雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性分析

王成剛　何　凡　劉　俊　晏芙蓉

武漢工程大學(xué)，武漢，430205

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雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥動(dòng)態(tài)特性分析

王成剛何凡劉俊晏芙蓉

武漢工程大學(xué)，武漢，430205

摘要：基于ADAMS對(duì)雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥啟閉過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，同時(shí)使用AMESim模擬氣動(dòng)緩沖裝置的最佳安裝位置，設(shè)計(jì)出以自主研發(fā)的雙向沖擊氣缸為動(dòng)力的雙向快速開關(guān)閥。分析結(jié)果表明，在0.7 MPa氣源壓力下，雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥開啟、關(guān)閉時(shí)間一致，均為0.038 s；將氣動(dòng)緩沖裝置安裝在活塞桿前端距動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置初始點(diǎn)20.5 mm處可有效避免因沖擊過快導(dǎo)致的閥板撞擊閥座而引起的部件破壞；閥軸在開關(guān)啟閉過程中轉(zhuǎn)速過快，軸向存在位移，設(shè)計(jì)閥門時(shí)需注意這一點(diǎn)。研究結(jié)果為易燃易爆介質(zhì)場(chǎng)合使用的垂直板式蝶閥的設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)快速開關(guān)閥；動(dòng)力學(xué)模型；旋轉(zhuǎn)閥；仿真

0引言

目前對(duì)高速閥門的研究多以電磁閥[1-2]為對(duì)象，然而，一些易燃易爆介質(zhì)場(chǎng)合(如軍工用高壓氧氣閥門)無法使用電磁閥，此外電磁閥存在大流量和高頻響之間的矛盾。使用氣動(dòng)閥進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制或就地控制可解決此類問題，同時(shí)還能解決大口徑閥門目前存在的能耗較高的問題。

現(xiàn)有蝶閥采用的是彈簧復(fù)位拔叉式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[3]，各方面性能均滿足使用要求，但因其采用單作用結(jié)構(gòu)，會(huì)存在回復(fù)彈簧變形問題，并且響應(yīng)速度很大程度上受氣缸性能的影響[4-5]。為此，本文采用ADAMS仿真技術(shù)[6-9]與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法[10-11]，以自主研發(fā)的雙向沖擊氣缸為動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一種快速開關(guān)閥，它不存在回復(fù)彈簧變形的問題。

1雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥動(dòng)力學(xué)仿真基礎(chǔ)

1.1雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥動(dòng)力學(xué)方程

雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可用非自由質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)系表示，用拉格朗日乘子算法處理位置約束和運(yùn)動(dòng)約束后得到運(yùn)動(dòng)微分方程。

(1)

(2)

式中，λ為約束反力及作用力列陣；F為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程及用戶定義的微分方程組；Φ為描述約束的代數(shù)方程組；G為描述系統(tǒng)速度的方程組。

定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量y=(qT,uT,λT)T，式(2)可寫成單一矩陣方程，即

(3)

1.2雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥仿真算法

雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥仿真算法采用Gear預(yù)估-校正算法，其核心在于對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)矢量值進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過分解系統(tǒng)雅可比矩陣進(jìn)行求解，反復(fù)迭代，若預(yù)估結(jié)果與校正的差值小于規(guī)定誤差限，則接受該解，否則重新估計(jì)、校正直到滿足收斂條件。

2雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：?jiǎn)㈤]時(shí)間一致，響應(yīng)快，流量大，因此快速開關(guān)閥由雙向沖擊氣缸、蝶閥和動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置三部分組成。

如圖1所示，雙向沖擊氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)為開關(guān)閥提供快速穩(wěn)定的沖擊力與回程力。內(nèi)置換向閥的雙向沖擊氣缸主要參數(shù)見表1。

1.后端蓋　2.后端蓋進(jìn)氣口　3.后蓄能腔　4.通氣管5.后中蓋　6.無桿腔　7.有桿腔　8.活塞桿　9.前中蓋10.前蓄能腔　11.前端蓋　12.前導(dǎo)氣管　13.前中蓋噴口14.后導(dǎo)氣管　15.蓄能腔進(jìn)氣口圖1　雙向沖擊氣缸結(jié)構(gòu)圖

氣缸的有效行程(mm)140缸徑(mm)100工作壓力(MPa)0.4～0.8進(jìn)氣孔管徑(mm)19.793進(jìn)氣管長(zhǎng)度(mm)2000沖擊蓄能腔缸筒長(zhǎng)度(mm)100回程蓄能腔缸筒長(zhǎng)度(mm)140活塞桿質(zhì)量(kg)12.325質(zhì)量塊質(zhì)量(kg)30

圖2所示為垂直板式硬密封蝶閥，閥門型號(hào)為D641-10P,閥板通徑為300 mm，閥軸直徑為50 mm，閥板厚度為30 mm，密封填料摩擦力矩為140 N·m，閥座密封表面層堆焊耐高溫耐腐蝕合金材料，密封圈由不銹鋼片與柔性石墨片相間層疊組成。

