高壓氣動(dòng)比例減壓閥設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：文章分析了高壓氣動(dòng)比例減壓閥，該閥由比例電磁鐵控制的二位三通型滑閥式先導(dǎo)閥和活塞提升式主閥組成，經(jīng)由傳感器和控制器等組合得到閉環(huán)電體系，其活動(dòng)壓力最大是31.5MPa。雖說它有非常少的先導(dǎo)耗氣，不過卻可以確保壓力調(diào)整能夠非常的安穩(wěn)，而且保證了速率，避免了滲漏對其帶來的負(fù)面效益，防止了疑結(jié)冰問題的出現(xiàn)。文章分析了它的活動(dòng)原理并且闡述了它的特征，利用AMESim建立了考慮負(fù)載流量波動(dòng)的仿真模型。

關(guān)鍵詞：減壓閥；高壓氣動(dòng)；環(huán)形間隙；先導(dǎo)閥

引言

它作為高壓氣動(dòng)體系的重要構(gòu)成要素，在航天等行業(yè)中有著非常廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在的手動(dòng)控制已經(jīng)發(fā)展的非常優(yōu)秀了。對于高壓電氣相關(guān)的減壓內(nèi)容，我們也知道很多，如賈光政等提出的開關(guān)容積減壓系統(tǒng)，它可以帶來非常高的能量的使用性特征，不過它的壓力并不是非常大，而且精確性不好；陳奕澤等提出了一種電反饋式高壓氣動(dòng)比例減壓閥，輸出壓力在8-25 MPa可控，不過這個(gè)閥門在活動(dòng)的時(shí)候一直具有先導(dǎo)氣流，所以它不適合用到不具有流量使用的保壓等的模式之中，同時(shí)持續(xù)活動(dòng)會(huì)使得結(jié)冰等現(xiàn)象出現(xiàn)。皮陽軍等提出了一種開關(guān)先導(dǎo)型高壓氣動(dòng)減壓閥，通過兩種閥門來掌控腔體自身的壓力，此時(shí)該壓力可以高達(dá)35 MPa，不過由于閥門的反應(yīng)速率存在問題，所以其速率較低。

對于高壓氣動(dòng)行業(yè)來講，它對于那些活動(dòng)較為穩(wěn)定，同時(shí)反應(yīng)速率非常迅猛的閥有著非常大的需求量，文章在分析了之前的減壓閥的前提下，論述了一種二位三通型滑閥式先導(dǎo)閥加活塞提升式主閥的高壓氣動(dòng)比例減壓閥，能夠?qū)毫Ω咚俚恼{(diào)節(jié)，而且調(diào)壓腔和排氣腔之間是不能夠有效的連接到一起的，當(dāng)活動(dòng)穩(wěn)定的時(shí)候，只有非常少的氣體進(jìn)入到空氣之中。所以這個(gè)閥能夠用到不僅具有流量的場所之中，還能夠避免結(jié)冰問題出現(xiàn)，能夠保證活動(dòng)持續(xù)開展 。

1 關(guān)于其構(gòu)造和活動(dòng)原理的論述

其構(gòu)造如圖1所示。由活塞提升式主閥以及二位三通型滑閥式先導(dǎo)閥組成。主閥由主閥體、主閥芯組件、主閥彈簧以及密封元件等組成，主閥芯組件上鑲嵌的聚四氟乙烯環(huán)與主閥體上的凸臺(tái)構(gòu)成軟硬配合實(shí)現(xiàn)密封；進(jìn)氣腔i與氣源相連，排氣腔o與負(fù)載相連，主閥閥芯上開有小孔連通o腔與平衡腔b，調(diào)壓腔r與先導(dǎo)閥相通。

1、主閥體 2、主閥芯組件 3、先導(dǎo)閥體

4、先導(dǎo)閥套 5、先導(dǎo)閥芯 6、比例電磁鐵

通過上圖我們明確，先導(dǎo)閥的套重點(diǎn)三個(gè)口和空氣以及主閥等相關(guān)位置對應(yīng)存在，在其中有對稱存在的節(jié)流孔隙。因?yàn)橄葘?dǎo)閥中的芯和間隙等共同的純在，所以如果它處于一種閉合模式的話，會(huì)有從i腔泄漏進(jìn)入先導(dǎo)閥中間腔P的進(jìn)氣泄漏Pc-ip和P腔泄漏進(jìn)入大氣的出氣泄漏qc-pa。

