高速透气阀开启过程的气动建模与实验研究.pdf

2 0 1 2年 9月 第 4 0卷 第 1 7期 机床与液压 MAC HI NE T OOL HYDRAULI C S S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 7 ． 0 0 8 高速透气阀开启过程的气动建模与实验研究 樊继开 ，王存 堂 江苏大学机电控制技术研究所，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要为了研究高速透气阀开启过程中气体的流动特性及其影响因素，首先根据透气阀的工作原理和工作过程，提出 相应的假设条件，进而基于能量守恒定律、流体力学理论 ， 建立透气阀开启过程的气体流动模型， 并用 M A T L A B软件对模 型进行求解和分析，得到了油舱容积分别为 1 0 0 m 。 ，1 0 0 0 m 时气体的压力、流速和流量随时间的变化关系，以及气体的 流动特性与阀口的流量系数、阀口面积、气体的温度和密度以及绝热指数有关的结论。实验的结果与计算的结果吻合。 关键词流体传动与控制；流动模型；曲线插值 中图分类 号 T H1 3 8 ． 5 21 文献标 识码 A 文章编 号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 7 0 2 65 Ae r o d y na mi c M o d e l i ng a n d Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o f Op e n Pr o c e s s o n t h e Hi g h S pe e d Ve n t Va l v e F AN J i k a i 。WA NG C u n t a n g Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l C o n t r o l T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e 。 J i a n g s u U n i v e r s i t y ，Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o r r e s p o n d i n g a s s u mp t i o n s w e r e p u t f o r w a r d fi r s t l y ，a c c o r d i n g t o t h e wo r k i n g p r o c e s s a n d p rin c i p l e o f the h i【g h s p e e d v e n t v a l v e i n o r d e r t o s t u d y t h e fl o w c h a r a c t e ris t i c s o f g a s a n d t h e i r i n fl u e n c i n gc t o m d u ri n g t h e o p e n p r o c e s s ． T h e n，t h e g a s fl o w mo d e l o f t h e o p e n p r o c e s s W a S e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y a n d t h e F l u i d me c h a n i c s the o r y ． At t h e s a n l e t i me ， t h e MAT L AB s o f t w are w a s u s e d t o s o l v e an d a n a l y z e t h e mo d e 1 ． T h e r e l a t i o n s h i p a mo n g the g aS p r e s s u r e a n d fl o w r a t e a n d v e l o c i t y c h a n g e d a l o n g wi th t h e t i me W a S o b t a i n e d wh e n t h e o i l t a n k v o l u me w a s a t 1 0 0 c u b i c me t e rs a n d 1 0 0 0 c u b i c me t e r s r e s p e c t i v e l y ． T h e c o n c l u s i o n t h a t t h e fl o w c h a r a c t e ris t i c s o f g aS wa s r e l a t e d t o t h e fl o w c o e ffic i e n t o f v alv