（机械电子工程专业论文）气体增压阀体积效率测定及节能研究.pdf

中文摘要 摘要 在工厂空气动力的节能活动中，通过采用降低系统整体压力，仅在需要高压 的地方提高压力的方法，可以降低工厂全体的耗电量。气体增压阀( g a s - b o o s t e r ) 是一种基于帕斯卡原理依靠活塞两端所受压力不平衡从而推动活塞压缩气体的气 体增压装置，可以通过它在气动生产系统中较为便捷地获得局部高压以满足个别 工种的供气需要。然而，增压阀在提高空气压力的同时自身会消耗一定压缩空气， 故增压阀自身存在一个工作效率，定义“标准状态下，一段时间内，由增压阀出 口流出的气体体积与由入口流入的气体体积之比”增压阀此时的体积效率，以此 衡量增压阀的工作效率。 本文首先通过理论计算和建模仿真分析了影响增压阀体积效率的因素，并分 别分析了各因素对增压阀体积效率具体影响程度。随后，通过比较不同入口压力、 不同增压比、不同工作方式等多组实验中所采集的入口压力、出口压力、驱动腔 压力、增压腔压力、入口流量、出口流量等数据，分析了a 公司某型号增压阀的 流量特性，即：当系统的气源压力、初始排气压力、排气流量等工作条件发生变 化时增压阀的输出流量与压力的变化情况。由此找出了增压阀体积效率等性能指 标的变化规律，分析了增压阀在不同工况下的稳压性能，并绘制出了描述腔内压 力容积关系的p v 曲线。 文章在后部结合之前对影响增压阀体积效率因素的研究，提出了对现有增压 阀结构进行改进的方案，并就其中一种方案制成了样机，通过实验验证了其效果。 关键词：气体增压阀；体积效率；刚曲线；结构改进 a b s t r a c t i i lf a c t o r i e s p n e u m a t i cs y s t e m s ，p e o p l e c a nr e d u c et h ep o w e rc o n s u m l n gb y r e d u c i n gt h ea i rp r e s s u r ei nt h ew h o l es y s t e m ，o n l yr e m a i n t h eh i g hp r e s s u r em t h o s e l i i l k sw h e r eh i g hp r e s s u r ei sn e c e s s a r y g a s - b o o s t e r i sad e v i c eu s e dt om 嘴a s et h e p r e s s e ，w h i c hi sb a s e do np a s c a lt h e o r y w i t hi t sh e l p ，p r o d u c e r s c a ng e th l g hp r e s s u r c c o n v e n i e n t l yf o rs o m es p e c i a lp r o c e s s h o w e v e r ，t h eg a s b o o s t e r s n e e dt oe x n 椰t c o m p r e s s e da i rw h i l et h e y a r ew o r k i n g ，t h e nt h e r es h o u l db eac o n c 印t ”vo l 眦e e f f i c i e n c y ”t om e a s u r et h ew o r ke f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tk i n do fg a s - b o o s t e r s ，a n d t h e d e f m i t i o no fi ti s ”i nap 舐o do ft i m e ，t h er a t i oo fc o m p r e s s e da i r v o l u m ep r o d u c e d 锄d t h et 0 1 ma i rv o l u m ei n f l o w st h eg a s b o o s t e r ” i i lt h i sp a p e r ，f i r s tf i n d o u tt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eg a s 。