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导弹油箱用数字比例阀压力特性研究罗定钊，焦志刚，孙钦翰（1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110 16 8；2.沈阳航天新光集团有限公司，辽宁沈阳110 0 43）液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.010摘要：气动减压阀是导弹发动机推进系统的重要组件,其出口压力稳定性直接影响挤压推进剂的性能与稳定性，进而影响推进系统的整体性能。为研究一种导弹油箱增压系统用新型数字比例阀的出口流量对其静态特性的影响,通过建立数学模型,采用仿真与试验结合的方法，得到流量大小对出口压力稳定性影响存在偏差，在0.2 L/s到0.5L/s之间的出口流量下，反馈压力的跟踪情况更好，出口压力偏差小于0.0 1MPa的结论，为导弹油箱用气动减压阀设计提供新的思路。关键词：数字比例阀；静态特性；仿真；试验中图分类号：TH138(1.School of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China;2.Shenyang Aerospace Xinguang Group Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China)Abstract:The pneumatic pressure reducing valve is an important component of the missile engine propulsion system.The stability of its outletpressure directly affects the performance and stability of the extruded propellant,which in turn affects the overall performance of the propulsionsystem.In order to study the influence of the outlet flow of a new type of digital proportional valve used in a missile fuel tank pressurizationsystem on its static characteristics,this paper establishes a mathematical model and adopts the method of combining simulation and experimentto obtain that there is a deviation in the influence of the flow rate on the stability of the outlet pressure.At the outlet flow rate between O.2 L/sand 0.5 L/s,the tracking of the feedback pressure is better,and the conclusion that the outlet pressure deviation is less than 0.01 MPa,it willprovide a new idea for the design of the pneumatic pressure reducing valve for the missile fuel tank.Key words:digital proportional valve;static characteristics;simulation;test0引言气动减压阀是导弹发动机上广泛使用的一种压力调节装置，作用是将气源输出的高压气体减压至下游系统所需的工作压力,以便挤压发动机推进剂，使整个推进系统具有稳定的工作特性 。而随着电子技术的发展，一种新兴的数字比例阀成为研究热点，它可以对气体的压力、流量和方向进行精确的控制，且具有体积小，控制精度高，对气源压力精度要求低，输出压力不受负载变化的影响等优点 2 ,将其应用于导弹发动机油箱上可以提高油箱增压系统的可靠性。该数字比例阀的减压与稳压原理与反向先导式减收稿日期：2 0 2 2-0 7-12作者简介：罗定钊（19 9 7-）,男，四川琪县人，研究生，研究方向：弹箭系统理论与技术。52文献标志码：AResearch on Pressure Characteristics of Digital ProportionalLUO Ding-zhao,JIAO Zhi-gang,SUN Qin-han?减压阀，少有着眼于数字比例阀。本研究以数字比例阀为研究对象，通过改变出口流量及出口压力指令，对数字比例阀压力特性的变化进行分析，从而对导弹油箱用数字比例阀的设计提供一定参考价值。