气动增压阀动态特性的仿真研究

2015-04-16，，，

液压与气动 2015年10期

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(大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院，辽宁大连　116026)

引言

增压阀可以在不需要增加气源压力的情况下，使系统获得较高的工作压力。可解决气路中个别或部分装置需要使用高压、主气路压力下降不能保证最低使用压力、气控远距离操作不能保证最低使用压力等问题,因此被广泛应用于工厂自动化工程[1]。

根据传统的选型程序来选增压阀时，要查阅样本的特性曲线等大量的资料，这不符合现在使用计算机选型的趋势。为解决上述问题，针对气动增压阀充气过程，建立增压阀工作的数学模型，利用Simulink软件进行仿真，研究其各腔的压力特性。这将为以后计算机选型提供理论支持。

1　增压阀数学模型的建立

以某公司的增压阀为例，研究图1所示的气罐充填过程的数学模型。其工作原理可以参见文献[2]。

1.1　模型假设

为了便于模型的分析，对增压阀工作过程进行如下简化：各腔室气体遵守理想气体状态方程；气体热力学过程为绝热过程；在增压阀的某一设定压力下，调压阀的出口压力恒定；忽略换向阀的动态响应过程；忽略各个单向阀的动态响应过程[3]。

1、4.驱动腔　2、3.增压腔图1　增压阀向气罐充填过程示意图

1.2　各腔室能量方程

根据热力学第一定律，增压阀工作过程中各腔室的压力方程[4]可以统一表达成：

(1)

设各腔室的初始压力为pi0,初始温度为Ti0,则在活塞运动过程中，各腔室内的温度为：

(2)

式中，i=1,2,3,4,5；k为绝热系数；R为气体常数，N·m/(kg·K)；pi为腔室内气体的压力，MPa；Vi为腔室的体积，m3；Ti为腔室内气体的温度，K；Qin、Qout为流入、流出腔室的气体的质量流量，kg/s。

当腔室处于充气状态时，有气体流入，放气状态时，有气体流出。各腔室的充放气状态随活塞运动方向的改变而变化，气罐始终只有气体流入。

1.3　增压阀运动方程

增压阀工作过程中活塞组件的受力情况如图2所示。

图2　活塞受力图

根据牛顿第二定律，增压阀活塞的运动方程为：

p2(A1-A2)-p4A1-Ff

(3)

摩擦力经验公式为：

(4)

F2=Bν·|v|

(5)

式中，M为塞杆整体的质量，kg；F1为库伦摩擦力，N；F2为黏性摩擦力，N；Bν为黏性摩擦力系数；v为活塞运动速度，m/s。

1.4　质量流量方程

根据Sanville F.E.的研究，实际气动元件的流量可用下式计算[5]：

(6)

(7)

式中，Ae为元件的有效断面积，m2；pu,pd为元件的上游压力和下游压力，MPa；Tu为元件的上游温度，K；σ为压力比；b为临界压力比，b=0.2～0.5。

2　动态特性仿真

运用创建的增压阀系统微分方程，借助Simulink仿真软件，建立了每个方程的仿真模块；用S函数编写了摩擦力模块、气体质量流量模块、流量大小计算模块和流量流向选择模块，其中流量流向选择模块是通过判断活塞在行程起点和终点来实现流量的换向；创建了初始化参数子系统，实现了对初始温度、初始压力、节流面积等参数的赋值，建立了增压阀运动过程子系统，该系统由运动方程模块和各腔室的能量方程模块组成，通过对流量流向的判定和流量大小的选择，实现了增压阀的往复运动，达到了增压要求。