噴嘴擋板式三通氣動閥控缸特性分析*

訚耀保，李 磊，原佳陽，郭生榮

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院·上海·200092;2.南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室·南京·210061)

0 前 言

氣體控制閥引入電信號，通過控制電信號的大小來控制高壓氣體的流動狀態(tài)[1]。W.E.Seidel將通道出口的氣體壓力反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證壓力穩(wěn)定以提高機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度[2];P.C.Mouton利用彈性固定件實現(xiàn)控制閥的快速開啟[3];J.Wiggins提出了雙執(zhí)行器控制閥結(jié)構(gòu)，用以解決極端條件引起的問題[4]。氣體控制閥的應(yīng)用越來越廣泛。航空發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)多采用氣體控制閥進(jìn)行發(fā)動機(jī)的第一次起動。國內(nèi)對于發(fā)動機(jī)快速起動問題進(jìn)行了研究:如在發(fā)動機(jī)起動供氣管路系統(tǒng)匹配條件下，起動機(jī)進(jìn)口最小壓強(qiáng)要求下的起動包線[5];空氣渦輪起動系統(tǒng)建模與起動系統(tǒng)匹配[6];基于AMESim軟件的空氣渦輪起動機(jī)ATS調(diào)壓裝置建模[7];動態(tài)前饋補(bǔ)償控制器縮短發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的起動時間[8];氣體控制閥的余度設(shè)計[9]。

在國內(nèi)外文獻(xiàn)中，氣體控制閥通過控制減壓閥出口壓力調(diào)節(jié)流量大小。本文以某企業(yè)自主研發(fā)的噴嘴擋板式三通氣動控制閥為例，分析三通氣動閥控缸差動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合單噴嘴擋板閥和作動筒原理，通過控制閥的輸入電流控制流量大小，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對三通氣動閥控缸響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

1 三通氣動閥控缸模型

圖1所示為某氣體控制閥回路簡圖。當(dāng)電磁閥不通電時，電磁閥內(nèi)部的球閥隔斷通道，蝶閥保持閉合狀態(tài)。當(dāng)電磁閥通電時，三通氣動閥控缸處于工作狀態(tài)，經(jīng)減壓閥調(diào)壓后的氣體流經(jīng)電磁閥通道進(jìn)入閥控缸推動活塞移動;閥控缸的內(nèi)部壓力可以通過流經(jīng)單噴嘴擋板的控制電流來調(diào)節(jié);活塞的位移通過連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為蝶閥的開度，即通過執(zhí)行閥控缸的控制電流來調(diào)整蝶閥開度。本文通過三通氣動閥控不對稱氣缸，將單噴嘴擋板閥和不對稱氣缸 (作動筒)有效結(jié)合，研究閥控缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

圖1 氣體控制閥工作原理簡圖Fig.1 Operation principle of air control valve

如圖2所示，三通氣動閥控缸差動系統(tǒng)由單噴嘴擋板閥和不對稱缸即作動筒組成，用于控制作動筒的輸出位移。圖2中，1為單噴嘴擋板閥的固定節(jié)流孔，2為單噴嘴擋板閥的部分?jǐn)U大示意圖，3為不對稱缸即作動筒。作動筒的腔1為控制腔，腔1的壓力通過單噴嘴擋板閥來控制;腔2為彈簧腔，與大氣相連通;腔3為作動筒的小腔，與供氣腔相連通。假設(shè)入口壓力為恒定值，各節(jié)流口采用平均溫度且為絕熱過程。

固定節(jié)流孔1處的流量Q1為

圖2 三通氣動閥控缸差動系統(tǒng)原理簡圖Fig.2 Sketch of differential system of three-way pneumatic valve control cylinder

式中，C1為節(jié)流孔節(jié)流系數(shù);P1為節(jié)流孔入口壓力，Pa;P2為控制腔壓力，Pa;d1為節(jié)流孔的直徑，m;T為節(jié)流孔入口溫度，K;R為氣體常數(shù)，J/(K·mol);k為氣體絕熱指數(shù)。

噴嘴擋板處的出口流量Q2為

式中，C2為噴嘴擋板處的節(jié)流系數(shù);d2為噴嘴直徑，m;lc為噴嘴與擋板間的距離，m;P0為大氣環(huán)境壓力，Pa。

作動筒容腔1內(nèi)氣體的連續(xù)性方程為

式中，V1為作動筒腔1容積，m3;A1為活塞與作動筒腔1接觸的有效面積，m2;y為作動筒輸出位移，m。

作動筒活塞的受力平衡方程為

式中，B1為作動筒活塞的等效阻尼，N· (m/s);m1為作動筒活塞質(zhì)量，kg;k1為作動筒活塞的等效彈簧剛度，N/m;y0為作動筒活塞彈簧的等效預(yù)壓縮量，m;A2為活塞與作動筒腔2接觸的有效面積，m2;Ff為活塞的滑動摩擦力，N;A3為活塞與作動筒腔3接觸的有效面積，m2。

