CN113484231B - 一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法 - Google Patents

一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，属于气动机构摩擦力测试领域。本发明利用现有的控制气源和气路，测量阀门控制气路的管道长度；测量阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的时间；利用等温管道一维气体动力学方程，计算阀门气缸的压强；利用平衡状态的力学方程计算出大型低温气动截止阀阀杆的摩擦阻力。本发明解决了现有低温加注系统上百个大型低温气动截止阀摩擦力无法在线测试的问题，为掌握大型低温气动截止阀润滑状态、识别阀杆卡滞故障隐患、确保系统和设备安全稳定运行提供保障，极大地提高了测试工作效能。

Description

一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法
技术领域
本发明属于气动机构摩擦力测试领域，具体涉及一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法。
背景技术
某滨海发射场建有国内规模最大、技术水平最高的大型复杂低温推进剂加注管网系统，系统有上百个大型低温气动截止阀，是低温推进剂流动控制的关键节点，也是低温系统中存在运动和磨损的主要部件。由于低温阀的工作温度变化范围很大(从常温到70K)，且在易燃易爆介质中使用，要求低温阀具备很好的密封性能、绝热性能和润滑性能，这些因素导致低温阀结构复杂、工况恶劣，其工作寿命基本在6000-10000次开关循环，远低于管道、贮罐等固定结构的低温装置，是低温工程系统可靠性的薄弱环节之一。
目前，大型低温气动截止阀仅在正式工作前进行启闭测试，无法在线测量其摩擦力，进而评估其运动部件的润滑状态。本方法提出一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，在不增加测试设备和测试工作的前提下，可对现有低温系统上百个阀门摩擦力进行在线测量，为评估阀门的润滑状态、识别阀杆卡滞的故障隐患、确保系统和设备正常运行提供保障。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，以现有低温加注系统上百个大型低温气动截止阀摩擦力无法在线测试的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，该方法包括如下步骤：
S1、利用现有的控制气源和气路，测量阀门控制气路的管道长度；
S2、测量阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的时间；
S3、利用等温管道一维气体动力学方程，计算阀门气缸的压强；
S4、利用平衡状态的力学方程计算出大型低温气动截止阀阀杆的摩擦阻力。
进一步地，所述低温气动截止阀外部为双层真空绝热结构，内部核心部件为阀杆、阀瓣、活塞、阀座和气缸，摩擦部位有活塞与气缸壁的摩擦，阀杆与支承结构的摩擦，阀瓣导向杆与阀座导向孔的摩擦。
进一步地，所述步骤S1中阀门控制气路的管道长度L管直接测量得到，或者看图纸数据获得。
进一步地，对于阀门开启的情况，管道长度L管选配气台到阀门气缸底部的控制气路管道长度。
进一步地，对于阀门关闭的情况，管道长度L管选配气台到阀门气缸顶部的控制气路管道长度。
进一步地，所述步骤S2中阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的阀门开启时间t是记录开始通气时间和阀杆运动到位的时间计算得到的。
进一步地，阀门开启时时间t的具体获取步骤为：阀门由远程上位机电脑控制，上位机电脑单击打开时获得起始时间，此时对应供气管道上的电磁阀开通，控制气体开始沿供气管道往阀门的气缸流动，在气缸的作用下，阀门运动部件开启到位，此时有一个行程到位的触发信号反馈给上位机，获得到位时间，用到位时间减去起始时间获得阀门开启时时间t。
进一步地，低温气动截止阀的气缸用气由后端配气台的集气管供应，气源压力为P源，控制气路管道直径为D管，配气台到阀门气缸的控制气路管道长度为L管，气体流经控制气路管道产生流动阻力损失，气缸处的压力为P缸，气缸缸径为D缸，杆径为d杆，气缸体积为V缸,活塞运动行程为L缸，气缸力为F缸，阀杆活塞运动部件的重力为G重，摩擦力为F摩；
根据等温管道一维气体动力学方程有
Figure GDA0004215448570000031
其中λ为摩擦阻力系数，T为气体温度，等温条件下即为环境温度；G为气体质量流量；
气缸从开始充气运动到上限位置的时间t内，有
Figure GDA0004215448570000032
其中P0为标准大气压力，ρ为标准条件下的控制气的气体密度；将G代入等温管道一维气体动力学方程解算出P缸。
