(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

氣動(dòng)截止閥作為核電站內(nèi)使用數(shù)量較多的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用于主蒸汽系統(tǒng)的旁通閥、核取樣系統(tǒng)的隔離閥、化容系統(tǒng)的下泄流孔板前后的隔離閥以及眾多系統(tǒng)的安全殼外隔離閥[1]。就作用形式而言，主要分為氣開式以及氣關(guān)式，作用形式的選擇主要受到工藝流程以及設(shè)備安全的影響。截止閥僅有全開以及全關(guān)兩種位置狀態(tài)，一般用于流體的快速截?cái)嘁约伴_通，并不用于控制回路的調(diào)節(jié)，且開斷時(shí)間是衡量其動(dòng)作性能的重要指標(biāo)。

目前，針對氣動(dòng)截止閥理論領(lǐng)域的研究較少，大部分研究主要集中于應(yīng)用領(lǐng)域。如左修民[2]就氣動(dòng)截止閥的原理進(jìn)行了分析并就氣動(dòng)截止閥的中性點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行了討論；韓松等[3]就核電用氣動(dòng)截止閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及檢測；余美玲等[4]就氣動(dòng)截止閥開啟時(shí)間超標(biāo)的故障原因進(jìn)行了分析。應(yīng)用材料有限公司設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)氣動(dòng)組合截止閥，縮短了工藝流體控制裝置的長度以及控制板的尺寸[5]。筆者建立了氣動(dòng)截止閥的機(jī)理模型，從理論上對其進(jìn)一步深化，旨在為其后續(xù)的工業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)的確認(rèn)以及選型奠定理論基礎(chǔ)。

1 氣動(dòng)截止閥的機(jī)理建模

常見氣動(dòng)截止閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為氣動(dòng)執(zhí)行部分以及閥體。氣動(dòng)執(zhí)行部分主體為薄膜氣缸。手輪用于緊急狀態(tài)下閥門的動(dòng)作，中性點(diǎn)勺尺用于手輪位置的調(diào)整。氣源入口與減壓閥相連，用于控制壓縮空氣。氣動(dòng)執(zhí)行部分通過聯(lián)軸器與閥桿相連，由閥桿推動(dòng)閥瓣動(dòng)作?；竟ぷ髟恚阂詨嚎s儀表空氣作為動(dòng)力，通過DCS命令方式將動(dòng)作指令發(fā)出，促使電磁閥開啟提供動(dòng)力給薄膜氣室執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在壓縮空氣的作用下，薄膜氣室推動(dòng)閥桿克服摩擦力以及彈簧彈力進(jìn)行動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)閥芯動(dòng)作，直到與閥座貼緊，實(shí)現(xiàn)對流體的開閉。

圖1 氣動(dòng)截止閥結(jié)構(gòu)圖

基于氣動(dòng)截止閥的工作原理分析，將其機(jī)理模型分為兩部分，分別為氣動(dòng)執(zhí)行部分的質(zhì)量流量模型以及閥體部分的動(dòng)力學(xué)模型。

1.1 質(zhì)量流量模型

將壓縮空氣經(jīng)氣動(dòng)附件向薄膜氣室充氣的過程用收縮小孔流量特性進(jìn)行等價(jià)。如圖2所示，左側(cè)為一理想氣源，即壓力不會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行變化且內(nèi)部空氣流動(dòng)速度u1約為0[6]。氣源的氣體密度為ρ1，壓力為p1，溫度為T1。右側(cè)為小孔，其后假設(shè)為一空腔。設(shè)噴口出口處的有效截面積為Se，噴口處氣體密度為ρ2，壓力為p2，流速為u2，溫度為T2。

圖2 小孔流量特性示意圖

將空氣視為理想氣體，則其流動(dòng)過程為一元等熵流動(dòng)[7]。根據(jù)伯努利定理，有

(1)

則小孔處的流速u2為

(2)

式中k為空氣比熱容。小孔處的氣體流速極快，可認(rèn)為是絕熱過程[8]，即T1=T2。則流經(jīng)小孔處氣體的質(zhì)量流量q為

(3)

式中R為空氣的氣體常數(shù)，且以上參數(shù)在一定工況下均為一定值。

假設(shè)小孔后連接為一密封罐體，且所有氣動(dòng)附件為理想附件，則當(dāng)p1/p2大于0.528，小孔處氣體的質(zhì)量流量為一定值。此狀態(tài)被稱為聲速流狀態(tài)，此時(shí)氣體質(zhì)量流量的大小只與小孔處的等效面積相關(guān)。隨著小孔后p2的壓力上升，小孔處的質(zhì)量流量減小。此時(shí)處于亞聲速流狀態(tài)時(shí)，質(zhì)量流量不僅與開口面積相關(guān)，與小孔前后壓差也相關(guān)。當(dāng)處于聲速流狀態(tài)時(shí)，即其流量最大時(shí)有

