快速泄放阀的运动特性分析.pdf

快速泄放阀的运动特性分析 Mov em ent ch ar act er i st i c anal ys i s f or r api d r el eased v al ve 张永彬，姚进，余德平，肖 蒙，蒋正茂 ZHANG Y o n g ． b i n ，Y A0 J i n ，YU De ． p i n g，Xl AO Me n g ，J I ANG Zh e n g ． ma o 四川大学 制造科学与工程学院，成都 6 1 0 0 6 5 擒 要提出了一种快速泄放阀 ， 其响应时间在1 m s 左右，并且阐述了该阀门的结构和工作原理。建立 了阀门的虚拟样机模型，对阀门的快速响应性能进行仿真分析。同时建立了实验平台测量了 阀门的响应特性和放气过程中压力变化，将仿真结果与实验测量的数据进行了对比分析 ， 仿 真结果与实验测量数据总体趋势能够较好吻合。此外 ，还对阀门在不同气压下的响应特性进 行了测量和分析。 关键词t泄放阀；快速响应；仿真对比；响应特性 中田分类号T H 1 1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 5 1 0 下 一 0 1 0 6 - 0 4 Oo i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 5 ． 2 0 ． 3 1 0 引言 某些重大 的实验要求实验过程安全可靠地进行。当 反应出现突发意外 时，要 向反应装置系统中快速地注入 惰性气体 ，制止实验的进行 ，防止发生破坏性实验，保 护实验装置和现场实验人员的安全。为了保证实验安全 的进行，就需要一个快速响应阀门，当实验出现突发状 况时候 ，可以通过 阀门快速的向装置中注入惰性气体。 由于装置中的实验迅速剧烈，所 以阀门的响应时间应当 小于实验预测 时间，要求阀门响应时间在 l m s 左右 。文 献【 1 】 中提 出的一种快速响应阀门，其响应时间为4 ms ， 不满足我们的使用要求。文献【 2 忡 提出的快速响应阀， 存在 由于空气阻力存在较大延迟的问题，并且由于电磁 的作用会对机构产生较大的机械力 。文献【 3 】 提到的快速 阀由于结构复杂，具有摩擦阻力大影响响应时间。现有 文献【 1 ～5 】 中提到的阀门都不满足我们使用要求，所 以 为了能够保证实验安全的进行 ，设计一个响应速度快放 气迅速的阀门是有必要的。 为了解决快速响应问题，我们设计了一个快速泄放 阀，其响应时间在l ms 左右 。本文介绍了该阀门的设计 和工作原理 以及对阀门快速响应作 了分析和进行相关实 验测定。 1 阀门结构和原理 1 ． 1 阀门结构 图l 是本 阀门的机构简图，阀门上端设计有薄膜 ， 上端输送的压缩气体通过薄膜驱动阀门运动件动作。阀 门运动件包括有阀杆和阀芯。阀门设计有夹紧装置， 夹紧装置实现对 阀杆夹紧和放松。夹紧装置中设计有两 对压 电晶体，当给压 电晶体施加I O O V电压时，压 电晶 体会伸长并且产生力。阀门有一个体积为8 0 c m 的储气 室，出气 口的面积为2 ． O l c m 。 。阀门设计有碟簧，当给 压电晶体断电时，在碟簧作用力下阀杆会快速的回弹。 此外在阀门上端设计有缓冲装置 ，缓冲装置能够吸震， 其作用是减少阀杆的震荡。 1 ． 2 工作原理 阀门的工作原理 当阀 门上端输入压 缩气体 时， 气体通过薄膜 驱动 阀杆 向下移动 阀杆带动阀芯向下移 动；当阀芯与密封面实现密封后 ，这时给压电晶体施加 图1 阀门结构图 收稿日囊2 0 1 5 -0 5 - 2 0 基盒硬目四川省科技厅应用基础计划项 目 2 0 1 2 J Y0 0 8 5 作者簧介张永彬 1 9 8 9一 ，男，天津宁河人，硕士研究生，研究方向为高温高压阀门的设计。 【 1 0 6 l 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 1 0 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 从 仿真结果 可 以看 出阀门的响应时 间在0 ． 5 ms 左 右，阀芯上升的最大位移大约在4 ． 2 m m。 3 实验及数据 3 ． 1 实验设备 为了测量阀门响应时间，我们实验室建立了测量阀 门响应时间的实验装置。实验装置 由气动控制系统、电 路控制系统和检测系统三个部分组成。气动控制系统由 气瓶、减压阀、电磁阀、压力表、压力传感器和一些辅 助器件组成，气动控制系统给阀门输送压缩气体和工作 气体 。