防水锤用缓冲油缸的理论分析与仿真

杨国来，徐美林，苏华山，刘毅

(1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江温州 325105)

止回阀主要用于管道系统防止介质的倒流，保护管道和机械设备不受水锤破坏。工作过程中水锤瞬时冲击压力ΔH可能高于正常工作压力的数倍［1］，对系统的性能稳定性和工作可靠性产生较大影响［2－3］，现采用阻尼缓冲油缸装置使阀门快关缓闭［4－6］，减弱水锤冲击。

1 止回阀工作原理

止回阀在介质静压力和冲量作用下开启，阀门全开时阀瓣处于动态平衡状态，阀瓣不随介质速度变化而运动，流阻系数最小并恒定。意外停泵时，液体逆向加速运动，止回阀加速关闭，关闭瞬间产生严重水锤压力，影响管道设备的使用寿命。

2 结构优化研究

2.1 油缸阻尼缓冲原理

油缸缓冲装置是对运动部件的动能进行缓冲吸收，工作原理是缓冲活塞进入缓冲腔，封住活塞和端盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动逐渐减慢运动速度，达到减速缓冲的效果［7－8］。

2.2 油缸阻尼缓冲过程

止回阀在介质作用下开启时油缸活塞受到推力，油液经单向阀流入右腔，阀瓣慢速度开启，避免开启水锤冲击。随止回阀开度增大，油缸活塞运动至J口打开，油液快速进入右腔，止回阀开启速度加快，减小介质流阻系数及压力损失。阀瓣全开时活塞已堵住N口，油缸底部分油液被封住吸收活塞动能防发生碰撞;防阀瓣开启角度过大，不能立即响应关闭;使阀瓣在最大位置处保持平衡状态，减小对流态的干扰，降低转轴处摩擦损失及疲劳破坏［9］。

停泵介质流速降低，阀瓣趋于关闭，活塞受到拉力及左腔油液压力开始运动，右腔油液通过J口快速流向左腔，止回阀迅速关闭大部分行程，造成很大局部阻力，部分水倒流，使升压减小;介质在重力作用下开始倒流时，活塞已堵住J口，油液只能从节流口流出，腔内油液压力升高对活塞产生阻力，活塞速度逐渐降为0，止回阀也缓慢关闭剩余行程。压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，把管道的压力升高限制在允许的范围之内，有效减弱停泵水锤。

2.3 理论分析与计算

缓冲油缸结构示意图如图1所示。这是一种靠活塞位置的自动反馈来实现缓冲作用的缓冲油缸。当活塞运动到J口时，节流口开始起缓冲作用;当活塞脱离J口时，油缸快速动作。

图1 缓冲油缸结构示意图

活塞向右运动到J口时的速度

式中:QJ为油缸运动过程从J口流出的流量;

A0为缓冲活塞有效作用面积。

油缸活塞快速运动阶段时间即止回阀快关所用时间t1

式中:L为活塞快速运动阶段的长度。

活塞到达J口开始缓冲，设活塞和负载的总质量为m，缓冲缸受到的外力F，则有

式中:F为作用于活塞上的外力;

Δp为缓冲活塞两端压力，

Δp=pi－p;

Ff为密封阻力，它与活塞速度、密封条件等有关，设计计算时常忽略;

m为活塞及运动部件质量;

a为活塞的加速度。

式 (1)简化为:

根据连续性方程:

式中:v为活塞运动速度;

Q为缓冲过程从节流阀流出量。

通过节流口流量为:

式中:Cq为小孔流量系数;

ρ为油液密度。

由式 (4)— (6)得

式中:x为缓冲活塞位移。

积分得活塞位移:

边界条件x=0，v=v0节流口开始起缓冲。

为简化，令

将边界条件及式 (9)，(10)代入式 (7)

当x=0时，减速度为a=amax。

减速度通用表达式

将式 (10)代入式 (8)得:

当x=0时缓冲腔的缓冲压力最大。

当减速度a=(1～5)%amax时缓冲过程结束［8］。

由式 (7)、(8)可得:

式中:t0为油缸缓冲作用时间，即止回阀缓闭过程所用时间。

式中:kl为长度系数，取kl=1.5 ～2.3［8］。

不同类型、尺寸止回阀发生水锤时的水锤压力增值不同［10］，利用上述的理论分析公式，计算可得阻尼孔大小、缓冲速度及两阶段关阀的时间，使止回阀关闭过程与水流的过渡状态协调配合，达到有效控制水锤压力的目的。

3 AMESim仿真

利用AMESim的仿真环境建立液压缓冲缸的仿真模型［11－12］，进行仿真验证。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulation)是法国IMAGINE公司开发的一套高级仿真软件，是一个图形化的开发环境，用于工程系统的建模、仿真和动态性能的分析。AMESim特点是面向工程应用并成为汽车、液压和航天航空等工业研发部门的理想仿真工具。用AMESim的各种模型库来设计系统，可快速达到建模与仿真以及优化目标，同时还提供了与Matlab、ADAMS等软件的接口，可方便地与这些软件进行联合仿真。

缓冲油缸的第一阶段是普通油缸的快速运动，故只考虑缓冲过程的仿真，即从活塞将J口堵上以后的缓冲过程的仿真。

图2为缓冲腔的压力曲线图。由图可知最大逆流介质到达止回阀处，油缸封闭容腔内油液压力逐渐升高，对运动活塞产生阻力，活塞速度逐渐减小至0，缓冲使止回阀关阀时间增长。

图3为节流阀流量曲线图，可知活塞将J口堵上的时油液从节流阀缓冲流出，当流量减小为0时缓冲阶段结束。

图2 缓冲腔压力曲线图

图3 节流阀流量曲线图

图4为运动活塞速度曲线图，由图可知，阻尼缓冲油缸使活塞运动速度缓慢降低至0，延长了止回阀缓闭过程时间，从而把管道水锤压力增值限制在允许范围内。

图4 运动活塞速度曲线图

止回阀的关阀压力取决于其动态关闭特性［13－14］，改进结构可降低水击强度。防水锤缓冲油缸的理论分析与仿真，验证了缓冲油缸有效防止水锤性能。

4 结论

(1)缓冲油缸克服了普通止回阀的缺点，使止回阀实现快关缓闭，并与水流的过渡状态协调配合，有效地防止了停泵水锤。

(2)理论分析可选择与一定范围水锤压力增值对应的缓冲缸阻尼孔尺寸。

(3)通过为科信阀门设计的缓冲油缸的理论分析与仿真，验证了缓冲油缸的可行性。

(4)止回阀缓冲油缸的缓冲作用有效防止止回阀水锤压力增值，保护泵及管路系统，及影响介质在止回阀内的运动规律，为工程设计和优化管道系统提供参考。

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