快关止回阀动态仿真技术研究

0 引 言

快关止回阀是汽轮机组配套的关键产品，保护汽轮机组的专用快关阀门。当汽轮机组突然甩负荷或汽轮机内介质压力突然降低时，快关止回阀迅速关闭，防止管道和各种加热器内蒸汽介质倒流入汽轮机内造成汽轮机叶片损坏；同时，防止加热器泄漏时，给水从管道进入汽轮机内，发生水击事故[1]。因此，关闭时间是快关止回阀本身的重要技术指标之一。为了验证快关止回阀的关闭时间，设计开发阶段将采用计算机软件对抽气逆止阀关闭时间进行模拟分析，同时制作产品样机进行阀门关闭时间的测试，验证阀门实际关闭时间与设计值的差异，用以得到准确的快关止回阀动态仿真分析方案[2-3]，进而解决快关止回阀在关闭时间设计上遇到的问题。

1 技术要求及动作原理

1.1 技术要求

1)气源压力：0.4～0.8 MPa；

2)阀门关闭时间：≤0.5 s；

3)执行机构：关阀及开阀执行机构工作正常；

4)机械特性：气缸动作平稳，无卡涩现象。

1.2 动作原理

1.2.1 正常工作状态

压缩空气经过球阀进入气源处理三联件(即空气过滤器、减压阀)处理，压缩空气经过滤清洁减压后，再进入二位三通电磁阀，最后经快排阀进入关阀执行机构活塞下腔，压缩弹簧，执行机构蓄能开启，关阀气缸打开，快关止回阀阀瓣处于自由状态，由介质的流动方向决定阀门开启、关闭，原理如图1所示[4]。

1.2.2 介质倒流或时接收到事故信号

电磁阀瞬间断电而关闭，切断气源，快排阀快速打开，排出气缸下腔空气，在弹簧压力的作用下活塞迅速下移，并通过离合器关闭阀门，原理如图2所示。

图1 开阀气控原理图

Fig.1 Pneumatic control schematic diagram of valve opening

图2 关阀气控原理图

Fig.2 Pneumatic control schematic diagram of valve closing

2 建模及仿真分析

2.1 建立仿真模型

依据仿真要求，依据如下要求进行模型简化。

1)绕强关轴进行旋转的组件必须考虑质量；

2)弹簧释放时为了保证行程准确需添加限位块。

依据以上两点要求，简化后模型主要包括阀瓣、阀瓣螺母、摇臂、强关轴爪、强关轴、曲柄组件、推杆等，增加两个限位块。各模型材料属性见表1。

表1 模型材料属性表

Table 1 Material attribute of the model

模型简化后，通过三维建模软件建立三维建模，如图3所示。

2.2 对模型进行虚拟仿真分析

2.2.1 设置重力大小和方向

将三维实体导入Adams中，设置重力(gravity)大小和方向；Adams(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是美国机械动力公司开发的虚拟样机分析软件，用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测以及计算有限元的输入载荷等。

1—摇臂；2—强关轴；3—限位块；4—曲柄；5—推杆；6-阀瓣

图3 虚拟样机运动学仿真模型

Fig.3 Kinematics simulation model of virtual prototype

2.2.2 设置属性

设置各组件属性，选择用户输入(User input)选项，并输入质量和密度等属性,加载在各零件质心处。

2.2.3 设置连接关系

在连接关系(Connectors)中设置各部件的连接关系，见表2。

表2 各部件连接关系

Table 2 Connections between components

2.2.4 施加载荷

1)施加摩擦力

摩擦力：轴与主轴衬套之间摩擦力命名为Friction2；轴与密封圈之间的摩擦力命名为Friction1。

设置各运动副静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.3。则设置出摩擦力，数据见表3。

表3 摩擦力属性表

Table 3 Attribute of friction

2)施加重力

在重力设置(gravity settings)中设置X=0,Y=-9 806.65,Z=0。即重力加速度为9 806.65 mm/s2。

3)施加弹簧的弹力

在设置力(Forces)中添加弹簧(Spring)选项，命名为SPRING_1。设置刚度系数(stiffness coefficient)为32.14 N/mm，设置预载荷(Preload)为7 488.22 N，设置预载荷压缩量为233 mm。

