潘子晗， 謝玉東， 韓家楨， 王 勇

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濟(jì)南 250061)

引言

艦船調(diào)節(jié)閥是指在艦船的核動(dòng)力裝置的核島、常規(guī)動(dòng)力裝置及其輔助控制系統(tǒng)的蒸汽等流體輸送中起調(diào)節(jié)作用的閥門。艦船調(diào)節(jié)閥控制著動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和功率輸出，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器的信號(hào)，通過閥桿帶動(dòng)閥芯，改變閥芯和閥座間的通流面積，從而控制調(diào)節(jié)閥的流量或壓力。調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性高度非線性，在一定條件下，閥內(nèi)流體的動(dòng)能和壓力能發(fā)生轉(zhuǎn)換，造成流量和壓力波動(dòng)。在艦船實(shí)施復(fù)雜的動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于啟動(dòng)、關(guān)閉、調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程中，流體的振蕩與閥內(nèi)構(gòu)件形成非定常的流固耦合效應(yīng)，振蕩的流體載荷給執(zhí)行機(jī)構(gòu)造成附加耦合負(fù)載。附加耦合負(fù)載與調(diào)節(jié)閥原有的負(fù)載疊加后，有可能使閥門所需的驅(qū)動(dòng)力矩大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的最大力矩，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能動(dòng)作或動(dòng)作異常，使調(diào)節(jié)閥失去調(diào)節(jié)能力。如果載荷繼續(xù)增大，則有可能造成閥門部件受損，進(jìn)而影響艦船的航行。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram of control valve

近年來，一些研究者對(duì)有關(guān)調(diào)節(jié)閥流體負(fù)載開展了研究。廖瑤瑤等[1-3]采用CFD仿真模擬的方法，研究了不同閥口形態(tài)下閥芯所受液動(dòng)力及動(dòng)態(tài)特性。彭健等[4-7]建立了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算模型，用流固耦合仿真分析和探討不同條件下各級(jí)壓降特性以及空化對(duì)閥門的影響。陳雨洋等[8]建立了水擊卸壓閥運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)模型，在AMESim軟件中模擬實(shí)際水擊現(xiàn)象，分析動(dòng)態(tài)特性。AHUJA V等[9-10]對(duì)閥門進(jìn)行了非定常流動(dòng)仿真并計(jì)算動(dòng)態(tài)負(fù)載。HAN等[11]用AMESim-Fluent聯(lián)合仿真模擬調(diào)節(jié)閥運(yùn)動(dòng)，對(duì)其流體振蕩進(jìn)行數(shù)值分析。湯志勇等[12-13]推導(dǎo)得出了錐閥動(dòng)態(tài)液動(dòng)力的計(jì)算公式，研究了液動(dòng)力在低頻和高頻下的頻率響應(yīng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。SORENSEN等[14]對(duì)不同閥座液壓閥的液動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值分析。鄭淑娟等[15]對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的液壓錐閥流場(chǎng)作了仿真分析。

目前，對(duì)于艦船用調(diào)節(jié)閥等非液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥以及其附加耦合負(fù)載的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。為了使艦船在執(zhí)行任務(wù)時(shí)其動(dòng)力系統(tǒng)不會(huì)因調(diào)節(jié)閥而發(fā)生故障，本研究通過對(duì)調(diào)節(jié)閥的有限元建模，設(shè)置調(diào)節(jié)閥閥芯移動(dòng)方向、不同的突變壓力值及閥芯運(yùn)動(dòng)速度，分析每組仿真的閥芯軸向受力及壓力情況，討論調(diào)節(jié)閥在不同外界突變壓力、不同閥芯調(diào)節(jié)速度下的附加耦合負(fù)載狀況；以探究調(diào)節(jié)閥在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)中附加耦合負(fù)載規(guī)律，為動(dòng)態(tài)負(fù)載的補(bǔ)償提供基礎(chǔ)規(guī)律，并為艦船調(diào)節(jié)閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 仿真方法

1.1 仿真模型的建立及網(wǎng)格劃分

本研究選用一種線性流量特性的調(diào)節(jié)閥建立仿真流道模型，其閥腔及周圍縱剖示意如圖2所示，其具體參數(shù)見表1。本研究建立了2個(gè)調(diào)節(jié)閥流道模型進(jìn)行流體仿真，閥芯分別處于起始開度40%與起始開度100%的2個(gè)位置，模擬艦船調(diào)節(jié)閥在不同行程下控制流體的過程。起始開度40%，閥芯從下向上移動(dòng)，開度增大，以研究在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至50%左右調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的負(fù)載變化；閥芯的起始開度100%，閥芯從上向下移動(dòng)，開度減小，以研究閥門在大開度向下調(diào)節(jié)時(shí)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的負(fù)載變化，網(wǎng)格模型如圖3～圖4所示。

