文章编号：１００５０３２９（９＿０１】）０５
００５４
０４
汽车罐车紧急切断阀过流切断特性研究
岳耀辉。，费宏伟２．朱海清。
江南大学，江苏无锅２１４１２２，２江苏省上锚ｌＨ特种蹬备安全监督检验研究院江苏无锚２１４１７
摘要：紧急切断蹰是汽车罐车ｔ的熏要的安辛设施，本文建ｔ丁紧急叫断阀在汽＾：罐车紧急切断系统中的数学模
型．利用ＭＡＴＬＡＢ中的ＳＩＭＵＨＮＫｌ肄时紧急切斯阀的过流切断特性艟在汽自－罐乍系统中的阶跃特性进行ｒ忻真分析；关键诵：紧急切断阔：流量切断．数学模型．所跃信号；动态仿真中团分类号：ＴＫ０３７
文截标识码：Ｂ
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１００５—０３２９２０１１０５１２
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ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
紧急切断阗是液化气体汽车罐车、火车罐车、球罐、贮罐等运输机械虻存ｉ殳备中紧急切断装置的安全附什．过流自动切断足紧急切断阀所必须具备的一项重要功能——液化气捧充装过程中．如果发生管道破裂等重大泄褥事敞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、操作人员和周国环境安全的作用，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辣人的分析与研究．为紧急切断嗣的设计、制造和使用提供理论依据，对罐车的安全具有重要的意义二
１紧急切断阀的结构殛切断原理
本文以汽车罐车用紧急切断阔ＱＧＹ４３Ｆ一２为分析研究对象其结构如罔１所示。
５
囤１
紧急切断闯粘掏示意
过流闻（主阀）打开之后，如粜发生软管破裂或其它意外情况，使管道内舟质的流量剐烈增加，超过额定值时．由于流体对阉肺州壁和对丰阀下
万方数据
２０１１年第３９卷第５期流体机械
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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，即过流保护。２紧急切断阀动态仿真分析
动态仿真的目的主要有两个，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。
２．１仿真系统的确定
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不大的因素，如流量突然增大对整个系统造成的振动影响，阀芯运动时的摩擦力，阀的泄露，球阀的动态特性及管道效应等，确定紧急切断阀的动态仿真原理如图２所示，该仿真模型真实的反映了紧急切断阀在汽车罐车装卸系统中的工作情况。
球阀
图２紧急切断阀仿真原理示意
２．２数学模型的建立
将紧急切断阀阀芯上腔作为一个封闭容腔，
其流量连续性方程为：
将＝Ａ。警
层出
１山
（１）、叫
式中Ｋ——阀芯上腔体积
Ｐ，——阀芯上腔压力
卜液体体积模量
Ａ。——阀芯面积
警—一阀芯移动速度
通过紧急切断阀的压差损失包括流道处压力
万方数据
损失和阀口处压力损失，其流量压差方程为：
ｐｌ—ｐ２＝Ｃｄｇ：＋ｇ－—：１厂．ｐ９２。去（２）
‘
＾２
式中Ｐ：——阀芯下腔压力
Ｑ——流道处流量系数
ｑ，——通过阀ＶＩ的总流量
广液体的密度
卜阀局部阻力系数Ａ：——阀口处面积
通过主阀口的流量方程为：
吼＝ＣｄＡ：（譬）拢
（３）
Ｐ
其中４ｐ＝ｐ１一Ｐ２
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Ｈ］。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，因此这里的流量系数以液体在紊流状态下进行计算。；
阀口处面积随着阀芯的位移变化而变化，把
其简化为一个梯形来计算：
Ａ２＝÷（２积＋２０ｒｒ）ｘ
１
（４）
式中菇——阀芯位移
Ｒ——阀芯半径
阀芯下腔的流量连续方程为：
一阀口半径
＋可百＋Ａｌ面＋Ａｌ警
（５）【，，
式中ｇ。。——通过阀出１３的流量
屹——阀芯下腔容积
由于流量突然增加，流体的动量发生改变，阀芯受到液动力使得阀芯趋于关闭。因此阀芯上的受力平衡方程为：
ｄ２茹ｍｓ‘。ｄ。。。。。ｔ。—２—
＝Ｆｐ－４－Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆｓ＋ＦＢ
＝（ｐｌ＿ｐ２）Ａ。＋ｏｆｑ艘。ｓ口＋以（警）
一（Ｆｏ＋概）一曰。面ｄｚ
（６）
式中ｍ。——阀芯质量
Ｆ。——阀芯两端产生的压差力
ＦＬＵＩＤＭＡＣＨＩＮＥＲＹ
Ｖ０１．３９，Ｎｏ．５，２０１１
Ｆ。——稳态液动力Ｆ：——瞬态液动力Ｅ——弹簧力
凡——阀芯上的粘性阻力
ｐ流经阀口处的速度卜流速方向与阀轴线夹角
￡ｒ一液流在阀腔中实际流程长度
民——弹簧预紧力凰——弹簧刚度系数既——粘性阻尼系数
综合以上推导的６个方程，即为紧急切断阀在汽车罐车紧急切断系统中的数学模型。３动态仿真分析