e p o r t ，t h e a r e a o f p o rt v alv e，the g a s t e m p e r a t u r e a n d d e n s i t y a n d a d i a b a t i c i n d e x wa s d r a wn a s w e l 1 ． T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s are i n a e e me n t wi t h t h e e x p e r i me n t al r e s u l t s ． Ke y wo r d s F l u i d t r a n s mi s s i o n an d c o n t r o l ；F l o w mo d e l ； C u r v e i n t e r p o l a t i o n 货油舱高速透气阀是控制式透气系统必须装备的 压力／ 真空阀，用于石油、化学品、液化石油气 、液 化天然气运输船舶及超大型油船生产储油系统，可以 释放货油舱内的油气压力，确保船舶航行、装卸和加 载过程中舱内维持正常的压力 。它的工作性能以 及可靠性对保证油罐及储油的安全性至关重要。目前 该领域 的研 究 主要集 中在透 气 阀 的结 构改 进 方 面 ，作者从该阀启闭特性的角度考虑，建立了高 速透气阀开启过程的气体流动模型，分析了该阀开启 过程压力 、流速和流量随时间的变化规律及其影响因 素，为透气阀的优化设计 和性能评估提供 了理论依 据 。 1 高速透气阀的结构及工作原理 1 ． 1 高速透气阀的简化结构 高速透气阀的简化结构图如图 1 a 所示 ，主要 包括压力阀和真空阀两部分，其中压力阀又由上阀体 密封座 7 、上阀体 8 、三通下阀体 9和阀座 1 0四级串 联而成。上阀体密封座 7镶嵌在上阀体 8上部，真空 阀 1 与三通下阀体 9的侧面端 口通过接头固定连接 ， 导轴 3置于上阀体 8和上阀体密封座 7的腔内，该阀 杆上部伸出上阀体密封座 7且固定连接导流体 2 ，导 轴上方装有上、下磁环 5 、6 ，导轴下部设置有配重 块 4 。图 1 b 是透气 阀的实物图。 1 ． 2 工作原理 这种透气阀采用配重块重力、永磁力、阀腔气体 压力等相平衡的原理来控制阀口的开启和关闭。在装 载和压载作业工况下 ，当阀内气体的压力高于压力阀 设定的开启压力值时，高压气体就克服配重块的重力 和镶嵌在上、下磁环 5 、6内的上下磁铁之间的引力 而顶开导流体 2以每秒几十米甚至上百米的速度垂直 向上排至高空消散，当阀内压力降至压力阀的设置值 以下时，导流体便在磁铁引力和配重块的重力作用下 自行复位，致使压力阀关闭；同理 ，在卸载工况下， 阀内的负压降至真空阀的设定压力时，外界空气便顶 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 3 0 基金项目江苏省重大科技支撑与自主创新专项引导资金项目 B E 2 0 0 8 0 9 3 作者简介樊继开 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为机电液一体化。E ma i l f a n _ j i k a i 1 6 3 ． c o rn。 第 1 7期 樊继开 等高速透气阀开启过程的气动建模与实验研究 2 7 开真空阀的阀盘而进入阀内，从而保证阀内气压不至 于过低。透气阀所具备的上述排气和进气功能，使得 油舱内的气压值稳定在一定的范围之内，这就避免了 油船因舱内的气压过高或过低而引发的事故，对于保 证船舶和船员的安全具有重大意义。 a 结构 图 5 6 l 一真空阀 7 2 一导流体 8 3 轴 4 一配重块 5 一上磁环 与阀杆固结 6 下磁环 固定在导流体 E 9 7 -- 8 一上阀体 9 一三通下阀体 1 0 l O 一阀座 b 实物 图 图 1 透气 阀的结构 图及 实物 图 2 开启过程气体流动模型的建立与求解 2 ． 1 气体 流动 模 型的建 立 为了更好地研究透气阀的启闭特性，对开启过程 的流动特性进行讨论，并作如下假设 ① 气体 流经气阀的流动，视为一元稳定等熵的理想气体流 动；② 不考虑管道的压力脉动，忽略摩擦力；③ 气 体流量系数为定值；④ 视气体的排气过程为绝热过 程 。 根据 能量 守恒 定 律 ，在 导 流体 开启 过 程 中 ，在 时间内有 d m公斤气体流出阀腔，考虑到管道内和 油箱内气体的体积 变化不大，故视 为定值，则阀 内气体减少的能量为 h d m一 d U 1 式中h为阀内单位高压气体的滞止焓 ，J ／ k g ； d U为阀内因流 出气体使其总 内能减少 的数 值 ，J 。 根据理想气体的性质和绝热过程方程 气体的焓hC p T 状态方 程 P V m R T 气体常数 R C 。 