賈一平，黃運華

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

氣動減壓閥是采用控制閥體內(nèi)啟閉件的開度來調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，使出口氣體壓力低于進口氣體壓力，同時借助出口壓力的作用對啟閉件的開度進行反饋調(diào)節(jié)，使經(jīng)過氣動減壓閥后的氣體壓力穩(wěn)定保持在一定壓力值范圍以內(nèi)。減壓閥的特點是在進口壓力不斷發(fā)生變化波動的情況下，保持氣體出口壓力以及其溫度值在一定可控范圍之內(nèi)。減壓閥的主要作用是對氣源壓力進行減壓，并調(diào)整到一個相對穩(wěn)定的數(shù)值，以便于控制穩(wěn)定的氣源動力[1]。

AMESim軟件為用戶提供了方便用于氣體仿真的氣壓元件設(shè)計庫(Pneumatic Component Design,PCD)，支持用戶自己定義元件屬性與參數(shù)，用戶可以根據(jù)需求對氣壓元件進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，并在建立該模型的基礎(chǔ)上進行仿真分析以及時域和頻域的靜、動態(tài)響應(yīng)分析，為設(shè)計人員在設(shè)計氣壓元件時提供了便利，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期[2]。本文以HXD2型電力機車的DE-PI型減壓閥為例，運用AMESim中所提供的PCD氣壓元件設(shè)計庫對DE-PI型減壓閥進行建模與仿真分析。

1 DE-PI型減壓閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為DE-PI型減壓閥的結(jié)構(gòu)簡圖，其主要由調(diào)節(jié)彈簧、復(fù)位彈簧、彈性墊片、反饋腔、閥芯和閥座等零件組成。開始工作時，減壓閥調(diào)節(jié)彈簧6的縱向彈簧力經(jīng)推桿以及運動元件傳遞到彈性墊片3，閥芯因受平衡力的作用致使閥口呈開啟狀態(tài)，此時減壓閥進口處氣體經(jīng)進氣口10后流經(jīng)閥口，由于閥口開度較小，氣體流經(jīng)閥口時產(chǎn)生撞擊、摩擦和渦流，損失一部分氣體壓力。流經(jīng)閥口后的氣體為減壓閥出口氣體(壓力為p)，出口氣體流經(jīng)阻尼孔進入反饋腔8并作用在橡膠膜片(圖1中未標出)上，出口壓力與調(diào)節(jié)彈簧的縱向彈簧力做比較[3]。假設(shè)反饋腔處膜片有效面積為S，調(diào)節(jié)彈簧力與質(zhì)量塊總合力為F,當F>pS時，閥芯向下運動，閥口有效截面積增大，致使出口氣體壓力增大；當F

1-閥芯；2-復(fù)位彈簧；3-彈性墊片；4-出氣口；5-阻尼孔; 6-調(diào)節(jié)彈簧；7-排氣口；8-反饋腔；9-閥座；10-進氣口

2 建立DE-PI型減壓閥AMESim仿真模型

2.1 DE-PI型減壓閥動態(tài)數(shù)學(xué)模型

壓縮空氣在減壓閥腔室內(nèi)作一維定常流動的特性可由4個基本方程即連續(xù)性方程、動量方程、能量方程(伯努利方程)和狀態(tài)方程來描述[4]。

(1) 連續(xù)性方程 ：連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體流動中的應(yīng)用，表示為：

Qm=ρuA=常數(shù).

(1)

d(ρuA)=0.

(2)

其中：Qm為流過每個截面的氣體質(zhì)量流量；ρ、u分別為氣體的密度和平均流速；A為管道的截面積。

(2) 動量方程：氣體在管內(nèi)作定常流動時，各動量之間遵循如下方程：

(3)

其中：λ為管道中的摩擦因數(shù)；b為管道內(nèi)徑；dx為橫向截取的微分單元。

對式(3)進行積分得：

u2/2+p/ρ+λlu2/(2b)=常數(shù).

(4)

其中:l為管道計算長度。

(3) 狀態(tài)方程：對氣體通過小孔的流動狀態(tài)進行分析，模擬氣體進入閥口前、后狀態(tài)的變化，氣體流經(jīng)閥口簡圖如圖2所示。圖2中，p0、pe分別為閥口前(腔Ⅰ)、后(腔Ⅱ)氣體壓力值，ρ0、ρe分別為閥口前、后氣體密度；ω0、ωe分別為閥口前、后氣體流速，T0、Te分別為閥口前、后氣體溫度，α0、αe分別為閥口前、后氣體黏滯系數(shù)。

圖2 氣體流經(jīng)閥口簡圖

當p=p0時，閥口中氣體不受外力擾動，處于不流動狀態(tài)。

當p/p0>0.528時，閥口中氣流處于亞臨界狀態(tài)，這時閥口后氣體壓力擾動波將會以聲速傳到閥口出口處，使得壓力pe=p，pe的改變將影響整個閥口中氣體的流動狀態(tài)[5]，則閥口截面的氣體流速為：

(5)

其中：γ為比例系數(shù)；R為氣體熱力學(xué)常數(shù)；T為絕對溫度。

閥口后的氣體密度為：

(6)

流過閥口的質(zhì)量流量為：

(7)

