（机械制造及其自动化专业论文）大型压力调节阀的动态分析及故障检测研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fe n g i n e e r i n g 乃硝锄1 i 厶4 搬锣似a m 么忍次络厦龟c 省。九 才坛俨 胱g “心z 皈阮 c a n d i d a t e ：从坛 锄 s p e c i a l 锣： 川e c 版研1 么剜纠优扣c 舌优一翌见彳纠勿帆撇 s u p e r v i s o r ： 咐吻吻 a p r i l l 5 ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒必日期： 2 翌2 逸蝈幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皇型逸导师签名： 目录 目录 摘要 a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 研究背景及意义l 1 2 调节阀动态分析研究现状2 1 2 1 动力分析研究现状3 1 2 2 流场分析研究现状5 1 2 3 噪声分析研究现状。6 1 3 调节阀故障检测研究现状7 1 3 1 故障分析研究现状7 1 3 2 故障检测研究现状8 1 4 课题的提出及主要研究内容1 0 1 4 1 存在问题及课题的提出1 0 1 4 2 课题的主要研究内容1 1 第2 章大型压力调节阀的动态分析及故障检测理论1 3 2 1 调节阀振动分析及控制理论。1 3 2 1 1 调节阀模态分析理论1 3 2 1 2 主动变刚度( a v s ) 振动控制机理1 4 2 2 调节阀流场分析理论1 5 2 2 1 调节阀流场的控制方程：1 5 2 2 2 调节阀流量特性的分类1 9 2 3 调节阀噪声分析理论2 0 2 3 1 调节阀噪声度量方法2 0 2 3 2 调节阀噪声治理的方法及机理2 1 2 4 结构优化设计理论2 2 2 4 1 优化设计问题的数学模型2 2 2 4 2 常用优化设计方法2 3 山东大学博士学位论文 2 5 调节阀故障检测理论。2 4 2 5 1 质量平衡法故障检测机理2 4 2 5 2 调节阀泄漏故障检测机理2 4 2 5 3 调节阀堵塞故障检测机理2 5 2 。5 4 混合煤气质量流数学模型的建立2 6 2 6 调节阀故障定位机理研究2 8 2 6 1 调节阀泄漏故障定位机理2 9 2 6 2 调节阀堵塞故障定位机理3 0 2 7 本章小结3 0 第3 章大型压力调节阀的动态模拟及优化3 2 3 1 大型压力调节阀的模态分析及振动控制研究。3 2 3 1 1 调节阀固有频率和振型的研究3 2 3 1 2 调节阀的开度对其固有频率的影响研究j 3 5 3 1 3 调节阀扩展主动变刚度( e a v s ) 机理及应用研究3 7 3 2 大型压力调节的流场分析。3 9 3 2 1 调节阀流场分析前处理3 9 3 2 2 调节阀流量特性研究4 1 3 2 3 调节阀内部流场分析4 2 3 2 4 调节阀的压差一流量研究4 4 3 2 5 调节阀的开度一压差研究4 5 3 3 大型压力调节阀的流道优化研究4 6 3 3 1 内部流场漩涡的形成原因分析4 6 3 3 2 流道优化模型的建立及网格划分4 7 3 3 3 调节阀流道优化模型的流场分析4 8 3 4 大型压力调节阀的噪声影响因素及噪声控制研究5 0 3 4 1 流速和压差对噪声的影响研究5 0 3 4 2 多孔套筒对噪声控制效果的分析5 1 3 4 3 采用多孔套筒对调节阀内部流场及噪声场的影响研究5 3 3 5 变节流面积迂回通路降噪方法的研究5 4 3 5 1 变节流面迂回通路降噪机理研究5 4 目录 3 5 2 基于变节流面迂回通路机理的降噪元件的设计5 5 3 5 3 变节流面迂回通路降噪效果分析5 6 3 5 4 变节流面迂回通路降噪的流场分析5 6 3 5 5 变节流面迂回通路降噪的参数研究5 7 3 6 本章小结5 8 第4 章大型压力调节阀泄漏故障的动态特征分析及检测研究6 0 4 1 大型压力调节阀泄漏故障模型的建立6 0 4 1 1 调节阀泄漏的分类及泄漏部位分析6 0 4 1 2 调节阀泄漏故障三维模型的建立6 1 4 2 大型压力调节阀泄漏故障的模态分析6 1 4 2 1 调节阀泄漏故障固有频率和模态分析6 1 4 2 2 调节阀泄漏故障的低阶模态分析6 2 4 3 大型压力调节阀泄漏故障的流场分析6 3 4 3 1 调节阀泄漏故障的分析前处理6 3 4 3 2 泄漏故障对调节阀流量特性的影响研究6 4 4 3 3 调节阀的泄漏口流量特性研究6 5 4 3 4 泄漏故障对调节阀内部流场的影响研究6 7 4 3 5 泄漏故障对调节阀的压差一流量影响研究6 8 4 3 6 不同压差对调节阀泄漏流量的影响研究7 1 4 3 7 泄漏故障对调节阀的开度一压差影响研究7 1 4 3 8 调节阀的开度对泄漏口的压差影响研究7 2 4 3 9 泄漏口大小及数量对调节阀泄漏量的影响研究7 3 4 4 泄漏故障对大型压力调节阀的噪声影响研究。