汽车罐车紧急切断阀过流切断特性的研究

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作者简介
岳耀辉 男 主要从事过程装备领域研究。汽车罐车紧急切断阀过流切断特性的研究岳耀辉 朱海清江南大学机械工程学院 江苏无锡

摘要
   !#$%&'。关键词紧急切断阀流量切断数学模型阶跃信号动态仿真中图分类号
文献标识码

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##3)$3)!32$()$0(2*3!(3)概述紧急切断阀是液化气体汽车罐车、火车罐车、球罐和贮罐等运输机械贮存设备中紧急切断装置的安全附件 过流自动切断是紧急切断阀所必须具备的一项重要功能。液化气体充装过程中 如果发生管道破裂等重大泄漏事故导致流量突然增大时 紧急切断阀能够自动关闭 停止液化气体的流出 起到保护设备、操作人员和周围环境安全的作用 防止重大事故的发生-。因此 对紧急切断阀的过流切断特性进行深入的分析与研究 为紧急切断阀的设计、制造和使用提供理论依据 对罐车的安全具有重要的意义。-结构原理汽车罐车用紧急切断阀图的过流阀主阀打开之后 如果发生软管破裂或其他意外情况 使管道内介质的流量剧烈增加。当流量超过额定值时 由于流体对阀腔四壁和对主阀下表面的压力显著减小 而主阀上面的压力未变 使其合力方向朝下 主阀则被推动向下而关闭 防止介质大量外流 形成过流保护。阀体-大弹簧阀杆.阀盖7先导阀8主阀9阀瓣小弹簧凸轮:固定板液压装置-拉伸弹簧四角法兰螺栓图;.=-7型紧急切断阀-:
VALVE车、火车中紧急切断紧急切急切断阀所切断阀充装过程装过程DESIGN))

