气动阀门运动特性研究

大看固

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。

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。

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。

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。

a）阀杆和顶杆的位移曲线

b）阀杆和顶杆的速度曲线

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。

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。

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

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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