1、概述

　　減壓閥的穩(wěn)定性是重要性能指標(biāo)之一，如果減壓閥的穩(wěn)定性不足，受到外界干擾時(shí)( 如進(jìn)、出口壓力突變) 將會(huì)發(fā)生振動(dòng)，引起出口壓力波動(dòng)或?qū)е聹p壓閥結(jié)構(gòu)破壞，影響減壓閥的功能和性能。

2、工作原理

　　氣簧式減壓閥( 圖1) 的作用是將不穩(wěn)定的高壓氣體減壓并穩(wěn)定在需要的壓力范圍內(nèi)。當(dāng)氣體通過(guò)閥瓣和閥座形成的狹窄面積時(shí)，氣體受到節(jié)流，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成氣體壓力的降低。氣簧是一個(gè)封閉的氣動(dòng)調(diào)節(jié)腔，其作用是代替機(jī)械彈簧進(jìn)行壓力的調(diào)節(jié)，可以有效地減小減壓閥的體積。減壓閥在供氣系統(tǒng)中其前端連接氣瓶，后端連接增壓電磁閥( 圖2) 。減壓閥調(diào)壓后，氣體到達(dá)電磁閥前，電磁閥根據(jù)需要開(kāi)啟為下游用氣系統(tǒng)供氣。在有些工況下電磁閥開(kāi)啟后，減壓閥會(huì)發(fā)生振動(dòng)。

3、振動(dòng)機(jī)理

　　減壓閥是彈簧振子調(diào)節(jié)系統(tǒng)，存在固有頻率，同時(shí)減壓閥低壓腔和管道內(nèi)充滿的流體是一個(gè)具有彈性的氣柱，可以膨脹和壓縮，也存在固有頻率，二者之間相互影響后會(huì)產(chǎn)生初始激振，如果氣柱頻率與減壓閥彈性系統(tǒng)固有頻率( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)減壓閥固有頻率) 發(fā)生耦合則會(huì)引發(fā)共振。倘若減壓閥內(nèi)彈性系統(tǒng)的阻尼不足，振動(dòng)發(fā)生后不能衰減，將會(huì)使振動(dòng)持續(xù)。

1. 閥體2. 氣動(dòng)活塞3. O 形圈4. 閥瓣5. 閥座6. 墊片7. 阻尼板

圖1 氣簧式減壓閥

　　當(dāng)減壓閥后端電磁閥突然開(kāi)啟時(shí)，產(chǎn)生壓力沖擊，激振頻率比較豐富，容易引起共振。電磁閥打開(kāi)后，由于壓力突然下降，減壓閥瓣也迅速開(kāi)啟，因慣性作用，減壓閥瓣開(kāi)度會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，出口壓力迅速增加，在該壓力作用下又會(huì)使減壓閥瓣開(kāi)度減小，減壓閥瓣開(kāi)度變化使氣柱受到干擾產(chǎn)生壓力沖擊。同時(shí)，氣柱在遇到減壓閥后的閥門(mén)、彎頭和孔板等元件時(shí)，也會(huì)因沖擊產(chǎn)生脈動(dòng)。脈動(dòng)壓力作用在減壓閥上，使減壓閥瓣開(kāi)啟高度不斷變化，而其開(kāi)度的變化又會(huì)使出口壓力產(chǎn)生脈動(dòng)變化，二者相互影響使減壓閥和氣柱均產(chǎn)生振動(dòng)，如果減壓閥固有頻率氣柱激振頻率耦合則會(huì)進(jìn)一步引發(fā)共振。

1. 氣瓶2. 手動(dòng)閥3. 減壓器4. 增壓電磁閥

圖2 供氣系統(tǒng)氣路流程( 局部)

　　如果減壓閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性裕度不足，則振動(dòng)發(fā)生后不能衰減，振動(dòng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行。影響減壓閥動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的因素主要為減壓閥彈性系統(tǒng)的阻尼和減壓閥瓣行程。通常氣簧減壓閥的阻尼主要為O 形圈機(jī)械阻尼和阻尼板的氣動(dòng)阻尼，如果二者阻尼較小則不能有效抑制振動(dòng)。另外，如果減壓閥閥瓣行程較大，則發(fā)生初始振動(dòng)后因其振幅較大，不能很快衰減，也會(huì)使振動(dòng)持續(xù)。