)))#、火车罐车火车罐断装断QQ%*#%%*###3)##3)GROUP:40444436!)* +,-.+,$$3$%$!$3$%#5!)#5!)
)##!%(*()$3!%(*())$)$动态仿真动态仿真的目的一是观察既定参数下紧急切断阀的动态特性 发现并分析存在的性能问题 从而调整阀内参数 达到实现优化设计的目的。其次是通过在各种参数条件下紧急切断阀动态性能的比较 定性分析出它们对阀性能的影响程度 总结出规律 为以后设计元件和系统提供参考。仿真系统紧急切断阀主要应用于汽车罐车装卸系统中 因此要考虑该阀在汽车罐车装卸系统中的动态特性。模型建立过程中忽略一些对紧急切断阀动态性能影响小的因素 如流量突然增大对整个系统造成的振动影响 阀瓣运动时的摩擦力 阀的泄漏 球阀的动态特性及管道效应等。紧急切断阀的动态仿真模型图-反映了其在汽车罐车装卸系统中的工作情况。球阀-阀出口汽车罐车储罐.阀进口7主阀8阀盖9小弹簧图-紧急切断阀仿真原理-数学模型将紧急切断阀阀瓣上腔作为一个封闭容腔 其流量连续性方程为
2222式中
阀瓣上腔体积 33液体体积模量 33阀瓣面积 33-22阀瓣移动速度 33?(阀瓣上腔压力 @通过紧急切断阀的压差损失 包括流道处压力损失和阀口处压力损失 其流量压差
为
-2'-A-'----式中-阀瓣下腔压力 @2流道处流量系数'通过阀口的总流量 33?('2--
阀局部阻力系数液体的密度 4?33-阀口处面积 33-流量系数的大小实际上反映了孔口出流时阻力的损失及过流断面的减少对出流流量的综合影响。阀门的流量系数与阀口的开度呈非线性关系 阀门关闭过程是流量系数连续变化的过程。流量系数与雷诺数也存在复杂的关系 由紧急切断阀的额定流量算出其雷诺数。液化石油气的流动状态为紊流 因此流量系数以液体在紊流状态下进行计算。阀口处面积-随着阀瓣的位移变化而变化 把其简化为一个梯形 则--- A-.式中阀瓣位移 33 阀瓣半径 33阀口半径 33阀瓣下腔的流量'连续方程为''A
-2-2A227式中'通过阀出口的流量 33?(
-阀瓣下腔容积 33由于流量突然增加 流体的动量发生改变 阀瓣受到液动力使得阀瓣趋于关闭。因此阀瓣上的受力平衡方程为(2-2-0AA-A(A-AB!(A2'2:A((228式中阀瓣质量 40阀瓣两端产生的压差力 稳态液动力 -瞬态液动力 (弹簧力 阀瓣上的粘性阻力 流经阀口处的速度流速方向与阀轴线夹角液流在阀腔中实际流程长度--:
VALVE簧簧真原理真原理腔作为一作为一DESIGN.阀进口阀进口QQGROUP:40444436液体在体-随着阀瓣随着阀梯形形 则则--4-- A-阀瓣阀 :弹簧预紧力 (弹簧刚度系数(粘性阻尼系数式C式8为紧急切断阀在汽车罐车紧急切断系统中的数学模型。.仿真分析根据建立的数学模型 利用中的
工具箱 建立了以紧急切断阀为主体的汽车罐车紧急切断系统时域仿真框图图 用此仿真框图来观察阀瓣位移变化规律。仿真中整个紧急切断系统分为阀瓣上腔流量环节、阀口压差环节、阀瓣运动环节个部分 各个环节与所建立的数学模型相对应 仿真中所用数据通过查有关手册或推导而得。仿真系统输入部分是通过阀口的流量值 此流量值根据需要可以是一个从稳态值到零的阶跃信号 也可以是一个斜率很大的斜坡信号。对阶跃信号分别设定其初始值为紧急切断阀的额定流量 其终值设定为额定流量的:D 此值为紧急切断阀过流切断的最小值。以下仿真中阀口的开度均为733 而且给定系统一个阶跃信号 相当于紧急切断阀在管道破裂或者意外情况下流量突然增大的状态。图紧急切断阀时域仿真框图.阻尼系数的影响液化石油气是一种粘性液体 其在流动时会产生粘性摩擦阻力 而粘性系数是影响阻力的重要参数 也影响着阀的关断速度。图.从时域研究了阻阻尼系数.::(?3-阻尼系数8::(?3阻尼系数::(?3图.不同粘性阻尼仿真比较尼系数对紧急切断阀过流动态响应特性的影响。可以看出 随着粘性阻尼系数的增大 响应速度都略有滞后 降低了其动态性能。从阀瓣力平衡方程可知 粘性阻力的方向与阀瓣运动方向相反 因此它是阻碍阀瓣关闭的力。在相同的工况下 粘性系数增大 粘性阻力就增大 阀瓣关闭就慢。.-弹簧刚度的影响弹簧刚度的数值大小对紧急切断阀的动态特性有重要影响 在设计时应慎重选取。图7研究了弹簧刚度对紧急切断阀动态响应的影响。弹簧刚度越小 紧急切断阀在正常流量时阀口的开度越小 在过流流量时阀瓣越容易关闭。弹簧刚度越大 紧急切断阀在正常流量时阀口的开度越大 在过流流量时阀瓣不易关闭 且阀关闭之后 阀瓣与阀座有间隙。-:
VALVE弹簧刚度越大 产生的间隙越大。但是 弹簧刚度对响应速度影响较小。弹簧刚度::?3-弹簧刚度7:?3弹簧刚度::?3图7不同弹簧刚度仿真比较.弹簧预紧力的影响在紧急切断阀中 小弹簧必须有一定的预紧力 这样才能保证阀瓣正常打开 预紧力的大小也影响阀瓣的关闭图8。弹簧预紧力越大 在正常流量时 阀的开口越大 但在过流流量时 阀的开口较小 关闭较困难。反之 弹簧预紧力越小 在正常流量时 阀的开口越小 但在过流流量时 阀的开口较大 关闭较容易。但是 弹簧预紧力越小 响应速度越快。弹簧预紧力:-弹簧预紧力87弹簧预紧力.7图8不同弹簧预紧力仿真比较弹簧预紧力在阀瓣打开时与阀瓣的运动方向相同 在阀瓣关闭时与阀瓣的运动方向相反。弹簧预紧力的大小对阀瓣的运动也起着主导作用 尤其在阀瓣打开时。因此 弹簧预紧力的大小对阀口的开度有着重要的影响。..流量的影响紧急切断阀流量的大小对阀瓣过流关闭也有着重要的影响。紧急切断阀的额定流量为::73?(图9 流量越小 其阀瓣位移越小 即阀不能正常关闭 阀瓣与阀座之间存在间隙。流量越小 间隙越大。流量::--73?(-流量::-:3?(流量::873?(图9不同流量仿真比较7结语通过建立紧急切断阀在汽车罐车紧急切断系统中的数学模型及仿真对比分析证明 适当降低小弹簧的刚度、减小弹簧预紧力和增大流量可提高阀瓣的关闭速度。而增大粘性阻尼系数 会降低其动态性能。参考文献中华人民共和国劳动部6液化气体汽车罐车安全监察规程及讲析6中国锅炉压力容器安全杂志社 -:::6-丁伯民 蔡仁良6压力容器设计6北京
中国石化出版社 -6万五一 练继建6阀门系统的过流特性及其对瞬变过程的影响&6清华大学学报
自然科学版 -::7 7
-:6.&?:. 液化石油气设备紧急切断阀技术条件6()*+
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