远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进

远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进

研制一种远程、先导式高压大流量减压阀；介绍了该减压阀特点，建立了减压阀数学模型，利用进行该减压阀动力学仿真，研究各个参数对减压阀性能的影响。根据仿真结果，加工了一台实物产品。搭建了减压阀性能测试试验台，分析了压力、流量特性，并和仿真做了比较。

结果表明：仿真和试验符合的比较好，说明仿真对减压阀的研制与分析具有指导作用。该减压阀使用方便，安全、可靠，已经用于数个试验中。是一种平衡式高压差电动调节阀。配用智能一体式电动执行机构，接受统一的4-20mA或1-5V·DC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制电动调节阀的开度，达到对管道内流体的压力、流量、温度、液位等工艺参数的连续调节。

关键词：高压大流量减压阀；动力学仿真；数学模型

0　远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进引言

减压阀是气动系统中的重要元件之一。在液体火箭发动机系统中，减压阀是重要的压力调节部件。储存于高压气瓶内的气体经气体减压阀节流减压为较低且恒定的输出压力，以压力损失为代价实现减压，使整个发动机系统具有稳定的工作特性。减压阀必须保持稳定的参数输出。通过仿真的方法研究特性，可以为减压阀优化改进设计提供一定的依据，并能减少试验次数，降低研制成本。

方面做了大量工作。在仿真方面。对减压阀做了全面、深入的理论分析工作。他的动力学分析涉及了气体作用力、弹性力、阻尼力，还有非线性因素，诸如摩擦力，气体稳态、瞬态作用力，涵盖了减压阀的各项主要影响因素。国防科大研制了大流量减压阀。对自主研制的气体减压阀，建立了数学模型，研究了减压阀的静态特性、稳定性和响应特性。

液体火箭发动机常用的反向卸荷式减压阀的动态数学模型，采用四阶分析了减压阀在启动增压过程中的动态特性。此外，一些研究者利用对平衡式气动减压阀动态特性、航空供氧减压阀进行数值仿真和研究，获取了气动减压阀动、静态性能，为减压阀的设计和改进提供强有力的理论支撑。

采用电动单座调节阀（或防爆型电动调节阀）+温控器+智能型压力变送器及3芯屏蔽线等附件组成，具有高控制精度,可达±0.2%的控制精度，调节性能及控制精度远超过常规自力式（蒸汽）减压阀。

该阀大的特点只需普通220V电源，利用被调介质自身能量，直接对蒸汽、热气、热油与气体等介质的压力（温度）实行自动调节和控制，亦可使用在防止对过热或热交换场合。本文研究了一种先导式、高压大流量减压阀。通过仿真，获得了各个参数对减压阀性能的影响，继而研制一台高压、大流量减压阀。试验结果表明，高压、大流量减压阀安全、性能可靠。该阀已用于多类试验中。

1　工作原理1所示，所研制的减压阀是逆向、先导薄膜式减压阀。

该减压阀具有以下特点：

1）远程通过先导阀为主阀控制腔注入控制气，不需要人员去现场调压；

2）高压气垂直于阀芯，对阀芯轴向无作用力，出口压力不受入口压力影响；

3）非金属膜片，膜片力可以忽略不计；而且膜片预压缩，阀门打开的方向是膜片解除压缩的方向；

4）设计了保护膜片的压盘，使膜片不至于受剪切力而失效。

考虑阀芯受力，以向下为正：

2　远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进数学模型

2.1　　模型假设

1） 工作介质为理想气体，满足理想气体状态方程；

2） 介质通过气动减压阀可以看成等效收缩喷嘴流动来计算；

3）忽略工作过程的温度变化；

4）忽略了活动部件的重力；

5）阀腔内气体参数采用集中参数法来描述；

6）气源压力保持不变。

2.2　　流量方程

对于气体流过减压阀的节流口或限流孔时，一般情况下，可将孔口近似当作收缩喷嘴来处理，因此可按文献 处理。

2.3　　质量守恒方程

根据质量守恒定律，在任何瞬时，流出控制体的质量流量等于控制体内的质量对时间的减少量，则控制体内的质量守恒方程为：

2.4　　活动部件的运动方程

PI调节当智能调节阀接受变送器信号进行PI调节时，微机先把变送器信号与给定信号进行比较，并按预先设定的PI参数规律计算，再发出控制信号给执行机构，并调节阀门，直至信号平衡为止。

智能电动调节阀的PI调节功能，是一个成本低，性能好的采样控制系统，不需要用常规的PID控制器，而直接接受现场变送器的信号，完成模拟式连续控制系统难以完成的工作。有的工业对象滞后时间很长（如控制温度的炉子），这将造成系统的误差大、动作慢，利用微型计算机采样并进行控制，可以提高低通的控制性能。

