秦新亞， 王學生， 劉延斌， 陳琴珠， 趙 賽

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院， 上海 200237； 2.上海航天精密機械研究所， 上海 201600)

引言

減壓閥是導彈/發(fā)射筒上氣源裝置中必不可少的附件之一，用于氣源裝置高壓氣瓶出口氣體的減壓與穩(wěn)壓，高壓氣體流經(jīng)閥芯與閥座之間的狹窄通道，受到節(jié)流作用，從而達到減壓的目的[1-2]。氣源裝置用于為導引頭紅外探測器致冷提供氣源，氣源裝置中的電爆管起爆后，氣瓶內(nèi)的高壓氣體(一般為高純氬氣或氮氣)通過減壓閥減壓后流向紅外探測器，系統(tǒng)原理如圖1所示。氣源裝置分為兩類，一類為筒上氣源裝置，另一類為彈上氣源裝置[3-4]。某型號單發(fā)產(chǎn)品對氣源裝置的需求量每年達到上千枚， 此外還有兩種型號的導彈也需要該類型的氣源裝置，所以減壓閥作為該氣源裝置的關(guān)鍵單機，其需求量非常大，同時對該氣源裝置的需求緊迫。

1.高壓氣瓶 2.電爆管 3.減壓閥 4.單向閥 5.紅外探測器

某型號單發(fā)產(chǎn)品所需要的氣源裝置的氣源壓力為超高壓氣體，最高可達51.0 MPa，變化范圍為10.5～51.0 MPa，出口壓力不小于9.5 MPa，現(xiàn)行國家標準規(guī)定的進口壓力的范圍變化一般控制在進口壓力的80%～105%，經(jīng)減壓后的氣體壓力一般為閥前壓力的1/2，該氣源裝置中的減壓閥工況已遠超過其要求，其減壓閥的性能對導彈/發(fā)射筒的正常工作有著直接的影響，因此對減壓閥的靜態(tài)特性要求較高。氣源裝置對減壓閥的基本要求是：在一定輸出流量范圍內(nèi)，輸出壓力與輸入壓力變化要求較高；結(jié)構(gòu)簡單，重量輕；能在產(chǎn)品要求的環(huán)境條件下可靠、安全地工作。因此都是采用零件少而簡單的直動形式[5]，同時該減壓閥為小流量減壓閥，宜采用正向形式，所以設計了一種正向直動式減壓閥。本研究通過建立某型號單發(fā)產(chǎn)品上減壓閥靜態(tài)特性數(shù)學模型，應用AMESim軟件對減壓閥進行建模仿真分析，研究彈簧總剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其特性的影響，為該減壓閥的改進和重新設計提供了一定的依據(jù)。

1 減壓閥結(jié)構(gòu)組成及工作原理

減壓閥的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，三維模型的外形圖與截面圖如圖3所示，主要由調(diào)節(jié)彈簧、反饋腔敏感活塞、錐形閥芯、復位彈簧、阻尼孔和調(diào)節(jié)螺母等組成。

1.調(diào)節(jié)彈簧 2.反饋腔活塞 3.錐形閥芯 4.復位彈簧 5.阻尼孔 6.調(diào)節(jié)螺母

圖3 減壓閥三維模型外形與截面圖

減壓閥是一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，工作原理如下：處于非工作狀態(tài)時，進口無壓力，該減壓閥的閥芯活門在調(diào)節(jié)彈簧和復位彈簧的作用下處于打開位置；高壓氣體從入口進入減壓閥的高壓腔內(nèi)，氣體經(jīng)過閥芯錐面與閥座之間的環(huán)形縫隙節(jié)流形成壓降，降壓后的低壓氣體進入低壓腔；低壓腔內(nèi)的氣體分為兩路，一路從出口流向負載，另一路經(jīng)過閥體上的阻尼孔流向反饋腔；高壓腔壓力作用在閥芯上，凸臺的力用來抵消高壓腔壓力作用在閥芯錐面上的力，減小進口壓力對出口壓力的影響；在低壓腔壓力作用在閥芯上的力、反饋腔壓力作用在敏感活塞上的力、當?shù)卮髿鈮鹤饔迷诿舾谢钊媳砻娴牧Α⒄{(diào)節(jié)彈簧力與復位彈簧力的共同作用下，閥芯上下移動來改變節(jié)流面積，進行壓力的調(diào)節(jié)；當出口壓力高出額定輸出壓力時，作用在閥芯大端和敏感活塞上的力增大，力的平衡狀態(tài)遭到破壞，帶動閥芯向上移動，節(jié)流面積減小，輸出壓力減小，直到達到新的力平衡，保持穩(wěn)定的額定出口壓力；相反，當出口壓力低于額定輸出壓力時，力帶動閥芯向下移動，節(jié)流面積增大，輸出壓力增大；通過調(diào)節(jié)螺母，可以改變閥后輸出壓力。

