溢流调压阀异化阻尼孔动态优化研究.pdf

文章编号 100225855 2006 0520019204 作者简介谢新民1976 - ,男,讲师,主要从事油气储运及高速水射流技术研究。 溢流调压阀异化阻尼孔动态优化研究 谢新民1,土明林1,谢武明2,唐 宁3 1 1 后勤工程学院供油工程系,重庆 400016; 21 广东工业大学环境科学与工程学院,广东 广州 510006; 31 中航油重庆分公司,重庆 401120 摘要 高压水射流清洗机采用溢流调压阀和转速调节阀组合控制,采用异化阻尼孔结构的溢 流调压阀满足了对发动机动态调速要求。通过对溢流调压阀进行动态优化分析和实验试用,结果 表明,舍弃阻尼孔功能的溢流调压阀性能稳定,由于消除了阻尼孔的阻滞作用,开关喷枪所产生 的水击波的压力信号得到了快速传递,从而实现该阀组对发动机的实时控制。 关键词 溢流调压阀;异化阻尼孔;动态优化 中图分类号 TH134 文献标识码 A Dynamic optimization study on unusual damping orifice XIE Xin2min1, TU Ming2lin1, XIE Wu2ming2, TANG Ning3 1 1Department of Petroleum Supply Engineering , Logistic Engineering University , Chongqing 400016 , China ; 21School of environmental science and engineering , Guangdong University of Technology , Guangzhou 510006 , China ; 31China Aviation Oil Supply Chongqing Corporation , Chongqing 401120 , China Abstract The pressure regulating overflow valve and the rotate speed control valve that are used in the waterjet cleaner have been developed lately.In order to automatic adjust rotating speed of engine when the cleaner in different operating mode , the structure of overflow valves′s damping orifice is de2 signed especially.The dynamic optimization analysis of overflow valve and relevant experiment results show that the valve with unusual damping orifice is steady. Because the waterhammer wave that is caused by spray gun switching does not blocked by orifice , this orifice ensures that pressure signals transfer quickly and the unique characteristic of realtime adjusting rotating speed of engine is realized. Key words the pressure regulating overflow valve ; unusual damping orifice ; dynamic optimization 1 概述 溢流调压阀对高压水射流清洗机工况动态调节 起着关键的作用。在实际的清洗作业中,为实现不 同的清洗任务需要采用不同的射流量和射流压力, 清洗任务中途的启停也需要通过开关喷枪来实现, 这些过程中射流压力的调节、关闭喷枪后管道压力 的卸除和打开喷枪后射流压力的提升都要通过溢流 调压阀来实现。目前普通清洗机上的溢流调压阀都 能满足以上功能,但在清洗和关闭喷枪过程中清洗 机一直高速运转,发动机的转速一直保持恒定。关 闭喷枪后发动机的高速运转不仅浪费能源,也加快 了设备的运行损耗。新研制的控制系统由异化阻尼 孔的溢流调压阀和转速调节阀组成,凭借其特殊设 计相互配合,不仅具备普通溢流调压阀的所有功 能,而且具有独特的发动机工况动态控制功能。一 方面,在关闭喷枪时有效减少水击波的危害,防止 高压泵出口管道产生超压,并将发动机转速调至怠 速下运转,避免了普通清洗机的持续高速运行状 态。