自然排烟窗（气动）推杆组运动规律研究

应科 胡月

摘要：在研究气动自然排烟窗搭载气动推杆的系统状态问题，尤其是在尝试使用计算流体力学方法时，气动推杆的工作规律尤为重要。因此，对给定三个类型气动推杆在一定供气及负载条件下的运动规律进行了实验探究，并给出从中得出经验公式的方法。同时，对一个实物气动系统工作状态下的气压变化进行了多组实验，以尝试从中比较供气消耗、运行时间等参数与不同系统变量之间的关系。

关键词：气动排烟窗；气动推杆；运动规律

1 概述

本文的出发点为借助计算流体力学研究空压机输气带动气动推杆组的气动系统。在通过计算流体力学研究气动推杆系统时，为了实行可靠的计算，除了初始条件与边界条件，需要气动推杆的工作条件为计算的支撑。

其一，由于气动推杆活塞可活动，需要对气动推杆活塞的运动规律进行定义。通过对系统中存在的不同类型气动推杆活塞的运动规律进行定义，使得模拟系统中的活塞可以确定某时刻在特定压力差下的速度变化，以界定瞬时进气与出气区域大小，从而确保计算所得数值足够精确。

其二，对于软件计算所得的结果，需要用一定的实际系统数据进行比对修正。由于实际环境存在的各种干扰（摩擦、温差等）及软件建模中不可避免的简化操作，会使计算所得与真实数据产生一定程度的偏差。通过实验结果与计算值的比对，借以提高模拟的准确性。

本文将针对上文中提到的两种计算所需条件的获取进行探究，并对所得结果进行简要分析。

2 实验材料

本实验使用了尺寸为2m×1.3m×2m（L×W×H）的铝合金框架作为实验场所，并在上固定10根1.5m钢制横梁用以悬挂气动推杆进而模拟安装有气动推杆的自然排烟窗。在气动推杆的选择上，实验中采用了三种共计25台气动推杆，使用气动推杆种类及参数见表1。

其中，D40气动推杆10台，D50a气动推杆4台，D50b气动推杆11台。

实验中使用的空压机型号为HET90，最大输出压力为1.26MPa，储气容量为160L，充满时满足整个系统开合需求。输气管材质为PU，外径有6mm、8mm、10mm三种规格，管件使用快接接头。实验中使用了具有开关功能的控制箱，根据开关不同可交换气源进气出气方向。负载悬挂在气动推杆连杆下方，重量从5kg到30kg不等。

3 实验内容

实验的思路为在不同负载与压力下测试活塞沿时间的运动轨迹，并从中得出适用于实验范围的经验方程。为了保证供气接近充足，仅有所研究的一台气动推杆与控制箱相连，连接的进出气管尽可能短，以减少气压在管路中的延迟与耗散。运动规律实验组别见表2。

在推杆顶端进行标记，并设置高度参照物以确定上升/降下高度。本实验将开启曲线与关闭曲线分开考虑，定义0cm为完全开启位置，即活塞完全伸出，而完全收回时的高度在数值上等于活塞行程长度。在按下开关的同时，间隔一段时间记录关键点高度，以构成如图1沿时间的运动曲线。

将拟合曲线的方程记录下来，可以看出，随时间的运动曲线遵循一元二次方程的变化规律，此处将随时间的运动曲线定义为：

其中，a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项。在取a、b与c数值时，需确保取得足够小数位数以保证计算精度[1]。

此处c的意义非常明确，对于关闭曲线，c为0；在开启曲线中，c为活塞冲程。而a与b均为与t无关的量，两者与负载m和气压p存在着关联。将a和b写作a（m，p）和b（m，p）。

首先，需要分离其中一个变量，此处分离p。将气动推杆在同一负载、不同压强下的a与b分别列出。气动推杆在同一负载不同压强下的a（m，p）见表3。

此处由于选取压强为3个，拟合出a-p二次方程。此方程写作：

此时，分离出d、e、f三个独立于p的值，其随着m而变化，将其标记为d（m）、e（m）、f（m）。通过列出不同负载下的d（m）、e（m）、f（m），可得表4。

此处因有4个点，拟合出关于m的一元三次方程d（m）、e（m）、f（m）。

至此有：

同理，b也可得出类似经验方程。

由于视差等原因，c并非完全等于0或活塞冲程值，使过程长度不完全等于测量得到的活塞冲程，需要对其进行修正。

将c分为c关闭和c开启。将同一气动推杆所有测得的c关闭與c开启取平均值，并对a与b进行修正：

组合可得气动推杆运动经验方程：

需要指出，各多项式系数关于m，p的具体拟合方程可能随实验组数增加而变化，但可保证在测试范围内取值的准确性。若所取范围太大导致无法拟合，宜改写成分段函数[2]。

4 数据与分析

通过一系列实验及求近似解，可得到如表5形式的运动方程（仅列举D40的例子）。

为了验证经验方程在实验范围内的可行性，进行了一组验证实验。在验证实验中使用了D40气动推杆并对其施加12.5kg的负重及0.35MPa的气压，该组数据并未使用于经验公式的求得。将其与经验公式计算后所得曲线相比较，可得图2。

由图中可以看出，经验方程计算所得的曲线与验证实验的实际数据具有很高的一致性。因此，该经验方程的求得方法可以在实验范围内对气动推杆的运动规律进行较为准确的预测。

5 结语

当前计算流体力学尽管已高度发展并广泛应用，但仍不可避免地需要利用实验数据作为支撑。本文中所提到的数据可作为计算的依据以及结果的验证。希望利用文中设计的实验方法，可以使得通过CFD软件计算模拟气动系统更加便利。

参考文献：

[1]韩占忠.Fluent：流体工程仿真计算实例与分析[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

[2]朱冬，杨庆俊，包钢.基于FLUENT的气缸充放气二维非定常流场研究[C]//中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集，2010.

Study on motion law of natural smoke exhaust window （pneumatic） push rod group

Ying Ke，Hu Yue

（Ningbo Municipal Fire and Rescue Brigade， Zhejiang Ningbo 315000）

Abstract： When studying the system state of pneumatic natural smoke exhaust windows equipped with pneumatic push rods， especially when trying to use computational fluid dynamics methods， the working law of pneumatic push rods is particularly important. Therefore， the motion laws of three types of pneumatic push rods under certain air supply and load conditions are explored experimentally， and the method for deriving empirical formulas from them is given. At the same time， several sets of experiments are carried out on the air pressure change of a physical pneumatic system under working condition， in order to try to compare the relationship between parameters such as air supply consumption， running time and different system variables.

Keywords： pneumatic smoke exhaust window; pneumatic push rod; motion law