气动元件结构形状对流量特性参数的影响.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 4期 d o i l O ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 1 0 气动元件结构形状对流量特性参数的影响 徐 文灿 ． 张士宏 S MC 中国 有限公司 ， 北京1 0 0 1 7 6 摘要 虽然气动元件 的内部结构 比较复杂 ， 但 可以把它看成 是由许 多节流 口组合起来 的。 利用节流 1 1 串接理论进行分析 ， 可以得出许 多重要结论 ． 这些结论为实验所证实 。该文还对结构形状与 S值及 b值 的关系进行 了分析研究 。 关键词 气 动元件结 构形 状 ； 流量特性参数 ； 有效 面积 ； 临界压力 比 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 4 0 0 3 8 04 Pn e u ma t i c S t r u c t u r e Efie c t o n F l o w-r a t e Ch a r a c t e r i s t i c s XU We n - c a n， Z HANG S h i h o n g S MC C h i n a C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Al t h o u g h a p n e u ma t i c p a r t i s a l wa y s wi t h c o mp l e x s t r u c t u r e ， i t c a l l b e r e g a r d e d a s c i r c u i t s ma d e u p o f ma n y o ri fi c e s ． S e ria l o ri fi c e t h e o r y p r o v i d e s s o me i mp o r t a n t c o n c l u s i o n s wh i c h h a v e b e e n p r o v e d t r u e b y p r a c t i c a l e x p e ri me n t s ． P n e u ma t i c s t ru c t u r e e ff e c t i s f o c u s e d o n S e ff e c t i v e a r e a a n d b c ri t i c a l p r e s s u r e r a t i o i n t h e p a p e r ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c s t ruc t u r e ； flo w r a t e c h a r a c t e r i s t i c s ； e ff e c t i v e a r e a ； c ri t i c al p r e s s u r e r a ti o 0引言 气动元件的流量特性参数 S值 壅塞流态下 的有 效截 面积 和 b值 临界压力 比 是气动元 件的 固有属 性 ， 仅与气动元件的结构形状有关。探讨结构现状与两 个流量特性参数之间的联系 ．对揭示两个流量特性参 数 的本质、分析和改进气动元件 的性能等方面都非常 必要 。本文进行的分析 。 仅起一个开头作用 ， 以引起大 家的关心和讨论 1 节流 口分布状况的决定性影响 可 以认为 ．气动元件大多是 由一个 至多个节流 口 串接而成 这些节流 口的综合作用是确定 值和 b值 的决定性 因素 由于气动元件 内部 的流道很复杂 ．压缩空气在该 流道 内流动 ， 会产生很 多的分离旋涡。当两端压差足够 大时， 流道内部还可能出现冲波扰动。这些都会造成压 力和流量 的波动 这些脉动是造成测量数据重复性不 良， 测量 出的 Js值、 尤其是 b值的重复性不 良的主因。 b值 的大小代表能量损失大小 ． ．s值的大小表示流 通 能力 的大 小 。假 设用 3个 值 分别 为 3 0 ra m 、 2 0 mm z 、 l O mm 2 代表节流 口流通能力 的大小 ； 用 3个 b 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 6 作者简介 徐文灿 1 9 3 7 一 ， 男 ， 安 徽桐城人 ， 教授 ， 本 科 ， 主要从事气 动元 件流量特性 、 气动系统工程技术等方 面的研 究。 