基于SolidWorks FlowSimulation的比例閥和真空泵的選型與優化

張永軍　李躍超

在真空泵和罐體之間裝一臺比例閥，比例閥和真空泵配合可改變抽速，保證罐內恒壓。比例閥根據壓力變化要求提供維持需要壓力，比例閥與真空泵的選型多數靠經驗來匹配，往往出現高能耗。通過 SolidWorks FlowSimulation對設備進行分析仿真，通過數據對比最優化的對比例閥與真空泵體的選型。

一、問題的提出

在真空設備和半導體設備中，常常有這樣的工藝要求，某罐體內通入恒定流量的氣體，并且保證罐體內恒壓。通常采用方案是由一支流量計通入恒定流量的氣體，出口連接一臺真空泵抽氣，在真空泵和罐體之間裝一臺比例閥，這樣比例閥和真空泵配合可改變抽速，保證罐內恒壓。

如圖 1所示是一款真空產品真空氣路圖，工作順序如下。

（1）首先關閉氣動擋板閥 -Φ100、電磁閥、流量計和電磁充氣閥，比例閥開度 100%，打開氣動擋板閥 -Φ16。

（2）然后開啟滑閥泵 -70 L/S預抽真空，真空度抽至30000Pa時關閉動擋板閥 -Φ16，比例閥開度 0%，開啟氣動擋板閥 -Φ100。

（3）真空度抽至 2000Pa時，羅茨泵 -300 L/S開啟。

（4）真空度抽至0.5Pa時，關閉氣動擋板閥 -Φ100、羅茨泵 -300 L/S，開啟電磁閥、流量計，流量計保證 0.5 L/ S流量的氬氣。

（5）達到 0.6atm時開啟氣動擋板閥 -Φ16，比例閥，比例閥和真空泵組成閉環，由 PLC控制其開度。此設備大部分時間在此狀況下工作。

在一個實例中，比例閥結構是通徑 Φ20的蝶閥，閥板在 0°～ 90°轉動，以實現 0%～ 100%開啟度。在保證0.6atm恒壓時，開啟滑閥泵，比例閥開度 8%。其 8%～ 100%調節用不到，而且極不靈敏。我們判斷比例閥通徑選大了。選多大合適呢？結合 SolidWorks FlowSimulation模擬，讓我們尋找合適的比例閥通徑。

SolidWorks Flow Simulation是一款比較經典的流體分析軟件，它能解決流體流動分析、熱分析、共軛傳熱、瞬態分析，并能作出漂亮視頻、圖片、圖表及報表，且易學易用。除了軟件本身向導式的操作流程之外，強大的數據庫可以讓使用者減少搜集分析所需數據的工作量。更重要的是與 CAD的無縫集成，可以實現分析結果驅動 CAD參數。使用者無需單獨創建流體域，網格劃分也極大地減少了使用者的工作量?？傊疅o論是軟件的工程化界面，全中文的在線幫助文檔，都是使工程師不花費過多的精力在軟件工具的使用上，而是讓使用者有更多的精力用在產品的創新上（圖 2）。

二、模擬方案選定

事先的假定：由于比例閥結構尺寸很難得到，沒有辦法得到正確的幾何模型，我們將其等效為小于相鄰管徑的圓形通孔。例如，管道通徑 Φ16，將比例閥看成可以調節成0～ Φ16一段小管。

方案一：生成所有的結構模型，假定比例閥通徑（例如 Φ10），邊界條件是入口（0.5/0.6） L/S體積流量的Ar（如案例描述中 0.5 L/S的流量是在 1atm下，需要換算在 0.6atm下的流量），出口體積流量 70 L/S，網格化后計算出現問題，因為此內流管道分析問題中有三個變量，入口壓力、出口壓力和流量，軟件會根據已有的兩個變量計算第三個變量，如題入口、出口都指定了流量邊界條件，軟件不支持此種邊界條件的輸入，換句話說入口與出口的質量是守恒的。所以此方案行不通。

方案二：分析此案例中零部件，流體在比例閥開度變化過程中，各管道和元器件流動參數比較穩定，但在比例閥前后接近的區域變化較大，因此將比例閥前后掐頭去尾，等效成如圖 3所示結構。

