煤質分析儀器用定量滑閥的軸向尺寸設計方法

2022-11-03 12:34:40薄恩多

煤質技術 2022年5期

袁康,薄恩多

(1.長沙開元儀器有限公司,湖南長沙 410007;2.國電電力朝陽熱電有限公司,遼寧朝陽 122000)

0 引言

隨著國家“雙碳”戰略不斷提上日程，能源結構變革的時間表已逐漸清晰，煤炭仍是傳統化石燃料碳排放的主要來源之一，因此，煤質分析儀器作為碳排放權交易過程中供需雙方重要的度量衡，已越來越被重視。

煤質分析儀器中常用的滑閥是由氣缸驅動的兩位滑閥[1-2]，其作用是控制氣路的連接關系，技術方案如下:在閥體上開有氣孔以用于安裝流路接頭，過氣通道置于裝有O型密封圈的閥桿上，閥桿與氣缸桿直連;當氣缸動作時，閥桿沿閥體滑動，通過改變閥桿上的過氣通道對閥體上氣孔的覆蓋連通關系，實現流路的方向控制。

取樣滑閥也稱定量滑閥，其為分析儀器氣路控制的關鍵部件。以六通滑閥為例，樣氣氣路和載氣氣路在閥體內交匯，閥體上制有載氣進出氣接口、樣氣進出氣接口和定體積元件(樣品環)進出氣接口6個接口組成，以控制該6組接口的流體流動。定量閥有旋轉式和直動式，旋轉式可靈活配置成順序閥、分配閥且結構緊湊，但密封結構復雜，因此直動式滑閥應用較為廣泛。李寶順[3-4]通過研究滑閥的結構設計，在保證水力損失和容積損失最小的基礎上推算各軸向尺寸的最佳值;王安麟等[5]利用計算流體動力學方法(CFD)可視化地解析流道結構參數對瞬態液動力的影響;易迪升[6]與陳小磊[7]建立典型節流槽的數學模型，通過CFD方法對滑閥設計的關鍵技術進行理論及仿真分析;干敏耀[8]提供了幾類多位多通閥的設計方法及思路。

滑閥的軸向尺寸由于具有復雜的連接關系而一般不易得到，其設計尺寸通常需要考慮動作前后的約束關系。目前多傾向于滑閥的過流槽結構對其動態液力性能的影響分析[9-15]，鮮有對滑閥軸向尺寸設計方法進行針對性研究，因而以下探討通過數學模型解決相應問題，并通過實例以期驗證該法能為同類產品的設計起到一定的指導意義。

1 定量滑閥的接口拓撲

1.1 定量滑閥的功能分析

定量滑閥用于分析儀器的定體積取樣，其流路控制如圖1所示，主要功能特點如下:滑閥在儀器樣氣氣路和載氣氣路之間切換工作;滑閥處于取樣階段時，樣氣氣路中的分析氣由上游氣路流至閥體，通過閥上的樣品環(定體積部件)截取固定體積后排出;與此同時，載氣經由閥體連通，用于吹掃下游氣路中的檢測器;閥桿切換后，滑閥處于分析階段，載氣氣路與樣品環連通，將樣品環中的樣氣載入檢測器進行測定。

圖1 定量滑閥的流路控制

由此可見，定量滑閥將樣氣氣路和載氣氣路進行隔離，其目的在于:

(1)只有少數有代表性的樣氣混合氣進入檢測器并被過量的載氣稀釋，對定量分析起到“杠桿”作用，即擴大了儀器的分析范圍;

(2)由于檢測器在常態下被載氣吹掃，基線穩定且回零快，將使得峰型的對比度、信噪比增大，使元素分析儀具有極低的檢測限。

對于連接復雜的多接口場合，圖的拓撲分析顯得十分重要，可解決接口的排列問題。元素分析儀接口之間的拓撲關系如圖2所示。

圖2 接口之間的拓撲關系

由圖2可知，根據定量閥的功能分析并以各個接口為節點，在有連通關系的接口間建立邊，可以得到各個接口之間拓撲關系的無向圖G，由此可實際反映接口之間的鄰接關系。

1.2 接口排布和密封設計

根據上述分析，將描述接口鄰接關系的無向圖展平，即可得到閥體的接口排布關系，如圖3所示。排布順序為:樣氣入口-樣品環入口-載氣入口-載氣出口-樣品環出口-樣氣出口。樣品環連接在相應接口上。

圖3 閥體的接口排布示意

根據氣孔排布，可以初步得到閥體氣孔位置和閥桿上過氣通道在取樣和分析兩個階段的相互關系，進而得到閥桿上密封圈位置如圖4所示。通過密封圈位置實現氣孔的連通邏輯;在取樣階段，樣氣由E口通過閥桿上的過氣通道，經過C口進樣品環，再通過D口、過氣通道并經F口流出;與此同時，A口、B口通過閥桿上過氣通道連通，實現檢測器吹掃;在分析階段，載氣從A口流入，過閥體內聯通樣品環后從B口流出，將樣氣載入檢測器進行分析，此時的樣氣入口E需密封，但樣氣出口F無需特意處理。

