《武汉工程大学学报》 2015年12期
60-64
出版日期：2016-01-14
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
增压缸内置气控阀的动态特性及仿真
０ 引 言新型气?鄄液增压缸利用力的平衡原理，以低压气体推动活塞杆使密封油腔内液压油增压，高压油推动液压活塞杆冲压工件；新型气?鄄液增压缸综合了气动与液压技术的优势，高效节能，控制方便，适用于大规模大批量自动化的现代工业生产领域，拥有很高的经济效益和市场前景，普遍适用于各类冲压加工行业. 新型气?鄄液增压缸研究的技术难点在于：（１）软到位技术. （２）增力自适应技术. （３）旁路能量释放技术. 其工作行程包括：１）静止准备. ２）软到位快进行程［１］. 3）增力行程. 4）返回行程.完成增力适应的控制机构为内置二位三通换向阀. 图１为该气阀实物图. 其原理是阀芯小活塞端直通气源压力，液压活塞杆由气压推动至与工件贴合后，工作腔内容积不再增大，这时工作腔内气压极速增至工作气压，气体经由管路通入阀芯大活塞端，此时阀芯打开，气体经由阀瓣孔进入气缸中从而推动气缸活塞杆下压. 本文以增压缸内置二位三通阀为研究对象，利用ＡＭＥｓｉｍ软件对该二位三通气控阀进行了建模与仿真［２］.图１ 二位三通阀实物图Ｆｉｇ．１ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ３／２－ｗａｙ ｖａｌｖｅ１ 工作原理如图２所示，当增压缸处于工作准备状态时，Ａ端面连通气源，且与气源间加入单向阀装置用以保压，此时阀芯小端面位于阀瓣右侧将阀瓣气孔３封闭，Ｂ端与外界大气连接. 当增压缸处于快进行程时，阀芯位置与准备状态时相同，外置气控阀连接快进缸，与阀芯Ａ端连接切断，但Ａ端设置有单向阀，使得其继续保持气源压力，Ｂ端继续与外界大气连接. 当增压缸处于增力阶段时，阀芯Ｂ端面与气源连接，Ａ端保持气源压力，由力平衡原理，此时阀芯向左移动，使得阀瓣孔３与气源相连，气控阀打开. 当增压缸处于回程行程时，Ｂ端连接外置大气，阀芯迅速回到原位完成一次换向，重复以上过程［３～４］.图3为该二位三通阀三维图.图２ 二位三通阀结构图.１—阀芯；２—阀瓣；３—阀瓣气孔Ｆｉｇ．2 Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ３／２－ｗａｙ ｖａｌｖｅ. １—ｖａｌｖｅ ｃｏｒｅ，２—ｖａｌｖｅ ｄｉｓｃ，３—ｖａｌｖｅ ｄｉｓｃ ｐｏｒｏｓｉｔｙ图３ 二位三通阀三维图Ｆｉｇ．３ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ３／２－ｗａｙ ｖａｌｖｅ２ 数学模型二位三通阀在增压缸整体运行过程中阀芯两端受力情况直接影响其开关精度大小. 阀芯运动过程中会受到：摩擦力、粘滞力及气体推动力等影响，故由牛顿第二定律得出阀芯的力平衡方程： Ｆｉ＝ｍ■＋ｈｉ■＋Ｋｘ＋Ｆｐ（１）式（1）中：Ｆｉ为阀芯驱动力；ｈｉ为粘性摩擦系数；Ｋ为弹性力刚度系数；Ｆｐ为气体推动力；ｍ为阀芯质量.因阀芯大活塞端直接与端盖孔形成密封，只有阀芯小活塞端与阀瓣密封，因此节流口过流面积可用以下公式表示： Ａ＝■?仔（D2-d12）dx+■?仔(d2-d12)dx（２）式（2）中：Ａ为节流口过流面积；Ｄ为阀芯大活塞端直径；ｄ为阀芯小活塞端直径；ｄ１为阀芯杆直径；ｘ１，ｘ２为阀芯大、小活塞端距阀瓣端部距离，数学模型图如图２所示. 通过查阅文献［５］可知，理想气体流动临界压力比为 Ｐｃｒ＝ ■ ■（３）流量系数计算公式［３－４］为：当■＞ｐｃｒ时 Ｃｍ=■■（４）当■≤ｐｃｒ时 Ｃｍ=■■■（５）式（３）～（５）中：γ为等熵面发热系数；ｐ１为上游压力；ｐ２为下游压力；ｐｃｒ为临界压力比；Ｃｍ为流量系数. 通过查阅文献［６］，可知在阀瓣孔面积不变的前提下，下游气体压力比与上游气体压力比小于临界压力比０．５２８前，阀瓣孔的流量系数基本保持０．７２左右，故取Ｃｍ＝０．７２. 3 仿真与分析３．１ 仿真模型的建立利用ＡＭＥｓｉｍ提供的气动元件设计库（ＰＣＤ）以及液压元件设计库（ＨＣＤ）对整体增压缸进行建模，因二位三通阀运行条件模拟为真实增压缸中条件，故给出整体增压缸模型如图４所示，整体增压缸由（ＰＣＤ）库中７个子模型以及（ＨＣＤ）库中２个子模型组成. 