（航空宇航科学与技术专业论文）气体减压器动态特性的仿真和试验研究.pdfVIP

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文通过理论分析、数值仿真和试验研究等方法研究了减压器的增压、开启 和转工况等动态过程，发现了影响减压器动态特性的关键参数及其影响规律，提 出了改善减压器动态特性的方法，并进行了试验验证。研究结果加深了对减压器 工作过程的理解，对减压器的应用和优化设计具有重要的指导意义。 在对减压器展开结构分析的基础上，结合减压器在大流量供应系统的应用， 阐述了减压器的工作原理，并详细介绍了减压器闭锁、增压、开启和关闭等四个 工作阶段。 建立了大流量气体供应系统的数学模型，包括流量方程、连续方程和活动组 件运动微分方程，并对各方程分别建立了s i m u l i n k 仿真模块，根据减压器工作原 理将各模块组合构建了整个系统的s i m u l i n k 仿真模型并进行了验证。 依靠仿真模型对减压器进行了开启转工况关闭动态过程数值仿真，研究了 阻尼腔体积、阻尼孔面积、控制腔体积、膜片有效面积和主弹簧刚度等结构参数 对减压器动态特性的影响规律。 搭建了减压器气体供应转工况试验系统，对减压器增压、开启、转工况和关 闭过程进行了试验研究，通过压力和流量对比试验，研究了各工况下减压器动态 过程的压力偏差、稳定性和响应特性。 研究了减压器在一种大流量供应系统中出现的增压压力振荡问题，结合减压 器结构开展了故障机理分析，建立了系统的a m e s i m 仿真模型，搭建了增压试验 平台，通过数值仿真和试验验证，提出了减压器增压压力振荡问题的解决办法。 介绍了一种自主研制的小流量减压器，设计了减压器试验系统；对减压器进 行了增压试验，结合减压器的结构分析了增压不稳定现象，提出了改善增压性能 的方法；进行了通流试验，根据试验结果对减压器的压力偏差和流量特性开展了 初步的分析。 主题词：减压器，动态过程，增压，转工况，稳定性，响应特性，压力振荡 第1 x 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 ed y n a m i cp r o c e s s e so fp r e s s u r er e g u l a t i o n , s t a r t u pa n do p e r a t i o nc o n d i t i o n t r a n s f e ro ft h ep r e s s u r er e d u c i n gv a l v e ( p r y ) a r es t u d i e di nt h i st h e s i sb yt h e o r e t i c a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n mf a c t o r st h a th a v e s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r v a n dt h ei n f l u e n c el a w s a r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y s e v e r a lm e t h o d st h a tc o u l di m p r o v et h et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fp r va r ep r e s e n t e da n dv e r i f i e db yt e s t s 1 1 l ec o m p r e h e n s i o no ft h e o p e r a t i o np r o c e s so ft h ep r vi sd e e p e n e db yt h er e s u l t s ，w h i c ha l s oh a sas i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ea p p l i c a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ep r v b a s e do nt h es t r u c t u r ea n a l y s i sa n dt h ea p p l i c a t i o no nag a s l i q u i ds u p p l ys y s t e m ， t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ep r vi se x p a t