(4)

則其聲速流下氣體的質(zhì)量流量為

(5)

再將聲速流與亞聲速流情況統(tǒng)一為θ的函數(shù)，即

(6)

(7)

(8)

對于空氣k=1.4，R=287 N·m/(kg·K)，則聲速流時(shí)θ為常數(shù)，即

(9)

亞聲速流θ計(jì)算比較復(fù)雜，是壓差的函數(shù)。當(dāng)p1/p2>b時(shí)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358所規(guī)定的亞聲速流曲線，有

(10)

即將小孔的質(zhì)量流量分為兩種情況：

(11)

(12)

式中：q*為聲速流時(shí)的質(zhì)量流量；q為亞聲速流時(shí)的質(zhì)量流量；p1為小孔上游處的壓力；p2為小孔下游處的壓力；Se為小孔的等效面積；b為臨界壓力比。

由上述推導(dǎo)可以得出：氣動(dòng)附件的氣體流量特性可以通過有效截面積Se以及臨界壓力比b兩個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行描述。對于理想氣體的流動(dòng)，臨界壓里比b為0.528，但是由于在流速較大時(shí)，總參數(shù)與靜參數(shù)之間存在誤差，且在管道中存在壓力損失，氣動(dòng)附件的b通常取0.2～0.5[9]。通過實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)氣動(dòng)附件的有效截面積Se以及臨界壓力比b后，利用式(11，12)可以描述在某時(shí)刻流入薄膜氣室內(nèi)壓縮控制的質(zhì)量流量qm。

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

由質(zhì)量流量模型得某時(shí)刻的質(zhì)量流量為qm，則此時(shí)薄膜氣室內(nèi)的壓力P為

(13)

式中：R為氣體常數(shù)；T2為薄膜氣室的溫度；V為此時(shí)刻的薄膜氣室體積；qm為此時(shí)刻氣體質(zhì)量流量。

當(dāng)氣動(dòng)截止閥處于動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，在動(dòng)作到某一位置時(shí)，主要受到薄膜氣室在壓縮空氣作用下的氣室壓力，由薄膜氣室壓縮彈簧造成的彈簧彈力，由彈簧預(yù)壓縮所帶來的預(yù)緊力，由閥桿與填料以及其他部位摩擦所帶來的摩擦力以及由閥芯上下不平衡面積造成的介質(zhì)不平衡力。

閥桿受力情況[10-11]為

(14)

式中：M為閥芯以及閥桿的質(zhì)量；x為開度位置；氣室的壓力Fa=AP，A為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片面積，P為氣室氣壓；彈簧的彈力Fr=-kx；預(yù)緊力Fp=-kl，k為彈簧剛度，l為彈簧的預(yù)緊長度；Ff為閥桿所受的摩擦力；Fun為由于閥芯不平衡面積造成的不平衡力。

通過質(zhì)量流量模型以及動(dòng)力學(xué)模型的分析，得到模型的輸入為：壓縮空氣氣源壓力；氣動(dòng)附件的有效截面積Se以及臨界壓力比b；氣動(dòng)截至閥本身的參數(shù)包括氣動(dòng)薄膜面積、彈簧剛度、摩擦力等；具體工況下介質(zhì)壓力作用于閥芯不平衡面積上的不平衡力。模型輸出為閥門開度動(dòng)作曲線。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

試驗(yàn)裝置主要分為兩部分，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)對象。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以美國國家儀器儀表公司出品Crio-9030機(jī)箱為基礎(chǔ)，搭載標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)射模塊和標(biāo)準(zhǔn)信號采集模塊，采集前端儀表所采集的氣壓以及開度信號。上位機(jī)以labVIEW為基礎(chǔ)搭建上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。硬件采集裝置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)采集裝置

實(shí)驗(yàn)對象為浙江三方控制閥股份有限公司出品的兩款閥：一款為氣開閥，另一款為氣關(guān)閥，并且分別在兩種氣源壓力下做實(shí)驗(yàn)，得到4 組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證。閥門參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)對象及其參數(shù)

為驗(yàn)證上述所建模型的準(zhǔn)確性，搭建試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)步驟：1)搭建由穩(wěn)壓氣罐、實(shí)驗(yàn)所用的管道和壓力表等氣動(dòng)原件組成的試驗(yàn)裝置，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358實(shí)驗(yàn)步驟測量氣動(dòng)部件的有效面積以及壓力比閾值；2)連接試驗(yàn)裝置，控制電磁閥對調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行充氣，同時(shí)記錄氣源壓力以及調(diào)節(jié)閥的行程；3)調(diào)整氣源壓力，重復(fù)步驟2)；4)更換實(shí)驗(yàn)對象，重復(fù)步驟2)及步驟3)。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6358所規(guī)定的方法測得所用氣動(dòng)附件的有效截面積Se，壓力比閾值為b。實(shí)驗(yàn)測得有效截面積Se為6.89×10-6m2，壓力比閾值為b為0.26。將氣動(dòng)附件參數(shù)，調(diào)節(jié)閥參數(shù)以及氣源壓力帶入所搭建的simlink模型中。所搭建的模型如圖5所示。

