先導式氣體減壓閥靜壓分析

【資料簡介】

介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節(jié)流數(shù)學模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動態(tài)特性。先導活塞式氣體減壓閥由主閥和導閥兩部分組成。主閥主要由閥座、主閥盤、活塞、缸套、彈簧等零件組成。通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)彈簧壓力設定出口壓力、利用膜片傳感出口壓力變化，通過導閥啟閉驅(qū)動活塞調(diào)節(jié)主閥節(jié)流部位過流面積的大小，實現(xiàn)減壓穩(wěn)壓功能。
1、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的概述
　　減壓閥是一種自動降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過高的區(qū)域、礦井和氣體管路等。隨著工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩(wěn)定，過流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復時間短，減壓和卸壓時間短，壓力超調(diào)率低，開展減壓閥靜態(tài)和動態(tài)特性研究，有利于了解其控制能力和狀態(tài)。
2、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的工作原理
　　先導式減壓閥是一種活塞式的減壓閥，是氣動調(diào)節(jié)閥的*配件。先導式減壓閥的內(nèi)部比較復雜，有安裝主閥、導閥等一些元件。先導式減壓閥是通過這兩部分的同時作用來實現(xiàn)減壓的作用。然后整個實現(xiàn)氣體減壓和穩(wěn)壓的性質(zhì)上是比較復雜的，伴隨著很多的能量轉(zhuǎn)換。先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、活塞、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調(diào)整彈簧等組成(圖1) 。擰動調(diào)節(jié)螺釘，壓縮調(diào)整彈簧，頂開先導閥芯，介質(zhì)從進口側(cè)進入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動活塞向下移動，使主閥打開，由閥后壓力平衡調(diào)節(jié)彈簧的壓力改變導閥的開度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開度使閥后壓力保持恒定。
先導式減壓閥通過改變節(jié)流面積，讓管道系統(tǒng)中的流速及流體的動能發(fā)生改變，產(chǎn)生不同程度的壓力損失之后，達到管道內(nèi)部減壓的目的，通過細致控制和調(diào)節(jié)，讓閥門內(nèi)部壓力的波動與彈簧力達到一種平衡，終使得管道中的閥后壓力保持在一定的誤差范圍內(nèi)恒定。
　　先導式減壓閥運用液壓工作原理來實現(xiàn)控制。先導式減壓閥作為一個局部壓力變化調(diào)整和節(jié)流的元件，通過調(diào)節(jié)進口壓力，將其降低至某一設定的出口壓力范圍內(nèi)，然后憑借介質(zhì)本身的能量，讓出口壓力自動保持穩(wěn)定的閥門。
1. 閥體2. 主彈簧3. 主閥芯4. 主閥座5. 活塞6. 密封7. 先導閥芯8. 先導閥座9. 先導活塞10. 調(diào)整彈簧先導式減壓閥減壓閥基本原理是采用氣體在管路中的節(jié)流效應而減壓。閥芯節(jié)流處方程為

3、先導式氣體減壓閥靜壓分析先導式減壓閥的仿真建模
　　先導式減壓閥采用AMESim 軟件( Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering System) 建模( 圖2) 。假設氣體為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過程的溫度變化和節(jié)流處的阻尼，工作過程中節(jié)流處流量系數(shù)不變; 各容腔內(nèi)的壓力場均勻分布，氣源為恒壓源。
1. 主彈簧2. 活塞3. 主閥芯4. 出口5. 氣體屬性 6. 氣源7. 調(diào)整彈簧8. 先導閥芯9. 先導活塞10. 式減壓閥AMESim 模型
4、先導式減壓閥的特性分析
　　減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進口壓力或流量等參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。動態(tài)特性是指在進口壓力或流量突然變化或其他擾動因素的作用下，減壓閥出口壓力與時間的函數(shù)關(guān)系。將先導式減壓閥前的開關(guān)閥關(guān)掉，開啟減壓閥后的開關(guān)閥，制造下游低壓環(huán)境，。再將調(diào)節(jié)螺釘按逆時針旋轉(zhuǎn)至上位置，先關(guān)閉閥后的開關(guān)閥，慢慢開啟閥前的開關(guān)閥至全開。順時針慢慢旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，將出口壓力調(diào)至所需要的壓力，調(diào)整好后，將鎖緊螺母鎖緊，打開閥后開關(guān)閥。如在調(diào)整時出口壓力高于設定壓力，須從步開始重新調(diào)整。

