王劍中，史 剛，江海峰，曹 榮，孫海鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

隨機振動條件下保險閥顫振問題分析及改進

王劍中，史 剛，江海峰，曹 榮，孫海鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

為解決導彈保險閥在隨機振動條件下出現(xiàn)的顫振問題，使用aMeSim軟件進行建模仿真。通過在模型中添加隨機振動模塊，有效模擬了振動條件下保險閥的工作狀態(tài)，并分析了幾個因素對顫振的影響。結(jié)果表明運動件與殼體間的摩擦力是主要影響因素，活閥導向結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生一定影響。對保險閥進行結(jié)構(gòu)改進，試驗證明改進后顫振現(xiàn)象得到大大改善。研究結(jié)果對閥門在隨機振動條件下的性能分析及結(jié)構(gòu)改進具有一定的指導作用。

隨機振動；保險閥；顫振問題

0 引 言

保險閥是火箭、導彈增壓輸送系統(tǒng)的重要元件，主要對液體貯箱進行超壓保護[1]。某導彈保險閥在靜態(tài)環(huán)境下試驗時性能良好，閥門啟閉正常平穩(wěn)；而在隨機振動條件下試驗時，卻出現(xiàn)了明顯的顫振現(xiàn)象，持續(xù)一段時間后膜盒破裂，整閥失效。因此，顫振問題對保險閥在導彈飛行狀態(tài)下的可靠性有很大影響[2]，需要進行分析和改進。目前，國內(nèi)外對管路閥門系統(tǒng)的振動響應(yīng)進行了研究，文獻[3]基于隨機振動模態(tài)分析得到了導管的動力特性和均方根應(yīng)力，與實驗結(jié)果吻合良好；文獻[4]通過系統(tǒng)動力學建模分析了相關(guān)參數(shù)對先導閥芯的振動特性的影響，但并未考慮外部振動環(huán)境條件的影響；文獻[5]對某壓力信號器在正弦振動下的閥門性能進行了分析。

本文采用aMeSim仿真軟件，采用在模型中添加隨機振動模塊的方法，計算得到振動條件下影響閥門顫振的幾個主要因素，根據(jù)計算結(jié)果對保險閥進行結(jié)構(gòu)改進和試驗驗證，試驗結(jié)果證明改進效果良好，驗證了仿真分析結(jié)果的正確性。

1 保險閥隨機振動條件下顫振問題

1.1 保險閥工作原理

保險閥工作原理如圖1所示。

圖1 保險閥工作原理

由圖1可以看出，其入口與貯箱相連，出口與外界大氣相通。敏感元件為膜盒，啟閉運動件為拉套、小彈簧及活閥組成的一體結(jié)構(gòu)。小彈簧安裝于拉套與活閥之間，閥門關(guān)閉狀態(tài)下，活閥與拉套之間有一定空程。當貯箱氣體壓力升高時，膜盒感受到氣體壓力，克服主彈簧力的作用，帶動拉套產(chǎn)生向右位移，壓力達到開啟點時，拉套與活閥接觸并帶動其一起運動，閥門開啟排氣；當氣體壓力下降時，主彈簧推動膜盒和拉套回位，閥門關(guān)閉。

1.2 保險閥變流量試驗顫振問題

為考核保險閥在最小和最大排氣量之間變化時的排氣能力，需進行變流量試驗，試驗系統(tǒng)如圖2所示。以20 L氣瓶模擬實際貯箱氣枕，用Φ3.1 mm孔板控制流量。

圖2 保險閥試驗系統(tǒng)

試驗時，控制孔板前壓力由0.4 Mpa緩慢上升至2 Mpa，然后降低至0.4 Mpa，記錄整個過程中保險閥的啟閉性能和氣枕壓力變化情況。試驗發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)條件下，保險閥的啟閉正常，氣枕壓力變化平穩(wěn)，性能良好；而在隨機振動條件下，保險閥出現(xiàn)了明顯的顫振現(xiàn)象；閥門開度不斷變化，帶動氣枕壓力產(chǎn)生大幅波動；試驗時，在閥門出口可感受到明顯的不連續(xù)排氣現(xiàn)象。兩種狀態(tài)下氣枕壓力曲線對比如圖3所示。

圖3 變流量試驗氣枕壓力曲線對比

2 顫振問題仿真分析

2.1 振動條件下分析方法

閥門工作時，外部振動載荷首先通過安裝支架作用于閥門殼體，引起殼體與內(nèi)部運動件間的相對運動，進而對閥門的正常啟閉造成影響。在應(yīng)用aMeSim進行閥門系統(tǒng)動力學仿真時，振動條件無法直接加載，原因是振動載荷未知，且加速度屬于狀態(tài)量，兩者均無法直接作為控制量輸入。文獻[5]通過殼體與運動件的受力分析，將換算得到的與振動量級相關(guān)的附加力施加到運動件上，成功應(yīng)用aMeSim對壓力信號器的振動響應(yīng)進行分析。