38 值 分别为 0 ． 3 、 0 ． 4 、 0 ． 5 代表 节流 口能量损失 的大小 。 让它们进行不 同的串接组合 ， 理论计算 参考文献f 1 1 可给 出其合成有效截面积 Js 合 和合成临界压力 比 b合， 列于表 l中。表 1中每个组号由 3个节流 口组成 ． 如 图 1 所示 。p s l 、 JP P 和P 。 分别是第 1 个 、 第 2个 、 第 3个 节流 口进 口总压力和第 3个节流 口出 口静压力 从表 1 可以得 出如下结论 1 流道形状 的影 响 流道 复杂 如组号 2中的 3 个节流 I 1 的 b值都是 0 ． 3 比流道简单 如组号 1中的 3 个节流 口的 b值都是 O ． 5 的 S合 和 b合 都小 ， 故气动元 件内的流道应尽量减少拐弯抹角 ． 不仅流通能力增大 ， 且能耗也明显减少 一Ps i Ps 2 Ps 3 pc ．．． ．． ．．． ．．1．． ．． 【 ． ．． ．．． ．． ．． ．． J【． ．． ．J ．． ．．． ．． ．． ．． ．． ． 【 ．． L S 1 、b l 、b 2曲、b 3 图 1 3个节流 口的串接 2 s台 与 的关系 气动元件内的最小节流 1 1 Js 不论处于何位置 ， 一定 S合 ≤．s 。 即气动元件 的 Js 值 不会大于该元件内的最小节流 口的有效截面积 当最 小节流 口处于气动元件的最前端 ．且下游其他节流 口 的 5值都远 大于 ，并且最小 节流 口的 b值也较大 时 ， 才能存在 S合 S m， 如组号 3 。 3 Js 的位置安排 可能的话 ， 最小节流 口宜设置 在气动元件 的最末端 。这种安排 ， 流通能力 用 S合 代 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ．0 4 ． 2 01 4 表 1 3个节流 口不同组合的计算结果 6 号 S 岛 S 岛 位置 一 1 3 ． 7 9 1 2 ． 7 2 1 Q O O 8 ． 9 2 9 ． 4 8 9 ． 1 8 9 ． 7 3 3 ． 4 9 1 2 4 2 Q 6 9 1 5 ． 3 O l 2 9 6 1 3 ． 5 1 1 9 ． 0 8 1 ＆ 9 7 9 ． 9 9 2 2 ． o 6 1 3 ． 9 6 0 ． 3 4 5 0 ． 1 9 1 0 ． 3 5 9 O ． 2 6 8 0 ． 0 9 5 0 ． 4 5 9 0 ． 3 0 2 0 ． 2 8 7 0 ． 3 5 6 0 ． 3 4 5 0 ． 1 5 3 0 ． 3 2 4 0 ． 2 0 3 0 ． 1 9 1 0 ． 2 8 3 0 ． 1 6 7 O ． 3 6 8 0 ． 2 3 3 0 ． 8 0 0 0 ． 7 5 7 0 ． 8 7 3 0 ． 9 2 1 0 ． 6 0 2 0 ． 9 4 1 0 ． 4 0 0 0 ． 3 0 0 0 ． 7 7 7 0 ． 8 0 0 0 ． 6 2 0 0 ． 7 7 7 0 ． 7 7 7 0 ． 7 5 7 0 ． 6 2 0 O ． 6 4 0 0 ． 8 7 7 0 ． 4 9 4 0 ． 8 6 2 0 ． 8 4 0 0 ． 5 0 0 0 ． 8 2 3 0 ． 9 6 8 0 ． 5 2 5 0 ． 97 6 0 ． 9 7 3 0 ． 7 7 6 0 ． 9 9 7 0 ． 9 6 1 0 ． 9 1 6 0 ． 8 6 2 0 ． 8 2 2 0 ． 8 3 3 0 ． 8 6 9 0 ． 8 4 0 0 9 1 2 注 S 的 单 位 为 0 ． 5 2 0 1 11 1 11 2 ， 临 界位置 为临 0 ． 8 3 9 界截 面所处 节流 口 0 ． 9 4 3 位置的编号。 表 可能会小些 ， 但能耗 用 b合 代表 可以大大减小 。如 组号 5和 4的比较 ． 组号 3和 6的比较 。 4 气动元件临界截面的位置 若气动元件最小节 流 口在末端 则临界截面一定在末端。但气动元件的临 界截 面不一定处 于最小节流 口处 组号 3和 5的最小 节流 口都在最前端 ． 组号 3临界截面在最前端 ． 但组号 5的临界截面却在最末端 组号 l 5和 8的最小节流 口 在 中间 ． 组号 8的临界截面处在 中间 ． 但 组号 1 5的临 界截面并不在中间． 而在最末端 。 5 气动元件 临界截 面之后 的形状对 S合 和 b合 的 影响 气动元件的有效截面积 Js 合 只取决 于气动元件 内 临界流态的哪个节流 口及其之前的流道 ．