雙向氣動快速開關閥動態特性分析

王成剛　何　凡　劉　俊　晏芙蓉

武漢工程大學，武漢，430205

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雙向氣動快速開關閥動態特性分析

王成剛何凡劉俊晏芙蓉

武漢工程大學，武漢，430205

摘要：基于ADAMS對雙向氣動快速開關閥啟閉過程進行動力學仿真，同時使用AMESim模擬氣動緩沖裝置的最佳安裝位置，設計出以自主研發的雙向沖擊氣缸為動力的雙向快速開關閥。分析結果表明，在0.7 MPa氣源壓力下，雙向氣動快速開關閥開啟、關閉時間一致，均為0.038 s；將氣動緩沖裝置安裝在活塞桿前端距動力轉換裝置初始點20.5 mm處可有效避免因沖擊過快導致的閥板撞擊閥座而引起的部件破壞；閥軸在開關啟閉過程中轉速過快，軸向存在位移，設計閥門時需注意這一點。研究結果為易燃易爆介質場合使用的垂直板式蝶閥的設計提供了參考。

關鍵詞：氣動快速開關閥；動力學模型；旋轉閥；仿真

0引言

目前對高速閥門的研究多以電磁閥[1-2]為對象，然而，一些易燃易爆介質場合(如軍工用高壓氧氣閥門)無法使用電磁閥，此外電磁閥存在大流量和高頻響之間的矛盾。使用氣動閥進行遠距離集中控制或就地控制可解決此類問題，同時還能解決大口徑閥門目前存在的能耗較高的問題。

現有蝶閥采用的是彈簧復位拔叉式傳動機構[3]，各方面性能均滿足使用要求，但因其采用單作用結構，會存在回復彈簧變形問題，并且響應速度很大程度上受氣缸性能的影響[4-5]。為此，本文采用ADAMS仿真技術[6-9]與實驗測試相結合的方法[10-11]，以自主研發的雙向沖擊氣缸為動力，設計了一種快速開關閥，它不存在回復彈簧變形的問題。

1雙向氣動快速開關閥動力學仿真基礎

1.1雙向氣動快速開關閥動力學方程

雙向氣動快速開關閥系統的動力學方程可用非自由質點坐標系表示，用拉格朗日乘子算法處理位置約束和運動約束后得到運動微分方程。

(1)

(2)

式中，λ為約束反力及作用力列陣；F為系統動力學微分方程及用戶定義的微分方程組；Φ為描述約束的代數方程組；G為描述系統速度的方程組。

定義系統的狀態矢量y=(qT,uT,λT)T，式(2)可寫成單一矩陣方程，即

(3)

1.2雙向氣動快速開關閥仿真算法

雙向氣動快速開關閥仿真算法采用Gear預估-校正算法，其核心在于對系統狀態矢量值進行預測，通過分解系統雅可比矩陣進行求解，反復迭代，若預估結果與校正的差值小于規定誤差限，則接受該解，否則重新估計、校正直到滿足收斂條件。

2雙向氣動快速開關閥結構設計

雙向氣動快速開關閥設計特點為：啟閉時間一致，響應快，流量大，因此快速開關閥由雙向沖擊氣缸、蝶閥和動力轉換裝置三部分組成。

如圖1所示，雙向沖擊氣缸作為執行機構為開關閥提供快速穩定的沖擊力與回程力。內置換向閥的雙向沖擊氣缸主要參數見表1。

1.后端蓋　2.后端蓋進氣口　3.后蓄能腔　4.通氣管5.后中蓋　6.無桿腔　7.有桿腔　8.活塞桿　9.前中蓋10.前蓄能腔　11.前端蓋　12.前導氣管　13.前中蓋噴口14.后導氣管　15.蓄能腔進氣口圖1　雙向沖擊氣缸結構圖

氣缸的有效行程(mm)140缸徑(mm)100工作壓力(MPa)0.4～0.8進氣孔管徑(mm)19.793進氣管長度(mm)2000沖擊蓄能腔缸筒長度(mm)100回程蓄能腔缸筒長度(mm)140活塞桿質量(kg)12.325質量塊質量(kg)30

