背压式与平衡式气动减压阀性能比较研究

气动减压阀是通过自身的节流效应,将进口压力降至某一个需要的出口压力,且能在进口压力和流量变化时,利用阀体内的控制元件(阀芯)的开度调节介质的流量,保持出口压力基本不变.减压阀的压力特性(使流量保持为某一恒定值,由于输入压力的波动而引起输出压力的波动)和流量特性(输入压力为一定值,输出压力随输出流量变化的特性)是减压阀的两个重要特性.减压阀的结构直接影响这两个特性,从而影响稳定精度[1].

1 背压式减压阀模型建立

1.1 背压式结构分析

背压式减压阀的原理结构见图1.阀体主要构成部件包括调压弹簧、弹簧座、膜片、阀芯、复位弹簧.p1为输入压力,p2为输出压力.高压气体通过阀门经膜片下面流向出口.主阀底部与输入压力 p1相通,膜片上方受调压弹簧作用力,下方受输出压力p2的作用.当进入减压阀的压力和流量发生变化时或输出气体压力和流量发生变化时,阀芯受力平衡破坏,在调压弹簧、膜片和平衡弹簧作用下上下移动.改变阀芯与阀座之间的节流面积,保持出口压力的稳定.

图1 背压式气动减压阀结构
Fig.1 Structure of the backed pneumatic pressure reducing valve

1.2 阀芯受力分析

作用在阀芯上的力分别为

向下力=F1+A2p2,

向上力=A1p2+A2p1+F2,

其中:F1为调压弹簧的预紧力;F2为复位弹簧的预紧力;A1为膜片的有效受压面积;A2为阀通口有效受压面积;p1为输入压力;p2为输出压力.

根据力的平衡,当阀门在开启瞬时,有

F1+A2p2=A1p2+A2p1+F2.

(1)

p1改变,例如p1降至p11,打破原来的平衡使阀口增大,输出压力上升,若这时输出压力增为p22,又使阀开口关小.达到新的平衡,有

F1+A2p22=A1p22+A2p11+F2.

(2)

用式(2)减去式(1)得

(3)

由式(3)得出输入压力的波动引起输出压力的波动.

1.3 背压式AMESim建模

利用AMESim软件搭建背压式减压阀的仿真模型[2,3],如图2所示.

图2 背压式减压阀AMESim仿真模型
Fig.2 AMESim Simulation model of the backed
pneumatic pressure reducing valve

在模型中,部件1、2、3 形成理想的气源和开关阀.部件5、6、7、8、9组成整个背压式减压阀的本体;部件6模拟阀芯与阀座组合,包括高压腔;部件7模拟低压强;部件8模拟阀的运动部件质量和彼此之间的摩擦作用;部件9模拟阀芯底部,与部件10组成阀芯底部与输入压力相通.

在本模型中忽略气体的泄漏、部件的传热等特性,使整个模型理想化[4,5].

2 平衡式减压阀模型建立

2.1 平衡式结构分析

平衡式减压阀的原理结构见图3.主要构成部件也是调压弹簧、弹簧座、膜片、阀芯、复位弹簧.p1为输入压力,p2为输出压力.高压气体经节流口流向出口,出口腔气体一部分流入阀芯底部.膜片上方受到调压弹簧作用力,下方受到输出压力p2的作用.当进入减压阀的压力发生变化时,阀芯受力平衡被破坏,在调压弹簧、膜片和平衡弹簧作用下上下移动.改变阀芯与阀座之间的节流面积,保持出口压力的稳定.

图3 平衡式气动减压阀结构
Fig.3 Structure of the balanced pneumatic pressure reducing valve

2.2 阀芯受力分析

作用在阀芯上的力分别为

向下力=F1-A1p2+A2p2,

向上力=A2p2+F2.

当减压阀处于平衡状态时,力平衡方程为

F1=A1p2+F2,

(4)

其中:F1为调压弹簧的预紧力;F2为复位弹簧的预紧力;A1为膜片的有效受压面积;A2为阀通口有效受压面积;p1为输入压力;p2为输出压力.

式(4)中不包含p1和A2,表示输入压力的波动不会引起输出压力的波动.

2.3 平衡式AMESim建模

利用AMESim软件搭建平衡式减压阀的仿真模型,如图4所示.

图4 平衡式减压阀AMESim仿真模型
Fig.4 AMESim Simulation model of the balanced pneumatic pressure reducing valve

在模型中1～13部件与图2中的部件模拟的结构一样.不同点是部件9模拟阀芯底部,与部件10组成阀芯底部与输出压力相通.

在本模型中忽略气体的泄漏、部件的传热等特性,使整个模型理想化.

3 AMESim仿真分析

背压式与平衡式气动减压阀的动态性能仿真结果如图5、图6所示.

图5 背压式减压阀出口压力随进口压力变化曲线
Fig.5 Curve of backed pressure reducing valve output pressure with inlet pressure

图6 平衡式减压阀出口压力随进口压力变化曲线
Fig.6 Curve of balanced pressure reducing valve output pressure with inlet pressure

3.1 进口压力对出口压力的影响

图5、图6是为了保持其他参数不变,改变输入压力,减压阀输出压力随时间的变化曲线.从图5可以看出背压式减压阀改变进口压力会造成出口压力的波动,压力较大时有超调量,出口压力稳定所需时间比较长.图6验证平衡式减压阀的输入压力波动不会影响输出压力,出口压力很快达到稳定.从而平衡式减压阀的压力特性好,稳压精度高[6-8].

3.2 出口温度随时间的变化曲线

背压式减压阀与平衡式减压阀出口温度曲线分别见图7、图8.在压力未达到平衡时,减压阀各运动部件开始运动,腔内气体随阀芯的往复运动受到压缩或膨胀,压缩时放热,温度升高;膨胀时吸热,温度降低.假设气体介质为理想气体,气体流动为一维等熵绝热流动.随着压力的平稳过渡,最终温度恢复到初始状态.平衡式减压阀比背压式减压阀所需时间短,动态特性好.

图7 背压式减压阀出口温度曲线
Fig.7 Curve of backed pressure reducing valve output temperature

图8 平衡式减压阀出口温度曲线
Fig.8 Curve of balanced pressure reducing valve output temperature

4 结论

(1)对背压式与平衡式气动减压阀进行结构分析,并利用AMESim软件对背压式与平衡式气动减压阀进行了建模和仿真,避免了繁琐的流体计算和大量的测试实验,显示出AMESim软件是一个直观、方便、高效的动态系统建模与仿真分析工具.

(2)由仿真结果表明平衡式比背压式减压时间短,响应快.平衡式气动减压阀输入压力波动不会影响输出压力,比背压式气动减压阀压力特性好,稳压精度高.平衡式减压阀出口温度达到平衡所需时间短.