b o l o s t e r s v o l 啪e e f ! f i c i e n c v t l l e n b y c o m p a r i n g t h e g a s - b o o s t e r s i n f l o w p r e s s u r e ，o u t t l o w p r e s s e ，“v i n gc h a m b e rp r e s s u r e ，c o m p r e s s i n gc h a m b e rp r e s s u r e i nd i h e r e n tw o r k i n g c o n 蛳0 n ，伽e nc o m e st h ea n a l y s i so f t h ef l o wf e a t u r e so ft h ec o m p a n y a sg a s - b o o s t e r ， m e a n sw h e nt h ei n f l o wp r e s s u r e ，i n i t i a lo u t f l o wp r e s s u r ec h a n g e s ，h o w t h ev o l u m e e m c i e n c vw o u i dc h a n g e t h es t a b i l i t yo fo u t f l o wp r e s s u r ei sa l s od i s c u s s e d b 础g o n 也e 纰。s 鲫ep - vc u r v e s ( r e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ea n d c h a m b e rv o l u m e ) a r ed r a 蚰 i i lm ef o l l o w 证gp a no ft h ep a p e r , s o m es t r u c t t f f ei m p r o v e m e n t sa r er a i s e d , w h l c n 越eb a s e do nt h ef a c t o r st h a ta f f e c tg a s b o o s t e r sv o l u m ee f f i c i e n c yw h i c h a r em e m l o n e d b e f o r e b e s i d e s ，ap r o t o t y p e i sm a d et op r o v i n gt h ep r o j e c t su s e f u l - k e yw 。r d s ：g a s - b o 。s t e r ；v o l u m e - e f f i c i e n c y ；p - v c u r 、，e ；s t r u c t u r ei m p r o v e m e n t 气体增压阀体积效率测定及节能研究 1 1 课题的背景及研究意义 第1 章绪论 1 1 1 气动技术的发展及应用 气动传动技术( 以下简称为气动技术) 的发展历史很长，早期为人们所熟知的气动 技术应用当属十九世纪末发明的火车空气制动装置【1 ，2 】。至二十世纪3 0 年代，人们将对 气动技术的应用拓展到自动门的开闭及各种机械辅助动作上【3 】。然而，气动技术真正得 到较快发展和广泛应用是从二十世纪6 0 年代开始的，随着生产机械化和自动化的发展， 气动技术开始产生许多分支，现代气动技术由此逐渐形成【4 】。 当前，气动技术被广泛运用于汽车制造、电子半导体、机床、食品饮料、自动化生 产等领域【5 1 。这主要得益于气动技术的一些主要优点，如： ( 1 ) 传动介质易于获取，压缩气体生产和贮存方便。如图1 1 ，在一般的用气场所， 只需一台空压机及一个储气罐，加上配套的空气处理设备便可组成一个气源系统【5 】。 图1 i 空气压缩机( 左) 和储气罐( 右) f i g u r e 1 1a i rc o m p r e s s o r ( l e f t ) a n dg a st a n k ( r i g h t ) ( 2 ) 可以与各类传感器以及控制设备( 如工业p l c ，单片机等) 合作完成多步骤复 杂工作，因此气动设备被大量运用在自动化流水线的搭建中。如今，只需适当的气动元 第1 章绪论 件和控制设备，加以正确的控制程序，系统就能够按需求正确可靠地完成各种生产动作， 替代了复杂的机械系统【6 】。 ( 3 ) 输出力大小可精确调节，且响应速度快。如汽车工业中的电焊工艺需要准确的 控制输出力大小，气动元件中的气缸可以通过精确调节进气压力来控制输出力度。另外， 在进行同种类大批量产品的筛选工作时，气动设备也能发挥其长处，一套由气动执行元 件，高速换向阀，电子传感器所组成的系统可以迅速高效地剔除次品【7 】。 ( 4 ) 相对于传统传动系统而言，气动系统更清洁，也更加安全。由于气动系统的动 力传输介质为洁净的压缩空气，所以设备在工作过程中极少产生粉尘或油污( 随着无油 润滑技术的逐渐推广，气动生产设备不再像传统工厂中机械传动的设备那般满是油污。 同时，因为气动设备的气源系统会对吸入的空气进行除尘、除油等净化处理，所以气动 环境相对于传统工业环境要更加清洁) 。这一特点满足了食品饮料，精密电子和医药化 工等企业的生产要求【8 - l o 。 1 1 2 气体增压技术的应用 一般而言，在应用气动技术的工厂中，系统中的气体压力不超过1 m p a i n 。但是也 存在少数环节需要较高的气体压力，如： ( 1 ) 气控式远程操作。由于管路较长，累积的沿程压降较大，使执行元件处的气体 压力低于要求【1 2 】。 ( 2 ) 空间限制。因为气缸的输出力大小与供气压力和气缸内活塞面积有关。