圖2所示為垂直板式硬密封蝶閥，閥門型號為D641-10P,閥板通徑為300 mm，閥軸直徑為50 mm，閥板厚度為30 mm，密封填料摩擦力矩為140 N·m，閥座密封表面層堆焊耐高溫耐腐蝕合金材料，密封圈由不銹鋼片與柔性石墨片相間層疊組成。

圖2　蝶閥結構圖

圖3所示為氣動快速開關閥的動力轉換裝置，閥軸上端部通過花鍵水平固定開槽連接件，并通過活塞桿上的固定滑塊將氣缸沖擊力轉化為閥門的旋擺運動，依靠傳動機構保證密封。由于雙向沖擊氣缸沖擊動能過大，并且該快速開關閥不使用彈簧力回復，因此在閥門開啟過程中如不采取有效措施，雙向沖擊氣缸就會對快速開關閥的其他部件造成破壞，故在動力轉換裝置的末端引進一個氣動緩沖器。活塞桿在氣動緩沖器的作用下減速至零，完成閥門的開啟過程，同時消除過大的動能對裝置造成的沖擊損傷。緩沖器主要參數見表2。

1.氣動緩沖器　2.閥軸　3.滑塊　4.螺母5.活塞桿　6.氣缸圖3　雙向氣動快速開關閥結構圖

可調容積高度(mm)30緩沖腔內徑(mm)43.7緩沖腔活塞直徑(mm)12活塞桿質量(kg)1.495活塞桿長度(mm)30黏性摩擦系數(N·s/m)3容腔初始壓力(MPa)0.5

3雙向氣動快速開關閥實驗測試與仿真分析

在使用ADAMS對快速開關閥進行仿真前，需要獲取仿真所需雙向沖擊氣缸的參數性能，即沖擊氣缸位移與速度之間的關系。為此，采用實驗測試的方法，通過Hotshot mega高速相機捕捉氣缸位移-速度函數，如圖4所示，圖中，p為工作氣源壓力。

圖4　沖擊氣缸位移-速度圖

在0.7 MPa工作氣源壓力下，將0.06 s內雙向沖擊氣缸活塞桿的運動情況以速度函數的形式輸入到ADAMS中。

通過ADAMS對雙向氣動快速開關閥進行動力學仿真，將蝶閥(圖5)的固定約束閥體省略，簡化為閥軸，雙向沖擊氣缸僅作為驅動設備，簡化為活塞桿。通過ADAMS提供的四種約束將開關閥構件組成一個機構系統，見圖6。

圖5　垂直板式　　　　　圖6　氣動快速開關　　蝶閥模型閥簡化約束模型

快速開關閥為垂直板式結構，閥板兩邊受到的水流沖擊力相等，相當于在無水流沖擊下進行仿真。選取閥軸頂端垂直于動力轉換裝置的邊緣點和滑塊頂端圓面中心點為觀察點。氣動快速開關閥未安裝緩沖裝置時的動力仿真結果如圖7所示。活塞桿的速度、位移曲線表明活塞桿在閥門開啟過程中一直加速，在0.01 s和0.015 s時加速度發生突變，這與動力轉換裝置的結構有關，活塞桿最大速度達7 m/s，最大位移為140 mm；閥門在0.005 s之后角速度快速上升，在0.03 s達到角速度最高值78.5 rad/s，并在0.034 s時開始下降，閥門開啟運動比較平緩；閥軸軸向速度始終不為零，由伯努利方程可知，閥軸轉速過快，受到向上的升力。

使用PNJ011-雙氣室單桿插孔元件來模擬氣動緩沖器，在活塞桿的作用下，通過缸體左側緩沖腔內的氣墊來吸收動能，從而達到緩沖的目的。安裝緩沖器時需注意，安裝位置離活塞桿太近會導致閥門不能完全開啟，若太遠則緩沖效果不明顯，閥軸的部分殘余沖擊力會直接作用在密封面上，對其造成破壞。所以緩沖器安裝位置應計算準確，以保證當開關閥開度最大時，閥板的旋轉速度為零并保持不動。閥門運動過程中緩沖器活塞桿應滿足

