大型閥門快開系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能研究

趙麗麗 呂慧杰 李忠泉 袁露露

摘要：以大口徑管道閥門為研究對象，為滿足快速泄復(fù)壓要求，設(shè)計(jì)了大型閥門快開系統(tǒng)。研究了采用比例換向閥和比例調(diào)速閥的大型閥門快開系統(tǒng)的穩(wěn)定性;閥門在不同開度下的泄復(fù)壓效果;以及系統(tǒng)最優(yōu)的泄復(fù)壓控制方案的選擇。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求;系統(tǒng)采用比例換向閥的泄復(fù)壓性能優(yōu)于采用比例調(diào)速閥的泄復(fù)壓性能;采用比例換向閥的大型閥門快開系統(tǒng)，當(dāng)閥門開度為70°時(shí)，系統(tǒng)的泄復(fù)壓效果控制最佳。

Abstract： In order to meet the requirement of rapid relief of compound pressure， a large valve quick opening system was designed， and a simulation model was established to study the stability of the large valve quick opening system using proportional directional valve and proportional speed regulating valve. The relief and compound pressure effect of valve under different opening degrees; The simulation results show that the system meets the requirement of stability. The compound pressure relief performance of the system using proportional directional valve is better than that of the system using proportional speed regulating valve. Adopt the large valve quick opening system of proportional reversing valve， when the valve opening is 70， the control effect of relief and compound pressure is the best.

關(guān)鍵詞：閥門快開系統(tǒng);閥門開度;泄復(fù)壓性能

Key words： quick opening system of valve;valve opening;compound pressure relief performance

中圖分類號：TP215 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0101-03

0 ?引言

大型閥門快開控制系統(tǒng)常用于航天航空領(lǐng)域中[1]。在航空航天領(lǐng)域中，載人航天器的密封艙具有泄復(fù)壓功能，它可以用來平衡氣閘艙的內(nèi)外壓力，從而保證航天員安全、方便地進(jìn)出航天器，使飛行任務(wù)順利完成[2]。目前比較常用的泄壓方式有快開盲板閥控制，這種控制方式的加工拆裝方便，應(yīng)用范圍較廣，但在操作時(shí)泄壓閥的開關(guān)不夠靈活，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡阻的現(xiàn)象，導(dǎo)致快開門無法快速打開進(jìn)行泄壓;汽輪機(jī)控制的泄壓方式結(jié)構(gòu)簡單，控制精度較高，同時(shí)也具有自鎖功能，工作性能較好，但在工作過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生吸油中斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)無法完成泄壓;泄復(fù)壓系統(tǒng)控制的泄壓方式，這種控制方式可以控制系統(tǒng)泄壓的數(shù)值，從而對系統(tǒng)泄壓速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可操作性比較強(qiáng)，但在使用過程中通常具有復(fù)壓的精度及穩(wěn)定性不夠的特點(diǎn)[3]。

本文擬采用液壓系統(tǒng)控制大型閥門的開閉情況，液壓系統(tǒng)的控制精度高、響應(yīng)快，能夠保證系統(tǒng)連續(xù)、快速的工作。在該控制系統(tǒng)中，比例換向閥和比例調(diào)速閥的選取，以及大型閥門的開度，都對系統(tǒng)的泄復(fù)壓性能產(chǎn)生很大的影響。本文設(shè)計(jì)了閥門快開液壓控制系統(tǒng)，在PID控制下，對采用比例換向閥和采用比例調(diào)速閥控制系統(tǒng)的性能分別進(jìn)行仿真研究，并對采用比例換向閥的大型閥門處于不同開度時(shí)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

1 ?大型閥門快開系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該大型閥門快開控制系統(tǒng)為液壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，系統(tǒng)中的液壓泵選用造價(jià)較低的定量泵;為了使液壓缸能夠進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)，選用單桿雙作用液壓缸;在系統(tǒng)工作過程中，要求液壓缸的運(yùn)行速度穩(wěn)定，故選用比例調(diào)速閥;要求系統(tǒng)工作時(shí)的壓力恒定，所以選用比例溢流閥。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行系統(tǒng)各元器件的選取，大型閥門快開系統(tǒng)工作原理如圖1。當(dāng)換向閥左位工作時(shí)，液壓缸做快速伸出運(yùn)動(dòng)，液壓缸推動(dòng)大型閥門的閥板快速旋轉(zhuǎn)打開;換向閥右位工作時(shí)，液壓缸做回程運(yùn)動(dòng)，閥板快速旋轉(zhuǎn)閉合;當(dāng)換向閥位于中位時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。

2 ?大型閥門快開系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 仿真模型的建立

本文采用液壓系統(tǒng)控制大型閥門的開閉，為研究該液壓系統(tǒng)在航天器密封艙的泄復(fù)壓性能，需要對該液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。常用的液壓系統(tǒng)仿真軟件有Hopsan、FluiSIM、AMESim等。Hopsan仿真軟件可以對系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測，并通過仿真對系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;FluiSIM仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)顯示和控制回路的動(dòng)作，能夠正確估計(jì)回路的工作狀態(tài)，縮短設(shè)計(jì)工作時(shí)間，在設(shè)計(jì)中發(fā)揮導(dǎo)向作用;AMESim仿真軟件是基于鍵合圖的液壓、機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模，軟件對液壓系統(tǒng)中的大多數(shù)元件都有相對應(yīng)的子模型，在此基礎(chǔ)上對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真和計(jì)算，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)，AMESim軟件操作簡單，更符合本設(shè)計(jì)的使用要求。