7 4 4 4 1 泄漏部位对噪声影响研究7 4 4 4 2 泄漏故障对调节阀噪声场的影响研究7 5 4 5 大型压力调节阀泄漏故障的检测研究7 6 4 5 1 基于双质量流差泄漏检测与定位方法的研究7 6 4 5 2 大型压力调节阀泄漏故障仿真实验数据分析7 7 4 5 3 调节阀泄漏定位分析及泄漏定位判定表的建立7 7 4 6 本章小结7 8 m 山东大学博士学位论文 第5 章大型压力调节阀堵塞故障的动态特征分析及检测研究7 9 5 1 大型压力调节阀堵塞故障模型的建立7 9 5 1 1 调节阀堵塞故障部位分析。7 9 5 1 2 调节阀堵塞故障三维模型建立7 9 5 2 大型压力调节阀堵塞故障的模态分析8 0 5 2 1 调节阀堵塞故障固有频率和模态分析8 0 5 2 2 调节阀堵塞故障低阶模态分析8 1 5 3 大型压力调节阀堵塞故障的流场分析8 1 5 3 1 调节阀堵塞故障分析前处理8 1 5 3 2 堵塞故障对调节阀流量特性的影响研究8 2 5 3 3 堵塞故障对调节阀内部流场的影响研究8 4 5 3 4 堵塞故障对调节阀的压差一流量影响研究8 5 5 3 5 堵塞故障对调节阀的开度一压差影响研究。8 7 5 3 6 堵塞物大小及数量对调节阀流量的影响研究8 8 5 4 堵塞故障对大型压力调节阀的噪声影响研究一8 9 5 4 1 堵塞部位对噪声的影响分析8 9 5 4 2 堵塞故障对调节阀噪声场的影响研究9 0 5 5 大型压力调节阀堵塞故障的检测研究。9 0 5 5 1 基于双质量流差堵塞检测与定位方法的研究9 0 5 5 2 大型压力调节阀堵塞故障仿真实验数据分析9 1 5 5 3 调节阀堵塞定位分析及堵塞定位判定表的建立9 l 5 6 本章小结9 2 第6 章调节阀故障诊断系统设计及实验研究9 3 6 1 大型压力调节阀模态实验9 3 6 1 1 模态实验装置及方案9 3 6 1 2 模态实验方法9 4 6 1 3 实验数据分析及处理：9 5 6 1 4 模态实验结果分析9 6 6 2 调节阀故障诊断系统设计9 7 6 2 1 调节阀故障检测方案9 7 目录 6 2 2 故障诊断系统的流程9 7 6 2 - 3 调节阀故障诊断系统界面9 8 6 3 调节阀质量流检测试验9 9 6 3 。1 质量流检测试验测试系统9 9 6 3 2 试验测试方案。1 0 0 6 3 3 试验数据采集及分析。1 0 1 6 4 本章小结。1 0 2 结论与展望。l0 3 参考文献10 5 致谢一1 15 作者攻读博士学位期间发表学术论文及所获奖励1 1 6 v 山东大学博士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) x i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g 血f i c a n c e 1 1 2l i t e r 狐聪i 沁v i e wo fc o r l 仃o lv | a l v ed y n a 越ca m l y s i s 。2 1 2 1d y n 锄i c a la n a l y s i s 3 1 2 2f l o wf i e l da n a l y s i s 。5 1 2 3n o i s ea n a l y s i s 6 1 3l i t e r a _ t u r er e v i e wo fc o n n d lv a l v ef a i l u r ea n a l y s i sa n dd e t e c t i o n7 1 3 1f a i l u r ea n a l y s i s 7 1 3 2f a i l l h ed e t e c t i o n 8 1 4p r e s e n t i i l ga n dr e s e a r c hc o n t e n t s 1o 1 4 1p r e s e m i n g 1 0 1 4 2r e s e a r c hc o n t e n t s 11 c h a p t e r 2 d y 的m i ca 的l y s i sa n df a u l td e t e c t i o nt h e o r yf o rc o n t r o lv h l v e 13 2 1 b r a t i o na m l y s i sa i l dc o n t r o lt l l e o d r 13 2 