而在某 些地方因为空间狭小，无法使用大缸径的气缸，为保证气缸输出力满足最低要求，必须 提高对该气缸的供气压力【”】。 ( 3 ) 防爆氛围需要提高压力。当生产线上存在易燃易爆品时，需要提高氛围气压力 以保证安全【1 4 1 6 】。 当工厂生产中出现上述情况或者其他需要提高气体压力的场合时，可以通过另外设 置台输出压力更高的空气压缩机，单独为系统中需要高压气体的生产环节提供压力。 另一种解决方法就是在需要提高气体压力的环节使用气体增压装置，使得系统局部压力 上升至工作要求【1 7 。 虽然以上两种方法均可满足用气要求，但是，如需提高气源压力，则需要使用更大 功率的空气压缩机，而且需要重新考虑各气动元件的使用压力范围，避免因压力过高而 2 气体增压阀体积效率测定及节能研究 使气动元件损坏。此外，由于在实际生产中，气动系统中的管路以及气动元件都存在泄 漏，且单位时间内的泄漏量与系统供气压力呈正相关，若将实际中的各种泄漏近似看作 小孔节流 i s - 1 9 1 ，根据小孔节流的流量公式： 级= 刎厚 q m 为单位时间泄露量，系统硬件确定后，a ，、么、p 都是定量，彳p 为泄漏处两侧 的压力差 2 0 , 2 1 】。 因此，当系统压力提高一倍，则单位时间内的泄漏量会升至原来的1 4 1 倍。据统计， 实际生产中，气体泄漏在系统总耗气量中所占的比例高达2 0 , - - - 3 0 1 ：2 ，由此可见，提 高系统整体的压力将大大增加系统耗气量，间接增加生产耗电量，提高成本【2 3 】。 对于上述情况，可以在需要提高供气压力的环节增设气体增压装置，这样即可实现 在不增加气源压力的情况下，获得较高的工作压力。它无需电力和润滑，结构紧凑、重 量轻，使用灵活。 1 1 3 课题研究意义 因为现有的气体增压阀一般在完成一个行程后，就将原驱动腔内的驱动气体直接排 向大气，而其部分气体的压力往往较高，仍具有做工能力。若长期运行，必造成很大的 能量损失。同时，因为气体增压阀体积小，便于携带，常移动使用，在野外无动力源的 条件下，只能以瓶装气体作为驱动力。此时，在瓶装气体总量有限的情况下，气体增压 阀驱动气体耗气量的大小就直接决定了能否提供足够的高压气体，完成既定的增压任 务。因此新型节能增压阀的研究，具有重大的节能意义和工程应用价值。 1 2 气体增压阀研究现状 1 2 1 气体增压阀简介 气动气体增压阀的工作原理中心即大活塞推动小活塞。面积分别为a 2 和a 1 的两个 活塞通过中间的连杆连接。当活塞受到如图所示的压力分别为p 1 和p 2 的两股气体压力 作用时，最初由于气体作用在活塞上的压强相等，所以面积较大的活塞所受的气体压力 更大。由于受力不平衡，活塞整体需要像小活塞一侧移动，小活塞一侧轴向距离减少， 第1 章绪论 容积下降，腔内气体受到压缩，压力上升，作用在小活塞上的力也随之逐渐上升，当活 塞两侧再次达到受力平衡时，活塞停止压缩。 当活塞整体受力平衡时，活塞两侧气体压力和活塞面积满足以下关系式： 鼻a l = 最a 2 ( 1 2 ) 定量计算时还应考虑活塞运动所需克服的摩擦力，此处因为仅进行原理说明故将摩 擦力略去。上式即： 墨2 竽 3 ， p 1 即为小活塞侧腔内气体所能达到的最大压力，而p 1 与尸2 的比值即为相应气体增 压阀的增压比。 以上是对气体增压阀的工作基本原理进行的说明。实际上由于小活塞侧装有单向 阀，当密闭容积内的气体压力超过外界( 一般指储气罐) 压力时，单向阀打开，气体充 入气罐，当气罐内的压力等于p b 时，充气结束，下图是一款气体增压器的实物图： 图1 2 气体增压器实物图 f i g u r e 1 2p h o t oo fo n ek i n do fg a s - b o o s t e r 根据大活塞侧的介质种类可将气体增压器分为液压驱动和气压驱动两类【2 4 】。对气压 驱动式的气体增压器还可根据被增压气体与驱动活塞气体是否来自于同一气源这一标 准分为两类。使用不同气源气体的增压器适用于一些生产成本较高的气体增压，这样能 减少浪费，但是这种增压器需要额外提供气源为驱动活塞供气；使用同一气源的增压器 可用于生产成本较低的气体增压( 如空气) ，在工作时，气源气体即做驱动活塞用，又 被k 缩入气罐贮存，这类增压器无需两套气源，一般只需将增压器进气口连上气源，出 4 气体增压阀体积效率测定及节能研究 口与气罐连接后即可开始工作，在整个气动回路中它所扮演的角色就像一个阀门，气体 只是流经它压力便得到提升，这也就是可以称此类气体增压器为气体增压阀的原冈。本 课题的研究对象为后者，即单一气源气驱式气体增压器。 1 2 2 增压阀的工作原理 在本课题中被作为研究对象的增压阀，其结构与在原理说明中所举例子有所不同， 但其工作原理仍是“大活塞推动小活塞”。因为在以后章节将涉及到的内容与其工作过 程有关，故在此进行说明。 图1 3a 公司某型号型增压阀实物图 f i g u r e 1 - 3p h o t oo ft h eg a s b o o s t e rf r o mc o m p a n ya 仅从外形看，似乎这样的增压器不具备“大活塞推动小活塞”的结构，无法使气体 增压。