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，在AMESim仿真軟件中，可以對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢測，根據(jù)仿真結(jié)果分析閥門快開系統(tǒng)的快速性以及平穩(wěn)性。分別對比例換向閥和比例調(diào)速閥進(jìn)行模型搭建[3]，采用比例換向閥的大型閥門快開系統(tǒng)，其系統(tǒng)的仿真主要參數(shù)如表1所示。采用比例調(diào)速閥的大型閥門快開系統(tǒng)，其主要的仿真主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)仿真結(jié)果分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

2.2 采用比例換向閥與采用比例調(diào)速閥控制的快開系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.2.1 采用比例換向閥的仿真結(jié)果分析

對采用比例換向閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，采用比例換向閥的大型閥門快開系統(tǒng)液壓缸在4.2秒左右時(shí)開始響應(yīng)，并在1秒之內(nèi)液壓缸速度迅速達(dá)到近乎最大值，之后，液壓缸的運(yùn)行速度隨時(shí)間的增加有較小的波動(dòng)，在運(yùn)行到15秒左右時(shí)系統(tǒng)開始減速，并在2秒之內(nèi)速度很快減小到0停止運(yùn)動(dòng)。液壓缸隨著系統(tǒng)的響應(yīng)在4.2秒左右開始做伸出運(yùn)動(dòng)，隨著速度的增大在接近15.9秒時(shí)伸出位移達(dá)到最大值，最大位移約為0.28米。系統(tǒng)在17.7秒完成泄壓，在18.64秒完成復(fù)壓。由上述結(jié)論不難得出，該系統(tǒng)在響應(yīng)過程中可以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性。在采用比例換向閥的控制系統(tǒng)中，得出在PID控制下，液壓缸的位移隨時(shí)間的變化曲線和液壓缸的速度隨時(shí)間變化曲線，其仿真結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 采用比例調(diào)速閥的仿真結(jié)果分析

采用比例調(diào)速閥的大型閥門快開系統(tǒng)液壓缸在5.3秒左右時(shí)開始響應(yīng)，并在1秒之內(nèi)液壓缸速度迅速達(dá)到近乎最大值，之后，液壓缸的運(yùn)行速度隨時(shí)間的增加有較小的波動(dòng)，在運(yùn)行到15.5秒左右時(shí)系統(tǒng)開始減速，并在2秒之內(nèi)速度很快減小到0停止運(yùn)動(dòng)。液壓缸隨著系統(tǒng)的響應(yīng)在5.2秒左右開始做伸出運(yùn)動(dòng)，隨著速度的增大在接近16.9秒時(shí)伸出位移達(dá)到最大值，最大位移約為0.28米。系統(tǒng)在18.7秒完成泄壓，在19.56秒完成復(fù)壓。在采用比例調(diào)速閥的控制系統(tǒng)中，得出在PID控制下，液壓缸的位移隨時(shí)間的變化曲線和液壓缸的速度隨時(shí)間變化曲線，其仿真結(jié)果如圖3所示。

2.3 閥門在不同開度時(shí)系統(tǒng)泄復(fù)壓總時(shí)間的仿真結(jié)果分析

根據(jù)對采用比例換向閥和采用比例速閥控制系統(tǒng)的分析可知：采用比例換向閥的泄復(fù)壓性能更好。大型閥門控制系統(tǒng)泄復(fù)壓的總時(shí)間等于閥門的開啟時(shí)間和航天器充氣放氣時(shí)間的總和。大型閥門開啟的時(shí)間和航天器的充氣與放氣的時(shí)間受閥門開度影響，所以可以進(jìn)一步研究閥門在不同開度時(shí)系統(tǒng)的泄復(fù)壓時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，找到閥門的最佳開度參數(shù)，在大型閥門的最佳開度下可以縮短系統(tǒng)的泄復(fù)壓總時(shí)間。本文在采用比例換向閥的控制系統(tǒng)中，分別對閥門開度為60°、65°、70°、75°、80°、85°、90°的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，得到大型閥門在不同開度時(shí)，液壓缸的位移、速度隨時(shí)間的變化曲線，閥門在不同開度下的仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以得出，在PID控制下，采用比例換向閥的大型閥門快開系統(tǒng)，當(dāng)閥門開度為70°時(shí)，系統(tǒng)充氣時(shí)間為4.04秒，放氣時(shí)間為2.74秒，閥門開啟時(shí)間為13.2秒，泄壓時(shí)間為15.94秒，系統(tǒng)復(fù)壓時(shí)間為17.59秒。在采用比例換向閥控制大型閥門的泄復(fù)壓系統(tǒng)中，當(dāng)大型閥門開度為70°時(shí)，系統(tǒng)的泄復(fù)壓效果最佳。該控制系統(tǒng)在工作過程中，泄復(fù)壓的速度較快，同時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 ?結(jié)論

①在PID控制下，分別對采用比例換向閥的大型閥門快開控制系統(tǒng)和采用比例調(diào)速閥的大型閥門快開控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明采用比例換向閥的控制系統(tǒng)的泄復(fù)壓性能優(yōu)于采用比例調(diào)速閥的控制系統(tǒng)的泄復(fù)壓性能。

②在PID控制下，采用比例換向閥的大型閥門快開控制系統(tǒng)，在閥門不同開度時(shí)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明大型閥門開度為70°時(shí)，系統(tǒng)泄復(fù)壓響應(yīng)時(shí)間最短。

該研究為大型閥門快開系統(tǒng)的研發(fā)與改進(jìn)提供了理論的指導(dǎo)。

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