关于气动阀临界压力比b及其流量公式的探讨.pdf

Hy dr a u l i c s P ne u ma t i c s＆ Se a l s ／ No ． 2． 2 01 1 关于气动阀临界压力比 b及其流量公式的探讨 司 冀 王永盛 史 维祥 西 安交 通 大学 S MC气动 技术 中心 ， 陕西 西安7 1 0 0 4 9 摘 要 本 文 对 I S O 6 3 5 8标 准 规 定 的 表 述 元 件 流 量 特 性 的 两 个 参 数 声 速 流 导 C和 I临界 压 力 比 b进 行 了研 究 ， 提 出 临 界 压 力 比 b合 理 选定的新建议并和原测定方法进行 比较 。 分析其合理性 。 对元件音速段和亚音速段流量公式进行研究 ， 通过大量实验及理论分析 ， 提出 了准确度高 、 简单和使用方便 的新流量计算公式 。 关键词 声速流导 ； II缶界压力 比； 新流量计算公式 中图分类号 T H1 3 8 ． 1 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 2 0 0 4 7 0 5 An Ap pr o a c h t o Cr i t i c a l F l o w-r a t e F o r m u l a s P r e s s u r e R a tio b a n d I t s f o r P ne u m a ti c Va l v e S ／ WANG Yo n g - s h e n g S HI We i - x i a n g X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y S MC P n e u ma t i c T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ，X i ’ a n 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , t h e s o n i c c o n d u c t a n c e C a n d c ri t i c a l p r e s s u r e r a t i o b ， wh i c h r e p r e s e n t fl o w c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p n e u mi c e l e me n t s i n a c c o r d a n c e wi t h the I S O 6 3 5 8 ， a l e r e s e a r c h e d． T h e p r o p o s M f o r c ri t i c a l p r e s s u r e r a t i o b n e w d e f i n i t i o n i s p r e s e n t e d ， w h i c h i S c o mp a r e d w i t h o rig i n a l me t h o d t o a n a l y z e the r e a s o n a b l e n e s s o f n e w me tho d ． Th e fl o w r a t e c alc u l a t i o n f o r mu l a s o f s o n i c a n d s u b s o n i c s e c t i o n a r e s t u d i e d ． Th r o u g h a g r e a t d e al of e x p e rime n t s a n d t h e o ret i c al a n a l y s i s ， a h i g h e r p r e c i s e ， s i mp l e a n d c o n v e n i e n t fl o w r a t e f o r mu l a i s p u t f o r w a r d ． Ke y W o r d s s o n i c c o n d u c t a n c e； c r i t i c a l p r e s s u r e r a t i o ； n e w f l o w- r a t e f o r mu l a O 引言 I S O 6 3 5 8标 准规 定 用声 速 流 导 C和 临 界压 力 比 b 作为表述气动元件流量特性的两个特性参数【 ” 。