前言

儲(chǔ)存氣體能量的超高壓或高壓氣源一般需經(jīng)過(guò)減壓控制環(huán)節(jié)，然后再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前應(yīng)用于高壓氣動(dòng)系統(tǒng)的氣動(dòng)減壓閥和壓力調(diào)節(jié)閥的研究工作已經(jīng)取得較大進(jìn)展l切，但它們的工作原理都是 采用節(jié)流方式，以壓力掇失為代價(jià)實(shí)現(xiàn)減壓。這對(duì) 于以實(shí)現(xiàn)特定功能為追求目標(biāo)的高壓氣動(dòng)系統(tǒng)是可以的，但對(duì)于攜帶能t有限、以能t使用效率為追 求目標(biāo)的高壓動(dòng)力系統(tǒng)，如航天、航空和氣動(dòng)汽車 等，減壓閥的節(jié)流損失是很難接受的。為此在參考文獻(xiàn)【3］中提出容積減壓法，利用氣體膨脹的方法 使壓力降低到設(shè)定值，商壓容器與低壓容器之間沒(méi)有節(jié)流過(guò)程中的摩擦能耗損失，大大提高了高壓氣 動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的效率．超高壓大流t氣動(dòng)開關(guān)閥是容 積減壓系統(tǒng)的關(guān)鏈控制件，目前．人們對(duì)其研究很少。因此，這里主要針對(duì)一種新型容積減壓系統(tǒng)的超高壓大流t氣動(dòng)控制開關(guān)閥的原理、數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。

1 超高壓大流量開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)原理 

由于高壓大流t氣動(dòng)開關(guān)閥的氣流通道面積較 大，因此作用在閥心上的樸壓力和氣動(dòng)力都比較 大，如果采用直動(dòng)式的結(jié)構(gòu)形式，勢(shì)必要采用大型 電磁鐵，導(dǎo)致龐大的結(jié)構(gòu)尺寸；而且由于大型電磁鐵的響應(yīng)速度較低，將導(dǎo)致氣動(dòng)開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)性能 降低。借鑒液壓插裝閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，通 過(guò)分析．設(shè)計(jì)出氣動(dòng)力平衡式大直徑主潤(rùn)心，通過(guò) 高頻響小流量電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)，保證高壓大流t氣 動(dòng)闊的動(dòng)態(tài)性能。 圖1為所設(shè)計(jì)的高壓大流t氣動(dòng)開關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 化模型．先導(dǎo)級(jí)采用高速電磁球閥，主閥采用氣控 方式的錐形差動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于電磁閥是比較成熟和穩(wěn) 定的技術(shù)l.JI．因此主要研究由氣體控制的主閥開 關(guān)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性．主閥的氣控方式和動(dòng)態(tài)特性主 要決定于主閥控制腔內(nèi)的氣體充放氣過(guò)程和狀態(tài)， 于是，研究閥的動(dòng)態(tài)特性可以歸結(jié)為研究主閥控制 腔的充放氣特性。由于控制腔的容積是時(shí)變的，這 與通常的充放氣特性不一樣．研究也更具難度．

2 閥心動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程分析 

高壓氣動(dòng)開關(guān)閥主閥的動(dòng)態(tài)過(guò)程包括先導(dǎo)閥控制的主閥心的開啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程。常規(guī)氣動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，一般都用閥心運(yùn)動(dòng)過(guò)程代替筱個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程來(lái)建立數(shù)學(xué)模型。這種方法忽略了控制容積對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，這在低壓的常規(guī)氣 動(dòng)元件的特性分析中不會(huì)造成很大誤差：但對(duì)于高 壓氣動(dòng)系統(tǒng)．由于氣體的壓縮率較大，熱力學(xué)特性 在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生作用．使控制腔容積對(duì)高壓 氣動(dòng)元件的動(dòng)態(tài)特性的影響變得不容忽視． 實(shí)際上，主閥開啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程都分別包含 主閥心靜止的定容積過(guò)程和主閥心運(yùn)動(dòng)的變?nèi)莘e過(guò) 程，而且這兩種過(guò)程的過(guò)渡都表現(xiàn)為控制腔氣體壓力曲線．上有轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此提出高壓氣動(dòng)閥動(dòng)態(tài)過(guò)程 細(xì)分原則：以定容積過(guò)程和變?nèi)莘e過(guò)程為單元，以控制腔轉(zhuǎn)折點(diǎn)氣體壓力為標(biāo)志，將高壓氣動(dòng)開關(guān)閥 的主閥開啟過(guò)程細(xì)分為控制腔定容積氣容放氣過(guò) 程、控制腔變?nèi)莘e氣容放氣過(guò)程：將高壓氣動(dòng)開關(guān) 閥的主閥關(guān)閉過(guò)程細(xì)分為控制腔變?nèi)莘e氣容充氣過(guò) 程、控制腔定容積氣容充氣過(guò)程．下面對(duì)這些過(guò)程 進(jìn)行定義和說(shuō)明。

