訚耀保，李 磊，原佳陽(yáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·南京·210061)

0 前 言

氣體控制閥引入電信號(hào)，通過(guò)控制電信號(hào)的大小來(lái)控制高壓氣體的流動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制閥的快速開(kāi)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(wèn)題[4]。氣體控制閥的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)多采用氣體控制閥進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的第一次起動(dòng)。國(guó)內(nèi)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究:如在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供氣管路系統(tǒng)匹配條件下，起動(dòng)機(jī)進(jìn)口最小壓強(qiáng)要求下的起動(dòng)包線[5];空氣渦輪起動(dòng)系統(tǒng)建模與起動(dòng)系統(tǒng)匹配[6];基于AMESim軟件的空氣渦輪起動(dòng)機(jī)ATS調(diào)壓裝置建模[7];動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償控制器縮短發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間[8];氣體控制閥的余度設(shè)計(jì)[9]。

在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，氣體控制閥通過(guò)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(dòng)控制閥為例，分析三通氣動(dòng)閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合單噴嘴擋板閥和作動(dòng)筒原理，通過(guò)控制閥的輸入電流控制流量大小，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三通氣動(dòng)閥控缸響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

1 三通氣動(dòng)閥控缸模型

圖1所示為某氣體控制閥回路簡(jiǎn)圖。當(dāng)電磁閥不通電時(shí)，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(shí)，三通氣動(dòng)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(dòng)活塞移動(dòng);閥控缸的內(nèi)部壓力可以通過(guò)流經(jīng)單噴嘴擋板的控制電流來(lái)調(diào)節(jié);活塞的位移通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為蝶閥的開(kāi)度，即通過(guò)執(zhí)行閥控缸的控制電流來(lái)調(diào)整蝶閥開(kāi)度。本文通過(guò)三通氣動(dòng)閥控不對(duì)稱氣缸，將單噴嘴擋板閥和不對(duì)稱氣缸 (作動(dòng)筒)有效結(jié)合，研究閥控缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其響應(yīng)速度的影響規(guī)律。

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

如圖2所示，三通氣動(dòng)閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)由單噴嘴擋板閥和不對(duì)稱缸即作動(dòng)筒組成，用于控制作動(dòng)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(duì)稱缸即作動(dòng)筒。作動(dòng)筒的腔1為控制腔，腔1的壓力通過(guò)單噴嘴擋板閥來(lái)控制;腔2為彈簧腔，與大氣相連通;腔3為作動(dòng)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(guò)程。

固定節(jié)流孔1處的流量Q1為

圖2 三通氣動(dòng)閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)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(dòng)筒容腔1內(nèi)氣體的連續(xù)性方程為

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

作動(dòng)筒活塞的受力平衡方程為

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

2 靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析

三通氣動(dòng)閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)性能包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性指穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，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(dòng)態(tài)特性指三通氣動(dòng)閥控缸的氣缸活塞從起始位置運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置過(guò)程的時(shí)間響應(yīng)。

單噴嘴擋板閥通過(guò)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(guò)的角度，rad;Ja為銜鐵擋板反饋桿組件的轉(zhuǎn)動(dòng)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?yàn)镴a和Ba項(xiàng)數(shù)值比較小，可以忽略不計(jì);此外，P2項(xiàng)雖然是變量，但變化的量級(jí)較小，故將該項(xiàng)考慮為常數(shù);式 (5)和式 (6)可簡(jiǎn)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(shí)，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(dòng)筒腔1容積V1為46m L;活塞與作動(dòng)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(dòng)為亞音速流動(dòng)。

單噴嘴擋板壓力特性是指負(fù)載腔堵死時(shí)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(dòng)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(shí)，活塞位移為0.037m。理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(cè)蝶閥的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，轉(zhuǎn)換為作動(dòng)筒輸出位移。實(shí)驗(yàn)時(shí)，蝶閥作用在作動(dòng)筒上的負(fù)載力不恒定，導(dǎo)致蝶閥開(kāi)啟力矩大于設(shè)定值，理論值略高于實(shí)驗(yàn)值。

圖3 三通氣動(dòng)閥控缸靜態(tài)特性理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(dòng)閥控缸位移和壓力的理論響應(yīng)時(shí)間特性。圖4(a)所示為活塞的位移-時(shí)間的響應(yīng)特性，由圖可知三通氣動(dòng)閥控缸的響應(yīng)時(shí)間為12.3s。圖4(b)所示為三通氣動(dòng)閥控缸壓力-時(shí)間響應(yīng)特性，控制閥的填充管道和作動(dòng)筒腔1的時(shí)間為0.5s，響應(yīng)時(shí)間大部分消耗在活塞移動(dòng)過(guò)程中，即高壓氣體的填充速率不能滿足活塞的移動(dòng)速度。

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

3 動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)措施

為提高三通氣動(dòng)閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)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(duì)閥控缸動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)的閥控缸位移響應(yīng)特性。響應(yīng)時(shí)間分別為12.3s、7.9s和5.5s，增大節(jié)流孔的直徑，響應(yīng)時(shí)間由12.3s縮短到5.5s?？梢?jiàn)，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(shí)間。

圖6 不同固定節(jié)流孔直徑下作動(dòng)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(duì)閥控缸動(dòng)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(shí)的靜態(tài)特性。提高供氣壓力，增大了作動(dòng)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(dòng)筒位移響應(yīng)時(shí)間為11.3s，一定程度上縮短了閥控缸的響應(yīng)時(shí)間。

圖7 不同供氣壓力時(shí)三通氣動(dòng)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(dòng)筒位移響應(yīng)特性Fig.8 Displacement response characteristics of actuator cylinder under different bleed pressure

3.3 作動(dòng)筒容積對(duì)閥控缸動(dòng)態(tài)特性的影響

經(jīng)過(guò)電磁閥的氣體填充作動(dòng)筒腔1，當(dāng)壓力到達(dá)一定值時(shí)，推動(dòng)活塞移動(dòng)。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(dòng)筒腔1容積下作動(dòng)筒位移響應(yīng)特性。在腔1體積分別為5m L、20m L和46m L時(shí)，作動(dòng)筒響應(yīng)時(shí)間分別為11.2s、11.6s、12.3s。由圖可得，減小容積V1， 可縮短作動(dòng)筒活塞運(yùn)動(dòng)前空氣的填充時(shí)間。

圖9 不同作動(dòng)筒腔1容積下作動(dòng)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(duì)閥控缸動(dòng)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(shí)間。圖10所示為不同活塞有效接觸面積下三通氣動(dòng)閥控缸的動(dòng)態(tài)特性。有效面積A1分別為27.69cm2、22.79cm2和18.22cm2時(shí)，響應(yīng)時(shí)間分別為12.3s、9.2s和8.4s?？梢?jiàn)，減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。活塞有效面積越小，活塞移動(dòng)時(shí)作動(dòng)筒腔1新增容積越小，對(duì)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(dòng)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(dòng)閥控不對(duì)稱缸的數(shù)學(xué)模型，分析了閥控缸啟動(dòng)過(guò)程的影響因素，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣動(dòng)參數(shù)對(duì)三通閥控缸差動(dòng)系統(tǒng)靜、動(dòng)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(dòng)閥控缸的響應(yīng)速度，如采取增大噴嘴擋板式氣動(dòng)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(shí)踐結(jié)果一致。