但实际上并非如此，下图是该型号增压阀的结构示意图： 第1 章绪论 l 气源；2 诫压阀；3 一增压腔；4 一驱动腔；5 m 活塞连杆；6 一活塞；7 进气单向阀( 由气源向 增压腔单向导通) ；8 - 排气单向阀( 由增压腔向出口单向导通) ：卜换向阀；1 卜消声器( 通往 大气) 。 图1 - 4 某型号型增压阀结构示意图 f i g u r e 1 4a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f t h eg a s b o o s t e r 如上图所示，该型号增压阀为左右对称结构，图中的3 为增压阀的增压腔，在增压 阀工作时，增压腔3 中的气体被活塞压入气罐( 气体在被活塞压缩的过程中压力上升， 因而称其为增压腔) ；图中4 为驱动腔，气源气体进入该腔推动活塞运动后，该容腔内 的气体排向大气，因为充入该腔的气体最后并不进入气罐而是被排往大气，气体仅起到 推动活塞运动的作用，所以将此腔定义为驱动腔。 图中的活塞连杆5 连接两侧的活塞6 ，两个活塞和活塞连杆构成活动整体( 以下为 叙述方便称其为塞杆整体) 。 当增压阀工作时，压缩气体从起源1 处流入并分为两路，其中的一路气体经由单向 阀7 ，进入增压腔3 。另一路气源气体首先经过调压阀2 ，然后经过两位四通换向阀9 进入驱动腔，因为换向阀的气路设置，增压阀两侧对称的驱动腔4 在同一时间，始终只 有一侧与进气侧连接，另一侧与大气相通。因此，对于塞杆整体来说，它始终受到来自 6 气体增压阀体积效率测定及节能研究 两侧增压腔3 内的气体压力，由于两侧的气体压力均等于气源压力，且两侧受压面积相 等，故这两部分受力一左一右相互抵消；此外，由于之前提到的两侧驱动腔始终有一边 与大气相通，一侧与气源相通，因此塞杆整体上受到一个向左或者向右的推力，故其受 力不平衡。随着塞杆整体的运动( 比如说向右侧移动) ，则左侧的增压腔3 的容积会不 断减小，其中的气体受到压缩从而压力上升，最后当增压腔中的气体压力超过气罐压力 时，单向阀8 被项开，气体充入气罐。当塞杆整体向右运动到行程末端后，活塞会撞击 两位四通换向阀的换向装置，从而使驱动腔中原本与大气相通的一侧改为与进气侧相 通，另一侧改为与大气相通。于是塞杆整体所受的合力方向反向，塞杆整体在合外力作 用下开始向左侧移动。过程中，左侧的增压腔容积增大，气源开始对其充气，右侧的增 压腔容积减小，内部气体受到压缩并最终充入气罐。当塞杆整体向左运动至行程末端后 再次撞击换向装置，活塞受力再次反向，如此反复，直到气罐压力达到设定值或最大可 输出值，活塞停止运动，充气过程结束。 1 2 3 国内外节能研究现状 由工作方式决定，气体增压阀在工作时，只有压缩腔内的高压气体最终进入了储气 容器，而驱动腔内的气体在完成推动活塞做工后被直接排向了大气，这一部分气体仍具 有做功能力，直接排放浪费了能源，降低了能源的使用效率。若能通过改进增压阀的结 构或工作方式使增压阀的工作效率得到提高，便相当于间接减少了工厂的生产能耗。 日本学者永井提出了一种通过将气缸排气能量转换成真空能的方式来节能：驱动腔 的气体在做功后以较高的速度流经真空喷嘴，产生一定的真空度以供他用。但是，这种 方法里驱动腔的高压气体依然是直接排向了大气，造成了浪费【1 1 】。 南京理工大学s m c 气动技术中心提出了一种将排气能量转换成电能的节能思路，即 将压缩气体的体积能转化为电能，从而达到节能目的 1 2 】。 日本的河合素直教授在1 9 6 6 年提出了用进口节流方式，在活塞运动到位后切断充气 气路来降低充气测的压力，减少空气消耗以达到节能的目的。其节能思路为：“对于往 复运动的进气节流气压传动系统，当气缸活塞到达行程末端后，气源仍会向气缸的充气 侧充气，造成不必要的能量损失。若能在行程末端切断充气，进气腔的压力就可维持在 较低的压力下，从而节省压缩空气的消耗。日本明治大学的小山纪也对此种方法进行了 第1 章绪论 研究，日本s m c 株式会社对此原理进行改进并开发出了节能阀，但此方法仅适用于进气 节流回路，应用范围较窄f 1 3 1 5 】。 由大量国内外相关研究可以看出，气体增压阀在充气、排气等过程仍有较大的节能 潜力。因此，研究气体增压阀的结构，工作过程，并思考如何减少其工作能耗是很有必 要的。 1 3 本课题的研究内容 ( 1 ) 首先通过研究气体增压阀的基本结构、工作过程，研究增压阀对气罐的增压过 程，对不同排气流量下增压阀的体积效率、进出口压力等进行研究。分析并找出增压阀 工作效率较高的工况。从而为实际生产中人们决定是否使用增压阀时提供参考数据。 ( 2 ) 以研究所得的增压阀工作过程及内部结构为基础，分析现有气体增压阀结构设 计方面的不足，并通过理论计算及仿真进行定量分析。 ( 3 ) 针对现有增压阀结构设计方面的不足，提出对现有结构改进的方案，进行样机 研制。 ( 4 ) 通过实验验证改进方案对增压阀体积效率的改善效果。 气体增压阀体积效率测定及节能研究 第2 章增压阀工作过程理论计算及静态仿真 本章结合增压阀的工作原理，对影响其工作效率的几个因素进行了理论计算，定量 研究了这几个因素的具体影响程度。