某型导弹高压正向式减压阀静态特性分析

秦新亚， 王学生， 刘延斌， 陈琴珠， 赵 赛

(1.华东理工大学 机械与动力工程学院， 上海 200237； 2.上海航天精密机械研究所， 上海 201600)

引言

减压阀是导弹/发射筒上气源装置中必不可少的附件之一，用于气源装置高压气瓶出口气体的减压与稳压，高压气体流经阀芯与阀座之间的狭窄通道，受到节流作用，从而达到减压的目的[1-2]。气源装置用于为导引头红外探测器致冷提供气源，气源装置中的电爆管起爆后，气瓶内的高压气体(一般为高纯氩气或氮气)通过减压阀减压后流向红外探测器，系统原理如图1所示。气源装置分为两类，一类为筒上气源装置，另一类为弹上气源装置[3-4]。某型号单发产品对气源装置的需求量每年达到上千枚， 此外还有两种型号的导弹也需要该类型的气源装置，所以减压阀作为该气源装置的关键单机，其需求量非常大，同时对该气源装置的需求紧迫。

1.高压气瓶 2.电爆管 3.减压阀 4.单向阀 5.红外探测器

某型号单发产品所需要的气源装置的气源压力为超高压气体，最高可达51.0 MPa，变化范围为10.5～51.0 MPa，出口压力不小于9.5 MPa，现行国家标准规定的进口压力的范围变化一般控制在进口压力的80%～105%，经减压后的气体压力一般为阀前压力的1/2，该气源装置中的减压阀工况已远超过其要求，其减压阀的性能对导弹/发射筒的正常工作有着直接的影响，因此对减压阀的静态特性要求较高。气源装置对减压阀的基本要求是：在一定输出流量范围内，输出压力与输入压力变化要求较高；结构简单，重量轻；能在产品要求的环境条件下可靠、安全地工作。因此都是采用零件少而简单的直动形式[5]，同时该减压阀为小流量减压阀，宜采用正向形式，所以设计了一种正向直动式减压阀。本研究通过建立某型号单发产品上减压阀静态特性数学模型，应用AMESim软件对减压阀进行建模仿真分析，研究弹簧总刚度等结构参数对其特性的影响，为该减压阀的改进和重新设计提供了一定的依据。

1 减压阀结构组成及工作原理

减压阀的结构组成如图2所示，三维模型的外形图与截面图如图3所示，主要由调节弹簧、反馈腔敏感活塞、锥形阀芯、复位弹簧、阻尼孔和调节螺母等组成。

1.调节弹簧 2.反馈腔活塞 3.锥形阀芯 4.复位弹簧 5.阻尼孔 6.调节螺母

图3 减压阀三维模型外形与截面图

减压阀是一个闭环调节系统，工作原理如下：处于非工作状态时，进口无压力，该减压阀的阀芯活门在调节弹簧和复位弹簧的作用下处于打开位置；高压气体从入口进入减压阀的高压腔内，气体经过阀芯锥面与阀座之间的环形缝隙节流形成压降，降压后的低压气体进入低压腔；低压腔内的气体分为两路，一路从出口流向负载，另一路经过阀体上的阻尼孔流向反馈腔；高压腔压力作用在阀芯上，凸台的力用来抵消高压腔压力作用在阀芯锥面上的力，减小进口压力对出口压力的影响；在低压腔压力作用在阀芯上的力、反馈腔压力作用在敏感活塞上的力、当地大气压作用在敏感活塞上表面的力、调节弹簧力与复位弹簧力的共同作用下，阀芯上下移动来改变节流面积，进行压力的调节；当出口压力高出额定输出压力时，作用在阀芯大端和敏感活塞上的力增大，力的平衡状态遭到破坏，带动阀芯向上移动，节流面积减小，输出压力减小，直到达到新的力平衡，保持稳定的额定出口压力；相反，当出口压力低于额定输出压力时，力带动阀芯向下移动，节流面积增大，输出压力增大；通过调节螺母，可以改变阀后输出压力。

