一种高压气体流量控制阀的建模与仿真研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

气动控制阀作为主要的气动控制元件 ，不仅能控制气动系统工作部件运动方向和速度，还能控制气动系统的压力、流量，是气动技术领域不可缺少的自动化基础元件之-，经过长期的发展，低压气动控制阀的技术发展已经比较完善，但高压气动控制阀研究还处于初步阶段。本文研究的高压气体流量控制阀用于某水下装置发射物体的高压空气流量控制，使被发射物体的加速度和速度不超过限定值 。

图 1 某水下装置示意图该装置的大致结构图如图 1所示，高压气体通过控制阀流入管内将物体推送出管 ，物体在出管点要求-定的速度而且加速度不能过高，控制阀通过阀芯移动快慢控制气体流量。

-、 高压气体流量控制阀的结构与工作原理粳 图 2 发射阀的结构示意图发射阀的结构设计如图 2所示，主要部件由阀本体和缓冲器两部分组成。阀本体包括阀芯、弹簧等，缓冲器则主要包括缓冲活塞、滑阀等零部件组成。在壳体上装有法兰，通收稿 日期：2012-09-12作者简介：李 冀，华中科技大学机械学院。

过法兰用螺栓将控制阀分别连接到气瓶和管上。缓冲活塞将发射阀缓冲器壳体分成上、下内腔，下腔充满淡水。阀芯上部有 4个固定形状的特形孔，气瓶的空气经特形孔注入管中，推动物体出管，控制阀出流面积和阀芯开启行程有关。

在准备状态 ，阀芯下腔充满高压空气，阀芯上沿压紧在阀体上，特性孔完全关闭，高压空气不能进入管内，在接到动作指令后 ，下腔的高压空气快速释放，阀芯在高压空气的作用下下移 ，特性孔逐渐开放，缓冲器下腔的海水通过缓冲活塞和滑阀之间的间隙进入上腔 ，由于液体的不可压缩性，其流量决定于间隙的大小，滑阀通过上下不同的直径实现间隙的变化 ，从而实现特性孔气体流量规律的控制。

二、数学模型由于该过程十分短暂，可将压缩空气从高压气瓶经控制阀流入管内作用的过程视为绝热过程，根据理想气体状态方程、理想气体绝热过程，可建立该过程的数学模型如下：1.能量平衡方程根据热力学第-定律 ：AUQW l，管内部气体的内能等于原始气体的内能加上通过控制阀阀注入管内的热焓累计值，减去气体推进物体所作的功，再减去从物体和管壁间隙中推出海水所作的功 ，如式 (1)所示 ：Ug： 。 - - (1)式中Ug为管内空气内能；u o为原有气体的内能；H 为通过控制阀注入发射管的焓； 为推动物体所作的功； 为挤出物体和发射管壁的间隙海水所作的功。

由理想气体状态方程，发射管内气体的压力及温度可由下两式求得：c 警专争- r - .dmg、clt c mg clt ；dt (3)2.气瓶压 力变化方程将整个过程中高压气瓶经控制阀向管内放气当作定容积气容绝热放气，可得气瓶压力变化方程式：98 中 国 水 运 第 13卷dpb： - /Vod ～ J面积； 为物体与导轨摩擦系数；BT为物体负浮力。

(4) 6.推动物体的功率方程其中：Pb为气瓶压力；k1.4是空气的气体比热比；R是气体常数，空气的 R287.IN ·m/ (Kg·K)； 为气瓶温度 ，初始值 为 293K；Vo为气瓶容积，这里取 0.35m。；Qf为控制阀流量，用式 (7)表示 ：Q，c02k c2 lc - k Q528 ≤1k-1 2 L 。 。528(5)高压空气推动物体的功率如下式所示： Pg )7.从环形间隙中挤出海水的功率方程根据伯努利方程，海水从管壁和物体环形间隙中流出的速度为： J (J口 -p dt时间内从环形间隙流出的海水质(6)量为：dm ShjPV dt，则挤出海水所作的功等于dm 这式中 v为控制阀特型孔的开启面积。

3.控制阀背腔压力变化方程控制阀在发射过程中要经历-个开启-关闭的过程，开启过程对舱室放气，可视为有限容积气容绝热放气过程，关闭过程发射气瓶经过联锁阀对发射阀背腔充气关闭发射阀，可视为有限容积气容绝热充气过程，开启过程方程式： 砍 誓关闭过程的方程式：-(knT dMbq2- Obq2 (8)dt dt dt式 中 ：Pb-气瓶 压 力 ；(最- )-阀芯 受 力面 积 ；(mtm m rm )-特型孔体、连接轴、阀芯、缓冲活塞的质量； .， ：-弹簧 1、2的预压力；kl、k2-弹簧 1、2的刚度；P -下缓冲器中水作用在活塞上的反作用力； -缓冲活塞面积；Sx -活塞上凶面积 ； -气体的粘性阻力系数 ； -阀芯上的摩擦力；Pb 开启过程中发射阀背腔压力。