i a t e d t h e4 o p e r a t i o ns t a g e so fc l o s e d o w n , p r e s s u r er e g u l a t i o n ，s t a r t u pa n d s h u t d o w na r ea l s op r e s e n t e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl a r g ef l u xg a s - s u p p l ys y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c h c o n t a i n sf l u xe q u a t i o n ，c o n t i n u i t ye q u a t i o na n dt h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h em o t i o n o ft h ea c t i v ec o m p o n e n t b a s e do nt h 7 0 eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ep r v ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ew h o l e s y s t e m i sa l s o d e v e l o p e db y t h es o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hi sv e r i f e db yt e s t s b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ed y n a m i c p r o c e s s e so fs t a r t u p ，o p e r a t i o n c o n d i t i o n t r a n s f e r i n ga n ds h u t d o w na r ed o n e ml a w s h o wt h ev o l u m eo fd a m p i n gc a v i t y , t h ea r e ao ft h ed a m p i n gh o l e ，t h ev o l u m eo f c o n t r o l l i n gc a v i t y , t h ee f f e c t i v ea r e ao ft h em e m b r a n e ，t h er i g i d i t yo ft h em a i ns p r i n g a n dt h ed i a m e t e ro ft h ev a l v ec o r ei n f l u e n c et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d a o p e r a t i o nc o n d i t i o nt r a n s f e rt e s tr i go ft h ep r v i se s t a b l i s h e d t h ep r e s s u r e r e g u l a t i o n ，s t a r t u p ，o p e r a t i o n - c o n d i t i o n - t r a n s f e r i n ga n ds h u t d o w na r es t u d i e db yt e s t s t h ep r e s s u r ed i s c r e p a n c y ，t h es t a b i l i t ya n dt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rv a r i a n t o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r er e s e a r c h e db yt h ep r e s s u r ea n df l u xc o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t s 1 1 1 ep r e s s u r ev i b r a t i o np r o b l e md u r i n gt h ep r e s s u r er e g u l a t i o np r o c e s so ft h el a r g e f