摘要: 以压电双晶片为执行器,设计了一种压电新结构电气转换装置。介绍了该转换装置的结构和工作原理,分析了气路主要影响参数并建立了正交试验表,利用FLUENT软件对整个气路进行参数优化,得到喷嘴挡板间隙背压的特征曲线,确定了气路最佳结构参数组合,实验证明设计参数合理,转换装置具有良好的线性区间,为新一代压电结构电气转换器的研制打下基础。
1 引 言
电气阀门转换器或定位器是气动调节阀的主要附件,是自控仪表和自控系统中进行信息转换和能量转换的核心元件。近几年,随着微机技术、通信技术、控制技术的发展,电气转换器、定位器正逐渐取代传统的机械结构向电子化、智能化方向发展[1~3]。电气转换元件的稳定性直接决定了转换器或定位器性能的好坏,每一次转换器或定位器技术的更新都和转换装置的革新有着紧密联系,目前,国外相关产品已经突破了传统的机械模式,而我国大多数转换器厂仍以老产品为主,研制新一代电子式、智能式产品代替传统的机械结构,势在必行。本文设计了基于压电新结构电气转换装置,突破了传统的机械结构,代表了电气转换器新的技术发展方向。*
2 压电式电气转换装置结构及工作原理
压电式电气转换装置利用喷嘴-挡板转换原理,采用压电执行器作为挡板,结构图如图1所示[4~6],压电复合圆盘固定在上、下端盖之间,压电复合圆盘上片压电片极化方向与外电场方向相同,下片极化方向与外电场方向相反,在外电压作用下上片收缩,下片伸长,压电圆盘向下弯曲。通过控制外加电压控制双晶片与喷嘴之间距离,来调控背压室气压,背压室气压对喷嘴挡板间隙变化反应灵敏。为了便于观察,上端盖采用有机玻璃。
进气节流阀采用锥形结构,其开度直接影响挡板初始安装位置,如图2所示。Ps是恒定输入气压,D是进气管道内径,θ是锥阀的锥角, l是阀心从锥阀闭死到图示开度下的轴向变化量,EF表示最小节流截面的宽,锥阀的最小节流面积A近似为:
3 气路参数优化设计
3.1 气路正交试验的参数选择和分析
正交试验设计是利用规格化的正交表来设计试验方案的多因素优选方法。试验的目的是确定气路的结构参数尺寸,使转换装置具有较为理想的线性区域,转换装置气路喷嘴结构如图3所示。在喷嘴的结构中有四个主要因素:喷嘴内径d1,喷嘴端面厚度L,喷嘴长h,内腔(背压室)直径d2。
喷嘴内径d1是喷嘴挡板机构几何特性的主要参数,它决定了流量曲线的线性区的大小,影响能量的转换效率,而且影响气路的转换倍率。根据经验,试验中喷嘴内径d1分别采用1.5、1.25、1、0.5mm四个水平。喷嘴端面厚度L不仅对系统的放大比和线性范围有直接影响,而且对系统的稳定性也有较大的影响。根据经验综合考虑,L取值近似为0、0.5、1、1.5 mm四个水平。
喷嘴长度h是指喷嘴内径d1段的轴向长度,h的作用是使气体流动的可用压力能转变成气体流动的速度能。显然这种转变存在着损失,喷嘴长度也不能太短,虽然喷嘴长度愈短压力损失愈小,但是,短小的结构将会造成流动状态的突变(形成气体的节流),或孔口不可逆的自由喷射,致使可用的压力能全部损失。根据经验h取值为1、1.5、2、2.5mm四个水平。
喷嘴内腔(背压室)直径d2理论上只要使内腔截面积大于气流最小截面A(即变节流口的截面积)的最大值即可,但为了不形成气阻,应满足:
3.2 FLUENT仿真模拟曲线
用SOLIDWORKS软件建模, GAMBIT进行网格划分,在FLUENT中确定边界条件,在GAMBIT中设置各个边界的属性[7, 8]。该模型中有气压输入边界、气压输出边界和固壁边界。进气口就是气压输入边界,喷嘴和挡板间隙的两侧即为气压输出边界,而其他部分都为固壁边界,特别注意的是出气口的边界也是固壁边界,而不是压力输出边界,因为转换器的出气口要接到气动执行器,而气动执行器是靠气压工作的,所以是密封的,在理想情况下,出气口处只有压力传递而并没有气体流动,所以出气口的边界按固壁来处理。设定边界后把网格文件输出并保存,然后进行计算和分析,把保存好的网格文件导入到FLUENT软件中进行分析计算。主要参数入口压强为0. 14 MPa,出口压强为0 MPa,操作压强为0. 101 325 MPa。求解计算时可设置监视窗口,监视背压室的气压是否稳定。图4为16个气路模型特性的比较曲线。
3.3 结果分析
