基于SolidWorks FlowSimulation的比例閥和真空泵的選型與優(yōu)化

張永軍　李躍超

在真空泵和罐體之間裝一臺(tái)比例閥，比例閥和真空泵配合可改變抽速，保證罐內(nèi)恒壓。比例閥根據(jù)壓力變化要求提供維持需要壓力，比例閥與真空泵的選型多數(shù)靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)匹配，往往出現(xiàn)高能耗。通過 SolidWorks FlowSimulation對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析仿真，通過數(shù)據(jù)對(duì)比最優(yōu)化的對(duì)比例閥與真空泵體的選型。

一、問題的提出

在真空設(shè)備和半導(dǎo)體設(shè)備中，常常有這樣的工藝要求，某罐體內(nèi)通入恒定流量的氣體，并且保證罐體內(nèi)恒壓。通常采用方案是由一支流量計(jì)通入恒定流量的氣體，出口連接一臺(tái)真空泵抽氣，在真空泵和罐體之間裝一臺(tái)比例閥，這樣比例閥和真空泵配合可改變抽速，保證罐內(nèi)恒壓。

如圖 1所示是一款真空產(chǎn)品真空氣路圖，工作順序如下。

（1）首先關(guān)閉氣動(dòng)擋板閥 -Φ100、電磁閥、流量計(jì)和電磁充氣閥，比例閥開度 100%，打開氣動(dòng)擋板閥 -Φ16。

（2）然后開啟滑閥泵 -70 L/S預(yù)抽真空，真空度抽至30000Pa時(shí)關(guān)閉動(dòng)擋板閥 -Φ16，比例閥開度 0%，開啟氣動(dòng)擋板閥 -Φ100。

（3）真空度抽至 2000Pa時(shí)，羅茨泵 -300 L/S開啟。

（4）真空度抽至0.5Pa時(shí)，關(guān)閉氣動(dòng)擋板閥 -Φ100、羅茨泵 -300 L/S，開啟電磁閥、流量計(jì)，流量計(jì)保證 0.5 L/ S流量的氬氣。

（5）達(dá)到 0.6atm時(shí)開啟氣動(dòng)擋板閥 -Φ16，比例閥，比例閥和真空泵組成閉環(huán)，由 PLC控制其開度。此設(shè)備大部分時(shí)間在此狀況下工作。

在一個(gè)實(shí)例中，比例閥結(jié)構(gòu)是通徑 Φ20的蝶閥，閥板在 0°～ 90°轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn) 0%～ 100%開啟度。在保證0.6atm恒壓時(shí)，開啟滑閥泵，比例閥開度 8%。其 8%～ 100%調(diào)節(jié)用不到，而且極不靈敏。我們判斷比例閥通徑選大了。選多大合適呢？結(jié)合 SolidWorks FlowSimulation模擬，讓我們尋找合適的比例閥通徑。

SolidWorks Flow Simulation是一款比較經(jīng)典的流體分析軟件，它能解決流體流動(dòng)分析、熱分析、共軛傳熱、瞬態(tài)分析，并能作出漂亮視頻、圖片、圖表及報(bào)表，且易學(xué)易用。除了軟件本身向?qū)降牟僮髁鞒讨猓瑥?qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)可以讓使用者減少搜集分析所需數(shù)據(jù)的工作量。更重要的是與 CAD的無(wú)縫集成，可以實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果驅(qū)動(dòng) CAD參數(shù)。使用者無(wú)需單獨(dú)創(chuàng)建流體域，網(wǎng)格劃分也極大地減少了使用者的工作量。總之無(wú)論是軟件的工程化界面，全中文的在線幫助文檔，都是使工程師不花費(fèi)過多的精力在軟件工具的使用上，而是讓使用者有更多的精力用在產(chǎn)品的創(chuàng)新上（圖 2）。

二、模擬方案選定

事先的假定：由于比例閥結(jié)構(gòu)尺寸很難得到，沒有辦法得到正確的幾何模型，我們將其等效為小于相鄰管徑的圓形通孔。例如，管道通徑 Φ16，將比例閥看成可以調(diào)節(jié)成0～ Φ16一段小管。

方案一：生成所有的結(jié)構(gòu)模型，假定比例閥通徑（例如 Φ10），邊界條件是入口（0.5/0.6） L/S體積流量的Ar（如案例描述中 0.5 L/S的流量是在 1atm下，需要換算在 0.6atm下的流量），出口體積流量 70 L/S，網(wǎng)格化后計(jì)算出現(xiàn)問題，因?yàn)榇藘?nèi)流管道分析問題中有三個(gè)變量，入口壓力、出口壓力和流量，軟件會(huì)根據(jù)已有的兩個(gè)變量計(jì)算第三個(gè)變量，如題入口、出口都指定了流量邊界條件，軟件不支持此種邊界條件的輸入，換句話說入口與出口的質(zhì)量是守恒的。所以此方案行不通。

方案二：分析此案例中零部件，流體在比例閥開度變化過程中，各管道和元器件流動(dòng)參數(shù)比較穩(wěn)定，但在比例閥前后接近的區(qū)域變化較大，因此將比例閥前后掐頭去尾，等效成如圖 3所示結(jié)構(gòu)。