2 減壓閥的靜態(tài)數(shù)學模型

在建立減壓閥的靜態(tài)特性數(shù)學模型前，作以下假設：工作氣體為理想氣體；在減壓閥中的流動為定常絕熱流動；氣體在減壓閥各個腔室的溫度相同；工作過程中流量系數(shù)不變；忽略摩擦力；忽略泄漏[6-7]。

2.1 氣體質(zhì)量流量方程

當減壓閥處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，閥芯與閥座之間的節(jié)流口可近似當作收縮噴嘴來處理[8]，其節(jié)流口的進口質(zhì)量流量為[9]：

(1)

式中，Qm1—— 進口質(zhì)量流量

Cd—— 節(jié)流口處的流量系數(shù)

p1—— 進口壓力

p2—— 出口壓力

Ath—— 節(jié)流口面積

Rg—— 氣體常數(shù)

T1—— 進口溫度

此處Ath=πdhsinα-πh2sin2αcosα，可簡化為[10]：

Ath=πdhsinα

(2)

式中，d—— 閥道通徑

h—— 閥門穩(wěn)態(tài)工作時的開口量

α—— 錐形閥芯半角

根據(jù)p2/p1與臨界壓力比的大小，分為以下兩種情況[11-13]：

當p2/p1>ε時，為亞聲速流動：

(3)

當p2/p1<ε時，為聲速流動：

(4)

式中，k為氣體絕熱指數(shù)；ε為臨界壓力比。

2.2 連續(xù)方程

根據(jù)質(zhì)量流量連續(xù)原理，減壓閥的進口質(zhì)量流量與出口質(zhì)量流量相等：

Qm1=Qm2

(5)

(6)

式中，Qm2—— 出口質(zhì)量流量

Aj—— 出口負載節(jié)流口面積

p0—— 當?shù)卮髿鈮?/p>

T2—— 出口溫度

2.3 靜力平衡方程

閥芯受力圖如圖4所示，其中,F1=p1A1；F2=p2A2；F3=p0A6；F4=p2A3；F5=p1A4；F6=p3A5；Ft=K1X1+K1(H-h)；Ff=K2X2-K2(H-h)。

圖4 閥芯受力圖

在靜態(tài)條件下，忽略閥芯的質(zhì)量，減壓閥閥芯的受力平衡方程如下：

p1A1+p2A2+p0A6+K1X1+K1(H-h)

=p2A3+p1A4+p3A5+K2X2-K2(H-h) (7)

式中，p3—— 反饋腔壓力

A1—— 進口壓力在錐形閥芯作用面積

A2—— 出口壓力在錐形閥芯作用面積

A3—— 出口壓力在閥芯大端作用面積

A4—— 進口壓力在高壓腔凸臺作用面積

A5—— 反饋壓力在反饋腔活塞作用面積

A6—— 調(diào)節(jié)彈簧腔室受大氣壓力作用面積

K1—— 調(diào)節(jié)彈簧的剛度系數(shù)

K2—— 復位彈簧的剛度系數(shù)

X1—— 調(diào)節(jié)彈簧的預壓縮量

X2—— 復位彈簧的預壓縮量

H—— 閥門的初始開口量

A1,A2的計算公式為[14]：

(8)

式中，d1—— 閥桿直徑

d3—— 閥芯大端直徑

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(5)、式(6)得：

(9)

將式(9)代入式(7)得到該減壓閥的靜態(tài)特性數(shù)學模型：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+K1X1-

額定工況點靜態(tài)方程為：

p10(A10-A4)+p20(A20-A3)-p30A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h0)=0

(11)

改變閥前壓力p1，當穩(wěn)定在另一工況點時，靜態(tài)方程如下：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h)=0

(12)

改變工況后，閥芯移動量極小，所以A1≈A10，A2≈A20，式(12)減去式(11)得該減壓閥的靜態(tài)特性偏差方程：

(13)

3 AMESim建模

根據(jù)該減壓閥的結(jié)構(gòu)及其工作原理，建立的AMESim模型，如圖5所示，主要參數(shù)設置如表1所示。

表1 減壓閥AMESim模型參數(shù)表

圖5 減壓閥AMESim模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 減壓閥靜態(tài)特性

壓力特性曲線反映出口壓力與進口壓力的關(guān)系，當流量控制不變時，改變進口壓力p1的值，觀察出口壓力值p2的變化，出口壓力值變化的越小，減壓閥的壓力特性越好[15]。

