于从空气压缩机中出来的气体压力较高，需要根据使用要求将其降低，以适应执行元件的压力等级，并节省能源。减压阀使用广泛，是保证舰船气动系统正常工作的必需元件之一。

高压化是舰船气动系统高效化的重要手段。使用压力提高，有利于运动速度、力和流量控制，也有利于元件小型化。目前超高压气动元件（压力大于30 MPa）还未形成成熟的固化技术，其动态特性分析对于高压气动元件性能非常关键［1-3］。而高压气动元件由于结构较复杂，其气体流动状态是一个变质量系统的热力学过程，因而对其特性的分析还在摸索之中［4-10］。本文所介绍的高压空气减压阀属于超高压级别的气动元件，最高输入压力达到了30MPa，相当于常用气动系统压力的30倍以上，输出压力要求又必须控制在0.1～1 MPa的较低压力范围内，进口与出口压差相当大，而且输出压力要求稳定。

为了保证减压阀的设计成功，达到预期的性能要求，减少设计中的不确定性，缩短设计周期，降低研制成本，提高工作效率，在设计的初始阶段对其进行建模仿真是必要的。随着现代计算机技术的进步，可利用高可靠仿真软件方便地进行仿真研究。

2 模型的建立

要对高压空气减压阀动态特性进行仿真研究，首先必须根据其结构模型，建立动态数学模型，然后利用仿真软件进行仿真计算。高压空气减压阀出口压力的迅速建立以及稳定在某个调定值是设计该减压阀的关键要求，亦即稳定性和快速响应特性是一个最重要的要求。

1）结构模型

工作原理示意图如图1所示，高压空气减压阀主要由上下阀体、阀芯、复位弹簧、调压弹簧、压力比较活塞等组成。P1为输入压力，P2为输出压力。

比较活塞上方受到调压弹簧作用，下方受到输出压力P2作用，当输出压力小于通过调压弹簧设定的目标压力时，比较活塞下移，带动阀芯下移，则阀开口变大，节流压差减小，输出压力增加，直至达到目标压力；当输出压力大于通过调压弹簧设定的目标压力时，活塞上移，带动阀芯上移，阀开口变小，节流压差增加，输出压力降低，直至达到目标压力。

2）数学模型

为了分析阀的稳定性和响应特性，对其进行动态分析前首先建立数学模型。气体在减压阀中的流动过程是一个复杂变质量系统的热力学过程。为了简化模型，作如下假设：气体通过阀类元件可看成一个等效的收缩喷嘴来计算，在计算时假设气体为理想气体，气体速度远大于气体与外界的热交换，气体流过喷嘴的能量损失可忽略不计，喷嘴中的流动可视为等熵流动。

这里主要需要关心的是出口压力的建立过程和阀芯的动作过程，根据最基本的流量连续性方程、能量方程和动力学平衡方程建立出口腔一阶压力微分方程和阀芯动力学平衡方程。

出口腔一阶压力微分方程：

阀芯动力学平衡方程：

式（1）与式（2）即高压空气减压阀的动态数学方程。上列各式中，S1和S2分别为阀口过流面积和出口等效喷嘴面积；V2为出口腔体积；m为阀芯质量；h为阀芯开度；Ff为密封圈摩擦力（采用O形圈密封），方向与阀芯运动方向相反；Fb为粘性阻力；F1为调压弹簧力，F1＝F01＋k1（1－h），F2为复位弹簧力，F2＝F02＋k2（1－h），F01和 F02分别为调压弹簧和复位弹簧的预压力；k1和k2分别为调压弹簧和复位弹簧的刚度；A1为比较活塞有效受压面积；Pe为外界压力。k为空气绝热指数；R为气体常数；T为空气绝对温度。

3 仿真计算

利用工程仿真软件Matlab进行仿真研究。Matlab是面向科学计算、数据可视化以及交互式程序设计的高技术计算语言。Matlab还带有一系列功能强大的工具箱，其中包括用于建模仿真的Simulink［11］。