4)施加气压阻力

在输入气压阻力过程中，采用设置不同气压初始值，进行多次仿真分析。初始值分别为0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa。由于弹簧释放并排气的过程，气压阻力是逐步递减的，但这个过程并不是线性变化，所以这里使用DIFF函数，即建立排气过程中气压阻力的微分方程。微分方程物理模型如图4所示。图4中，A为气瓶，这里为外界大气；B为气缸；C为活塞。

图4 差动连接的气压传动装置物理模型简图

Fig.4 Physical model of differential connected pneumatic transmission

根据气压控制的快关止回阀的工作原理，可知在阀瓣关闭时，由于气压阻力的存在会减缓关闭时间。为了描述气压阻力的变化，采用差动连接的气压传动来建立数学模型，从而将数学模型的函数导入到Adams中进行分析。

假设气源所输入的气体为理想状态气体，即满足气体状态方程，在此基础上，建立数学模型。

作用在活塞上的气压阻力为

F=S2p2-S3p3

式中：Vi为气室i的初始体积，m3；pi为气室i的初始压力，为气室i的初始体积的导数， 为气室i的初始压力的导数，Pa/s；S2、S3为气室2、3有效压缩截面积，m2；R为气体常数，8.131 45 J/mol·K；T为热力学温度，273.15K；Gij为气体从气室i到气室j的流量系数。

根据上述数学函数，结合给出的已知参数，编辑DIFF函数，输入到动力学仿真分析软件中，从而将气体阻力添加到分析系统中。

2.3 仿真分析结果

由于设置不同的初始气压阻力值対阀门的关闭时间有影响，故设置仿真分析时间为1 s，仿真步数为1 000。分别改变气压阻力值0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、仿真后输出结果如图5所示。

图5 不同气压下，阀门强关时间

Fig.5 Forced closing time of valve at different pressures

通过上述分析，当气压值为0.4 MPa时，强关时间为0.18 s。

3 试验验证

3.1 试验原理

首先采用双设定双数显4位时间继电器设计一种时间测试装置，并在测试阀门上安装阀门开限位行程开关和关限位行程开关，利用开限位行程开关和关限位行程开关各自的常开接点，来触发“该时间继电器的秒表功能”，即从零行程开始计时，至全开行程结束计时，能周而复始、循环多次记录阀动作时间，动作次数不限。测试装置的工作原理如图6所示[5]。

同时，设计1个控制系统，进行开阀执行机构和关阀执行机构气源的切换。

1—试验阀门；2—开阀执行机构；3—手动球阀；4—气源处理三联件；5—电磁阀；6—快速排气阀；7—关阀执行机构；8—时间测试装置；9—关位行程开关；10—开位行程开关，11-控制系统

图6 关闭时间测试装置原理图

Fig.6 Schematic diagram of test deviceat closing time

3.2 试验结果对比

快关止回阀阀的实测结果见表4。

表4 关闭时间实测值与分析对比

Table 4 Comparison ofmeasured and analyzedclosing time

4 结 论

采用物理样机进行快关止回阀关闭时间试验结果，关闭时间0.18～0.22 s，满足小于0.5 s的设计要求，可以证明此设计方案合理。对比样机试验数据与仿真分析结果可以看出，试验结果与仿真分析结果非常相近。因此，应用运动学仿真分析方法来确定快关止回阀关闭时间是可行且准确的。应用仿真分析模拟快关止回阀的关闭时间，降低了设计成本，提高了设计效率，并且此动态仿真分析方法同样可以应用于抽汽逆止阀、高排逆止阀等有关闭时间要求的阀门的设计上，为如何确定阀门关闭时间提供了方向。