l u xs u p p l ys y s t e mi sp r e s e n t e d b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ep r v , t h em e c h a n i s mo f t h ep r e s s u r ev i b r a t i o nf a i l u r ei ss t u d y e d a na m e s i ms i m u l a t i o nm o d e li sd e v e l o p e d a n dv e r i f i e db yt e s t s at e s tr i gi sa l s oe s t a b l i s h e d as o l u t i o nt ot h ef a i l u r ei sf o u n db y u s eo fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n at e s tr i gi sd e s i g n e da n dt e s t so nas m a l lf l u xp r va r ed o n e t h ei n s t a b i l i t y d u r i n gt h ep r o c e s s e so fp r e s s u r er e g u l a t i o na n dt h ep r e s s u r ea sw e l l t h ef l u x c h a r a c t e r i s t i e sd u r i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s sa r er e s e a r c h e d k e y w o r d ：p r v , d y n a m i cp r o c e s s ，p r e s s u r er e g u l a t i o n ，o p e r a t i o nc o n d i t i o n t r a n s f e r , s t a b i l i t y , r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e s s u r ev i b r a t i o n 第x 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图目录 燃气发生器试验系统氧气供应系统2 液体火箭发动机燃料输运系统3 冷气推进系统3 减压器基本构型9 减压器结构示意图1 0 减压器的工作过程1l 减压器的闭锁阶段1 2 减压器的增压阶段1 2 减压器的开启阶段1 2 减压器的关闭阶段1 2 大流量气体供应系统1 4 大流量液体供应系统1 5 大流量气体供应系统简化结构1 6 活动组件受力情况2 0 流量方程模块2 2 流量方程模块2 3 运动微分方程模块2 3 减压器系统s i m u l i n k 仿真模型2 4 仿真和试验压力曲线对比2 6 流量变化仿真曲线2 6 阀芯开度变化仿真曲线2 6 不同阻尼孔面积下仿真曲线2 7 不同阻尼腔体积下仿真曲线2 7 不同控制腔体积下压力仿真曲线2 8 不同膜片有效面积下压力仿真曲线2 8 不同主弹簧刚度下压力仿真曲线2 9 不同阀芯直径下压力仿真曲线一2 9 动态过程试验系统示意图3 2 动态过程试验测控元件配置示意图一3 2 测控中心与现场检测系统3 3 减压器动态过程试验台3 3 不含增压过程压力对比试验时序3 5 含增压过程压力对比试验时序3 6 输出响应曲线3 7 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 压力对比试验曲线一3 8 流量对比试验曲线3 8 不同增压压力下减压器开启时前后的压力偏差3 8 不同工作压力下减压器转工况前后的压力偏差3 9 不同流量下减压器开启前后的压力偏差3 9 减压器工作时的欠稳定4 0 不同流量下减压器工作压力的振幅一4 0 不同增压压力下减压器开启时的响应特性4 l 不同流量下减压器开启时的响应特性4 1 并联式气体供应系统4 3 并联式液体供应系统一4 4 减压器增压试验平台4 4 减压器的增压压力振荡4 5 液体供应系统结构4 8 液体供应系统仿真原理图4 9 仿真时对控制气的处理4 9 入口腔压力的仿真曲线与试验曲线对比5 0 出口腔压力的仿真曲线与试验曲线对比5 0 高压气罐压力仿真曲线5 1 减压器的结构改进5 1 限开度改进后的仿真曲线5 2 阻尼腔改进后的仿真曲线5 3 卸荷腔改进后的仿真曲线5 3 限开度、阻尼腔改进后试验曲线5 4 三项改进后试验曲线5 5 