方瑞祥，王學(xué)生， 劉延斌，陳琴珠， 趙 賽

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

引言

安全閥是導(dǎo)彈發(fā)射筒裝置上必不可少的附件之一，用于導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)發(fā)射筒的安全卸壓，當(dāng)發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力達(dá)到安全閥設(shè)定值(0.042±0.003)MPa時(shí)，安全閥閥芯開(kāi)啟，高壓氣體通過(guò)閥芯流道向外排放，發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力降低，當(dāng)安全閥彈簧預(yù)緊力大于發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力時(shí)，安全閥閥芯復(fù)位，安全閥關(guān)閉，從而達(dá)到降低導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)壓力，保護(hù)空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣箱的目的[1-2]。某些壓縮空氣彈射系統(tǒng)中，主要包括高壓儲(chǔ)氣箱、安全閥、導(dǎo)管、彈托、滑塊及發(fā)射筒等?？諝鈮嚎s機(jī)提前將氣體注入高壓儲(chǔ)氣箱內(nèi)，形成高壓彈射動(dòng)力源，儲(chǔ)氣箱控制閥打開(kāi)，此時(shí)安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓氣體沿導(dǎo)氣管路快速進(jìn)入發(fā)射筒。隨著高壓氣體的持續(xù)注入，彈托推動(dòng)導(dǎo)彈沿發(fā)射筒運(yùn)動(dòng)并出筒，滑塊起到導(dǎo)向作用，高壓氣體注入發(fā)射筒是一個(gè)極其快速的過(guò)程，彈托迅速推動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射。彈托由于壓力作用，移動(dòng)到滑塊位置，此時(shí)發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力持續(xù)增加，達(dá)到安全閥設(shè)定值(0.042±0.003)MPa時(shí)，出于對(duì)空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣箱的保護(hù)，安全閥開(kāi)始卸壓，當(dāng)發(fā)射筒內(nèi)壓力降到安全閥閉合壓力0.028 MPa以下時(shí)，完成一個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射周期，整個(gè)壓縮空氣彈射系統(tǒng)將重新開(kāi)始準(zhǔn)備工作。某型號(hào)單發(fā)導(dǎo)彈發(fā)射筒裝置需求量很大，安全閥作為必不可少的附件之一，其需求量也很大，對(duì)該裝置的需求尤為緊迫。基于此背景對(duì)發(fā)射筒安全閥進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

1 安全閥技術(shù)要求

某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，發(fā)射筒內(nèi)氣體為氬氣，壓力達(dá)到(0.042±0.003)MPa時(shí)，安全閥要可靠開(kāi)啟，在0.05 MPa壓力下，安全閥排放量需要大于150 L/min，閉合壓力小于0.028 MPa。由于所用安全閥部位直接內(nèi)裝在某型導(dǎo)彈發(fā)射筒管路上，筒內(nèi)氣體壓力不高，所需排氣量較小，故采用螺紋連接微啟式安全閥即可滿(mǎn)足排放要求，其排氣時(shí)安全閥開(kāi)啟高度為流道直徑的1/40～1/20，動(dòng)作過(guò)程為比例作用式。綜上，此安全閥選用螺紋連接微啟式安全閥[3]。

按照此工況要求，設(shè)計(jì)出一種新型螺紋連接微啟式安全閥，其靈敏度好，安全性高，能在要求工況下可靠、穩(wěn)定的工作。此外，由于氣體安全閥相關(guān)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響的研究很少，所以本研究基于所設(shè)計(jì)的彈簧微啟式安全閥，建立其AMESim模型[4-6]，進(jìn)一步研究其閥芯質(zhì)量、彈簧剛度、安全閥流道直徑、安全閥容積腔體積對(duì)該安全閥入口壓力、流量、閥芯速度及閥芯振幅的影響，為該類(lèi)型安全閥的改進(jìn)和優(yōu)化提供了依據(jù)[7]。

2 安全閥模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

該安全閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其工作原理如下：當(dāng)發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力升高超過(guò)彈簧預(yù)緊力時(shí)，安全閥閥瓣打開(kāi)，介質(zhì)排放，防止發(fā)射筒內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)壓力下降，小于彈簧預(yù)緊力時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。

1.彈簧 2.閥芯 3.流道 4.密封面 5.容積腔圖1 安全閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

建立安全閥的靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型前，做如下假設(shè)：其工作氣體為理想氣體，在安全閥中的流動(dòng)不考慮作外功，軸功為0；只考慮水平管線(xiàn)，忽略位能；流過(guò)時(shí)間短，作絕熱考慮；無(wú)摩擦阻力，可逆等熵膨脹[8]。

