新型柱塞式安全閥設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析

王禹澗，胡森，2，蘇雷，王天舒

（1.沈陽(yáng)航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110000；2.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 102206）

0 前言

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，小型化、輕量化、集成化為當(dāng)今功能性產(chǎn)品的發(fā)展主流。安全閥作為導(dǎo)彈氣路系統(tǒng)的保護(hù)元件，在氣路系統(tǒng)中發(fā)揮著不可或缺的作用［1］。如何在保證產(chǎn)品泄壓能力不變的前提下減小產(chǎn)品體積及質(zhì)量，是彈用安全閥發(fā)展的主流方向［2］。本文作者針對(duì)某型氣路系統(tǒng)研制技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一種新型柱塞式安全閥，在保證產(chǎn)品全開流量不變的前提下，對(duì)柱塞及整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，有效減小產(chǎn)品體積及質(zhì)量，并通過流場(chǎng)仿真及動(dòng)態(tài)特性分析對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，最后通過試驗(yàn)證明產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工作原理

應(yīng)某氣路系統(tǒng)要求，在保證安全閥各方面性能指標(biāo)不變的前提下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行小型化、輕量化設(shè)計(jì)。為使產(chǎn)品滿足使用指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一種新型柱塞式結(jié)構(gòu)安全閥，柱塞采用階梯軸式設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在保證工作性能的前提下，體積和質(zhì)量得到有效優(yōu)化，產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)使用要求。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)接零件組成

設(shè)計(jì)一種新型柱塞式安全閥，柱塞采用階梯軸式設(shè)計(jì)，其中小徑部分用來(lái)做導(dǎo)向段，大徑部分保證活門開度，保證產(chǎn)品全開流量及啟閉壓力，從而確保產(chǎn)品性能指標(biāo)。因?yàn)橹Y(jié)構(gòu)及尺寸的變化，可以使其放置在殼體進(jìn)口管嘴處，有效減小產(chǎn)品長(zhǎng)度，從而減小產(chǎn)品體積及質(zhì)量，使產(chǎn)品更加協(xié)調(diào)緊湊。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Product structure

1.2 工作原理

由于新型柱塞的特有結(jié)構(gòu)，可以將柱塞安裝至殼體進(jìn)口管嘴處，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加緊湊。當(dāng)氣路閥出口壓力升高，達(dá)到安全閥規(guī)定的打開壓力時(shí)，彈簧被壓縮，活塞組件移動(dòng)，排氣縫隙移過密封膠圈，將超壓氣體排出保護(hù)系統(tǒng)的安全。當(dāng)壓力低于氣路閥關(guān)閉壓力，柱塞組件受彈簧壓力作用將縫隙推過密封膠圈，安全閥關(guān)閉并達(dá)到密封要求。

2 流場(chǎng)仿真分析

為進(jìn)一步優(yōu)化新型柱塞式安全閥的工作性能，需建立其內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)分析，明確安全閥旋渦、氣穴產(chǎn)生的位置，優(yōu)化內(nèi)部流道，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。本文作者采用ANSYS Workbench中的Fluent 模塊對(duì)安全閥進(jìn)行流場(chǎng)分析。在Fluent 軟件中用戶通過對(duì)不同流動(dòng)問題的物理特點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)而采用更有針對(duì)性的離散格式以及求解算法，通過使用單、雙精度計(jì)算，使得計(jì)算速度更快、穩(wěn)定性更好、精度更高［3-4］。

2.1 安全閥流道模型抽取

此次安全閥流道抽取采用ANSYS Workbench 軟件中的Geometry 模塊，采用模塊中的Fill 命令，詳見圖2。安全閥的流道幾何模型如圖3 所示。

圖2 三維流道抽取Fig.2 3D channel extraction

圖3 安全閥內(nèi)部流道Fig.3 Internal channel of safety valve

2.2 安全閥流道的網(wǎng)格模型及邊界條件

因?yàn)橹桨踩y活門開度較小，選擇ANSYS Workbench 中默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效劃分，導(dǎo)致仿真結(jié)果失真。本文作者采用inflation 劃分方法，在薄壁邊界層設(shè)置5 層網(wǎng)格有效劃分，從而保證仿真精度。安全閥流道網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 流道網(wǎng)格劃分Fig.4 Channel grid division