其中二位三通阀由（ＰＣＤ）库中２个子模型及质量块组成. 模型中增压缸由外置电磁阀控制，由一简单气体压力源提供动能，由外部管路连接增压缸各气、液通路［７～８］.建模过程中各个子模型主要仿真技术参数如下：图４ 增压缸整体ＡＭＥｓｉｍ图Ｆｉｇ．４ ＡＭＥｓｉｍ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ空气绝热指数ｋ为１．４；气体常数Ｒ为２８７．４；流量系数μ为０．７２；气源压力Ｐ为0.５～0.８ MPa；空气密度ρ为１．８９５×１０－３ ｋｇ/ｍ３；质量块Ｍ为０．０５ ｋｇ；大活塞直径Ｄ为３２ ｍｍ；小活塞直径ｄ为２０ ｍｍ；活塞杆直径ｄ１为１２ ｍｍ. 通过查阅文献［９］可知该模型摩擦力计算公式，并由公式计算得出：滑动摩擦力Ｆｆ为１２ Ｎ；静摩擦力ＦＳ为２０ Ｎ.３．２ 仿真结果分析由图５阀芯位移?鄄时间曲线中所示，阀芯于３３ ｍｓ时启动，当达到约２２８ ｍｓ时阀芯移动到０．０１５ ｍ的极限位置，此时完成增压缸增力适应行程，阀芯换向完毕. 因此阀芯的驱动时间是３３ ｍｓ，完成整个换向时间约为１８０ ｍｓ. 图５ 位移?鄄时间曲线 Ｆｉｇ．５ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｉｍｅ图６为阀瓣出气孔处气体压力?鄄时间曲线，图７为进气孔处气体体力?鄄时间曲线. 从图７中可以看出主阀芯于５４ ｍｓ时处于临界打开位置. ５４～７８ ｍｓ时阀打开，气体迅速由入口流向出口. 约２５８ ｍｓ时阀出入口气压同时到无限接近达气源压力的极限压力. 图８、图９分别为气源压力0.５～0.８ MPa时该阀的质量流量和焓流量曲线，从图8~9中可以看出，该阀的质量流量与焓流量均于３３ ｍｓ开始迅速增加，于６６ ｍｓ处达到峰值而后迅速减小. 需要注意的是阀完成换向后，系统质量流量和焓流量于７８ ｍｍ至３０９ ｍｓ处缓慢下降最终无限趋近于０. 图６ 入口气体压力与时间曲线Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ图７ 出口气体压力与时间曲线Ｆｉｇ．７ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｘｐｏｒｔ ｇａｓ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ图８ 质量流量曲线Ｆｉｇ．８ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ and time 图９ 焓流量曲线Ｆｉｇ．９ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｅｎｔｈａｌｐｙ ｆｌｏｗ and time由图５可以看出阀芯于３３ ｍｓ开始移动，由图８、图９可以看出系统焓流量于６６ ｍｓ时到达峰值，故该二位三通阀的响应时间为约３５ ｍｓ. 假设工作压力为0.５ MPa，由于阀芯于３３ ｍｓ时开始移动，从图７中看出该时间点处阀口压力为0.２４ MPa，当静摩擦力为２０ Ｎ时，通过公式计算得出该阀芯需0.１９ MPa压力方可启动，而ＡＭＥｓｉｍ仿真得出的该阀启动压力为0.２４ MPa左右，相差不足３０％，由此可以认为该二位三通阀的启动压力约为２．４ MPa. ４ 结 语通过对该阀的建模与仿真分析得到以下结论：（１）0.５ MPa气源压力条件下，该阀需１９５ ｍｓ完成换向，由图５得出相比较气源压力0.６～0.８ MPa时阀芯的换向速度而言，虽增大工作压力可以提高换向速度，但由于阀芯Ａ端气源推动力随之增大，增加气源压力对阀工作时间影响相对不大，0.５～0.８ MPa压力范围内气源压力每增加0.１ MPa，该阀换向速度加快约１３ ｍｓ. （２）分析了该二位三通阀于0.５～0.８ MPa气源压力条件下的质量流量、焓流量变化. 由图６、图７可见质量流量与焓流量峰值随着气源压力增大而增大，但其达到峰值与趋于０点时间基本没有变化. （３）通过公式计算及仿真分析得出，该二位三通阀的启动压力约为0.２４ MPa，响应时间约为３５ ｍｓ.（４）通过仿真得出该二位三通阀移动时各项参数变化情况，得出其动态特性，为解决增压缸增力适应行程提供理论指导，为进一步整体研究增压缸气液特性及设计制造提供科学指导.