圖6為該減壓閥的壓力特性曲線，其橫坐標是減壓閥的進口壓力，變化范圍為0～51 MPa，縱坐標為出口壓力；圖7為輸出壓力偏差與輸入壓力的關(guān)系曲線。由圖6、圖7可以得出：在進口壓力較低時，輸出壓力低于額定輸出壓力，負偏差較大；在輸入壓力遞增的情況下，其輸出壓力呈遞增趨勢，在進口壓力大于13 MPa后，輸出壓力在9.8～10.1 MPa之間波動，調(diào)節(jié)精度的偏差在-2%～1%之間。

圖6 壓力特性曲線

圖7 壓力特性偏差曲線

流量特性曲線反映的是出口壓力與流量的關(guān)系，當進口壓力控制不變時，改變流量的值，觀察出口壓力的值的變化，出口壓力值變化的越小，減壓閥的流量特性越好[10]。

圖8為該減壓閥的流量特性曲線，其橫坐標是質(zhì)量流量，變化范圍為0～50 g/s，縱坐標為出口壓力，圖9為輸出壓力偏差與流量的關(guān)系曲線?？梢缘贸觯涸谫|(zhì)量流量遞增的情況下，其出口壓力呈現(xiàn)下降趨勢，隨著進口壓力的降低，下降趨勢越明顯，流量特性越差。

圖8 流量特性曲線

圖9 流量特性偏差曲線

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜態(tài)特性的影響

從靜態(tài)特性偏差方程式(13)可以看出，影響減壓閥出口壓力偏差的因素較多，例如閥前壓力和溫度等，但最主要的影響因素是減壓閥的結(jié)構(gòu)因素[16]，減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設計是否合理直接影響到其工作過程壓力特性的好壞[17]，主要分析閥芯半角、反饋腔活塞面積、彈簧總剛度。

1) 閥芯半角

從式(13)可以看出，Δp2與A1，A2有關(guān)，從式(8)可以看出，Δp2與閥芯半角有關(guān)，取閥芯半角分別為20°，30°，40°，在AMESim中進行仿真分析，觀察其對出口壓力偏差Δp2的影響，如圖10所示。

由圖10可知，閥芯半角對減壓閥的調(diào)節(jié)精度影響較明顯，隨著閥芯半角增大時，其壓力調(diào)節(jié)精度越高，在進口壓力較低時閥芯半角對調(diào)壓精度的影響最明顯。

圖10 不同閥芯半角的壓力特性曲線

2) 反饋腔活塞面積

取活塞直徑為15， 20， 25， 30，35 mm，在AMESim中進行仿真分析，如圖11所示。

由圖11可知，活塞面積對減壓閥的調(diào)壓精度影響較大，活塞的直徑越大，減壓閥的調(diào)壓精度越高，尤其當閥前壓力較低時，影響更加明顯。對比活塞直徑分別為15, 20 mm兩種情況，當閥前壓力為15 MPa時，其輸出壓力相差較大，為0.18 MPa；當閥前壓力為50 MPa 時，相差為0.05 MPa，是因為活塞的直徑越大，活塞對壓力的敏感度越高，輸入壓力較低時，調(diào)節(jié)精度也就越高。當閥前壓力為15 MPa時，減壓閥活塞直徑分別為30, 35 mm的輸出壓力相差0.02 MPa，閥前壓力較高時，輸出壓力相差更小，所以當活塞面積增加到一定值時，調(diào)節(jié)精度不再有明顯提高，可得出敏感活塞面積的適當增大能夠提高減壓閥的調(diào)節(jié)精度，但同時應考慮減壓閥的尺寸。

圖11 不同活塞直徑的壓力特性曲線

3) 彈簧總剛度

取彈簧總剛度分別為500， 850， 1200 N/mm進行仿真分析，如圖12所示。彈簧剛度對減壓閥的調(diào)壓精度存在影響，彈簧剛度越小，減壓閥的調(diào)壓精度越好，尤其在輸入壓力較低的情況下。但當彈簧剛度變小時，減壓閥的減壓過程容易出現(xiàn)壓力波動，所以并非彈簧剛度越小越好。當輸入壓力為15 MPa時，彈簧剛度分別為500， 1200 N/mm的輸出壓力僅相差為0.11 MPa，所以彈簧剛度的小幅度變化對減壓閥的調(diào)壓精度影響較小。

圖12 不同彈簧總剛度的壓力特性曲線

5 結(jié)論

本研究針對導彈/發(fā)射筒氣源裝置的減壓閥，建立了數(shù)學模型，并在AMESim軟件中搭建了仿真模型進行分析，討論了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對減壓閥壓力特性的影響。得出以下結(jié)論：

(1) 錐形閥芯半角的增大能夠提高減壓閥的調(diào)壓精度；

(2) 敏感活塞面積的增大能夠提高減壓閥的調(diào)節(jié)精度，面積增大到一定值時，調(diào)節(jié)精度無明顯提高，同時需考慮減壓閥的尺寸；

(3) 彈簧總剛度越小，減壓閥的調(diào)節(jié)精度越高。