圖2　蝶閥結(jié)構(gòu)圖

圖3所示為氣動(dòng)快速開關(guān)閥的動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，閥軸上端部通過花鍵水平固定開槽連接件，并通過活塞桿上的固定滑塊將氣缸沖擊力轉(zhuǎn)化為閥門的旋擺運(yùn)動(dòng)，依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保證密封。由于雙向沖擊氣缸沖擊動(dòng)能過大，并且該快速開關(guān)閥不使用彈簧力回復(fù)，因此在閥門開啟過程中如不采取有效措施，雙向沖擊氣缸就會(huì)對(duì)快速開關(guān)閥的其他部件造成破壞，故在動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的末端引進(jìn)一個(gè)氣動(dòng)緩沖器。活塞桿在氣動(dòng)緩沖器的作用下減速至零，完成閥門的開啟過程，同時(shí)消除過大的動(dòng)能對(duì)裝置造成的沖擊損傷。緩沖器主要參數(shù)見表2。

1.氣動(dòng)緩沖器　2.閥軸　3.滑塊　4.螺母5.活塞桿　6.氣缸圖3　雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖

可調(diào)容積高度(mm)30緩沖腔內(nèi)徑(mm)43.7緩沖腔活塞直徑(mm)12活塞桿質(zhì)量(kg)1.495活塞桿長(zhǎng)度(mm)30黏性摩擦系數(shù)(N·s/m)3容腔初始?jí)毫?MPa)0.5

3雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真分析

在使用ADAMS對(duì)快速開關(guān)閥進(jìn)行仿真前，需要獲取仿真所需雙向沖擊氣缸的參數(shù)性能，即沖擊氣缸位移與速度之間的關(guān)系。為此，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，通過Hotshot mega高速相機(jī)捕捉氣缸位移-速度函數(shù)，如圖4所示，圖中，p為工作氣源壓力。

圖4　沖擊氣缸位移-速度圖

在0.7 MPa工作氣源壓力下，將0.06 s內(nèi)雙向沖擊氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)情況以速度函數(shù)的形式輸入到ADAMS中。

通過ADAMS對(duì)雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，將蝶閥(圖5)的固定約束閥體省略，簡(jiǎn)化為閥軸，雙向沖擊氣缸僅作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，簡(jiǎn)化為活塞桿。通過ADAMS提供的四種約束將開關(guān)閥構(gòu)件組成一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，見圖6。

圖5　垂直板式　　　　　圖6　氣動(dòng)快速開關(guān)　　蝶閥模型閥簡(jiǎn)化約束模型

快速開關(guān)閥為垂直板式結(jié)構(gòu)，閥板兩邊受到的水流沖擊力相等，相當(dāng)于在無水流沖擊下進(jìn)行仿真。選取閥軸頂端垂直于動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的邊緣點(diǎn)和滑塊頂端圓面中心點(diǎn)為觀察點(diǎn)。氣動(dòng)快速開關(guān)閥未安裝緩沖裝置時(shí)的動(dòng)力仿真結(jié)果如圖7所示。活塞桿的速度、位移曲線表明活塞桿在閥門開啟過程中一直加速，在0.01 s和0.015 s時(shí)加速度發(fā)生突變，這與動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)，活塞桿最大速度達(dá)7 m/s，最大位移為140 mm；閥門在0.005 s之后角速度快速上升，在0.03 s達(dá)到角速度最高值78.5 rad/s，并在0.034 s時(shí)開始下降，閥門開啟運(yùn)動(dòng)比較平緩；閥軸軸向速度始終不為零，由伯努利方程可知，閥軸轉(zhuǎn)速過快，受到向上的升力。

使用PNJ011-雙氣室單桿插孔元件來模擬氣動(dòng)緩沖器，在活塞桿的作用下，通過缸體左側(cè)緩沖腔內(nèi)的氣墊來吸收動(dòng)能，從而達(dá)到緩沖的目的。安裝緩沖器時(shí)需注意，安裝位置離活塞桿太近會(huì)導(dǎo)致閥門不能完全開啟，若太遠(yuǎn)則緩沖效果不明顯，閥軸的部分殘余沖擊力會(huì)直接作用在密封面上，對(duì)其造成破壞。所以緩沖器安裝位置應(yīng)計(jì)算準(zhǔn)確，以保證當(dāng)開關(guān)閥開度最大時(shí)，閥板的旋轉(zhuǎn)速度為零并保持不動(dòng)。閥門運(yùn)動(dòng)過程中緩沖器活塞桿應(yīng)滿足

(4)

式中，ps為緩沖器內(nèi)部壓力；S為緩沖器截面積；F為活塞桿對(duì)緩沖器的作用力；ds為緩沖器內(nèi)部長(zhǎng)度；Lx為緩沖器安裝位置距動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置左邊頂點(diǎn)的距離；l為閥門有效轉(zhuǎn)矩的力臂；M為閥軸有效轉(zhuǎn)矩。