根据上面建立的数学模型，利用ＭＡＴＬＡＢ中的ＳＩＭＵＬＩＮＫ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，如图３所示，用此仿真框图来观察阀芯位移变化规律。仿真中整个紧急切断系统分为阀芯上腔流量环节、阀口压差环节、阀芯运动环节三个部分，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１１０％，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１５ｍｍ，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。
Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ
瞬态液动力系数
图３紧急切断阀时域仿真框图
万方数据
３．１
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４从时域研究了阻尼系数对紧急切断阀过流动态响应特性的・影响。图中示出了阻尼系数分别取值为４００Ｎ・ｓ／ｍ、６００Ｎ・ｓ／ｍ、８００Ｎ・ｓ／ｍ时，阀芯位移的阶跃响应曲线。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。‘
时间（ｓ）
图４不同粘性阻尼仿真比较＋
‘从阀芯力平衡方程可知，粘性阻力的方向与阀芯运动方向相反，因此它是阻碍阀芯关闭的力，在相同的工况下，粘性系数增大，粘性阻力就增大，阀芯关闭就慢。３．２弹簧刚度的影响
弹簧刚度也是紧急切断阀的重要参数，其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５研究了弹簧刚度对紧急切断阀动态响应的影响。
Ｏ．
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彗ｏ．
枸
霆
０．
时间（８）
图５不同弹簧刚度仿真比较
图中分别示出了弹簧刚度分别取值为
１３００Ｎ／ｍ、１５８０Ｎ／ｍ、１８００
Ｎ／ｍ时，紧急切断阀阀
芯位移阶跃响应曲线，曲线表明：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
２０１１年第３９卷第５期流体机械
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流流量时阀芯越容易关闭；弹簧刚度越大ｊ紧急切断阀在正常流量时阀口的开度越大，在过流流量时阀芯不易关闭，且阀关闭之后，阀芯与阀座有间隙，弹簧刚度越大，产生的间隙越大。从响应速度来看，弹簧刚度影响较小。
３．３弹簧预紧力的影响
线，从曲线可以看出，流量越小，其阀芯位移越小，即阀不能正常关闭，阀芯与阀座之间存在间隙，流量越小，间隙越大。
，‘、
在紧急切断阀中，小弹簧必须有一定的预紧力，这样才能保证阀芯正常打开，预紧力的大小也影响阀芯的关闭。图６示出了小弹簧预紧力分别为３０Ｎ、３６．５Ｎ、４５Ｎ时，阀芯位移的阶跃响应曲线。从曲线来看，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，即关闭较困难，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，即关闭较容易。从响应速度来看，弹簧预紧力越小，响应速度越快。
ｇ
一
漤趟伯霹
时间（ｓ）
图７不同流量仿真比较
４结语
建立了紧急切断阀在汽车罐车紧急切断系统中的数学模型，通过仿真对比分析认为适当降低
，．、
ｇ
小弹簧的弹簧刚度、减小弹簧预紧力、增大流量可提高阀芯的关闭速度，而增大粘性阻尼系数，却会降低其动态性能。
参考文献
Ｏ
５
１０
一
桧逸均蜃
时间（ｓ）
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条件［Ｓ］．［２］
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过程的影响［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），
２００５，３５（１１）：１１９８．１２０１．
图６不同弹簧预紧力仿真比较
根据阀芯的力平衡方程，可以较好的解释上述现象。弹簧预紧力在阀芯打开时与阀芯的运动方向相同，在阀芯关闭时与阀芯的运动方向相反，从其值的大小来看，对阀芯的运动也起着主导的作用，尤其在阀芯打开时。因此，弹簧预紧力的大小对阀口的开度有着重要的影响。
３．４流量的影响
紧急切断阀流量的大小对阀芯过流关闭也有着重要的影响，紧急切断阀的额定流量为０．０１５Ｉｌｌ３／ｓ，图７示出了给出流量分别为０．０２２５
０．０２０Ｉｎ３／ｓ、０．０１６５
ｍ３／ｓ、
作者简介：岳耀辉（１９８３一），男，硕士，主要从事过程装备与制造技术的研究，通信地址：２１４１２２江苏无锡市滨湖区蠡湖大道１８００号江南大学机械工程学院。
ｍ３／ｓ时，阀芯的动态响应曲
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［１２］程文龙，赵锐，韩丰云，等．封闭式喷雾冷却传热特
性的实验与理论分析［Ｊ］．宇航学报，２０１０，３１（６）：
１６６６．１６７１．
作者简介：金从卓（１９６１一），男，研究员高工，博士研究生，通讯地址：２３００５１安徽合肥市天津路８８号航空产业园合肥天鹅制冷科技有限公司。
万方数据