卸荷腔改进后气体供应系统试验曲线5 5 小流量减压器结构5 6 小流量减压器试验系统5 7 小流量减压器试验系统结构图5 7 小流量减压器增压试验曲线5 8 小流量减压器试验系统结构改进5 9 系统改进后预增压试验曲线5 9 系统改进后下游容腔增压试验曲线5 9 预增压后工作试验曲线6 0 下游容腔增压后工作试验曲线6 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1仿真计算中结构参数取值2 7 表4 1压力对比试验工况3 4 表4 2流量对比试验工况3 4 表4 3压力对比试验各工况下的孔板内径3 5 表4 4流量对比试验各工况下的孔板内径3 5 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目 学位论文作者 作者指导教师 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 减压器简介 气体减压器最早应用于锅炉及供热管道中。在出现之前，为了使管道系统得 到所需的压力值，人们最初用手动开关来进行调压，即便到现在，许多民用的工 业系统中仍使用这种调压方式。但是，实际工作中由于气源和工作负载( 如气源 或其它执行元件载荷) 是变化着的，不可能永远保持恒定，一旦外界因素发生变 化或者产生扰动时，简单的手动开关无法得到及时的调整，这样便会使整个系统 工作处于不可靠状况下。为此，人们要求设计出减压器来代替手动开关，这种减 压器不仅具有调节压力的性能，还必须当外界发生扰动时能保持输出压力并具有 一定的稳定性。简单地说，减压器是一种使出口压力低于入口压力，并保持出口 压力稳定的压力控制刚。 1 1 1减压器的分类 减压器按控制方法、阀芯的作用方式、加载方式、输出精度、敏感元件形式、 压强的控制规律以及是否卸荷可以进行如下分类 l 4 1 ： ( 1 ) 按控制方法分类 可以分为手动、电动、液压或气动控制减压器。 ( 2 ) 按阀芯的作用方式和是否卸荷分类 正向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯开启的方向一致。其结构简单， 阀芯上直接受高、低压腔压力作用，具有单调下降的工作特性，当进口压力变化 大时低压压力偏差大，适用于小流量和稳压精度不高的情况。 逆向式减压器：即高压气体的流动方向与阀芯的开启方向相反。其结构简单， 具有先上升后下降的特性，适用于大流量的减压器。当阀芯面积与敏感元件面积 之比很小时，也可达到较高的稳压精度。 卸荷正向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器 设计成控制流量的方式，增加了高压的卸荷装置。其阀芯的开启方式同正向式减 压器，具有精度高、流量大的特点，但是结构复杂。 卸荷逆向式减压器：为了维持被调压力不变而达到稳定流量的能力，减压器 设计成控制流量的方式，增加了高压的卸荷装置。其阀芯的开启方式同逆向式减 压器，具有精度高、流量大的特点，但是结构复杂。 ( 3 ) 按敏感元件分类 膜片式减压器：采用膜片作为敏感元件，灵敏度高，没有运动部件之间的摩 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 擦，但抗干扰性差，承压能力低。膜片的种类一般采用铜、不锈钢、复合材料等 制作。一般适用于中低压、小流量的情况。 活塞式减压器：以活塞作为敏感元件，阻尼和运动行程比较大，耐高压，抗 干扰、抗振能力较强，但控制精度较低。一般适用于高压、大流量的场合。 膜盒式减压器：一般用于低压大流量情况。 ( 4 ) 按压强的控制规律分类 可以分为定值减压器、定差减压器及定比减压器。 1 1 2减压器的应用 减压器不仅广泛应用于油、气工业、化工行业、能源工业、基础设施建设等 行业，在航空航天领域也发挥着重要作用。在航天行业中，减压器可应用于地面 设备( 包括地面试验设备) 、导弹运载火箭和卫星航天器【5 】。具体而言，减压器 可用于【2 1 ： ( 1 ) 地面试验吹除系统。受系统工作压力的限制，此类减压器出口压力较低， 精度要求也不是很高，但质量流量大，要求有较好的启动稳定性。 ( 2 ) 地面试验或弹箭体供气系统。对于使用气体推进剂的地面发动机试验系 统或弹箭体而言，其供气系统中都必须使用到减压器，以保证稳定的压力和流量 供应，对减压器的精度、动态特性要求较高。图1 1 为减压器应用于燃气发生器 氧气供应系统。 234567 卜高压氧罐，2 一手动球阀，3 一减医器，4 一音速喷嘴，5 一流璧计，6 一气动阀，7 燃气发生器 图1 1 燃气发生器试验系统氧气供应系统 ( 3 ) 地面试验或弹箭体液体推进剂输运系统。