4、計(jì)算與仿真

　　由分析可知，減壓閥初始激振和共振主要與減壓閥固有頻率和氣柱頻率有關(guān)。

　　4.1、氣柱頻率計(jì)算

　　當(dāng)減壓閥后端電磁閥突然開(kāi)啟時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)流量階躍，出口壓力迅速下降，減壓閥瓣迅速開(kāi)啟。由于慣性作用，減壓閥瓣開(kāi)度會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，出口壓力迅速增加，在該壓力作用下又會(huì)使減壓閥瓣開(kāi)度減小，減壓閥瓣開(kāi)度變化使氣柱受到干擾產(chǎn)生初始激振。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際管路三維模型，采用轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算管路固有頻率( 圖3，表1) 。

　　4.2、固有頻率仿真

　　取閥瓣、彈簧座、氣動(dòng)活塞和彈簧等作為研究對(duì)象，采用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真分析。當(dāng)各元件為剛性連接且不考慮阻尼時(shí)，其模態(tài)頻率見(jiàn)表2。其中Y 向振動(dòng)頻率分別為第8 階和第10 階，頻率分別為260. 69Hz 和459. 97Hz。由于減壓閥各元件按剛性連接考慮，其固有頻率與氣柱頻率差異很大，因此二者耦合產(chǎn)生共振的可能性不大。

圖3 氣柱固有頻率計(jì)算模型

表1 氣柱固有頻率Hz

表2 減壓閥固有頻率Hz

　　但是，在實(shí)際工作中，由于閥瓣和活塞之間是通過(guò)主彈簧和閥瓣彈簧壓緊連接。不是完全的剛性連接。閥瓣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)兩彈簧變形量不一致時(shí)，活塞與閥瓣不會(huì)同步運(yùn)動(dòng)，因此二者之間會(huì)產(chǎn)生分離。僅取閥瓣、彈簧座和閥瓣彈簧作為研究對(duì)象且不考慮阻尼時(shí)，采用ANSYS 軟件進(jìn)行仿真分析( 圖4) ，結(jié)果為無(wú)阻尼固有頻率169. 34Hz。如果閥瓣與閥瓣座之間存在阻尼還會(huì)使頻率進(jìn)一步降低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)約130 ～ 140Hz，與氣柱三階頻率( 122. 650 5Hz) 接近，說(shuō)明二者有可能耦合產(chǎn)生共振。

5、試驗(yàn)

　　為驗(yàn)證分析的正確性，搭建了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)調(diào)整增壓電磁閥后的節(jié)流孔板改變系統(tǒng)的氣柱頻率。在減壓閥和相關(guān)管路上設(shè)置加速度傳感器和壓力傳感器，進(jìn)行試驗(yàn)中的振動(dòng)測(cè)試，并對(duì)減壓閥氣簧腔壓力、出口壓力頻域數(shù)據(jù)以及加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

　　5.1、產(chǎn)生振動(dòng)的試驗(yàn)

　　減壓閥產(chǎn)生振動(dòng)后采用壓力傳感器采集到氣簧腔和出口壓力的主頻均為129.2Hz，與氣柱頻率計(jì)算結(jié)果( 122.65Hz) 基本一致。減壓閥產(chǎn)生振動(dòng)后采用加速度傳感器測(cè)得的閥瓣運(yùn)動(dòng)方向( 即1Y) 響應(yīng)主頻為128.14Hz，減壓閥振動(dòng)頻率與壓力脈動(dòng)頻率一致，且功率譜密度很大。

圖4 閥瓣彈簧與彈簧座和閥瓣連接的一階Y 向振型

　　5.2、不產(chǎn)生振動(dòng)的試驗(yàn)

　　當(dāng)減壓閥未出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，采用壓力傳感器采集到氣簧腔和出口壓力主頻分別為98.92Hz 和102.65Hz，與減壓閥發(fā)生振動(dòng)時(shí)的頻率不同，且功率譜密度很小。減壓閥未發(fā)生振動(dòng)時(shí)采用加速度傳感器采集到其響應(yīng)主頻為524.65Hz，且功率譜密度很小。由此可知，減壓閥未振動(dòng)時(shí)其振動(dòng)頻率與壓力脈動(dòng)頻率不同。

