气动阀门运动特性研究
摘要：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。关键词：气动阀门；内部运动规律；运载火箭
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。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIbN2GvoBMtAxodf2tjbWCDCenajO9dibzvWHQDK8LFBkb7pxomicptsBQ/640?wx_fmt=png图1 加注阀结构原理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。
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。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIjM9p01WxkG4aGX9kGXDmN9xvPSothRscjsVV9iacaCRyFQgyTM7mWKw/640?wx_fmt=png图2 加注阀试验系统原理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。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIUgABOrywBvOAB0ckiaCwaNibrub5aNWuqZK6zfdGKJyMzkMqKKUPcWIg/640?wx_fmt=png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。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIicuoWNuyFGzxJRI7vJMwluiaU0051ntak8mJFKPqibs4IaV8D7qqc1F6Q/640?wx_fmt=pnga）阀杆和顶杆的位移曲线https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIfuVicURkLv3zq6uAJMhiciatOR86fdX7d2eU0GXrt7iczhT3N35J7GvxTw/640?wx_fmt=pngb）阀杆和顶杆的速度曲线https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIJlz34wEpZoZ3gxZF1ial3SW16k3oBleacjJicoFOeNGL7sDsibE30WYQg/640?wx_fmt=png图4 阀门主要运动情况https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIajqMpDMh2G0ICVMC9QaNjZwtjgFwx366IepjS7np21Ok281cU89R1g/640?wx_fmt=png图5 阀门内部压力分布曲线https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsI3u8LRQPKwyyQMz4W7O6CtaUnAvuP3ibM244fMoBf5UeibdNEZZHYkic7w/640?wx_fmt=png图6 阀杆和作动杆（顶杆）的相对速度曲线https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIC2YyLlOPEgMGc9b3KIeVDo24QvXia5HeMSQnyG9z8zCfCOpUzQFA0ow/640?wx_fmt=png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。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsItOibic4qojedgsIicCC1AT1SznMVbPok2shRoDmYnk2I8xlC3LWbTVFOA/640?wx_fmt=png图8 阀芯运动测量系统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。https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIrjDZa9t9Bvkzpp1FbtkGsSzj9m6UvyqhMwKEibdHCgxVNzugLBHyWBQ/640?wx_fmt=png图9 阀芯位移曲线https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIsd4iaqPXC2EVPUoUvRibwGbLAjBUtPqdPSkEoYLJW5E3GfTf9rhicr5jw/640?wx_fmt=png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。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsIutHwLBKM7iaTia3hFbuXCDPaYqvJicxWeTboCkCpRJpe4Cbny6PQ5nRTA/640?wx_fmt=png图11 速度局部放大https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsI1948lhUnx1I8TU7oKhSxQ2Om6a4hPrBAS6u6lUKGmEKibBwsD7LbtPA/640?wx_fmt=png图12 阀芯位移仿真与试验对比https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsI5nxZH5mO9PlKS4FQEvduSQqmXR6RKuGs6iavIZKeyyuT7GD25TYxnZQ/640?wx_fmt=png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https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCenIJFKSrZ8poMbrxLxvbCsI0J6TFDlKDIW3m4kwlL9yCiaMpwTtAs5tKJsoswTF0QaR7ricJQLs1aTg/640?wx_fmt=png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。
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