背压和排气法在多级调速动力系统的应用

背压和排气法在多级调速动力系统的应用

田云峰

中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009

The application of back pressure and exhaust in multiple-level adjusting speed dynamical system

TIAN Yun-feng

摘要：该文介绍了以高压气体为能源通过高压电磁开关阀组实现机构多级调速的动力系统，采用充入背压加排气节流的方法，基本解决了慢速时的爬行，并通过了实验验证。

关键词：气动调速、爬行、排气节流。

引言

某装置的动力系统是以高压气体为能源，通过高压电磁开关阀组实现机构的快、慢速伸出和收回多级控制，即气缸的快、慢速伸出和收回控制。低速运动时，由于气缸摩擦阻力和气体可压缩性的影响，常常会出现时走时停或时快时慢的交替运动，即爬行现象^[1]。显著爬行使运动件产生大距离的跳动，严重影响气缸运动的平稳性^[2]。为了解决慢速时动力系统出现爬行现象，慢速运动时气缸充入背压同时对排气采取节流的方式。

动力系统组成及工作原理

动力系统主要由气瓶、二位二通电磁阀组、减压阀和气缸组成，系统原理如图1所示。其中二位二通电磁阀7、8、9和10则为经改进设计后的电磁阀，它们的排气节流孔是根据机构应达到的快、慢速伸出和快、慢速收回的特殊功能而设计的。二位二通电磁阀5和6控制气缸11的运动方向；二位二通电磁阀7、8、9和10则分别控制气缸11的运动速度。此时，控制阀组中具有特殊节流孔的二位二通电磁换向阀不再是单一功能的换向阀，兼有导通时的节流调速功能。其工作原理是：在带有负载高速伸出的工况下，直接利用高压气体，借助于具有不同节流孔的二位二通电磁阀的通、断来实现高速伸出和空载的收回。在慢速伸出和收回的工况下，气体则首先通过减压阀，然后同时进入有杆腔和无杆腔，同时通过排气节流来实现机构的慢速伸出和收回。

1.能量源 2.气瓶 3-10.二位二通电磁阀组 4.减压阀 11.气缸 12.负载

图1 多级调速动力系统原理图

系统仿真分析

排气节流采用RANS方程进行数值模拟，湍流模型选择工程上普遍采用的 湍流模型，压力入口给定2MPa到18MPa之间的一些离散值，压力出口为标准大气压。仿真计算节流孔口直径分别为0.5mm，0.8mm，1.2mm，1.6mm和2mm五种不同情况下的高压射流流动特性。

从计算得到速度场得知，当入口和出口压力差达到一定大小后，阀口最细小区域会产生高速气流，形成接近音速的流动，对于压缩性很好的空气来说，气体会在最细小区域处产生拥堵，在细小孔上游形成高压流域，在细小孔下游形成相对的低压流域。在气体流速达到某个最大值后就不再增大。但是入口高压使得整个流域的空气密度变大，同样的出口，不同的流体密度便会产生不同的质量流量，经计算分析可以得到每一种孔径在不同压力下出口的质量流量。

图2 不同孔径的入口压力——质量流量曲线

从图2可以看出，当出口面积给定时，质量流量与入口压力成正比；曲线斜率代表了同等压力值下的排气效率，当出口内径小于1mm时，排气不畅，排气效率急剧下降。

由仿真分析可知，理想气体模型下的高压压缩气体射流所能达到最大速度只能接近音速，而不能超过音速。当出口内径小于1mm时，阀体内腔成为高压容腔，此时如果活塞运动过快，容易产生更高的压力。因此，随着阀口出口处的节流孔径的变小，气流会产生很大的阻力，可以减缓高速气缸的运动速度，从理论上证明了采用在阀口出口处增加节流孔可以解决调速和爬行现象，由于计算的数据和实际有一定的差距，排气节流的孔径尺寸需由试验得出。

背压及节流孔试验数据分析

为验证系统的设计原理是否满足要求，对动力系统进行了气缸充入背压进行空载、带载慢速伸出和慢速收回试验，试验数据见表1。

表1试验现象记录表

试验表明，空载慢速伸出气缸背压和气瓶压力相差较大，节流孔直径尺寸较小，基本可以解决空载慢速伸出时的爬行现象；空载慢速收回时气缸背压和气瓶压力相差较小，节流孔直径尺寸较大，需要开启两个阀的节流孔，基本可以解决空载慢速伸出时的爬行现象；带载慢速伸出时，气缸背压和气瓶压力尽量采用等压的方式，单个节流孔采取较大尺寸，基本可以解决带载慢速伸出时的爬行现象。

结论

采用了经特殊设计节流孔的高压二位二通电磁阀组及与气缸一体化的结构和排气节流的调速方式，可以实现机构的快、慢速伸出和快、慢速收回的功能及其速度要求；

通过试验验证了充入背压及排气节流的方式可以实现机构的快、慢速伸出和快、慢速收回的功能，基本可以解决慢速时爬行的问题；

高压气体射流所能达到最大速度只能接近音速，采用的节流孔径过小时阀体内腔成为高压容腔，容易产生更高的压力。

参考文献：

[1]SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术.第2版.北京：机械工业出版社,1998

[2]孙良平.气缸出现爬行现象的原因分析.液压与气动.2001（8）：43

作者简介:田云峰（1978～ ）,男，山东阳谷县，高级工程师，硕士研究生，主要从事发射装置设计。