2.2 殼體及運動件受力分析

建立空間位置坐標系，運動件的受力及位移情況如圖4所示。

圖4 運動件受力及位移情況

由于閥門的特性主要取決于運動件與殼體間的相對運動狀態(tài)，因此引入?yún)⒘縟x表示閥芯與殼體的相對位移：

式中 x運為運動件位移；x殼為殼體位移。

靜態(tài)環(huán)境下，殼體位移及加速度均為0，運動件的受力情況為

式中 m運為運動件質(zhì)量；pF為氣體作用力；k為主彈簧剛度。

振動條件下，殼體會產(chǎn)生位移及加速度，運動件的受力情況為進而可得：

對比式（2）、式（4）可以看出，振動條件下需要給閥芯施加一個與振動量級相關(guān)的附加力，大小為-m運，則振動條件下運動件的動特性分析可以轉(zhuǎn)化為殼體固定、運動件運動狀態(tài)下的動特性分析[5]。

基于aMeSim 10仿真軟件，建立了保險閥結(jié)構(gòu)及試驗系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，各元件子模型的設(shè)置見表1[6]。采用aMeSim 10仿真軟件中振動模塊，對保險閥殼體施加隨機振動，并根據(jù)上述分析，在模型中添加描述殼體與運動件間相對運動的軸向振動影響因素，其輸入為系統(tǒng)的運行時間，輸出為時域上的運動件加速度數(shù)值，再通過乘以運動件質(zhì)量，轉(zhuǎn)化為時域上的運動件附加力，并輸入到運動件模塊，這樣可以在計算中引入振動響應(yīng)，更加真實地反應(yīng)運動件的工作狀態(tài)。

圖5 aMeSim仿真模型

表1 主要元件子模型設(shè)置

根據(jù)保險閥的工作狀態(tài)，將氣體介質(zhì)設(shè)定為氮氣，氣源壓力設(shè)定為2 Mpa，氣枕容積設(shè)定為20 L，各元件模型參數(shù)按照保險閥的真實結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，輸入孔板前壓力的變化曲線如圖6所示。

圖6 孔板前壓力輸入曲線

2.4 計算結(jié)果

經(jīng)計算，得到了拉套和活閥的位移變化曲線以及膜盒內(nèi)腔壓力、閥門出口壓力的變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，添加軸向隨機振動模塊后，保險閥的拉套和活閥位移出現(xiàn)了大幅度擺動響應(yīng)，閥門出口壓力也不穩(wěn)定，與試驗現(xiàn)象基本一致，說明模型設(shè)置正確合理。

圖7 仿真計算結(jié)果

從圖7還可以看出，拉套位移擺動幅度與活閥的位移振幅及相同時間點的位移大致相同，有一定的對應(yīng)關(guān)系。說明保險閥顫振的主要原因是振動加速度造成的慣性力，使拉套持續(xù)往復(fù)運動，并帶動活閥一起往復(fù)運動。

3 結(jié)構(gòu)因素影響分析

3.1 主彈簧剛度

若主彈簧剛度偏小，慣性力所造成的主彈簧變形量較大，會造成閥門開度不斷變化，影響正常排氣，進而加劇顫振的發(fā)生。為驗證主彈簧剛度的影響，取主彈簧剛度分別為4 000 N/m、20 597 N/m和40 000 N/m進行計算，得到的拉套位移曲線見圖8。

從圖8可以看出，當主彈簧剛度增加時，拉套位移顫振幅度略微減小，但并不明顯，說明主彈簧剛度對保險閥顫振無明顯影響。

圖8 不同主彈簧剛度下拉套位移曲線

3.2 活閥運動導向結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土路面的碾壓分為初壓、復(fù)壓和終壓。初壓要求整平、穩(wěn)定；復(fù)壓要求密實、穩(wěn)定、成型；終壓則要求消除輪跡。初壓應(yīng)在攤鋪后達到適宜碾壓的溫度時立即進行，并不得產(chǎn)生推移、開裂。復(fù)壓要求提高密實度并揉壓，以減少表面細裂紋和孔隙。終壓前要認真檢查，發(fā)現(xiàn)局部離析及邊緣不規(guī)則時，應(yīng)及時進行人工修補。碾壓應(yīng)沿縱向從低邊向高邊慢速均勻地進行，碾壓過程中壓路機不得中途停留、轉(zhuǎn)向或制動。

保險閥原活閥運動導向結(jié)構(gòu)為三瓣式，三瓣結(jié)構(gòu)會占據(jù)一部分閥門出口流通面積，對排氣造成一定影響，可能對顫振有不利影響。為驗證此因素的影響，將活閥導向部位更改為導向桿式，如圖9所示。

圖9 活閥運動導向結(jié)構(gòu)示意

對更改前、后的狀態(tài)分別進行計算和比較，計算得到的拉套位移曲線如圖10所示。從圖10可以看出，以拉套位移的振動幅度判斷，活閥導向桿式結(jié)構(gòu)相對三瓣式導向結(jié)構(gòu)有一定的改善，說明活閥導向結(jié)構(gòu)對保險閥顫振有一定影響。