2 减压阀的静态数学模型

在建立减压阀的静态特性数学模型前，作以下假设：工作气体为理想气体；在减压阀中的流动为定常绝热流动；气体在减压阀各个腔室的温度相同；工作过程中流量系数不变；忽略摩擦力；忽略泄漏[6-7]。

2.1 气体质量流量方程

当减压阀处于稳定工作状态时，阀芯与阀座之间的节流口可近似当作收缩喷嘴来处理[8]，其节流口的进口质量流量为[9]：

(1)

式中，Qm1—— 进口质量流量

Cd—— 节流口处的流量系数

p1—— 进口压力

p2—— 出口压力

Ath—— 节流口面积

Rg—— 气体常数

T1—— 进口温度

此处Ath=πdhsinα-πh2sin2αcosα，可简化为[10]：

Ath=πdhsinα

(2)

式中，d—— 阀道通径

h—— 阀门稳态工作时的开口量

α—— 锥形阀芯半角

根据p2/p1与临界压力比的大小，分为以下两种情况[11-13]：

当p2/p1>ε时，为亚声速流动：

(3)

当p2/p1<ε时，为声速流动：

(4)

式中，k为气体绝热指数；ε为临界压力比。

2.2 连续方程

根据质量流量连续原理，减压阀的进口质量流量与出口质量流量相等：

Qm1=Qm2

(5)

(6)

式中，Qm2—— 出口质量流量

Aj—— 出口负载节流口面积

p0—— 当地大气压

T2—— 出口温度

2.3 静力平衡方程

阀芯受力图如图4所示，其中,F1=p1A1；F2=p2A2；F3=p0A6；F4=p2A3；F5=p1A4；F6=p3A5；Ft=K1X1+K1(H-h)；Ff=K2X2-K2(H-h)。

图4 阀芯受力图

在静态条件下，忽略阀芯的质量，减压阀阀芯的受力平衡方程如下：

p1A1+p2A2+p0A6+K1X1+K1(H-h)

=p2A3+p1A4+p3A5+K2X2-K2(H-h) (7)

式中，p3—— 反馈腔压力

A1—— 进口压力在锥形阀芯作用面积

A2—— 出口压力在锥形阀芯作用面积

A3—— 出口压力在阀芯大端作用面积

A4—— 进口压力在高压腔凸台作用面积

A5—— 反馈压力在反馈腔活塞作用面积

A6—— 调节弹簧腔室受大气压力作用面积

K1—— 调节弹簧的刚度系数

K2—— 复位弹簧的刚度系数

X1—— 调节弹簧的预压缩量

X2—— 复位弹簧的预压缩量

H—— 阀门的初始开口量

A1,A2的计算公式为[14]：

(8)

式中，d1—— 阀杆直径

d3—— 阀芯大端直径

联立式(1)、式(2)、式(5)、式(6)得：

(9)

将式(9)代入式(7)得到该减压阀的静态特性数学模型：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+K1X1-

额定工况点静态方程为：

p10(A10-A4)+p20(A20-A3)-p30A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h0)=0

(11)

改变阀前压力p1，当稳定在另一工况点时，静态方程如下：

p1(A1-A4)+p2(A2-A3)-p3A5+p0A6+

K1X1-K2X2+(K1+K2)(H-h)=0

(12)

改变工况后，阀芯移动量极小，所以A1≈A10，A2≈A20，式(12)减去式(11)得该减压阀的静态特性偏差方程：

(13)

3 AMESim建模

根据该减压阀的结构及其工作原理，建立的AMESim模型，如图5所示，主要参数设置如表1所示。

表1 减压阀AMESim模型参数表

图5 减压阀AMESim模型

4 仿真结果分析

4.1 减压阀静态特性

压力特性曲线反映出口压力与进口压力的关系，当流量控制不变时，改变进口压力p1的值，观察出口压力值p2的变化，出口压力值变化的越小，减压阀的压力特性越好[15]。

图6为该减压阀的压力特性曲线，其横坐标是减压阀的进口压力，变化范围为0～51 MPa，纵坐标为出口压力；图7为输出压力偏差与输入压力的关系曲线。由图6、图7可以得出：在进口压力较低时，输出压力低于额定输出压力，负偏差较大；在输入压力递增的情况下，其输出压力呈递增趋势，在进口压力大于13 MPa后，输出压力在9.8～10.1 MPa之间波动，调节精度的偏差在-2%～1%之间。

