直動(dòng)式安全閥的建模分析

張晶

摘要：安全閥是氣動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能關(guān)系設(shè)備及人身安全，本文通過(guò)對(duì)其工作原理的分析，運(yùn)用AMESim 軟件建立了安全閥的仿真模型，為下一步仿真優(yōu)化分析打下基礎(chǔ)。

Abstract： Safety valve is the key component of the pneumatic system， its performance is related to the safety of the equipment and person. In this paper， through the analysis of its working principle， AMESim software is used to establish the simulation model of the safety valve， which lays a foundation for the next step of simulation optimization analysis.

關(guān)鍵詞：安全閥;AMESim;建模;仿真

Key words： safety valve;AMESim;modeling;simulation

中圖分類號(hào)：TD402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0045-02

0? 引言

安全閥是一種由進(jìn)口靜壓開(kāi)啟的自動(dòng)泄壓防護(hù)裝置，它是為了防止系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)異常狀況下壓力過(guò)高而引起爆炸而設(shè)置的安全閥裝置。即當(dāng)進(jìn)入安全閥的壓力超過(guò)一定的值，安全閥會(huì)依靠介質(zhì)的壓力開(kāi)啟閥門，迅速排出一定數(shù)量的介質(zhì);當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力降到允許值時(shí)，閥門又自動(dòng)關(guān)閉。安全閥作為工業(yè)流體裝置中不可或缺的控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金、輕紡、機(jī)械制造、建筑和國(guó)防軍工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于我們鐵路方面也不例外。

目前，鐵路車輛上安裝的安全閥大都是彈簧式安全閥[1]。安全閥在鐵道機(jī)車車輛方面有很重要的應(yīng)用，例如可以在貨車空氣制動(dòng)機(jī)空重車調(diào)整裝置中使用，在空車位時(shí)，通過(guò)安全閥自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉來(lái)控制制動(dòng)缸壓力，從而限制制動(dòng)缸壓力過(guò)大而導(dǎo)致輪對(duì)的擦傷。

1? 安全閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

安全閥按結(jié)構(gòu)類型及工作原理，分為直動(dòng)式安全閥和先導(dǎo)式安全閥[2]兩類。本文主要研究的是直動(dòng)式安全閥。

直動(dòng)式安全閥主要是由帽、調(diào)整螺母、套筒、彈簧、閥芯、圈、閥座及螺母等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中A、F、C為三個(gè)孔。

A為進(jìn)氣孔，當(dāng)從孔A進(jìn)的氣體產(chǎn)生的壓力小于彈簧的預(yù)壓縮力和空氣壓力一起產(chǎn)生的力，無(wú)法推動(dòng)閥芯，那多余的氣體經(jīng)空隙從F孔排出;當(dāng)孔的氣體產(chǎn)生的壓力大于彈簧的預(yù)壓縮力和空氣壓力一起產(chǎn)生的力，推動(dòng)閥芯移動(dòng)，當(dāng)閥芯向上移動(dòng)到一定距離后，閥孔C打開(kāi)，多余的氣體從C孔排出，當(dāng)氣體壓力降到小于設(shè)定的壓力時(shí)，閥芯回落，C孔關(guān)閉，即為安全閥的工作原理。