2 靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析

三通氣動閥控缸差動系統(tǒng)性能包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性指穩(wěn)態(tài)工作時，單噴嘴擋板閥的輸入控制電流i(m A)和氣缸輸出位移y(m)之間的函數(shù)關(guān)系。動態(tài)特性指三通氣動閥控缸的氣缸活塞從起始位置運動到終點位置過程的時間響應(yīng)。

單噴嘴擋板閥通過力矩馬達(dá)控制噴嘴與擋板之間的距離，即可變節(jié)流孔的大小，從而控制固定節(jié)流孔與可變節(jié)流孔中間控制腔的壓力值。單噴嘴擋板閥力矩馬達(dá)的力矩平衡方程式為

式中，Kt為電磁力矩系數(shù)，V/(rad/s);Km為磁扭矩彈簧剛度，(N·m)/rad;θ為擋板轉(zhuǎn)過的角度，rad;Ja為銜鐵擋板反饋桿組件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;Ba為銜鐵擋板反饋桿組件的阻尼系數(shù);Ka為彈簧管剛度，(N·m)/rad;AN為噴嘴孔面積，m2;r為彈簧管旋轉(zhuǎn)中心到噴嘴中心線距離，m。

因為Ja和Ba項數(shù)值比較小，可以忽略不計;此外，P2項雖然是變量，但變化的量級較小，故將該項考慮為常數(shù);式 (5)和式 (6)可簡化為電流i(A)和擋板間隙lc(m)之間的線性關(guān)系，為

以某噴嘴擋板閥為例，控制電流i為100m A時，噴嘴擋板間隙lc為2.5×10-4m;控制電流i為0m A，間隙lc為8.6×10-5m?？傻每刂齐娏鱥(A)和噴嘴擋板間隙lc(m)之間的線性關(guān)系為

閥控缸入口壓力為198k Pa;節(jié)流孔直徑為0.8mm，選擇范圍為0.8～1.2mm;噴嘴直徑為0.61mm;作動筒腔1容積V1為46m L;活塞與作動筒腔1接觸的有效面積A1為27.69 cm2。噴嘴擋板負(fù)載腔壓力最大為193k Pa，大氣環(huán)境壓力為101k Pa，極端壓力比為0.523，接近極限壓力比0.5283，而節(jié)流孔前后的壓力比大于該極限壓力比0.523;故節(jié)流孔和噴嘴擋板處的流動為亞音速流動。

單噴嘴擋板壓力特性是指負(fù)載腔堵死時的閥位移與負(fù)載壓力之間的關(guān)系，即Q1=Q2，聯(lián)立式(1)、式 (2)、式 (4)、式 (6)和式 (8)，可得氣體控制閥的靜態(tài)特性曲線，即控制電流和作動筒位移的關(guān)系。如圖3所示，控制電流的死區(qū)范圍為0～50m A;控制電流為100m A時，活塞位移為0.037m。理論結(jié)果和實驗結(jié)果基本一致。氣源壓力300k Pa，溫度188℃，利用角位移傳感器檢測蝶閥的轉(zhuǎn)動角度，轉(zhuǎn)換為作動筒輸出位移。實驗時，蝶閥作用在作動筒上的負(fù)載力不恒定，導(dǎo)致蝶閥開啟力矩大于設(shè)定值，理論值略高于實驗值。

圖3 三通氣動閥控缸靜態(tài)特性理論結(jié)果與實驗結(jié)果Fig.3 Theoretical results and experimental results of static characteristics of three-way pneumatic valve control cylinder

圖4所示為三通氣動閥控缸位移和壓力的理論響應(yīng)時間特性。圖4(a)所示為活塞的位移-時間的響應(yīng)特性，由圖可知三通氣動閥控缸的響應(yīng)時間為12.3s。圖4(b)所示為三通氣動閥控缸壓力-時間響應(yīng)特性，控制閥的填充管道和作動筒腔1的時間為0.5s，響應(yīng)時間大部分消耗在活塞移動過程中，即高壓氣體的填充速率不能滿足活塞的移動速度。

圖4 作動筒位移和壓力的時間響應(yīng)特性Fig.4 Displacement and pressure response characteristics with time of actuator cylinder

3 動態(tài)特性改進(jìn)措施

為提高三通氣動閥控缸差動系統(tǒng)的動態(tài)特性，可從增大氣體填充速率和減小氣體需求兩方面進(jìn)行改進(jìn)，具體措施包括:增大固定節(jié)流孔直徑、提高供氣壓力、減小作動筒腔1容積和減小活塞有效面積。