图6 压力特性曲线

图7 压力特性偏差曲线

流量特性曲线反映的是出口压力与流量的关系，当进口压力控制不变时，改变流量的值，观察出口压力的值的变化，出口压力值变化的越小，减压阀的流量特性越好[10]。

图8为该减压阀的流量特性曲线，其横坐标是质量流量，变化范围为0～50 g/s，纵坐标为出口压力，图9为输出压力偏差与流量的关系曲线。可以得出：在质量流量递增的情况下，其出口压力呈现下降趋势，随着进口压力的降低，下降趋势越明显，流量特性越差。

图8 流量特性曲线

图9 流量特性偏差曲线

4.2 结构参数对静态特性的影响

从静态特性偏差方程式(13)可以看出，影响减压阀出口压力偏差的因素较多，例如阀前压力和温度等，但最主要的影响因素是减压阀的结构因素[16]，减压阀结构参数设计是否合理直接影响到其工作过程压力特性的好坏[17]，主要分析阀芯半角、反馈腔活塞面积、弹簧总刚度。

1) 阀芯半角

从式(13)可以看出，Δp2与A1，A2有关，从式(8)可以看出，Δp2与阀芯半角有关，取阀芯半角分别为20°，30°，40°，在AMESim中进行仿真分析，观察其对出口压力偏差Δp2的影响，如图10所示。

由图10可知，阀芯半角对减压阀的调节精度影响较明显，随着阀芯半角增大时，其压力调节精度越高，在进口压力较低时阀芯半角对调压精度的影响最明显。

图10 不同阀芯半角的压力特性曲线

2) 反馈腔活塞面积

取活塞直径为15， 20， 25， 30，35 mm，在AMESim中进行仿真分析，如图11所示。

由图11可知，活塞面积对减压阀的调压精度影响较大，活塞的直径越大，减压阀的调压精度越高，尤其当阀前压力较低时，影响更加明显。对比活塞直径分别为15, 20 mm两种情况，当阀前压力为15 MPa时，其输出压力相差较大，为0.18 MPa；当阀前压力为50 MPa 时，相差为0.05 MPa，是因为活塞的直径越大，活塞对压力的敏感度越高，输入压力较低时，调节精度也就越高。当阀前压力为15 MPa时，减压阀活塞直径分别为30, 35 mm的输出压力相差0.02 MPa，阀前压力较高时，输出压力相差更小，所以当活塞面积增加到一定值时，调节精度不再有明显提高，可得出敏感活塞面积的适当增大能够提高减压阀的调节精度，但同时应考虑减压阀的尺寸。

图11 不同活塞直径的压力特性曲线

3) 弹簧总刚度

取弹簧总刚度分别为500， 850， 1200 N/mm进行仿真分析，如图12所示。弹簧刚度对减压阀的调压精度存在影响，弹簧刚度越小，减压阀的调压精度越好，尤其在输入压力较低的情况下。但当弹簧刚度变小时，减压阀的减压过程容易出现压力波动，所以并非弹簧刚度越小越好。当输入压力为15 MPa时，弹簧刚度分别为500， 1200 N/mm的输出压力仅相差为0.11 MPa，所以弹簧刚度的小幅度变化对减压阀的调压精度影响较小。

图12 不同弹簧总刚度的压力特性曲线

5 结论

本研究针对导弹/发射筒气源装置的减压阀，建立了数学模型，并在AMESim软件中搭建了仿真模型进行分析，讨论了主要结构参数对减压阀压力特性的影响。得出以下结论：

(1) 锥形阀芯半角的增大能够提高减压阀的调压精度；

(2) 敏感活塞面积的增大能够提高减压阀的调节精度，面积增大到一定值时，调节精度无明显提高，同时需考虑减压阀的尺寸；

(3) 弹簧总刚度越小，减压阀的调节精度越高。