徐利楊，章蘭珠

(華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)中的重要控制儀器。其作用是對氣源輸入的壓力信號、反饋機構(gòu)的反饋信號進行接收與處理，改變輸出的氣壓信號、推動執(zhí)行機構(gòu)運動，進而改變閥芯與閥門間的開度[1-4]。根據(jù)電/氣(current intensity/pneumatic，I/P)轉(zhuǎn)換器原理的不同，可將閥門定位器分為兩類，即噴嘴擋板式閥門定位器與壓電陶瓷式閥門定位器[5]。目前，在工業(yè)應(yīng)用中噴嘴擋板式閥門定位器占比較大。該類型定位器主要由I/P轉(zhuǎn)換器與氣動放大器構(gòu)成[6-7]。其優(yōu)點主要包括對氣源要求較低，堅固耐用；質(zhì)量小，響應(yīng)時間較短，調(diào)節(jié)靈敏；抗油污、水分能力強等[5,8]。噴嘴擋板結(jié)構(gòu)是該類型閥門定位器中的核心部分。噴嘴擋板的性能將直接決定閥門定位器控制精度。

為提高噴嘴擋板結(jié)構(gòu)的性能，需要對其內(nèi)部參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。本文對噴嘴擋板工作原理進行了研究，并基于理論模型對噴嘴擋板作了仿真分析。仿真采用ANSYS FLUENT軟件。根據(jù)仿真結(jié)果，對噴嘴擋板作了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

1 噴嘴擋板結(jié)構(gòu)原理

噴嘴擋板原理如圖1所示。氣動閥門定位器通過改變噴嘴擋板間的間隙，從而改變輸出至氣動放大器的氣壓。其主要結(jié)構(gòu)包括噴嘴孔、擋板、背壓室以及恒節(jié)流孔。氣源氣體經(jīng)恒節(jié)流孔節(jié)流穩(wěn)壓后進入背壓室，并從噴嘴孔與擋板間泄出。改變噴嘴擋板間隙可引起背壓室氣壓變化，即可改變輸出到放大器的氣體氣壓[9-11]。

圖1 噴嘴擋板原理圖

流量連續(xù)方程為：

Q0=Q1+Q2

(1)

式中：Q0為氣源流量；Q1為噴嘴孔泄出的氣流量；Q2為由背壓室輸出至氣動放大器的流量。

氣流通過節(jié)流孔與噴嘴孔時，薄壁小孔流量方程如式(2)、式(3)所示[12]。

(2)

式中：Cf0為節(jié)流孔與噴嘴孔流量系數(shù)；A0為恒節(jié)流孔面積，可由恒節(jié)流孔和噴嘴孔徑表示；ρ為空氣密度。

(3)

式中：Cf1為節(jié)流孔與噴嘴孔流量系數(shù)；A1為噴嘴孔面積，可由噴嘴擋板間隙表示。

節(jié)流孔與噴嘴孔前后氣壓差分別如式(4)、式(5)所示。

ΔP0=Ps-Pb

(4)

式中：Ps為氣源氣壓;Pb為輸出至放大器的氣壓。

ΔP1=Pb

(5)

當(dāng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，背壓室氣壓應(yīng)與氣動放大器輸入氣壓相等，此時Q2=0。因此，將式(2)～式(5)與噴嘴擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(1)，可得出輸出氣壓Pb與氣源氣壓Ps之間的關(guān)系模型：

(6)

式中：x為噴嘴擋板間隙。

由式(6)可知，輸出氣壓與氣源氣壓關(guān)系主要由噴嘴孔與節(jié)流孔直徑?jīng)Q定。該模塊輸出的氣壓將由噴嘴擋板間的間隙決定。隨著噴嘴擋板間隙的改變，將存在以下三種情況。

①當(dāng)噴嘴擋板間隙x為零時，背壓室輸出的氣壓即為氣源氣壓。

②當(dāng)x增大時，在噴嘴處形成小孔節(jié)流，背壓室氣壓將逐漸減小。

③當(dāng)x持續(xù)增大并大于噴嘴面積時，小孔節(jié)流效應(yīng)消失，背壓室氣壓將不再隨x的增大而減小。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

根據(jù)第1節(jié)數(shù)學(xué)模型，可對噴嘴擋板結(jié)構(gòu)中的節(jié)流孔與噴嘴孔直徑進行設(shè)計。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)與操作手冊以及對現(xiàn)有產(chǎn)品的測量，得出兩孔徑的合理區(qū)間。恒節(jié)流孔直徑估值區(qū)間可限定在[0.2，0.4]mm之間。進行仿真時，恒節(jié)流孔直徑將分別取0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm。為取得理想效果，將噴嘴直徑估值區(qū)間定在[0.3，0.6]mm之間，仿真時分別取0.35 mm、0.45 mm和0.55 mm。對其進行分組仿真，從而獲得最合理的結(jié)構(gòu)尺寸。本次仿真將采用ANSYS FLUENT 軟件。

首先在Solidworks軟件中繪制噴嘴擋板中氣體的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT軟件并進行網(wǎng)格劃分，選擇湍流模型進行計算。計算模型設(shè)置完畢后，需將材料屬性定義為流體，其余保持默認(rèn)即可。此后，還需要設(shè)置邊界條件。本次仿真氣源氣壓選用0.3 MPa壓縮空氣，故將氣壓輸入設(shè)置為0.3 MPa。此外，出口處氣壓設(shè)置為0，操作氣壓選用大氣壓。采用壓力耦合方程組的半隱式方法(semi-implicit method for pressure linked equations,SIMPLE)算法進行求解，使用一階迎風(fēng)格式為動量方程。