电路控制系统由压电晶体控制箱和程序控制箱组 成，电路控制系统控制压电晶体和电磁阀的动作。检测 系统由检测程序 、磁栅尺传感器、采集卡和一台电脑组 成 ，检测系统的作用是检测阀芯的响应 曲线。检测原理 是在阀芯上安装磁栅尺传感器 ，将 阀芯的动作信号通过 传感器传递给电脑，这时检测程序就会将阀芯的动作曲 线绘制出来 。采集卡负责采集放气过程 中工作气体的压 力变化。图5 是实验装置的实物图。 一 图 5 实 验 装 置 图 在响应测试实验 中，阀门上端压缩气体的压力为 0 ． 8 Mp a ，阀门储气室 中工作气体的压力为4 Mp a 。当压 电晶体断电后 ，阀芯向上运动，通过安装在阀芯上的磁 栅尺来检测阀门响应特性，通过采集卡采集储气室中的 压力变化 曲线。测试结果如图6 、图7 所示 。 图6 阀门响应特性 曲线 3 ． 2 仿真与实验数据对比分析 本小节将虚拟样机仿真数据与实验测量出来的实测 数据进行对 比，图8 是仿真结果与实验数据 的对 比图。 Do 8 1 第3 7 卷第1 0 期2 0 1 5 1 0 下 图7 储气室压力变化曲线 从 图中可 以看 出仿真 结果与实验数据总体趋 于一致 ， 由于在A d a ms 仿真 中没有考虑 电路系统和压 电晶体的电 流反应 时间，可 以看 出实验数据 比仿真 结果大约延迟 0 ． 3 ms ，实验数据曲线开始有些抖动是 由于阀杆接触到 缓冲装置所产生的反弹造成的。 图8 实测数据与仿真结果对 比图 3 ． 3 不同气体压力下阀门的运动特性 本小节对不同气压 的阀门响应特性进行了测量与分 析，以下是阀门分别在1 Mp a 、2 Mp a 、3 Mp a 和气压下实 验测量得到的响应特 曲线。 图9 1 Mp a 气压下 阀门运动特性 【 下转第1 1 3 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8 ， 2 3 1 - 3 6． 【 2 】 贺 章波 ． 我 国工业 自动 化 的 发展 方 向【 J 】 ． 中 国新技 术 新产 品， 2 0 1 0 ， 1 9 1 5 9 1 5 9 ． 【 3 】 甘兴忠． 概论电线电缆的选择与使用【 J 】 ． 电线电缆， 2 0 0 7 ， 6 1 6 ． 【 4 】4 蔡 金 ． 嵌 入 式 高清 工 业相 机 研 究与 实 现 【 D】 ． 杭 州 浙 江 大 学， 2 01 3 ． [ 5 】崔洪岩． 基于机器视觉的弹体轮廓在线检测技术的研究【 D 】 ． 长 春 长春理工大学， 2 0 1 1 ． [ 6 ]6 张五一， 张继超， 侯远韶 ，等 ． 机器视觉系 统中镜头的选择【 J 】 _ 中原 工学院学报， 2 0 1 1 ， 2 2 6 1 8 2 1 ． 【 7 】 耿建 刚， 韩震宇， 常健， 等． 基 于e Vi s i o n 平台 的亚相 素视觉检测系 统 【 J 】 ． 计量与测试技术， 2 0 0 7 ， 3 4 1 1 6 2 ． 6 4 ． 【 8 】 宋振 电， 侯 蓝 田， 张辉 ． 彩色 图像与灰 度图像 间转换 的程 序设 计 [ J 】 ． 电子技术， 2 0 0 8 ， 4 5 9 ．3 3 3 6 ． 【 9 】李不言． 图像二值化方法对比分析[ J ] ． 印刷杂志， 2 0 1 2 ， 1 0 4 8 5 0 ． ●蠡● ● 重‘出． 蠡● 蠡‘ 蠡● 蠡‘ 蠡‘ 矗● ●矗‘ 蠡‘ 蠡‘ ●童● 童● 蠡‘ 盘‘ 矗● 囊●j盘‘ 岛‘ 童‘ 囊‘ t● 【 上接第1 0 8 页】 压●■体倏鼍I l 休誊气t一矗●鲢 图1 0 2 Mp a 气压下阀 门运动特性 压 电昌体快速 气体注 气器响应 曲线 图 1 1 3 Mp a 气 压 l 、 阀 门 运动 特 性 从上 图中可 以看出，阀门在不同气压下的响应时间 在 l ms 以内。气压越小阀门响应速度越快，阀芯上升的 最大位移越大。 4 结束语 1 本文介绍了一种快速泄放阀，主要阐述了该阀 门的工作原理以及结构特点。同时建立了阀门的运动模 型，通过虚拟样机软件对阀门的响应特性进行了仿真与 分析。 2 建立了实验平台 ，测量 了阀门的响应特性和放 气过程中压力变化特性 。将仿真结果与实验数据进行了 对比，表 明了虚拟样机模型 的正确性。采用虚拟样机技 术得到的仿真结果作为优化 阀门结构提供了依据 ，同时 也为快速响应类的阀门的运动仿真分析提供 了基础。 3对不 同气压 下 阀门的响应特 性进行 了实验测 量，实验表 明，气压越小，阀门的响应速度越快，阀芯 上升 的最大位移越大 。 