隨機(jī)振動(dòng)條件下保險(xiǎn)閥顫振問(wèn)題分析及改進(jìn)

王劍中，史 剛，江海峰，曹 榮，孫海鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

隨機(jī)振動(dòng)條件下保險(xiǎn)閥顫振問(wèn)題分析及改進(jìn)

王劍中，史 剛，江海峰，曹 榮，孫海鵬

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

為解決導(dǎo)彈保險(xiǎn)閥在隨機(jī)振動(dòng)條件下出現(xiàn)的顫振問(wèn)題，使用aMeSim軟件進(jìn)行建模仿真。通過(guò)在模型中添加隨機(jī)振動(dòng)模塊，有效模擬了振動(dòng)條件下保險(xiǎn)閥的工作狀態(tài)，并分析了幾個(gè)因素對(duì)顫振的影響。結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)件與殼體間的摩擦力是主要影響因素，活閥導(dǎo)向結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定影響。對(duì)保險(xiǎn)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，試驗(yàn)證明改進(jìn)后顫振現(xiàn)象得到大大改善。研究結(jié)果對(duì)閥門(mén)在隨機(jī)振動(dòng)條件下的性能分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)作用。

隨機(jī)振動(dòng)；保險(xiǎn)閥；顫振問(wèn)題

0 引 言

保險(xiǎn)閥是火箭、導(dǎo)彈增壓輸送系統(tǒng)的重要元件，主要對(duì)液體貯箱進(jìn)行超壓保護(hù)[1]。某導(dǎo)彈保險(xiǎn)閥在靜態(tài)環(huán)境下試驗(yàn)時(shí)性能良好，閥門(mén)啟閉正常平穩(wěn)；而在隨機(jī)振動(dòng)條件下試驗(yàn)時(shí)，卻出現(xiàn)了明顯的顫振現(xiàn)象，持續(xù)一段時(shí)間后膜盒破裂，整閥失效。因此，顫振問(wèn)題對(duì)保險(xiǎn)閥在導(dǎo)彈飛行狀態(tài)下的可靠性有很大影響[2]，需要進(jìn)行分析和改進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)管路閥門(mén)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]基于隨機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析得到了導(dǎo)管的動(dòng)力特性和均方根應(yīng)力，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；文獻(xiàn)[4]通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模分析了相關(guān)參數(shù)對(duì)先導(dǎo)閥芯的振動(dòng)特性的影響，但并未考慮外部振動(dòng)環(huán)境條件的影響；文獻(xiàn)[5]對(duì)某壓力信號(hào)器在正弦振動(dòng)下的閥門(mén)性能進(jìn)行了分析。

本文采用aMeSim仿真軟件，采用在模型中添加隨機(jī)振動(dòng)模塊的方法，計(jì)算得到振動(dòng)條件下影響閥門(mén)顫振的幾個(gè)主要因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)效果良好，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的正確性。

1 保險(xiǎn)閥隨機(jī)振動(dòng)條件下顫振問(wèn)題

1.1 保險(xiǎn)閥工作原理

保險(xiǎn)閥工作原理如圖1所示。

圖1 保險(xiǎn)閥工作原理

由圖1可以看出，其入口與貯箱相連，出口與外界大氣相通。敏感元件為膜盒，啟閉運(yùn)動(dòng)件為拉套、小彈簧及活閥組成的一體結(jié)構(gòu)。小彈簧安裝于拉套與活閥之間，閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下，活閥與拉套之間有一定空程。當(dāng)貯箱氣體壓力升高時(shí)，膜盒感受到氣體壓力，克服主彈簧力的作用，帶動(dòng)拉套產(chǎn)生向右位移，壓力達(dá)到開(kāi)啟點(diǎn)時(shí)，拉套與活閥接觸并帶動(dòng)其一起運(yùn)動(dòng)，閥門(mén)開(kāi)啟排氣；當(dāng)氣體壓力下降時(shí)，主彈簧推動(dòng)膜盒和拉套回位，閥門(mén)關(guān)閉。

1.2 保險(xiǎn)閥變流量試驗(yàn)顫振問(wèn)題

為考核保險(xiǎn)閥在最小和最大排氣量之間變化時(shí)的排氣能力，需進(jìn)行變流量試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。以20 L氣瓶模擬實(shí)際貯箱氣枕，用Φ3.1 mm孔板控制流量。