由于难 以保证两个特性参数测量及计算 的准确性 ，因此通过 它们来计算气动元件的流量特性 曲线 ，其准确性难以 保证[2 1 。 基于上述 问题 ， 本文通过对气动阀进行大量实验 ， 对声速流导 C和临界压力 比 b进行分析 ，并依据合理 的 b值 ． 推导 出新 的气 动元 件 流量公 式 。 1 气动 阀流量特性 曲线测定 1 ． 1 测试 回路 及 测试 系统 针对 I S O 6 3 5 8标 准规 定 的测 试方 法 “ 费 时 费气 ” 的 缺点 ， 我们 对其进行了改进 见图 1 ， 新 的系统可方便 快捷地直接得到气动元件流量特性曲线并且直接给 出 声速 流导 C和临界 压 力 比 b ， 新 系统 大大 提高 了气动 阀 流量特性的测试效率 ， 节省了能源， 提高了测试精度。 收稿 日期 2 0 1 0 一 l 0 _ 8 作者简介 司冀 1 9 8 5 一 。 男 ， 硕士研究生 ， 西安 交通大学机械工程 学院机 械电子工程 专业 ， 现从事 流体传 动领域 的科 学研究。 1 一气 源2 一过 滤 器3 一 截 止 阀4 一上 游 压 力 比例 阀5 一电 磁 阀 6 一 电磁阀驱动 电路7 一 电磁 阀电源8 一 小流量传感器 9 一 大流量传感器 l 0 一 温度传感器 l l 一 上游压力传感 器 l 2 一 被测阀 l 3 一 下游压力传感器 1 4 一 下游压 力比例 阀 l 5 一 消声器 ． 图 l 改进后 的计算机测试系统 1 。 2测试 结 果 根据 改进 的测试 系统 ， 对气 动 阀 V Q 4 2 0 1进行 多组 实验 。 图 2为 其 中一实 例 。以往 发 表 的论 文 常只对 阀在 一 两 个 压 力及 开 口量下 做 简 单几 组 实 验 ，这样 不 能代 表整个阀工作范围内的流量特性 ， 如节流阀、 减压阀等 都 在 不 同压力 及 开 口下 工 作 。后 面我 们 所 有 的实 验都 进行 了此方面研究 ， 并且为使所得结果可靠 ， 曾试验了 大小 两种 换 向 阀。 47 液 压 气 动 与 密 封／ 2 01 1年 第 2期 P J 6 M P a o64 8 D， u 5 M l a a 6 7 ’ 口， 0 ． 4 M P a b 064 j Pl 3 I Pa b 06 6 6 ＼ ＼ 、 、 P2 ／ Pl 图 2阀芯开度 x 0 ． 2 m m时气动阀流量特性 曲线 2 关 于声 速 流 导 C与 临界 压力 比 b的 研究 根 据气 动 阀的实验 数据 ，对 C与 b这两 个 特性 参 数进行分析。 2 ． 1 声速流 导 C I S O 6 3 5 8规 定 以公 式 1 计 算 声 速流 导 C， 这 里分 析其与气动阀上游压力和阀芯开度的关系[ 3 J 。 c 1 P P ． 、 ／ 从图 3和图 4中的实验结果可以看 出， C值与气动 阀上游压力和阀芯开度近似线性关系 ，但是同等开度 下 C值 随上游压力的变化远远小于同等上游压力下 C 值随阀芯开度的变化。因此 ， 声速流导 c主要受阀芯开 度影响 ， 开度给定 ， C值基本确定 。 - ～ ～ j ． 8 r r J 。一 一 x 0 a, r t ’ x -- 0 2 r r 一 图 3 声速流导 C与气动阀上游压力 P 一 关系 ， Pl -- 0． 6 I ／ i p l -- -0 5 1 4 h 3 ／ ， x ／ m m 图 4 声速流导 C与 阀芯开度 关系 2 ． 2临界压 力 比 b I S O 6 3 5 8规 定 以公 式 2 计算 临界压 力 比 b值 。 实 48 践证 明。这种方法计算 出的 b值不能够反映出气动元 件实 际气动性 能[ 4 1 。 b l 一 一 2 l 一 、 ／ l 一 V q 既然 b值是在气 动元件流量特性 曲线上来定义 的， b值就应直接从实验曲线上来确定 ，这样就避免了 由理论公式本身的问题对计算 b值 的影响。