Sm是节流口处的环形间隙面积间隙，它是阀芯位移 X的函数。

4.控 制体 内充气容 积变化率海水从管壁和物体之间的环形间隙流出产生的容积增长率等于海水从环形间隙流出的体积流量 ，在物体运动时，物体在管内移动产生的容积增长率为 SrVT(Sr为物体横截面积， 为物体在发射管内移动速度)，因此，充气容积变化率为：- - - - % Sw -Ph) (9)式中：% 为海水经过环形间隙的流量系数； 为环形间隙的面积；Ph为海水密度。

5.物体管内运动方程作用在物体上的外力有：尾部气体对物体的推力和物体运动受到的流体阻力，物体与导轨的摩擦力以及海水环境压力。因此，物体的加速度方程式如所示：dY T Sr - n - 屏 (1o)式中：Cx为物体流体阻力系数；f2 为物体在水中的沾湿部分质量所获得的动能为：d v：，即高压空气推动环形间隙内海水所作功率如下式所示：d Wh‰ J云( - (12)三、仿真结果与分析根据以上方程在给定了变量初值和参数值后，采用变步长的四阶 Runge-Kutte法可以对微分方程 (1)-(11)进行求解，可得物体在各个水压深度下的速度、加速度变化曲线分别如图 3所示。

l 1 lIsJ图3 各水压深度下的速度、加速度变化曲线从图 3中可以看出，该装置通过流量控制阀的作用，成功的将物体的出管速度在各个深度压力下限定在-个比较小的速度区间内，而最大加速度的变化虽然随着深度的增加略有增大，但仍在可接受的范围内，可见流量控制阀达到了设计初意图。

为了研究对影响控制阀气体流量最大的因素-滑阀与缓冲活塞之间的间隙对装置工作的影响，对-固定水深下将活塞直径增大 0.10mm、0.2ram、0.3mm 再进行仿真，结果如图 4所示。

图4 活塞直径增大后各水压深度下速度、加速度变化曲线(下转第 76页)76 中 国 水 运 第 13卷转-周大于 4s，在整步点前-星度合闸)。对应的C榉程序如下：if(TD (axES4-But001) 1)axES4-LF003.Tag 0；axES4 LF002.Tag 1；delay (300)；TF ES4vOLT (60 )； // 电 压 表(axES4V001)的指针从0转到 440VTF-ES4- FREQU (i5)； // 频 率 表(axES4-FO01)的指针从0转到 60HZaxES4- SwB002.Tag 1； //把 CONTROLMODE转换开关转到 AUTO”位il(TD (axES6SwEO02) 2) //选择待并机axES4LFO05.Tag 1：a x ES5- SwB002.Tag：1； //把 CONTROLMODE转换开关axES5-SwB002转到 AUTO”位，if(TD(axES6-P、Ilr001) >0.8 750) //负载大于单台发电机功率的80%ax ES6 LF008.Tag3；TFESS VOLT (60)； // 电 压 表(ax ES5 V001)的指针从 0转到440VaxES5-LFO02.Tag 1；doTFES5- FREQU (1 5)；while (TD (axES5-FO01)> (TD (axES4-FO01)5))//自动调节电网频率；if(TD(axES6-SyOO1) 12) //同步表指针在 12点位置axES5-LF00 1.Tag 1；ax ES5-LF002.Tag0；TF ES5 CURRENT(20)； //电流表的示数增加axES5～IO0 lTFES5- POWERFAC(O.2)； //功率因数表的示数增加 axES5-PF001(上接第98页)可见间隙面积对物体出管的速度和加速度影响巨大，在直径增大0.3mm后速度和加速度很快就超出了技术要求。

四、结束语控制阀通过缓冲器与滑阀的配合、特性孔的设计有效的实现了气体流量的控制，从而实现了物体以设定速度、加速TFES4- POWERFAC(-0.2)； //功率表的示数增加ax ES5-Pw00 1TFES4- CURRENT(-20)； //电流表的示数减小 axES4j001～doTFES5POWER (3O)； //功率因数表的示数减小axES4 PF001-TF ES4- POWER (-30)；)while(TD(axES4-Pw00 1)TD (axESS-Pw00 1))五、评估系统设计评估系统根据-定的算法和评估标准，对考生的操作记录进行评判并给出成绩。采用软件对操作结果进行 自动评估具有客观、公平、快速的特点。

1.评估算法评估系统采用加分制原则，将大纲中要求的所有的电站操作分解为若干得分点并赋予相应分值。某个操作点完成时便得到相应分值，依次累加，得到总分数。

2.操作记录保存操作记录是考生操作的原始记录，是评估的依据〖生的操作信息在与控件的交互事件处理程序中保存，并按照先后顺序显示在、操作记录栏。操作记录实时保存并同时上传到服务器中，供评估和查询使用。

六、结论虚拟电站训练系统与物理电站训练系统相比，可以节省巨大的设备投资。而基于Web组态环境下的船舶虚拟电站更是实现了，-次安装，处处可用。省去了大笔的维护费用，实现了只要是有互联网的地方，学员都能进行训练。