气动蝶阀式压力调节器的工作特性及发展趋势

    从20世纪90年代初国内开始研制蝶阀式空气压力调节器以来，先后研制生产出QDF-45、QDF-46、CYT-20、CYT-32、CYT-33、QYT-20等多种产品型号，经历了由相对压力调节向绝对压力调节的过渡。随着我国航空技术的不断发展和日趋成熟，大型民用客机等先后立项并进入研制阶段，其环控系统对引气压力调节器功能的精确性和工作稳定性都提出了更高的要求，研究影响高温蝶阀式绝对压力引气调节器调节精度及工作稳定性的主要因素及相应的解决措施这一课题迫在眉睫。本文以高温大流量引气压力调节器×××为例，对上述问题进行全面的分析和论证。
    一、主要技术要求
    （1）工作介质：空气。
    （2）使用高度：-500m～18000m。
    （3）工作环境温度：-55℃～+70℃。
    （4）工作介质温度：正常360℃，最高450℃。
    （5）入口压力范围：0.45MPa～1.5MPa（绝对）。
    （6）流量：正常800±100kg/h，最大1300±100kg/h。
    （7）调压特性：当入口压力在0.45MPa～1.5MPa（绝对）、流量分别为800±100kg/h和1300±100kg/h时，产品出口压力应满足0.4±0.025MPa（绝对）。
    二、方案设计
    根据技术要求，产品原理方案必须保证以下条件：（1）在-500m～18000m高度范围内实现引气压力的精确调节。（2）在高压、大流量、长时间的工作条件下实现良好的工作稳定性。为此，拟定其原理方案如图1，原理方块图如图2。
    工作原理：
    产品为气动压力控制结构，分为气动控制气路、反馈气路和主气路三个气路。

    当进口压力通过气滤到达先导阀，先导阀将其减压为恒定控制压力通往两位开关。若控制气路电磁阀通电，控制压力经过超压控制阀到达控制腔，推动膜片组件与蝶阀联动，打开蝶阀，出口压力经节流后进入反馈腔，膜片组件在控制腔压力、反馈腔压力、弹簧力及蝶阀所受的气动力共同作用下，达到力平衡，使蝶阀达到需要的开启角，实现压力调节的功能。如果因某种原因，出口压力升高（或降低），反馈压力跟着升高（或降低），进而控制膜片组件上移（下移），使蝶阀开启角减小（或增大），实现出口压力趋于恒定。
    若电磁阀断电，控制气路被切断。控制压力不能到达控制腔，膜片组件和蝶阀将在弹簧力的作用下而关闭主气路。
    三、影响因素分析
    从蝶阀结构原理及所建立的数学模型中可以看出，膜片组件是整个产品的执行机构，因此，对影响产品工作稳定性和调节精度的因素分析，就是对膜片组件受力的影响分析，以下对膜片组件的干扰情况及相应解决措施进行分析。
    1.对控制腔压力的分析
    控制腔压力的方程为：

    
    由公式（1）可以看出，先导阀的输出压力范围的大小直接影响控制腔压力范围的大小；当因系统压力波动等原因产品出口压力产生一个ΔP的增量时，产品控制腔压力会在超压控制阀的作用下迅速降低，并通过膜片组件的作用使蝶阀开度减小，产品的调压特性在瞬间内收敛至正常状态。从而避免产品调压特性的波动，提高其稳定性。增加超压控制阀前后开关特性曲线对比如图3。

    2.对反馈腔压力的分析
    对绝对压力调节器来说，为了得到其调压特性不受大气环境压力的影响，反馈腔压力是将产品出口压力节流后得到的一个适当压力值，该压力的稳定性直接影响产品的调压特性。
    主通道与反馈腔之间的等效直径d由其石墨涨圈的密封性能决定，在蝶阀进行开关前后石墨涨圈密封性能的变化情况又无法准确测量，而且在现有技术条件下，近500℃的高温环境，无法保证完全密封。那么还有减少因主通道向反馈腔漏气对反馈腔压力影响的方法吗？
    关于节流系数的方程：