一 C 内能 “ c T 绝热指数 r ，c ，c 分别是气体的比定容 CV 热容和 比定压热容 根据 以上各式可得 d U d m u c d m - d p 如 2 将式 2 代人式 1 并整理得 r RT d mV d p 0 3 根据设计要求，导流体的开启高度很小，从而气 体流出的通流面积也很小，相对于整个油仓和管道的 容积来说，可以将气体的排出视为间隙流出，而通过 阀隙的气体质量可用下式计算 dm - ． o d t a Auo p o d t 4 To 式中u 。 为阀隙处气体的流速；P 。为阀隙处气体的 密度 ，近似认为是外界空气的密度； 。 为阀隙处 p0 气体的比体积 ；A为阀隙通流截面面积 ； 为对应 于阀隙通流截面的气体流量系数。 阀隙气体流速可由气体的一维等熵流动的伯努利 方程式 导出，在气阀内部 ，气体流速近似为0 ， 等 P _ o 一U o 5 2 p 0 一 5 式中 0 ； P， P 。 分别为阀内气体和外界空气的密 度；P ， P 。 分别为阀内气体压力和大气压力 ， P p P 。 ， P是阀内气体高于大气压的压力，设定在初始时 刻 ，阀 内气压初值为 P 2 1 k P a 。 U ，Ⅱ 。 分别为阀 内和阀 口的气体流速。 由气体绝热流动的性质 得 P P o T ， 将式 3 、 4 、 6 联立可得 一二翌 d ￡一 6 7 将 公 式 ， R T 代 人 式 6 并 与 式 4 联立得 d m d t a A ,p 2 ／＼／ P o 7 P o -7 - 8 由 于p _ p n p， 故 ／ - 1 一 于是式 8 中最后一个根号部分可转化为 土 土 一 粤p 一 一 一 c9 ， 西 一 尉 2 8 机床与液压 第 4 0卷 将 1 一 和 1 一 用 泰 勒 二 项 式 展 开 式 ， 并整理得 一 一 一 字 一 三2 r r ⋯ 1 0 由于 很小 ，故可 以忽略式 1 o 右端 的 高次项 ，并代人式 8 得 1 1 流量系数 和面积 A的乘积称为有效通流面积。 式 4 、 1 1 联立得 lZ o 一 ／ 2 p p ． Po 由 于 l ≤ P ≤ ≤ 1 ． 2 l 1 ． 1 ， 所 以 p p 。 ， 从而 u。 √ ， 写 成 u √ c 2 方程 7 、 1 2 即为描述透气阀开启的气体流 动方程，计算时，相关参数的取值如表 1 。 表 1 各参数的取值 2 ． 2 模型的求解与分析 针对所建模型，用 M A T L A B软件进行求解，得 到液货舱容积分别为 1 0 0 m ， 0 0 0 IT I 的情况下，开 启过程中压力、流速、流量随时间的变化关系，如图 2所示 。 时间t l X1 0 s a 不同值 时压力随 时间的变化关系图 f 目 瑙 时间t t x1 0 s 1 b 嚏 不 同值时风速 随 时间的变化关系图 P ] t ／ x1 0 s c 明眨 不同值时流量随 时间的变化关系图 图2 仿真结果 3 实验研究 3 ． 1 实验方案与步骤 为了验证 以上理论分析的正确性，设计了如下实 验方案，试验系统原理图如图3所示。已知油仓容积 为 V 5 0 i n 3 ，阀内初始压力为 1 6 k P a 。 其简要实验过程如下 1 关闭阀门4 、9 ，打开阀门1 、1 0 ，启动罗茨 风机 2向气罐 1 9充气 ，并通过仪器、仪表和画面监 视系统观察系统的压力、流量等参数的变化； 2 开启计算机数据采集系统，记录流量、压 力、气流速度等参数随时间变化的规律； 3 选定所要的测量 区间，通过计算机 系统 分别给出① 流量 一压力衄线 ，② 流量 一位移 曲 线 。 l 、4 、9 、l O 一电动闸阀2 一空气滤清器卜 罗茨风机5 _ _ 压力表开关 6 一压力传感器7 压力表8 、l 6 一温度传感器 l 1 整流器 l 卜 流量计 双 向 l 3 一压力表开关1 4 一真空 、压力传感器 l 5 一真空 压力表1 7 一被试透气 阀l - “ 2 aD 激光位移传感器 l 9 一气罐2 O 可拆卸放气盖2 1 一水银压力计2 2 温度计 2 3 一摄像头2 4 一液 晶电视机2 5 _ _ l D电子屏 图 3 实验原理 实验结果如图4所示。 实验结果分析 图4 a 中，压力和流量曲线的上升部分为向气 阀及其管道中蓄气的实验准备阶段。由实验结果的图 4 b 可知，在高速透气阀开启瞬间，阀内的压力和 阀口的气体流量处于峰值状态，之后在短时间迅速下 降，体现了透气阀排气迅速的特点，这与前面仿真的 结果是吻合的。 ∞ ∞ ／ l 0 ＼ 一 6 二 ＼ l 寸 j 一 0 8 6 4 2O 86 4 2 第 1 7期 樊继开 等高速透气阀开启过程的气动建模与实验研究 2 9 压 力2 1 1 0 ． 0 ’ l 0 6 ． 0 ， 9 8． 0 9 0 ． 0 0 2． 0 7 4． 0 6 6 ． O 5 8 ． 0 5 0 ． 0 4 2 ． 0 3 4 ． 0 2 6 ． 0 1 8 ． 0 1 0 ． 0 2 ． 0 -6 ． O -1 4 ． 0 ．2 2 ． 0 ．3 0 ． 0 ．3 8 ． 0 -4 6 ． 0 ．5 4 ． 0 ．