2? 安全閥的建模

根據(jù)安全閥的結(jié)構(gòu)和原理，在AMESim平臺(tái)上使用PCD圖庫(kù)來(lái)建立一個(gè)具有動(dòng)力學(xué)特性安全閥模型如圖2，上面的虛線框中的部分是安全閥的仿真模型，元件1是用于表示彈簧，用元件2來(lái)表示閥芯，A孔位進(jìn)氣孔，C孔為排氣孔，氣體從A孔進(jìn)入，當(dāng)進(jìn)入安全閥的氣體壓力小于彈簧的預(yù)壓縮力，閥芯不會(huì)打開(kāi)，閥體內(nèi)多余的氣體從F孔排到大氣;當(dāng)從A孔進(jìn)入的氣體的壓力大于彈簧的預(yù)壓縮力，閥芯上移，使排氣孔C打開(kāi)，多余的氣體從C孔排出，直到安全閥內(nèi)的壓力降到彈簧預(yù)壓縮力以下，閥芯會(huì)慢慢回落，排氣孔C關(guān)閉。為了讓安全閥完成開(kāi)啟和回落的整個(gè)過(guò)程，在系統(tǒng)中加入一個(gè)控制信號(hào)和一個(gè)二位二通電磁換向閥，即圖2中下面的下面虛線框中的部分。下面虛線框中的壓力源是給系統(tǒng)一個(gè)穩(wěn)定壓力，信號(hào)和二位二通電磁換向閥是用于控制安全閥的動(dòng)作，控制信號(hào)的輸出如圖3所示，在20s時(shí)，信號(hào)輸出為1，二位二通電磁換向閥打開(kāi)，氣體從安全閥進(jìn)氣孔排入，由于氣體壓力大于彈簧的預(yù)壓縮力，使安全閥的閥芯打開(kāi);在60s時(shí)信號(hào)輸出為0，二位二通電磁換向閥關(guān)閉，氣體不會(huì)進(jìn)入安全閥的進(jìn)氣孔，安全閥中一部分氣體通過(guò)排氣孔排出后，安全閥內(nèi)壓力變小，當(dāng)降到設(shè)定壓力值以下時(shí)，閥芯開(kāi)始回落。

對(duì)于安全閥的仿真分析，主要是看閥芯開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間（即動(dòng)作靈敏度），再通過(guò)改變參數(shù)來(lái)看其對(duì)安全閥性能的影響。當(dāng)從該模型的仿真結(jié)果分析來(lái)看它和實(shí)際的安全閥的特性沒(méi)有什么區(qū)別，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)者能否設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)膮?shù)，以利于仿真能得到一個(gè)正確的結(jié)果。安全閥的主要的設(shè)置參數(shù)如表1所示。

安全閥的仿真模型如圖2所示。

3? 安全閥的仿真結(jié)果

安全閥的仿真結(jié)果如圖4所示。

在20s時(shí)，信號(hào)輸出為1，二位二通換向閥打開(kāi)，進(jìn)口壓力大于彈簧預(yù)壓縮力，在大概40.3s左右達(dá)到最高壓力點(diǎn)，所以大概需要20s將安全閥完全打開(kāi);在60s時(shí)，信號(hào)輸出為0，二位二通換向閥關(guān)閉，進(jìn)口壓力慢慢變得小于彈簧力和上部氣體壓力，閥芯回落，在78.4s時(shí)回落到最下部，使壓力始終保持在設(shè)置的最初壓力1.9bar，所以閥芯回落的時(shí)間大概是18.4s，這樣可以將安全閥的整個(gè)過(guò)程的仿真出來(lái)。

從圖4中可以讀出一些重要點(diǎn)的坐標(biāo)，如下：

壓力曲線開(kāi)始上升的坐標(biāo)（20，1.013）;

壓力曲線上升到最高點(diǎn)坐標(biāo)（40.35，2.09008）;

壓力曲線開(kāi)始下降點(diǎn)的坐標(biāo)（60，2.09124）;

壓力下降結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)（78.4，1.90575）。

根據(jù)這些坐標(biāo)點(diǎn)，可以求出其調(diào)壓偏差、壓力不均勻度？啄p和開(kāi)啟壓力比n。

從圖4中可以看出：pn=2.09bar，p0=1.9bar，由此可以得出安全閥一些性能指標(biāo)，如下：

對(duì)于（Pn-P0）、？啄p愈小或n愈大，則調(diào)壓精度愈高，從計(jì)算可以看出，建模仿真出來(lái)的安全閥的調(diào)壓精度還是可以的，能較好的反映出安全閥的性能。

4? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)安全閥閥原理的分析，可以在AMESim平臺(tái)上建立安全閥的仿真模型，該模型能夠較好的反映出安全閥的性能，并且具有一定的調(diào)壓精度，但是還是希望可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)一步提高調(diào)壓精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳大名.鐵道車輛制動(dòng)[M].出版社，2005：288-289.

[2]林瑞義，陳玉龍.先導(dǎo)式安全閥的設(shè)計(jì).上海富地閥門有限公司，安徽來(lái)安閥門有限公司.

[3]劉月芹，曹曉玲，閣琳.安全閥的選用與使用[J].化工設(shè)備與管道，2004（04）.

[4]程迪，董黎生.安全閥在鐵道車輛中的應(yīng)用[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2007.