压力倍放高精感知机构应用研究

Application Research of High-precision Sensing Mechanisms Based on Pressure Amplification

摘要

针对现有燃气自闭阀在泄漏工况下切断响应滞后的问题，将压力倍放高精感知机构作为先导控制机构集成于阀体，利用其压力倍放效应实现高精度感知与驱动；通过FLUENT流场仿真揭示了压力倍放单元对压力感应区域的动态作用机制，明确了微小流量变化触发指数级压降跃升的过流切断机理；最后搭建了燃气泄漏实验系统并进行了实验验证。结果表明：应用该机构的燃气自闭阀可在流量达到1.211 m³/h时精准切断，与理论设定值偏差仅为0.0107 m³/h，压降数学模型预测准确，理论与实验值的平均绝对百分比误差为4.19%，证实了压力倍放单元在燃气自闭阀中应用的有效性。

Abstract

Aiming at the problems of delayed shut-off response in existing gas self-closing valves under leakage conditions， based on pressure amplification a high-precision sensing mechanism was integrated into the valve body as a pilot control mechanism， utilizing the pressure amplification effects to achieve high-precision sensing and actuation.Through FLUENT flow field simulation， the dynamic mechanism of the pressure amplification unit's effect on the pressure sensing region was revealed， clarifying the overcurrent shut-off mechanism whereby minute flow changes trigger an exponential pressure drop surge. A gas leakage experimental system was constructed for validation. The results indicate that the gas self-closing valve equipped with the mechanisms may accurately shut off at a flow rate of 1.211 m³/h， with a deviation of only 0.0107 m³/h from the theoretical set value. The pressure drop mathematical model predicts accurately， showing a mean absolute percentage error（MAPE） of 4.19% between theoretical and experimental values， demonstrates the effectiveness of the pressure amplification unit applied in gas self-closing valves.

Graphical abstract

关键词

压力倍放 / 高精感知机构 / 燃气自闭阀 / 流场特性分析

Key words

pressure amplification / high-precision sensing mechanism / gas self-closing valve / flow field characteristic analysis​

Author summay

贺乐君，男，2001年生，硕士研究生。研究方向为机电液一体化。E-mail：[e-mail]

习毅^*（通信作者），男，1988年生，副教授。研究方向为流体传动与控制、机电液一体化。发表论文11篇。E-mail：[e-mail]。

0 引言

近年来，因灶具、管道等部件老化或受损导致的燃气泄漏与爆炸事故频发，已成为继交通事故、工伤之后的第三大安全威胁，造成严重社会损失^［1］。燃气自闭阀能够实时监测管路异常并自动切断气源^［2］，正逐步推广。然而，现有产品在感知灵敏度方面差异较大，提高其检测精度与智能化水平是行业关键发展方向。

燃气自闭阀作为一种安全装置，其核心在于能够实时监测管路压力、异常流量，并在发生异常时自动关断气源，从本质上预防事故发生。在安全阀领域中，陈俊翔等^［3］采用多目标粒子群算法对高压螺纹插装溢流阀进行结构优化，解决了多性能参数耦合难题，显著提高了其压力稳定性、动态响应等综合性能；周国强等^［4］设计了一种新型双级安全阀，旨在解决液压支架抗冲击性与稳定性不足的问题；ZONG等^［5］通过实验揭示了调节环位置与喷嘴厚度对安全阀升力稳定性的关键影响，为优化阀门设计、消除运行不稳定性提供了重要依据；GUO等^［6］设计了一种直动与差动相结合的两级安全阀，通过仿真与实验验证了它在小冲击下能灵敏开启卸压，有效提高了液压支架的压力稳定性；ZHOU等^［7］针对输油管道水击防护需求，通过建模仿真分析了先导式安全阀的关键参数对主阀关闭特性的影响规律，为提高安全阀在压力波动下的可靠性设计提供了理论依据；KESZTHELYI等^［8］评估了安全阀稳定性预测模型，发现力平衡与压力波模型均无法准确预测失稳条件，阀杆摩擦等随机参数使失稳呈随机过程；ZHENG等^［9］通过建立包含管道系统的全参数高保真CFD模型，成功模拟了多源力耦合作用下安全阀的颤振机理，为优化泄压系统设计提供了重要依据。李树勋等^［10］提出一种结合高精度系统模型与改进优化算法的方法，旨在解决安全阀动态性能难以精准预测和有效优化的问题；王慧等^［11］通过多目标遗传算法优化航空安全阀结构参数，旨在解决其压力超调与响应迟滞问题，使得优化后阀门动态性能获得有效提升；梅元贵等^［12］建立了考虑压力保护阀工作状态的车内压力计算方法，解决了现有模型预测精度不足的问题；LI等^［13］针对安全阀排气过程中气动噪声难以准确预测的问题，提出了一种综合考虑偶极子源和四极子源的数值模拟新方法。

