基于AMESim的气动减压阀建模与仿真分析

贾一平，黄运华

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

气动减压阀是采用控制阀体内启闭件的开度来调节介质的流量，使出口气体压力低于进口气体压力，同时借助出口压力的作用对启闭件的开度进行反馈调节，使经过气动减压阀后的气体压力稳定保持在一定压力值范围以内。减压阀的特点是在进口压力不断发生变化波动的情况下，保持气体出口压力以及其温度值在一定可控范围之内。减压阀的主要作用是对气源压力进行减压，并调整到一个相对稳定的数值，以便于控制稳定的气源动力[1]。

AMESim软件为用户提供了方便用于气体仿真的气压元件设计库(Pneumatic Component Design,PCD)，支持用户自己定义元件属性与参数，用户可以根据需求对气压元件进行结构化设计，并在建立该模型的基础上进行仿真分析以及时域和频域的静、动态响应分析，为设计人员在设计气压元件时提供了便利，缩短了产品开发的周期[2]。本文以HXD2型电力机车的DE-PI型减压阀为例，运用AMESim中所提供的PCD气压元件设计库对DE-PI型减压阀进行建模与仿真分析。

1 DE-PI型减压阀的结构和工作原理

图1为DE-PI型减压阀的结构简图，其主要由调节弹簧、复位弹簧、弹性垫片、反馈腔、阀芯和阀座等零件组成。开始工作时，减压阀调节弹簧6的纵向弹簧力经推杆以及运动元件传递到弹性垫片3，阀芯因受平衡力的作用致使阀口呈开启状态，此时减压阀进口处气体经进气口10后流经阀口，由于阀口开度较小，气体流经阀口时产生撞击、摩擦和涡流，损失一部分气体压力。流经阀口后的气体为减压阀出口气体(压力为p)，出口气体流经阻尼孔进入反馈腔8并作用在橡胶膜片(图1中未标出)上，出口压力与调节弹簧的纵向弹簧力做比较[3]。假设反馈腔处膜片有效面积为S，调节弹簧力与质量块总合力为F,当F>pS时，阀芯向下运动，阀口有效截面积增大，致使出口气体压力增大；当F

1-阀芯；2-复位弹簧；3-弹性垫片；4-出气口；5-阻尼孔; 6-调节弹簧；7-排气口；8-反馈腔；9-阀座；10-进气口

2 建立DE-PI型减压阀AMESim仿真模型

2.1 DE-PI型减压阀动态数学模型

压缩空气在减压阀腔室内作一维定常流动的特性可由4个基本方程即连续性方程、动量方程、能量方程(伯努利方程)和状态方程来描述[4]。

(1) 连续性方程 ：连续性方程是质量守恒定律在流体流动中的应用，表示为：

Qm=ρuA=常数.

(1)

d(ρuA)=0.

(2)

其中：Qm为流过每个截面的气体质量流量；ρ、u分别为气体的密度和平均流速；A为管道的截面积。

(2) 动量方程：气体在管内作定常流动时，各动量之间遵循如下方程：

(3)

其中：λ为管道中的摩擦因数；b为管道内径；dx为横向截取的微分单元。

对式(3)进行积分得：

u2/2+p/ρ+λlu2/(2b)=常数.

(4)

其中:l为管道计算长度。

(3) 状态方程：对气体通过小孔的流动状态进行分析，模拟气体进入阀口前、后状态的变化，气体流经阀口简图如图2所示。图2中，p0、pe分别为阀口前(腔Ⅰ)、后(腔Ⅱ)气体压力值，ρ0、ρe分别为阀口前、后气体密度；ω0、ωe分别为阀口前、后气体流速，T0、Te分别为阀口前、后气体温度，α0、αe分别为阀口前、后气体黏滞系数。

图2 气体流经阀口简图

当p=p0时，阀口中气体不受外力扰动，处于不流动状态。

当p/p0>0.528时，阀口中气流处于亚临界状态，这时阀口后气体压力扰动波将会以声速传到阀口出口处，使得压力pe=p，pe的改变将影响整个阀口中气体的流动状态[5]，则阀口截面的气体流速为：

(5)

其中：γ为比例系数；R为气体热力学常数；T为绝对温度。

阀口后的气体密度为：

(6)

流过阀口的质量流量为：

(7)

其中：S为阀口(反馈腔处)有效面积，S=μA，μ为流量系数，由实验确定。

当p/p0≤0.528时，阀体出口截面上气体的流动速度是以声速向外快速流动的，此扰动无法影响到阀口内部气流状况， 阀口后气体的绝对压力在不断下降，但阀口内流动并无发生任何明显变化，则临界流量Qm0也保持不变[6]。当p/p0=0.528时系统处于临界状态，此时的临界流量Qm0为[7]：

(8)