减压器为推进剂储箱提供恒定 的压力，进而为发动机提供需要的推进剂，其出口压力影响到发动机的工作状态， 直接关系到整个系统推进剂供应的准确性与安全性，是影响整个发动机推力稳定 性的一个重要因素，因此对减压器精度要求较高【6 】。图1 2 为减压器应用于液体 火箭发动机燃料输运系统。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一彝医式曩置强b 曩压或纛囊 图1 2 液体火箭发动机燃料输运系统 ( 4 ) 航天器的姿态和轨道控制。在卫星、探空火箭、宇航控制系统、空间站 对接操纵系统中以及弹体姿态控制系统中的的冷气推进系统中，减压器出口的气 体直接送至喷管进行姿态或轨道控制，具有开启次数频繁，流量变化大的特点， 对动态特性、工作范围、控制精度、可靠性和寿命都有较高的要求。图1 3 为减 压器应用于冷气推进系统。 2345 卜商压气罐，2 一过滤器，3 一电磁阀， 减压器，5 - 推力室 图1 3 冷气推进系统 ( 5 ) 提供基准压力或控制其它调节器。利用减压器出口压力稳定的特点，将 其作为其它压力调节器的基准元件，具有流量小，动态稳定性好的特点。 1 1 3减压器的性能需求 在航天行业中，减压器在地面设备、运载工具和航天器上均有广泛的应用。 使用环境不同，对减压器的性能要求也各有不同。对应用于地面试验中的大流量 供应系统的减压器而言，有以下性能要求【7 1 ： 能达到较大的工作流量，以达到试验工况所需： 减压器过流范围大，要求减压器能适应各种流量工况，当流量变化范围较大 时，同样能满足压力调节的要求； 压力调节范围大，要求减压器能适应较大范围的压力工况，而且在各种压力 工况下，能满足试验流量的要求； 定压精度高，要求减压器输出压力波动小，即当输入压力、流量等因素发生 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 变化时，其输出压力的静态偏差要足够小； 动态稳定性好，当减压器的输入压力、流量等因素产生突变时，减压器必须 保持输出压力的稳定性； 响应特性好，要求动作时间短，滞后小，压力响应快，超调量小； 有较强的抗外界振动能力，即能在较宽的外界振动频率范围内工作而不产生 共振。 1 2 减压器动态特性研究现状 评价减压器是否能正常工作和各项性能指标时，除了要求减压器必须完成规 定的动作和满足静态特性外，还要求减压器系统必须有良好的动态特性。减压器 在工作中有时出现的震动、压力冲击以及噪声等现象都是由于减压器动态特性不 良所致。这不仅影响减压器的性能，而且还直接关系到发动机能否正常工作。在 航天等要求严格、工作条件恶劣的行业，减压器的动态特性问题尤其受到设计师 们的极大关注，因为它往往会导致试验的失败，直接关系到发射任务的完成情况。 如1 9 8 2 年4 月我国在一次全箭简易试车时，氦气减压器出口压力一直强烈振动， 处于动态不稳定状态，导致全箭试车失败；1 9 9 4 年某型号火箭发射中发现平台供 气稳压器多次出现振动和啸叫现象，威胁到火箭发射；2 0 0 3 年某型号火箭发射中 二级增压系统减压器因启动时出现振动而失效，导致火箭发射失败p j 。 减压器的动态特性是指其在失去原来平衡状态这一过程中，所表现出来的特 性，引起此动态过程的原因归纳起来有两个：一个是由控制系统的动作引起的， 另一个是由外界干扰引起的。在这一动态过程中，系统中各参变量都在随时间变 化，这种变化过程性能的好坏，就决定系统动态特性的优劣。研究减压器动态特 性的主要问题有两方面：一方面是稳定性问题，即减压器系统中管道或容腔中压 力瞬间峰值与波动情况，主要分析减压器系统是否会因为压力峰值过高而产生压 力冲击，或系统经过动态过程后，是否会很快达到新的平衡状态，还是形成较持 续的振荡；另一方面是过渡品质问题，即执行机构和控制机构的响应品质和响应 速度，主要研究系统达到新的稳定状态所经历的过渡时间，达到压力峰值的时间 以及压力、流量等参数随时间的变化等。 对减压器的动态分析来说，为研究气体瞬态流动特性，就需要复杂的数学工 具解决繁琐的计算问题，因此关于减压器的动态特性的问题，在七、八十年代国 内外主要采用经典控制理论的方法来分析解决【8 】 【l l 】。研究对象主要是液体或气体 直动式减压阀，而对于气体导控型减压器系统由于其结构的复杂性以及用于航天 飞行器上所要求的高性能造成了对它分析研究的困难。在上世纪七十年代以前， 国外在这方面的研究主要停留在数学建模上，在设计、使用相类似的系统时仍以 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 试验和经验为主，可供使用的成熟而有效的方法还很欠缺，大量的研究与开发工 作有待深入进行。七十年代后，随着计算机技术的发展进步，各种数值计算方法 不断涌现，国内外关于减压器的动态特性研究得到迅速发展，形成了几种比较成 熟的数值建模方法以及各种各样的数值运算简化方法，特别是计算机技术的飞速 发展，使研究中基本实现了用计算机对瞬态过程进行动态描述，并根据计算结果 提出了工程实用解决方法和若干定量的判断原则。 