锅炉蛇形管弯管机用减压阀结构优化设计及仿真分析

刘昱杰，徐 春，胡旭明

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

蛇形管弯管机是加工大型电站锅炉元件蛇形管的重要设备[1]。为了保证蛇形管的加工质量，需要保持蛇形管弯管机关键元件减压阀出口压力的稳定。然而传统直动式减压阀工作时，存在出口压力超调量大、稳定性差等问题[2-4]，严重影响了蛇形管的加工质量，进而制约了锅炉性能的发挥。鉴于此，本文设计了一种环形阻尼新型减压阀，在分析阀工作原理的基础上，利用AMESim仿真软件建立阀的仿真模型并进行仿真分析，验证了模型的正确性及结构设计的可行性，所得研究结论对减压阀的改进及优化设计具有一定的参考价值。

1 环形阻尼新型减压阀结构及工作原理

设计的环形阻尼新型减压阀结构简图如图1所示，该新型减压阀由传统的直动式减压阀和由稳压活塞及稳压活塞腔形成的环形阻尼孔并联而成。工作过程中，利用环形阻尼孔的节流作用来加快转换、吸收减压阀工作时的压力振动[5-7]：当液压系统压力高于减压阀动作压力时，主阀芯在液压力的作用下，克服弹簧力和摩擦力的作用使阀口变小，实现减压。环形阻尼孔的节流阻尼作用使减压阀的开启过程变得平稳。

1—调节螺母；2—左端盖；3—阀体；4—调压弹簧；5—主阀芯；6—稳压活塞；7—右端盖

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根据环形阻尼新型减压阀的结构及工作原理，利用 AMESim 仿真平台提供的元件设计库平台，搭建传统直动式减压阀液压回路及环形阻尼新型减压阀液压回路仿真模型[8-9],如图2所示，减压阀主要结构参数见表1。

表1 减压阀主要结构参数

图2 两种不同减压阀动态回路AMESim仿真模型

2.2 仿真分析

2.2.1仿真验证分析

传统减压阀出口压力变化曲线和环形阻尼新型减压阀出口压力变化曲线如图3所示。由图3(a)可以看出，传统减压阀出口压力峰值约为7.21 MPa，稳定压力约为3.81 MPa，达到稳定压力所需时间约为0.40 s，压力波动幅值和频率较大；由图3(b)可以看出，环形阻尼新型减压阀出口压力峰值约为7.18 MPa，稳定压力约为3.81 MPa，达到稳定压力所需时间约为0.06 s，压力波动幅值和频率较小。仿真验证了所设计环形阻尼新型减压阀提升弯管机液压系统回路压力冲击幅值、频率及响应时间等性能的可行性。

图3 减压阀出口压力变化曲线

将表1中主阀弹簧预紧力300 N、主阀阀芯直径10 mm代入减压阀出口压力计算公式P=F/A,，式中P为减压阀出口压力，F为调压弹簧预紧力，A为主阀阀芯作用面积，计算得出减压阀出口稳定压力为3.83 MPa，与仿真所得稳定压力值基本一致，证明了所建立模型的正确性和精确性。

2.2.2环形阻尼孔长度对阀动态特性影响仿真分析

保持环形阻尼孔间隙宽度为0.25 mm，利用AMESim批处理功能，设定环形阻尼孔长度分别为15，25，30 mm，研究环形阻尼孔长度的变化对阀动态特性的影响。仿真得到不同环形阻尼孔长度的减压阀出口压力曲线，如图4所示。由图可以看出，环形阻尼孔长度的变化对减压阀动态性能有一定的影响。在一定范围内，随着环形阻尼孔长度的增加，减压阀出口压力波动时间逐渐缩短，压力波动的幅值及频率逐渐降低，最终稳定压力值较理论计算值也有所降低。

图4 不同环形阻尼孔长度减压阀出口压力曲线

2.2.3环形阻尼孔间隙宽度对阀动态特性影响仿真分析

保持环形阻尼孔长度为30 mm，利用AMESim批处理功能，设定环形阻尼孔间隙宽度分别为1.0,0.5,0.1 mm，研究环形阻尼孔间隙宽度对阀动态特性的影响。仿真得到不同环形阻尼孔间隙宽度的减压阀出口压力曲线，如图5所示。由图5可以看出，环形阻尼孔间隙宽度对减压阀动态性能的影响较大。在一定范围内，随着环形阻尼孔间隙宽度的减小，减压阀出口压力波动时间逐渐缩短，压力波动的幅值及频率逐渐降低，稳定压力值较理论计算值有所降低。当环形阻尼孔间隙宽度小于某个临界值时，本文实例中为0.1 mm，减压阀出口稳定压力减小明显，调压偏差大。

图5 不同环形阻尼间隙宽度下减压阀出口压力曲线

2.2.4稳压活塞质量对阀动态特性影响仿真分析

保持环形阻尼孔长度为30 mm、环形阻尼孔间隙宽度为0.25 mm，利用AMESim批处理功能设定稳压活塞质量分别为0.25,1.00,1.50 kg，研究活塞质量的变化对阀动态特性的影响。仿真得到不同稳压活塞质量的减压阀出口压力曲线，如图6所示。由图6可以看出，减压阀稳压活塞质量对减压阀动态性能的影响较小。在一定范围内，即使活塞质量增加，减压阀出口压力冲击的幅值和频率、阀响应时间及最终稳定压力值也基本保持不变。

图6 不同稳压活塞质量下减压阀出口压力曲线

3 结论

本文对传统直动式减压阀结构进行改进，设计了一种环形阻尼新型减压阀，利用AMESim仿真软件建立阀仿真模型，仿真分析了环形阻尼孔长度、环形阻尼孔间隙宽度以及稳压活塞质量对阀动态性能的影响，得到如下结论：

1)随着环形阻尼孔长度的增加，减压阀出口压力波动时间逐渐缩短，压力波动的幅值及频率逐渐减小，稳定压力值较理论计算值低。

2)随着环形阻尼孔间隙宽度的减小，减压阀出口压力波动时间逐渐缩短，压力波动的幅值及频率逐渐减小，稳定压力值较理论计算值低。当环形阻尼孔间隙宽度低于某个临界值时，减压阀出口最终稳定压力减低明显，调压偏差大。

3)随着活塞质量的增加，减压阀出口压力冲击的幅值和频率、阀响应时间及最终稳定压力基本保持不变。

本文所得结论对减压阀的改进及优化设计有一定的参考价值。