應(yīng)科 胡月

摘要：在研究氣動(dòng)自然排煙窗搭載氣動(dòng)推桿的系統(tǒng)狀態(tài)問(wèn)題，尤其是在嘗試使用計(jì)算流體力學(xué)方法時(shí)，氣動(dòng)推桿的工作規(guī)律尤為重要。因此，對(duì)給定三個(gè)類型氣動(dòng)推桿在一定供氣及負(fù)載條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并給出從中得出經(jīng)驗(yàn)公式的方法。同時(shí)，對(duì)一個(gè)實(shí)物氣動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的氣壓變化進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，以嘗試從中比較供氣消耗、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)與不同系統(tǒng)變量之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)排煙窗；氣動(dòng)推桿；運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1 概述

本文的出發(fā)點(diǎn)為借助計(jì)算流體力學(xué)研究空壓機(jī)輸氣帶動(dòng)氣動(dòng)推桿組的氣動(dòng)系統(tǒng)。在通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)研究氣動(dòng)推桿系統(tǒng)時(shí)，為了實(shí)行可靠的計(jì)算，除了初始條件與邊界條件，需要?dú)鈩?dòng)推桿的工作條件為計(jì)算的支撐。

其一，由于氣動(dòng)推桿活塞可活動(dòng)，需要對(duì)氣動(dòng)推桿活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定義。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中存在的不同類型氣動(dòng)推桿活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定義，使得模擬系統(tǒng)中的活塞可以確定某時(shí)刻在特定壓力差下的速度變化，以界定瞬時(shí)進(jìn)氣與出氣區(qū)域大小，從而確保計(jì)算所得數(shù)值足夠精確。

其二，對(duì)于軟件計(jì)算所得的結(jié)果，需要用一定的實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)修正。由于實(shí)際環(huán)境存在的各種干擾（摩擦、溫差等）及軟件建模中不可避免的簡(jiǎn)化操作，會(huì)使計(jì)算所得與真實(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的偏差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值的比對(duì)，借以提高模擬的準(zhǔn)確性。

本文將針對(duì)上文中提到的兩種計(jì)算所需條件的獲取進(jìn)行探究，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)使用了尺寸為2m×1.3m×2m（L×W×H）的鋁合金框架作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，并在上固定10根1.5m鋼制橫梁用以懸掛氣動(dòng)推桿進(jìn)而模擬安裝有氣動(dòng)推桿的自然排煙窗。在氣動(dòng)推桿的選擇上，實(shí)驗(yàn)中采用了三種共計(jì)25臺(tái)氣動(dòng)推桿，使用氣動(dòng)推桿種類及參數(shù)見(jiàn)表1。

其中，D40氣動(dòng)推桿10臺(tái)，D50a氣動(dòng)推桿4臺(tái)，D50b氣動(dòng)推桿11臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)中使用的空壓機(jī)型號(hào)為HET90，最大輸出壓力為1.26MPa，儲(chǔ)氣容量為160L，充滿時(shí)滿足整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)合需求。輸氣管材質(zhì)為PU，外徑有6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，管件使用快接接頭。實(shí)驗(yàn)中使用了具有開(kāi)關(guān)功能的控制箱，根據(jù)開(kāi)關(guān)不同可交換氣源進(jìn)氣出氣方向。負(fù)載懸掛在氣動(dòng)推桿連桿下方，重量從5kg到30kg不等。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)的思路為在不同負(fù)載與壓力下測(cè)試活塞沿時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡，并從中得出適用于實(shí)驗(yàn)范圍的經(jīng)驗(yàn)方程。為了保證供氣接近充足，僅有所研究的一臺(tái)氣動(dòng)推桿與控制箱相連，連接的進(jìn)出氣管盡可能短，以減少氣壓在管路中的延遲與耗散。運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)組別見(jiàn)表2。

在推桿頂端進(jìn)行標(biāo)記，并設(shè)置高度參照物以確定上升/降下高度。本實(shí)驗(yàn)將開(kāi)啟曲線與關(guān)閉曲線分開(kāi)考慮，定義0cm為完全開(kāi)啟位置，即活塞完全伸出，而完全收回時(shí)的高度在數(shù)值上等于活塞行程長(zhǎng)度。在按下開(kāi)關(guān)的同時(shí)，間隔一段時(shí)間記錄關(guān)鍵點(diǎn)高度，以構(gòu)成如圖1沿時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線。

將擬合曲線的方程記錄下來(lái)，可以看出，隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線遵循一元二次方程的變化規(guī)律，此處將隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線定義為：