二十世纪九十年代后，随着基础学科如数学、力学的发展，自动控制理论在 工程上的广泛应用与完善以及计算机软硬件日新月异的发展，为解决工程实际中 的问题提供了强有力的方法与保障。在这种条件下，减压器系统的研究分析工作 重心在介质上正从液体转向气体，在结构上正从简单的直动式向复杂的导控式发 展过渡，从方法上由单一传统力学方程计算转向综合运用理论进而运用数值计算 进行仿真来研究系统的动态特性的方法【1 2 】_ 【l 引。由于m a t l a b s i m u l i n k 等计算机 仿真软件的进步，现代控制理论在减压器的动特性分析中逐渐得到普及【1 9 j 【2 0 1 ，主 要是用m a t l a b 进行系统的时域和频域内的仿真【2 l 】 1 2 。，用s i m u l i n k 软件直接 将状态方程转化为仿真模型的应用在国外已进入工程试用阶段，研究正在向着数 值仿真、动画模拟和虚拟现实【2 8 h 4 8 】的方向发展，而国内尚处于应用的起步阶段。 从八十年代开始，国内部分高校已经开始了数值建模研究工作，至八十年代末曾 进行过个别简单压力调节器的动态分析，并提出了若干应用原则。目前国内正在 复杂压力调节器的数学模型上开展研究，并积极寻找更为简单的算法。可以说国 内与国外相比，还存在较大的差距，开展动态特性的研究仍需要做大量的工作。 在具体的研究工作上，燕山大学的董敏【4 9 】利用功率键图法对减压器稳定性进 行了分析。西安理工大学的马玉山等 5 0 1 1 利用a n s y s 软件建立了可变压差下自动 调节阀阀门内部流场模型以及阀芯模型，对流场和阀芯进行耦合力学分析阀芯的 大位移运动。北京航天动力研究所的陈晓琴【5 l 】通过建立减压阀充填过程动态数学 模型进行非线性仿真计算，用过渡时间及超调量分析减压阀的稳定性，给出减压 阀结构参数和工作参数对动态特性的影响。北京航空航天大学的张雪梅【5 2 】等建立 了液体火箭发动机常用的反向卸荷式减压器的动态数学模型，采用四阶龙格库 塔方法进行了数值仿真，分析了减压器在启动增压过程中的动态特性。哈尔滨工 业大学的包祖温1 5 3 j 等利用仿真方法对影响阀振动的因素进行分析，得到了影响阀 振动现象的主要因素并提出了改进措施。上海理工大学的王冬梅等【5 4 】通过对高速 蒸汽阀门内流场进行二维的理论计算和流动的定性分析，提出了一种对阀芯的改 型的方法，以削弱阀门中由于流动的不稳定导致的异常振动。陕西动力机械设计 研究所的尤裕荣等 5 5 1 对影响减压阀压力调节精度的非线性因素一摩擦力和流体 稳态力进行了研究与讨论。西安交通大学的王成都1 5 6 1 利用试验对模型进行参数辨 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 识后再对减压器动态特性进行研究，它引入参数辨识，为减压器模型中某些难确 定的参数的确定提供了一种方法( 比如流量系数、阻力系数等) ，使得模型更精确， 结果和试验结果更吻合。 在气体减压器的研制上，华中科技大学的李宝仁睁7 】等对高压随动压力控制阀 进行了研究，开发出了高压发射装置的气动减压阀。贺小峰等【5 8 】研制了一种高压 大流量气动定差减压器( 3 5 m p a ) 。北京理工大学的陈汉超【5 9 】设计了一种直动、 正向、非平衡式定值减压器( 5 m p a ) 。刘祖削6 0 】研制了一种超高压气动减压阀， 采用了金属包胶阀门结构保证其密封可靠性和较高的使用寿命。郦鸣阳等【6 l 】设计 了一种可用于高压气动系统的数字式流量控制阀，阀的过流面积可按步进方式进 行调节，或按设计值进行顺序控制。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的 王宣银等【6 2 】设计了一种出口压力可调范围大的超高压气动比例减压阀，设计输出 压力为8 - - - 2 5m p a 。空军第一航空学院的孙启顺等【6 3 】设计了一种新型高压差出1 ：3 压力可控减压器，出口压力可控制根据需要在0 - - , 2 0 m p a 范围内。 1 3 基于m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真 s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的主要工具之一，也是目前在连续变量动态系统 的建模和仿真方面应用最广泛的工具之一，它不仅可以进行线性系统仿真，也可 进行非线性系统仿真，既可以实现连续时间系统仿真，也可实现离散时间系统甚 至混合连续一离散时间系统的仿真，并支持多种采样频率的系统仿真【6 3 1 1 6 4 1 。 ( 1 ) 建模方便、快捷 根据以往的经历，建模就意味着编程，例如要建立一微分方程的模型，就必 须写一段程序，而且如果需要改变参数，则程序会更复杂。s i m u l i n k 出现后，由 于它提供了友好的图形界面( g u i g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，用户只要进行简单的 点击和拖动鼠标就能完成建模，非常自如、方便。而模型由s i m u l i n k 标准库模块 ( 也可以是用户自己定义的模块) 和连线组成，每个模块就象一个多功能硬件， 而连线相当于各硬件之间的导线，整个模型看起来如同工程上使用的方框图一样 简洁、明了。从数学角度上看，一个库模块就相当于一个函数，所以也可将s i m u l i n k 库模块称为库函数。具有不同功能或函数运算的s i m u l i n k 库模块可组成模块库， 库模块又可分为若干类，如接收器模块、输入源模块、线性或非线性组件模块及 连接器模块等等，并可根据实际需要自行定制和创建模块。 ( 2 ) 易于进行模型分析 由于s i m u l i n k 建立的模型是层次型的，因此建立模型的过程就如同通常的设 计过程一样，可以自上而下或自下而上。可以先在系统的高层次上分析研究，然 后通过双击具体模块或子系统图标，进一步分析模型下一层的细节，这种方法便 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 于分析模型的组织结构以及各部分的相互关系。 ( 3 ) 仿真性能优越 在定义好一个模型之后，用户就可以通过s i m u l i n k 菜单或者在m a t l a b 命 令窗口中输入命令两种方式，选择一种集成方法来进行仿真。前者特别适合于交 互式工作，而后者则在进行仿真的批处理( 例如进行蒙特卡罗仿真或者需要一个 参数在一定范围内连续改变数值) 时非常有用。通过使用示波器或其它显示模块， 可以在仿真运行同时看到仿真的结果，可以在改变参数后，通过短暂的运行，立 即就能看到相应的结果，适用于因果关系问题的研究。仿真结果还可以送入 m a t l a b 空间做进一步处理，并通过输入m a t l a b 命令调用线性化工具和整理 工具对模型结果进行分析。几乎所有的m a t l a b 应用程序工具箱都包含了体现 s i m u l i n k 模块化设计的专业模块。这些模块与基础模块结合起来，即可用于各类 实际工作中m j 。 系统仿真领域有很多自己的特性，如果能选择一种反映当今系统仿真领域的 较高水平，也是最实用的软件或语言应用于仿真技术，将是很有意义的。国内外 大量实践证明，m a t l a b 就是这样的仿真软件，由于它本身的卓越功能，已经使 它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真分析的首选语言【6 5 1 。 1 4 本文主要内容 根据目前国内外减压器的研究现状和未来发展趋势的要求，深入开展减压器 动态特性研究工作势在必行。本文围绕减压器动态特性问题，从科研实际出发， 结合目前减压器理论研究的发展现状和实际条件，依据固体力学、流体力学、自 动控制、阀门设计等相关理论，在分析减压器结构原理的基础上，开展了以下工 作： 第一章介绍了论文的研究背景和意义，综述了减压器的分类、应用及性能要 求和减压器动态特性的研究现状，并介绍了用于数值仿真计算的s i m u l i n k 软件。 第二章详细介绍了减压器的结构，并结合其工作过程对其工作原理进行了分 析，对减压器在地面试验系统的一种应用大流量供应系统进行了介绍。 第三章首先介绍了本文数值模拟计算中用到的基本假设、数学模型，并根据 数学模型建立了s i m u l i n k 仿真模型，然后对减压器的动态过程进行了仿真计算， 分析了各结构参数对减压器动态特性的影响。 第四章首先介绍了对减压器动态过程试验系统的组成和试验的内容，其次结 合试验研究的目标介绍了试验的设计思路和研究方法，最后对试验结果进行了分 析，找到了工况对减压器动态特性的影响规律。 第五章首先介绍了减压器在工程应用实际中出现的增压过程压力振荡问题， 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 对试验系统结构和压力振荡现象进行了详细的描述，其次结合减压器结构进行了 压力振荡问题机理分析，提出了解决方案，建立并验证了系统的a m e s i m 仿真模 型，对解决方案的效果进行了仿真模拟，最后进行了试验验证，分析了各方案下 的试验结果，提出了减压器增压压力振荡问题的实用解决办法。 第六章对小流量减压器的外部构型及内部结构进行了介绍，接着介绍了对减 压器进行测试的试验系统，然后介绍了对减压器进行的增压试验和通流试验情况， 根据试验结果对减压器的性能进行了初步地分析，提出了对减压器进行结构改进 的建议。 