其中：S為閥口(反饋腔處)有效面積，S=μA，μ為流量系數(shù)，由實驗確定。

當p/p0≤0.528時，閥體出口截面上氣體的流動速度是以聲速向外快速流動的，此擾動無法影響到閥口內(nèi)部氣流狀況， 閥口后氣體的絕對壓力在不斷下降，但閥口內(nèi)流動并無發(fā)生任何明顯變化，則臨界流量Qm0也保持不變[6]。當p/p0=0.528時系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，此時的臨界流量Qm0為[7]：

(8)

2.2 建立DE-PI型減壓閥AMESim仿真模型

對DE-PI型減壓閥在AMESim軟件中利用其PCD氣壓元件設(shè)計庫進行建模，所建立的模型如圖3所示。模型中參數(shù)取值為DE-PI型減壓閥實際測量參數(shù)，合力F=900 N，調(diào)壓彈簧剛度k=22 700 N/m，閥芯質(zhì)量m=0.1 kg，阻尼孔截面積為0.15 mm2，閥口初始開度為0.8 mm，膜片腔室容積為0.001 889 L，高壓腔室容積為0.001 652 L，仿真的真實外界環(huán)境依照DE-PI型減壓閥在HXD2型電力機車上的實際工況來設(shè)定[8]，設(shè)置氣體風(fēng)源總壓力為900 kPa。

圖3 減壓閥的AMESim模型

3 仿真分析

3.1 減壓閥進、出口壓力

圖4為仿真得到的減壓閥進、出口壓力曲線。從圖4(a)可以看出，風(fēng)源在向減壓閥充氣前閥開度較大，由于減壓閥進口處沒有阻尼的作用，風(fēng)源進入減壓閥進口后壓力平穩(wěn)上升，在很短的時間內(nèi)達到最大值900 kPa并保持穩(wěn)定。從圖4(b)可以看出，充氣時，入口壓力較大，減壓閥出口的壓力上升快，但在短暫時間過后，上升的速度越來越慢，0.2 s后保持在708.4 kPa，并達到平衡。由此可見，減壓閥進口的氣體進入減壓閥出口后，減壓閥出口氣體開始進入反饋腔來調(diào)節(jié)減壓閥的閥口開度，使得閥口開度減小，減壓閥出口氣體壓力上升速度減慢，直到達到平衡的臨界條件F=pS，此時，減壓閥出口氣體壓力保持穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

圖4 減壓閥進、出口壓力曲線

3.2 彈簧剛度對減壓閥出口壓力的影響

圖5為在不同調(diào)節(jié)彈簧剛度下減壓閥氣體出口壓力隨時間變化的曲線。由圖5可以看出，隨著彈簧剛度的不斷增加，減壓閥出口的氣體壓力逐漸增加；而且隨著彈簧剛度的增加，減壓閥出口壓力達到平衡的時間縮短，可見調(diào)壓彈簧的設(shè)計對減壓閥出口壓力起著決定性作用。因此，綜合減壓閥的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合彈簧剛度對減壓閥出口壓力的影響，在允許范圍內(nèi)適當選擇彈簧剛度較大的調(diào)節(jié)彈簧，有利于縮短減壓閥出口壓力平衡的時間。

圖5 不同彈簧剛度下減壓閥出口壓力隨時間變化曲線

3.3 閥芯質(zhì)量對減壓閥出口壓力的影響

為研究減壓閥的閥芯質(zhì)量對減壓閥出口壓力所造成的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別取減壓閥的閥芯質(zhì)量m為2.0 kg、1.0 kg、0.5 kg、0.1 kg在AMESim下進行仿真分析[9]，得到的結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，減壓閥閥芯質(zhì)量對減壓閥出口定壓所造成的影響非常小，基本保持不變，壓力最終都會穩(wěn)定在一個恒定值。但將圖6局部放大后可以看出，隨著閥芯質(zhì)量的增加，出口壓力在到達穩(wěn)定之前波動越來越大。綜上所述，在設(shè)計允許范圍內(nèi)，閥芯質(zhì)量越小對出口壓力的穩(wěn)定越有利。

圖6 不同閥芯質(zhì)量的出口壓力隨時間的變化曲線

3.4 阻尼孔截面積對減壓閥出口壓力的影響

為了研究減壓閥阻尼孔截面積對減壓閥出口壓力的影響，在保持其他條件不變的情況下分別取阻尼孔截面積為0.15 mm2、1.5 mm2、15 mm2，得到了不同阻尼孔截面積下減壓閥出口壓力隨時間變化的曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，不同阻尼孔截面積對減壓閥的定壓基本上沒有影響，隨著阻尼孔截面積的逐漸增加，氣體出口的穩(wěn)定壓力基本保持不變，但是出口壓力的波動幅度比較大，而且達到穩(wěn)定所需的時間也增長。綜上所述，在設(shè)計允許范圍內(nèi)，盡可能選擇截面積稍小的阻尼孔，可以減小出口壓力的波動以及達到穩(wěn)定所需的時間。

圖7 不同阻尼孔截面積的出口壓力隨時間的變化曲線

4 結(jié)論

本文分析了HXD2型電力機車的DE-PI型減壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理，運用AMESim軟件的氣壓元件設(shè)計庫對DE-PI型減壓閥進行了建模仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果提出了對減壓閥的優(yōu)化設(shè)計方法。

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