同濟(jì)大學(xué) 齊亞騰 鄧鈺才 胡 標(biāo) 林立春 馮 良

燃?xì)獗壤y的數(shù)學(xué)建模和動態(tài)特性研究

同濟(jì)大學(xué) 齊亞騰 鄧鈺才 胡 標(biāo) 林立春 馮 良

為了提高燃?xì)獗壤y的性能以便于更好地對其進(jìn)行推廣應(yīng)用，使用AMESIM軟件對燃?xì)獗壤y進(jìn)行仿真建模，并結(jié)合動態(tài)特性試驗(yàn)對影響比例閥性能的因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明操作閥下方至針閥閥口流動通道(18)直徑、腔室 q1體積、燃?xì)馊肟谡{(diào)節(jié)器的彈簧剛度和主切斷閥閥口面積對燃?xì)獗壤y動態(tài)性能的影響較為明顯，但是其他的因素也不可以忽略。在模型正確的基礎(chǔ)上，針對這些影響因素進(jìn)行仿真分析，并對原燃?xì)獗壤y模型進(jìn)行改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型在性能優(yōu)于原模型。

燃?xì)獗壤y 全預(yù)混燃燒 AMESIM 動態(tài)特性 空燃比

0 引言

當(dāng)前，燃?xì)庑袠I(yè)迅猛發(fā)展，全預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛，為提高燃?xì)馊紵O(shè)備熱效率、降低污染物排放量，越來越多的新技術(shù)、新產(chǎn)品需要使用燃?xì)獗壤y來合理控制空燃比，例如恒溫數(shù)碼熱水器等。為了更好地推廣應(yīng)用比例閥，就需要相關(guān)的理論知識作為技術(shù)指導(dǎo)。但就目前的研究狀況來看，國內(nèi)外對于燃?xì)獗壤y的理論研究甚少，現(xiàn)有的研究主要局限于比例控制方法、工作原理等方面，而對于影響燃?xì)獗壤y性能因素的研究十分有限；要改進(jìn)燃?xì)獗壤y的性能，就必須研究各個元件對整體性能的影響，以及在不同元件參數(shù)組合下燃?xì)獗壤y所呈現(xiàn)出來的性能特性。

本文以西門子VGU8系列燃?xì)獗壤y為研究對象，提出了一種合理的研究方法，并對原模型性能特性進(jìn)行優(yōu)化。

1 燃?xì)獗壤y的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 燃?xì)獗壤y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

燃?xì)獗壤y的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 燃?xì)獗壤y內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

1.2.1 開啟

當(dāng)燃?xì)獗壤y通入電流時，主切斷閥和操作閥打開，此時，燃?xì)庥汕皇?q0流入燃?xì)獗壤y的腔室q1，再通過操作閥2的閥口流入腔室q2和q3，腔室q3內(nèi)的壓力增加，氣壓作用在主隔膜6上，推動調(diào)節(jié)螺栓7打開燃?xì)馊肟谡{(diào)節(jié)器的閥口，燃?xì)饩蛷那皇襮1通過閥口流向腔室q2，最后通過流量調(diào)節(jié)閥15流向出氣口。

1.2.2 穩(wěn)壓

當(dāng)流量調(diào)節(jié)閥前的壓力pg(14處的壓力)增加時，伺服膜片下的壓力隨即增加，伺服膜片在壓差(Δp=pg-pa)作用下向上動作，空燃比調(diào)節(jié)器處的針閥的開度增大，則由K1處流向伺服膜片下的燃?xì)饬髁吭黾?，根?jù)流量的連續(xù)性原理，由K2處流向腔室q3的燃?xì)饬髁繙p少，q3室的壓力相應(yīng)地減少，主隔膜6在上下表面壓差的作用下帶動調(diào)節(jié)螺栓向下動作，燃?xì)馊肟谡{(diào)節(jié)器的閥口減小，通過閥口流向腔室q2的流量減少，腔室q2的壓力pg也隨之減小，當(dāng) pg=pa壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)壓力減少時，調(diào)節(jié)原理與之類似。

2 燃?xì)獗壤y建模

2.1 AMESIM建模

為了對影響比例閥性能的因素進(jìn)行研究，首先用AMESIM軟件對模型進(jìn)行模擬仿真。模型分為四個主要部分，分別為燃?xì)獗壤y的主切斷閥(one)、操作閥(two)、燃?xì)馊肟陉P(guān)調(diào)節(jié)器(three)和針閥(four)等。