6 2 ． 0 ．7 0 ． 0 -78 ． 0 86 ． 0 ．94 ． 0 ．1 02 ． 0 -1 1 0 ． 0 压力2 1 1 0 ． 0 1 0 6 ． 0 9 8 ． 0 9 0 ． 0 8 2 ． 0 7 4 ． 0 6 6 ． 0 5 8 ． 0 5 0 ． O 4 2 ． 0 3 4 ． 0 2 6 ． 0 l 8 ． 0 1 0 ． 0 2 ． 0 -6 ． 0 -l 4 ． 0 ．2 2 ． 0 ．3 0 ． 0 -3 8 ． 0 ．4 6 ． 0 -5 4 ． 0 -6 2 ． 0 ．7 0 ． 0 ．7 8 ． 0 ．8 6 ． 0 ．9 4 ． 0 ．1 0 2 ． 0 ．1 1 0 ． 0 流 量温 度 风 速1 风 速2 O 0 ． 0 9 6 ． 0 9 2 ． 0 8 8 ． 0 8 4 ． 0 8 0． 0 7 6． 0 7 2 ． 0 6 8 ． 0 6 4 ． 0 6 0 ． 0 5 6 ． 0 5 2 ． 0 4 8 ． 0 4 4 ． 0 4 0 ． 0 3 6 ． 0 3 2 ． 0 2 8 ． 0 2 4 ． 0 2 0 ． 0 l 6 ． 0 1 2 ． 0 8． 0 4． 0 0 ． O 流量温度 风速 1 O 0． 0童O 0 ． 0 9 6 ． 0 9 2． 0 8 8 ． 0 8 4 ． 0 8 0 ． 0 7 6 ． 0 7 2 ． 0 6 8 ． 0 6 4 ． 0 6 0 ． 0 5 6 ． 0 5 2 ． 0 4 8 ． 0 4 4 ． 0 4 0 ． 0 3 6 ． 0 3 2 ． 0 2 8 ． 0 2 4 ． 0 2 0 ． 0 1 6 ． 0 1 2 ． 0 8 ． 0 4 ． 0 0 ． 0 9 6 ． 0 9 2 ． 0 8 8． 0 8 4． 0 8 0． 0 7 6． 0 7 2． 0 6 8． 0 6 4 ． 0 6 0 ． 0 5 6 ． 0 5 2 ． 0 4 0 ． 0 4 4 ． 0 4 0 ． 0 3 6 ． 0 3 2 ． 0 2 8 ． 0 2 4 ． 0 2 0 ． 0 1 6 ． 0 1 2 ． 0 8 ． 0 4 ． 0 0 ． 0 4 9 3 6 4 5 2 06 4 5 4 36 4 5 7 0 6 4 5 9 3 6 5 0 2 0 6 5 0 4 3 6 5 0 7 0 6 5 0 9 a 2 风 由静 镑 ～流 量 压 力2 f ～ ＼ 温度 ， 4 5 2 0 3 4 5 4 3 3 4 5 7 0 3 4 5 9 3 3 5 0 2 0 3 5 0 4 3 3 5 0 7 0 3 5 0 9 3 3 5 1 2 o 3 b 图 4 实验结果 3 0 机床与液压 第4 0卷 3 ． 2实验结果及分析 对上述实验结 果 进 行 曲线 拟合 ，结 果 如 图 5 所示 。 l 1 4 6 。 2 f； 7 X 4 ； 螺 时 间t ／ xt O s 时间t ／ x1 0 s a 曲线拟合后的实验结果 f 图 b 曲线拟合后的实验结果 图 图 5 实验结果的曲线拟合 4结论 对高速透气阀的开启过程中气体的流动状况建立 了模型，基于此模型分析了开启过程中压力 、流量、 流速随时间变化 的关系 ，通 过实验 验证 了模 型的合理 性，研究结论如下 1 由模型 可知 ，阀腔 压力 P的变化 率 与 阀 口 流量系数 O t 、阀口通流面积 A 、气体常数 尺与管道内 气体 的体积 有关 ， ，A ，R越 大 ，压力变化得就越 快， 越大，压力变化得就越慢；阀腔气体流速 “和 流量 q的变化率与管道内气体的体积 ，阀I I 流量系 数 和阀口通流面积 A以及混合气体的温度 和密 度P有关 ，V 、O ／ 、A、T越大，压力随时间变化得越 快 ；在阀内外压力差一定的情况下，混合气体的密度 P越小，则气体排放的速度 u和流量 q 就越大。此外， 变化速率还与绝热指数 r 有关。 2 由实验结果可知，货油舱内的气体升压过 程是缓慢的，但通过高速透气阀的排气过程是迅速 的。 参考文献 【 1 】 刘志勇． 高速透气阀性能分析及测试系统设计 [ D ] ． 镇 江 江苏大学机械学 院， 2 0 1 1 ． 【 2 】马少华． 高速压力真空透气阀 中国， Z L 2 0 0 6 2 0 0 4 5 2 9 5 ． 5 [ P ] ． 2 0 0 7 ． 【 3 】 黄起陆， 于江， 赵晓刚． 机械式呼吸阀的类型与通气性能 [ J ] ． 油气储运， 2 0 0 8 ， 2 7 1 0 5 1 5 6 ． 【 4 】A I G N E R R， M E Y E R G ． V a l v e D y n a m i c s a n d I n t e r n a l Wa v e s i n A R e c i p r o c a t i n g C o m p r e s s o r [ C ] ／ ／ C o n f e r e n c e o f t h e E F RC， An t we r p， 2 0 0 5 ． 