单座式调节阀阀芯阀杆系统流固耦合振动研究

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1、２０１４年５月农业机械学报第４５卷第５期ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．０５．０４５单座式调节阀阀芯阀杆系统流固耦合振动研究１１１２１，３王雯傅卫平孔祥剑马玉山徐丽（１．西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安７１００４８；２．吴忠仪表有限责任公司，吴忠７５１１００；３．中国石油广东石化公司，揭阳５１５２００）摘要：针对单座式调节阀阀芯阀杆系统的流固耦合振动问题，建立了考虑阀门定位器作用的系统动态仿真模型，给出了求解阀芯阀杆系统响应的预估校正算法，利用ＡＮＳＹＳ软件对系统在固定开度与变开度情况和流

2、开型与流闭型情况下的振动响应进行了定性分析。研究表明：对于固定开度，阀芯稳态位移偏移量以及流体力随压差增加以及开度减小而增大，阀芯动态位移过渡时间随压差增加而缩短，而流开型流向时阀芯位移响应幅度要大于流闭型流向。对于开度减小情况，采用流闭型流向时阀芯动态位移过渡时间更短，且压差越大，阀芯动态位移过渡时间越短，而流开型流向时则相反；对于开度增大情况，阀芯动态位移过渡时间和压差之间的关系与开度减小情况相反。关键词：调节阀阀芯阀杆系统流固耦合振动中图分类号：ＴＰ２１４；Ｏ３２文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１４）０５０２９

3、１０８引言１阀芯阀杆系统动力学模型调节阀在水利、电站、化工、石油、冶金等过程控１１单座式调节阀结构制系统中起着重要作用，然而调节阀在某些工况下单座式调节阀整体结构如图１所示，主要由执产生的振动往往成为引起各种事故的主要原因，振行机构和调节机构组成。执行机构将控制器输出电动严重时甚至影响系统安全平稳地运行。导致调节流信号转换为调节阀阀杆的直线位移；调节机构通阀振动的主要原因是阀体内部流体流动的不稳定过阀杆与执行机构相连，并将位移信号转换为阀芯［１］［２－３］性，与流固耦合作用直接相关。和阀座之间流通面积的变化，从而改变流经阀体的流固

4、耦合导致的调节阀振动可以分为两种：一流体运动状态。为了使阀芯和阀座之间的开度稳定种是调节阀整体在管道上的振动；另一种是本文要在某个特定位置以保证实现控制器所要求的目标状研究的调节阀自身阀芯阀杆系统振动。国内外有关阀流固耦合振动的研究较少，且大多偏重于在某些固定开度、单一流向工况下分析阀体及流道内的瞬态流场及其与阀体或阀芯、阀杆的弹性振动之间的流固耦合相互作用，例如文献［４－１７］分别对调节阀、电磁阀、截止阀、换向阀以及溢流阀等不同类型的阀的动态特性与流固耦合问题进行了仿真和试验研究。本文以某型号单座式调节阀为对象，研究调节图１单座式调

5、节阀结构示意图阀阀芯阀杆系统在流开式与流闭式流向、固定开度Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｔｙｐｅｃｏｎｔｒｏｌ与变开度工况时的流固耦合振动问题。通过建立考ｖａｌｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ虑定位器作用的系统有限元流固耦合模型并进行仿１．弹簧２．膜片３．气室４．位移刻度５．阀杆６．填料真，分析流开型和流闭型调节阀阀芯阀杆系统在固７．阀芯８．阀座９．阀体１０．调节机构１１．执行机构定开度和变开度条件下的动态响应。收稿日期：２０１３１１１５修回日期：２０１４０１０２国家自然科学基金资助项目（５１２７５４０７）作者简介

6、：王雯，教授，博士，主要从事智能机器人与机电系统测试、现代物流系统工程与技术研究，Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｗｅｎ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ２９２农业机械学报２０１４年态，调节阀设有阀门定位器附件，组成以阀杆实际位合力，其大小与调节阀两端的压差、阀芯大小和形移为测量信号、以控制器电流输出为设定信号的反状、调节阀类型、阀上游压力、流体流向及流体物理馈控制系统。特性等因素有关。对于流开式流向（图１中流体从１２阀芯阀杆系统动力学模型左侧流入，右侧流出），流体力为阀芯阀杆系统是调节阀执行调节机构的主π２π２２π２２Ｆｌ＝ｐ１ｄｓ－ｐ２（ｄｓ－ｄｚ

7、）＝（ｄｓΔｐ＋ｄｚｐ２）体，主要包括薄膜膜片、推杆、弹簧、填料、阀杆、阀芯４４４和阀座等，如图１所示。（２）对于特定调节阀结构，其调节性能主要取决于式中ｐ１———阀前压力ｐ２———阀后压力阀芯阀杆相对阀座的运动。阀芯阀杆与气室弹Δｐ———前后压差ｄｓ———阀芯直径簧、填料、流体等组成一个流固耦合动力学系统。在ｄｚ———阀杆直径建立阀芯阀杆动力学模型之前作如下假设：调节阀对于流闭式流向（图１中流体从右侧流入，左内部的流体（水）是不可压缩的；在调节阀工作过程侧流出），流体力为中，水没有热交换；阀杆与填料之间的摩擦力认为是π２π２２π２２

8、Ｆｌ＝ｐ２ｄｓ－ｐ１（ｄｓ－ｄｚ）＝－（ｄｓΔｐ－ｄｚｐ２）４４４一种粘性阻尼力；整个阀体为刚性体，忽略其弹性变（３）形；阀芯阀杆只沿轴线运动，不考虑横向运动；单座阀的执行机构为气动正作用执行机构。对于动态问题，无论流开