之后在s i m u l i n k 中通过建立仿真模型，对增压阀向 气罐充气的过程进行了静态仿真。 2 1 增压阀工作过程理论计算 由于结构设计上的原因或者加工的精度问题，在增压阀工作过程中，活塞即使运动 到行程末端，可能仍然与端面存在间隙。在具体讨论这些间隙对增压阀体积效率的影响 前，我们将计算中需要使用的一些物理量做出定义，避免在之后的讨论中重复说明。 在缸筒内，活塞运动过程中，增压腔的最小容定义为增压腔闭死容积，即当活塞压 缩增压腔内气体到达行程末端时，活塞与阀体盖板之间的间隙。当活塞向外运动至行程 末端时，驱动腔的最小容积定义为驱动腔闭死容积 16 】。 此外，由于活塞在增压腔内属于有杆端，而在驱动腔侧为无杆端。为了计算结果尽 可能准确，故在讨论时不再认为驱动腔和增压腔的最大容积相等。以下是对于各尺寸的 定义： 图2 1 缸筒及活塞尺寸定义 f i g u r e 2 1d i m e n s i o n sd e f i n i t i o no ft h ec y l i n d e ra n dp i s t o n 上图中，d 为活塞直径，d 为活塞连杆直径，h 是缸筒内盖板与端盖之间的总长度， h 为活塞厚度，a h 为活塞向外运动到行程末端时与端盖之间的距离，定义驱动腔闭死 9 第2 章增压阀工作过程理论计算及静态仿真 容积为v 2 d 。通过拆解增压阀结构，发现活塞向内运动到行程末端时，活塞与阀体之间 几乎没有轴向间距，形成增压腔内闭死容积的主要是接触面上的一些凹陷。故计算时直 接将这部分体积定义为v l d 。 因此增压腔容积v 1 和驱动腔体腔容积v 2 如下图所示 ， ( h - a h 一| 1 1 ) x ( d 2 - d 2 ) - ，= 一 一。 1 4 阢：( h - h ) - r d ) 2( 2 1 ) y = 一 z 1 ， 4 d = t a h 剜r ) 2 通过拆解增压阀，测量得到上式各物理量的实际值，其中d = 6 9 m m ，d = 1 0 m m 。 h = 1 0 5 m m ，h = 1 5 m m ，ah = 1 0 m m ，将测得的这些数值代入上式，计算得v 1 - 2 9 2 9 m l ， v 2 3 3 6 5 m l ，v 2 d 3 7 3 m l ，驱动腔中的闭死容积v 2 d 在驱动腔总容积v 2 中所占比例为 11 。又因为驱动腔内的气体在每个工作周期中推动活塞完成行程后都会被直接排向大 气，因此通过减少这部分容积可以减少增压阀的耗气量，提高体积效率。 不同于驱动腔的闭死容积影响增压阀体积效率的方式，增压腔内的闭死容积并不是 直接增加每一次增压阀工作的耗气量来降低增压阀的体积效率。它是通过影响增压阀的 最大增压比，进而使每次压缩后进入气罐的气体体积减少，最终导致获得相同增压效果 所需要的压缩次数增加，从而增加了增压阀的耗气量。以下是对这部分的具体讨论。 因为增压阀左右结构对称，所以为了简化问题，只取一侧做说明对象，且至考虑增 压比为2 时的情况。 设，在活塞开始压缩前，此时增压腔压力为p o ，该腔容积为v t ，容积为v t 的气罐 内压力为p t 。当活塞开始像内运动并压缩增压腔内气体时，增压腔内气体压力开始上 升，当增压腔内气体压力超过气罐压力后，单向阀被顶开，增压腔内气体被压入气罐。 这样，当活塞运动至行程终点时，增压腔内压力为p ，此时该腔容积为v - d 。在这一压 缩过程中，共有p o 压力下，v 体积的气体从增压腔被压入气罐。 由增压腔始末状态可得： 昂( v o a v ) = p ( 2 2 ) 由气罐内的状态变化可列出状态方程： 1 0 气体增压阀体积效率测定及节能研究 r a v = 纰k ( 2 3 ) 因为增压腔与气罐中有单向阀，因此末状态时增压腔压力等于气罐压力，根据此又 可得： p = + 纰 ( 2 4 ) 将上述三式联立得： 一万povo-ez, 5 ， p _ p o ( v o - a v ) k d 方程组中的j p 【为气罐的初始压力，根据研究的过程，p t 为0 。当入口压力为0 5 m p a 时，有p o = p t = 0 5 m p a 。由已知数据以及测量得：v o ：0 3 4 2 2 7 l ，v = 0 0 1 2 8 l ，v t = 2 0 l 。 为了后期用数据制图方便，在计算时使用了m a t l a b 的s i m u l i n k 功能。以下为计算所搭 建的模块： 图2 2 在s i m u l i n k 中建立的计算程序 f i g u r e 2 2c a l c u l a t i n gp r o g r a m m ei ns i m u l i n k 代入实际的增压腔闭死容积v l d = 1 2 8 m l ，计算得增压阀将气罐加压至二倍压力共需 要活塞运动6 2 次。将v l d 的值改为0 1 m l 再次计算，达到同样的增压效果，活塞只需运 第2 章增压阀工作过程理论计算及静态仿真 动5 4 次。计算结果说明仅在向容积为2 0 l 的气罐进行二倍增压一次性充气时，通过减 少增压腔内的闭死容积就可以使活塞少运动8 次，从而达到节能效果【2 5 - 3 0 】。 