(a)活塞桿速度-時(shí)間曲線　　　　　　(b)活塞桿位移-時(shí)間曲線　　　　　　(c)閥軸角度-時(shí)間曲線

(d)閥軸角速度曲線　　　　　　　　　(e)y方向速度曲線　　　　　　　　(f)y方向位移曲線　圖7　無緩沖器開啟過程仿真曲線

緩沖器安裝在活塞桿軌跡線的末端，因緩沖器內(nèi)部長(zhǎng)度為30 mm，所以雙向沖擊氣缸的活塞桿在位移L為110～140 mm范圍內(nèi)的速度取值范圍為6.39～7 m/s。緩沖器在運(yùn)動(dòng)過程中速度隨著雙向沖擊氣缸活塞桿速度的減小而減小，因?yàn)閐s>L>0，所以存在一點(diǎn)使得Lx=L， 此時(shí)，Lx即緩沖器安裝的位置。圖8所示緩沖器的位移、速度、壓力曲線表明，緩沖器活塞桿速度降為0時(shí)，位移最大值為20.5 mm，緩沖時(shí)間為5 ms，即氣動(dòng)緩沖裝置的安裝位置為活塞桿端部距動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置初始頂點(diǎn)20.5 mm處。由緩沖腔壓力曲線可知，在開啟過程中，內(nèi)部壓力逐漸增大至最大值2.48 MPa。經(jīng)計(jì)算，在內(nèi)部緩沖壓力取最大值時(shí)，緩沖器對(duì)雙向沖擊氣缸活塞桿的反作用力遠(yuǎn)小于硬密封蝶閥的操作力矩與氣源壓力之和，即緩沖結(jié)束后雙向沖擊氣缸不會(huì)回彈。

(a)緩沖器活塞桿的位移-時(shí)間、速度-時(shí)間曲線

(b)緩沖器內(nèi)部容腔的壓力-時(shí)間曲線圖8　氣動(dòng)緩沖器的仿真曲線

氣動(dòng)快速開關(guān)閥關(guān)閉時(shí)間不僅與雙向沖擊氣缸節(jié)流孔設(shè)計(jì)、彈簧墊片緩沖設(shè)計(jì)有關(guān)，而且與氣源回程壓力和氣動(dòng)緩沖器的反作用力有關(guān)。由活塞桿位移曲線可知，123.5 mm位移處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.033 s，因此可計(jì)算出雙向快速開關(guān)閥開啟時(shí)間為0.038 s。由圖9所示的閥門角度變化曲線可知，閥門關(guān)閉時(shí)間為0.036 s，與閥門開啟時(shí)間基本一致。

圖9　閥軸的角度-時(shí)間曲線

4結(jié)論

(1)本文以自主研發(fā)的雙向沖擊氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)流量、響應(yīng)速度、可靠性的要求，設(shè)計(jì)出內(nèi)置氣動(dòng)緩沖裝置的雙向快速開關(guān)閥。

(2)在0.7MPa氣源壓力驅(qū)動(dòng)下，雙向氣動(dòng)快速開關(guān)閥啟閉時(shí)間一致，耗時(shí)僅為0.038s。

(3)氣動(dòng)緩沖裝置的安裝位置為活塞桿端部距動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置初始頂點(diǎn)20.5mm處，最大內(nèi)腔壓力達(dá)2.48MPa，且緩沖結(jié)束后不會(huì)導(dǎo)致雙向沖擊氣缸回彈，有效避免了因沖擊過快導(dǎo)致的閥板撞擊閥座而引起的部件破壞。

(4)閥軸在開關(guān)啟閉過程中轉(zhuǎn)速過快，受到向上的升力，因此產(chǎn)生軸向175μm的位移，設(shè)計(jì)閥門時(shí)需注意。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Dynamic Analyses for Two-way Pneumatic Fast Swiching Valve

Wang ChenggangHe FanLiu JunYan Fureng

Wuhan University of Engineering, Wuhan, 430205

Abstract:A dynamic simulation for opening and closing processes of a high-speed switch valve was set up herein. At the same time, using AMESim simulation pneumatic buffer device to simulate the optimal installation location, a two-way pneumatic high-speed switch valve was designed with the power of self-developed two-way impact cylinder. Analysis results show that, under the air pressure 0.7 MPa, the two-way moving high-speed switch valve’s opening and closing times are in consistent, they are all 0.038 seconds. If the valve plate impacts valve seat too fast, the components will be damaged. The distance between the pneumatic cushioning device and the front end of the piston rod should be as 20.5 mm,both devices are connected by the power conversion device. It is worth mentioned that the speed of valve shaft too fast during the process of switch opening and closing can cause axial displacement. The results provide a reference for design of vertical plate type butterfly valve used in flammable and explosive medium.

Key words:pneumatic high-speed switch valve; dynamics model; rotary valve; simulation

收稿日期：2015-10-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50976080)

中圖分類號(hào)：TH134

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.10.004

作者簡(jiǎn)介：王成剛，男，1974年生。武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)樾滦突ぴO(shè)備、氣動(dòng)沖擊裝備及微型傳感器。發(fā)表論文20余篇。何凡，男，1993年生。武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。劉俊，男，1988年生。武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。晏芙蓉，女，1991年生。武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。