減壓閥輸出壓力p0的調(diào)節(jié)通過控制先導(dǎo)閥實(shí)現(xiàn)：如果它較之于設(shè)定的壓力要小的話，控制器驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵增大先導(dǎo)閥芯開度x0。此時(shí)先導(dǎo)閥開始朝右活動(dòng)，先導(dǎo)氣流從i腔經(jīng)節(jié)流孔進(jìn)入P腔 ，P腔與r腔壓力升高，此時(shí)使得主閥芯的開度不斷的增加，p0升高；當(dāng)p0高于pi時(shí)，減小x0使先導(dǎo)閥芯向左移動(dòng)，r腔氣體從P腔經(jīng)節(jié)流孔排入大氣，r腔氣體壓力下降，x1減小，p0降低。當(dāng)減壓閥活動(dòng)的時(shí)候，控制器通過比較Pi與p0的差值不斷調(diào)整r腔的壓力，因此閥芯等是一種動(dòng)態(tài)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)的。

通過分析構(gòu)造以及活動(dòng)的理念我們得知，這個(gè)閥門有著如下的一些具體的特征。第一，滑閥式先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)及閉環(huán)電反饋的控制方式能實(shí)現(xiàn)壓力的快速自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠應(yīng)對入口壓力等對于穩(wěn)定性的干擾。第二，該閥門只是在設(shè)定的壓力存在變動(dòng)的時(shí)候出現(xiàn)一些流量，如果是一種穩(wěn)態(tài)模式的話，就是閉合的模式，此時(shí)該閥一般是不存在氣流的，能夠避免結(jié)冰現(xiàn)象的出現(xiàn)。第三，它具有一些釋放到空氣中的氣體，不過因?yàn)槠湔{(diào)壓腔和排氣腔之間是不聯(lián)系到一起的，所以，其泄露活動(dòng)不會(huì)干擾到主閥的活動(dòng)。

2 減壓閥的AMESim建模

采用Imagine Lab的AMESim進(jìn)行建模分析，用這個(gè)平臺(tái)仿真能夠更加關(guān)注體系自身的設(shè)計(jì)，并非是非常復(fù)雜的建模。具體的模型如圖3中的內(nèi)容。

3 減壓閥仿真分析

設(shè)定目標(biāo)壓力pi為15MPa，將三個(gè)受力氣路一起運(yùn)行，此時(shí)將相關(guān)的參數(shù)設(shè)定為P=0.03，，I=0.01，這時(shí)候就明確了這個(gè)時(shí)期的壓力以及相關(guān)的流量曲線，如圖4。經(jīng)由此圖我們得知，p0可以在零點(diǎn)五秒的時(shí)間中變得更加的穩(wěn)定，不存在超調(diào)以及振蕩等問題，穩(wěn)態(tài)時(shí)p0偏差在±0.5MPa以內(nèi)，這時(shí)候pi的降速非常慢，負(fù)載流量qi在300～900g/s內(nèi)無規(guī)律波動(dòng)，可知減壓閥在pi和qi波動(dòng)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的壓力輸出。圖4c和圖4d為x0及x1曲線圖，可以看出x0在p0上升階段達(dá)到最大值3mm，在p0達(dá)到穩(wěn)態(tài)后在1.5mm即先導(dǎo)閥口零位小幅振蕩，而x1則在0～2mm間反復(fù)波動(dòng)，對于主閥口地方的沖擊來講，非常的常見。

4 結(jié)束語

文章講述的減壓閥能夠以非常快的塑料獲取壓力，同時(shí)還可以自行的調(diào)節(jié)。在使用耗氣量的前提下，合理的應(yīng)對了氣體對于閥門應(yīng)用區(qū)間的干擾。能夠防止它由于結(jié)冰而無法運(yùn)作的現(xiàn)象發(fā)生。它能夠在壓力不斷的變小的時(shí)候，以及負(fù)載的流量出現(xiàn)非常高的變動(dòng)的時(shí)候，對壓力實(shí)行穩(wěn)定的輸出。當(dāng)氣源壓力穩(wěn)定在31.5 MPa時(shí)能實(shí)現(xiàn)l～30 MPa大范圍壓力輸出，同時(shí)它的控制參數(shù)是不需要變化的。對正弦壓力信號(hào)的跟蹤仿真表明將減壓閥用于壓力跟蹤時(shí)應(yīng)綜合穩(wěn)態(tài)精度和信號(hào)頻率來確定緩沖容腔的大小；提升先導(dǎo)閥的間隙高程可以切實(shí)的提升反應(yīng)的速率，不過會(huì)使得其排氣數(shù)量變多，在本人看來該高度可以設(shè)定在10μm左右。

作者簡介：馬峰云，男，1982年生，新疆烏魯木齊人，主要從事閥門設(shè)計(jì)工作