参考文献 【 1 ] J i n h o Ki m， D． K． L i e u ，Ki m J ， L i e u D K． De s i g n s f o r a n e w， q u i c k r e s p o n s e ，l a t c h i n g e l e c t r o ma g n e t i c V a l V e 【 C】 ， ／ E l e c t r i c M a c h i n e s a n d Driv e s ，2 0 0 5 I EEE I nt e r na t i o na l Co n f e r e n c e on ． I EEE， 2 0 05 1 7 7 3 1 7 7 9 ． 【 2 】 Mo t o y u k i Ab e ，No r i y u k i Ma e k a wa ， Yo s h i h i t o Ya s u k a wa ， To h r u I s h i ka wa， Ya s u o Na ma i z a wa ， Hi d e h a r u Eh a r a， Ab e M ， Ma e k a wa N， Ya s u k a wa Y， e t a 1 ． Q u i c k Re s p o n s e F u e l I n j e c t o r f o r Di r e c t I n j e c t i o n Ga s o l i n e E n g i n e s [ J ] ． J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g f o r Ga s T u r b i n e s a n d P o we r ， 2 0 1 2 ， 1 3 4 6 0 6 2 8 0 3 ． 【 3 】 孙友松． 快速 阀的动态过程及有关参数 的设计与分析[ J 】 ． 机械 开 发， 1 9 8 4 ， 1 0 0 1 ． [ 4 】 G． S ． P ． S i n g h ， U． K． S i n g h ， S i n g h G S P ， S i n g h U K． As s e s s me n t o f d y n a mi c l o a d i n g a n d r a p i d y i e l d v a l v e r e qu i r e me n t fo r p o we r e d r o o f s u p p o as i n l o n g wa l l wo r k i n g s [ J ] ．M i n i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 1 1 8 1 4 7 5 2 ． 【 5 】 T o mo n o r i Ka t o a ， ， Ke n j i Ka wa s h i ma ，Ta t s u y a F u n a k i ， Ko t a r o Ta dan o， To s h i h a r u Ka g a wa ，A n e w， h i g h p r e c i s i o n ， q u i c k r e s p o n s e p r e s s u r e r eg u l a t o r fo r a c t i v e c o nt r ol o f pn e u m a t i c v i b r a t i on i s o l a ti o n t a b l e s [ J ] ．P r e c i s i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 3 4 1 4 3 4 8 ． [ 6 】 陈海初， 王宣银， 张蕊华， 等 ． 压 电陶瓷驱动精密 流量 阀的设 计与 建模【 J 】 ．浙江大 学学报 工学版， 2 0 0 9 ，4 2 1 1 1 9 3 6 1 9 3 9 ． 【 7 】 成大先． 机械设计手册[ M】 ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 8 1 1 - 7 6 ． 【 8 】 陈志伟， 董月亮． 多体动力学仿真基 础与实力分析【 M】 ． 北 京 中 国 水 利水 电出版社，2 0 1 2 1 ． 2 ． 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 - 1 0 下 [ 1 1 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m