1 1m o d a l 趾m l y s i s 1 3 2 1 2a c t i v ev a r i a b l es t i f f n e s s j 1 4 2 2f l o wf i e l da m a l y s i st h e o 巧l5 2 2 1f 1 u i dd y i l a 面c s 15 2 2 2f l o wc h a r a c t e r i s t i c s 1 9 2 3n o i s ea n a l y s i st h e o 拶2 0 2 3 1n o i s em e a s u r e m e n t 2 0 2 3 2n o i s ec o n t r o l 21 2 4s 眦n 枷o p t i r i l i z a t i o nd e s i g i ln l e o 巧2 2 2 4 1o p t i m a ld e s i 印m 砒e m a t i c a lm o d e l 2 2 2 4 2c o 咖n o no p t i i i l i z a t i o nd e s i g i lm e n l o d 。2 3 i a b l e o f c u n i e n 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y 5 8 c h a p t e r4 d y n a m i cf e a t u r ea n a l y s i sa n dd e t e c t i o nf o rc o n t r o lv a l v el e a k a g e f a u l t 6 0 4 1l e a k a g ef a u hm o d e l 6 0 4 1 1l e a k a g ef a u l tp o s i t i o n sa m l y s i s 6 0 4 1 2e s t a b l i s hl e a l 【a g ef a u l tm o d e l 6 1 4 2l e a k a g ef a u l tm o d a la n a l y s i s 6 1 4 2 1l e a k a g ef a u l tn a t i 啪】f r e q u e n c i e sa n dm o d a la n a l y s i s 6 1 4 2 2l e a k a g ef a u l tl o w0 r d e rm o d a la n a l y s i s 6 2 4 3l e a k a g ef a u l tf l o wf i e l da n a l y s i s 6 3 4 3 1l e a k a g ef a u l tm l a l y s i sp r e 仃e a t m e m 6 3 4 3 2l e a k a g ef a u l tf l o wc h a r a c t e r i s t i cs t u d y 6 4 4 3 3l e a k a g ep o i n tf l o wc h 磁似耐s t i cs t u d y 6 5 4 3 4l e a k a g ef a u l ti n t e m a lf 1 0 wf i e l da n a l y s i s 。6 7 4 3 5l e a k a g ef a u l tp r e s s u r ed i 虢r e n c e - f 1 0 ws t u d y 。6 8 4 3 6l e a k a g ep o np r e s s u r ed i 骶r e n c e f l o ws t u 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l i s hb l o c k a g ef a u l tm o d e l 。7 9 5 2b l o c k a g ef a u l tm o d a la n a l y s i s 8 0 5 2 1b l o c k a g ef a u l tn 狐髓lf r e q u e n c i e s 锄dm o d a la n a l y s i s 8 0 5 2 2b l o c k a g ef a u hl o wo r d e rm o d a l 加1 a l y s i s 81 5 3b l o c k a g ef a u n f l o wf i e l da n a l y s i s 8 1 5 3 1b 1 0 c k a g ef a u l t 灿l a l y s i sp r e 仃e a 恤e n t 8 1 5 3 2b 1 0 c k a g ef a