練永慶, 田兵, 陳宜輝

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一種氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制閥的仿真與試驗(yàn)

練永慶, 田兵, 陳宜輝

(海軍工程大學(xué) 兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所, 湖北 武漢, 430033)

為了滿足氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)不同進(jìn)氣流量的需求, 在原有機(jī)械式發(fā)射閥基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種可改變發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的進(jìn)氣控制閥。進(jìn)行了進(jìn)氣控制閥的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì), 建立了試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上組建試驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行該閥的調(diào)節(jié)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明, 進(jìn)氣控制閥的設(shè)計(jì)與理論分析模型是正確的, 該試驗(yàn)系統(tǒng)可用于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合仿真與試驗(yàn)研究。

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī); 進(jìn)氣控制閥; 試驗(yàn)系統(tǒng); 仿真

0 引言

斜盤式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)[1](以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī))是為滿足特殊工作環(huán)境需求而設(shè)計(jì)的一種新型氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一種以高壓空氣為工質(zhì)的多次、短時(shí)工作制機(jī)器(工作次數(shù)可達(dá)萬次以上, 每次工作時(shí)間僅為2 s左右), 能在短時(shí)間內(nèi)快速啟動(dòng), 并輸出相應(yīng)的力矩。該發(fā)動(dòng)機(jī)可通過改變進(jìn)氣壓力獲得不同的動(dòng)力特性。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)這種工作特性, 在原潛艇魚雷發(fā)射裝置機(jī)械式進(jìn)氣控制閥基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的進(jìn)氣控制閥。該閥在給定氣瓶初始?jí)毫η闆r下, 可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況需求改變發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量。

在該閥研制完成后, 需開展相關(guān)試驗(yàn)對(duì)該閥的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行驗(yàn)證, 其目的一是檢驗(yàn)該閥的動(dòng)作可靠性與調(diào)節(jié)性能; 二是根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)閥的理論分析模型并進(jìn)行修正, 為后續(xù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合試驗(yàn)做準(zhǔn)備。為此開展進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 并進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)工作過程的建模與仿真, 最后組建試驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 進(jìn)氣控制閥結(jié)構(gòu)組成與試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 進(jìn)氣控制閥結(jié)構(gòu)組成

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制閥的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示, 主要由閥體、緩沖器及針閥三部分組成。在控制閥打開過程中, 緩沖器通過控制閥芯的運(yùn)動(dòng)來控制閥的開啟面積變化規(guī)律, 進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣規(guī)律。而緩沖活塞運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)整則可通過調(diào)節(jié)針閥的流通面積來實(shí)現(xiàn)。

圖1 進(jìn)氣控制閥原理圖

1.2 進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)前需先進(jìn)行進(jìn)氣控制閥的試驗(yàn), 為此設(shè)計(jì)其試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

在進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)中, 氣瓶1為試驗(yàn)用氣源。氣瓶2主要用于接收進(jìn)氣控制閥排出的空氣。在試驗(yàn)系統(tǒng)中用壓力傳感器測(cè)量進(jìn)氣控制閥工作中氣瓶的壓力變化, 閥芯的頂桿用連接桿通過連接桿連接位移傳感器來測(cè)量閥芯運(yùn)動(dòng)位移。

試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理為: 在試驗(yàn)前, 要完成氣瓶1充氣以及緩沖器注水工作。氣瓶充氣時(shí)電磁閥2關(guān)閉, 電磁閥1打開, 氣瓶1的空氣經(jīng)過單向閥、三通, 進(jìn)入控制閥閥芯(見圖2)的背腔, 在閥芯彈簧彈力和氣瓶氣體壓力作用下控制閥關(guān)閉, 氣瓶1壓力越大, 閥關(guān)閉得越緊。緩沖器注水是將與控制閥聯(lián)通的截止閥打開, 注水水瓶給緩沖器的活塞腔注水, 直至檢查水瓶有水出現(xiàn), 再關(guān)閉截止閥。發(fā)動(dòng)機(jī)要工作時(shí), 電磁閥1關(guān)閉, 電磁閥2打開, 將閥芯背腔中的空氣排到大氣中, 這時(shí)作用在閥芯的氣體力大于彈簧彈力, 閥芯向上運(yùn)動(dòng), 控制閥打開, 氣瓶1中的高壓空氣進(jìn)入氣瓶2。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氣瓶2中的空氣排到大氣中。