第七章对全文工作进行了总结。总结了本文研究取得的主要成果，分析了本 文研究工作中的不足之处，并对有待于进一步深入的研究工作提出了建议。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章减压器结构及其工作原理 由于使用场合的不同，对减压器要求不同，减压器的类型较多，结构形式各 不一样。本文研究的减压器为大流量气体减压器，用于燃气发生器肋热器的气体 或液体供应系统。本章针对自主研制的大流量气体减压器，首先介绍了减压器的 基本构型和内部结构，其次分析了减压器的工作原理，最后根据减压器实际使用 情况简要介绍了供应系统，并通过对一次试验过程的详细描述介绍了减压器的 工作过程。 2 1 减压器结构 本文研究的大流量减压器在控制方法上采用气动控制，即通过对控制气的调 节实现对减压器出口压力的调节，在作用方法上采用逆向卸荷式，即高压气体流 动方向与阀芯丌启方向相反而且使用了卸荷元件以降低高压气体对出口压力的影 响，在敏感元件上采用膜片式，在压力控制规律上采用定值式。 图2 1 减压器基本构型 圈21 显示的是减压器的基本构型，减压器主要由顶盖( 节流阀盖) 、入口腔 组件、出口腔组件、控制腔组件、支撑底盘和安全阀几部分组成。减压器入口腔、 出口腔均通过法兰与上下游气体管路连接控制气通过一个d n 4 的接嘴进入控制 腔，共同构成了减压器输入、输出、控制三个端口。除安全阀一端直接焊接在出 口腔、一端通过一个d n l o 的接嘴连接在控制腔上外，其余各组件之间均采用螺 栓组装，其中顶盖与入口腔组件、入口腔组件与出口腔组件之间加o 型圈密封， 出口腔组件与控制腔组件通过敏感膜片密封。 考虑到使用时压力监控、数据采集的需要，减压器入口腔、出口腔、阻尼腔 和控制腔均装有d n 4 接嘴接入压力表或压力传感器。 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 减压器结构不意图 图2 2 则显示了减压器的内部结构，减压器内部由入口腔、出口腔、卸荷腔、 阻尼腔、控制腔5 个功能腔体组成，其中入口腔与出口腔通过阀芯隔开，减压器 工作情况决定阀芯是否开合，亦即决定入口腔与出口腔是否连通，出口腔与阻尼 腔通过阻尼腔隔盘隔开，出口腔通过隔盘上开的阻尼孔与阻尼腔连通，阻尼腔与 控制腔通过敏感膜片隔开，二者并不连通。在减压器的其他部件中，主弹簧、副 弹簧和膜片构成了减压器的弹性系统组件，顶杆和阀芯组成了减压器的活动组件， 阀芯和阀座组成了减压器的节流组件。 2 2 减压器的工作原理 一般地，减压器是通过利用工质气体在通过阀芯和阀座间环缝时的节流作用 来实现减压的目的的。减压器工作时，节流作用给工质带来自身能量的不可逆损 失( 这首先决定于阀芯和阀座间环缝内气体速度的增加，然后决定于在低压腔内 气体速度的降低) ，从而使工质压力降低到给定值。在这个过程中，高压的工质从 入口腔经由阀芯阀座间的环缝流入出口腔，由于摩擦、涡流等原因，其压力势能 不能恢复，导致工质在减压器出口腔将维持某一固定压力，而不受入口压力或流 量的影响【。 图2 3 显示的是减压器的一次工作过程，p c 为控制腔压力，p 2 为出口腔压力， 通过控制指令导致的系统动作可将其分为四个阶段，即闭锁阶段、增压阶段、开 启阶段和关闭阶段。 减压器在通入控制气以前处于闭锁阶段，从通入控制气开始到控制气调压完 毕称增压阶段，增压完毕后从减压器下游阀门打开到关闭称开启阶段( 一般情况 下，在试验过程中减压器增压完毕后会有一定的等候时间，待其他试验设备调试 完毕后才会开启，这跟图2 3 显示的开启阶段紧接增压阶段的情况有所不同) ，下 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 游阀门关闭以后称关闭阶段。要了解减压器的工作原理，就必须对这工作的四个 阶段进行详细分析。 暑 玎 d q s ； 图2 3 减压器的工作过程 ( 1 ) 闭锁阶段 由于减压器入口腔通过法兰与上游高压气体管路连通，入口腔及卸荷腔加有 高压，出口腔、阻尼腔和控制腔均为大气压，阀芯在卸荷腔压力的作用下紧压阀 座( 实际上，由于本文所研究的减压器的阀芯阀座间采用硬密封，减压器的闭锁 性能正是由卸荷腔的高压来实现) ，气体无法从入口腔流入出口腔，减压器处于闭 锁状态。如图2 4 所示。 ( 2 ) 增压阶段 在减压器输出稳定压力、流量的气体前，必须先对减压器的出口压力进行调 节以达到试验所需值。图2 5 描述的便是减压器的增压阶段。具体的过程如下： 关闭减压器下游阀门，给控制腔通入控制气，控制腔内压力逐渐升高，当控制气 通过膜片对活动组件的作用力超过卸荷腔压力对活动组件的作用后( 重力静摩 擦力等其他力可作为小量忽略) ，膜片开始变形向上运动，通过顶杆使阀芯开启，