1) 質(zhì)量守恒控制方程

(1)

式中，ΔG—— 質(zhì)量流率變化，kg/s

w1—— 入口介質(zhì)平均流速，m/s

w2—— 出口介質(zhì)平均流速，m/s

A1—— 入口流道面積，m2

A2—— 出口流道面積，m2

ν1—— 入口介質(zhì)比容，m3/kg

ν2—— 出口介質(zhì)比容，m3/kg

2) 能量方程

理想氣體穩(wěn)定流過(guò)噴嘴的能量方程如下：

(2)

式中，h1—— 介質(zhì)入口焓值，kJ/mol

h2—— 介質(zhì)出口焓值，kJ/mol

3) 安全閥理論排量

(1) 氣態(tài)工質(zhì)在安全閥排放過(guò)程中達(dá)到臨界流動(dòng)時(shí)，理論排放量為：

(3)

(2) 氣體在亞臨界流動(dòng)時(shí)，安全閥理論排量為：

(4)

式中，M—— 摩爾質(zhì)量，kg/kmol

Z—— 氣體壓縮系數(shù)

Rm—— 熱力學(xué)常數(shù)比摩爾質(zhì)量，kg/kmol

T1—— 介質(zhì)入口溫度，K

pd—— 實(shí)際排放壓力，MPa

pb—— 背壓力，MPa

k—— 絕熱指數(shù)，無(wú)量綱

Ad—— 排放面積，m2

4) 靜力平衡方程

安全閥工作時(shí)分為閉合狀態(tài)、臨界開(kāi)啟狀態(tài)、穩(wěn)定排放狀態(tài)3個(gè)階段，其平面密封受力如圖2所示。

(1) 閉合狀態(tài)：

(5)

(2) 開(kāi)啟臨界狀態(tài)：

(6)

(3) 穩(wěn)定排放狀態(tài)：

(7)

式中，λ—— 彈簧剛度系數(shù)，N/mm

F1—— 彈簧作用于密封面的壓力，N

p—— 氣體介質(zhì)壓強(qiáng)，MPa

Δh—— 閥芯開(kāi)口量，mm

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

安全閥結(jié)構(gòu)參數(shù)典型計(jì)算項(xiàng)目包括安全閥額定排量計(jì)算、閥座流道直徑、閥座密封面上計(jì)算比壓、彈簧理論計(jì)算閥體厚度[9]。設(shè)定額定排量等于被保護(hù)設(shè)備的安全泄放量，即可計(jì)算出安全閥必須的流道面積。

1) 閥座流道直徑

由安全閥技術(shù)指標(biāo)要求在0.05 MPa壓力下不小于150 L/min，假設(shè)額定排量最小為150 L/min，換算為氬氣質(zhì)量流量最小為4.46 g/s。確定安全閥流道直徑計(jì)算如下：

判斷在實(shí)際排放壓力0.05 MPa相對(duì)氣體壓強(qiáng)下，安全閥流道內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)：

(8)

安全閥流道里面的氣體流動(dòng)狀態(tài)為亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)排量計(jì)算公式需要滿(mǎn)足下式：

(9)

代入數(shù)值：氬氣體積流量Wt=150 L/min轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流量為Wt=4.46 g/s；pb背壓為大氣壓強(qiáng)，氬氣絕熱指數(shù)為k=1.65，計(jì)算出安全閥流道面積應(yīng)滿(mǎn)足：

Ad≥16.3 mm2

(10)

即，d0≥4.6 mm，根據(jù)《實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10]，取安全閥流道直徑為d0=15 mm。

2) 閥座密封面上計(jì)算比壓

安全閥在密封狀態(tài)時(shí)閥瓣下端受介質(zhì)作用力p，方向向上，閥瓣上端受到彈簧向下的壓力，彈簧力F1大于介質(zhì)作用力，安全閥保持密封狀態(tài)。閥座密封面平均直徑Dm綜合考慮工作壓力和密封圈材料的抗壓強(qiáng)度[11-12]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)按以下公式計(jì)算選取合適的Dm值：Dm=d0+b，取b=1.0 mm，Dm=16 mm，b為密封面寬度，一般選0.5～1 mm。

當(dāng)被保護(hù)設(shè)備處于正常運(yùn)行壓力，相當(dāng)于安全閥的密封壓力p時(shí)，安全閥密封面上的比壓應(yīng)大于或等于必須比壓，即：

(11)

