基于AMESim的高壓氣動減壓閥的穩(wěn)定特性

， 　， ， (蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 甘肅 蘭州　730050)

引言

隨著霧霾天氣影響不斷加重，石化燃料消耗量日益增加，在環(huán)境惡化和經(jīng)濟發(fā)展的雙重壓力下，氫能源作為一種理想的新的合能體能源，以其特有的性質(zhì)越來越受到人們的重視。隨著汽車行業(yè)、氫能源汽車逐步發(fā)展，高壓氣動減壓閥是氣動汽車中氫氣輸運系統(tǒng)中重要的控制元件。為保證燃料電池所需的工作壓力的恒定，經(jīng)過減壓閥后的輸出壓力值應(yīng)不會隨著流量和輸入壓力的變化而變化[1]。但由于依靠節(jié)流實現(xiàn)減壓的氣動減壓閥，在減壓過程中勢會有較大的能量損失，而氣動汽車所攜帶的能量是有限的，能量的損失將會降低系統(tǒng)的利用率?；诖烁邏簹鈩訙p壓閥既快速又穩(wěn)定減壓，使能量損失較少就成為了關(guān)鍵問題[2]。

本研究選擇一種帶有先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的高壓氣動減壓閥，采用AMESim 軟件對其進(jìn)行建模仿真，研究其壓力和流量控制特性[3]，是否滿足氫能源汽車輸氣控制的要求。

1　高壓氣動減壓閥結(jié)構(gòu)及原理

1.1　高壓氣動減壓閥結(jié)構(gòu)

圖1所示,先導(dǎo)式高壓氣動定壓比例減壓閥，其結(jié)構(gòu)為主閥口常閉型減壓閥，主要由主閥、先導(dǎo)閥、控制器、比例電磁鐵等組成。先導(dǎo)閥采用錐閥結(jié)構(gòu)，主閥采用具有錐閥和滑閥的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)B口沒有壓力時，調(diào)節(jié)彈簧9使主閥芯組件處于進(jìn)口A和出口B斷開狀態(tài)，當(dāng)高壓氣體先經(jīng)過進(jìn)口A和先導(dǎo)流量穩(wěn)定器，進(jìn)入主閥彈簧腔，再通過阻尼口8進(jìn)入主閥下腔，上、下腔形成壓差，將主閥打開后，減壓原理同常開型一致。

1.主閥體　2.復(fù)位彈簧　3.反饋腔　4.主閥芯　5.密封擋圈 6.主閥座　7.活塞　8.阻尼口　9.調(diào)節(jié)彈簧　10.調(diào)壓腔 11.先導(dǎo)流量穩(wěn)定器　12.先導(dǎo)閥體　13.先導(dǎo)閥芯　14.比例電磁鐵

1.2　氣動減壓閥中先導(dǎo)流量穩(wěn)定器

如圖2，先導(dǎo)流量穩(wěn)定器由兩個氣阻構(gòu)成，活塞上細(xì)長孔R0為固定氣阻，軸向移動的活塞與閥套后部徑向小孔構(gòu)成可變氣阻R1。可以看出，先導(dǎo)流量穩(wěn)定器實際上是按氣動B型半橋原理工作。當(dāng)進(jìn)口壓力pA升高時，活塞左右原有的氣壓力與彈簧力的平衡被破壞，氣壓力的升高推動閥芯向右移動，閥套上徑向小孔被活塞擋住一部分，使孔開度關(guān)小，可變氣阻R1增大。由于閥芯向右移動，內(nèi)腔體積變小，壓力pR增大，固定氣阻R0前后的壓差pA-pR保持不變，使的流過固定氣阻R0與可變氣阻R1的流量保持基本不變，當(dāng)pA減小時，pR也減小，R0前后壓差與流過流量也基本保持不變。因此，在進(jìn)口壓力波動的情況下先導(dǎo)流量穩(wěn)定器很好地保持先導(dǎo)閥進(jìn)氣腔和主閥調(diào)壓腔的流量穩(wěn)定。

圖2　先導(dǎo)流量穩(wěn)定器

2　高壓氣動減壓閥數(shù)學(xué)模型分析

AMESim軟件平臺中的物理模型參數(shù)的調(diào)整與設(shè)置需基于模型對象底層的數(shù)學(xué)模型，對高壓氣動減壓閥仿真之前，首先需要分析高壓氣動減壓閥的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行物理模型搭建，可以合理高效地設(shè)置模型參數(shù)，對物理模型進(jìn)行優(yōu)化及故障分析與檢測。本節(jié)將對高壓氣動減壓閥的核心部件及概念進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。