圖2 調(diào)節(jié)閥流道模型部分縱剖示意

圖3 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of flow passage in control valve

圖4 調(diào)節(jié)閥閥芯周圍縱剖網(wǎng)格模型Fig.4 Longitudinal grid model around control valve spool

表1 調(diào)節(jié)閥模型參數(shù)Tab.1 Parameters of control valve model mm

1.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

為了分析流體和閥芯運(yùn)動(dòng)等不同條件的變化對(duì)閥門所受負(fù)載的影響，仿真設(shè)定閥芯運(yùn)動(dòng)速度變化和突變壓力變化兩類工況，分別進(jìn)行具體的自定義函數(shù)設(shè)置。

仿真通過使管路內(nèi)的壓力突變來模擬艦船在運(yùn)行時(shí)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的突然轉(zhuǎn)換，主要設(shè)置網(wǎng)格模型中入口壓力這一邊界條件的變化規(guī)律。本研究設(shè)置的壓力變化規(guī)律如圖5所示，壓力最大值pmax取5，13，17，21 MPa 4種情況，在仿真開始0.06 s后施加突變壓力并瞬間達(dá)到最大值pmax，持續(xù)0.04 s后瞬間恢復(fù)至原來的壓力。

圖5 調(diào)節(jié)閥仿真壓力變化規(guī)律Fig.5 Pressure change in control valve

閥芯運(yùn)動(dòng)速度變化工況通過控制網(wǎng)格模型中的閥芯部分沿軸線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，以模擬閥門在不同的指令速度要求下的調(diào)節(jié)過程。起始開度40%的網(wǎng)格模型，設(shè)置閥芯分別以40， 60， 80， 100 mm/s的速度向上移動(dòng)；起始開度100%的模型，設(shè)置閥芯以同樣大小的4組速度向下移動(dòng)；相對(duì)位移8 mm，在相對(duì)位移xr=3 mm處施加艦船管路突變壓力，xr=4.8 mm處撤去壓力。

仿真需分析閥門的附加耦合負(fù)載，包括閥芯的軸向受力、閥芯穩(wěn)態(tài)壓力和閥芯動(dòng)態(tài)壓力。其中閥芯軸向受力直觀地體現(xiàn)閥芯的軸向負(fù)載變化情況，而穩(wěn)態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力則參與計(jì)算閥芯的液動(dòng)力，其計(jì)算公式如式(1)所示：

Ff=Fs-Fd

(1)

式中，F(xiàn)f—— 液動(dòng)力

Fs—— 穩(wěn)態(tài)壓力引起的負(fù)載

Fd—— 動(dòng)態(tài)壓力引起的負(fù)載

其中,Fs和Fd的計(jì)算方法如式(2)、式(3)[16]所示：

(2)

(3)

式中，ps—— 穩(wěn)態(tài)壓力

pd—— 動(dòng)態(tài)壓力

Sc—— 閥芯在軸向的投影面積

在Fluent中，閥芯的穩(wěn)態(tài)壓力表示閥芯表面的流體靜壓，反映流體的壓力能對(duì)閥芯的影響；而動(dòng)態(tài)壓力表示閥芯表面流體的動(dòng)壓，反映流體的動(dòng)能對(duì)閥芯的影響，在仿真中，二者的大小均隨著模擬艦船工況的改變而不斷變化。由于選用調(diào)節(jié)閥的閥芯表面不是錐面，較難直接計(jì)算整個(gè)閥芯受的液動(dòng)力。因此，選擇直接對(duì)比分析其穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)壓力，間接分析閥芯受到的液動(dòng)力的變化，從而推斷附加耦合負(fù)載。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 艦船壓力突變工況

固定閥芯的移動(dòng)速度，改變最大突變壓力，模擬不同劇烈程度下的艦船管路壓力突變，分別得到起始開度40%與100%的仿真結(jié)果。

1) 起始開度40%

閥芯從起始位置以40 mm/s的速度向上運(yùn)動(dòng)，在第0.06秒時(shí)施加突變壓力，第0.1秒時(shí)撤去壓力，分別導(dǎo)出仿真的軸向力Fa、穩(wěn)態(tài)壓力ps和動(dòng)態(tài)壓力pd，如圖6～圖8所示。