式中，q1—— 介質(zhì)壓力為p時(shí)密封面比壓力，MPa

ps—— 安全閥整定壓力，MPa

qMF—— 密封面必須比壓，MPa

代入Dm=16 mm，ps=0.042 MPa，正常運(yùn)行壓力p為0.028 MPa以下，計(jì)算出必須密封比壓最小取0.056 MPa。

當(dāng)安全閥進(jìn)口無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，密封面上的比壓應(yīng)小于或等于許用比壓，即：

(12)

式中，q2—— 全閥進(jìn)口無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)密封面上比壓，MPa

[q] —— 密封面許用比壓，MPa

代入數(shù)值計(jì)算得：[q]≥0.568 MPa，密封材料選用丁晴橡膠，其許用比壓為3 MPa，可滿(mǎn)足使用要求，并且這種材料具有良好的耐磨性，耐老化性及氣密性。

3) 彈簧理論計(jì)算

計(jì)算安全閥彈簧剛度公式如下：

(13)

式中，pp—— 穩(wěn)定排放壓力，MPa

pk—— 開(kāi)啟壓力，MPa

h—— 閥瓣開(kāi)啟高度，mm

彈簧預(yù)緊力為：

(14)

代入數(shù)值計(jì)算彈簧剛度為λ=10 N/mm，彈簧預(yù)緊力為Fs=9 N。

3 安全閥AMESim仿真模型的建立

根據(jù)該安全閥的結(jié)構(gòu)及其工作原理，并參考相關(guān)研究[13-17]，建立的AMESim仿真模型如圖3所示。

AMESim仿真模型中的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖3 安全閥AMESim仿真模型

4 安全閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析

4.1 仿真結(jié)果

安全閥氣源壓力為分段壓力，0～2 s氣源壓力為0～0.05 MPa線(xiàn)性增加，2～5 s為穩(wěn)定氣源壓力0.05 MPa，圖4為安全閥入口壓力和出口流量圖，當(dāng)安全閥氣源壓力增加到0.04 MPa時(shí)，安全閥閥瓣打開(kāi)，安全閥可靠開(kāi)啟，開(kāi)始卸壓，致使安全閥入口壓力上升變緩，出口流量逐漸增加，隨著氣源壓力增加到0.05 MPa，安全閥入口壓力達(dá)到最大，超過(guò)安全閥整定壓力，安全閥全部打開(kāi)，安全閥穩(wěn)定排放介質(zhì)，入口壓力穩(wěn)定在0.045 MPa，出口流量達(dá)到8 g/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安全閥排放要求，所以設(shè)計(jì)的此安全閥性能良好，滿(mǎn)足工況要求。

表1 安全閥AMESim仿真參數(shù)表

圖4 安全閥壓力流量曲線(xiàn)

4.2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響

該安全閥性能指標(biāo)雖然達(dá)到了工況要求，但為了進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，需分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，主要分析流道直徑、容積腔體積、閥芯質(zhì)量、彈簧剛度4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，氣源壓力設(shè)置為0.05 MPa恒定壓力源。

1) 流道直徑

根據(jù)安全閥排量計(jì)算公式可知，流道面積的不同會(huì)影響排量。依次選取流道直徑為15，16，17 mm，得出不同流道直徑下，安全閥入口壓力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5，出口流量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6，閥芯振幅變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7、閥芯速度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

圖5 不同流道直徑對(duì)應(yīng)入口壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖6 不同流道直徑對(duì)應(yīng)出口流量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖7 不同流道直徑對(duì)應(yīng)閥芯振幅隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖8 不同流道直徑對(duì)應(yīng)閥芯速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

可以從入口壓力變化趨勢(shì)圖5中看出流道直徑為15 mm時(shí)，安全閥穩(wěn)定排放時(shí)入口壓力為0.045 MPa；流道直徑為16 mm時(shí)，入口壓力穩(wěn)定在0.043 MPa；流道直徑為17 mm時(shí)，入口壓力穩(wěn)定在0.040 MPa；流道直徑越大，超調(diào)量越大，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越差。

從安全閥出口流量變化趨勢(shì)圖6中可以看出，流道直徑越大，出口流量越大，三種流道直徑穩(wěn)定排放下的流量值都大于工況要求4.46 g/s。

從閥芯振幅變化趨勢(shì)圖7和閥芯速度變化趨勢(shì)圖8中，可以看出在滿(mǎn)足壓力和流量要求下，流道直徑越小，閥芯振幅和速度波動(dòng)越小，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好。

2) 容積腔體積

為了研究安全閥容積腔對(duì)安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響，設(shè)置容積腔體積V分別為0.3, 0.5, 0.7 L。