(4)

式中，ps為緩沖器內部壓力；S為緩沖器截面積；F為活塞桿對緩沖器的作用力；ds為緩沖器內部長度；Lx為緩沖器安裝位置距動力轉換裝置左邊頂點的距離；l為閥門有效轉矩的力臂；M為閥軸有效轉矩。

(a)活塞桿速度-時間曲線　　　　　　(b)活塞桿位移-時間曲線　　　　　　(c)閥軸角度-時間曲線

(d)閥軸角速度曲線　　　　　　　　　(e)y方向速度曲線　　　　　　　　(f)y方向位移曲線　圖7　無緩沖器開啟過程仿真曲線

緩沖器安裝在活塞桿軌跡線的末端，因緩沖器內部長度為30 mm，所以雙向沖擊氣缸的活塞桿在位移L為110～140 mm范圍內的速度取值范圍為6.39～7 m/s。緩沖器在運動過程中速度隨著雙向沖擊氣缸活塞桿速度的減小而減小，因為ds>L>0，所以存在一點使得Lx=L， 此時，Lx即緩沖器安裝的位置。圖8所示緩沖器的位移、速度、壓力曲線表明，緩沖器活塞桿速度降為0時，位移最大值為20.5 mm，緩沖時間為5 ms，即氣動緩沖裝置的安裝位置為活塞桿端部距動力轉換裝置初始頂點20.5 mm處。由緩沖腔壓力曲線可知，在開啟過程中，內部壓力逐漸增大至最大值2.48 MPa。經計算，在內部緩沖壓力取最大值時，緩沖器對雙向沖擊氣缸活塞桿的反作用力遠小于硬密封蝶閥的操作力矩與氣源壓力之和，即緩沖結束后雙向沖擊氣缸不會回彈。

(a)緩沖器活塞桿的位移-時間、速度-時間曲線

(b)緩沖器內部容腔的壓力-時間曲線圖8　氣動緩沖器的仿真曲線

氣動快速開關閥關閉時間不僅與雙向沖擊氣缸節流孔設計、彈簧墊片緩沖設計有關，而且與氣源回程壓力和氣動緩沖器的反作用力有關。由活塞桿位移曲線可知，123.5 mm位移處所對應的時間為0.033 s，因此可計算出雙向快速開關閥開啟時間為0.038 s。由圖9所示的閥門角度變化曲線可知，閥門關閉時間為0.036 s，與閥門開啟時間基本一致。

圖9　閥軸的角度-時間曲線

4結論

(1)本文以自主研發的雙向沖擊氣缸為執行機構，根據流量、響應速度、可靠性的要求，設計出內置氣動緩沖裝置的雙向快速開關閥。

(2)在0.7MPa氣源壓力驅動下，雙向氣動快速開關閥啟閉時間一致，耗時僅為0.038s。

(3)氣動緩沖裝置的安裝位置為活塞桿端部距動力轉換裝置初始頂點20.5mm處，最大內腔壓力達2.48MPa，且緩沖結束后不會導致雙向沖擊氣缸回彈，有效避免了因沖擊過快導致的閥板撞擊閥座而引起的部件破壞。

(4)閥軸在開關啟閉過程中轉速過快，受到向上的升力，因此產生軸向175μm的位移，設計閥門時需注意。

參考文獻：

[1]張小軍，凌寧，朱國偉，等.新型高速開關閥的設計與研究[J].機床與液壓，2001(6)：88-89.

ZhangXiaojun,LingNing,ZhuGuowei,etal.DesignandResearchofNewHigh-speedSwitchingValve[J].MachineTool&Hydraulics,2001 (6): 88-89.

[2]向忠.氣動高速開關閥關鍵技術研究[D]. 杭州：浙江大學，2010.