圖6 不同突變壓力下閥芯軸向力變化(起始開度40%)Fig.6 Axial force change of spool with different mutation pressures (initial opening 40%)

圖7 不同突變壓力下閥芯穩(wěn)態(tài)壓力變化(起始開度40%)Fig.7 Static pressure change of spool with different mutation pressures (initial opening 40%)

圖8 不同突變壓力下閥芯動(dòng)態(tài)壓力變化(起始開度40%)Fig.8 Dynamic pressure change of spool with different mutation pressures (initial opening 40%)

由圖6可知，pmax為5 MPa時(shí)的曲線沒有明顯的尖峰和波動(dòng)，其他3種情況下的曲線作放大處理可以看出，突變壓力施加后，調(diào)節(jié)閥的閥芯受力在0.005 s內(nèi)迅速上升并出現(xiàn)峰值，最大受力接近22 kN，上升時(shí)間隨pmax的增大而減??；在突變壓力即將撤去前， 閥芯受力上升約0.2 kN。由圖7得，在突變壓力施加時(shí)，穩(wěn)態(tài)壓力最大值約為pmax的60%，經(jīng)過最大值后，pmax越大，穩(wěn)態(tài)壓力下降斜率越大；突變壓力撤去時(shí)，出現(xiàn)了負(fù)壓， 在0.02 s內(nèi)恢復(fù)到正常壓力值。 圖8可知， 閥芯所受的動(dòng)態(tài)壓力最大值出現(xiàn)在突變壓力即將撤去前，仿真過程的最大動(dòng)態(tài)壓力接近7.5 MPa。結(jié)合圖7與圖8分析，突變壓力施加的時(shí)間段之外，閥芯的穩(wěn)態(tài)壓力大于0.5 MPa，而動(dòng)態(tài)壓力小于0.5 MPa，說明在這段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力對(duì)閥芯附加耦合負(fù)載的影響較大；pmax為5 MPa時(shí)，穩(wěn)、動(dòng)態(tài)壓力差約為0.1 MPa，pmax為21 MPa時(shí)，穩(wěn)、動(dòng)態(tài)壓力差約為-0.7 MPa，說明隨著閥門內(nèi)部突變壓力的升高，動(dòng)態(tài)壓力對(duì)閥芯負(fù)載的影響逐漸起到主導(dǎo)作用。

閥芯周圍的流場(chǎng)壓力及速度云圖，如圖9、圖10所示。由圖9a可得，在突變壓力(pmax=13 MPa)施加時(shí)，閥芯下部壓力接近13 MPa，閥芯上部壓力約為2 MPa，且在閥芯的上部邊緣處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。由圖10a得，pmax為21 MPa時(shí)閥芯周圍負(fù)壓區(qū)的面積擴(kuò)大。對(duì)比圖9b和圖10b，pmax為13 MPa的突變壓力施加時(shí)，最大流速達(dá)到140 m/s，pmax為21 MPa時(shí)，最大流速達(dá)到170 m/s；當(dāng)突變壓力撤去后，二者閥芯周圍最大速度為約58 m/s；閥芯左側(cè)存在有2個(gè)旋渦，閥芯左下方有1個(gè)較小的旋渦，緊貼在側(cè)壁上，在突變壓力撤去時(shí)，pmax為13 MPa時(shí)閥芯右上方有旋渦出現(xiàn)，而pmax為21 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)位置無旋渦生成。

圖9 閥芯周圍流場(chǎng)情況(pmax=13 MPa，起始開度100%)Fig.9 Flow field around spool (pmax =13 MPa, initial opening 40%)

圖10 閥芯周圍流場(chǎng)情況(pmax=21 MPa，起始開度100%)Fig.10 Flow field around spool (pmax =21 MPa， initial opening 40%)

2) 起始開度100%

起始開度100%時(shí)調(diào)節(jié)閥模型的軸向力與壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖11～圖13所示。