根據(jù)所設(shè)置的仿真條件，可得到氣壓分布。根據(jù)仿真結(jié)果可知，氣源氣流從左側(cè)進入噴嘴，在恒節(jié)流孔處氣壓急劇降低。此后，噴嘴孔處的氣壓也明顯存在下降趨勢。而在噴嘴擋板間的空隙內(nèi)，由于間隙較小，從噴嘴泄漏的氣體經(jīng)擋板阻擋，流速降為零、動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，?dǎo)致該間隙處存在明顯的氣壓上升現(xiàn)象。在恒節(jié)流孔處，氣壓存在十分劇烈的變化。而在背壓室內(nèi)，氣壓分布大致穩(wěn)定在合理的區(qū)間內(nèi)。進入噴嘴孔后，氣壓又經(jīng)歷了一次明顯下降。在噴嘴擋板間隙內(nèi)，氣壓上升。該仿真結(jié)果與此前分析基本一致。

將仿真數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)出并進行分析，可獲得不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣壓的變化趨勢。將通向氣動放大器的管路內(nèi)氣壓數(shù)據(jù)導(dǎo)出并取平均值，得到最終輸出到氣動放大器的氣壓值。不同噴嘴孔直徑性能(氣壓)如表1所示。

表1 不同噴嘴孔直徑性能(氣壓)表

3 噴嘴擋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將所得出的尺寸數(shù)據(jù)代入式(6)，并將氣壓變化趨勢與仿真所得數(shù)據(jù)進行對比。對比結(jié)果表明，仿真所得特性曲線與理論特性曲線變化趨勢吻合。

流道內(nèi)氣體經(jīng)過恒節(jié)流孔節(jié)流作用后，在背壓室內(nèi)通常還具有較高的氣壓。因此，氣流從背壓室流經(jīng)噴嘴孔向外界泄漏的過程可視為一個可用壓力能向氣體動能的轉(zhuǎn)變過程。在實際狀態(tài)下，該過程存在著能量損失。而該過程中的能量損失與噴嘴孔長度有著十分緊密的聯(lián)系。根據(jù)經(jīng)驗式，噴嘴孔長度可限定在：

l≤(4～15)D

(7)

式中:D為噴嘴孔直徑。

因此，分別對噴嘴孔長度為1.8 mm、2.0 mm和2.2 mm的噴嘴擋板進行仿真，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪制噴嘴擋板特性曲線。不同噴嘴孔長度特性曲線如圖2所示。

圖2 不同噴嘴孔長度特性曲線圖

由圖2可知，當(dāng)噴嘴孔長度為1.8 mm時，噴嘴擋板特性曲線相較于噴嘴孔長度為2.0 mm時擁有范圍更寬的線性區(qū)域，且其線性區(qū)域其余二項尺寸相比有著更大的斜率。這表明在實際工作中，其可供調(diào)節(jié)的范圍更廣，同時對于信號改變的敏感性更高，將能夠更好地適應(yīng)不同調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)范圍與要求，且對于不同的輸入信號相應(yīng)的靈敏度更好。同時，考慮到噴嘴孔長度越長，在氣體流動過程中所產(chǎn)生的壓力損失越大，而長度過短則容易產(chǎn)生氣體節(jié)流作用，導(dǎo)致噴嘴孔處氣壓大幅度突變。綜合上述分析，噴嘴孔長度為1.8 mm較為合理。

以與噴嘴孔相同的方式對恒節(jié)流孔長度進行優(yōu)化仿真分析，所得結(jié)果顯示：在合理范圍內(nèi)，恒節(jié)流孔長度對噴嘴擋板模塊特性曲線的影響很小。因此，確定節(jié)流孔長度時要考慮盡可能減小氣體壓力損失。

背壓室直徑的優(yōu)化結(jié)果表明，直徑過小會形成氣阻，導(dǎo)致背壓不穩(wěn)定。當(dāng)背壓室直徑較小時，其特性曲線線性范圍縮小。由于定位器控制主要使用線性部分，因此在設(shè)計時背壓室直徑不宜過小。

4 結(jié)論

目前，國家大力扶持智能閥門定位器國產(chǎn)化替代工作。其中，I/P轉(zhuǎn)換器的設(shè)計是研究的一大難點。目前，對于閥門定位器的大部分研究是從控制算法入手，對于I/P轉(zhuǎn)換器的研究較少。本文針對閥門定位器的噴嘴擋板結(jié)構(gòu)進行了研究與分析，通過對其原理進行數(shù)學(xué)建模，得到了氣源氣壓與噴嘴擋板結(jié)構(gòu)輸出氣壓間的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)此模型設(shè)計仿真試驗。根據(jù)仿真結(jié)果，本文得到以下結(jié)論。

①仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型相吻合，可證明該模型的正確性。

②在I/P轉(zhuǎn)換器中，噴嘴孔徑與節(jié)流孔徑對結(jié)構(gòu)性能起著決定作用。雙孔直徑越大，背壓室氣壓下降趨勢越平緩，對材料要求越低。因此，設(shè)計時應(yīng)作綜合考慮。

③基于ANSYS仿真對噴嘴擋板結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)優(yōu)化。

本文的創(chuàng)新點在于對國內(nèi)目前研究較少的I/P轉(zhuǎn)換器噴嘴擋板進行了分析與仿真優(yōu)化，得出了噴嘴擋板主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響。此方法可用于對國外先進產(chǎn)品I/P轉(zhuǎn)換器的學(xué)習(xí)。此外，通過仿真對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化可減少材料的損耗，從而降低成本。本文對噴嘴擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方案與結(jié)果對I/P轉(zhuǎn)換器的設(shè)計有一定的參考價值。