东洋阀门

前言

储存气体能量的超高压或高压气源一般需经过减压控制环节，然后再驱动执行机构。目前应用于高压气动系统的气动减压阀和压力调节阀的研究工作已经取得较大进展l切，但它们的工作原理都是 采用节流方式，以压力掇失为代价实现减压。这对 于以实现特定功能为追求目标的高压气动系统是可以的，但对于携带能t有限、以能t使用效率为追 求目标的高压动力系统，如航天、航空和气动汽车 等，减压阀的节流损失是很难接受的。为此在参考文献【3］中提出容积减压法，利用气体膨胀的方法 使压力降低到设定值，商压容器与低压容器之间没有节流过程中的摩擦能耗损失，大大提高了高压气 动动力系统的效率．超高压大流t气动开关阀是容 积减压系统的关链控制件，目前．人们对其研究很少。因此，这里主要针对一种新型容积减压系统的超高压大流t气动控制开关阀的原理、数学模型和动态特性进行详细的研究。

1 超高压大流量开关阀的结构原理 

由于高压大流t气动开关阀的气流通道面积较 大，因此作用在阀心上的朴压力和气动力都比较 大，如果采用直动式的结构形式，势必要采用大型 电磁铁，导致庞大的结构尺寸；而且由于大型电磁铁的响应速度较低，将导致气动开关阀的动态性能 降低。借鉴液压插装阀的结构特点和工作原理，通 过分析．设计出气动力平衡式大直径主润心，通过 高频响小流量电磁先导阀驱动，保证高压大流t气 动阔的动态性能。 图1为所设计的高压大流t气动开关阀结构简 化模型．先导级采用高速电磁球阀，主阀采用气控 方式的锥形差动结构。由于电磁阀是比较成熟和稳 定的技术l.JI．因此主要研究由气体控制的主阀开 关过程的动态特性．主阀的气控方式和动态特性主 要决定于主阀控制腔内的气体充放气过程和状态， 于是，研究阀的动态特性可以归结为研究主阀控制 腔的充放气特性。由于控制腔的容积是时变的，这 与通常的充放气特性不一样．研究也更具难度．

2 阀心动态响应过程分析 

高压气动开关阀主阀的动态过程包括先导阀控制的主阀心的开启过程和关闭过程。常规气动系统 进行动态分析时，一般都用阀心运动过程代替筱个动态响应过程来建立数学模型。这种方法忽略了控制容积对整个动态过程的影响，这在低压的常规气 动元件的特性分析中不会造成很大误差：但对于高 压气动系统．由于气体的压缩率较大，热力学特性 在动态响应过程中产生作用．使控制腔容积对高压 气动元件的动态特性的影响变得不容忽视． 实际上，主阀开启过程和关闭过程都分别包含 主阀心静止的定容积过程和主阀心运动的变容积过 程，而且这两种过程的过渡都表现为控制腔气体压力曲线．上有转折点。因此提出高压气动阀动态过程 细分原则：以定容积过程和变容积过程为单元，以控制腔转折点气体压力为标志，将高压气动开关阀 的主阀开启过程细分为控制腔定容积气容放气过 程、控制腔变容积气容放气过程：将高压气动开关 阀的主阀关闭过程细分为控制腔变容积气容充气过 程、控制腔定容积气容充气过程．下面对这些过程 进行定义和说明。

3 数学模型 

根据阀的墓本结构和工作原理抽象出动态分析的物理模型，分别为高压气体流经控制腔排气口（先导阀排气 口）和控制腔进气口（先导阀进气口）的质量流t：月。 为控制腔排气口面积，才。为控制腔进气口面积为锥阀心上端有效面积，才为主阀开启状态锥阀 心下端有效面积，才，为主阀关闭状态锥阀心下端 .

有效面积：y、夕和少分别为主阀心的位移、速度 和加速度，箭头方向为正向，儿为锥阀心大开 度：。为锥阀心质t,g为重力加速度，k为弹赞 刚度系数，‘为阻尼系数：凡为作用在锥阀心上的 净擦力．FO为作用在锥阀心上的弹黄预压力；p．、 八和不分别为放气过程控制气体压力、密度和温 度，几、几和乙分别为充气过程控制腔气体压力、 密度和温度．八、几和Tc分别为控制气体压力、密 度和温度，Po、Po和To分别为阀外气体压力、密度和温度：P．为气源高压气体压力．特性方程中用 到的其他参数定义：q为流盆系数，产为气体绝热 系数，R为气体常数，Z为气体压缩因子。

4 仿真与试验研究 

为了验证上述理论分析的正确性．对建立的超 高压气动开关润的非线性数学模型进行仿真，并与 新研制的阀的动态性能测试结果进行比较．阀的基 本参数取值为：直径众＝3.6Inln、D．习．6Inrn、D.=25 ～、从＝20～、几＝15Inm，分别对应面积人、 心、汉：、儿、丸：控制气体压力Pc=10MPa．气源 压力P,'10MPa，环境压力Pooo:MPa．仿真利 用Matlab及其s~hnk工具箱完成．高压气动开 关阀的控制腔动态压力侧试装里原理图，侧试试验在浙江大学流体传动及控制国家重点 实验室完成。压力测试与仿真结果比较：主 阀心位移仿真曲线。

5 影响阀性能的主要因素分析 

通过仿X研究．在高压情况下，摩擦力、弹黄 刚度和阀心质t等参数对高压气动开关阀的动态特 性的影响，相对于阀的几何结构参数的形响要小得 多．因此下面主要分析几何参数对高压气动开关阀 的影响规律。

6 结论 

提出超高压大流里气动开关阀的动态过程细分 原则：

为正确建立高压气动元件的数学模型打下了 理论葵础。 电磁先导控制气动力平衡式超高压气动开关阀 是可行的。先导阀的通径决定了主阀开启过程的德 定性，先导阀通径存在小临界值，该值可以通过 仿真或试验确定：

先导阀与主阀的动态性能应合理 匹配． 主阀控制腔直径决定了主阀开启过程和关闭过 程的时间对比关系，直径越大，开启时间越长宜 径越小，关闭时间越长利用建立的棋型进行仿真， 可以找到满足高压气动开关阀动态性能要求的控制 腔直径的优值。