PI调节当智能调节阀接受变送器信号进行PI调节时，微机先把变送器信号与给定信号进行比较，并按预先设定的PI参数规律计算，再发出控制信号给执行机构，并调节阀门，直至信号平衡为止。智能电动调节阀的PI调节功能，是一个成本低，性能好的采样控制系统，不需要用常规的PID控制器，而直接接受现场变送器的信号，完成模拟式连续控制系统难以完成的工作。有的工业对象滞后时间很长（如控制温度的炉子），这将造成系统的误差大、动作慢，利用微型计算机采样并进行控制，可以提高低通的控制性能。

3　远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进仿真研究

以上述所建立的数学模型为基础，采用四阶龙格-库塔数值方法，运用Matlab编程进行仿真，研究了各个参数对减压阀动态性能所产生的影响。气体介质采用氮气，入口压力：10 MPa；出口压力：5 MPa；下游模拟串联孔板，孔板喉径16 mm。模拟2 s后，下游阀门突然打开，减压阀开始工作。

3.1　　阻尼孔喉径对阀门动态特性的影响

下游阀门打开到稳定的时间基本一样。但是超调量和频率不一样。尺寸越小，超调量越大，频率越低。当下游阀门打开的时候，先是出口腔压力下降，然后阻尼腔气体通过阻尼孔到出口腔，阻尼腔喉径越小，阻尼腔压力下降的越慢，减压阀打开就越慢，减压阀补气就越慢，所以出口腔压力下降的幅度大。

3.2　　弹簧刚度对阀门动态特性的影响

为不同弹簧刚度对阀门动态特性的影响情况（其他参数：Φ=5 mm，M=0.5 kg，λ= 0.24）。刚度越小，震荡幅度减小，震荡频率增加，震荡时间加长。震荡幅度减小是因为弹簧刚度小会在阻尼腔压力下降不大时顶开阀芯，阀门打开，补气迅速，出口腔压力迅速恢复。但是，刚度小又会造成稳定时间长的问题。

3.3　　活动部件质量对阀门动态特性的影响

为不同活动部件质量对阀门动态特性影响的情况（其他参数：Φ=5 mm，K=20 N/mm，λ=0.24）。震荡频率基本一样，活动部件质量越小，震荡幅度越大，震荡时间也缩短。活动部件质量小，根据公式，相当于弹簧刚度和阻尼系数变大。

3.4　　阻尼系数对阀门动态特性的影响

所示为阻尼系数对阀门动态特性影响（其他参数：Φ=5mm，K=20N/mm，M=0.5kg）。如所示，阻尼系数越大，稳定性越好，振荡会在短时间之内停止。下游开阀相当于流量突然变化，之后振荡减弱并逐渐稳定下来，就是由于有阻尼的作用。阻尼系数的大小对减压阀稳定性是至关重要的。对本文来说，选择合适的阻尼系数即选择合适的阀门弹簧。阻尼系数需要依靠实验确定。本文仅对阻尼系数的大小对减压阀动态特性的影响进行了定性的分析研究。

4　远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进试验研究

根据以上仿真结果，结合阀门强度、密封设计研制高压大流量减压阀，并搭建一个减压阀性能测试试验台，原理图如图6所示。介质采用氮气。孔板经过标定，可以测量流量。

4.1　　压力特性

以一组入口压力（6～14 MPa）为例，出口设4 MPa，观察该减压阀的压力特性。p1为入口压力，p2为出口压力。可以看到，两者的出口压力、流量都是非常稳定。试验中减压阀出口压力从3.34 MPa至3.22 MPa之间变化，出口压力偏差为3.7%，减压阀的压力特性较好，输出压力稳定。

4.2　　流量特性

选定3个入口压力，分别做了流量特性试验，结果所示。可以看出，不同入口、出口压力，覆盖的流量是不一样的。当入口为30 MPa，出口20 MPa时，减压阀流量能够达到10 kg/s。从图8还可以看出，随着流量增大，出口压力在逐渐降低。这是因为，流量增大，阀芯开度越大，出口压力逐级降低；当阀芯开度到达极限之后，流量再想增大，就只能以牺牲出口压力作为代价。

4.3　　动态特性

而仿真1.5 s打开阀门后，经过0.2 s左右的震荡，然后才稳定，稳定值6.53 MPa。试验和仿真比较，主要是振荡段存在很大差异，仿真有一个明显的振荡然后衰减最后稳定的过程。仿真结果在理论上能够解释，而实际过程中，减压阀的工作过程比较复杂。此外，试验的压力测量频率、精度都对结果有影响。这些都使得仿真不能反应真实试验的情况。但是，比较曲线可以看出，仿真能够反映出口压力的变化趋势，误差也在允许范围内，说明所建模型是正确的。

5　远程智能控制电动超高压大流量减压阀优化改进结论

利用先导式减压阀仿真模型，分析各个参数对减压阀性能的影响，根据仿真结果，研制出高压大流量减压阀。研制结果表明：

1）仿真缩短了阀门研发周期，节约了设计制造成本。

2）研制的减压阀可以承压30 MPa，流量达到了10 kg/s以上。该阀已用于数个试验中，工作安全、可靠，达到了设计指标。