圖10 兩種導向結(jié)構(gòu)的拉套位移曲線

3.3 小彈簧剛度

活閥組件受小彈簧力的作用被壓在拉套上，若小彈簧剛度偏低，軸向加速度產(chǎn)生的慣性力可能會使得活閥反復(fù)運動。為驗證小彈簧剛度影響，取小彈簧剛度分別為2 000 N/m、7 333 N/m和14 000 N/m進行計算，得到的活閥位移曲線，見圖11。

圖11 不同小彈簧剛度下拉套位移曲線

從圖11可以看出，當小彈簧剛度變化時，活閥位移顫振幅度無變化，說明小彈簧剛度對保險閥顫振無影響。

3.4 拉套與殼體間摩擦阻尼力

為抑制運動件的往復(fù)運動，可在拉套與殼體間增加一定的摩擦阻尼力。為驗證不同摩擦阻尼力的影響，在代表拉套的質(zhì)量塊模型中分別增加3.92 N、8.82 N和19.6 N的摩擦力進行計算，得到的拉套位移曲線如圖12所示。

圖12 不同摩擦阻尼力下的拉套位移曲線

由圖12可以看出，拉套與殼體間的摩擦阻尼力對保險閥的顫振性能影響顯著。當摩擦阻尼力提升時，拉套位移擺動幅度明顯降低，當摩擦阻尼力上升至19.6 N時，拉套運動平穩(wěn)，波動較小，大大改善了顫振現(xiàn)象。

4 保險閥結(jié)構(gòu)改進及試驗驗證

根據(jù)分析結(jié)果對保險閥進行結(jié)構(gòu)改進，活閥運動導向采用導向桿式結(jié)構(gòu)，并在拉套與殼體之間通過漲圈設(shè)置19.6 N的摩擦阻尼力。

為了驗證改進后的效果，在相同的隨機振動條件下重新進行了變流量試驗，得到保險閥結(jié)構(gòu)改進后的氣枕壓力變化與改進前的對比情況如圖13所示。

圖13 改進前、后氣枕壓力曲線對比

由圖13可以看出，保險閥改進后，振動條件下的氣枕壓力擺動幅度明顯降低。從試驗現(xiàn)象中也可明顯看出顫振現(xiàn)象大幅減弱，保險閥啟閉動作較為平穩(wěn)，改進效果良好。

5 結(jié) 論

a）通過在模型中添加隨機振動模塊，引入與振動量級相關(guān)的附加力，可以有效模擬保險閥在隨機振動條件下的動特性；

b）經(jīng)過aMeSim仿真分析，拉套與殼體間的摩擦阻尼力對保險閥顫振的影響明顯，活閥運動導向結(jié)構(gòu)對保險閥顫振也有一定影響；

c）根據(jù)仿真結(jié)果進行結(jié)構(gòu)改進，將活閥運動導向改為導向桿式結(jié)構(gòu)，同時在拉套與殼體間設(shè)置19.6 N的摩擦阻尼力，改進后經(jīng)試驗驗證，振動條件下保險閥啟閉較平穩(wěn)，顫振現(xiàn)象大幅減弱；

d）添加隨機振動模塊的aMeSim仿真模型正確，該方法可為閥門振動條件下動特性分析計算提供參考。

[1] 陸培文. 實用閥門設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 王心清, 等. 導彈與航天-結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2005.

[3] 周芒, 等. 導管隨機振動響應(yīng)分析與實驗驗證[J]. 強度與環(huán)境, 2013, 40(5): 30-35.

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[5] 梁景媛, 王海洲. 壓力信號器振動環(huán)境下誤觸發(fā)現(xiàn)象機理[J]. 導彈與航天運載技術(shù), 2011(3): 29-36.

[6] 付永領(lǐng), 齊海濤. LMS Imagine Lab aMeSim系統(tǒng)建模和仿真實例教程[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2011.

Analysis and Improvement of Safety Valve Flutter Under Random Vibration

Wang Jian-zhong, Shi Gang, Jiang Hai-feng, cao Rong, Sun Hai-peng
(Beijing Institute of aerospace Systems engineering, Beijing, 100076)

In order to solve the problem of flutter on the safety valve under random vibration, aMeSim is used for Modeling and simulation. By adding random vibration module into the model, the working state of safety valve under random vibration is effectively simulated. and several influencing factors are analyzed. Results reveal that friction between sleeve and shell is the main factor, while oriented structure of moving piston also had some influences. Then safety valve was improved, experiment proved flutter was greatly improved. The study served as a guidance to performance analysis and improvement of valve under random vibration.

Random vibration; Safety valve; Flutter

TJ760.6+24

a

1004-7182(2016)01-0031-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160108

2014-08-18；

2014-12-24

王劍中（1974-），男，研究員，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究