圖5 模型圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

就兩種氣動(dòng)截止閥分別在兩種氣源壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模型與實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果如圖6～9所示。就所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行誤差分析，評價(jià)指標(biāo)有均方根誤差RMSE和平均絕對百分誤差MAPE，如表2所示。從誤差結(jié)果分析中可以看出：所搭建的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比具有較高的相似性，說明所搭建的模型具有較高的仿真程度，可以較好地模擬真實(shí)的氣動(dòng)截止閥。

圖6 A氣動(dòng)截止閥305.5 kP

圖7 A氣動(dòng)截止閥384.9 kP

圖8 B氣動(dòng)截止閥282.9 kP

圖9 B氣動(dòng)截止閥384.8 kP

表2 誤差分析結(jié)果

3 在故障診斷中的應(yīng)用

氣動(dòng)截止閥作為過程控制回路的開斷閥門，其動(dòng)作時(shí)間是衡量其性能的重要指標(biāo)。一般導(dǎo)致其動(dòng)作時(shí)間減緩的原因較多。就氣動(dòng)附件而言主要包括：氣源氣壓降低，且當(dāng)小于某一壓力時(shí)，閥不能完全開啟；減壓閥故障，減壓閥出現(xiàn)漏氣，導(dǎo)致壓力波動(dòng)，輸入氣室壓力波動(dòng)；管路故障，氣動(dòng)管路由于長時(shí)間使用導(dǎo)致出現(xiàn)老化裂縫，或出現(xiàn)較多凝結(jié)的水蒸氣堵塞管路。就氣動(dòng)執(zhí)行部分來講，膜片以及氣動(dòng)接頭的破損會(huì)造成動(dòng)作時(shí)間變長。主要原因有：由于金屬加工精度原因?qū)е陆饘俦砻娉霈F(xiàn)毛刺、尖角等缺陷，將膜片刺破；膜片長時(shí)間使用，導(dǎo)致材料老化強(qiáng)度降低，膜片表面出現(xiàn)孔洞；氣路接口，因長時(shí)間使用以及壓力原因?qū)е陆涌谒蓜?dòng)等。就閥體而言，當(dāng)填料與閥桿的摩擦力過大，也會(huì)造成動(dòng)作時(shí)間減緩。

故障診斷方法可以分為三類：基于解析模型的方法、基于信號處理的方法以及基于知識的方法[12]。設(shè)計(jì)了一種基于模型的故障診斷方法，以模型作為氣動(dòng)截止閥動(dòng)作時(shí)間的標(biāo)定。當(dāng)閥經(jīng)過長時(shí)間的使用后，其動(dòng)作時(shí)間會(huì)發(fā)生異常變化。以標(biāo)定的動(dòng)作時(shí)間為基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)間大于一閾值時(shí)，認(rèn)定此閥出現(xiàn)了故障，需要進(jìn)行維護(hù)。

實(shí)驗(yàn)方案：通過在氣路增加一個(gè)支路，通過調(diào)節(jié)之路上通向大氣的球閥的開度，模擬氣路出現(xiàn)破損。實(shí)驗(yàn)方案示意圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：正常充氣狀態(tài)下在所搭建的模型上得到標(biāo)定的響應(yīng)曲線；通過調(diào)節(jié)旁通球閥的開度分別模擬弱漏氣充氣狀態(tài)以及強(qiáng)漏氣充氣狀態(tài)。如圖10所示，隨著故障強(qiáng)度即漏氣量的增加，與模型對于動(dòng)作時(shí)間的標(biāo)定相比較得到：1)氣動(dòng)截止閥閥位由零至開始動(dòng)作時(shí)間變長，即氣動(dòng)截止閥的響應(yīng)速度降低；2)氣動(dòng)截止閥由開啟動(dòng)作至閥門全開時(shí)間變長，即全開啟時(shí)間增加。由此兩點(diǎn)得知該閥需要進(jìn)行維護(hù)，就氣密性易損部位進(jìn)行排查。

圖10 故障現(xiàn)象圖

4 結(jié) 論

建立了氣動(dòng)截止閥的質(zhì)量流量模型和動(dòng)力學(xué)模型。首先通過流體力學(xué)以及熱力學(xué)原理建立了描述氣動(dòng)截止閥的質(zhì)量流量模型，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。兩者結(jié)合，完整的建立了描述氣動(dòng)截止閥的動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型，從RMSE和MAPE兩個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的精度，證明了所建模型的有效性。最后設(shè)計(jì)了一種基于模型的氣動(dòng)截止閥氣密性的故障診斷方法。