与该节流 口 之后的流道无关 ． 如组号 3和 8 。因该节流 口后面的流 道的流通能力足够大 ．不会 限制气动元件 的流通能力 用 S合 表示 了。但该节流 I 1 后面的流道对 b合 仍然有 影 响， 因 b合 定义为气动元件 刚达临界状态时的出 I 1 静 压 力 P 与 总压力 P 。 之 比。 6 收缩 型节 流 口形状和扩张型节 流 口形状 的 比 较 收缩型节流 口形状是指几个节流 口的有效截面积 沿流动方 向是顺序减小的 如组号 4 。 扩张型节流口形 状是指几个节流 口的有效截面积沿流动方向是顺序增 大的 如组号 5 。计算说明 。 收缩型节流 口形状与扩张 型节流 口形状相 比较 ， 虽前者 |s 合 小些 ， 但前者 b合 远大 于后者 。即， 前者 的流通能力 比后者小些 ． 但前者的能 耗远小 于后者。还表明气动元件 的 Js 合 和 b合 与几个节 流 口的排列次序有关。节流 口逐渐增大 ． 对流通能力的 限制减弱 ．故气动元件 的流通能力 比节流 口逐渐减小 的排列要大些 。从宏观看 ． 组号 5的流通面积是逐渐增 大 ， 故压力沿流动方 向是逐渐增大的 。 表现为逆压 ， 即 后面的压力高于前面的压力 ． 这会 加剧旋涡分离 ， 使能 量损失加大 ， 即 b合 小。组号 4的流通面积是逐渐减小 的 ， 故压力沿流动方 向是逐 渐减小 的 。 表现为顺压 ， 起 减弱旋涡分离的作用 ， 使能耗减少 ， 即 b合 大。 7 气动元件 的临界压力 比 b合 的分析 气动元件 的临界压力 比与该元件 的所有节流 口及其排列次序有 关 。 各节流 口排列合理 ， b台 可 以大于节流 口中的最小临 界压力 比 6 。 如组号 9 ， b合 O ． 3 5 6 ， 而 6 0 ． 3 ， b台 6 山。 组号 1 0的各节流 口的 ． s i 及 b i 都大于或等于组号 9的 各节 流 IS l 的 |s i 及 b i ， 但组号 1 0不仅 b台 0 ． 3 4 5 小于 b m O ． 5 ， 而且 b合 还小于组号 9的 b台 。 若各节流 E l 排 列不合理 ， b 合 有可能远小于 6 ， 使能耗大大增加 。 如组 号 5及 1 6 ，不论各节 流 口的 b值 大小 ， b合 都远小 于 6 。 一般而言 ， 几个节流口中， 6 宜放前端， 6 一 宜放后 端 ， 如组号 9与 1 1比较 ， 前者 b舍 大于后者 。另外 ， 要尽 量使用收缩型节流 口形状 ， 以提高 b舍 。 8 前端节流 I 1 b值小时 ， 宜 5值大 。 但后端节 流 口 b值小 时， 不宜 S值大 前端拐弯抹角严重 相 当于 b 值小 处 ， 宜流通 面积大些 相当于 |s 值 大 ， 可以减少 能耗。如组号 9与 1 2相 比较 ， 第 2个及第 3个节流 口 的 Js及 b相 同。第 1 个节流 口的 b都是 0 ． 3 ．但组号 9 的 S 】 3 0 ram ， 组 号 1 2的 S 】 2 0 ram2 ， 计 算表 明 ， 组号 9 不仅 5台 大 ， b合 也大。若后端 b值小 ， 后端的 5值加大 ， 3 9 5 3 5 3 3 5 5 5 5 5 3 5 3 3 5 5 5 5 n n n n n n n a n n n n n n n n O O O 0 O 0 O O O 0 0 0 0 O 0 O O O 2 2 3 1 3 l 3 3 2 3 3 2 2 3 3 3 3 3 5 3 5 3 3 5 4 3 4 5 4 4 4 3 4 5 5 4 n n m n n n n n n n O O O O O O O 5 0 O O O 0 0 O O O 5 2 2 3 2 2 2 1 ．2 3 2 2 2 3 2 2 4 1 3 5 3 5 3 3 5 5 5 3 5 5 3 5 3 5 5 5 5 O O O O O 0 0 O 0 0 O 0 O O O 0 O 0 O O O O 0 O 0 0 0 0 O 0 O O O 0 O O 2 2 1 3 1 3 3 3 3 3 2 2 2 3 3 1 3 3 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n M 坫 埔 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 4期 并不见得 b合 大。 如组号 1 1 与 l 3相比较 ， 第 1 个及第 2 个节流 口的 ．s及 b相同 ．第 3个节流 口的 b都是 0 ． 3 ． 