另一方面,在打开喷枪进行清洗操作时,发动 机能立即高速运转以提供高压液体射流 〔1 ,2〕。 2 液力控制系统工作原理 发动机启动后进行正常工作,由泵输出的高压 水进入溢流调压阀进液口,在出液口处顶开出液口 控制球而直接从出液口流向喷枪。当突然关闭喷枪 时,出口管道产生的瞬间高压反推出液口控制球, 关闭出液口。因为阻尼孔孔径异化,比普通阻尼孔 孔径大,不会阻滞压力波快速传递到平衡腔中,平 衡板上方的液体压强推动平衡板向下运动,活塞顶 杆顶开回流控制球,溢流口全部打开,在进液腔中 由于出液口控制球的瞬时关闭而产生的高压液流立 912006年第5期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 即通过溢流口泄放回来。通过溢流调压阀的作用, 高压泵出口产生的是瞬间低压而非瞬间高压,这时 与泵出口连通的转速调节阀图 2 内腔因为压强 减小,不足以克服自身弹簧阻力来拉动发动机的油 门拉线,在此低压下而自动将发动机降至怠速状态。 11 调压手轮 21 活塞顶杆 31 碟簧 41 阀体 51 平衡腔 61 平 衡板 71 回流控制球 81 出液口控制球 91 控制腔 101 阻尼孔 图1 溢流调压阀 图2 转速调节阀 当打开喷枪时,发动机正处于怠速状态,这时 出液腔和平衡腔压强突然降低,溢流腔中液压力推 动平衡板向上运动到设定位置。回流控制球向上运 动封闭溢流口,进液腔压力突然变大,与此同时, 转速调节阀在泵出口高压下足以克服自身弹簧阻 力,拉动发动机的油门拉线,将发动机自动调至高 速运转状态,由泵高速运转所提供的高压液体推开 出液口控制球后正常工作。 为满足调压阀的压强快速转换与反馈作用,该 阀门的阻尼孔孔径只有在比较大的时候才能满足该 要求,其功能发生异化,与普通的调压阀阻尼孔所 起的作用不完全一样,这样该阀的动态特性发生改 变,必须对其参数进行优化和稳定性进行校核。 3 动态优化 将溢流调压阀视为一个动态系统,其输出信号 为被控压强pS t , 输入信号干扰信号为通 过阀的流量qS t与qL t。所求的为输出信号 对干扰信号的传递函数。根据阀芯力平衡方程和液 流连续性方程建立数学模型,其简化后数学模型如 图3〔 3〕。 图3 溢流调压阀数学模型 311 阀芯的力平衡方程 忽略阀芯自重、摩擦力和瞬态液动力,阀芯在 动态过程中的受力平衡方程为 〔4〕 SApc-k4x -k1x10-k2x20-KSxpS ∫ SB p1dS M d2x dt2 1 式中 SA 平衡板上部有效作用面积 pc 平衡腔压强 k4 碟簧刚度k1及回流球控制弹簧刚度 k2的合成刚度 x10 碟簧的预压量 x20 回流球控制弹簧的预压量 x 阀口开度 KS 稳态液动力系数 KS2Cd3CvWcosθ Cd3 溢流口流量系数 C d30175 CV 流速系数取CV110〔 5〕 W 阀口面积梯度,m W π D 6- D5 θ 阀口流束线与阀芯夹角 θ π/4 pS 阀入口压强 02 阀 门 2006年第5期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. SB 平衡板下部及回流控制球有效作用 面积 p1 控制腔及回流腔压强 M 运动件等效质量取M 01196 kg 根据研制的清洗机实际工作参数设定值,取系 统各变量在平衡工作点的值分别为pc0 710 MPa , pS0 712 MPa ,x0 11010 - 3 m ,qS0 3175 10 - 4 m3 / s 以脚标“0”表示稳态工作点,并忽略 p1的扰动,下同 , 在操作点附近pC0、x0和pS0参 数的微小变化为Δpc 、 Δ x 和Δ pS,那么就有 SA p c0Δpc - k4 x 0Δx - k1x10- k2x20 -KS x 0Δx pS0ΔpS ∫ SB p1dS M d2 x 0Δ x dt2 2 略去高阶项,化解后得 SAΔpc-k4Δx -KSpS0Δx -KSx0ΔpS M d2Δx dt2 3 又KSx0较小,忽略其值,将式3变为相 对增量形式 SApS0 x0 ΔpC-k4Δx -KSpS0Δx M d2Δx dt2 4 式中 ΔpCΔpC/ pS0,Δx Δx/ x0 将相对增量形式在零初始条件下进行拉氏变换得 SApS0 x0 pC s MS2 k4 KSpS0 x s5 312 受控腔连续性方程 当不考虑阀的泄漏和液体弹性所引起的微小容 积变化时,阀内的流量平衡方程为 qS qL qC qD qL SAdx/dt qD6 对式6取增量,进行拉氏变换得 qS0 pS0 qS S