中間 Φ10部分可調(diào)，等效為比例閥閥板。左端為出口邊界條件，抽速 70 L/S。右端不能添加體積流量入口邊界條件，改為 0.6atm總壓。我們計(jì)算比例閥開度為 Φ10時(shí)，右端入口是否為1atm 下0.5L/S 體積流量的Ar。環(huán)境為常溫、0.6atm。調(diào)整比例閥開度，達(dá)到1atm 下0.5L/S 流量時(shí)，此開度即為所求。

三、模擬過程

在 CAD中完成建模，在 FLOW中軟件可以使用【創(chuàng)建封蓋】功能是模型完全封閉，符合內(nèi)流分析的條件。軟件可以自動(dòng)識(shí)別流體區(qū)域，不需要指定流體域（圖 4）。

SolidWorks FlowSimulation的向?qū)Э梢酝瓿煞治鲰?xiàng)目的 75%的定義，包括定義：項(xiàng)目名稱（分析項(xiàng)目可以與CAD配置結(jié)合）、設(shè)置單位、分析類型（內(nèi)流、外流，關(guān)注因素）、默認(rèn)流體（支持子流域、流體混合）、壁面條件、初始條件和網(wǎng)格設(shè)置（可以關(guān)聯(lián) CAD模型的尺寸）等，如圖 5～圖 11所示。

設(shè)置邊界條件壓力和體積流量，定義分析目標(biāo)類型，使用方程式目標(biāo)將入口的體積流量轉(zhuǎn)換為 1atm下的體積流圖8量（圖 12）。

結(jié)果后處理：可以查看網(wǎng)格、切面圖解、等值面、流添加目標(biāo)并定義目標(biāo)的公差范圍（圖 17）。

查看目標(biāo)結(jié)果：可以查看入口、出口的質(zhì)量流量、壓力和速度之間的關(guān)系（圖 14和圖 15）。

當(dāng)比例閥開度等于 Φ10的孔時(shí)，如果需要保存爐體壓力為 0.6atm的壓力時(shí)，需要的流入系統(tǒng)的體積流量在1atm時(shí)為 8.0619 L/S。如果 0.5 L/S的流量維持 0.6atm壓力，需要調(diào)整比例閥開度，利用 Flow的參數(shù)研究功能可以尋找適當(dāng)?shù)谋壤y開度尺寸。

選擇參數(shù)研究中的目標(biāo)優(yōu)化，定義變量為模型孔直徑尺寸，定義參數(shù)的變化范圍 1mm～ 10mm（圖 16）。

添加目標(biāo)并定義目標(biāo)的公差范圍（圖17）。

優(yōu)化算例點(diǎn)（圖 18和圖 19）。

經(jīng)過軟件設(shè)計(jì)點(diǎn)的采樣計(jì)算，按照定義的目標(biāo)。軟件優(yōu)化孔直徑為 Φ2.658mm，取整 Φ2.7mm，符合實(shí)際的比例閥調(diào)節(jié)開度。

運(yùn)用參數(shù)研究中的功能，保持孔直徑為 Φ2.7mm不變，改變出口的體積流體為 70 L/S、60 L/S、50 L/S、40 L/S、 30L/S、20 L/S、10 L/S、9 L/S、8 L/S，記錄對(duì)入口體積流量的變化。添加邊界條件作為變量類假設(shè)分析型為離散值（圖 20）。

定義目標(biāo)參數(shù)輸出（圖 21）。假設(shè)分析結(jié)果輸出（圖 22）。

對(duì)比增大出口的體積流量對(duì)入口的參數(shù)（流量、速度）影響幾乎不變，改變的是出口的流體速度與流體密度（可以將入口、出口的氣體密度作為目標(biāo)參數(shù)），使用出口大體積流量需要更多的能耗、流速過大會(huì)產(chǎn)生設(shè)備震動(dòng)和噪音。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)分析結(jié)果可以判斷選用合適通徑的比例閥。實(shí)際改為 Φ10通徑比例閥。保持爐體內(nèi) 0.6atm時(shí)開度 40%，變化靈敏，精度高。

五、引申

由于抽速大于某個(gè)值，對(duì)壓力和比例閥開度沒有影響，因此可以增加 9 L/S抽速的旋片泵作為維持泵，在保證恒壓時(shí)替代滑閥泵。如圖 23所示。

（1）減少噪音。

（2）減少滑閥泵保養(yǎng)次數(shù)，增加滑閥泵壽命。

（3）降低使用成本，滑閥泵電機(jī)功率 7.5kW，旋片泵電機(jī)功率 1.5kW，價(jià)格 5000元，設(shè)備連續(xù)生產(chǎn) 3個(gè)月，所節(jié)省的電費(fèi)，已經(jīng)高于旋片泵價(jià)格。

六、討論

（1）定義比例閥兩端腔室的壓力為目標(biāo)，同時(shí)使用方程式目標(biāo)表達(dá)壓差，維持壓力不能太低，要保證管道內(nèi)存在流體流動(dòng)時(shí)，本案例成立。

（2）實(shí)際工況，氣體流經(jīng)罐內(nèi)加熱體，但比例閥前后溫差很小，且約等于環(huán)境溫度，因此不考慮溫度變化。

（3）此案例可制作一個(gè)原始模型，解決此類問題。

（4）將一個(gè)復(fù)制的系統(tǒng)問題，提取關(guān)鍵因素，合理的簡(jiǎn)化，是仿真分析的精髓。endprint