為保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用二階κ-ε湍流模型，model 選項(xiàng)選擇realizable，詳見圖5。安全閥入口壓力為0.16 MPa，出口壓力設(shè)置為0。

圖5 設(shè)置流層Fig.5 Flow layer setup

2.3 仿真結(jié)果及分析

此安全閥采用柱塞式結(jié)構(gòu)，柱塞式安全閥的優(yōu)點(diǎn)在于密封性好、抗沖擊抗震性強(qiáng)、泄壓性能穩(wěn)定，但柱塞式安全閥一般活門開度較小，出口流量固定，故在氣路系統(tǒng)中較為常用。而由文獻(xiàn)［5］可知，流體在經(jīng)過節(jié)流面時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力損失及渦流的現(xiàn)象，故對(duì)柱塞式安全閥進(jìn)行流場(chǎng)分析十分重要。此安全閥流場(chǎng)壓力云圖及速度云圖分別如圖6、7 所示。

圖6 安全閥流場(chǎng)壓力云圖Fig.6 Pressure nephogram of safety valve flow field

由圖6 可知：在柱塞開口由于受節(jié)流影響，壓力變化較大，分布不均，故需要對(duì)此處進(jìn)行流場(chǎng)分析。另一處產(chǎn)生渦流的位置在出口管嘴彈簧限位臺(tái)處，詳見圖7 所標(biāo)注的位置。由于限位臺(tái)有一定高度并且為全封閉狀態(tài)沒有設(shè)置通氣孔，故氣體作用到此處時(shí)只能改變流動(dòng)方向，從而產(chǎn)生旋渦。

圖7 安全閥流場(chǎng)速度云圖Fig.7 Velocity nephogram of safety valve flow field

2.4 改進(jìn)措施

通過前文分析可知，影響產(chǎn)品性能的兩處位置為柱塞開口處和出口管嘴彈簧限位臺(tái)處，現(xiàn)對(duì)兩處位置提出如下改進(jìn)措施：

（1）柱塞開口處壓力變化的主要原因是節(jié)流影響。為最大限度減小此處的影響，將柱塞開口端面處倒角，去除尖點(diǎn)影響。優(yōu)化前后對(duì)比見圖8 中2 處。

圖8 安全閥優(yōu)化前（a）、后（b）結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.8 Structure comparison before（a）and after（b）optimization of safety valve

（2）在殼體柱塞導(dǎo)向段配合端面處減小倒角角度，減緩坡度影響，減小此處流阻損失。優(yōu)化前后對(duì)比見圖8 中1 處。

（3）減小出口管嘴彈簧限位臺(tái)的高度，并設(shè)置流通孔道，去除此處渦流影響。優(yōu)化前后對(duì)比見圖8中3 處。

3 安全閥動(dòng)態(tài)特性仿真

采用AMESim 軟件對(duì)安全閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真。AMESim 提供了一個(gè)完整的工程設(shè)計(jì)平臺(tái)，用戶通過這個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以建立涉及許多學(xué)科的機(jī)電液一體化系統(tǒng)模型，通過對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以對(duì)系統(tǒng)或元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)仿真分析，深入了解其性能狀況［5-6］。

3.1 動(dòng)態(tài)仿真模型建立

根據(jù)Fluent 中流場(chǎng)仿真結(jié)果，結(jié)合優(yōu)化后的新型柱塞式安全閥的結(jié)構(gòu)，設(shè)置如下參數(shù)：彈簧剛度3.75 N／mm；柱塞直徑?14.1 mm；彈簧初始力值20.3 N；活門質(zhì)量0.02 kg；黏滯摩擦系數(shù)5 N·s／m。

構(gòu)建安全閥動(dòng)態(tài)仿真模型如圖9 所示。

圖9 安全閥動(dòng)態(tài)特性仿真模型Fig.9 Simulation model for dynamic characteristics of safety valve