以上面建立的动态方程为数学模型，在Matlab／Simulink环境中采用定步长四阶龙格—库塔法求解微分方程式（1）及式（2）。

以阀口通径为4 mm为尺寸模型，将各仿真参数代入以上建立的动态数学模型，建立高压空气减压阀的动态数学模型。各仿真参数采用实物的物理参数，取值如下：

1）仿真结果

当入口压力为30 MPa时的仿真结果如图2、图3所示。图2出口压力最终稳定在0.1MPa，图3出口压力最终稳定在1 MPa，其中图（a）纵坐标表示出口压力P2，单位是Pa，图（b）纵坐标表示阀芯动作位移h，单位是m。图2中，出口压力P2最终稳定在 0.1 MPa时，阀芯位移为 0.005mm。图 3中，出口压力P2最终稳定在1 MPa时，阀芯位移为 0.05mm。

入口压力为4 M P a时仿真结果如图4，图5所示。图4中出口压力最终稳定在0.1M P a，阀芯位移大约为0.037mm。图5中出口压力最终稳定在 1M P a，阀芯位移大约为 0.37mm。

2）仿真结果分析

从以上仿真结果我们可看出，由于入口压力高，出口压力波动幅度很大；入口压力越高，调定的出口压力越低，出口压力的建立过程越快，入口30 MPa时，大约70 ms就已建立稳定的出口压力。

通过分析还发现，保持其它参数不变，改变出口腔容积，随着出口腔容积的减小，出口压力能较快达到稳定，但出口压力的波动变大，容积变大则出口压力稳定性增加，但达到稳定的时间变长。调压弹簧和复位弹簧刚度应该合适，刚度太大时，出口压力出现较大波动，过小时，弹簧所需压缩量大，由于整个阀有尺寸限制，所以弹簧工作行程不宜过大。设计时应选择合适的弹簧刚度。阀芯质量越小则出口压力的稳定越快，但不宜过小，质量太小则阀芯易振动，从而引起出口压力的波动。达到稳定出口压力后，阀芯开度很小。入口压力越高，要使得出口压力减小到相同的值，则阀芯开度越小，如图2中所示。将30 MPa的入口压力减小到0.1 MPa 时，阀芯的开度只有 0.005mm，入口压力即使在4 MPa的情况下要使出口压力减小到0.1 MPa，阀芯开度也只有 0.037 mm，开口太小，控制难度大。图6，图7是阀口过流面积是原来的1／5情况下，入口压力30MPa时的仿真结果。图6中出口压力为 0.1 MPa，阀芯位移 0.025 mm，图 7 中出口压力为1MPa，阀芯位移0.25mm。可以看出，当阀口过流面积减小后，能有效起到节流减压的作用。为了有效减压，必须减小阀口过流的面积，但通过减小阀芯开度和通径来减小阀口节流的面积，效果则不明显，而且阀芯开度太小难以控制，所以必须考虑采用能有效减小阀口过流面积的阀口形式，以使在较低的要求出口压力下有较大的阀芯开度。

4 结束语

通过建立高压空气减压阀的动态数学模型，用Matlab对数学模型进行计算，研究了高压空气减压阀在不同进口压力下出口压力的情况以及阀芯的开度值，分析了主要结构参数对高压空气减压阀动态性能的影响。通过仿真，可知高压空气减压阀的动态性能和稳定性能较好，能在短时间内迅速建立并稳定出口压力，但在进口为超高压力的情况下出口压力达到要求比较困难，主要体现在阀芯开度上：在相同的出口压力下，入口压力越高阀芯开度越小。超高压力下理论上可以实现预期的出口压力，但由于在加工装配误差等一些不可避免的情况下，要实现微小的阀芯开度是很困难的。故考虑减小阀口的过流面积来增大阀芯开度，设置阀口过流面积为原来的1／5后进行仿真计算。可见阀芯在相同入口压力及出口压力下位移大大增加，便于控制。仿真结果为高压空气减压阀的设计提供了参考，也为高压减压阀的研究提供了参考。

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Dynam ic Simulation of the High Pressure Air Reducing Valve

Yang Ming-guo
Military Representative Office in Wuchang Shipbuilding Heavy Industry Ltd.， Wuhan 430064，China

High pressure air reducing valve is an important component inmarine pneumatic system.The dynamic mathematicalmodel of the high pressure air reducing valve was established and computed with Matlab software to analyze the dynamic characteristics of the valve.The simulation results show that reducing the throttling area of the valve with a proper structure will help tomaintain the dynamic characteristics of the valve.

high pressure air reducing valve； dynamic characteristic； simulation

U664.5

A

1673-3185（2010）04-56-05

10.3969/j.issn.1673-3185.2010.04.013

2010-01-28

杨明国（1966-），男，硕士，高级工程师。研究方向：机电一体化