除了增加活塞运动次数，增压腔内的闭死容积过大还会降低增压器的最大增压比。 1 r 因为增压阀的最大增压比等于增压腔初始容积除以闭死容积，即- v i 。所以如果要制造 y l d 。 增压比较高的气体增压装置，应该使增压腔的闭死容积尽可能的j 、 3 1 。 2 2 增压阀工作过程静态仿真 2 2 1 仿真的目的及意义 因为增压阀工作过程中有气体的压缩，高压气体的排放等过程，因为各腔室内的气 体压力，气体温度，都会随工作的进行而变化，此外驱动腔的气体压力还会在每一个工 作行程中虽腔室体积的变化而变化。而各腔都是封闭空间，内部气体的温度较难准确测 量。所以，要用函数来描述复杂的工作过程将会是今后研究过程中需要面对的一个关键 问题。 2 2 2 仿真模型的建立 静态仿真建模过程中，可以将存在变化的参数分为气体压力变化部分和活塞运动部 分，通过将各部分封装进相应子模块即可。 气体压力变化部分又可以细化为：驱动腔压力变化、增压腔压力变化( 在目前的仿 真中，暂时认为增压腔压力等于气罐压力) 。 除上述几部分外，最终的模型还应该包含对气体在各腔室内被压缩与膨胀做功的描 述。因为这些参数仅会使气压与实际值之间存在小量偏差，故在仿真建模初期不予考虑。 以下是静态仿真建模中的几个主要模块建立说明。 气罐压力( p 觚k ) ：增压阀的工作本质就是通过活塞往复运动将增压腔中的气体压 入气罐，活塞每往复运动一次，就有压力为p m ( 进气口压力) 体积为两倍v p ( 增压腔 的容积) 的气体被压入气罐( 最终的模型必须考虑增压腔的闭死容积，因为如果不考虑 此容积，理论上气罐压力将能无限上升。为尽快完成仿真主框架的搭建，目前暂时不考 虑增压腔的闭死容积) 。 1 2 气体增压阀体积效率测定及节能研究 此外，因为驱动腔进气由一调压阀控制，调压阀的反馈信号为增压腔内的气体压力， 而又因为在目前的仿真建模中，认为增压腔内气体等于气罐压力。故，气罐压力的大小 会影响驱动腔内气体压力。 因此，气罐压力由活塞运动次数( 往复算一次) 决定，同时它本身又能决定驱动腔 内的气体压力。 气罐压力的变化较简单，其关系式为：气。：学， 其中n 为活塞运动的次 r 锄t 数( 往复记一次) ，由图在看出忽略闭死容积时每次压缩由增压腔进入气罐的气体体积 一定，这是不准确的，而这将在之后的仿真中加入修正。 图2 3 气罐压力子模块详情 f i g u r e 2 3t a n kp r e s s u r em o d u l e 驱动腔压力( p d n w ) ：活塞能否运动取决于活塞本身是否受到不平衡力，随着增压阀 工作的进行，气罐压力逐渐升高，当驱动腔的压力无法推动活塞克服摩擦力与气罐压力 运动时，增压阀工作停止。 因为两侧驱动腔内的气体在将活塞推送到行程末端后都会通过换向阀排向大气，排 气过程可以看作气体在两端有压差的管道中流动，当活塞运动速度较快时，驱动腔内压 力过高可能使得腔内气体无法在下一次换向前排尽。 因此，驱动腔压力受气罐压力的影响，同时决定活塞是否能够运动，运动速度大小 如何，以及驱动腔内的气体是否能排尽。 首先，驱动腔压力的变化范围上限为气源压力，下限为0 。此外，驱动腔的压力还 应满足以下关系式： a p i s t o n + 最( 4 渤一么州) 气| | ( 彳脚一钆) + 湘 ( 2 6 ) 其中f r , i c t i 。为两个活塞连同活塞杆所收到的摩擦力，对上式进行移项得： 第2 章增压阀工作过程理论计算及静态仿真 堕型瓮型坚 旺7 ， 为了使活塞能运动，阢v 。必须大于上式右边，因此上式右端所计算出来的数值可以 看作增压阀活塞运动所需要的最小驱动腔压力( 在此记为尸抵) ，在气罐压力较低时， 驱动腔的实际压力是要大于p d f i 的。根据之前的实验数据得，当气罐压力较低时，驱 动腔实际压力比p 鲥w 要大0 2 m p a 左右，因此。子模块在输出之前，需要进行 一个判定： p = j 尸批+ o 2 m p a ”( 己一p 撕 o 2 m p a ) 1 批= 1 兄一p 撕( 己一p 挑o 2 m p a ) ( 2 8 ) 在s i m u l i n k 里实现可以通过一个s w i t c h 模块实现。 c o m n 图2 4 驱动腔充气压力模块 f i g u r e 2 4d r i v i n gc h a m b e rp r e s s u r em o d u l e 上图为驱动腔压力子模块内详情，除s w i t c h 模块外，其余为驱动腔压力的计算过程， 故不赘述。 1 4 气体增压阀体积效率测定及节能研究 仿真终止判定：就是简单的比较驱动腔压力与摩擦力等效的压力，当驱动腔压力小 于后者时，终止仿真。 防止输出负值：当气罐压力低于进气口压力时，p 。a n l c 为负，这将导致驱动腔输出 压力为负值。因此使p 诅i i l 【p i 。小于0 时，子模块输出0 2 m p a 压力【3 4 l 。 活塞运动( x ) ：活塞的运动受驱动腔压力与气罐压力决定，同时活塞的运动决定一定 时间内活塞运动次数。 