气动阀门运动特性研究

石朝锋，薛立鹏，张连万，马 飞，何延文



气动阀门运动特性研究

石朝锋，薛立鹏，张连万，马 飞，何延文

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

基于AMESim仿真分析软件，对气动阀门内部的运动规律、阀门内部零组件相互运动关系进行了研究，并采取了非接触测量方法，测量了阀门内部阀杆运动速度，确定了仿真分析的正确性。结果表明：气动阀门在打开瞬间，阀杆会有较大的运动速度，并可能发生顶杆与阀杆的反向碰撞问题，给顶杆或阀杆带来损伤。

气动阀门；内部运动规律；运载火箭

0 引 言

气动阀门广泛应用于运载火箭的加注、泄出、排气等系统，在飞型号的排气阀、安溢阀，在研型号的加注阀、排气阀等多采用气动控制阀。随着阀门的直径、流量的增大，阀门的结构尺寸和重量也越来越大。气动阀门的控制气一般为高压气（约5 MPa），在此气体压力下，强制作动器内的顶杆迅速运动，推动活阀打开。随着阀门口径的增大，顶杆、活阀的快速运动和撞击，带来了阀门的动强度问题。因此对阀门内部阀芯、强制顶杆运动规律的研究越来越重要。

张永彬等[1]基于Adams软件对一种快速泄放阀的响应特性进行了仿真与分析，得出泄放阀阀芯运动规律和内部气体压力变化规律；吴建军等[2]通过Simulink软件对抽油泵泵阀进行仿真，得到泵筒内的液体压力变化规律曲线、泵阀打开高度曲线及泵阀运动速度曲线；余锋等[3]采用ABAQUS软件分析了保险阀导向杆断裂故障，得到导向杆设计动强度不足的故障原因；孙海亮等[4]研究了充气开关阀杆断裂问题，得到阀杆断裂失效机理；潘英朋等[5]提出了一种低温气动阀门方案，并对波纹管等关键零件进行了计算和分析；王春民等[6]研究了自锁阀在振动和冲击环境下性能变化情况。

本文以某火箭用加注阀为例，对气动阀门内部运动规律进行了研究，采用AMESim软件[7,8]对阀门运动特性进行了分析，确定了阀门内部顶杆和阀杆间的运动关系，并采用非接触测量手段得到阀门在打开时的活阀运动速度，以验证仿真分析的正确性。

1 气动阀门

加注阀结构主要由阀瓣、阀杆、弹簧、作动器壳体、顶杆、阀体和膜盒等组成，其结构如图1所示。阀门工作原理为：阀门打开时，由控制气入口通5 MPa气体，高压气体推动膜盒和顶杆运动，克服弹簧力和阀门出口气体压力，使阀门打开；阀门关闭时，控制气入口气体泄压，在弹簧力作用下，阀瓣和阀杆回位，阀杆推动顶杆和膜盒回位，阀门关闭。

1— 阀体；2—阀芯；3，6，7—密封垫片；4—弹簧；5—阀杆；8—作动器壳体；9—膜盒；10—顶杆

加注阀试验系统原理如图2所示。阀门启闭试验流程为：打开A口（阀门入口），C口（控制气入口）不通气，B口（阀门出口）通入0.53 MPa气体，C口再通入4.5 MPa气体，使加注阀打开，C口放气，加注阀关闭。

图2 加注阀试验系统原理

本文主要关注阀门在试验过程，即模拟正常使用工况下的阀门内部顶杆和阀杆的运动规律，以及相互运动关系，为阀门的设计提供指导。

2 气动阀门内部运动规律分析

2.1 阀门运动特性

为分析气动阀门在真实工况下的内部运动规律，采用AMESim对试验系统和阀门进行建模，模型如图3所示。

图3 加注阀性能试验仿真模型

通过AMESim仿真，对试验过程中，阀杆和作动器顶杆的运动特性进行了分析，如图4所示，根据分析可知阀门内部运动规律为：

a）阀门开启。

1）由图4可知，在0 s通气时，作动器顶杆没有运动，随后逐渐克服膜盒反力后顶杆开始运动，接触到阀杆后，运动暂停。

2）气体压力继续上升，当压力克服了弹簧力、膜盒力、阀门B口气体压力（0.53 MPa）后，顶杆和阀杆一起向前运动，如图5所示。

3）当顶杆运动到限位后停止并有一定的反弹，阀杆在惯性作用下继续运动，运动到弹簧压力克服惯性力后，阀杆停止运动，并有一定的反弹。

b）阀门关闭。

强制气撤去后，阀门在弹簧力作用下，阀杆推动顶杆回位，阀杆限位后，顶杆在膜盒反力下继续运动到限位。

对于加注阀，其顶杆行程为23 mm，阀杆行程为21.4 mm，但在实际运动中，阀杆的最大行程约为34 mm，这样应在设计中考虑增加的行程对于阀门内部结构的影响；另外，对于加注阀，其顶杆和阀杆之间有一个蝶形钩，如果阀杆继续向前运动超过1.4 mm（见图1），则会发生阀杆与顶杆的反向碰撞，根据计算其与顶杆的相对速度约为4.4 m/s（见图6、图7），因此可能给阀杆和顶杆造成冲击损伤。