圖4 取樣和分析階段的閥體密封位置

在圖4中，假定隔板代表密封圈，隔板之間可以連通，隔板兩側不得連通，則將取樣階段(藍色弧線)和分析階段(橙色弧線)所表征的連接關系轉化成圖中隔板位置形式。建立該關系的意義在于明確兩滑閥過氣孔與密封的位置關系，建立有效的尺寸約束關系，從而將該設計問題轉化響應的數學模型。密封位置在兩側也需將氣體與空氣隔離，后續實際建模時將予以考慮。

2 定量滑閥軸向尺寸模型

2.1 定量滑閥軸向尺寸關系的確定

基于兩位定量滑閥在作用前后的過氣孔與密封位置的相對關系模型，以下詳細討論對應的幾何約束關系。

根據前述的應用需要，實際氣路切換時，閥桿密封槽與閥體上的過氣孔的相對位置關系如圖5所示，即假設過氣孔半徑為R、密封槽半槽尺寸為r，以密封槽中心為原點建立數軸，閥桿位移尺寸為x，并假設位置容差為T，建立兩者位置關系的數學模型。其中，過氣孔半徑(R)決定氣體的流通能力，密封槽半槽尺寸(r)反映密封可靠性，即密封不可靠則易發生內泄并導致躥氣;閥桿位移(x)取決于選用的氣缸的行程，位置容差是指過氣孔與密封槽的最小距離，引入膨脹尺寸(M)考慮位置容差。由于氣缸桿運動的位置精度有限，氣孔與密封槽的距離越小，則容差越小，躥氣的概率增大，因此，該容差至少應大于氣缸的位置精度和整個軸向尺寸鏈的累積公差之和，理論上容差值越大越好。但該值若越大則滑閥軸向尺寸增大，尤其易導致閥體的工藝性變差，不利于滑閥的可靠工作。

圖5 閥桿閥體覆蓋關系

閥體上氣孔的幾何尺寸見式(1):

(1)

式中，R為過氣孔半徑，mm;r為密封槽半槽尺寸，mm;T為位置容差，mm;M為考慮容差后的膨脹尺寸，mm;Li為過氣孔位置尺寸，mm;Kj為密封槽位置尺寸，mm。

取樣階段的覆蓋關系表達式見式(2):

(2)

分析階段的覆蓋關系表達式見式(3):

(3)

式中，x為氣缸位移，mm。

閥體設計的主要限制條件是閥體的加工工藝性，閥體長度尺寸越小，工藝性越好，因此可以將軸向尺寸作為軸向尺寸綜合的目標函數:

minf=L5+L4+L3+L2+L1+L0

(4)

2.2 定量滑閥軸向尺寸綜合的數學模型

根據上述論述，定量滑閥軸向尺寸設計問題具有最優解，即在滿足幾何約束關系下關于工藝性最優的線性規劃問題，其設計變量是Li和Ki，目標函數是f，為了應用專用數學工具解決該問題，將問題寫成MATLAB標準形式，見式(5)。

(5)

其中符號均為導出變量。將上述不等式整理成標準形式，詳見式(6):

(6)

其中:

至此可調用MATLAB標準線性規劃函數，求解之:

y=linprog(f,A,b,[],[],lb,ub)

(7)

該函數的返回值有以下2種情況需要關注:

(1)exitflag=1，求解成功，得到收斂解;

(2)exitflag=-2，未找到可行解。

函數返回值的第1種情況得到滿足約束的最優解，第2種情況則未找到可行解，即其無法滿足幾何約束要求，但通常將第2種情況作為判斷該軸向尺寸綜合的可行性。

4 模型設計實例

根據前述模型，對定量滑閥軸向尺寸進行設計或評估。在滿足一定的過氣量條件下，即過氣孔徑(R)一定，討論氣缸行程(x)與加工容差(T)的值，用于評估設計是否穩健，即判斷抗超差能力的強弱。根據實際加工條件，確定過氣孔徑(R)為0.5 mm。

隨著氣缸行程的增大，設計的加工容差能力越來越強。由于氣缸屬于位置誤差較大的運動件，建議加工容差保持在0.5 mm以上。通過計算得到，當閥體上過氣孔的尺寸為φ0.6時，采用行程5 mm的氣缸時，其加工容差為0.2，可見容差能力相對弱。另一方面，當氣缸行程選定為7 mm時，過流孔為φ1時，容差水平和工藝性均較好，為最優設計方案，此時的軸向設計尺寸如下:

[6.9,6.9,6.9,6.9,6.9,3.5,27.5,13.8,13.8]T

(8)

根據前述模型，對定量滑閥軸向尺寸進行設計，其綜合示意如圖6所示。由實際操作可以驗證，在氣缸作用前后，閥體和閥桿的連通關系滿足定量取樣的要求，且得到了工藝性最好的方案。