2 進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要包括進(jìn)氣控制閥模型與氣瓶模型。

2.1 進(jìn)氣控制閥模型

1) 流經(jīng)控制閥的氣體流量模型

氣瓶1中的空氣經(jīng)控制閥流進(jìn)氣瓶2的空氣流量可按照準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)概念進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)氣體的流動(dòng)過程是等熵的, 根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論[2], 氣瓶1和2之間的空氣流量為

2) 進(jìn)氣控制閥特形孔開啟面積計(jì)算模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合仿真結(jié)果所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣控制閥特形孔形狀如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣控制閥特形孔形狀圖

式中,0為閥芯開始運(yùn)動(dòng)到特形孔打開時(shí)閥芯運(yùn)動(dòng)的距離。

3) 控制閥閥芯運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在控制閥打開的過程中, 閥芯與緩沖活塞的慣性力比起作用于其上的力要小得多, 可以略去。因此, 閥芯的開啟速度只取決于緩沖器中的水經(jīng)活塞上腔流出針閥外的體積流量?？刂崎y閥芯上升的速度與活塞工作面積的乘積, 則是水經(jīng)活塞上腔流向針閥外的體積流量。另外, 控制閥閥芯的行程有限, 它的上升行程達(dá)到極限行程后就不能動(dòng)了, 因此控制閥閥芯運(yùn)動(dòng)速度可表示為

式中: x為閥芯的位移; xm為閥芯的極限行程; Shs為緩沖器活塞面積, ; Szf為針閥處流通面積, Szf =p d1hsina(1-hsin 2a/2 d1), h, d1及a見圖4; rd為緩沖器內(nèi)水的密度; pq為緩沖活塞下腔中的瞬間壓強(qiáng); jo為針閥處間隙流量系數(shù)。

針閥處的流量系數(shù)的大小與針閥處的雷諾數(shù)、閥座倒角長(zhǎng)度、針閥閥芯到閥座的距離有關(guān), 其關(guān)系表達(dá)式如下

式中, 雷諾數(shù)表達(dá)式以及0,值的選取參見文獻(xiàn)[3]。對(duì)針閥處的流量系數(shù)以及雷諾數(shù)的計(jì)算方法為: 以最大流量系數(shù)計(jì)算流量、壓力、雷諾數(shù)初值, 用流量表達(dá)式、雷諾數(shù)表達(dá)式、壓力方程以及流量系數(shù)方程逐次逼近流量、壓力、雷諾數(shù)和流量系數(shù)[4]。

p是控制閥閥芯運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算的關(guān)鍵?？砂聪率接?jì)算

2.2 氣瓶模型

該模型用于描述試驗(yàn)系統(tǒng)工作過程中, 氣瓶中氣體的壓力、溫度以及質(zhì)量的變化。由于試驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)間很短(2 s左右), 因此假設(shè)氣瓶的供氣過程為絕熱過程, 由氣體熱力學(xué)定律推導(dǎo)有[5]

若忽略氣體的泄漏, 根據(jù)質(zhì)量守恒定律有

3 進(jìn)氣控制閥的仿真與試驗(yàn)

根據(jù)以上建立的試驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 以4階龍格-庫塔算法作為求解微分方程的基本算法, 編制仿真程序。在給定初始條件下, 運(yùn)用仿真程序即可對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)工作過程進(jìn)行仿真。

在進(jìn)氣控制閥加工完成后, 依據(jù)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)圖(見圖2), 組建了試驗(yàn)系統(tǒng), 并進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果

為摸索進(jìn)氣控制閥的動(dòng)作與流量調(diào)節(jié)特性, 試驗(yàn)中對(duì)不同氣瓶的充氣壓力、不同的針閥高度都進(jìn)行了試驗(yàn)。這里僅給出部分試驗(yàn)與仿真結(jié)果。