综上所述，在安全阀领域，针对如何提高流量异常切断灵敏度的研究较少，本文旨在将压力倍放高精感知机构应用于燃气自闭阀中，以提高其流量异常切断精度。首先将该单元作为先导控制机构集成于阀体，利用其压力倍放效应实现高精度感知与驱动；然后通过FLUENT流场仿真，揭示压力倍放单元对压力感应区域的动态作用机制，明确微小流量变化触发指数级压降跃升的过流切断机理；最后搭建燃气泄漏实验系统对所述机构与方法的有效性进行验证。

1 压力倍放单元在燃气自闭阀中的应用

1.1 基于压力倍放的高精感知自闭原理

燃气自闭阀能够在燃气管路的流量或压力出现异常时自动切断，其核心是能对管路异常变化感知发现并通过机械动作执行关闭功能。将设计的压力倍放单元应用到燃气自闭阀中，其高精度感知切断的系统原理如图1所示。

基于文献［14］的研究，压力倍放单元的出口压力p₁与流量q_V 的数学模型如下：

p_{\mathrm{1}}=p-\frac{\rho q_V^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}[\frac{\epsilon }{A_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}+\frac{\mu l}{\mathrm{2}{(\mathrm{\pi }d)}^{\mathrm{2}}{\delta }^{\mathrm{3}}}+\frac{\mathrm{1}}{(C_{\mathrm{d}}A{(x))}^{\mathrm{2}}}+\frac{\mathrm{1}}{(C_{\mathrm{d}}{A)}^{\mathrm{2}}}]

式中：p为进口压力；p₁为压力倍放单元出口压力；\rho为燃气密度，ρ=1.255 kg/m³；\epsilon为局部损失系数，ε=0.186；\mu为摩擦因数，\mu=0.0031；C_d为流量系数，C_d=0.721；C_dA（x）为动态流量系数，C_dA（x）=2.848x⁵-14.59x⁴+26.13x³-26.39x²+10.41x+17.73；x为阀芯位移。

该系统感知并执行的原理为：当流量超过阈值时，阀芯在压力的作用下克服弹簧力向右移动，导致阀芯与保持架之间的过流面积A（x）减小，此时，根据式（1）的压降关系，出口压力p₁降至低压阈值以下，压力控制系统的气压力F_{p_{\mathrm{1}}}低于弹簧力F_spring，触发橡胶皮膜带动拉杆下移，进而通过联动机构驱动轴向推杆向右移动并压紧密封组件完成密封切断动作。

1.2 高精感知燃气自闭阀结构实现

基于图1原理开发的某型号燃气自闭阀结构如图2所示，其工作原理是：当进口燃气压力超过高压设定阈值时，橡胶压力感应膜片在流体压力作用下产生径向变形（向上突起），此形变通过径向联动拉杆转化为轴向位移，驱动推杆机构沿轴向产生右移，使推杆端部与密封组件实现面接触密封，切断燃气通路；当进口压力低于低压临界值时，弹簧复位机构克服流体压力，驱动径向联动拉杆产生向下位移，该运动使推杆机构产生轴向右移，并与密封组件面接触，确保在欠压工况下可靠切断燃气；当进口压力处于正常工作范围时，橡胶压力感应膜片产生的形变力与复位弹簧力平衡，推杆机构及径向联动拉杆保持居中位置，燃气通路维持导通状态；当管路流量异常增大时，压力倍放单元被触发，在其出口处产生一个显著的低压区，该低压信号传递至橡胶压力感应膜片，破坏其原有的力平衡，在弹簧作用下带动联动机构动作，最终驱动推杆右移，实现过流切断。

设计的该燃气自闭阀通过机械联动装置将压力信号转化为阀门动作，基于流体压力与机械传动的协同作用实现燃气系统的压力异常保护功能，仅依靠系统内部力学平衡状态的改变触发保护机制，无需外部能源供给，从而保障用气安全。

2 阈值流量下的压力倍放切断原理分析

为深入探究压力倍放单元的过流切断机理，本文选取阀芯运动的三个特征位置进行流场特性分析：①正常工作位（x=2 mm）：阀芯与压降跃升区间隙最大，流阻可忽略；②开始切断位（x=1.5 mm）：间隙缩小，压降随流量微小增大显著上升，触发流量控制；③最大切断位（x=0.155 mm）：压差达7.2 kPa，满足最大工况切断需求。

