防水錘用緩沖油缸的理論分析與仿真

楊國(guó)來(lái)，徐美林，蘇華山，劉毅

(1.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，浙江溫州 325105)

止回閥主要用于管道系統(tǒng)防止介質(zhì)的倒流，保護(hù)管道和機(jī)械設(shè)備不受水錘破壞。工作過(guò)程中水錘瞬時(shí)沖擊壓力ΔH可能高于正常工作壓力的數(shù)倍［1］，對(duì)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性和工作可靠性產(chǎn)生較大影響［2－3］，現(xiàn)采用阻尼緩沖油缸裝置使閥門(mén)快關(guān)緩閉［4－6］，減弱水錘沖擊。

1 止回閥工作原理

止回閥在介質(zhì)靜壓力和沖量作用下開(kāi)啟，閥門(mén)全開(kāi)時(shí)閥瓣處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，閥瓣不隨介質(zhì)速度變化而運(yùn)動(dòng)，流阻系數(shù)最小并恒定。意外停泵時(shí)，液體逆向加速運(yùn)動(dòng)，止回閥加速關(guān)閉，關(guān)閉瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重水錘壓力，影響管道設(shè)備的使用壽命。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

2.1 油缸阻尼緩沖原理

油缸緩沖裝置是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能進(jìn)行緩沖吸收，工作原理是緩沖活塞進(jìn)入緩沖腔，封住活塞和端蓋之間的部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到減速緩沖的效果［7－8］。

2.2 油缸阻尼緩沖過(guò)程

止回閥在介質(zhì)作用下開(kāi)啟時(shí)油缸活塞受到推力，油液經(jīng)單向閥流入右腔，閥瓣慢速度開(kāi)啟，避免開(kāi)啟水錘沖擊。隨止回閥開(kāi)度增大，油缸活塞運(yùn)動(dòng)至J口打開(kāi)，油液快速進(jìn)入右腔，止回閥開(kāi)啟速度加快，減小介質(zhì)流阻系數(shù)及壓力損失。閥瓣全開(kāi)時(shí)活塞已堵住N口，油缸底部分油液被封住吸收活塞動(dòng)能防發(fā)生碰撞;防閥瓣開(kāi)啟角度過(guò)大，不能立即響應(yīng)關(guān)閉;使閥瓣在最大位置處保持平衡狀態(tài)，減小對(duì)流態(tài)的干擾，降低轉(zhuǎn)軸處摩擦損失及疲勞破壞［9］。

停泵介質(zhì)流速降低，閥瓣趨于關(guān)閉，活塞受到拉力及左腔油液壓力開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，右腔油液通過(guò)J口快速流向左腔，止回閥迅速關(guān)閉大部分行程，造成很大局部阻力，部分水倒流，使升壓減小;介質(zhì)在重力作用下開(kāi)始倒流時(shí)，活塞已堵住J口，油液只能從節(jié)流口流出，腔內(nèi)油液壓力升高對(duì)活塞產(chǎn)生阻力，活塞速度逐漸降為0，止回閥也緩慢關(guān)閉剩余行程。壓力的升高與流速的變化成正比，慢關(guān)過(guò)程導(dǎo)致流速變化的增量減小，把管道的壓力升高限制在允許的范圍之內(nèi)，有效減弱停泵水錘。

2.3 理論分析與計(jì)算

緩沖油缸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。這是一種靠活塞位置的自動(dòng)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖作用的緩沖油缸。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到J口時(shí)，節(jié)流口開(kāi)始起緩沖作用;當(dāng)活塞脫離J口時(shí)，油缸快速動(dòng)作。

圖1 緩沖油缸結(jié)構(gòu)示意圖

活塞向右運(yùn)動(dòng)到J口時(shí)的速度

式中:QJ為油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程從J口流出的流量;

A0為緩沖活塞有效作用面積。

油缸活塞快速運(yùn)動(dòng)階段時(shí)間即止回閥快關(guān)所用時(shí)間t1

式中:L為活塞快速運(yùn)動(dòng)階段的長(zhǎng)度。

活塞到達(dá)J口開(kāi)始緩沖，設(shè)活塞和負(fù)載的總質(zhì)量為m，緩沖缸受到的外力F，則有

式中:F為作用于活塞上的外力;

Δp為緩沖活塞兩端壓力，

Δp=pi－p;

Ff為密封阻力，它與活塞速度、密封條件等有關(guān)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)常忽略;

m為活塞及運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量;

a為活塞的加速度。

式 (1)簡(jiǎn)化為:

根據(jù)連續(xù)性方程:

式中:v為活塞運(yùn)動(dòng)速度;