本文建议 在流量特性曲线上用 0 ． 9 5 Q “ 对应 的压力比值作为该 气动元件的临界压力 比b值 见图 5 。 图 5 参照 自动控制理论 ， 在时域响应中， 调节稳定时间 t 。 确定为达到 目标的 9 5 ％， 亦即在工程上 ， 当参数达到 9 5 ％就 可 以认 为 已达到 目标 了。 ． Q m 图 6 从图 6上 可看到若 l时来确定 b值是不合 理的 ， 这时所确定 的 b值过小 如 b 6 4 根 据 I S 0 6 3 5 8规 定 的 b值 计 算 公式 计 算 出来 的 b 值较小且不稳定 ， 不能够代表气动元件的实际特性 ， 结 合前边讨论的求临界压力 比的新方法 。我们用新方法 所得 的 b值 来推导 新 的流量公 式 。 西安 交通 大 学气 动研 究 中心 在 理论 上证 明 了气 动 元件在亚音速段的流量特性曲线近似一椭圆曲线嘲 。结 合大量实验 ， 通过参数调整和曲线拟合分析 ， 发现 1 ／ 4 椭圆确实能较好地拟合气动元件的流量特性曲线。因 此 ， 根 据椭 圆标 准方 程 ， 既然 要 精 确拟 合 实 际 曲线 ， 那 么假设椭 圆曲线过点 b ， 0 ． 9 5 q 和 1 , 0 ， 其 中 ， b值为 用新方法测定 ． 以此求得新的流量公式为 f 1 [ p i p - 1 ．4 5 4 b - 0 ．4 5 4 l z 】 ＼ q 1 一 J ． 4 5 4b 一 0． 4 54 p - 6 5 图 1 5为 用 新 的 流量 公 式 求 得 的 流量 曲线 与 实 验 所得流量曲线的对照图。 P2 ／ Pl a 开 口量 x ---- O2 ram Pl 朝 ． 6 M Pa 一～ 屯骆 曲缱 o ． 5 M_P a ＼ pl -- - 0 ． 4 MP _a ‘、 p， -- - 0． 3 M Pa ’ 、 、 L 、 、 ． 、 蔫 1 0 ． 1 n 2 0 ． 3 0 ．4 05 0 ． 6 0 ． 7 0 ．8 n9 J 。0 P2 ／ el b 开口量 x -- O ．4 mm P f O ． 6 M fl a ’ 拟合公式l I} I线一 I T - ‘ ． 实验 曲线 Pl o． 5 M Pa ’ r 1 ． n 4M Pa ’●● ● 、 ＼ ＼ ’ PI -- 0 ．3 MP a 、 ＼ 、、 。 、 ● O l f c 开日量 ．r -- 0 ．6 ram 图 l 5 实验测得 阀 V Q 4 2 O l流量 曲线与 新公式计算所得 曲线对照图 可以看出。新推导的流量公式与实际流量特性曲 线相吻合， 和图 1 4相比精度显著提高。 为 了验证公式 的通用性和正确性 ，我们又对换向 阀 S Y 5 5 2 0 5 D Z C 6进行实验 ，图 1 6为通过拟合公式 5 计 算所 得流 量 曲线与 实验所 得流量 曲线 的对照 图 。 一 z 口 一 g 厂 1 ， 啪 枷 枷姗 枷姗 枷 0 一 Z c _ 董 ， l 啪瑚枷姗枷姗瑚啪0 啪咖咖咖{ 堇 枷跏枷姗姗m 0 啪 咖咖瑚鲫湖伽姗瑚 0 z c 一 口 I， 一 一 随着 阀芯开 口量增大线性增大 ．并且其大小主要受开 口量影 响 ，因此可 以认 定 只要 开 口量 一 定 ， C值基 本确 定 。 2 作为讨论方案 ， 本文提出在流量压力 比曲线上 以 0 ． 9 5 p 对 应 的下 上 游 压力 比值作 为 b值 ， 对 原有 方 法 和新 测 定 方法 测 得 的 b值 进 行 比较 ，证 实 新 方法 更 为合 理 。 3 对 音 速段 和 亚声 速 段 流 量计 算公 式 进 行分 析 。 在音速区用大量实验证 明了理论计算公式 的合理性 。 而对亚音速段 ， 只要合理选取 b值 ， 就可 以以 1 ／ 4椭 圆 来近似替代元件亚音速段流量特性曲线 ，以此推导出 气 动 元 件在 亚 音速 段 新 的 流量 计 算公 式 ，此公 式 既 简 单 又 准 确 。这 亦 间接 性 证 明 了新 方法 定 义 b值 的合 理 性与正确性 。 Pl 0 ． 6_ly P a l 拟 合公式 lf1 线一 - pl o． 