鍋爐蛇形管彎管機用減壓閥結構優化設計及仿真分析

劉昱杰，徐 春，胡旭明

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

蛇形管彎管機是加工大型電站鍋爐元件蛇形管的重要設備[1]。為了保證蛇形管的加工質量，需要保持蛇形管彎管機關鍵元件減壓閥出口壓力的穩定。然而傳統直動式減壓閥工作時，存在出口壓力超調量大、穩定性差等問題[2-4]，嚴重影響了蛇形管的加工質量，進而制約了鍋爐性能的發揮。鑒于此，本文設計了一種環形阻尼新型減壓閥，在分析閥工作原理的基礎上，利用AMESim仿真軟件建立閥的仿真模型并進行仿真分析，驗證了模型的正確性及結構設計的可行性，所得研究結論對減壓閥的改進及優化設計具有一定的參考價值。

1 環形阻尼新型減壓閥結構及工作原理

設計的環形阻尼新型減壓閥結構簡圖如圖1所示，該新型減壓閥由傳統的直動式減壓閥和由穩壓活塞及穩壓活塞腔形成的環形阻尼孔并聯而成。工作過程中，利用環形阻尼孔的節流作用來加快轉換、吸收減壓閥工作時的壓力振動[5-7]：當液壓系統壓力高于減壓閥動作壓力時，主閥芯在液壓力的作用下，克服彈簧力和摩擦力的作用使閥口變小，實現減壓。環形阻尼孔的節流阻尼作用使減壓閥的開啟過程變得平穩。

1—調節螺母；2—左端蓋；3—閥體；4—調壓彈簧；5—主閥芯；6—穩壓活塞；7—右端蓋

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據環形阻尼新型減壓閥的結構及工作原理，利用 AMESim 仿真平臺提供的元件設計庫平臺，搭建傳統直動式減壓閥液壓回路及環形阻尼新型減壓閥液壓回路仿真模型[8-9],如圖2所示，減壓閥主要結構參數見表1。

表1 減壓閥主要結構參數

圖2 兩種不同減壓閥動態回路AMESim仿真模型

2.2 仿真分析

2.2.1仿真驗證分析

傳統減壓閥出口壓力變化曲線和環形阻尼新型減壓閥出口壓力變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可以看出，傳統減壓閥出口壓力峰值約為7.21 MPa，穩定壓力約為3.81 MPa，達到穩定壓力所需時間約為0.40 s，壓力波動幅值和頻率較大；由圖3(b)可以看出，環形阻尼新型減壓閥出口壓力峰值約為7.18 MPa，穩定壓力約為3.81 MPa，達到穩定壓力所需時間約為0.06 s，壓力波動幅值和頻率較小。仿真驗證了所設計環形阻尼新型減壓閥提升彎管機液壓系統回路壓力沖擊幅值、頻率及響應時間等性能的可行性。

圖3 減壓閥出口壓力變化曲線

將表1中主閥彈簧預緊力300 N、主閥閥芯直徑10 mm代入減壓閥出口壓力計算公式P=F/A,，式中P為減壓閥出口壓力，F為調壓彈簧預緊力，A為主閥閥芯作用面積，計算得出減壓閥出口穩定壓力為3.83 MPa，與仿真所得穩定壓力值基本一致，證明了所建立模型的正確性和精確性。

2.2.2環形阻尼孔長度對閥動態特性影響仿真分析

保持環形阻尼孔間隙寬度為0.25 mm，利用AMESim批處理功能，設定環形阻尼孔長度分別為15，25，30 mm，研究環形阻尼孔長度的變化對閥動態特性的影響。仿真得到不同環形阻尼孔長度的減壓閥出口壓力曲線，如圖4所示。由圖可以看出，環形阻尼孔長度的變化對減壓閥動態性能有一定的影響。在一定范圍內，隨著環形阻尼孔長度的增加，減壓閥出口壓力波動時間逐漸縮短，壓力波動的幅值及頻率逐漸降低，最終穩定壓力值較理論計算值也有所降低。

圖4 不同環形阻尼孔長度減壓閥出口壓力曲線

2.2.3環形阻尼孔間隙寬度對閥動態特性影響仿真分析

保持環形阻尼孔長度為30 mm，利用AMESim批處理功能，設定環形阻尼孔間隙寬度分別為1.0,0.5,0.1 mm，研究環形阻尼孔間隙寬度對閥動態特性的影響。仿真得到不同環形阻尼孔間隙寬度的減壓閥出口壓力曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，環形阻尼孔間隙寬度對減壓閥動態性能的影響較大。在一定范圍內，隨著環形阻尼孔間隙寬度的減小，減壓閥出口壓力波動時間逐漸縮短，壓力波動的幅值及頻率逐漸降低，穩定壓力值較理論計算值有所降低。當環形阻尼孔間隙寬度小于某個臨界值時，本文實例中為0.1 mm，減壓閥出口穩定壓力減小明顯，調壓偏差大。

圖5 不同環形阻尼間隙寬度下減壓閥出口壓力曲線

2.2.4穩壓活塞質量對閥動態特性影響仿真分析

保持環形阻尼孔長度為30 mm、環形阻尼孔間隙寬度為0.25 mm，利用AMESim批處理功能設定穩壓活塞質量分別為0.25,1.00,1.50 kg，研究活塞質量的變化對閥動態特性的影響。仿真得到不同穩壓活塞質量的減壓閥出口壓力曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，減壓閥穩壓活塞質量對減壓閥動態性能的影響較小。在一定范圍內，即使活塞質量增加，減壓閥出口壓力沖擊的幅值和頻率、閥響應時間及最終穩定壓力值也基本保持不變。

圖6 不同穩壓活塞質量下減壓閥出口壓力曲線

3 結論

本文對傳統直動式減壓閥結構進行改進，設計了一種環形阻尼新型減壓閥，利用AMESim仿真軟件建立閥仿真模型，仿真分析了環形阻尼孔長度、環形阻尼孔間隙寬度以及穩壓活塞質量對閥動態性能的影響，得到如下結論：

1)隨著環形阻尼孔長度的增加，減壓閥出口壓力波動時間逐漸縮短，壓力波動的幅值及頻率逐漸減小，穩定壓力值較理論計算值低。

2)隨著環形阻尼孔間隙寬度的減小，減壓閥出口壓力波動時間逐漸縮短，壓力波動的幅值及頻率逐漸減小，穩定壓力值較理論計算值低。當環形阻尼孔間隙寬度低于某個臨界值時，減壓閥出口最終穩定壓力減低明顯，調壓偏差大。

3)隨著活塞質量的增加，減壓閥出口壓力沖擊的幅值和頻率、閥響應時間及最終穩定壓力基本保持不變。

本文所得結論對減壓閥的改進及優化設計有一定的參考價值。