圖2 保險(xiǎn)閥試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，控制孔板前壓力由0.4 Mpa緩慢上升至2 Mpa，然后降低至0.4 Mpa，記錄整個(gè)過(guò)程中保險(xiǎn)閥的啟閉性能和氣枕壓力變化情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)條件下，保險(xiǎn)閥的啟閉正常，氣枕壓力變化平穩(wěn)，性能良好；而在隨機(jī)振動(dòng)條件下，保險(xiǎn)閥出現(xiàn)了明顯的顫振現(xiàn)象；閥門(mén)開(kāi)度不斷變化，帶動(dòng)氣枕壓力產(chǎn)生大幅波動(dòng)；試驗(yàn)時(shí)，在閥門(mén)出口可感受到明顯的不連續(xù)排氣現(xiàn)象。兩種狀態(tài)下氣枕壓力曲線對(duì)比如圖3所示。

圖3 變流量試驗(yàn)氣枕壓力曲線對(duì)比

2 顫振問(wèn)題仿真分析

2.1 振動(dòng)條件下分析方法

閥門(mén)工作時(shí)，外部振動(dòng)載荷首先通過(guò)安裝支架作用于閥門(mén)殼體，引起殼體與內(nèi)部運(yùn)動(dòng)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)閥門(mén)的正常啟閉造成影響。在應(yīng)用aMeSim進(jìn)行閥門(mén)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，振動(dòng)條件無(wú)法直接加載，原因是振動(dòng)載荷未知，且加速度屬于狀態(tài)量，兩者均無(wú)法直接作為控制量輸入。文獻(xiàn)[5]通過(guò)殼體與運(yùn)動(dòng)件的受力分析，將換算得到的與振動(dòng)量級(jí)相關(guān)的附加力施加到運(yùn)動(dòng)件上，成功應(yīng)用aMeSim對(duì)壓力信號(hào)器的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.2 殼體及運(yùn)動(dòng)件受力分析

建立空間位置坐標(biāo)系，運(yùn)動(dòng)件的受力及位移情況如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)件受力及位移情況

由于閥門(mén)的特性主要取決于運(yùn)動(dòng)件與殼體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此引入?yún)⒘縟x表示閥芯與殼體的相對(duì)位移：

式中 x運(yùn)為運(yùn)動(dòng)件位移；x殼為殼體位移。

靜態(tài)環(huán)境下，殼體位移及加速度均為0，運(yùn)動(dòng)件的受力情況為

式中 m運(yùn)為運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量；pF為氣體作用力；k為主彈簧剛度。

振動(dòng)條件下，殼體會(huì)產(chǎn)生位移及加速度，運(yùn)動(dòng)件的受力情況為進(jìn)而可得：

對(duì)比式（2）、式（4）可以看出，振動(dòng)條件下需要給閥芯施加一個(gè)與振動(dòng)量級(jí)相關(guān)的附加力，大小為-m運(yùn)，則振動(dòng)條件下運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)特性分析可以轉(zhuǎn)化為殼體固定、運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)特性分析[5]。

基于aMeSim 10仿真軟件，建立了保險(xiǎn)閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示，各元件子模型的設(shè)置見(jiàn)表1[6]。采用aMeSim 10仿真軟件中振動(dòng)模塊，對(duì)保險(xiǎn)閥殼體施加隨機(jī)振動(dòng)，并根據(jù)上述分析，在模型中添加描述殼體與運(yùn)動(dòng)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軸向振動(dòng)影響因素，其輸入為系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，輸出為時(shí)域上的運(yùn)動(dòng)件加速度數(shù)值，再通過(guò)乘以運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量，轉(zhuǎn)化為時(shí)域上的運(yùn)動(dòng)件附加力，并輸入到運(yùn)動(dòng)件模塊，這樣可以在計(jì)算中引入振動(dòng)響應(yīng)，更加真實(shí)地反應(yīng)運(yùn)動(dòng)件的工作狀態(tài)。

圖5 aMeSim仿真模型

表1 主要元件子模型設(shè)置

根據(jù)保險(xiǎn)閥的工作狀態(tài)，將氣體介質(zhì)設(shè)定為氮?dú)猓瑲庠磯毫υO(shè)定為2 Mpa，氣枕容積設(shè)定為20 L，各元件模型參數(shù)按照保險(xiǎn)閥的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，輸入孔板前壓力的變化曲線如圖6所示。

