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调节阀—输流管道系统非线性耦合动力学分析

王军  
【摘要】:调节阀-输流管道系统在工业过程控制中占有相当重要的地位,其整体动态特性影响整个工业控制过程的性能。为了分析调节阀-输流管道系统非线性耦合振动特性以及对调节阀阀芯振动特性的影响,本文建立调节阀-输流管道系统模型,采用传递矩阵法求解系统的动力学响应,并分析其非线性行为。论文主要研究工作及成果如下。(1)为了分析输流管道系统非线性耦合动力学行为,基于考虑管道系统运动耦合、管道与液体的摩擦耦合和泊松耦合的动力学方程,经Galerkin方法以及多体系统时间离散方法,建立了输流管道系统传递矩阵模型;以流速为参数分别对输流管道轴向和横向运动进行动力学分析。研究表明:由于耦合非线性因素增加了系统除固有频率成分外的其他频率成分,在无量纲流速0-7内,系统拟周期运动明显,当无量纲流速继续增大,系统振动幅值变化迅速,出现发散、失稳状况。(2)为了研究非线性流体力、摩擦力对调节阀阀芯振动的影响,建立了气动薄膜单座式调节阀阀芯系统的非线性运动微分方程,数值求解了不同工况下阀芯系统固有特性和动态响应,并与线性模型进行了对比。研究表明:对于给定开度,随着压差增大,调节阀阀芯系统固有频率增大,流体力增大,阀芯偏移量增大;对于给定压差,随着开度增加,阀芯系统固有频率减小,流体力减小,阀芯偏移量越小;相同工况下,考虑非线性因素计算的流体力比线性模型计算的流体力增大量在150N以内,非线性模型相对于线性模型计算的偏移量的增大量在10%以内,因此,在调节阀设计中必须充分考虑非线性因素。(3)为了研究调节阀-输流管道系统耦合动态特性,建立了调节阀-输流管道整体系统的传递矩阵模型,分析了不同工况下阀芯振动特性,并与无管道调节阀阀芯振动特性进行对比。研究表明:带管道调节阀阀芯系统流体力、偏移量变化趋势和无管道阀芯变化趋势相同,即压差增大,流体力和阀芯偏移量增大,开度增大,流体力和阀芯偏移量减小;管道影响阀门入口的流体压力状态使得阀芯运动动力学行为由单周期稳定运动变成了拟周期运动,增加了阀芯运动的不稳定因素,因此在调节阀控制中应该考虑管道对阀的影响。


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