基于AMESim的高壓氣動減壓閥的穩定特性

， 　， ， (蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州　730050)

引言

隨著霧霾天氣影響不斷加重，石化燃料消耗量日益增加，在環境惡化和經濟發展的雙重壓力下，氫能源作為一種理想的新的合能體能源，以其特有的性質越來越受到人們的重視。隨著汽車行業、氫能源汽車逐步發展，高壓氣動減壓閥是氣動汽車中氫氣輸運系統中重要的控制元件。為保證燃料電池所需的工作壓力的恒定，經過減壓閥后的輸出壓力值應不會隨著流量和輸入壓力的變化而變化[1]。但由于依靠節流實現減壓的氣動減壓閥，在減壓過程中勢會有較大的能量損失，而氣動汽車所攜帶的能量是有限的，能量的損失將會降低系統的利用率。基于此高壓氣動減壓閥既快速又穩定減壓，使能量損失較少就成為了關鍵問題[2]。

本研究選擇一種帶有先導穩定流量器的高壓氣動減壓閥，采用AMESim 軟件對其進行建模仿真，研究其壓力和流量控制特性[3]，是否滿足氫能源汽車輸氣控制的要求。

1　高壓氣動減壓閥結構及原理

1.1　高壓氣動減壓閥結構

圖1所示,先導式高壓氣動定壓比例減壓閥，其結構為主閥口常閉型減壓閥，主要由主閥、先導閥、控制器、比例電磁鐵等組成。先導閥采用錐閥結構，主閥采用具有錐閥和滑閥的結構形式。當B口沒有壓力時，調節彈簧9使主閥芯組件處于進口A和出口B斷開狀態，當高壓氣體先經過進口A和先導流量穩定器，進入主閥彈簧腔，再通過阻尼口8進入主閥下腔，上、下腔形成壓差，將主閥打開后，減壓原理同常開型一致。

1.主閥體　2.復位彈簧　3.反饋腔　4.主閥芯　5.密封擋圈 6.主閥座　7.活塞　8.阻尼口　9.調節彈簧　10.調壓腔 11.先導流量穩定器　12.先導閥體　13.先導閥芯　14.比例電磁鐵

1.2　氣動減壓閥中先導流量穩定器

如圖2，先導流量穩定器由兩個氣阻構成，活塞上細長孔R0為固定氣阻，軸向移動的活塞與閥套后部徑向小孔構成可變氣阻R1。可以看出，先導流量穩定器實際上是按氣動B型半橋原理工作。當進口壓力pA升高時，活塞左右原有的氣壓力與彈簧力的平衡被破壞，氣壓力的升高推動閥芯向右移動，閥套上徑向小孔被活塞擋住一部分，使孔開度關小，可變氣阻R1增大。由于閥芯向右移動，內腔體積變小，壓力pR增大，固定氣阻R0前后的壓差pA-pR保持不變，使的流過固定氣阻R0與可變氣阻R1的流量保持基本不變，當pA減小時，pR也減小，R0前后壓差與流過流量也基本保持不變。因此，在進口壓力波動的情況下先導流量穩定器很好地保持先導閥進氣腔和主閥調壓腔的流量穩定。

圖2　先導流量穩定器

2　高壓氣動減壓閥數學模型分析

AMESim軟件平臺中的物理模型參數的調整與設置需基于模型對象底層的數學模型，對高壓氣動減壓閥仿真之前，首先需要分析高壓氣動減壓閥的數學模型，在此基礎上進行物理模型搭建，可以合理高效地設置模型參數，對物理模型進行優化及故障分析與檢測。本節將對高壓氣動減壓閥的核心部件及概念進行數學模型分析。

