高压气动开关阀动态特性仿真分析.pdf

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1、第5期贾光政等．高压气动开关阀动态特性仿真分析667高压气动开关阀动态特性仿真分析贾光政1，2王茏茏2耿进财2付永领(1．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191；2．东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318)摘要根据先导式高压气动开关阀的结构原理和细分理论，采用MATLAB的Simulink对其进行仿真分析，得出先导阀控制口有效面积、控制腔驱动活塞面积、主阀芯开关面积及控制气体压力等参数是影响高压气动开关阀动态性能的主要因素。关键词高压气动开关阈结构原理细分理论动态特性仿真中图分类号TQ515．8文献标识码A文章编号1

2、000—3932(2013)05-0667-04高压气动开关阀是高压气动容积减压系统的核心控制元件。虽然影响高压气动开关阀动态性能的因素很多，但起重要作用的是主阀的阀芯结构形式和参数。要想保证研发设计的高压气动开关阀满足工业应用的性能要求，就必须明确这些主要因素变化对阀的动态性能的影响趋势和程度。文献[1，2]中提出的先导式高压大流量气动开关阀动态特性的细分理论经实验证明是符合实际的。在此，笔者根据细分理论对先导式高压气动开关阀进行仿真分析，从而得到各相关因素对阀的动态特性的影响规律，以期为先导式高压气动开关阀的设计提供指导。1结构原理电磁先导高压

3、气动开关阀的结构原理如图1所示。先导级采用高速电磁阀，主阀采用活塞驱动锥面开关的差动作用式阀芯结构。通过控制电磁先导阀进气通道的启／闭，即可控制先导阀控制口的进气和排气，进而控制主阀的关闭和开启。先导阀先导阀控制口主阀控制腔主阀芯主阀高压气出口高压气人口a．关闭b．开启图l高压气动开关阀结构与控制原理由于高压气体的压缩率较大，在高压气动阀开关时，控制腔的充、放气过程必须考虑气体的热力学膨胀效应对动态特性的影响。这种特征可以描述为先导式高压气动阀的动态特性细分理论，即分别以高压气动开关阀控制腔充、放气的定容积过程和变容积过程为单元，以控制腔气体转折压

4、力为标志，将主阀开启过程细分为定容积放气过程、变容积放气过程和余隙容积放气过程；将主阀关闭过程细分为余隙容积充气过程、变容积充气过程和定容积充气过程⋯。根据细分理论，利用高压气动开关阀工作过程中的质量连续方程、压力微分方程和动力平衡方程，即可建立描述高压气动阀动态特性的数学模型嵋。。2仿真根据先导式高压气动阀的动态特性细分理论，利用MATLAB的Simulink工具箱建立的动态特性仿真模型框图如图2所示。按主阀的开启和关闭操作过程分别建立仿真模型，每个操作过程分3个模块，每个模块封装有各自的子模块，每个子模块都由该工况下的质量连续方程、压力微分l定

5、容积放气摸块Il变容积放气模块I●I余隙容积放气模块I余隙容积充气模块I变容积充气模块‘l定容积充气模块a．开启过程b．关闭过程图2高压气动开关阀仿真模型框图收稿日期：2012-11．12(修改稿)基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAH28F03)668化工自动化及仪表第40卷方程及动力平衡方程等建立联系并进行求解日。。表征先导式高压气动开关阀动态特性的主要参数有：主阀控制腔气体压力、主阀芯位移、主阀芯速度和主阀芯加速度。仿真和实验结果证实这4个参数的变化过程是完全对应的，其中控制腔气体压力包含的动态信息最丰富，而且主阀芯位移、速度和加速度

6、的变化都由控制腔的气体压力决定⋯。因此，仅用主阀控制腔气体压力曲线来表征高压气动开关阀的动态特性是可靠的。3仿真分析基于细分理论建立的仿真模型所给定的先导式高压气动开关阀的基本参数为：先导阀控制口有效面积A。=A。=4,rrmm2，控制腔驱动活塞面积A】=156qrmm2，主阀芯开关面积A2=100armm2，高压进气口面积A，=56qrmm2，主阀芯质量M=509，摩擦力f=100N，弹簧刚度K=2500N／m，气源气体压力P。=10MPa，控制气体压力P。=10MPa，排出气体压力P。=0．1MPa，压缩因子Z=1．0。以给定的基本参数值为基准

7、，通过上、下调节重要参数值得到对应的仿真结果，进而分析气动开关阀动态性能的变化程度和规律。3．1先导阀控制口有效面积的影响先导阀控制口有效面积A。即主阀控制腔进／排气口面积，A，变化引起控制腔压力动态变化的仿真如图3所示，主阀的开启和关闭运动过程时间都随A，的增大而减小，而且主阀的开启运动过程结束时造成的压力尖峰也随A．的增大而减小，甚至消失。然而，A，增大意味着先导阀的结构尺寸要相应增大，动态响应可能降低，将会影响整个阀的动态特性。因此，需要综合考虑先导阀与主阀的动态关系以保证先导式高压气动开关阀的总体动态性能最优。日厶=、屯R邕翅纂逆a．开启过

8、程b．关团过程图3A，变化导致控制腔压力动态变化仿真3．2控制腔驱动活塞面积的影响控制腔驱动活塞面积A。与主阀内腔上部构成