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)
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。
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。
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
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。
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
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
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
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
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。