3 數(shù)學(xué)模型 

根據(jù)閥的墓本結(jié)構(gòu)和工作原理抽象出動(dòng)態(tài)分析的物理模型，分別為高壓氣體流經(jīng)控制腔排氣口（先導(dǎo)閥排氣 口）和控制腔進(jìn)氣口（先導(dǎo)閥進(jìn)氣口）的質(zhì)量流t：月。 為控制腔排氣口面積，才。為控制腔進(jìn)氣口面積為錐閥心上端有效面積，才為主閥開啟狀態(tài)錐閥 心下端有效面積，才，為主閥關(guān)閉狀態(tài)錐閥心下端 .

有效面積：y、夕和少分別為主閥心的位移、速度 和加速度，箭頭方向?yàn)檎�向，兒為錐閥心大開 度：。為錐閥心質(zhì)t,g為重力加速度，k為彈贊 剛度系數(shù)，‘為阻尼系數(shù)：凡為作用在錐閥心上的 凈擦力．FO為作用在錐閥心上的彈黃預(yù)壓力；p．、 八和不分別為放氣過(guò)程控制氣體壓力、密度和溫 度，幾、幾和乙分別為充氣過(guò)程控制腔氣體壓力、 密度和溫度．八、幾和Tc分別為控制氣體壓力、密 度和溫度，Po、Po和To分別為閥外氣體壓力、密度和溫度：P．為氣源高壓氣體壓力．特性方程中用 到的其他參數(shù)定義：q為流盆系數(shù)，產(chǎn)為氣體絕熱 系數(shù)，R為氣體常數(shù)，Z為氣體壓縮因子。

4 仿真與試驗(yàn)研究 

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性．對(duì)建立的超 高壓氣動(dòng)開關(guān)潤(rùn)的非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，并與 新研制的閥的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較．閥的基 本參數(shù)取值為：直徑眾＝3.6Inln、D．習(xí)．6Inrn、D.=25 ～、從＝20～、幾＝15Inm，分別對(duì)應(yīng)面積人、 心、漢：、兒、丸：控制氣體壓力Pc=10MPa．氣源 壓力P,'10MPa，環(huán)境壓力Pooo:MPa．仿真利 用Matlab及其s~hnk工具箱完成．高壓氣動(dòng)開 關(guān)閥的控制腔動(dòng)態(tài)壓力側(cè)試裝里原理圖，側(cè)試試驗(yàn)在浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室完成。壓力測(cè)試與仿真結(jié)果比較：主 閥心位移仿真曲線。

5 影響閥性能的主要因素分析 

通過(guò)仿X研究．在高壓情況下，摩擦力、彈黃 剛度和閥心質(zhì)t等參數(shù)對(duì)高壓氣動(dòng)開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特 性的影響，相對(duì)于閥的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的形響要小得 多．因此下面主要分析幾何參數(shù)對(duì)高壓氣動(dòng)開關(guān)閥 的影響規(guī)律。

6 結(jié)論 

提出超高壓大流里氣動(dòng)開關(guān)閥的動(dòng)態(tài)過(guò)程細(xì)分 原則：

為正確建立高壓氣動(dòng)元件的數(shù)學(xué)模型打下了 理論葵礎(chǔ)。 電磁先導(dǎo)控制氣動(dòng)力平衡式超高壓氣動(dòng)開關(guān)閥 是可行的。先導(dǎo)閥的通徑?jīng)Q定了主閥開啟過(guò)程的德 定性，先導(dǎo)閥通徑存在小臨界值，該值可以通過(guò) 仿真或試驗(yàn)確定：

先導(dǎo)閥與主閥的動(dòng)態(tài)性能應(yīng)合理 匹配． 主閥控制腔直徑?jīng)Q定了主閥開啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò) 程的時(shí)間對(duì)比關(guān)系，直徑越大，開啟時(shí)間越長(zhǎng)宜 徑越小，關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)利用建立的棋型進(jìn)行仿真， 可以找到滿足高壓氣動(dòng)開關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能要求的控制 腔直徑的優(yōu)值。