其中，a為二次項(xiàng)系數(shù)，b為一次項(xiàng)系數(shù)，c為常數(shù)項(xiàng)。在取a、b與c數(shù)值時(shí)，需確保取得足夠小數(shù)位數(shù)以保證計(jì)算精度[1]。

此處c的意義非常明確，對(duì)于關(guān)閉曲線，c為0；在開(kāi)啟曲線中，c為活塞沖程。而a與b均為與t無(wú)關(guān)的量，兩者與負(fù)載m和氣壓p存在著關(guān)聯(lián)。將a和b寫(xiě)作a（m，p）和b（m，p）。

首先，需要分離其中一個(gè)變量，此處分離p。將氣動(dòng)推桿在同一負(fù)載、不同壓強(qiáng)下的a與b分別列出。氣動(dòng)推桿在同一負(fù)載不同壓強(qiáng)下的a（m，p）見(jiàn)表3。

此處由于選取壓強(qiáng)為3個(gè)，擬合出a-p二次方程。此方程寫(xiě)作：

此時(shí)，分離出d、e、f三個(gè)獨(dú)立于p的值，其隨著m而變化，將其標(biāo)記為d（m）、e（m）、f（m）。通過(guò)列出不同負(fù)載下的d（m）、e（m）、f（m），可得表4。

此處因有4個(gè)點(diǎn)，擬合出關(guān)于m的一元三次方程d（m）、e（m）、f（m）。

至此有：

同理，b也可得出類似經(jīng)驗(yàn)方程。

由于視差等原因，c并非完全等于0或活塞沖程值，使過(guò)程長(zhǎng)度不完全等于測(cè)量得到的活塞沖程，需要對(duì)其進(jìn)行修正。

將c分為c關(guān)閉和c開(kāi)啟。將同一氣動(dòng)推桿所有測(cè)得的c關(guān)閉與c開(kāi)啟取平均值，并對(duì)a與b進(jìn)行修正：

組合可得氣動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)方程：

需要指出，各多項(xiàng)式系數(shù)關(guān)于m，p的具體擬合方程可能隨實(shí)驗(yàn)組數(shù)增加而變化，但可保證在測(cè)試范圍內(nèi)取值的準(zhǔn)確性。若所取范圍太大導(dǎo)致無(wú)法擬合，宜改寫(xiě)成分段函數(shù)[2]。

4 數(shù)據(jù)與分析

通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)及求近似解，可得到如表5形式的運(yùn)動(dòng)方程（僅列舉D40的例子）。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)方程在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的可行性，進(jìn)行了一組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中使用了D40氣動(dòng)推桿并對(duì)其施加12.5kg的負(fù)重及0.35MPa的氣壓，該組數(shù)據(jù)并未使用于經(jīng)驗(yàn)公式的求得。將其與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后所得曲線相比較，可得圖2。

由圖中可以看出，經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算所得的曲線與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)具有很高的一致性。因此，該經(jīng)驗(yàn)方程的求得方法可以在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)氣動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前計(jì)算流體力學(xué)盡管已高度發(fā)展并廣泛應(yīng)用，但仍不可避免地需要利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。本文中所提到的數(shù)據(jù)可作為計(jì)算的依據(jù)以及結(jié)果的驗(yàn)證。希望利用文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，可以使得通過(guò)CFD軟件計(jì)算模擬氣動(dòng)系統(tǒng)更加便利。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓占忠.Fluent：流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[2]朱冬，楊慶俊，包鋼.基于FLUENT的氣缸充放氣二維非定常流場(chǎng)研究[C]//中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)流體傳動(dòng)與控制分會(huì)第六屆全國(guó)流體傳動(dòng)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010.

Study on motion law of natural smoke exhaust window （pneumatic） push rod group

Ying Ke，Hu Yue

（Ningbo Municipal Fire and Rescue Brigade， Zhejiang Ningbo 315000）

Abstract： When studying the system state of pneumatic natural smoke exhaust windows equipped with pneumatic push rods， especially when trying to use computational fluid dynamics methods， the working law of pneumatic push rods is particularly important. Therefore， the motion laws of three types of pneumatic push rods under certain air supply and load conditions are explored experimentally， and the method for deriving empirical formulas from them is given. At the same time， several sets of experiments are carried out on the air pressure change of a physical pneumatic system under working condition， in order to try to compare the relationship between parameters such as air supply consumption， running time and different system variables.

Keywords： pneumatic smoke exhaust window; pneumatic push rod; motion law