氣動增壓閥動態(tài)特性的仿真研究

2015-04-16 11:06:50，，，

液壓與氣動 2015年10期

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(大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院，遼寧大連　116026)

引言

增壓閥可以在不需要增加氣源壓力的情況下，使系統(tǒng)獲得較高的工作壓力。可解決氣路中個別或部分裝置需要使用高壓、主氣路壓力下降不能保證最低使用壓力、氣控遠距離操作不能保證最低使用壓力等問題,因此被廣泛應用于工廠自動化工程[1]。

根據傳統(tǒng)的選型程序來選增壓閥時，要查閱樣本的特性曲線等大量的資料，這不符合現(xiàn)在使用計算機選型的趨勢。為解決上述問題，針對氣動增壓閥充氣過程，建立增壓閥工作的數學模型，利用Simulink軟件進行仿真，研究其各腔的壓力特性。這將為以后計算機選型提供理論支持。

1　增壓閥數學模型的建立

以某公司的增壓閥為例，研究圖1所示的氣罐充填過程的數學模型。其工作原理可以參見文獻[2]。

1.1　模型假設

為了便于模型的分析，對增壓閥工作過程進行如下簡化：各腔室氣體遵守理想氣體狀態(tài)方程；氣體熱力學過程為絕熱過程；在增壓閥的某一設定壓力下，調壓閥的出口壓力恒定；忽略換向閥的動態(tài)響應過程；忽略各個單向閥的動態(tài)響應過程[3]。

1、4.驅動腔　2、3.增壓腔圖1　增壓閥向氣罐充填過程示意圖

1.2　各腔室能量方程

根據熱力學第一定律，增壓閥工作過程中各腔室的壓力方程[4]可以統(tǒng)一表達成：

(1)

設各腔室的初始壓力為pi0,初始溫度為Ti0,則在活塞運動過程中，各腔室內的溫度為：

(2)

式中，i=1,2,3,4,5；k為絕熱系數；R為氣體常數，N·m/(kg·K)；pi為腔室內氣體的壓力，MPa；Vi為腔室的體積，m3；Ti為腔室內氣體的溫度，K；Qin、Qout為流入、流出腔室的氣體的質量流量，kg/s。

當腔室處于充氣狀態(tài)時，有氣體流入，放氣狀態(tài)時，有氣體流出。各腔室的充放氣狀態(tài)隨活塞運動方向的改變而變化，氣罐始終只有氣體流入。

1.3　增壓閥運動方程

增壓閥工作過程中活塞組件的受力情況如圖2所示。

圖2　活塞受力圖

根據牛頓第二定律，增壓閥活塞的運動方程為：

p2(A1-A2)-p4A1-Ff

(3)

摩擦力經驗公式為：

(4)

F2=Bν·|v|

(5)

式中，M為塞桿整體的質量，kg；F1為庫倫摩擦力，N；F2為黏性摩擦力，N；Bν為黏性摩擦力系數；v為活塞運動速度，m/s。

1.4　質量流量方程

根據Sanville F.E.的研究，實際氣動元件的流量可用下式計算[5]：

(6)

(7)

式中，Ae為元件的有效斷面積，m2；pu,pd為元件的上游壓力和下游壓力，MPa；Tu為元件的上游溫度，K；σ為壓力比；b為臨界壓力比，b=0.2～0.5。

2　動態(tài)特性仿真

運用創(chuàng)建的增壓閥系統(tǒng)微分方程，借助Simulink仿真軟件，建立了每個方程的仿真模塊；用S函數編寫了摩擦力模塊、氣體質量流量模塊、流量大小計算模塊和流量流向選擇模塊，其中流量流向選擇模塊是通過判斷活塞在行程起點和終點來實現(xiàn)流量的換向；創(chuàng)建了初始化參數子系統(tǒng)，實現(xiàn)了對初始溫度、初始壓力、節(jié)流面積等參數的賦值，建立了增壓閥運動過程子系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運動方程模塊和各腔室的能量方程模塊組成，通過對流量流向的判定和流量大小的選擇，實現(xiàn)了增壓閥的往復運動，達到了增壓要求。