但 组号 1 1的 S 3 3 0 mm 2 ． 组号 1 3的 S 3 2 0 m mz ， 计 算表 明 ， 组 号 1 1的 b合 反 而 比组 号 1 3的 b合 小 ， 这 是 因为 组 号 1 1的第 2个与第 3个节流 El形成扩张型 ． 使能耗增 大所 致 。 9 若临界截面在末端 ， 则末端应设置 b值大的节 流 13 若气动元件有 3个节流 El， 临界截面在末端 ， b合 p 。 p 6 。 。 可见 b 大 ， 则 b合 大 。 这有 利 于减 少能 耗 组号 1 2及 1 3两组的 3个节流 13的 S值相 同， 但 b 值不 同。组号 1 2的 3个 b值按 0 _ 3 、 0 ． 4和 0 ． 5排列 ， 组 号 1 3的 3个 b值按 0 ． 5 、 0 ． 4和 0 ． 3排列。计算表明， 组 号 1 2的 b舍 比组号 1 3的 b合 大 。 1 0 两组所有节流 口b值相 同。 但 S值不同 每组 ．s 值一样 的影 响 计算结果表 明。 S值大的一组 比 Js 值 小 的一组 的 Is合 大 ， 但两组 的 b合 相 同， 如组号 1与 1 0 。 两组所有节流 口的 5值相 同． 但 b值不 同 每组 的 b值 一 样 的影响 b值大 的一组 比 b值小 的一组 的 ．s合 及 b合 都大 ， 如组号 l 0与 1 4 。 1 1 许多气动元件 的 3个 节流 口中， 两端的节流 口流动阻力小 即 b大 、 流通 面积大 即 5大 ， 而 中间 节流 口流动阻力大 即 b小 、 且流通面积小 即 IS小 的性能分析 例如 ． 速度控制 阀的控制流道 ， 当节流阀 全开状态变成逐渐关闭状态时 ．中间节流 口的流通面 积在减少 ， 如组号 1 5 、 1 8和 7所示 ， 结果 ．s合 在减小 ， 但 b合 变化不定。 表明速度控制阀的开度减小时， 有效截面 积 S合 在减小 ， 但临界压力比 b合 不一定减小 ， 这已经为 实验所证实 1 2 气动元件 内的所有节流 13的流通面积都相等 是否是最佳设计有许多气动元件是两端的流通 面积 小 ． 而 中间节流 13的流通面积大 ， 如许 多滑 阀结构就是 如此 。既然 中间节流 E l 流通面积大 ， 若减小 阀的开度 ， 使 中间流通 面积 与两端 的节流 口的流通 面积相等 ． 不 是可以减少阀的总长吗 即减少 了阀的体积。 比较组号 1 7与组号 l 0发现 ．所有节流 I 1 等流通 面积的设计思 想 ， 虽然 阀体积缩小 ， 但是气 动元件有效截面积 S舍 及 临界压力 比 b舍 也在减小。 1 3 中位止 回式三位 阀的性能分析 此类 阀的两 端节流 13的流动阻力小 即 b 及 b 大 ，流通面积大 即 s 1 和 Js 大 ， 但 中间节流 口不仅流动 阻力 大 即 b 小 ， 且流通面积很小 即 |s 2 b c ． 结果使滑 阀与活 元件内的多个节流 口若排列合理 ， 可以大大提高 b值 ； 若排列不合理 ， b值会很小。 2 本文定性地指 出了各种结构形状对 ．s值和 b 值大小 的影响规律 。 参考 文 献 ⋯ 1 徐文灿， 李永正． 计算气动回路流量特性参数的方法[ J ] ． 北方 工业大学学报， 1 9 9 4 ， 6 1 4 4 5 0 ． 【 2 】 徐文灿 ， 张 士宏 ． 流动 状态对 测定气 动元件流 量特 性参数 的 影响[ J 】 ． 液压与气动，2 0 1 3 ， 3 3 1 6 9 7 5 ． 『 3 1 陈乾斌， 史维祥， 李正泉． 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 0 3 3 3 3 7 ． [ 4 ] S MC 国 有限公 司． 现代实 用气动技 术 第三 版 [ M】 ． 北 京 机械工业出版社． 2 0 0 8 ． [ 5 】 I S O 6 3 5 8 - 1 9 8 9 ，P n e u m a t i c Hu 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 Hu i d s De t e r mi n a t i o n o f F l o w- r a t e C h a r a c t e r i s t i c s [ S ] ． 『 6 1 张士宏， 徐文灿 ． 使用 压力对 测定气动 元件 流量 特性参数 的 影响f J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 3 3 7 3 0 3 1 ． 41