高压气动球阀响应时间的试验研究

张 开 ， 张剑刚 ， 王润青 ， 颜飞跃

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所 ， 河北 邯郸 056027)

气动球阀是流体输送的重要部件，为了确保流体输送的安全性，气动球阀的性能和状态非常重要。工业上对气动球阀的开启时间，即响应时间不做过多要求，而在化学激光器中，气动球阀的响应时间直接关系到出光质量[1-4]。不同化学气体通过气动球阀输送到化学激光器燃烧室中进行反应，如果球阀不能及时开启，将会影响到试验气体的配比，进而影响到出光质量。气动球阀的响应时间是指从接受控制信号开始到换向阀换向动作完成的时间。例如，对于氟化氘激光器主气路NF3和C2H4来讲，如果NF3的气动球阀响应时间延时，那么输送到激光器燃烧室的C2H4气体偏多，将导致燃烧室内产生结碳现象，造成很不利的影响。因此，对于化学激光器来讲，气动球阀响应时间的研究极为重要。

1 高压气动球阀的参数及结构

气动球阀的响应时间必定与其参数密不可分，氟化氘激光器采用的是高压气动球阀，参数见表1。

表1 气动球阀参数

由表1可知，氟化氘激光器采用的阀门通径为50 mm，控制气压力为0.9 MPa，设计压力为20 MPa，不同之处为气缸容积，大气缸用符号Ⅰ来表示，小气缸用符号Ⅱ来表示。

一般来讲，高压气动球阀由信号指示器、执行机构、电磁阀、球阀阀体及法兰组成[5-6]。相比于手动球阀，气动球阀主要实现远距离集中控制，而远程控制很大程度上减少了人力成本，并且增强了操作安全性。气动球阀是在球阀配上气动执行器，此外还包括各种附件，如电磁阀、消音器、限位开关和定位器等。气动球阀采用气动执行器对球阀进行快速启闭，其中气动执行器原理为用压缩气体推动活塞运动，进而带动球阀阀芯旋转，实现开关动作。

2 高压气动球阀测量控制试验系统设计

根据以往试验摸索，对气缸容积和压力这两方面因素进行了研究。据此设计并搭建了一套试车台，该试车台由气源、截止阀、减压器、高压气动球阀等各个部件和高压气动球阀测量控制系统组成，工作介质为氮气，如图2所示。

图1 高压球阀测量控制试验系统框图

高压球阀测量控制系统主要由信号控制与数据采集单元和传感器组成，通过采集限位器反馈信号来判断球阀的响应时间。

3 气动球阀评价方案

阀件评价前，需要开启储罐截止阀，将气体输送到高压气动球阀上游，同时调节定压减压器，将辅助气集气管压力调至设定压力值0.9 MPa后，进行阀件性能评价试验。具体评价流程如图2所示。

图2 气动球阀评价流程图

在实际评价试验中，响应时间测试方法如下：气源工作压力≤18 MPa，在球阀控制气压力为0.9 MPa(绝对压力)条件下，将气动球阀下游电动减压阀流量调至10 g/s，通过测量控制系统控制气动球阀开启、关闭，通过限位开关测得其响应时间。其显示方式如图3所示。

图3 气动球阀响应曲线

图3表示气动球阀开启时通过限位器电信号传递，一般来讲，取平直段电压值50%判断气动球阀开启情况，当电压值>1.33 V时表示气动球阀打开，此时通过测量控制系统采集气动球阀开启时间；当电压值<1.33 V时，表示气动球阀关闭。显示该气动球阀的响应时间为0.380 s。

4 试验结果及分析

4.1 气缸容积对响应时间的影响

按照测试方法分别对两种不同气动球阀进行了响应时间测试，从中各挑选出3个不同球阀，测量其平均响应时间，其结果如表2所示。

表2 气动球阀响应时间测试结果

由表2可以看出，大气缸(Ⅰ)气动球阀响应时间普遍比小气缸(Ⅱ)用气动球阀的长，这是由气动球阀的气缸容积决定的。大气缸气动球阀的气缸容积比小气缸的大，气体填充大气缸所需要时间比小气缸的长，因此大气缸气动球阀响应时间比小气缸气动球阀长。

4.2 压力对气动球阀响应时间的影响

由于气动球阀的容积不同，响应时间也有所差别，因此从两种气缸中选出两个具有代表性的气动球阀来测试压力对气动球阀响应时间的影响。大气缸(Ⅰ)和小气缸(Ⅱ)。对于大气缸(Ⅰ)进行了响应时间测试，研究了压力在0.1～18 MPa下气动球阀响应时间，其数据如图4所示。

图4 大气缸(Ⅰ)气动球阀的数据拟合曲线

由图4可知，对于大气缸，在压力0.1～18 MPa时，随着工作压力的不断增大，气动球阀的响应时间不断增加，而且响应时间与压力呈一次函数的关系。在工作压力为0.1 MPa时，即球阀压差为零时，其基础响应时间为0.322 s；在18 MPa时，其响应时间为0.419 s，两者差值为0.097 s。对于化学激光器来讲，0.097 s的差距，对实际时序和反应配比具有较大的影响。此外，对小气缸(Ⅱ)的响应时间研究了更宽范围压力下气动球阀的响应时间，其数据拟合曲线如图5所示。

图5 小气缸(Ⅱ)气动球阀的数据拟合曲线

由图5可知，对于小气缸，在压力0.1～18 MPa时，随着工作压力的不断提升，气动球阀的响应时间不断增加。在工作压力为0.1 MPa，球阀前后压差为0时，其基础响应时间为0.235 s，相比于大气缸，小气缸的基础响应时间更小；在15 MPa时，其响应时间为0.355 s，两者差值为0.120 s。此外，图中虚线框表示当压力高于15 MPa时，小气缸响应时间急剧增加，不稳定性增强，这是球阀所承受压差载荷过大导致。在压力为15～18 MPa时，相比于小气缸，大气缸响应时间稳定性较好，这是因为大气缸力矩较大，可以承受更大载荷，即更高的压差条件。

综上，气动球阀的响应时间随着工作压力的增大而增大，对于不同容积的气缸来讲，压力对响应时间的影响不同。在化学激光器试验中，不同管路气动球阀的开启速度直接影响到增益发生器中气体的化学反应，因此工作压力对气动球阀的影响不可忽视。在激光器试验中，需要对不同压力下的气动球阀响应时间做出预计，对控制时序加以修正，以便保证进入增益发生器各种气体的时序和流量能够准确匹配。

5 结论

为了满足化学激光器对高压气动球阀响应时间的要求，通过搭建试验试车台，对高压气动球阀响应时间展开了试验研究。结果表明：①在控制气和压力等条件相同情况下，大气缸(Ⅰ)气动球阀响应时间比小气缸(Ⅱ)气动球阀长。②在控制气和气缸容积相同情况下，高压气动球阀响应时间随着压力的增大而增加。③在其他情况相同时，大气缸球阀可适应更大的载荷，即更高的压差条件。以上结论为化学激光器试验控制时序提供重要参考，保证了进入增益发生器的各种化学反应气体时序和流量能够准确匹配。