由圖11得，當(dāng)突變壓力為21 MPa時(shí)軸向力最大，為11 kN。在壓力突變段內(nèi)，4條曲線的壓力增加率均高于其他時(shí)間段。圖11b局部放大圖得，在壓力突變時(shí)，當(dāng)pmax分別為13，17， 21 MPa時(shí)的3條曲線在經(jīng)過0.003 s后達(dá)到一個(gè)峰值，隨后呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。如圖12所示，閥芯所受穩(wěn)態(tài)壓力在入口壓力發(fā)生突變時(shí)出現(xiàn)明顯的尖峰， 后迅速下降，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的壓力，每條曲線的穩(wěn)定壓力值接近pmax的30%，而峰值大小約為pmax的60%。當(dāng)入口壓力突然減小到正常壓力值時(shí)，閥芯出現(xiàn)了負(fù)壓。圖13顯示閥芯所受動(dòng)態(tài)壓力最大值出現(xiàn)在pmax為21 MPa條件下，約為8.8 MPa。峰值之后穩(wěn)定在最大突變壓力的40%左右。結(jié)合圖12與圖13，在突變壓力施加時(shí)，穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)壓力差隨pmax的增加而增大，pmax為21 MPa時(shí)，達(dá)到-2.5 MPa左右。

圖12 不同突變壓力下閥芯穩(wěn)態(tài)壓力變化(起始開度100%)Fig.12 Static pressure change of spool with different mutation pressures (initial opening 100%)

圖13 不同突變壓力下閥芯動(dòng)態(tài)壓力變化(起始開度100%)Fig.13 Dynamic pressure change of spool with different mutation pressures (initial opening 100%)

起始開度100%，pmax分別為13，21 MPa時(shí)閥芯周圍流速及流線圖，如圖14、圖15所示。pmax為13 MPa時(shí)，最大流速達(dá)到140 m/s；pmax為21 MPa的突變壓力施加時(shí)，最大流速達(dá)到178 m/s。從流線觀察，pmax為13 MPa時(shí)，突變壓力施加后瞬間，其在閥芯右上方出現(xiàn)了1個(gè)較小的旋渦；pmax為21 MPa時(shí)，在此位置沒有明顯的旋渦生成。而在突變壓力撤去時(shí)，兩圖的閥芯右上方的出現(xiàn)旋渦，當(dāng)流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定后，此旋渦移動(dòng)至閥腔邊緣，閥芯右下方流道內(nèi)部的旋渦也隨之出現(xiàn)。

圖14 閥芯周圍流速及流線圖(pmax=13 MPa，起始開度100%)Fig.14 Velocity and streamline around spool (pmax=13 MPa, initial opening 100%)

圖15 閥芯周圍流速及流線圖(pmax=21 MPa，起始開度100%)Fig.15 Velocity and streamline around spool (pmax=21 MPa, initial opening 100%)

2.2 閥芯速度變化工況

固定艦船的管路突變壓力，改變艦船調(diào)節(jié)閥閥芯移動(dòng)速度，分別得到起始開度40%與100%的仿真結(jié)果。

1) 起始開度40%

閥芯從起始位置分別以40，60，80，100 mm/s的速度向上運(yùn)動(dòng)，在相對(duì)位移xr為3 mm處施加艦船管路13 MPa突變壓力，xr為4.8 mm處撤去壓力，得到閥芯軸向受力、穩(wěn)態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力，如圖16～圖18所示。

由圖16a可得，閥芯所受軸向力在突變壓力施加的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)下降；最大軸向力約12.18 kN，此時(shí)閥芯速度40 mm/s，軸向力的峰值隨閥芯速度的增加而減小，各移動(dòng)速度下的閥芯受力均呈現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)。其中閥芯速度60 mm/s時(shí)受力在峰值之后是最小的。如圖16b所示， 峰值時(shí)間最短為閥芯速度100 mm/s時(shí)，約為0.0047 s。閥芯移動(dòng)速度增加，其軸向力波動(dòng)的頻率逐漸增加。

圖16 不同閥芯速度下閥芯軸向力變化曲線(起始開度40%)Fig.16 Axial force change of spool with different speeds (initial opening 40%)

由圖17得，經(jīng)過峰值后，閥芯的穩(wěn)態(tài)壓力沿斜率較小的直線下降，4條曲線在此段幾乎重合。圖18可知，閥芯所受的動(dòng)態(tài)壓力在突變壓力施加時(shí)迅速上升并出現(xiàn)波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在閥芯速度為40 mm/s時(shí)，約為4.8 MPa。結(jié)合圖17與圖18，在突變壓力施加時(shí)，靜、動(dòng)態(tài)壓力差達(dá)到-0.6 MPa。圖16～圖18說明，隨著突變壓力施加，閥芯受到的附加耦合負(fù)載隨著閥芯的移動(dòng)而不斷波動(dòng)，閥芯的運(yùn)動(dòng)速度越大，附加耦合負(fù)載的波動(dòng)頻率越大，閥芯受力就越不穩(wěn)定。