圖5 , h=2 mm時(shí)氣瓶1壓力

圖6 , h=2 mm時(shí)氣瓶2壓力

圖7 , h=2 mm時(shí)閥芯位移

圖8 , h=4 mm時(shí)氣瓶1壓力

圖10 , h=4 mm時(shí)閥芯位移

圖11 , 不同針閥高度時(shí)氣瓶1壓力

圖12 , 不同針閥高度時(shí)氣瓶2壓力

圖13 , 不同針閥高度時(shí)閥芯位移

3.2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

通過試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析, 得出以下結(jié)論。

1) 進(jìn)氣控制閥的試驗(yàn)結(jié)果與理論仿真結(jié)果基本接近, 這說明進(jìn)氣控制閥的設(shè)計(jì)與理論分析模型是基本正確的。

2) 進(jìn)氣控制閥在試驗(yàn)中能夠可靠地開關(guān), 這說明進(jìn)氣控制閥控制氣路的設(shè)計(jì)是成功的。

3) 在試驗(yàn)中, 同一初始條件下的試驗(yàn)一般做2~3次。從試驗(yàn)結(jié)果來看, 每次試驗(yàn)氣瓶1和2的壓力與進(jìn)氣控制閥閥芯位移的變化曲線是基本一致的, 這說明進(jìn)氣控制閥的工作性能是穩(wěn)定的。

4) 在試驗(yàn)中, 不同氣瓶壓力、不同針閥高度條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明, 該進(jìn)氣控制閥可調(diào)節(jié)氣瓶1進(jìn)入氣瓶2的氣體流量, 見圖6～圖13。因而, 在使用時(shí)可通過調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶的初始?jí)毫εc針閥的高度來獲得所需進(jìn)氣流量。

5) 進(jìn)氣控制閥的氣路存在一個(gè)氣路延時(shí), 試驗(yàn)中最大延時(shí)可達(dá)1s(為了與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比, 圖中的仿真結(jié)果相應(yīng)增加了這個(gè)延時(shí))。該延時(shí)是由控制氣路的氣容造成的, 而且延時(shí)時(shí)間與氣瓶壓力有關(guān), 氣瓶初始?jí)毫υ酱髣t延時(shí)時(shí)間越短。

4 結(jié)束語

以進(jìn)氣控制閥試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ), 通過進(jìn)行仿真與試驗(yàn), 對(duì)該閥的動(dòng)作可靠性、調(diào)節(jié)性能、理論模型等進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明, 該閥的設(shè)計(jì)及其理論分析模型是基本正確的, 通過改變氣瓶初始?jí)毫蜥橀y高度可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況對(duì)空氣流量需求。

[1] 練永慶, 王樹宗. 斜盤式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(1): 243-248.

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[2] 王保國, 劉淑艷. 氣體動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005: 104-106.

[3] 何存興.液壓元件[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1982: 396-397.

[4] 姜福祥, 郁凱元. 變流量系數(shù)模型對(duì)先導(dǎo)式溢流閥靜態(tài)仿真結(jié)果影響的研究[J], 機(jī)床與液壓, 2003, 31(2): 174-176. Jiang Fu-xiang, Yu Kai-yuan.The Research on the Effect of Variable Discharge Coefficient Models on the Results of Steady-State Simulation of Pilot Relief Valve[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2003, 31(2): 174-176.

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Simulation and Experiment of an Inlet Control Valve for Air Powered Engine

LIAN Yong-qing, TIAN Bing, CHEN Yi-hui

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To satisfy different flow rate demand of air powered engine, a new kind of inlet control valve is designed for the engine with variable flow based on the original mechanical launching valve. An experimental system of the inlet control valve is designed, a mathematical model of the experimental system is established, and simulation is performed. Consequently, the experimental system is set up, and the inlet control valve is tested. The simulation and experimental results indicate the rationality and validity of the design and the theoretical analysis of the inlet control valve. This experimental system may be used in joint simulation and experiment of the air powered engine.

air powered engine; inlet control valve; experiment system; simulation

TJ630.32

A

1673-1948(2011)02-0236-05

2010-11-05;

2010-12-25.

練永慶(1973-), 男, 博士, 講師, 主要研究方向?yàn)轸~雷動(dòng)力與水下發(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)