h k h m 图2 5 活塞运动模块详情 f i g u r e 2 5p i s t o nm o v e m e n tm o d u l e 该模块主要功能是将驱动腔压力模块所输出的驱动腔压力转化为活塞所受的驱动 力，进而二次积分得活塞位移，因为活塞运动具有往复性、对称性，故将活塞的一次往 复运动看作是活塞的位移由0 增至最大值，位移与速度重置，再次进行之前的运动。 因为涉及到积分模块的重置，故将速度与位移的积分模块设置里的“e x t e r n a lr e s e t ” 设置为l e v e l 0 1 j j 当此口输入值为非0 时，积分值重置) ，而何时输入重置信号则由图中红 框内模块决定，当s w i t c h 的2 口输入值大于或等于0 1 0 5 ( 此值为活塞在缸筒内的最大 位移) ，s w i t c h 模块输入信号1 ，这一信号使得速度，位移模块重置，否则输出0 。 3 5 , 3 6 每当位移到达一次大值，即活塞完成一次单行程的压缩，之后的m e m o r y 模块加l ， m e m o r y 模块中所存的值除以2 即得活塞往复运动的次数1 1 1 3 7 1 。 相互关系：这几部分相互之间的影响关系如下， 第2 章增压阀工作过程理论计算及静态仿真 图2 6 各模块关系 f i g u r e 2 6r e l a t i o no fe a c hm o d u l e 图中箭头表示“受前者影响”。完成子模块搭建后，各子模块的关系如下： 图2 7 子模块关系图 f i g u r e 2 7r e l a t i o ni ns i m u l i n k 2 3 本章小结 本章主要通过理论计算，定性分析了影响增压阀体积效率的因素，并定量分析了这 些因素的具体影响程度。随后，文章详细介绍了增压阀静态仿真建模的过程。 气体增压阀体积效率测定及节能研究 第3 章增压阀体积效率研究 本章主要说明的是增压阀体积效率实验，先后介绍了实验意义，实验具体进行以及 对实验结果的数据分析。 一一“ 3 1 增压阀的体积效率测定 3 1 1 增压阀体积效率的定义 由第一章中的增压阀工作原理可知，增压阀驱动腔中的气体每当将活塞推送到行程 末端并撞击换向阀切换阀芯位置后，驱动腔内的气体被直接排向大气，而这部分气体仍 具有较高的压力。从增压阀整体工作过程来看，即增压阀需要消耗掉直接排向大气的那 部分压缩空气，从而将一部分来自气源的气体压力提升至目标值。因此，增压阀的输出 量并不等于输入量，这一点正如电动机：输出能量不等于输入能量，两者比值在0 到l 之间，该值反应设备的能量转换能力，数值越大，转换能力越强。同理，体积效率被用 于衡量空气增压器的工作效率：由于增压器在工作过程中对气体增压，所消耗的同样是 压缩空气。而这些压缩气体都是由空气压缩机所生产的，产生一定体积压缩空气空压机 所消耗的电量是一定的。因此可以将增压阀输出输入能量比转化为在标准状况下 ( a n r ) 流出流入增压阀的气体体积之比。用公式表达即【1 ，5 , 3 8 , 3 9 ： h 刁：娶a n r ) ( a n r 驴茁 ( 3 1 ) 其中v i n 和v o u t 分别为换算为标况下由增压阀进气口流入和由增压阀排气口流出 的气体总体积。根据气体状态方程： p v = m r t( 3 2 ) 考虑气体状态变化时认为气体温度不变( 实际情况是气体收到压缩温度会上升) ， 因此( 3 1 ) 式可以转化为： 。一。 驴毒茸 ( 3 3 ) l 厶，二一 ，一、 第3 章增压阀体积效率研究 其中p i 。和分别是进气口和排气口的气体压力，e v m 和v o u t 是实测的由增压阀 进气口流入和由增压阀排气口流出的气体总体积。这样，就可以通过测量气体的压力和 总流量来计算增压阀的体积效率了。 3 1 2 测定增压阀体积效率所用实验气路图 下图为增压阀体积效率测定实验所用到的试验设备及相应的连接示意图： 58 1 气源，2 一调压阀，：卜精密调压阀，4 ，l o 一流量计，5 ，8 一压力传感器， 6 ，1 2 一截止阀， 7 一增压阀，8 一增压阀，9 气罐， 1 1 节流阀，1 3 一消音器 图3 1 增压阀体积效率测定实验气路图 f i g u r e 3 1t h et e s tc i r c u i to f v o l u m ee f f i c i e n c y 由气源产生的压缩空气，首先经过调压阀调压( 调压阀2 是普通调压阀，用它将气 体压力调至合适范围；调压阀3 是精密调压阀，精确度能达到o 0 0 1 m p a ，该调压阀用 于精确的设定增压阀进气压力。) ，然后气体流经可积分气体流量计( 可以测定一定时 间内流经该流量计的气体总体积) 、压力传感器5 ( 测定增压阀的进气压力) ；截止阀 6 起开关作用，用它来控制增压阀的工作起始和停止：上图中增压阀7 之后接有压力传 感器8 ，气罐9 和可积分流量计l o ，之所以将压力传感器安装在气罐之前，是因为实验 步骤中需要打开阀门泻放气罐中的气体，而气体流速较快时压力是会相应下降的，这对 于测定气罐内的准确压力不利；截止阀1 2 的作用是控制气罐排气的开始和终止，节流 阀1 1 用于控制排气流速，以便测定增压阀在不同的耗气量下的工作效率；气路最后的 消音器1 3 用于减小实验中压缩空气由管道直接排向大气时所产生的噪音，优化实验环 境。