由于评定气路的好坏是由线性区间和线性度的大小综合决定,无法根据确定值来衡量好坏,因此引入评分的概念,评分的标准主要有:输出气压范围,即背压值有效范围内数值,连成一条直线,理想线性度评分为100分。背压值的区间越大,线性度越趋于直线,背压缝隙取值在0~0. 08 mm之间(压电片的变形范围),引入缝隙0. 1 mm是为了符合正交表的规格和更好地分析曲线的变化趋势。根据这一指标衡量,得到正交分析表如表2所示。从表2、图4中可以看出,曲线2为比较理想的曲线,分值为90分,曲线1为85分,和曲线2比较接近,曲线3成反s型,线性度较差,综合评定为75分,曲线6为80分,背压区间虽然比曲线3小但线性度好于曲线3。
3.3.1 极差分析
根据极差理论分析,极差值越大说明该因素对结果的影响越大,反之越小。由表2可知:极差值最大的是进气节流阀当量直径d,最小的是喷嘴端面厚度L,因此,各影响因素的主要顺序为d→d1→d2→h→L。
3.3.2 单因素分析
各单因素对转换装置线性度的影响如图5所示,首先考察因素d,线性度综合评定随d值的增加而降低,由图5可知,d=0.2mm时分值最高。从喷嘴直径d1曲线可以看出,d1=1mm时分值最高,当直径继续增大,综合评定指标快速下降。随着喷嘴内腔(背压室)直径d2的增长,综合评定降低,评定指标在d2=2 mm时分值最高。喷嘴端面厚度L在0mm和0.5 mm时出现等分值点,当L=0时,喷嘴的端部变成了刃口型,这时使用喷嘴不仅不安全,而且喷嘴端部极易磨损,故选择L=0. 5 mm。对喷嘴长度h,也出现了等分值点,因为h越短压力损失越小,所以选择h=1. 5 mm。故由以上计算分析得知,参数搭配的最佳组合为:d =0.2 mm,d1= 1 mm, d2=2 mm,L =0.5 mm,h =1.5 mm。
试验中没有这组数据,故需重新验证,结果只需要和评分最高的实验2比较,建立模型。
仿真得到如图6所示的仿真曲线,实验2的背压范围为[0. 125 902, 0. 006 736]MPa,而最佳值背压值范围为[0. 132 892, 0. 005 236]MPa,最佳值的背压范围大于实验2,线性度也好于实验2。
3.3.3 方差分析
由于误差平方和的自由度比较小,因此采取放宽显著行水平的方法,α=0.25,由表3可知,d和d1是影响气路特性的显著因素,其余尺寸影响不显著,实际选择时可根据实际经验和实验结果适当修正。
4 实验研究
4.1 实验系统
在进行压电式电-气转换器整机转换性能测试试验之前,应先进行电-气转换装置性能试验,以确定输出各压电片变形量所需要的驱动电压,存入存储器的表中,供整机试验时查表使用,也就是对气压所需驱动电压进行标定[9]。
实验系统如图7所示,为满足工业现场的要求,气源经过空压机、滤清器、进气阀、稳压器,使进气压稳定在0.14MPa。
气源:空气
空压机:TIO2型空气压缩机
直流电源:TD1717三路稳压稳流电源
执行器:2MA-3气动执行器
4.2 实验结果及分析
实验过程中,当量直径可根据式(1)换算成节流阀的开度,但其很难精确控制,经过反复调试,得到一组最佳实验曲线如图8所示。
由实验曲线可知,喷嘴与挡板间距在0. 02 mm时,输出气压可以达到1. 3MPa,在喷嘴与挡板间距达到0.06 mm时,输出气压已经低于0.2MPa,在间距小于0.06 mm范围内,输出气压值与喷嘴挡板间隙具有良好的线性关系,当喷嘴挡板间距在0. 06~0. 1mm之间时,具有近似线性关系,间距0. 06mm是一个拐点,工业现场的要求是输出气压在0. 02~0.1MPa之间,故只要控制喷嘴挡板间距在0.06 mm范围内输出气压即可满足工业现场,同时又具有良好的线性关系。由图可知:实验结果和理论仿真曲线基本吻合,说明用FLUENT软件对气路进行参数 优化设计是可行的,结果可信。
5 结 论
本文利用压电双晶片为执行器,设计的新结构电气转换装置,突破了传统的喷嘴挡板原理。利用FLUENT软件对气路进行参数优化设计,得到气喷嘴和节流阀的优化参数组合,即进气节流阀当量直径d=0.2 mm,喷嘴直径d1=1 mm,喷嘴内腔(背压室)直径d2=2mm,喷嘴端面厚度L=0.5mm,喷嘴长度h=1. 5 mm。通过实验验证了该结构转换装置具有良好的线性区间,与仿真结果具有良好的一致性,为进一步研究新结构转换装置提供参考依据。
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