文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 52-0 6Valve Used for Missile Fuel Tank压器相同 3 ，它的出口压力稳定过程实际上是作用在先导膜片与阀芯等部件上的总体力的平衡，由于气压变化会引起出口压力振荡 4，因此需要对数字比例阀进行出口压力特性研究。尤裕荣等 5 的研究表明，摩擦力与流体稳态力对减压阀静态特性有不同影响，曹明等 6 主要研究减压阀各部件结构参数对静态特性的影响，田川等 7 对逆向卸荷式减压阀进行了低温环境中的调节特性研究，得到不同温度下启动压力峰值和稳态出口压力的相对变化趋势。目前国内的研究目标多为机械弹簧式气动Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023（5）将气体通过减压阀看成等效收缩喷嘴计算 ；1?数字比例阀工作原理（6）忽略减压阀进气侧的容性效应 10 数字比例阀工作原理如图1所示，先导腔3 的压2.2受力分析力大小由进气量控制，先导腔的进气、排气与否通过2数字比例阀受力如图2 所示。个相同的数字电磁阀的开关控制，当实际输出压力低k;(h+0.8)于设定值（该设定值可以根据控制信号进行变换）时，k:(0.8+h)+数字控制器通过嵌人式运算向给气数字电磁阀输出高电平信号，给气数字阀打开，排气电磁阀关闭，先导腔上腔压力上升，作用在膜片上使膜片4向下运动，进而带动活门开度变大，使输出压力升高到设定值；当对控制信号进行变换，实际输出压力高于设定值时，数字控制器通过嵌入式运算向排气电磁阀2 输出高电平信号，排气数字阀打开，给气电磁阀1关闭，先导腔上腔压力下降，破坏了敏感元件原本的力平衡，膜片下方的弹簧力与低压腔作用在膜片上的力值之和大于先导腔压力作用在膜片上的力，膜片上移，活门杆上移，最终使活门开度减小，输出压力降低至设定值，以此实现减压器的数字比例调压功能。8压力显电源输出信号输入信号27Pa:AertP2:AeftPiP2P2:4ptk:htPi4ptP:4it-图2 数字比例阀受力图根据减压器受力分析导出其静态特性力平衡方程：ka(0.8+h)+P2Ap2+PaAer=Fi+ki(h+0.8)+P2Aer+PiApl+(F2e+kzh)+P2A,(1)经整理后得：1(2)EXH6EXHSUP.OUT1.给气用电磁阀2.排气用电磁阀3.先导室4.膜片5.给气阀6.排气阀7.压力传感器8.控制回路图1数字比例阀工作原理图2静态数学模型2.1假设条件建立数字比例阀静态数学模型时，假设：（1）流体为理想气体，节流前后温度不变；（2）节流前后的压力按定熵过程变化；（3）气瓶压力按多变过程膨胀,1 n；（4）工作过程中节流截面流量系数不变 8】；h(k+kz-ka)-0.8ki-0.8ka-PrA,J式中，P2减压器出口压力,PaP1减压器进口压力,PaPa一先导腔压力,PaApl受到减压器进出口压力作用的阀芯面积,mAer膜片有效面积,mA卸荷面积,mFl。一阀芯处于关闭位置时，膜片弹簧的预压缩力，NF2。阀阀芯处于关闭位置时，回位弹簧的预压缩力，Nh一一工作状态下阀芯的开度,mki膜片弹簧刚度,N/mk一回位弹簧刚度,N/mka膜片刚度,N/m2.3气动流量方程气体在数字比例阀出口的流动过程十分复杂，经常会在出口处产生涡流、紊流以及能量转换等，想要将53液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期这个过程模拟并建立数学模型十分不易，因此通常将气体在阀口的流动看作经过收缩喷嘴的等熵流动 11-13 ,收缩喷嘴模型如图3 所示。PinA1强比Pou/pin的降低而增加,增加到临界压力比后流量达到最大值，此时喷嘴出口马赫数Ma=1,这种气体流动状态又被称为雍塞状态，雍塞流状态下出口流量不再随着压强比Pou/pin继续变化，且出口外界反压也不Pout再影响腔内的气体流动。qm/qmax4Ao1.0Tout图3 流经阀口气流等效收缩喷嘴示意图图中：Pin，T.代表喷嘴入口、即阀出口之前的压力及温度,Pout为出口压力，Tout为出口温度，A,为出口处截面积，A。为人口处截面积，u为出口气流速度。在假设条件下,腔内气体流动为绝能等流动，即在喷嘴各截面上的总温和总压都相同，在此情况下，气体流动参数变化是由面积变化引起的，由绝能流动流量方程有：c,Tin=c,Tou=Cp得到喷嘴缩流处的流速：2ku=RTk-1out根据压力与马赫数的关系可得：k-12M.out二从式（4)可以看出，收缩喷嘴出口截面上气流速度取决于温度T与压强比Pout/Pin。根据连续性方程：Qm=Aipiu联立式（4)和式(6)可以得到流经收缩喷嘴的质量流量：2kQm=CaAiPinRT.u(hk-1)式中，Ca为流量系数，一般取Ca=0.650.80。由式(7)可见，气体性质确定后，数字比例阀出口流量Qm与出口处截面积Al、人口压力pin均成正比例关系。取马赫数等于1时的压强比Pout/pin作为临界压强比，由式(7)得到质量流量比与压强比的变化关系如图4所示。