此外，各设备之间连接使用的是直径l o m m 的软管，气源处是1 6 m m 软管。 3 1 3 实验所需气动元件的选取及连接 确定了实验的气动回路后需要根据实验要求选取适当量程的传感器和气动元件。以 下是实验中所用的主要元件型号及规格： 气体增压阀体积效率测定及节能研究 表3 1 体积效率测量回路主要元件 t a b 3 1a s s i s t a n tu n i t so f i n t e r n a t i o n a ls y s t e mo f u n i t s 气动元件型号规格 精密减压阀 i r 3 0 2 0 - 0 4 设定压力：0 0 1 - 一0 8m p a 流量计p f 2 a 7 0 3 h - 1 0 - 2 81 5 0 - 3 0 0 0l m i n 压力传感器 i s e 4 0 一c 6 - 2 2 l mo 1 0m p a 1 5 v 截止阀 v h k 3 - 1 2 卜1 2 f 气罐 v b a t 2 02 0 l 调速阀 a s 4 0 0 1 f 一1 2 消音器 a n b l - 0 2 在选择的元件中，p f 2 a 7 0 3 h 1 0 2 8 型流量计是可积分式的，而且该型号能自动将 测得流量转化为标准状况下( 砧恨) 的读数，因此，在计算增压阀体积效率时不再需要 用到式( 2 3 ) ，而只需将分别设置在增压阀出口侧和入口侧的两个流量计读数相除即可。 即，实际计算增压阀体积效率时所用公式如下： 圪。( a n r ) 吃( a n r ) ( 34 ) 这样一来实验数据的处理大大简化，虽然在此步骤中进出口压力不再是测算增压阀 体积效率的必要参数。但是，在气罐排气过程中，气罐内的气体压力会相应下降，通过 记录排气过程中增压阀进气侧和排气侧的压力变化能够研究增压阀维持气罐压力稳定 的能力，增压阀的稳压性能也是衡量增压阀工作性能的一项指标：此外，本课题在完成 增压阀体积效率测定实验后还将进行实验测定增压阀工作过程中各容腔内p v 曲线( 容 腔容积和气体压力的关系) ，该实验需要实时采集增压阀工作时系统各部分的气体压力。 故实际试验设备仍然按照图( 2 1 ) 所示连接 删。 此外，试验中所使用的流量计和气体压力传感器均带数字显示功能，既可以输出模 拟量信号供计算机记录，也可以直接通过数字显示屏读出气体的实时流量和压力。 3 1 4 试验设备的实物连接及需注意事项 在选择好合适的气动元件，并确定好试验气路连接后，便可对实物进行安装连接， 下图为试验气路的实际拍摄情况。 1 9 第3 章增压阀体积效率研究 图3 2 气体增压阀体积效率测定试验装置实物图 f i g u r e 3 2e x p e r i m e n tf a c i l i t i e ss e t t i n g 由于增压阀在工作时内部的活塞高速往复运动，因动量守恒，增压阀的阀体会有剧 烈晃动的运动趋势，初期的试验证明其晃动的剧烈程度足以带动气罐移动，且小桌也会 随之剧烈晃动。这会直接影响后续p v 曲线的测定，因此，在进行了几次试验后，我们 更换了牢固的实验桌，并且将气罐加紧在实验桌上，这样能最大限度降低增压阀工作中 所产生的震动。 3 1 5 体积效率测定试验的试验方法及试验分组 做好试验相关准备工作后，便可按照以下步骤进行增压阀体积效率测定试验： ( 1 ) 打开气源开关，调节精密减压阀2 设定增压阀的入口压力p l = 0 5 m p a ； ( 2 ) 打开截止阀5 ，增压阀6 运行，并向气罐8 充气，调节增压阀，设定出口压力 p 2 ； ( 3 ) 待压力传感器读数稳定后记录下此时的增压阀进出口压力p 1 ，p 2 ； “) 打开截止阀11 ，增压阀开始连续工作，改变节流阀1 0 的开度，调节排气流量9 ： ( 5 ) 关闭截止阀1 1 ，将流量计3 、9 总流量的记录清零； ( 6 ) 打开截止阀1 1 ，增压阀工作l m i n 。期间，待压力传感器读数稳定，读取在该流 量下，增压阀进出口压力的变化情况p - ，p z ； 2 0 气体增压阀体积效率测定及节能研究 ( 7 ) l m i n 结束后，关闭截止阀1 1 ，读取流量计4 、9 所记录下的这段时间内流进与 流出增压阀的气体总流量。 需要指出的一点是：由于试验所用的气体流量计量程最小值为1 5 0 l m i n ，即当空气 流速低于1 5 0 l m i n 时，流量计无法记录这部分空气流量。因此，在进行试验分组时， 每一组初始的排气流速定位1 5 0 l m i n ，以此为起点逐渐增大。 为研究在不同工作环境的稳压性能和体积效率，试验时应合理分组，从而反映出增 压阀的工作能力，具体分组方式如下： 首先按照不同的增压阀入口压力将实验分为0 3 m p a 、0 4 m p a 、0 5 m p a 三大组； 因为所用增压阀的增压比可在1 2 之间调节，所以在三个大组中，按增压阀的起始 输出压力( 开始排气后出口压力会下降) 分出若干小组。例如，入口压力为0 3 m p a 时， 出口压力可选择0 4 m p a ，