进一步地，所述λ与雷诺数和相对粗糙度有关，查表获得控制气路管道相对粗糙度，由莫迪图查询摩擦阻力系数。
进一步地，所述步骤S4具体包括：气缸活塞及阀杆的运动近似为匀速运动，其受力为平衡状态，有力学方程：
F缸＝G重sinθ+F摩
Figure GDA0004215448570000033
联立上述公式计算整理可得
Figure GDA0004215448570000034
Figure GDA0004215448570000035
其中D缸、d杆、λ、R、T、V缸、ρ、D管、P0、P源、G重、θ为常数或定值。
(三)有益效果
本发明提出一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，本发明在不增加测试设备和测试工作的前提下，提出了一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，解决了现有低温加注系统上百个大型低温气动截止阀摩擦力无法在线测试的问题，为掌握大型低温气动截止阀润滑状态、识别阀杆卡滞故障隐患、确保系统和设备安全稳定运行提供保障，极大地提高了测试工作效能。
附图说明
图1为大型低温气动截止阀结构示意图；
图2为本发明控制气路管道及阀杆受力分析。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明涉及气动机构摩擦力测试领域，用于大型低温气动截止阀摩擦力在线测试，并评估其润滑状态。
本发明目的在于不增加测试设备和测试工作的前提下，提供一种大型低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，评估阀门的润滑状态、识别阀杆卡滞的故障隐患、确保系统和设备正常运行。
图1为大型低温气动截止阀结构示意图，图中明确了大型低温气动截止阀的主要结构，外部主要为双层真空绝热结构，内部核心部件主要为阀杆、阀瓣、活塞、阀座、气缸，摩擦部位主要有活塞与气缸壁的摩擦，阀杆与支承结构的摩擦，阀瓣导向杆与阀座导向孔的摩擦。
图2为控制气路管道及阀杆受力分析，主要包括控制气的气源、供气管道和气缸执行机构组成，气缸的运动部件为阀杆和活塞，主要受自身重力、气缸力以及摩擦力。
本发明提供一种大型低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，该方法包括如下步骤：
S1、利用现有的控制气源和气路，测量阀门控制气路的管道长度；
S2、测量阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的时间；
S3、利用等温管道一维气体动力学方程，计算阀门气缸的压强；
S4、利用平衡状态的力学方程计算出大型低温气动截止阀阀杆的摩擦阻力。
大型低温气动截止阀采用双层真空绝热结构，主要通过气缸推动阀杆及阀瓣，实现阀瓣与阀座的密闭和分离，达到控制低温流体通断的目的。阀杆、阀瓣及其导向杆、气缸活塞作为一个整体，与阀座导向孔、阀杆支承、气缸壁发生摩擦，其中阀杆及阀门整体倾斜设计，与水平方向的夹角为θ，如附图1所示。
所述步骤S1中阀门控制气路的管道长度L管可以直接测量，或者看图纸数据也可以获得。对于阀门开启的情况，管道长度L管一般选配气台到阀门气缸底部的控制气路管道长度，对于阀门关闭的情况，管道长度L管一般选配气台到阀门气缸顶部的控制气路管道长度。
所述步骤S2中阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的时间t是记录开始通气时间和阀杆运动到位的时间计算得到的。以阀门打开为例：阀门是远程上位机电脑控制的，上位机电脑单击打开后(起始时间)，此时对应供气管道上的电磁阀开通，控制气体开始沿供气管道往阀门的气缸流动，在气缸的作用下，阀门的阀杆、阀瓣等运动部件开启到位，此时有一个行程到位的触发信号反馈给上位机，意思是阀门已经开启到位，获得到位时间，用到位时间减去起始时间获得阀门开启时时间t。关闭过程类似。
所述步骤S3中阀门气缸的压强P缸的计算过程如下。在实际工作中，大型低温气动截止阀的气缸用气由后端配气台的集气管统一供应，气源压力为P源，控制气路管道直径为D管，配气台到阀门气缸的控制气路管道长度为L管，气体流经控制气路管道产生流动阻力损失，气缸处的压力为P缸，气缸缸径为D缸，杆径为d杆，气缸体积为V缸,活塞运动行程为L缸，气缸力为F缸，阀杆活塞等运动部件的重力为G重，摩擦力为F摩，如附图2所示。
由于控制气路管道较长，直径较小，采用金属材质导热性能好，气体与外界可进行充分的热交换，根据等温管道一维气体动力学方程有
Figure GDA0004215448570000051
Figure GDA0004215448570000052
其中λ为摩擦阻力系数，与雷诺数和相对粗糙度有关，一般控制气气体流速较快属于紊流状态，控制气路管道为钢管，查表可得其相对粗糙度，由莫迪图查询摩擦阻力系数；R为理想气体常数；T为气体温度，等温条件下即为环境温度；G为气体质量流量。
其中，气缸从开始充气运动到上限位置的时间t内，有
