自然排煙窗（氣動）推桿組運動規律研究

應科 胡月

摘要：在研究氣動自然排煙窗搭載氣動推桿的系統狀態問題，尤其是在嘗試使用計算流體力學方法時，氣動推桿的工作規律尤為重要。因此，對給定三個類型氣動推桿在一定供氣及負載條件下的運動規律進行了實驗探究，并給出從中得出經驗公式的方法。同時，對一個實物氣動系統工作狀態下的氣壓變化進行了多組實驗，以嘗試從中比較供氣消耗、運行時間等參數與不同系統變量之間的關系。

關鍵詞：氣動排煙窗；氣動推桿；運動規律

1 概述

本文的出發點為借助計算流體力學研究空壓機輸氣帶動氣動推桿組的氣動系統。在通過計算流體力學研究氣動推桿系統時，為了實行可靠的計算，除了初始條件與邊界條件，需要氣動推桿的工作條件為計算的支撐。

其一，由于氣動推桿活塞可活動，需要對氣動推桿活塞的運動規律進行定義。通過對系統中存在的不同類型氣動推桿活塞的運動規律進行定義，使得模擬系統中的活塞可以確定某時刻在特定壓力差下的速度變化，以界定瞬時進氣與出氣區域大小，從而確保計算所得數值足夠精確。

其二，對于軟件計算所得的結果，需要用一定的實際系統數據進行比對修正。由于實際環境存在的各種干擾（摩擦、溫差等）及軟件建模中不可避免的簡化操作，會使計算所得與真實數據產生一定程度的偏差。通過實驗結果與計算值的比對，借以提高模擬的準確性。

本文將針對上文中提到的兩種計算所需條件的獲取進行探究，并對所得結果進行簡要分析。

2 實驗材料

本實驗使用了尺寸為2m×1.3m×2m（L×W×H）的鋁合金框架作為實驗場所，并在上固定10根1.5m鋼制橫梁用以懸掛氣動推桿進而模擬安裝有氣動推桿的自然排煙窗。在氣動推桿的選擇上，實驗中采用了三種共計25臺氣動推桿，使用氣動推桿種類及參數見表1。

其中，D40氣動推桿10臺，D50a氣動推桿4臺，D50b氣動推桿11臺。

實驗中使用的空壓機型號為HET90，最大輸出壓力為1.26MPa，儲氣容量為160L，充滿時滿足整個系統開合需求。輸氣管材質為PU，外徑有6mm、8mm、10mm三種規格，管件使用快接接頭。實驗中使用了具有開關功能的控制箱，根據開關不同可交換氣源進氣出氣方向。負載懸掛在氣動推桿連桿下方，重量從5kg到30kg不等。

3 實驗內容

實驗的思路為在不同負載與壓力下測試活塞沿時間的運動軌跡，并從中得出適用于實驗范圍的經驗方程。為了保證供氣接近充足，僅有所研究的一臺氣動推桿與控制箱相連，連接的進出氣管盡可能短，以減少氣壓在管路中的延遲與耗散。運動規律實驗組別見表2。

在推桿頂端進行標記，并設置高度參照物以確定上升/降下高度。本實驗將開啟曲線與關閉曲線分開考慮，定義0cm為完全開啟位置，即活塞完全伸出，而完全收回時的高度在數值上等于活塞行程長度。在按下開關的同時，間隔一段時間記錄關鍵點高度，以構成如圖1沿時間的運動曲線。

將擬合曲線的方程記錄下來，可以看出，隨時間的運動曲線遵循一元二次方程的變化規律，此處將隨時間的運動曲線定義為：

其中，a為二次項系數，b為一次項系數，c為常數項。在取a、b與c數值時，需確保取得足夠小數位數以保證計算精度[1]。

此處c的意義非常明確，對于關閉曲線，c為0；在開啟曲線中，c為活塞沖程。而a與b均為與t無關的量，兩者與負載m和氣壓p存在著關聯。將a和b寫作a（m，p）和b（m，p）。

首先，需要分離其中一個變量，此處分離p。將氣動推桿在同一負載、不同壓強下的a與b分別列出。氣動推桿在同一負載不同壓強下的a（m，p）見表3。

此處由于選取壓強為3個，擬合出a-p二次方程。此方程寫作：

此時，分離出d、e、f三個獨立于p的值，其隨著m而變化，將其標記為d（m）、e（m）、f（m）。通過列出不同負載下的d（m）、e（m）、f（m），可得表4。

此處因有4個點，擬合出關于m的一元三次方程d（m）、e（m）、f（m）。

至此有：

同理，b也可得出類似經驗方程。

由于視差等原因，c并非完全等于0或活塞沖程值，使過程長度不完全等于測量得到的活塞沖程，需要對其進行修正。

將c分為c關閉和c開啟。將同一氣動推桿所有測得的c關閉與c開啟取平均值，并對a與b進行修正：

組合可得氣動推桿運動經驗方程：

需要指出，各多項式系數關于m，p的具體擬合方程可能隨實驗組數增加而變化，但可保證在測試范圍內取值的準確性。若所取范圍太大導致無法擬合，宜改寫成分段函數[2]。

4 數據與分析

通過一系列實驗及求近似解，可得到如表5形式的運動方程（僅列舉D40的例子）。

為了驗證經驗方程在實驗范圍內的可行性，進行了一組驗證實驗。在驗證實驗中使用了D40氣動推桿并對其施加12.5kg的負重及0.35MPa的氣壓，該組數據并未使用于經驗公式的求得。將其與經驗公式計算后所得曲線相比較，可得圖2。

由圖中可以看出，經驗方程計算所得的曲線與驗證實驗的實際數據具有很高的一致性。因此，該經驗方程的求得方法可以在實驗范圍內對氣動推桿的運動規律進行較為準確的預測。

5 結語

當前計算流體力學盡管已高度發展并廣泛應用，但仍不可避免地需要利用實驗數據作為支撐。本文中所提到的數據可作為計算的依據以及結果的驗證。希望利用文中設計的實驗方法，可以使得通過CFD軟件計算模擬氣動系統更加便利。

參考文獻：

[1]韓占忠.Fluent：流體工程仿真計算實例與分析[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[2]朱冬，楊慶俊，包鋼.基于FLUENT的氣缸充放氣二維非定常流場研究[C]//中國機械工程學會流體傳動與控制分會第六屆全國流體傳動與控制學術會議論文集，2010.

Study on motion law of natural smoke exhaust window （pneumatic） push rod group

Ying Ke，Hu Yue

（Ningbo Municipal Fire and Rescue Brigade， Zhejiang Ningbo 315000）

Abstract： When studying the system state of pneumatic natural smoke exhaust windows equipped with pneumatic push rods， especially when trying to use computational fluid dynamics methods， the working law of pneumatic push rods is particularly important. Therefore， the motion laws of three types of pneumatic push rods under certain air supply and load conditions are explored experimentally， and the method for deriving empirical formulas from them is given. At the same time， several sets of experiments are carried out on the air pressure change of a physical pneumatic system under working condition， in order to try to compare the relationship between parameters such as air supply consumption， running time and different system variables.

Keywords： pneumatic smoke exhaust window; pneumatic push rod; motion law