2.1　模型的假設條件

為方便模型的建立和簡化，作如下假設：

(1) 氣體通過高壓氣動減壓閥的閥口可看作一個等效的收縮噴嘴來計算；

(2) 氣體在各閥口或節流通道中的流動為絕熱流動；

(3) 氣源溫度為環境溫度T=293 K；

(4) 不計密封比壓及密封不良造成的氣體泄漏；

(5) 不考慮重力場的影響。

2.2　高壓氣動減壓閥主閥模型

先導式減壓閥基于流量連續性方程和力學平衡方程。氫氣具有可壓縮性，工作過程中在減壓閥的各個容腔中會發生體積的改變[4]。為了簡化計算，將氣動技術中氣流通過的氣動回路(氣動元件和連接元件的氣管組成)經過的管道系統等效成收縮噴嘴或節流小孔來計算，在根據具體的要求修正各個參數。因此，氣體在各個閥口的流動可視為經過收縮噴管流動，流量方程為[5,6]：

(1)

式中：

式中：κ為氣體絕熱指數，氫氣κ為1.4；Cd流量系數；T為系統溫度(K)；S為閥口節流面積(m2)；pu、pd為前、后腔壓力(Pa)。

1) 主閥口流量方程

根據式(1)，可得到：

(2)

2) 主閥閥芯動態力平衡方程為：

(3)

式中：Ff1為主閥芯受到的摩擦力；Ffl為氣體流動作用力；pB、pt分別為減壓閥輸出壓力值、調壓腔壓力值；m1為主閥閥芯的質量；x為主閥閥芯位移；β1為主閥閥芯的阻尼比；K1、K2為主閥預緊彈簧、主閥復位彈簧剛度；x01、x02為主閥預緊彈簧、復位彈簧預壓縮量；A1、A2、A3為活塞在出口腔側、調壓腔及復位彈簧腔氣體壓力的作用面積。

2.3　先導穩定流量器模型

從主閥引出的氣流通過細長孔到先導穩定流量器，即氣體從A腔流向先導穩定流量器彈簧腔的流量記為q先，在細長管中的流動為層流，其質量流量為：

(4)

式中：μ為氣體的黏度(Pa·s)；d為細長孔的直徑(m)；g為重力加速度(m/s2)；ld為細長孔的長度(m)。

2.4　高壓氣動減壓閥先導閥模型

先導閥芯動態力平衡方程為：

pcA4-pBA3-Ff2-Ffl

(5)

式中：Ff2為先導閥芯受到的摩擦力；Ffl為氣體流動作用力；Fe比例電磁鐵輸出的推力；pc為先導流量穩定器輸出的壓力值；m2為主閥閥芯質量；y為先導閥閥芯的位移；β2為先導閥閥芯的阻尼比；K3為先導閥復位彈簧剛度；y0為先導閥復位彈簧預壓縮量；A3為復位彈簧腔氣體壓力的作用面積；Ay、A4為先導閥出氣腔、進氣腔中氣體壓力對閥芯的作用面積。

3　高壓氣動減壓閥仿真模型

3.1　建立仿真模型

帶先導流量穩定器的比例減壓閥模型，見圖3。

1.壓力氣源　2.先導流量穩定器　3.先導閥　4.主閥

3.2　設置仿真模型參數

仿真模型中主要的參數設置如下：氣體介質為氫氣，氣態氫密度為0.0899 g/L。壓力出口設定壓力為5 MPa;先導閥控制電流600 mA,先導閥芯質量為0.073 kg,先導閥芯直徑為4.2 mm;先導流量穩定器最大位移為10 mm, 先導流量穩定器彈簧剛度3.8 N/mm；主閥調節彈簧剛度為25 N/mm；主閥閥芯質量為0.1 kg。

4　仿真結果分析

4.1　減壓閥靜態特性

圖4為減壓閥壓力特性曲線，由曲線可知：輸入減壓閥的壓力在0～35 MPa范圍內變化，輸出壓力對輸入壓力的響應盡管出現振蕩，但很快就會穩定于期望值上(5 MPa),即高壓氣動減壓閥的響應具有收斂的性質。