圖6 孔板前壓力輸入曲線

2.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，得到了拉套和活閥的位移變化曲線以及膜盒內(nèi)腔壓力、閥門(mén)出口壓力的變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，添加軸向隨機(jī)振動(dòng)模塊后，保險(xiǎn)閥的拉套和活閥位移出現(xiàn)了大幅度擺動(dòng)響應(yīng)，閥門(mén)出口壓力也不穩(wěn)定，與試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致，說(shuō)明模型設(shè)置正確合理。

圖7 仿真計(jì)算結(jié)果

從圖7還可以看出，拉套位移擺動(dòng)幅度與活閥的位移振幅及相同時(shí)間點(diǎn)的位移大致相同，有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。說(shuō)明保險(xiǎn)閥顫振的主要原因是振動(dòng)加速度造成的慣性力，使拉套持續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)活閥一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)因素影響分析

3.1 主彈簧剛度

若主彈簧剛度偏小，慣性力所造成的主彈簧變形量較大，會(huì)造成閥門(mén)開(kāi)度不斷變化，影響正常排氣，進(jìn)而加劇顫振的發(fā)生。為驗(yàn)證主彈簧剛度的影響，取主彈簧剛度分別為4 000 N/m、20 597 N/m和40 000 N/m進(jìn)行計(jì)算，得到的拉套位移曲線見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出，當(dāng)主彈簧剛度增加時(shí)，拉套位移顫振幅度略微減小，但并不明顯，說(shuō)明主彈簧剛度對(duì)保險(xiǎn)閥顫振無(wú)明顯影響。

圖8 不同主彈簧剛度下拉套位移曲線

3.2 活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土路面的碾壓分為初壓、復(fù)壓和終壓。初壓要求整平、穩(wěn)定；復(fù)壓要求密實(shí)、穩(wěn)定、成型；終壓則要求消除輪跡。初壓應(yīng)在攤鋪后達(dá)到適宜碾壓的溫度時(shí)立即進(jìn)行，并不得產(chǎn)生推移、開(kāi)裂。復(fù)壓要求提高密實(shí)度并揉壓，以減少表面細(xì)裂紋和孔隙。終壓前要認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)局部離析及邊緣不規(guī)則時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行人工修補(bǔ)。碾壓應(yīng)沿縱向從低邊向高邊慢速均勻地進(jìn)行，碾壓過(guò)程中壓路機(jī)不得中途停留、轉(zhuǎn)向或制動(dòng)。

保險(xiǎn)閥原活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)為三瓣式，三瓣結(jié)構(gòu)會(huì)占據(jù)一部分閥門(mén)出口流通面積，對(duì)排氣造成一定影響，可能對(duì)顫振有不利影響。為驗(yàn)證此因素的影響，將活閥導(dǎo)向部位更改為導(dǎo)向桿式，如圖9所示。

圖9 活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意

對(duì)更改前、后的狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算和比較，計(jì)算得到的拉套位移曲線如圖10所示。從圖10可以看出，以拉套位移的振動(dòng)幅度判斷，活閥導(dǎo)向桿式結(jié)構(gòu)相對(duì)三瓣式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有一定的改善，說(shuō)明活閥導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)保險(xiǎn)閥顫振有一定影響。

圖10 兩種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的拉套位移曲線

3.3 小彈簧剛度

活閥組件受小彈簧力的作用被壓在拉套上，若小彈簧剛度偏低，軸向加速度產(chǎn)生的慣性力可能會(huì)使得活閥反復(fù)運(yùn)動(dòng)。為驗(yàn)證小彈簧剛度影響，取小彈簧剛度分別為2 000 N/m、7 333 N/m和14 000 N/m進(jìn)行計(jì)算，得到的活閥位移曲線，見(jiàn)圖11。

圖11 不同小彈簧剛度下拉套位移曲線

從圖11可以看出，當(dāng)小彈簧剛度變化時(shí)，活閥位移顫振幅度無(wú)變化，說(shuō)明小彈簧剛度對(duì)保險(xiǎn)閥顫振無(wú)影響。