2.2 建立DE-PI型减压阀AMESim仿真模型

对DE-PI型减压阀在AMESim软件中利用其PCD气压元件设计库进行建模，所建立的模型如图3所示。模型中参数取值为DE-PI型减压阀实际测量参数，合力F=900 N，调压弹簧刚度k=22 700 N/m，阀芯质量m=0.1 kg，阻尼孔截面积为0.15 mm2，阀口初始开度为0.8 mm，膜片腔室容积为0.001 889 L，高压腔室容积为0.001 652 L，仿真的真实外界环境依照DE-PI型减压阀在HXD2型电力机车上的实际工况来设定[8]，设置气体风源总压力为900 kPa。

图3 减压阀的AMESim模型

3 仿真分析

3.1 减压阀进、出口压力

图4为仿真得到的减压阀进、出口压力曲线。从图4(a)可以看出，风源在向减压阀充气前阀开度较大，由于减压阀进口处没有阻尼的作用，风源进入减压阀进口后压力平稳上升，在很短的时间内达到最大值900 kPa并保持稳定。从图4(b)可以看出，充气时，入口压力较大，减压阀出口的压力上升快，但在短暂时间过后，上升的速度越来越慢，0.2 s后保持在708.4 kPa，并达到平衡。由此可见，减压阀进口的气体进入减压阀出口后，减压阀出口气体开始进入反馈腔来调节减压阀的阀口开度，使得阀口开度减小，减压阀出口气体压力上升速度减慢，直到达到平衡的临界条件F=pS，此时，减压阀出口气体压力保持稳定输出状态。

图4 减压阀进、出口压力曲线

3.2 弹簧刚度对减压阀出口压力的影响

图5为在不同调节弹簧刚度下减压阀气体出口压力随时间变化的曲线。由图5可以看出，随着弹簧刚度的不断增加，减压阀出口的气体压力逐渐增加；而且随着弹簧刚度的增加，减压阀出口压力达到平衡的时间缩短，可见调压弹簧的设计对减压阀出口压力起着决定性作用。因此，综合减压阀的设计参数，结合弹簧刚度对减压阀出口压力的影响，在允许范围内适当选择弹簧刚度较大的调节弹簧，有利于缩短减压阀出口压力平衡的时间。

图5 不同弹簧刚度下减压阀出口压力随时间变化曲线

3.3 阀芯质量对减压阀出口压力的影响

为研究减压阀的阀芯质量对减压阀出口压力所造成的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别取减压阀的阀芯质量m为2.0 kg、1.0 kg、0.5 kg、0.1 kg在AMESim下进行仿真分析[9]，得到的结果如图6所示。由图6可以看出，减压阀阀芯质量对减压阀出口定压所造成的影响非常小，基本保持不变，压力最终都会稳定在一个恒定值。但将图6局部放大后可以看出，随着阀芯质量的增加，出口压力在到达稳定之前波动越来越大。综上所述，在设计允许范围内，阀芯质量越小对出口压力的稳定越有利。

图6 不同阀芯质量的出口压力随时间的变化曲线

3.4 阻尼孔截面积对减压阀出口压力的影响

为了研究减压阀阻尼孔截面积对减压阀出口压力的影响，在保持其他条件不变的情况下分别取阻尼孔截面积为0.15 mm2、1.5 mm2、15 mm2，得到了不同阻尼孔截面积下减压阀出口压力随时间变化的曲线，如图7所示。由图7可以看出，不同阻尼孔截面积对减压阀的定压基本上没有影响，随着阻尼孔截面积的逐渐增加，气体出口的稳定压力基本保持不变，但是出口压力的波动幅度比较大，而且达到稳定所需的时间也增长。综上所述，在设计允许范围内，尽可能选择截面积稍小的阻尼孔，可以减小出口压力的波动以及达到稳定所需的时间。

图7 不同阻尼孔截面积的出口压力随时间的变化曲线

4 结论

本文分析了HXD2型电力机车的DE-PI型减压阀结构及工作原理，运用AMESim软件的气压元件设计库对DE-PI型减压阀进行了建模仿真分析，并根据仿真结果提出了对减压阀的优化设计方法。

参考文献：

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[2] 余旋,陈海虹,郑瑜.基于AMESim的减压阀建模与仿真分析[J].起重运输机械,2011(10):32-35.

[3] 唐文欣,王俊勇.基于AMESim的HXD2B机车制动系统减压阀仿真与分析[J].机电产品开发与创新,2012,25(2):80-82.

[4] 傅永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim 系统建模和仿真参考手册[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5] 赵飞.基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究[D].秦皇岛：燕山大学，2010：42-47.

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[7] 徐炳辉.气动手册[M].上海:上海科学技术出版社,2005.

[8] 成大先.机械设计手册(第五卷)[M].北京:化学工业出版社,2002.

[9] 杜凯军，刘建新.基于AMESim的HXD2机车用撒沙电磁阀仿真与分析[J].铁道机车车辆，2015,35(1):41-46.