2.1　模型的假設(shè)條件

為方便模型的建立和簡化，作如下假設(shè)：

(1) 氣體通過高壓氣動減壓閥的閥口可看作一個等效的收縮噴嘴來計算；

(2) 氣體在各閥口或節(jié)流通道中的流動為絕熱流動；

(3) 氣源溫度為環(huán)境溫度T=293 K；

(4) 不計密封比壓及密封不良造成的氣體泄漏；

(5) 不考慮重力場的影響。

2.2　高壓氣動減壓閥主閥模型

先導(dǎo)式減壓閥基于流量連續(xù)性方程和力學(xué)平衡方程。氫氣具有可壓縮性，工作過程中在減壓閥的各個容腔中會發(fā)生體積的改變[4]。為了簡化計算，將氣動技術(shù)中氣流通過的氣動回路(氣動元件和連接元件的氣管組成)經(jīng)過的管道系統(tǒng)等效成收縮噴嘴或節(jié)流小孔來計算，在根據(jù)具體的要求修正各個參數(shù)。因此，氣體在各個閥口的流動可視為經(jīng)過收縮噴管流動，流量方程為[5,6]：

(1)

式中：

式中：κ為氣體絕熱指數(shù)，氫氣κ為1.4；Cd流量系數(shù)；T為系統(tǒng)溫度(K)；S為閥口節(jié)流面積(m2)；pu、pd為前、后腔壓力(Pa)。

1) 主閥口流量方程

根據(jù)式(1)，可得到：

(2)

2) 主閥閥芯動態(tài)力平衡方程為：

(3)

式中：Ff1為主閥芯受到的摩擦力；Ffl為氣體流動作用力；pB、pt分別為減壓閥輸出壓力值、調(diào)壓腔壓力值；m1為主閥閥芯的質(zhì)量；x為主閥閥芯位移；β1為主閥閥芯的阻尼比；K1、K2為主閥預(yù)緊彈簧、主閥復(fù)位彈簧剛度；x01、x02為主閥預(yù)緊彈簧、復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量；A1、A2、A3為活塞在出口腔側(cè)、調(diào)壓腔及復(fù)位彈簧腔氣體壓力的作用面積。

2.3　先導(dǎo)穩(wěn)定流量器模型

從主閥引出的氣流通過細(xì)長孔到先導(dǎo)穩(wěn)定流量器，即氣體從A腔流向先導(dǎo)穩(wěn)定流量器彈簧腔的流量記為q先，在細(xì)長管中的流動為層流，其質(zhì)量流量為：

(4)

式中：μ為氣體的黏度(Pa·s)；d為細(xì)長孔的直徑(m)；g為重力加速度(m/s2)；ld為細(xì)長孔的長度(m)。

2.4　高壓氣動減壓閥先導(dǎo)閥模型

先導(dǎo)閥芯動態(tài)力平衡方程為：

pcA4-pBA3-Ff2-Ffl

(5)

式中：Ff2為先導(dǎo)閥芯受到的摩擦力；Ffl為氣體流動作用力；Fe比例電磁鐵輸出的推力；pc為先導(dǎo)流量穩(wěn)定器輸出的壓力值；m2為主閥閥芯質(zhì)量；y為先導(dǎo)閥閥芯的位移；β2為先導(dǎo)閥閥芯的阻尼比；K3為先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧剛度；y0為先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量；A3為復(fù)位彈簧腔氣體壓力的作用面積；Ay、A4為先導(dǎo)閥出氣腔、進(jìn)氣腔中氣體壓力對閥芯的作用面積。

3　高壓氣動減壓閥仿真模型

3.1　建立仿真模型

帶先導(dǎo)流量穩(wěn)定器的比例減壓閥模型，見圖3。

1.壓力氣源　2.先導(dǎo)流量穩(wěn)定器　3.先導(dǎo)閥　4.主閥

3.2　設(shè)置仿真模型參數(shù)

仿真模型中主要的參數(shù)設(shè)置如下：氣體介質(zhì)為氫氣，氣態(tài)氫密度為0.0899 g/L。壓力出口設(shè)定壓力為5 MPa;先導(dǎo)閥控制電流600 mA,先導(dǎo)閥芯質(zhì)量為0.073 kg,先導(dǎo)閥芯直徑為4.2 mm;先導(dǎo)流量穩(wěn)定器最大位移為10 mm, 先導(dǎo)流量穩(wěn)定器彈簧剛度3.8 N/mm；主閥調(diào)節(jié)彈簧剛度為25 N/mm；主閥閥芯質(zhì)量為0.1 kg。

4　仿真結(jié)果分析

4.1　減壓閥靜態(tài)特性

圖4為減壓閥壓力特性曲線，由曲線可知：輸入減壓閥的壓力在0～35 MPa范圍內(nèi)變化，輸出壓力對輸入壓力的響應(yīng)盡管出現(xiàn)振蕩，但很快就會穩(wěn)定于期望值上(5 MPa),即高壓氣動減壓閥的響應(yīng)具有收斂的性質(zhì)。