    
    式中，B为反馈气路节流系数。
    由公式（2）、（3）可以看出，等效直径d值可以看成是在某一范围内变化的一个量。当增大节流孔直径d1时，可以减小因等效直径d的变化对反馈气路节流系数变化量的影响，也就是说，在Pc不变的情况下，可以增加反馈腔压力Pck的精度和稳定性，从而提高整个蝶阀的调节精度和工作稳定性。

    从流量连续性方程也可以得出同样的结论，如图4所示，G1是我们预先设定的流量，G2是我们不希望有的干扰流量，G3是排气总流量，当增大预先设定的流量G1时，就会减小干扰流量G2对总排气流量G3的影响。
    3.对蝶阀气动力的分析
    蝶阀所受的气动力，是由于气体的流动而产生的，始终是使阀门关闭的力，由于其非线性的特点，只要蝶阀处于工作状态，它就会干扰蝶阀的调压。如何避开或者是减小气动力的影响呢？
    根据测得的蝶阀气动力系数和前面所建立的数学模型，利用计算机数字仿真技术，当Pr=0.4～1.5MPa，Pc=0.4±0.025MPa，B=0.54596，G4=1300kg/h，K=3N/mm，d1=0.3，d2=0.375，得出蝶阀气动力矩反作用在膜片组件上的分力与调压弹簧力的仿真结果如表1，绘制其变化曲线如图6所示。

    从表1和图5可以看出，当蝶阀开度越大时，蝶阀气动力矩反作用在膜片组件上气动力分量的线性越好；当蝶阀开度越小时，蝶阀气动力矩反作用在膜片组件上气动力分量的线性越差，在进行产品设计时，应尽可能使蝶阀工作在气动力分量的线性区，但由于飞机系统要求的减压比等因素的限定，往往不能使产品完全工作在线性区范围内，调压弹簧力就不能起到较好抵消作用在膜片组件上的气动力分量，蝶阀气动力就会对产品调节精度产生较大影响。
    在这种情况下，通过计算机仿真计算，找到以下两种可以减小气动力影响程度的措施：
    一是在先导阀输出压力允许、橡胶膜片能够承受且产品不需要在较低压力下进行开关特性的情况下，增大调压弹簧刚度，相应提高控制腔和反馈腔压力，从而减小因作用在膜片组件上的气动力分量的变化对膜片组件的影响程度。
    二是在产品空间允许的情况下，可以加大摇臂的长度，减小作用在膜片组件上的气动力分量，从而降低对膜片组件的影响程度。
    下面将调压弹簧刚度由1.5N/m提高到3N/m，将摇臂长度从15mm加长至20mm后，重新对产品的调压特性进行数字仿真如图6所示。
    由图6产品调压特性曲线对比看出，产品调节精度由±0.02MPa提高至±0.01MPa。

    四、试验验证
    上述措施落实到了高压引气控制阀×××产品上，经试验验证，其工作稳定性好，调节精度大幅提高，其实测调压特性如图7所示，经与仿真结果图6对比，达到了预期的目的。

    五、结语
    综合上述分析，得出以下结论：
    一是在控制气路上增加超压控制阀可以改善产品进行开关特性时的超调量。
    二是适当增加反馈气路节流孔直径，由φ0.3mm增加到φ0.8mm，可以明显改善产品的工作稳定性。
    三是在产品空间允许的情况下，可以加大摇臂的长度，可以减小作用在膜片组件上的气动力分量，从而降低对膜片组件的影响程度。
    四是在先导阀输出压力允许、橡胶膜片能够承受且产品不需要在较低压力下进行开关特性的情况下，增大调压弹簧刚度，相应提高控制腔和反馈腔压力，从而减小因作用在膜片组件上的气动力分量的变化对膜片组件的影响程度。
    上述结论均已在×××高压引控制阀上得到充分的试验验证，效果明显，具有很强的实用价值。
    参考文献：
    ［1］徐华航.实用气体力学［M］.北京：北京航空学院出版社，1987.
    ［2］寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.
    ［3］陈康宁.机械工程控制基础［M］.西安：西安交通大学出版社，2006.
    ［4］吴宗泽.机械设计师手册［M］.西安：机械工业出版社，2008.