qS0 PS0 qL S qS0 PS0 qD S SA x0 pS0 sx s 7 313 阀口流量方程 qD Cd3W x2pS/ρ8 将其在稳态工作点附近线性化,转化为相对增 量形式,得 qS0 pS0ΔqD Cd3W 2pS0 ρ x0 pS0 Δ x Cd3Wx0 1 2ρpS0 Δ pS 9 式9经拉氏变换得 qS0 pS0 qDs Cd3W 2pS0 ρ x0 pS0 xs Cd3Wx0 1 2ρpS0 pSs 10 314 阀入口至平衡腔的流量方程 qcKC p S- pC11 式中 KC 阀入口至平衡腔的液导, m5/ N s 将其变为相对增量形式,进行拉氏变换得 qS0 pS0 qc s KC[ pS s - pC s ] 12 由 式5、7、10和12可得图4系统 动态结构框图,并得出相应的系统传递函数为 G s pS s qss -qLs K0 s 2 2ζ0ω0s ω02 s22ζ ωnωn2 K0 Ms2 SA 2 KCs k4 KSpS0 Ms2 SA 2 KC SA 2 Cd3W x01 / 2ρpS0 s k4 KSpS0 KqSA Cd3W x01 / 2ρpS0 13 K0 qS0 pS0Cd3W x01 / 2ρpS0 Kq Cd3W 2pS0 ρ ζ0 S 2 A 2KC k 4 KSpS0 M ω0 k4 KSpS0 M ωn k4 KSpS0 KqSA Cd3Wx01 / 2ρpS0 M ζ SA 2 KC SA 2 Cd3W x01 / 2ρpS0 2 k 4 KSpS0 KqSA Cd3W x01 / 2ρpS0 M 因阀入口至平衡腔的阻力损失较小,液导很 大,忽略二者之间的阻力损失,近似认为pSpC, 也就忽略了SAx0s/ PS0的反馈影响,可得图5所示 的系统动态方框图,将其整合后化解得图6所示系 统动态方框图。 由图5得传递函数为 122006年第5期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. G s pS s qS s -qL s K0 s 2 2ζ0ω0s ω02 s22ζ ωnωn2 K0 Ms2 k4 KspS0 Ms2 SA 2 Cd3W x01 / 2ρpS0 s k4 KsPs0 KqSA Cd3Wx01 / 2ρp50 14 图4 系统动态方框图图5 系统动态方框图忽略阻尼反馈 图6 系统动态方框简化后 式14中K0 qS0 PS0Cd3W x01 / 2ρpS0 Kq Cd3W 2pS0 ρ ζ SA 2 Cd3W x01 / 2ρpS0 2 k 4 KSpS0 KqSA Cd3W x01 / 2ρpS0 M ζ00 ωn k4 KSpS0 KqSA Cd3W x01 / 2ρpS0 M ω0 k4 KSpS0 M 4 结语 从阀的传递函数和动态结构框图可以得出,① 此系统为二阶闭环系统,因为式14中的传递函 数分母的各项系数都为正值,故就其本身来说,此 阀的工作是稳定的。② 溢流调压阀的两个重要动态 特征量无阻尼自然频率 ωn和阻尼比ζ,不仅与阀 的结构和性能参数有关,而且也与阀的一些使用参 数如ps0,qs0有关。③ 溢流阀的阻尼孔,使阀 内出现了一个抑止振动的内环,对阀芯振荡起抑止 作用,使阀芯工作稳定。在没有阻尼孔的情况下, 系统的传递函数主要由 ω0决定,又KS、Kq、W 的值随阀工作点而变化,所以无阻尼孔的溢流阀稳 定性难以保证。但是如果减小平衡腔入口管道直 径,使入口管道成为真正的“阻尼孔”,其作用主 要是降低了阀的一些精度和响应特性,同时只要设 置得当,将会确保阀的稳定工作。可是这样却失去 了联动式液力控制系统最主要的特征,即等同于普 通的液力控制系统。开关喷枪所造成的水击波因为 “阻尼孔”的阻滞作用,不能快速无损地传递到平 衡板上面,溢流调压阀也就不能快速传递相应的压 力信号来调节发动机转速的变化。 所以只有使“阻尼孔”孔径增大,流动阻力相 对很小,这样该阀就没有真正意义上的“阻尼孔”, 舍弃阀的部分稳定性。异化“阻尼孔”的溢流调压 阀平衡工作点的值,选取给定的清洗机实际工作参 数设定值和其他值时,通过采用实验测定和近两年 的工程试用,其稳定性足以满足对发动机进行实时 控制要求。 参考文献 〔1〕 黄明亚.我国阀门行业的现状与发展趋势[J ].阀门, 2002 , 30 1 29 - 36. 〔2〕 刘忠德.国内外仪表阀门及管件现状分析[J ].阀门, 2000 , 28 5 30 - 35. 〔3〕 Alan Gunter L , Razi Nalim M. 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