3.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)安全閥入口壓力為0.16 MPa 時(shí)，安全閥的閥芯壓力、閥芯位移及出口流量曲線如圖10 所示。

圖10 安全閥動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.10 Dynamic characteristic curves of safety valve；（a）valve core pressure；（b）valve core displacement；（c）mass flow

新型柱塞式安全閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得卸荷產(chǎn)生的壓降發(fā)生在柱塞開口處，柱塞的壓力波動(dòng)主要在0.1 s 之前，在0.1 s 后壓力穩(wěn)定在0.112 MPa。由于氣體的可壓縮性，主要分析此安全閥質(zhì)量流量，其波動(dòng)主要集中在0.2 s 之前，在0.2 s 后穩(wěn)定保持在8.88 g／s。柱塞位移在0.25 s 前有較大波動(dòng)，0.25 s 后穩(wěn)定保持在0.58 mm。觀察圖10 可知安全閥由于瞬間來(lái)壓而開啟，此時(shí)閥芯在極短的時(shí)間內(nèi)打開，壓力、流量和閥芯位移突變。在閥芯穩(wěn)定過程中，各曲線均出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的短暫波動(dòng)過程，隨后進(jìn)入穩(wěn)定卸荷的過程。

4 安全閥現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

4.1 新型柱塞式安全閥樣機(jī)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，確定新型柱塞式安全閥設(shè)計(jì)圖樣，并用以指導(dǎo)生產(chǎn)加工及裝配工作。產(chǎn)品實(shí)物如圖11 所示。

圖11 新型柱塞式安全閥實(shí)物Fig.11 Physical object of new plunger type safety valve

4.2 新型柱塞式安全閥測(cè)試系統(tǒng)

新型柱塞式安全閥全開壓力為0.15～0.17 MPa，關(guān)閉壓力不小于0.13 MPa，其最大啟閉壓差為0.04 MPa，要求精度較高，故測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)滿足高精度要求。其測(cè)試系統(tǒng)原理見圖12，系統(tǒng)組成明細(xì)見表1［7］。

表1 系統(tǒng)組成Tab.1 System composition

圖12 測(cè)試系統(tǒng)原理Fig.12 Testing system principle

4.3 測(cè)試方法

按圖12 將產(chǎn)品連入試驗(yàn)系統(tǒng)，打開氣源，將氣瓶4 充氣至壓力不小于10 MPa 后關(guān)閉手動(dòng)閥。調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)壓閥6，緩慢向安全閥入口端加壓，當(dāng)安全閥的出口流量達(dá)到指定要求時(shí)，判定安全閥全開，記錄此時(shí)安全閥的全開壓力值及流量計(jì)8 的讀數(shù)。調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)壓閥6，使入口壓力緩慢降低，當(dāng)流量計(jì)示數(shù)為零時(shí)視為安全閥關(guān)閉，記錄此時(shí)的關(guān)閉壓力，安全閥的啟閉壓差及出口流量應(yīng)滿足指標(biāo)要求［8-9］。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別進(jìn)行了3 次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，安全閥全開壓力為0.16 MPa，關(guān)閉壓力為0.14 MPa，啟閉壓差為0.02 MPa。可以看出：新型柱塞式安全閥具有啟閉壓差小、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品性能指標(biāo)滿足規(guī)定要求。

表2 新型柱塞式安全閥性能測(cè)試Tab.2 Performance testing of new plunger type safety valve

5 結(jié)論

針對(duì)彈用氣路系統(tǒng)小型化發(fā)展需求，設(shè)計(jì)一種新型柱塞式安全閥，柱塞采用階梯軸式設(shè)計(jì)，有效減小了安全閥的體積及質(zhì)量。并且通過ANSYS Workbench中的Fluent 模塊對(duì)安全閥流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)安全閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用AMESim 軟件對(duì)優(yōu)化后的安全閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明新型柱塞式安全閥穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異，為后續(xù)同類產(chǎn)品研發(fā)奠定了一定基礎(chǔ)。