2.1 阈值流量下速度场特性分析

压力倍放单元流场模型为中心面对称结构，选择中心对称面为研究面，通过数值模拟获得三个特征位置下的速度云图见图3。当阀芯处于正常工作位与开始切断位之间时，高速流体在入口稳流区、先导感知区、出口平衡区均有分布；当阀芯位移至开始切断位之后，高速流体仅分布在阀芯与出口平衡区形成的间隙区；当阀芯位于最大切断位时，最大流速为79 m/s，由于该区域流速激增，导致此区域压降较大，故压力倍放单元通过阀芯位移至该区域进行过流切断。

2.2 阈值流量下压力场特性分析

图4为流场的压力分布云图。阀芯在正常工作位与开始切断位之间，阀体入口稳流区形成高压区，在先导感知区与出口平衡区呈现明显的压力梯度变化。当阀芯处于最大切断位时，仅在压降跃升区有显著的压力梯度，因此处压降较大，压力倍放单元通过阀芯运动至此，使得压力控制系统形成低压效应，进而驱动燃气切断系统进行燃气切断。

由流场分析结果可知：微小的异常流量变化首先驱动阀芯位移，此位移主动调控流场结构，引发局部压降的急剧跃升；该压降变化进一步作用于阀芯，进而推动其运动直至完全切断。这一“流量-位移-流场-压降”的正反馈机制使得系统对微小异常流量变化极为敏感，是实现高精度感知与快速切断的根本原因。

3 高精感知实验与分析

3.1 流量变化感知实验设计

为研究燃气自闭阀的燃气泄漏切断特性，设计图5a所示的实验系统。系统由气源、一级调压阀、二级调压阀、流量传感器、压力传感器、内置压力倍放单元的燃气自闭阀、排气阀组成，各组件通过管路依序连接形成测试回路。

实验步骤如图5b所示：燃气依次流经一级调压阀、二级调压阀、流量传感器、压力传感器1、燃气自闭阀内部压力倍放单元、压力传感器2、燃气自闭阀本体，最终通过排气阀排出。首先将气源的压力恒定在0.6 MPa，燃气经一级调压阀粗调至8 kPa左右，再通过二级调压阀将燃气自闭阀入口压力精准调节至2 kPa，并且通过排气阀将入口流量稳定控制在0.9 m³/h初始状态；待系统稳定后，采取逐渐升压的方式将入口压力逐渐提高，从而稳定提高燃气自闭阀的入口流量，直至燃气自闭阀发生过流切断，重复实验三次并记录数据。

3.2 实验结果与分析

为验证压降数学模型与阀芯动力学模型的准确性与弹簧优化的可行性，本文搭建了燃气泄漏实验台，开展了流量-压降特性实验与过流切断功能测试。

以实验测得的入口压力与流量作为输入，通过高精感知数学模型计算理论出口压力与压降值，绘制理论流量-压降特性曲线，如图6、图7所示。对比理论与实际的流量-压降特性曲线可知，理论压降与实际压降趋势高度一致，且根据文献［14］的方法进行评估，理论出口压力与实际出口压力的平均绝对百分比误差（MAPE）为4.19%，表明压降数学模型可精准预测压力倍放单元的流场特性。

如图7所示，当压力倍放单元入口流量达到1.211 m³/h时，流量超出弹簧可调节范围，阀芯在压差作用下迅速向右移动，又因此时距出口仅有1.2 mm，则切断时间较短，压力传感器无法直接测量出其切断过程的压降变化。

触发过流切断动作后，燃气被完全切断，此时因没有燃气流动，阀芯在弹簧的作用下复位，阀芯前后压差恢复一致且稳定于一级调压阀粗调压力。实验切断流量较理论计算流量高，是由于理论压降数学模型的阀芯前后压降较实验阀芯前后压降高，但其误差值仅为0.0107 m³/h，在允许误差范围内。

4 结论

针对燃气泄漏工况下燃气自闭阀切断响应滞后的问题，本文开展了压力倍放高精感知机构在燃气自闭阀中的应用研究。通过流场仿真与实验验证相结合的方法，分析了该机构的流场特性与阀芯运动间的动态耦合机制，并验证了其实际切断性能。主要结论如下：

1）通过FLUENT流场仿真，揭示了压力倍放单元在阈值流量下对压力感应区域的动态作用机制，明确了微小流量变化触发指数级压降跃升的过流切断机理。

2）搭建燃气泄漏试验系统进行验证，结果表明：应用该机构的燃气自闭阀可在流量达到1.211 m³/h时精准切断，与理论设定值偏差仅为0.0107 m³/h，压降数学模型预测准确，理论值与实验值的平均绝对百分比误差（MAPE）为4.19%。

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基金资助

国家重点研发计划(2024YFB3815005)

宁波市“科创甬江2035”关键技术突破计划(2024Z161)

宁波市“科创甬江2035”关键技术突破计划(2025Z142)

湖南省教育厅科学研究项目(23B0496)