从图中可以看出，当气体给定时，出口流量随着压540图4收缩喷嘴中质量流量比随压强比的变化在达到临界压力比时,即在超临界流动状态下有：2kQm=CaAiPin/RT.m(k-1)(综上可得数字比例阀的质量流量方程表达式为：2k+1(3)out2outoutP0.5283RTou(k-1)(0.5283 1)m(4)(5)(6)(7)1.0Pout/Pin2(k+1）21outPD2k2K-1RTou(k-1)k+1(0 0.5283)2.4静态特性方程根据力平衡方程与气动流量方程的推导分析，可得到该数字比例阀在调整工况下的的静态特性方程：AP2=A+A,-A,13n-1P1s2nP因为 Ap2=P2-P2s,则:P2=P2s+Aur+A,-A,3-1Pis2P1取 n=1.25 时,有:AP2=At+A,-A,P1sP(8)(9)ApiA,+ApaAer-k,hsZ-小Z1ApiA,+Ap.Aer-k,h,1ApiA,+Ap.Aef-k,hs.-Z(10)ApiA,+Ap.Aer-k,h,Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.20231该模型中的机械结构部分均取自AMESim软件中P2=P2s+A+A,-A1S式(10)和式(11)即为数字比例阀的静态特性方程。在仿真和试验过程中,调整工况p2.已知,故调整工况下的开口高度h。可计算。且因调整工况下的状态为超临界流动状态，故Z。与Z可进行计算（计算时近似取pp 2。）。在以上参数已知情况下，即可得到与出口压力P2相关的静态特性方程曲线。3AMESim仿真模型建立3.1仿真模型数字比例阀仿真模型分为两部分，分别为机械仿真模型与控制仿真模型，数字比例阀的先导腔核心主要是通过高速开关电磁阀进行调压控制 14，在AMESim仿真模型中可以运用2 个二位二通电磁开关阀进行替代，对电磁阀进行参数设置，以及运用AMESim中的信号控制元件进行PID算法的气路反馈控制,可以使控制器接收到数字比例阀机械部分的各参数变化反馈信号，进行不同工况下的出口压力调定。搭建好的数字比例阀仿真模型如图5所示，控制部分由阶跃信号指令、减法模块、判断信号等一系列信号元件组成；机械结构部分由气源、带热交换的变容积气动室、带弹簧的气动活塞、滑动块、气动挡板喷嘴阀、电磁阀等组成。两部分通过信号转换元件连接，从而达到信号控制减压阀的启闭和活门开度大小的目的。图5楼数字比例阀的AMESim仿真模型图的标准气动元件库，所有模型均被参数化，通过参数的(11)设置与电气控制仿真，可以准确模拟出数字比例阀的动态调压过程 15-19 3.2子模型参数搭建好仿真模型后，为了使仿真模型更加接近于实际工况，对需要调整的参数进行更改，参数如表1所示，其余模型均按默认设置。仿真时间设置为2.3 s，打印间隔为0.0 1s,各参数比较方式采用批处理分析方法，积分器选择标准类型，仿真分析的采样频率设置为50 Hz。表1楼数字比例阀AMESim模型系统参数参数数值给气阀弹簧刚度/Nmm3.42给气阀阀芯最大位移/mm3给气（排气）用电磁阀固有频率/Hz150膜片上腔容积/mL10膜片下腔容积/mL2膜片弹簧刚度/Nmm0.44膜片直径/mm30膜片极限位移量/mm3给气阀活门节流孔直径/mm7.3数字比例阀人口压力/MPa0.4控制部分4数字比例阀仿真分析4.1小流量下出口压力特性分析人口压力设为0.4MPa,通过改变出口孔板孔径的方式调整流量大小，仿真在0.0 5,0.10 0.2 0 L/s3个体积流量、不同指令值下出口压力特性。仿真结果如图6 所示，可以看到，3 个不同流量下机械部分的前两个阶段反馈压力对指令压力跟踪情况稳定，响应时间在0.0 5s以内，十分迅速，跟踪误差小,脉动幅值在设计指标0.0 1MPa范围以内，压力波动较小。指令值降低的两个阶段，出口流量越低响应时间越慢，脉动幅值越大。在0.2 L/s时响应时间最短，从0.3 5MPa降低至0.2 1MPa仅用了不到0.1s,且产生压力扰动最小。55液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期0.40r0.350.300.250.200.150.100.0图6 小流量时数字比例阀出口压力变化曲线图4.2大流量下出口压力特性分析仿真在0.5,0.7 5,1L/s3个体积流量下出口压力特性。仿真结果如图7 所示，可以看到，3个不同流量下的出口压力变化曲线接近，响应时间短，都能快速达到出口压力指令值，但压力脉动幅值较大，稳定性较差。0.400.350.300.250.200.150.100.0图7 大流量时数字比例阀出口压力变化曲线图随着出口流量的增加，脉动幅值也随之变大。对比之下能够看出,出口流量在0.5L/s下的反馈压力曲线更为平滑，跟随情况较好。5数字比例阀压力特性试验+流量0.0 5L/s-流量0.10 L/s流量0.2 0 L/s一输出压力指令值0.51.0t/s*流量0.5 L/s流量0.7 5L/s+流量1.0 0 L/s一出口压力指令值0.51.0t/s5.1试验系统设计试验测试系统如图8 所示，整个测试系统以数字比例减压器为主体，主要测试零部件有气瓶、手动减压器、压力表、气体过滤器、手动控制电压、数字采集板以及便携式计算机组成。气瓶打开后，通过调节手动减压器，可以控制减压1.52.01.52.02.52.5器出口压力的大小，即数字比例减压器进口压力大小，同时对减压器进行不同的手动调节，可以实现数字比例减压器的入口压力扰动，增加试验条件的严苛性。5.2小流量下静态特性试验试验所采集的为数字比例阀出口流量为小流量时的反馈压力跟随曲线。