压电结构电气转换装置气路参数优化设计.pdf

《压电结构电气转换装置气路参数优化设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、检测与仪表化工自动化及仪表，20lO，37(6)：43—46ContmlandInstrumentsinChemicalIndustry压电结构电气转换装置气路参数优化设计李东明，贾颖，郑大鹏(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028)摘要：以压电双晶片为执行器，设计了一种压电新结构电气转换装置。介绍了该转换装置的结构和工作原理，分析了气路主要影响参数并建立了正交试验表，利用FLuENT软件对整个气路进行参数优化，得到喷嘴挡板间隙背压的特征曲线，确定了气路最佳结构参数组合，实验证明设计参数合理，转换装置具有良好的线性区间，为新

2、一代压电结构电气转换器的研制打下基础。关键词：压电双晶片；电气装换装置；参数；优化设计中图分类号：TH703文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)06舶43JD4l引言电气阀门转换器或定位器是气动调节阀的主要附件，是自控仪表和自控系统中进行信息转换和能量转换的核心元件。近几年，随着微机技术、通信技术、控制技术的发展，电气转换器、定位器正逐渐取代传统的机械结构向电子化、智能化方向发展¨q1。电气转换元件的稳定性直接决定了转换器或定位器性能的好坏，每一次转换器或定位器技术的更新都和转换装置的革新有着紧密联系，目前，国外相

3、关产品已经突破了传统的机械模式，而我国大多数转换器厂仍以老产品为主，研制新一代电子式、智能式产品代替传统的机械结构，势在必行。本文设计了基于压电新结构电气转换装置，突破了传统的机械结构，代表了电气转换器新的技术发展方向。2压电式电气转换装置结构及工作原理压电式电气转换装置利用喷嘴一挡板转换原理，采用压电执行器作为挡板，结构图如图1所示H娟J，压电复合圆盘固定在上、下端盖之间，压电复合圆盘上片压电片极化方向与外电场方向相同，下片极化方向与外电场方向相反，在外电压作用下上片收缩，下片伸长，压电圆盘向下弯曲。通过控制外加电压控制双晶片与喷

4、嘴之间距离，来调控背压室气压，背压室气压对喷嘴挡板间隙变化反应灵敏。为了便于观察，上端盖采用有机玻璃。进气节流阀采用锥形结构，其开度直接影响挡板初始安装位置，如图2所示。P。是恒定输入气压，D是进气管道内径，疗是锥阀的锥角，Z是阀心从锥阀闭死到图示开度下的轴向变化量，E，表示最小节流截面的宽，锥阀的最小节流面积A近似为：^=订胤n詈可以通过改变锥阀的开度Z来调整进气口截流面积。压气压输出气雎输入图l双晶片复合圆盘结构电气转换装置图2锥形节流阀结构阀3气路参数优化设计3．1气路正交试验的参数选择和分析正交试验设计是利用规格化的正交表来

5、设计试验方案的多因素优选方法。试验的目的是确定气路的结构参数尺寸，使转换装置具有较为理想的线性区域，转换装置气路喷嘴结构如图3所示。在喷嘴的结构中有四个主要因素：喷嘴内径d。，喷嘴端面厚度￡，喷嘴长IIl，内腔(背压室)直径d：。喷嘴内径正是喷嘴挡板机构几何特性的主要参数，它决定了流量曲线的线性区的大小，影响能量收稿日期：2010彤-12(修改稿)基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(20061053)·44·化工自动化及仪表第37卷的转换效率，而且影响气路的转换倍率。根据经验，试验中喷嘴内径d。分别采用1．5、1．25、l、0．5

6、mm四个水平。喷嘴端面厚度L不仅对系统的放大比和线性范围有直接影响，而且对系统的稳定性也有较大的影响。根据经验综合考虑，￡取值近似为0、0．5、l、1．5mm四个水平。图3喷嘴的结构简图喷嘴长度IIl是指喷嘴内径d．段的轴向长度，^的作用是使气体流动的可用压力能转变成气体流动的速度能。显然这种转变存在着损失，喷嘴长度也不能太短，虽然喷嘴长度愈短压力损失愈小，但是，短小的结构将会造成流动状态的突变(形成气体的节流)，或孔口不可逆的自由喷射，致使可用的压力能全部损失。根据经验^取值为l、1．5、2、2．5r砌四个水平。喷嘴内腔(背压室)

7、直径d，理论上只要使内腔截面积大于气流最小截面A(即变节流口的截面积)的最大值即可，但为了不形成气阻，应满足：中设置各个边界的属惟"Jo。该模型中有气压输人边界、气压输出边界和固甓边界。进气口就是气压输入边界，喷嘴和挡板间隙的两侧即为气压输出边界，而其他部分都为固壁边界，特别注意的是出气口的边界也是固壁边界，而不是压力输出边界，因为转换器的出气口要接到气动执行器，而气动执行器是靠气压工作的，所以是密封的，在理想情况下，出气口处只有压力传递而并没有气体流动，所以出气口的边界按固壁来处理。设定边界后把网格文件输出并保存，然后进行计算和分

8、析，把保存好的网格文件导入到FLuENT软件中进行分析计算。主要参数入口压强为0．14MPa，出口压强为0MPa，操作压强为0．101325MPa。求解计算时可设置监视窗口，监视背压室的气压是否稳定。图4为16个气路模型特性的比较曲线