4.2 阀芯受力分析

阀芯关阀过程中受到的合力为零，但作用在阀芯各个腔体上的压力却在发生着变化。主阀前后压差为0.1MPa时，不同CA值下，关阀过程中阀芯内腔端面受力如图5a所示；CA值为1.8×10-⁶时，主阀在不同的工作压力下，阀芯内腔端面受力如图5b所示。从图中可以看出：

（1）关阀过程中，阀芯内腔端面受力略有变化，在关阀行程末端，内腔端面的受力有较大增加；原因有两点，一是主阀开度减小，会导致阀前压力的增加，二是关阀行程末端阀芯的速度有所减小，所以造成了阀芯内腔的压力增大；

（2）在不同的流道切换导阀开度下，内腔端面的受力情况基本相同；

（3）主阀工作压力越大，阀芯内腔受力越大。

主阀前后压差为0.1MPa时，不同CA值下，关阀过程中阀芯侧腔端面受力如图6a所示；CA值为1.8×10^-6时，主阀在不同的工作压力下，阀芯侧腔端面受力如图6b所示。从图中可以看出：

（1）侧腔端面的受力随阀门开度的减小而增大；

（2）流道切换导阀的开度对关阀过程中阀芯侧腔的受力基本没有影响；

（3）主阀的工作压力越大，阀芯侧腔端面的受力越大。

图5 阀芯内腔端面受力

图6 阀芯侧腔端面受力

主阀前后压差为0.1MPa时，不同CA值下，关阀过程中阀芯前端面受力如图7a所示；CA值为1.8×10^-6时，主阀在不同的工作压力下，阀芯前端面受力见图7b。

图7 阀芯前端面受力图

从图中可以看出：

（1）阀芯前端面的受力随阀门开度的减小，先增大后减小；

（2）流道切换导阀的开度对关阀过程中阀芯前端面的受力基本没有影响；

（3）主阀的工作压力越大，阀芯前端面的受力越大。

4.3 关阀过程累计流量

主阀前后压差为0.1MPa时，不同CA值下，关阀过程中通过主阀的流量如图8a所示；CA值为1.8×10-⁶时，主阀在不同的工作压力下，关阀过程中通过主阀的流量如图8b所示。从图中可以看出，主阀在关闭过程中的流量特性保持了连续的较为平缓的变化，没有出现大的波动。

对已有数据进行多项式拟合，然后进行积分运算，得到集成式安全控制装置在不同压力下高液位自动关阀的累计流量（见表3）

图8关阀过程流量图

表3关阀过程累计流量

5 总结

在建立阀芯受力平衡及关阀过程动力学微分方程的基础上，分析了启闭导阀流量系数、阀芯质量和阀芯结构等因素对关阀速度和时间的影响。利用Fluent软件进行高液位关阀过程的被动型动网格仿真。确定了合理的仿真方案；编写了边界运动、时间步长调整和数据输出的用户自定义函数，提出了高压力下自力式阀门阀芯运动的被动型动态网格仿真方法，取得了良好的仿真效果；通过仿真得到了关阀的速度、时间和关阀过程中阀芯的受力、流量。结果表明，阀门的结构设计能够实现自动关阀，且在阀门关闭过程中，阀芯的得出以下结论：

（1）阀门的关阀速度受到主阀前后压差、阀芯质量、阀芯受力面积、流道切换导阀过流面积和流量系数等因素的影响，主阀前后压差、阀芯的质量、阀芯侧腔端面面积越大，阀门关闭越慢关阀速度越小，关阀时间越长；流道切换导阀过流面积和流量系数越大，阀芯内腔端面面积越大，阀门关闭越快。

（2）阀芯的速度在关阀行程前期基本保持不变，在关阀行程末端有所减小。

（3）由于阀芯速度的减小，阀芯内腔端面的受力在关阀行程末端略有增大；流道切换导阀开度越大，内腔端面的受力越小，阀前压力越大，内腔端面的受力越大。

（4）启闭导阀开度的大小对阀芯侧腔端面的受力基本没有影响，阀前压力越大，阀芯侧腔端面的受力越大。