　　先導式減壓閥調(diào)壓步驟
　　1、首先，關(guān)閉先導式減壓閥前的閘閥，然后開啟先導式減壓閥裝備上的閘閥，實現(xiàn)下游低壓狀態(tài)。
　　2、將先導式減壓閥的調(diào)節(jié)螺釘按逆時針旋轉(zhuǎn)至上位置，記住千萬不能順時針旋轉(zhuǎn)，然后關(guān)閉先導式減壓閥的后方的閥。
　　3、慢慢開啟先導式減壓閥前的閘閥，知道前閥全部打開。
　　4、這時候，需要把先導式減壓閥的閥門按順時針旋轉(zhuǎn)，主要是為了將出口壓力調(diào)至所需要的壓力。
　　5、如在調(diào)整先導式減壓閥的時出現(xiàn)出口壓力比設定的壓力要高，這是需要停止下面的操作，然后從步開始重新調(diào)整。
　　4.1、靜態(tài)特性
　　靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3 所示，P1為進口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數(shù)據(jù)，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結(jié)果分析，進口壓力為20 MPa 時，其試驗數(shù)據(jù)和仿真P2 - 20數(shù)據(jù)變化
　　趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過適當振蕩后壓力逐漸穩(wěn)定，超調(diào)量較小僅為3%，終試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定在4. 35 MPa，P2 - 20穩(wěn)定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內(nèi)，模型較準確。利用模型仿真的進口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發(fā)現(xiàn)，三條曲線變化趨勢相同。在穩(wěn)定階段壓力波動狀態(tài)*一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進口壓力越小則出口壓力也越小，但比進口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設計要求。

1. P1—進口試驗數(shù)據(jù)　2. P2—出口試驗數(shù)據(jù)　3. P2 - 20—仿真進口壓力為20MPa 時的出口數(shù)據(jù)　4. P2 - 15—仿真進口壓力為15MPa 時的出口數(shù)據(jù)　5. P2 - 10—仿真進口壓力為10MPa 時的出口數(shù)
圖3 進口壓力和出口壓力的試驗和仿真數(shù)據(jù)
　　4.2、動態(tài)特性
　　根據(jù)靜態(tài)特性分析，對模型進行了優(yōu)化處理，首先模型中增加了彈性元件的總剛度Kt以提高活動系統(tǒng)的固有頻率，提高抗干擾能力，其次減小了模型中活動件質(zhì)量，活動件質(zhì)量越小，運動時慣性力越小，這樣較小的阻尼力就可抑制系統(tǒng)的自激振蕩。
　　將進口壓力P1從20 ～ 10MPa 變化，觀察出口壓力P2的變化( 圖4) 。1 ～ 2s 時進口壓力從20MPa逐漸降為15MPa，2 ～ 3s 時進口壓力逐漸降為10MPa。在此過程中，出口壓力也逐漸降低。在1～ 2s 和2 ～ 3s 期間出口壓力微小波動，終穩(wěn)定，平均出口壓力分別為3. 7MPa 和3. 2MPa，與靜態(tài)分析中三種進口壓力條件下出口壓力值一致。在1s 和2s 時出口壓力隨著進口壓力降低而突降，當3s 時進口壓力升至20MPa，出口壓力突升至4MPa。出口壓力在進口壓力突降和突升過程中壓力沒有出現(xiàn)明顯的波動。

5、結(jié)語
　　利用AMESim 軟件建立仿真模型分析先導式減壓閥靜態(tài)和動態(tài)特性過程中，可以通過優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，獲得需要的閥門性能，縮短了閥門研發(fā)周期，節(jié)約了設計制造成本。