從安全閥入口壓力變化趨勢(shì)圖9中可以看出，容積腔體積為0.7 L時(shí)，安全閥響應(yīng)時(shí)間比0.3 L和0.5 L 容積腔體積時(shí)要稍長(zhǎng)，波動(dòng)幅度也幾乎相等；三者穩(wěn)定排放時(shí)，入口壓力值都相等，為0.045 MPa，出口流量變化趨勢(shì)圖10中流量值也相等，為8.5 g/s。

圖9 不同容積腔體積對(duì)應(yīng)入口壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖10 不同容積腔體積對(duì)應(yīng)出口流量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

從閥芯振幅變化趨勢(shì)圖11和閥芯速度變化趨勢(shì)圖12看出，容積腔體積越大，振幅和速度波動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，幅度越大，通過(guò)比較，當(dāng)容積腔體積為0.3 L時(shí)，即在滿(mǎn)足壓力和排放量要求下，容積腔體積越小，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最好。

圖11 不同容積腔體積對(duì)應(yīng)閥芯振幅隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖12 不同容積腔體積對(duì)應(yīng)閥芯速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

3) 閥芯質(zhì)量

為研究安全閥閥芯質(zhì)量對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，分別設(shè)置閥芯質(zhì)量為0.3，0.6，0.9 kg。

從入口壓力變化趨勢(shì)圖13和出口流量變化趨勢(shì)圖14中可以看出，閥芯質(zhì)量為0.9 kg時(shí)，閥口壓力和出口流量變化波動(dòng)時(shí)間比閥芯質(zhì)量為0.3 kg和0.6 kg的閥口壓力變化時(shí)間要長(zhǎng)，且波動(dòng)幅度稍大，但最后穩(wěn)定值相等，壓力穩(wěn)定值都為0.045 MPa，流量穩(wěn)定值都為8.5 g/s。

圖13 不同閥芯質(zhì)量對(duì)應(yīng)入口壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖14 不同閥芯質(zhì)量對(duì)應(yīng)出口流量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

從閥芯振幅變化趨勢(shì)圖15和閥芯速度變化趨勢(shì)圖16可以看出，三者穩(wěn)定排放狀態(tài)下，閥芯振幅都為0.6 mm，但質(zhì)量為0.9 kg時(shí)，其振動(dòng)幅度和速度的波動(dòng)時(shí)間要更長(zhǎng)，所以在滿(mǎn)足壓力和排放量要求下，閥芯質(zhì)量越小，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好。

圖15 不同閥芯質(zhì)量對(duì)應(yīng)閥芯振幅隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖16 不同閥芯質(zhì)量對(duì)應(yīng)閥芯速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4) 彈簧剛度

為研究安全閥彈簧剛度對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，下面分別設(shè)置彈簧剛度分別為10，15，20 N/mm。

從入口壓力變化趨勢(shì)圖17和出口流量變化趨勢(shì)圖18中，可以看出彈簧剛度為10 N/mm時(shí)，壓力超調(diào)量最大，入口壓力最大，出口流量最大；彈簧剛度為20 N/mm 時(shí)，壓力超調(diào)量最小，且穩(wěn)定排放量為5 g/s，滿(mǎn)足排放要求。

圖17 不同彈簧剛度對(duì)應(yīng)入口壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖18 不同彈簧剛度對(duì)應(yīng)出口流量隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖19 不同彈簧剛度對(duì)應(yīng)閥芯振幅隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖20 不同彈簧剛度對(duì)應(yīng)閥芯速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

從閥芯振幅變化趨勢(shì)圖19和閥芯速度變化趨勢(shì)圖20中看出，彈簧剛度為20 N/mm時(shí)，振幅波動(dòng)最小，且穩(wěn)定值為0.32 mm，閥芯速度波動(dòng)幅度也最小，所以在滿(mǎn)足壓力和排放量要求下，彈簧剛度越大，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)在導(dǎo)彈發(fā)射筒上安全閥的動(dòng)態(tài)特性，建立了數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了某種工況下的安全閥相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在AMESim軟件中搭建了仿真模型，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響。得出以下結(jié)論，在滿(mǎn)足安全閥壓力和流量要求的前提下：

(1) 適當(dāng)減小流道直徑，安全閥壓力超調(diào)量會(huì)減小，閥芯振幅和速度也減小；

(2) 適當(dāng)減小容積腔體積，安全閥壓力、流量曲線(xiàn)波動(dòng)時(shí)間越短，閥芯振幅和速度都減??；

(3) 閥芯質(zhì)量減小，安全閥從開(kāi)啟到穩(wěn)定排放時(shí)間越短，閥芯振幅和速度都減小，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好；

(4) 彈簧剛度適當(dāng)增大，安全閥壓力超調(diào)量減小，閥芯振幅和速度都減小，安全閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好。