圖4　減壓閥壓力特性

圖5為流量特性曲線，由圖得出：隨著減壓閥主流量的增加，減壓壓力逐漸下降，但下降幅度極小，具有良好的負載能力。

圖5　減壓閥流量特性

由圖6分析可知：曲線1為帶先導穩定流量器的比例減壓閥，超調量為10%。曲線2為傳統先導比例減壓閥，超調量達到20%；對比表明：帶先導穩定流量器的比例減壓閥其超調量小，振蕩衰減快，即帶先導穩定流量器的比例減壓閥穩定性與快速性更好。

圖6　帶先導穩定流量器型與傳統型先導減壓閥

4.2　 主要參數對輸出穩定性影響分析

1) 先導閥彈簧彈簧剛度的影響

如圖7所示，保持其他參數不變，先導閥彈簧剛度不同情況下，對減壓閥輸出壓力的影響。彈簧的剛度分別設置為15 N/mm、20 N/mm、25 N/mm。

圖7　先導閥復位彈簧剛度對減壓閥輸出壓力影響

由圖7仿真結果表明：當彈簧剛度增加時，減壓閥出口壓力波動幅度減小，穩定性好，在短時間內達到穩定的壓力輸出。反之，隨著彈簧剛度的減小，閥出口波動幅度變大，頻率變高，在較大的出口壓力波動的影響下，到達平衡位置的時間變長。

2) 先導流量穩定器的活塞阻尼孔直徑的影響

圖8為不同先導流量穩定器的活塞阻尼孔直徑的情況下，對減壓閥輸出壓力影響曲線。活塞阻尼孔直徑分別設置為0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm。

圖8　活塞阻尼孔直徑對輸出壓力影響

由圖8的仿真結果表明：隨著先導流量穩定器的活塞阻尼孔直徑增大，減壓閥輸出穩定壓力為5 MPa不變；但其開啟時,隨著活塞阻尼孔直徑增大，壓力振蕩越大，穩定時間增大，動態響應變慢；當活塞阻尼孔直徑為0.2 mm時在0.2 s以后才可穩定；直徑為0.4 mm 時在0.1 s就可達到穩定；當活塞阻尼孔直徑為0.8 mm時，雖動態響應快，但輸出壓力的穩定性差。

3) 主閥復位彈簧彈簧剛度的影響

如圖9保證其他的參數不變，主閥的復位彈簧剛度不同情況下，對減壓閥輸出壓力的影響。彈簧的剛度分別設置為35 N/mm、40 N/mm、45 N/mm。

圖9　主閥復位彈簧剛度對減壓閥輸出壓力的影響

由圖9仿真結果表明：當彈簧剛度小時，輸出壓力超調量大；隨著剛度增加時，減壓閥輸出壓力的穩定性也在變強，壓力顫動的振幅變小，且到達穩定狀態所需的時間也減少，但增大彈簧的剛度會增大閥的尺寸。

4) 出口腔的容積變化對減壓閥動態響應影響

圖10為出口腔的容積變化對減壓閥動態響應的影響曲線。仿真中的出口腔體積分別為設計值的200%、100%和50%。

圖10　主閥不同出口容積對輸出壓力影響

由圖10仿真曲線表明：隨著出口容積變小，氣體在閥口處急劇收縮，然后開始釋放，所以出口體積過小會影響氣體的釋放，會造成很大的壓力波動；因此適當增大出口腔容積是很有必要的。經過閥口的高速氣體在較大的出口容腔中能夠緩慢釋放，能夠有效降低壓力梯度，減小壓力波動，表現在曲線上為震蕩幅值和超調量相對較小。

5　結論

(1) 用AMESim軟件對高壓氣動減壓閥進行仿真，通過合理的建模與參數設置，可知帶有先導穩定流量器的高壓氣動減壓閥在高壓化減壓時，其出口壓力穩定、壓力振蕩小、動態響應快；能夠有效地抑制出口的壓力波動；

(2) 在設計先導式高壓氣動減壓閥時，采用基于氣動半橋原理的先導穩定流量器結構；同時，適當地增大主閥復位彈簧剛度，先導穩定流量器活塞阻尼孔，出口腔容積的增大，可提高閥的輸出壓力的穩定性和快速性。

參考文獻：

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