u l tf l o wc h a r a c t e r i s t i cs t u d y 8 2 5 3 3b 1 0 c k a g ef a u l ti n 饫m mf l o wf i e l da n a l y s i s 8 4 5 3 4b l o c k a g ef a u l tp r e s s u r ed i f r e r e n c e f l o ws t u d y 8 5 5 3 5b l o c k a g ef a u l to p e n i n g p r e s s u r ed i 虢r e n c es t u d y 8 7 5 3 6b l o c k a g eq u a n t 毋s t u d y 8 8 5 4b l o c k a g ef a u l tn o i s es t u d y 。8 8 5 4 1n o i s ei m p a c ta m l y s i so fb 1 0 c k a g ef a u l t 8 8 5 4 2b l o c k a g ef a u l tn o i s ef i e l da m l y s i s 8 9 5 5l e a k a g ed e t e c t i o nr e s e a r c h 。9 0 5 5 1d o 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方法。建立了调节阀的流道模型，采用混合煤气为介质分析了调节阀的流量特性、 压差流量和开度压差特性。分析了调节阀内部流场漩涡产生的原因，并通过流道 的优化，消除阀座处的漩涡，减小阀出口处的漩涡。讨论了调节阀噪声产生的原 因及影响因素。针对噪声控制，提出了基于变节流面迂回通路的调节阀噪声治理 的方法，设计了带锥度的多孔式套筒。分析了多孔式套筒孔的大小和数量对降噪 的影响。结果表明，采用有锥度的多孔式套筒不仅消除了阀出口下方的大漩涡、 减小了左侧腔的漩涡，而且较普通的多孔式套筒降噪效果更明显。 研究了调节阀泄漏时的动态特征及检测、定位方法。建立了调节阀入口、出 口、阀杆和阀体阀盖处泄漏的三维模型及其流道模型，对不同泄漏故障进行了模 山东大学博士学位论文 态分析、流场分析。结果表明，泄漏故障降低大部分阶次的固有频率，调节阀的 入口、出口泄漏的流量特性曲线较无故障时有轻微下凹，使其流量特性减弱。针 对泄漏故障提出了泄漏口流量特性，入口、出口泄漏口流量特性曲线类似于下降 的线性特性曲线，阀盖泄漏口和阀杆泄漏口的流量特性曲线类似于向下倾斜的正 弦曲线。出现泄漏故障时为减小能源损失，在保证阀后压力稳定的情况下应尽量 提升阀前压力。分析了泄漏口大小、数量对调节阀压差流量，以及泄漏故障对调 节阀噪声的影响。根据调节阀泄漏故障内部流场的动态特征，研究了调节阀泄漏 故障的检测及定位，提出了采用质量流进行泄漏检测，双质量流差进行泄漏定位 的方法，并总结出相应的泄漏定位判定表。 研究了调节阀堵塞时的动态特征及检测、定位方法。建立了调节阀入口、出 口及阀体内堵塞的三维实体模型，并通过模态分析得到阀入口堵塞和阀体内堵塞 降低调节阀的固有频率，阀出口堵塞提高调节阀的固有频率。在三维实体模型的 基础上，建立了各堵塞故障的流道模型，分析其内部流场，结果表明，堵塞故障 使流量特性曲线凸起，流量减小，需要增加开度或压差才能达到预定的流量。分 析了堵塞物的大小及数量对调节阀流场的影响，得到流量受出口堵塞的影响大于 入口堵塞，随出口堵塞物的增大急剧减小，同时研究了堵塞故障对调节阀噪声的 影响。根据调节阀堵塞故障内部流场的动态特征，研究了调节阀堵塞故障时的检 测及定位，提出了采用质量流波动检测堵塞，同样采用双质量流差方法进行堵塞 定位，并总结出相应的堵塞定位判定表。 构建了调节阀动力学性能及质量流检测试验系统。对调节阀进行了模态实验 和质量流检测试验，以及调节阀故障诊断系统的设计。通过调节阀的模态实验， 验证了调节阀建模的准确性以及仿真数据的可信性。通过质量流检测试验，证明 混合煤气质量流的数学模型可准确的反映并监测系统质量流的变化，以及调节阀 故障诊断系统的可行性。 本课题得到国家高技术研究发展计划项目“钢厂循环发电工程中大流量煤气 的智能优化控制及应用技术( 2 0 0 8 a a 0 4 2 1 3 0 ) ”和高等学校博士学科点专项科研基 金资助项目“大流量高频响核电控制阀的多场耦合振动与泄漏自感知机理研究 ( 2 0 1 1 0 1 3 1 11 0 0 4 2 ) 的支持。 关键词：调节阀；动态分析；故障分析；故障检测；噪声控制 i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m r o lv a l v ei sw i d e l yu s e