圖17 不同閥芯速度下閥芯穩(wěn)態(tài)壓力變化(起始開度40%)Fig.17 Static pressure change of spool with different speeds (initial opening 40%)

圖18 不同閥芯速度下閥芯動(dòng)態(tài)壓力變化(起始開度40%)Fig.18 Dynamic pressure change of spool with different speeds (initial opening 40%)

2) 起始開度100%

閥芯從起始位置分別以v為40，60，80，100 mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)。

從圖19a可得，閥芯所受軸向力在突變壓力施加的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)上升；突變壓力施加時(shí)，調(diào)節(jié)閥的閥芯受力出現(xiàn)峰值，約5480 N，此時(shí)閥芯速度100 mm/s；仿真過程的最大值出現(xiàn)在速度60 mm/s突變壓力即將撤去時(shí)，為6900 N。閥芯受力的峰值時(shí)間如圖19b所示，每條曲線的峰值時(shí)間均接近0.005 s。

圖19 不同閥芯速度下閥芯軸向力變化(起始開度100%) Fig.19 Axial force change of spool with different speeds (initial opening 100%)

由圖20得，在突變壓力施加時(shí)，閥芯所受穩(wěn)態(tài)壓力出現(xiàn)明顯的尖峰，約為pmax的60%。經(jīng)過峰值后，穩(wěn)態(tài)壓力穩(wěn)定在3.8 MPa左右。突變壓力撤去時(shí)出現(xiàn)了負(fù)壓，約為-3.4 MPa。由圖21可知，閥芯所受的動(dòng)態(tài)壓力最大值出現(xiàn)在閥芯速度80 mm/s時(shí)，約為5.3 MPa。結(jié)合圖20與圖21，突變壓力施加時(shí)，靜、動(dòng)態(tài)壓力差達(dá)到-1.6 MPa左右，說明閥芯運(yùn)動(dòng)速度的大小對(duì)壓力差的影響很小。

圖20 不同閥芯速度下閥芯穩(wěn)態(tài)壓力變化(起始開度100%)Fig.20 Static pressure change of spool with different speeds (initial opening 100%)

圖21 不同閥芯速度下閥芯動(dòng)態(tài)壓力變化(起始開度100%)Fig.21 Dynamic pressure change of spool with different speeds (initial opening 100%)

3 結(jié)論

(1) 艦船管路內(nèi)的壓力和調(diào)節(jié)閥閥芯的移動(dòng)速度產(chǎn)生較大改變時(shí)， 調(diào)節(jié)閥受到的附加耦合負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。閥芯從下向上移動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，其附加耦合負(fù)載逐漸減??；閥芯從上向下移動(dòng)，附加耦合負(fù)載逐漸增大。流體輸入調(diào)節(jié)閥的壓力變化對(duì)附加耦合負(fù)載的影響較大，而閥芯本身在調(diào)節(jié)過程中，因?yàn)殚y芯的移動(dòng)而受到的附加耦合負(fù)載變化較??；

(2) 隨著艦船管路壓力的增大，閥芯受到動(dòng)態(tài)壓力逐漸超過穩(wěn)態(tài)壓力，附加耦合負(fù)載隨著動(dòng)態(tài)壓力而不斷波動(dòng)。同時(shí)閥芯的運(yùn)動(dòng)速度越大，軸向受力波動(dòng)頻率越大。閥芯仿真過程中，閥芯受到的最大軸向受力已經(jīng)超過20 kN，受到的最大穩(wěn)態(tài)壓力接近13 MPa，若此受力超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸出力，調(diào)節(jié)閥將失去調(diào)節(jié)能力，影響艦船航行安全；

(3) 附加耦合負(fù)載會(huì)使閥門內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，閥腔內(nèi)部的流體在閥芯周圍出現(xiàn)空化現(xiàn)象，隨著附加耦合負(fù)載的增大，負(fù)壓區(qū)增大。不僅會(huì)影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，而且會(huì)造成閥芯損傷，縮短調(diào)節(jié)閥相關(guān)零部件的使用壽命。在這種情況下，以上結(jié)果可對(duì)艦船調(diào)節(jié)閥的控制及設(shè)計(jì)進(jìn)行參考，下一步可對(duì)附加耦合負(fù)載的補(bǔ)償方法進(jìn)行探討。