1 研究背景
泄压阀或泄放阀和减压阀是一种预防水击危害的安全阀，当管道水击发生时，一旦水压超过设计临界值，则阀门迅速开启泄水减压，防止水压的进一步升高，稍后，当水压低于设计临界值时，则阀门缓慢关闭。
泄压阀可分为自立式和他立式。自立式泄压阀是一种不用油压控制和电动控制的防水击破坏的阀门，阀门的启闭完全受输水干管水压控制，特点是：阀门开度随时间的变化在水击过程中是未知量，包括阀门是否会完全开启。他立式泄压阀是需要外力操控的阀门，例如水电站和泵站采用的全油压或者电动控制的调压阀等，一旦发生水击，阀门按照事先规定的开度和时间的关系启闭，不受输水干管水压变化的影响。
先导式泄压阀属于自立式泄压阀，主要划分为两种类型：隔膜式和活塞式。先导隔膜式泄压阀受隔膜材料限制，适用水压范围是小于 1.6 MPa；先导活塞式泄压阀适用水压范围基本上不受限制。
泄压阀的发展历史悠久，已经有很多相关的理论研究成果。早期的泄压阀为弹簧式，阀瓣与阀座的密封靠弹簧的作用力，当水压超过设定值时，泄压阀克服弹簧力瞬时开启放水泄压，一旦水压小于设定值时，泄压阀在弹簧作用下瞬时关闭。Singh［1］和 Krivosheev［2］建立了弹簧式泄压阀的二阶运动方程，以阀进口压力作为激励，分析了泄压阀在工作过程中的稳定性。贾不假和胡松柏［3］定性分析了气弹簧式泄压阀的动作特性。郭崇志和朱寿林［4］采用数值模拟的方法分析了弹簧式泄压阀开启的瞬态动力学问题，包括瞬态流场的变化，以及相关瞬态参数在典型路径上的变化与瞬态开启过程的关系。由于弹簧式泄压阀存在运行稳定性问题，且它的瞬时全关可能产生危险的闭阀水锤，目前正被先导式泄压阀代替。张月蓉等［5］通过对大流量泄压阀建立关于压力和开度的数值试验模型，然后利 用多元非线性回归的方法建立了压力和开度的经验模型。朱万春等［6］针对长输油管道广泛应用的泄压阀，应用 CFD 方法对其内部流场进行了分析计算，指出泄压阀的阻力系数与开度、管径有关，开启压力对泄压阀的阻力系数几乎没有影响。单如健等［7］运用 Fluent动网格和 UDF 技术对某泄压阀管道模型进行数值模拟，结果表明：泄压阀阀芯部分会有明显的节流效应，导致阀内速度的突变；随着管道内压力的增加，管道内部速度总体呈现增大趋势，噪声和速度具有一定的相关性。
目前，在输油管道中已经普遍推广使用先导活塞式泄压阀，它由导阀和主阀组成，通过导阀的启闭来控制主阀的启闭，主阀具有快开慢关的功能，能够迅速开启防止水压的大幅升高，而缓慢关闭可防止自身关阀产生的水击危害。导阀感应水压的变化，反应灵敏，动作迅速，在设定压力的 1%的范围内就能够动作，主阀响应时间小于 0.1s（房旭鹏［8］；张兴等［9］）。梁建军等［10］应用商业软件PIPE2008计算分析了先导式泄压阀对输水工程的水击防护效果，成果在工程中得到应用。
由于先导活塞式泄压阀具有动作灵敏、安全可靠性高、投资小的特点，随着我国输水工程建设的不断发展，它必将会在输水工程的水击危害防护方面发挥越来越重要的作用，但是，目前对这种阀的理论研究尚不成熟，缺乏对其运动规律与结构参数和水力学参数关系的数学描述，使得在应用的过程中存在下述主要问题：
（1）选用时缺乏对影响主阀启闭运动相关因素的了解，包括水压、气弹簧、重力、摩阻力等是如何影响主阀的运动的；
（2）厂家无法提供确切的主阀启闭规律，主阀的开启、关闭时间无法事先设定，只能通过现场调试，由于受事先泄压阀配置的影响，现场调试结果可能与设计预期存在较大差异，达不到水击控制的要求。
因此，系统深入研究先导活塞式泄压阀的主阀的运动规律具有重要的理论和实用意义。本文的主要目的是，基于结构运动力学和水力学原理，首先建立主阀的运动方程，确定各影响因素相互之间的函数关系；然后，根据主阀关闭和开启的水力学特点，重点研究关键结构参数对主阀启闭运动规律的影响，并对主阀关闭过程进行理论解析；最后，通过数值试验研究关键参数对主阀开启和关闭的影响。