【 5 】 S H U N i n g ， O T I S D R ， B E A C H L E Y N H ． F l o w M o d e l i n g f o r P n e u m a t i c C y l i n d e r A c t u a t i o n [ R] ． U n i v e r s i t y o f Wi s c o n s i n - Ma d i s o n，Me c h a n i c al E n g i n e e rin g D e p a r t me n t Re p o r t ME E P - 9 0 1， J a p a n， 1 9 9 0． 【 6 】 余策力， 李永林 ， 沈燕良 液压马达热力学模型研究及数 字仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 1 1 31 1 5 ． 【 7 】 童钧耕． 工程热力学[ M] ． 4版． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 5 3 05 0 ． 【 8 】 林梅 ， 吴业正． 压缩机 自动阀[ M] ． 西安 西安交通大学 出版社 ； 1 9 9 1 3 5 4 1 ． 【 9 】 林建忠， 阮晓东， 陈邦国， 等． 流体力学[ M] ． 北京 清华 大学出版社 ， 2 0 0 5 9 39 6 ． 【 1 0 】潘孝斌 ， 李小宁． 双活塞缸式气动真空发生器的理论模 型研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 0 0 1 0 3 ． 上接第 2页 整策 略，可利用 下 中、上台 的移 动实现，并且用 Ma t l a b 求解得到合理的加工方案。能够保证砂轮和工 件的切点磨削，并实现了满足约束条件下的磨削时间 最短 ，径向最大误差约为0 。 0 0 2 3 3 i n m、轴向最大误 差 约为 0 ． 0 0 1 8 9 m m。 4结论 通过仿真实验验证 ，采用文中所提出的模型和算 法在磨削特殊工件时，能够保证砂轮和工件的切点磨 削，并实现了满足约束条件下的磨削时间最短，具有 相应的精度。在保证磨削时间最短的条件下，磨削最 多的点 ，使工件具有较高的光滑度。 参考文献 【 1 】周志雄， 邓朝晖， 陈根余， 等． 磨削技术的发展及关键技 术[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 0 ， 1 1 1 ／ 2 1 8 6～1 8 9 ． 【 2 】罗红平， 切点跟踪磨削法磨削理论及若干关键技术研究 [ D] ． 长沙 湖南大学， 2 0 0 2 ． 【 3 】 wu Q i ， H U D e j i n ． S o m e K e y T e c h n o l o g i e s o f a N e w t y p e C N C C u r v e G ri n d i n g Ma c h i n e『 J ] ． J o u rna l o f S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e rs i t y S c i e n c e ， 2 0 0 7 ， 1 2 1 1 1 61 2 0 ． 【 4 】 C H E N J S ， H U A N G Y K ， C H E N G C C ． M e c h a n i c al M o d e l an d C o n t o u ri n g An a l y s i s o f Hi g h s p e e d B a l l - s c r e w Dri v e S y s t e m w i t h C o m p l i anc e E f f e c t [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rnal o f Ad v an c e d Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y， 2 0 0 4， 2 4 2 4 12 5 0． 【 5 】 谢骐， 邓奕 ， 彭浩舸． 逐点比较法在螺纹车削 中的应用 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 4 2 3 5 2 3 6 ． 【 6 】郭方圣 ， 魏修亭． 基于逐点 比较法的渐开线插补方法 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 1 8 3 0 3 8 ． 【 7 】 许第洪， 孙宗禹 ， 周志雄， 等． 切点跟踪磨削法运动模型 的研究[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 2 8 6 8 7 3 ．