圖2為燃?xì)獗壤y系統(tǒng)的AMESIM模型。

圖2 燃?xì)獗壤y系統(tǒng)的AMESIM模型

2.2 試驗(yàn)研究燃?xì)獗壤y的動態(tài)特性

為了驗(yàn)證模型的正確性，同時也為了測試該比例閥的性能，搭建燃?xì)獗壤y的性能測試平臺，利用該試驗(yàn)平臺對燃?xì)獗壤y的動態(tài)特性進(jìn)行測試。圖3為燃?xì)獗壤y性能測試臺示意圖。

圖3 燃?xì)獗壤y性能測試臺示意

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)采集和控制功能，系統(tǒng)采用高速壓力及流量傳感器，利用PCI-1710板卡和LabVIEW設(shè)計了相應(yīng)的壓力、流量采集和噴射器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力、流量的高速采集、控制噴射器的打開/關(guān)斷時間及風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓的改變等，并將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示和存儲。

在不同的風(fēng)機(jī)出口壓力(不同負(fù)荷)下，測試燃?xì)獗壤y的動態(tài)性能曲線，風(fēng)機(jī)出口壓力分別為0.50 kPa、0.80 kPa，仿真曲線與試驗(yàn)曲線的比較分別如圖4、圖5：

圖4 風(fēng)機(jī)出口壓力為0.5 kPa時的動態(tài)性能曲線

圖5 風(fēng)機(jī)出口壓力為0.8 kPa時的動態(tài)性能曲線

從圖4、圖5中可以看出，模擬曲線和試驗(yàn)曲線在燃?xì)獗壤y出口壓力的整體變化趨勢上具有較好的一致性，模型能夠較為真實(shí)地反映燃?xì)獗壤y的實(shí)際運(yùn)行情況，證明所建立的燃?xì)獗壤yAMESIM模型是基本正確的。

3 基于AMESIM模型的仿真分析及優(yōu)化

在模型正確的基礎(chǔ)上，利用該模型對影響燃?xì)獗壤y動態(tài)性能的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

分析結(jié)果表明：操作閥下方至針閥閥口流動通道(18)直徑、腔室q1體積、燃?xì)馊肟谡{(diào)節(jié)器的彈簧剛度和主切斷閥閥口面積對燃?xì)獗壤y動態(tài)性能的影響較為明顯，但是其他的因素也不可以忽略，燃?xì)獗壤y的動態(tài)性能的改善是各個因素共同作用的結(jié)果，應(yīng)該綜合考慮。

根據(jù)仿真分析得到的規(guī)律對模型進(jìn)行改進(jìn)，原參數(shù)和改進(jìn)后的參數(shù)如下表所示：

表1 模型參數(shù)對比

圖6為模型參數(shù)改進(jìn)后燃?xì)獗壤y的動態(tài)性能曲線。

圖6 模型參數(shù)改進(jìn)后燃?xì)獗壤y的動態(tài)性能曲線

比較兩次模擬結(jié)果可以看出，參數(shù)改進(jìn)后燃?xì)獗壤y的動態(tài)性能有明顯提高，主要表現(xiàn)為壓力超調(diào)量大大減少，燃?xì)獗壤y的出口壓力波動幅度降低，過渡時間也有一定程度的減少。

3 結(jié)語

(1)研究中使用了系統(tǒng)仿真軟件AMESIM，利用該軟件所建立的模型和研究方法對于其它氣動元件的研究具有一定的參考意義，可以擴(kuò)展該模型的應(yīng)用。

(2)在條件允許的情況下，可以改變?nèi)細(xì)獗壤y的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)際研究，這樣既可以進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性和正確性，也可以為仿真軟件的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)作用。

Research on the Mathematics Modeling and Dynamic Characteristics of Gas Proportional Valves

Tongji University Qi Yateng Deng Yucai Hu Biao Lin Lichun Feng Liang

To improve the characteristics of the gas proportional valve and for a better application, simulation modeling with AMESIM software has been introduced to find the factors affecting its properties, and measures have been made to improve its characters, and results show that the performance of the new gas proportional valve improved is better than the old one.

gas proportional valve, premix combustion, AMESIM, dynamic characteristics, air-gas ratio