3.1 固定節(jié)流孔直徑對閥控缸動態(tài)特性的影響

由式 (1)可知，流量Q1與固定節(jié)流孔直徑d1的平方成正比，增大節(jié)流孔直徑d1可以在很大程度上增大空氣填充速率;由閥控缸靜態(tài)特性可知，保證閥控缸的靜態(tài)特性不發(fā)生改變，需保證的值為定值。圖5所示為節(jié)流孔直徑d1分別為0.8mm、1.0mm和1.2mm時的靜態(tài)特性，相應(yīng)的噴嘴直徑分別為0.61mm、0.95mm和1.37mm。

圖5 不同節(jié)流孔直徑下三通氣動閥控缸的靜態(tài)特性Fig.5 Static characteristics of three-way pneumatic valve control cylinder under different orifice diameters

圖6所示為上述條件下，靜態(tài)特性基本不變時的閥控缸位移響應(yīng)特性。響應(yīng)時間分別為12.3s、7.9s和5.5s，增大節(jié)流孔的直徑，響應(yīng)時間由12.3s縮短到5.5s?？梢?，增大固定節(jié)流孔直徑可以有效地縮短閥控缸的響應(yīng)時間。

圖6 不同固定節(jié)流孔直徑下作動筒位移響應(yīng)特性Fig.6 Displacement response characteristics of actuator cylinder under different fixed orifice diameters

3.2 供氣壓力對閥控缸動態(tài)特性的影響

圖7所示為供氣壓力值從198 k Pa增大至202k Pa時的靜態(tài)特性。提高供氣壓力，增大了作動筒腔1的內(nèi)部穩(wěn)定壓力，擴(kuò)大了控制電流的死區(qū)范圍。如圖8所示，作動筒位移響應(yīng)時間為11.3s，一定程度上縮短了閥控缸的響應(yīng)時間。

圖7 不同供氣壓力時三通氣動閥控缸靜態(tài)特性Fig.7 Static characteristics of three-way pneumatic valve control cylinder under different bleed pressure

圖8 不同供氣壓力下作動筒位移響應(yīng)特性Fig.8 Displacement response characteristics of actuator cylinder under different bleed pressure

3.3 作動筒容積對閥控缸動態(tài)特性的影響

經(jīng)過電磁閥的氣體填充作動筒腔1，當(dāng)壓力到達(dá)一定值時，推動活塞移動。由連續(xù)性方程式(3)可知，腔1容積V1越大，需要的流量就越多，響應(yīng)越慢。圖9所示為不同作動筒腔1容積下作動筒位移響應(yīng)特性。在腔1體積分別為5m L、20m L和46m L時，作動筒響應(yīng)時間分別為11.2s、11.6s、12.3s。由圖可得，減小容積V1， 可縮短作動筒活塞運動前空氣的填充時間。

圖9 不同作動筒腔1容積下作動筒位移響應(yīng)特性Fig.9 Displacement response characteristics of actuator cylinder under different volumes of chamber.1

3.4 活塞有效面積對閥控缸動態(tài)特性的影響

由流量連續(xù)性方程式 (3)可知，減小活塞有效面積A1，可以提高閥控缸的響應(yīng)時間。圖10所示為不同活塞有效接觸面積下三通氣動閥控缸的動態(tài)特性。有效面積A1分別為27.69cm2、22.79cm2和18.22cm2時，響應(yīng)時間分別為12.3s、9.2s和8.4s?？梢姡瑴p小活塞有效面積可以在一定程度上提高閥控缸的響應(yīng)速度?；钊行娣e越小，活塞移動時作動筒腔1新增容積越小，對空氣的需求量也越小，閥控缸的響應(yīng)速度越快。

圖10 活塞不同有效面積下作動筒位移響應(yīng)特性Fig.10 Displacement response characteristics of actuator cylinder under different active contact areas of piston and control chamber

4 結(jié) 論

1)建立了噴嘴擋板式三通氣動閥控不對稱缸的數(shù)學(xué)模型，分析了閥控缸啟動過程的影響因素，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣動參數(shù)對三通閥控缸差動系統(tǒng)靜、動態(tài)特性的影響規(guī)律。

2)可以采取增大空氣填充速率和減少空氣需求兩方面的措施，提高噴嘴擋板式三通氣動閥控缸的響應(yīng)速度，如采取增大噴嘴擋板式氣動三通閥的固定節(jié)流孔直徑、減小活塞有效面積、提高供氣壓力等措施。理論分析結(jié)果與實踐結(jié)果一致。