Figure GDA0004215448570000061
其中P0为标准大气压力，ρ为标准条件下的控制气的气体密度。将G代入等温管道一维气体动力学方程可以解算出P缸。
步骤S4中，气缸活塞及阀杆的运动可近似为匀速运动，因此其受力为平衡状态，有力学方程
F缸＝G重sinθ+F摩
Figure GDA0004215448570000062
联立上述公式计算整理可得
Figure GDA0004215448570000063
Figure GDA0004215448570000064
其中D缸、d杆、λ、R、T、V缸、ρ、D管、P0、P源、G重、θ为常数或定值。
在每个大型低温气动截止阀的启闭功能测试时，根据其控制气路管长L管和阀门开启时间t，即可计算其阀杆摩擦阻力，为掌握大型低温气动截止阀润滑状态、识别阀杆卡滞故障隐患、确保系统和设备安全稳定运行提供保障，极大地提高了测试工作效能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、利用现有的控制气源和气路，测量阀门控制气路的管道长度；
S2、测量阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的时间；
S3、利用等温管道一维气体动力学方程，计算阀门气缸的压强；
S4、利用平衡状态的力学方程计算出大型低温气动截止阀阀杆的摩擦阻力；
其中，
低温气动截止阀的气缸用气由后端配气台的集气管供应，气源压力为P源，控制气路管道直径为D管，配气台到阀门气缸的控制气路管道长度为L管，气体流经控制气路管道产生流动阻力损失，气缸处的压力为P缸，气缸缸径为D缸，杆径为d杆，气缸体积为V缸,活塞运动行程为L缸，气缸力为F缸，阀杆活塞运动部件的重力为G重，摩擦力为F摩；
根据等温管道一维气体动力学方程有
Figure FDA0004222397200000011
其中λ为摩擦阻力系数，R为理想气体常数，T为气体温度，等温条件下即为环境温度；G为气体质量流量；
气缸从开始充气运动到上限位置的时间t内，有
Figure FDA0004222397200000012
其中P0为标准大气压力，ρ为标准条件下的控制气的气体密度；将G代入等温管道一维气体动力学方程解算出P缸；
所述步骤S4具体包括：气缸活塞及阀杆的运动近似为匀速运动，其受力为平衡状态，有力学方程：
F缸＝G重sinθ+F摩
Figure FDA0004222397200000013
联立上述公式计算整理可得
Figure FDA0004222397200000021
其中θ为截止阀与水平方向的夹角，D缸、d杆、λ、R、T、V缸、ρ、D管、P0、P源、G重为常数或定值。
2.如权利要求1所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，所述低温气动截止阀外部为双层真空绝热结构，内部核心部件为阀杆、阀瓣、活塞、阀座和气缸，摩擦部位有活塞与气缸壁的摩擦，阀杆与支承结构的摩擦，阀瓣导向杆与阀座导向孔的摩擦。
3.如权利要求1所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，所述步骤S1中阀门控制气路的管道长度L管通过直接测量得到，或者由图纸数据获得。
4.如权利要求3所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，对于阀门开启的情况，管道长度L管为配气台到阀门气缸底部的控制气路管道长度。
5.如权利要求3所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，对于阀门关闭的情况，管道长度L管为配气台到阀门气缸顶部的控制气路管道长度。
6.如权利要求1所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，所述步骤S2中阀门开启时，气缸带动阀杆从下限位置运动到上限位置的阀门开启时间t是记录开始通气时间和阀杆运动到位的时间计算得到的。
7.如权利要求6所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，阀门开启时时间t的具体获取步骤为：阀门由远程上位机电脑控制，上位机电脑单击打开时获得起始时间，此时对应供气管道上的电磁阀开通，控制气体开始沿供气管道往阀门的气缸流动，在气缸的作用下，阀门运动部件开启到位，此时有一个行程到位的触发信号反馈给上位机，获得到位时间，用到位时间减去起始时间获得阀门开启时时间t。
8.如权利要求1所述的低温气动截止阀摩擦力在线测试方法，其特征在于，所述λ与雷诺数和相对粗糙度有关，查表获得控制气路管道相对粗糙度，由莫迪图查询摩擦阻力系数。
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GR01 Patent grant
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