5 P _ ～ 实验 fffl 线 - 、 I ’ ． _ - ＼ - pi -- 0． 4 ／ V , P a ＼ 1 r ● ● ■ ’ 图 l 6买 验 测 得 S Y 5 5 2 0 - 5 D Z - C 6流 量 曲线 与 新公式计算所得曲线对照图 可 以看 出 ， 新 推 导 的流 量公 式 有 很好 的通 用性 ， 亦 再 次证 明了新 公式 的 正确性 。 由此可 以得 出一 个 重要 结 论 ，只要 在 流量 特 性 公 式 4 中选取合理的 b值 ， 就可以较正确地代表所测气 动元 件 亚 声 速 段 流 量 特 性 ， 而 不 用 另 求 n， m， 同 时 ， 同 时也间接性地证明了 b值的新测量方法符合实际 。以 上结论至少适用于直角边阀。 本 研 究 中 心对 用 声 速 放气 法 测 元 件 有 效 截 面 积 Js 和其测试系统各种问题进行了深入研究 ，取得显著成 果17 1 。研 究 发现 I 由于 国标 规 定 的测 试 方 法 中被 测 阀 的 有 效 截 面积包括了上游系统 的有效截面积 。这样测出的结果 误差较大 ，为此应排除上游系统有效面积对被测 阀有 效 面积 的影 响 常相 当大 。 因此 国 家规 定 的 测试 方 法 应进行修改 ，建议 国家标准中应规定系统的上游压力 降应低于整个压力降的 1 ／ 5 。 2 大量实验反复证明 国家标准规定 的声速放气 法， 只要实验方法及实验系统设计正确 ． 所得 出的结果 正确可靠 。 4 结论 1 声 速流 导 C随着元 件 上 游压 力 增大 线 性 减小 ， 参 考 文 献 1 】 I S O 6 3 5 8 1 9 8 9 ， P n e u ma t i c f l u i d p o w e r C o m - p o n e n t s u s i n g c o mp r e s s i b l e fl u i d s- De t e r mi n a t i - o n o f fl o w - r a t e c h a r a c t e r i s t i c s [ S ] ． 2 】 徐文灿． 国际标准 I S O 6 3 5 8可靠性剖析【 J 】 ． 液压与气动， 1 9 9 1 1 ． 【 3 ] S MC 国 有限公 司． 现代实用 气动技 术[ M】 ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 【 4 】 蔡茂林． 现 代气动技术理论与实践 ． 第一讲 气 动元件的流量 特性[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 2 ． 【 5 】 滕 燕， 李小 宁． 对 I S O 6 3 5 8标 准的气动元件 流量特性表示 式 的研究[ J 】 ． 液压 与气 动， 2 0 0 4 2 ． 【 6 】 史佚， 陈乾斌 ， 等． 气动元件等 温流动近似流量公式的探讨f J 】 ． 液压气动与密封．2 0 1 0 9 ． 【 7 】 陈乾斌， 等． 关 于求解气 动阀有效 截面积 的问题[ J ] ． 液压气动 与密封。 2 0 1 0 3 ． 一 一十一一● 一- - 一一 - 一一一- -一 阀岛 阀岛， V a l v e T e r mi n a l ， 是 由多个 电控 阀构成的控制元器件 ， 它集成了信号输人／ 输 出及信号的控 制 ， 犹如一个控制岛屿。 阀岛是新一代气 电一体化控制元器件 ， 已从最初带多针接 口的阀岛发展为带现场总线 的阀岛． 继 而 出现 可编 程 阀岛及 模块 式 阀 岛。 阀岛技 术 和现 场 总线 技术 相 结合 ， 不 仅 确保 了电控 阀 的布 线容 易 ， 而且也大大地简化了复杂系统的调试 、 性能的检测和诊 断及维护工作。 借助现场总线高水平一体化的 信息系统 ． 使两者的优势得到充分发挥 ， 具有广泛的应用前景。 阀岛 一般 可 分 为 以下 几种 类 型 1 带 多针 接 口的 阀岛 2 带 现 场 总线 的 阀岛 3 可 编程 阀岛 4 模块 式 阀 岛。 51 瑚 枷 湖 枷 瑚 瑚 。 一 z c _