3.4 拉套與殼體間摩擦阻尼力

為抑制運(yùn)動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可在拉套與殼體間增加一定的摩擦阻尼力。為驗(yàn)證不同摩擦阻尼力的影響，在代表拉套的質(zhì)量塊模型中分別增加3.92 N、8.82 N和19.6 N的摩擦力進(jìn)行計(jì)算，得到的拉套位移曲線如圖12所示。

圖12 不同摩擦阻尼力下的拉套位移曲線

由圖12可以看出，拉套與殼體間的摩擦阻尼力對(duì)保險(xiǎn)閥的顫振性能影響顯著。當(dāng)摩擦阻尼力提升時(shí)，拉套位移擺動(dòng)幅度明顯降低，當(dāng)摩擦阻尼力上升至19.6 N時(shí)，拉套運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，波動(dòng)較小，大大改善了顫振現(xiàn)象。

4 保險(xiǎn)閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向采用導(dǎo)向桿式結(jié)構(gòu)，并在拉套與殼體之間通過(guò)漲圈設(shè)置19.6 N的摩擦阻尼力。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的效果，在相同的隨機(jī)振動(dòng)條件下重新進(jìn)行了變流量試驗(yàn)，得到保險(xiǎn)閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的氣枕壓力變化與改進(jìn)前的對(duì)比情況如圖13所示。

圖13 改進(jìn)前、后氣枕壓力曲線對(duì)比

由圖13可以看出，保險(xiǎn)閥改進(jìn)后，振動(dòng)條件下的氣枕壓力擺動(dòng)幅度明顯降低。從試驗(yàn)現(xiàn)象中也可明顯看出顫振現(xiàn)象大幅減弱，保險(xiǎn)閥啟閉動(dòng)作較為平穩(wěn)，改進(jìn)效果良好。

5 結(jié) 論

a）通過(guò)在模型中添加隨機(jī)振動(dòng)模塊，引入與振動(dòng)量級(jí)相關(guān)的附加力，可以有效模擬保險(xiǎn)閥在隨機(jī)振動(dòng)條件下的動(dòng)特性；

b）經(jīng)過(guò)aMeSim仿真分析，拉套與殼體間的摩擦阻尼力對(duì)保險(xiǎn)閥顫振的影響明顯，活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)保險(xiǎn)閥顫振也有一定影響；

c）根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將活閥運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向改為導(dǎo)向桿式結(jié)構(gòu)，同時(shí)在拉套與殼體間設(shè)置19.6 N的摩擦阻尼力，改進(jìn)后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，振動(dòng)條件下保險(xiǎn)閥啟閉較平穩(wěn)，顫振現(xiàn)象大幅減弱；

d）添加隨機(jī)振動(dòng)模塊的aMeSim仿真模型正確，該方法可為閥門(mén)振動(dòng)條件下動(dòng)特性分析計(jì)算提供參考。

[1] 陸培文. 實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 王心清, 等. 導(dǎo)彈與航天-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2005.

[3] 周芒, 等. 導(dǎo)管隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2013, 40(5): 30-35.

[4] 王國(guó)志, 等. 溢流閥先導(dǎo)閥芯的振動(dòng)特性仿真研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(10): 2682-2699.

[5] 梁景媛, 王海洲. 壓力信號(hào)器振動(dòng)環(huán)境下誤觸發(fā)現(xiàn)象機(jī)理[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2011(3): 29-36.

[6] 付永領(lǐng), 齊海濤. LMS Imagine Lab aMeSim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

Analysis and Improvement of Safety Valve Flutter Under Random Vibration

Wang Jian-zhong, Shi Gang, Jiang Hai-feng, cao Rong, Sun Hai-peng
(Beijing Institute of aerospace Systems engineering, Beijing, 100076)

In order to solve the problem of flutter on the safety valve under random vibration, aMeSim is used for Modeling and simulation. By adding random vibration module into the model, the working state of safety valve under random vibration is effectively simulated. and several influencing factors are analyzed. Results reveal that friction between sleeve and shell is the main factor, while oriented structure of moving piston also had some influences. Then safety valve was improved, experiment proved flutter was greatly improved. The study served as a guidance to performance analysis and improvement of valve under random vibration.

Random vibration; Safety valve; Flutter

TJ760.6+24

a

1004-7182(2016)01-0031-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160108

2014-08-18；

2014-12-24

王劍中（1974-），男，研究員，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究