Q為緩沖過(guò)程從節(jié)流閥流出量。

通過(guò)節(jié)流口流量為:

式中:Cq為小孔流量系數(shù);

ρ為油液密度。

由式 (4)— (6)得

式中:x為緩沖活塞位移。

積分得活塞位移:

邊界條件x=0，v=v0節(jié)流口開(kāi)始起緩沖。

為簡(jiǎn)化，令

將邊界條件及式 (9)，(10)代入式 (7)

當(dāng)x=0時(shí)，減速度為a=amax。

減速度通用表達(dá)式

將式 (10)代入式 (8)得:

當(dāng)x=0時(shí)緩沖腔的緩沖壓力最大。

當(dāng)減速度a=(1～5)%amax時(shí)緩沖過(guò)程結(jié)束［8］。

由式 (7)、(8)可得:

式中:t0為油缸緩沖作用時(shí)間，即止回閥緩閉過(guò)程所用時(shí)間。

式中:kl為長(zhǎng)度系數(shù)，取kl=1.5 ～2.3［8］。

不同類(lèi)型、尺寸止回閥發(fā)生水錘時(shí)的水錘壓力增值不同［10］，利用上述的理論分析公式，計(jì)算可得阻尼孔大小、緩沖速度及兩階段關(guān)閥的時(shí)間，使止回閥關(guān)閉過(guò)程與水流的過(guò)渡狀態(tài)協(xié)調(diào)配合，達(dá)到有效控制水錘壓力的目的。

3 AMESim仿真

利用AMESim的仿真環(huán)境建立液壓緩沖缸的仿真模型［11－12］，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation)是法國(guó)IMAGINE公司開(kāi)發(fā)的一套高級(jí)仿真軟件，是一個(gè)圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能的分析。AMESim特點(diǎn)是面向工程應(yīng)用并成為汽車(chē)、液壓和航天航空等工業(yè)研發(fā)部門(mén)的理想仿真工具。用AMESim的各種模型庫(kù)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可快速達(dá)到建模與仿真以及優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)還提供了與Matlab、ADAMS等軟件的接口，可方便地與這些軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。

緩沖油缸的第一階段是普通油缸的快速運(yùn)動(dòng)，故只考慮緩沖過(guò)程的仿真，即從活塞將J口堵上以后的緩沖過(guò)程的仿真。

圖2為緩沖腔的壓力曲線(xiàn)圖。由圖可知最大逆流介質(zhì)到達(dá)止回閥處，油缸封閉容腔內(nèi)油液壓力逐漸升高，對(duì)運(yùn)動(dòng)活塞產(chǎn)生阻力，活塞速度逐漸減小至0，緩沖使止回閥關(guān)閥時(shí)間增長(zhǎng)。

圖3為節(jié)流閥流量曲線(xiàn)圖，可知活塞將J口堵上的時(shí)油液從節(jié)流閥緩沖流出，當(dāng)流量減小為0時(shí)緩沖階段結(jié)束。

圖2 緩沖腔壓力曲線(xiàn)圖

圖3 節(jié)流閥流量曲線(xiàn)圖

圖4為運(yùn)動(dòng)活塞速度曲線(xiàn)圖，由圖可知，阻尼緩沖油缸使活塞運(yùn)動(dòng)速度緩慢降低至0，延長(zhǎng)了止回閥緩閉過(guò)程時(shí)間，從而把管道水錘壓力增值限制在允許范圍內(nèi)。

圖4 運(yùn)動(dòng)活塞速度曲線(xiàn)圖

止回閥的關(guān)閥壓力取決于其動(dòng)態(tài)關(guān)閉特性［13－14］，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可降低水擊強(qiáng)度。防水錘緩沖油缸的理論分析與仿真，驗(yàn)證了緩沖油缸有效防止水錘性能。

4 結(jié)論

(1)緩沖油缸克服了普通止回閥的缺點(diǎn)，使止回閥實(shí)現(xiàn)快關(guān)緩閉，并與水流的過(guò)渡狀態(tài)協(xié)調(diào)配合，有效地防止了停泵水錘。

(2)理論分析可選擇與一定范圍水錘壓力增值對(duì)應(yīng)的緩沖缸阻尼孔尺寸。

(3)通過(guò)為科信閥門(mén)設(shè)計(jì)的緩沖油缸的理論分析與仿真，驗(yàn)證了緩沖油缸的可行性。

(4)止回閥緩沖油缸的緩沖作用有效防止止回閥水錘壓力增值，保護(hù)泵及管路系統(tǒng)，及影響介質(zhì)在止回閥內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化管道系統(tǒng)提供參考。

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