试验时将出口流量控制在0.2L/s，人口压力控制在0.7 MPa,试验采集的参数包括指令压力与反馈压力，如图9 所示。0.90.80.70.60.50.40.30.20.10-0.1七8.148.1 88.1 128.1 168.1 208.1 248.1 288.1 328.1 368.1图9 数字比例阀小流量时的静态特性指令压力通过2 4 V电源手动调节控制压力大小，每个指令压力阶段维持一定时间,可以看到,在输人指令压力的不同状态下，数字比例阀出口反馈压力经过极短的响应时间后就能达到指令值，并且可以进行较好的跟踪。反馈压力0.399MPa指令压力0.400 MPat/s控制电压高速电磁阀1高速电磁阀2Exp压力表数据采集板P气瓶减压器过滤器图8 楼数字比例阀常温性能试验系统组成56P2数字比例减压器机械结构便携式计算机Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.20235.3大流量下静态特性试验试验时将出口流量控制在1L/s，人口压力控制在0.4.MPa,试验方式与小流量时相同。试验结果如图10所示，图中直线为指令压力，点划线为反馈压力。从图中可以看出数字比例阀跟踪特性良好，脉动幅值极小。1.050.90.70.50.3-0.1-0.3-0.5-0.7-0.90.0520.0540.0560.0580.05100.05120.05140.05160.05图10 数字比例阀大流量时的静态特性其中有一段指令压力为0.5MPa,反馈压力却未能跟踪的原因是气源给定的人口压力始终控制在0.4MPa,即气动系统环境所能到达的最高压力只能为0.4MPa,因此在此命令阶段指令值超过了气动环境最高压力，反馈压力无法到达该命令值。但其余所有试验曲线均能体现良好的跟踪情况。6结论从仿真结果可以看出，在提高出口压力指令值时，数字比例阀响应迅速，降低指令值时，响应时间相比较长。流量对出口压力的影响存在一定不同，小流量下脉动幅值极小，跟随情况良好，稳定性较好，大流量下脉动幅值较大，跟随情况一般，稳定性一般。根据试验下位机所采集的试验曲线（包括指令曲线与反馈压力曲线），可以看出常温时，在指定的入口压力下，无扰动或进行入口压力扰动、出口流量扰动时，出口压力的跟踪情况良好，出口压力偏差小于0.01 MPa。综上可得该数字比例阀反馈压力响应迅速，出口压力稳定，能够满足导弹油箱用气体减压器性能指标需求。参考文献1尤裕荣，曾维亮.气体减压阀的稳定性分析J.火箭推引用本文：罗定钊，焦志刚，孙钦翰.导弹油箱用数字比例阀压力特性研究J.液压气动与密封,2 0 2 3,4 3（8）：52-57.LUO Dingzhao,JIAO Zhigang,SUN Qinhan,Research on Pressure Characteristics of Digital Proportional Valve Used for Missile Fuel TankJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):52-57.57进,2 0 0 9,35(5):34-38,55.2许福玲.液压与气压传动M.北京：机械工业出版社,2 0 0 7.3 朱宁昌.液体火箭发动机设计M.北京：中国宇航出版社,19 9 7.4曾维亮航天姿控发动机减压阀的研究J.火箭推进，2001,27(5):6-11.5尤裕荣，曾维亮.逆向卸荷式气体减压阀的动态特性仿真反馈压力J.火箭推进,2 0 0 6,(3):2 4-30.6曹明吴建军,陈健.某减压阀静态特性分析J.上海航天,2 0 0 8,2 5(6):57-6 0.指令压力7田川,廉英琦，雷小飞，等.低温环境对气体减压阀调节特性的影响J.火箭推进,2 0 2 0,4 6（6）8 2-8 9.8顾存行，毛虎平，王强，等.基于AMESim的直动式减压阀t/s动态特性仿真分析J.机械设计与制造，2 0 17，（5）：2 34-237.9白晓瑞，沈如松，姜甫川.先导式减压阀的动态特性仿真分析J.机床与液压,2 0 14,4 2（16）：9 7-10 0.10贾一平，黄运华.基于AMESim的气动减压阀建模与仿真分析J.机械工程与自动化，2 0 18,4 7(2）：6 0-6 2.11赵飞.基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究D.秦皇岛：燕山大学,2 0 10.12王新月.气体动力学基础M.西安：西北工业大学出版社,2 0 0 6.5.13周徽.减压阀的流场模拟和仿真研究D.苏州：苏州大学,2 0 14.14堵利宾，张河新，李建朝，等.基于C8051F脉宽调制(PWM)的气动比例调压阀的开发J.机床与液压,2 0 0 8，(3):92-94.15董建文,马文琪，关广丰.基于AMESim的先导式比例减压阀建模与仿真J.液压与气动,2 0 15，（2）：116-119.16杜海清，惠相君.基于AMESim的减压阀的建模与分析J.液压气动与密封,2 0 2 0,4 0（7）：1-4.17 LI Jian,SU 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