　　5.3、分析

　　將減壓閥發(fā)生振動(dòng)時(shí)的出口壓力脈動(dòng)頻率、幅值和振動(dòng)頻率與不發(fā)生振動(dòng)時(shí)比對(duì)( 表3) 可知，減壓閥發(fā)生振動(dòng)后，其出口壓力脈動(dòng)頻率3 個(gè)方向基本相同，且與振動(dòng)頻率一致，壓力波動(dòng)范圍和振動(dòng)加速度均較大，表明發(fā)生了共振。減壓閥未發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其出口壓力脈動(dòng)頻率3 個(gè)方向不同，且與振動(dòng)頻率相差較大，壓力波動(dòng)范圍和振動(dòng)加速度均較小，表明未發(fā)生共振。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和計(jì)算的正確性。

表3 壓力脈動(dòng)和振動(dòng)數(shù)據(jù)比對(duì)

6、振動(dòng)控制

　　6.1、控制氣柱固有頻率

　　改變氣柱頻率，使其與減壓閥固有頻率不同，避免產(chǎn)生共振。改變氣柱固有頻率取決于管系的配管方式、長(zhǎng)度、管徑和走向等。因此，在管路設(shè)計(jì)時(shí)，除進(jìn)行常規(guī)計(jì)算外，還應(yīng)進(jìn)行管系氣柱頻率的計(jì)算，并進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。

　　6.2、控制減壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率

　　通常，減壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率越低，越容易受出口壓力的影響，發(fā)生共振。因此，提高彈簧剛度和運(yùn)動(dòng)部件固有頻率，可以避免共振。

　　6.3、設(shè)置緩沖器

　　設(shè)置緩沖器可以減小壓力脈動(dòng)和沖擊，緩沖器容積越大，壓力脈動(dòng)越小。另外，設(shè)置緩沖器還可以使氣體脈動(dòng)頻率降低，但是緩沖器應(yīng)放置在減壓閥出口最近處才能有降低頻率的效果，否則，減壓閥至緩沖器之間的管路長(zhǎng)度會(huì)造成壓力脈動(dòng)頻率的提高，甚至?xí)�產(chǎn)生相反的效果，使振動(dòng)加劇。

　　6.4、增加減壓閥自身阻尼

　　減壓閥自身有足夠大的阻尼時(shí)，可以使振動(dòng)產(chǎn)生后很快衰減，從而起到消振作用。減壓閥阻尼包括機(jī)械阻尼和氣動(dòng)阻尼，機(jī)械阻尼主要為活塞O形圈產(chǎn)生的阻尼。在不影響活塞運(yùn)動(dòng)的情況下，O 形圈摩擦力應(yīng)盡量大。氣動(dòng)阻尼主要為孔板形阻尼孔、毛細(xì)阻尼管和環(huán)形縫隙阻尼3 種，其中環(huán)形縫隙阻尼的效果較好，易于實(shí)施，是較為理想的阻尼方法。

　　6.5、控制閥瓣行程

　　減壓閥閥瓣與活塞間隙( 活塞空行程) 和閥瓣開(kāi)度( 活塞行程與活塞空行程之差) 過(guò)大會(huì)加大減壓閥的振動(dòng)幅度，對(duì)抑制減壓閥振動(dòng)不利。一般設(shè)計(jì)閥瓣最大開(kāi)度為實(shí)際使用開(kāi)度的2 倍。

7、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)氣簧式減壓閥振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析、計(jì)算、仿真以及試驗(yàn)，得出結(jié)論。

　　(1) 減壓閥固有頻率與氣柱頻率耦合會(huì)產(chǎn)生共振。因此，設(shè)計(jì)供氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)對(duì)減壓閥固有頻率和氣柱頻率進(jìn)行計(jì)算，使二者不同，避免產(chǎn)生共振。

　　(2) 對(duì)于管路系統(tǒng)可采取控制氣柱固有頻率、設(shè)置緩沖器和增加孔板等措施控制振動(dòng)。

　　(3) 對(duì)于減壓閥可采取提高減壓閥固有頻率、增加自身阻尼和控制閥瓣行程等措施控制振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

　　〔1〕王定軍. 減壓閥振動(dòng)工程分析〔J〕. 火箭推進(jìn)， 2009.

　　〔2〕尤裕榮等. 氣體減壓閥的穩(wěn)定性分析〔J〕. 火箭推進(jìn)，2009.