中間 Φ10部分可調，等效為比例閥閥板。左端為出口邊界條件，抽速 70 L/S。右端不能添加體積流量入口邊界條件，改為 0.6atm總壓。我們計算比例閥開度為 Φ10時，右端入口是否為1atm 下0.5L/S 體積流量的Ar。環境為常溫、0.6atm。調整比例閥開度，達到1atm 下0.5L/S 流量時，此開度即為所求。

三、模擬過程

在 CAD中完成建模，在 FLOW中軟件可以使用【創建封蓋】功能是模型完全封閉，符合內流分析的條件。軟件可以自動識別流體區域，不需要指定流體域（圖 4）。

SolidWorks FlowSimulation的向導可以完成分析項目的 75%的定義，包括定義：項目名稱（分析項目可以與CAD配置結合）、設置單位、分析類型（內流、外流，關注因素）、默認流體（支持子流域、流體混合）、壁面條件、初始條件和網格設置（可以關聯 CAD模型的尺寸）等，如圖 5～圖 11所示。

設置邊界條件壓力和體積流量，定義分析目標類型，使用方程式目標將入口的體積流量轉換為 1atm下的體積流圖8量（圖 12）。

結果后處理：可以查看網格、切面圖解、等值面、流添加目標并定義目標的公差范圍（圖 17）。

查看目標結果：可以查看入口、出口的質量流量、壓力和速度之間的關系（圖 14和圖 15）。

當比例閥開度等于 Φ10的孔時，如果需要保存爐體壓力為 0.6atm的壓力時，需要的流入系統的體積流量在1atm時為 8.0619 L/S。如果 0.5 L/S的流量維持 0.6atm壓力，需要調整比例閥開度，利用 Flow的參數研究功能可以尋找適當的比例閥開度尺寸。

選擇參數研究中的目標優化，定義變量為模型孔直徑尺寸，定義參數的變化范圍 1mm～ 10mm（圖 16）。

添加目標并定義目標的公差范圍（圖17）。

優化算例點（圖 18和圖 19）。

經過軟件設計點的采樣計算，按照定義的目標。軟件優化孔直徑為 Φ2.658mm，取整 Φ2.7mm，符合實際的比例閥調節開度。

運用參數研究中的功能，保持孔直徑為 Φ2.7mm不變，改變出口的體積流體為 70 L/S、60 L/S、50 L/S、40 L/S、 30L/S、20 L/S、10 L/S、9 L/S、8 L/S，記錄對入口體積流量的變化。添加邊界條件作為變量類假設分析型為離散值（圖 20）。

定義目標參數輸出（圖 21）。假設分析結果輸出（圖 22）。

對比增大出口的體積流量對入口的參數（流量、速度）影響幾乎不變，改變的是出口的流體速度與流體密度（可以將入口、出口的氣體密度作為目標參數），使用出口大體積流量需要更多的能耗、流速過大會產生設備震動和噪音。

四、結語

根據分析結果可以判斷選用合適通徑的比例閥。實際改為 Φ10通徑比例閥。保持爐體內 0.6atm時開度 40%，變化靈敏，精度高。

五、引申

由于抽速大于某個值，對壓力和比例閥開度沒有影響，因此可以增加 9 L/S抽速的旋片泵作為維持泵，在保證恒壓時替代滑閥泵。如圖 23所示。

（1）減少噪音。

（2）減少滑閥泵保養次數，增加滑閥泵壽命。

（3）降低使用成本，滑閥泵電機功率 7.5kW，旋片泵電機功率 1.5kW，價格 5000元，設備連續生產 3個月，所節省的電費，已經高于旋片泵價格。

六、討論

（1）定義比例閥兩端腔室的壓力為目標，同時使用方程式目標表達壓差，維持壓力不能太低，要保證管道內存在流體流動時，本案例成立。

（2）實際工況，氣體流經罐內加熱體，但比例閥前后溫差很小，且約等于環境溫度，因此不考慮溫度變化。

（3）此案例可制作一個原始模型，解決此類問題。

（4）將一個復制的系統問題，提取關鍵因素，合理的簡化，是仿真分析的精髓。endprint