圖4　減壓閥壓力特性

圖5為流量特性曲線，由圖得出：隨著減壓閥主流量的增加，減壓壓力逐漸下降，但下降幅度極小，具有良好的負(fù)載能力。

圖5　減壓閥流量特性

由圖6分析可知：曲線1為帶先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的比例減壓閥，超調(diào)量為10%。曲線2為傳統(tǒng)先導(dǎo)比例減壓閥，超調(diào)量達(dá)到20%；對比表明：帶先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的比例減壓閥其超調(diào)量小，振蕩衰減快，即帶先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的比例減壓閥穩(wěn)定性與快速性更好。

圖6　帶先導(dǎo)穩(wěn)定流量器型與傳統(tǒng)型先導(dǎo)減壓閥

4.2　 主要參數(shù)對輸出穩(wěn)定性影響分析

1) 先導(dǎo)閥彈簧彈簧剛度的影響

如圖7所示，保持其他參數(shù)不變，先導(dǎo)閥彈簧剛度不同情況下，對減壓閥輸出壓力的影響。彈簧的剛度分別設(shè)置為15 N/mm、20 N/mm、25 N/mm。

圖7　先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧剛度對減壓閥輸出壓力影響

由圖7仿真結(jié)果表明：當(dāng)彈簧剛度增加時，減壓閥出口壓力波動幅度減小，穩(wěn)定性好，在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的壓力輸出。反之，隨著彈簧剛度的減小，閥出口波動幅度變大，頻率變高，在較大的出口壓力波動的影響下，到達(dá)平衡位置的時間變長。

2) 先導(dǎo)流量穩(wěn)定器的活塞阻尼孔直徑的影響

圖8為不同先導(dǎo)流量穩(wěn)定器的活塞阻尼孔直徑的情況下，對減壓閥輸出壓力影響曲線?；钊枘峥字睆椒謩e設(shè)置為0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm。

圖8　活塞阻尼孔直徑對輸出壓力影響

由圖8的仿真結(jié)果表明：隨著先導(dǎo)流量穩(wěn)定器的活塞阻尼孔直徑增大，減壓閥輸出穩(wěn)定壓力為5 MPa不變；但其開啟時,隨著活塞阻尼孔直徑增大，壓力振蕩越大，穩(wěn)定時間增大，動態(tài)響應(yīng)變慢；當(dāng)活塞阻尼孔直徑為0.2 mm時在0.2 s以后才可穩(wěn)定；直徑為0.4 mm 時在0.1 s就可達(dá)到穩(wěn)定；當(dāng)活塞阻尼孔直徑為0.8 mm時，雖動態(tài)響應(yīng)快，但輸出壓力的穩(wěn)定性差。

3) 主閥復(fù)位彈簧彈簧剛度的影響

如圖9保證其他的參數(shù)不變，主閥的復(fù)位彈簧剛度不同情況下，對減壓閥輸出壓力的影響。彈簧的剛度分別設(shè)置為35 N/mm、40 N/mm、45 N/mm。

圖9　主閥復(fù)位彈簧剛度對減壓閥輸出壓力的影響

由圖9仿真結(jié)果表明：當(dāng)彈簧剛度小時，輸出壓力超調(diào)量大；隨著剛度增加時，減壓閥輸出壓力的穩(wěn)定性也在變強，壓力顫動的振幅變小，且到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間也減少，但增大彈簧的剛度會增大閥的尺寸。

4) 出口腔的容積變化對減壓閥動態(tài)響應(yīng)影響

圖10為出口腔的容積變化對減壓閥動態(tài)響應(yīng)的影響曲線。仿真中的出口腔體積分別為設(shè)計值的200%、100%和50%。

圖10　主閥不同出口容積對輸出壓力影響

由圖10仿真曲線表明：隨著出口容積變小，氣體在閥口處急劇收縮，然后開始釋放，所以出口體積過小會影響氣體的釋放，會造成很大的壓力波動；因此適當(dāng)增大出口腔容積是很有必要的。經(jīng)過閥口的高速氣體在較大的出口容腔中能夠緩慢釋放，能夠有效降低壓力梯度，減小壓力波動，表現(xiàn)在曲線上為震蕩幅值和超調(diào)量相對較小。

5　結(jié)論

(1) 用AMESim軟件對高壓氣動減壓閥進(jìn)行仿真，通過合理的建模與參數(shù)設(shè)置，可知帶有先導(dǎo)穩(wěn)定流量器的高壓氣動減壓閥在高壓化減壓時，其出口壓力穩(wěn)定、壓力振蕩小、動態(tài)響應(yīng)快；能夠有效地抑制出口的壓力波動；

(2) 在設(shè)計先導(dǎo)式高壓氣動減壓閥時，采用基于氣動半橋原理的先導(dǎo)穩(wěn)定流量器結(jié)構(gòu)；同時，適當(dāng)?shù)卦龃笾鏖y復(fù)位彈簧剛度，先導(dǎo)穩(wěn)定流量器活塞阻尼孔，出口腔容積的增大，可提高閥的輸出壓力的穩(wěn)定性和快速性。

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