[3]陸培文.閥門選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[4]張逸芳,王建新. 大型快關氣動蝶閥的設計[J]. 閥門,2011(1):7-10.

ZhangYifang,WangJianxin.DesignoftheLargeQuickly-closeButterflyValve[J].Valve,2001(1):7-10.

[5]BelforteG,MattiazzoG,MauroS,etal.MeasurementofFrictionForceinPneumaticCylinders[J].Tribotest, 2006, 10(1):33-48.

[6]高成國,林慕義. 大流量電液換向閥的動態特性試驗與仿真研究[J]. 中國機械工程,2010,21(3):310-313.

GaoChengguo，LinMuyi.StudyonSimulationandTestforDynamicCharacteristicsofHighFlowElectro-hydraulicDirectionalControlValve[J].ChinaMechanicalEngineering, 2010,21(3):310-313.

[7]羅小輝，傅曉云，李寶仁. 一種高速氣缸模型的仿真研究[J].機床與液壓，2006(8)：150-151.

LuoXiaohui,FuXiaoyun,LiBaoren.SmiulationonHigh-speedPneumaticCylinder[J].MachineTool&Hydraulics, 2006(8): 150-151.

[8]Lin-ChenYY,WangJ,WuQH.ASoftwareToolDevelopmentforPneumaticActuatorSystemSimulationandDesign[J].ComputersinIndustry，2003，51(1)：73-88.

[9]高欽和,宋海洲,劉志浩,等. 高速開關閥在液壓缸起動與到位過程中的速度控制研究[J]. 中國機械工程,2013,24(1):47-51.

GaoQinhe,SongHaizhou,LiuZhihao,etal.ReseachonSpeedControlinStartingandStoppingProcessesofHydraulicCylinderwithHSV[J.]ChinaMechanicalEngineering,2013,24(1):47-51.

[10]KosakuT,NakaokaR,SanoM.DevelopmentofaWebClient-serverSystemforPneumaticCircuitSimulationBasedonBondGraphs[C]//IEEEInternationalConferenceonSystems,ManandCybernetics.YasmineHammamet,Tunisia,Japan,2002:152-157.

[11]YukioT,YukioK,SunaoK.AStudyontheEffectsofFrictionCharacteristicsinPneumaticCylinder[C]//TheInternationalConferenceonFluidPowerTransmissionandControl.Wuhan,2003：352-357.

(編輯蘇衛國)

Dynamic Analyses for Two-way Pneumatic Fast Swiching Valve

Wang ChenggangHe FanLiu JunYan Fureng

Wuhan University of Engineering, Wuhan, 430205

Abstract:A dynamic simulation for opening and closing processes of a high-speed switch valve was set up herein. At the same time, using AMESim simulation pneumatic buffer device to simulate the optimal installation location, a two-way pneumatic high-speed switch valve was designed with the power of self-developed two-way impact cylinder. Analysis results show that, under the air pressure 0.7 MPa, the two-way moving high-speed switch valve’s opening and closing times are in consistent, they are all 0.038 seconds. If the valve plate impacts valve seat too fast, the components will be damaged. The distance between the pneumatic cushioning device and the front end of the piston rod should be as 20.5 mm,both devices are connected by the power conversion device. It is worth mentioned that the speed of valve shaft too fast during the process of switch opening and closing can cause axial displacement. The results provide a reference for design of vertical plate type butterfly valve used in flammable and explosive medium.

Key words:pneumatic high-speed switch valve; dynamics model; rotary valve; simulation

收稿日期：2015-10-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(50976080)

中圖分類號：TH134

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.004

作者簡介：王成剛，男，1974年生。武漢工程大學機電工程學院副教授。主要研究方向為新型化工設備、氣動沖擊裝備及微型傳感器。發表論文20余篇。何凡，男，1993年生。武漢工程大學機電工程學院碩士研究生。劉俊，男，1988年生。武漢工程大學機電工程學院碩士研究生。晏芙蓉，女，1991年生。武漢工程大學機電工程學院碩士研究生。