图4 阀门主要运动情况

图5 阀门内部压力分布曲线

图6 阀杆和作动杆（顶杆）的相对速度曲线

图7 阀杆和顶杆反向碰撞时的相对速度曲线

2.2 阀芯运动测量

为了确定阀杆冲击速度，对阀杆运动速度进行测量。试验系统如图8所示。阀门B口工装开一个圆孔，加装一个玻璃钢窗口，利用激光位移传感器，测量阀芯在打开时的位移，对位移微分，得到阀芯运动速度，阀芯与阀杆紧固连接，因此得到阀杆运动速度。根据试验测量，两次测试结果分别为：最大运动位移约为32.86 mm和32.43 mm，速度分别为4.2 m/s和4.05 m/s。

两次测量一致性较好，说明测试方法正确、有效。位移曲线和速度曲线如图9～11所示。

图9 阀芯位移曲线

图10 位移局部放大图

由图11可知，速度曲线中第1次测试与第2次测试中曲线波纹不同，是因为第1次测试采样频率为1000 Hz，第2次为5000 Hz，后一致采用5000 Hz。

根据试验结果，并对于0.53 MPa时阀芯运动速度和位移与试验结果比较，如图12、图13所示。

图11 速度局部放大

图12 阀芯位移仿真与试验对比

图13 阀芯速度仿真与试验对比

表1给出了B口不同压力下阀杆最大速度和最大位移与试验结果的比较。由表1可知，本文所建立的仿真模型具有较好的精度，表明模型正确、可靠。

表1 仿真结果与试验结果的对比

Tab.1 Comparison of Simulation and Test Results

B口压力MPa阀杆最大速度(仿真值)/(m·s-1)阀杆最大速度(试验平均值)/ (m·s-1)速度误差阀杆最大位移（仿真值）/m阀杆最大位移(试验值）/m位移误差 0.534.684.1313.3%33.5532.652.76% 0.433.963.882.06%29.4731.02-5% 0.32.963.28-9.75%24.6228.51-13.6% 00.2950.33-10.6%21.421.290.5%

由分析可知，阀门在工作过程中可能发生快速的碰撞，从而导致阀杆断裂失效。因此，为减小撞击速度，可以减小阀门强制气限流孔通径，增加弹簧刚度和预紧力，减小撞击速度。

3 结 论

基于AMESim软件仿真技术，确定了气动阀门内部阀杆和顶杆的运动规律，提出气动阀门在运动中可能发生顶杆与阀杆的反向碰撞问题，并可能给顶杆或阀杆带来损伤。为确定仿真分析的正确性，采取了非接触测量阀杆的运动速度，其结果与仿真结果基本一致。根据分析提出了加注阀存在的设计缺陷，并在试验中得到验证，根据阀门内部的运动规律分析，给出了降低阀杆运动速度的意见。在碰撞不能避免的情况下，可以通过更换不锈钢或其他强度更高的材料来增强阀杆和顶杆的结构强度。

[1] 张永彬，姚进，余德平，肖蒙，蒋正茂. 快速泄放阀的运动特性分析[J]. 制造业自动化分析, 2015, 37(10): 106-108.

Zhang Yongbin, Yao Jin, Yu Deping, Xiao Meng, Jiang Zhengmao. Movement characteristic analysis for rapid released valve[J]. Manufacturing Automation, 2015, 37(10): 106-108.

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Wu Jianjun, Qi Yaoguang, Liu Xinfu, Wang Xia, Li Yanxiang. Simulation of movement law of pump valve in oil pump based on Simnulink[J]. China Petroleum Machinery, 2011, 39(1): 32-36.

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Sun Hailiang, Shi Zhaofeng, Wang Jian, Yue Bing, Ma Fei, Fang Hongrong, Ding Jianchun, Yu Changji. Study on the fracture failure mechanism for the gas filling valve stem[J]. Structure & Environment Engineering, 2016, 43(4): 24-28.

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Pan Yingpeng, Wu Yongsheng, Gao Hanping. Design and analysis for low temperature air operated charge valve[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2011(3): 55-58.

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Wang Chunmin, Yuan Hongbin, Luo Daliang, Zeng Weiliang. Performance research on a pneumatically latch-valve in vibration and shock environment[J]. Structure & Environment Engineering, 2014, 41(5): 17-23.

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[8] 余佑官, 龚国芳, 胡国良. AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J]. 液压气动与密封, 2005(3): 28-31.

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Analysis of the Kinetic Characteristic of Pneumatic Valve

Shi Zhao-feng, Xue Li-peng, Zhang Lian-wan, Ma Fei, He Yan-wen

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Based on the software AMESim, the inner movement regulation and the movement relationship of the elements is studied. And a noncontact measure method is used to measure the stem’s velocity to verify the simulation result. The results show that: the valve stem has a greater speed of movement when the pneumatic valve is opening, and the stem will collide with push rod that brings harm to stem or push rod.

Pneumatic valve; Kinetic characteristic; Launch vehicle

1004-7182(2018)01-0041-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180108

TH136

A

2016-10-26；

2017-02-21

国家自然科学基金资助项目（51505036）

石朝锋（1980-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为阀门设计