气动电磁阀流量特性与节能关系研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 5.1MB 64 页 15积分

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气动电磁阀流量特性与节能关系研

究

摘要

节能的重要性近些年越来越受到广泛关注，因此能量利用率较低的气动系统

节能研究意义愈加凸显，而作为气动系统重要组成部分的电磁阀也是节能研究

的内容之一。本文针对压缩空气通过气动电磁阀的能量损失与流量特性参数临界

压力比 b的关系进行了理论分析和试验研究，然后通过仿真手段寻求提高 b值

达到节能效果的流道结构优化方案。

首先引入压缩空气能量损失评价指标——

火

用

，通过理论分析推导出单位质

量流量压缩空气通过电磁阀的

火

用

损计算公式，并讨论了

火

用

损的影响因素。试验

部分选用声速流导C值相同但b值不同的两个电磁阀作为被测对象，通过测量电

磁阀上下游的压力值p2和p1来计算b值差异对压缩空气

火

用

损失的影响。试验数据

计算结果和理论推导结论相一致：对于b值不同的两个电磁阀，在质量流量和上

游压力一定的条件下，压缩空气通过b值较大的电磁阀

火

用

损总是较小的；随着

质量流量增大，b值较大的电磁阀节能效果愈加显著。然后在此基础上，通过进

一步理论分析发现：在质量流量和上游压力一定的条件下，如果提高电磁阀b值，

压缩空气的

火

用

损将以近似线性方式减小。

对试验所用电磁阀内部流道进行三维实体建模，经过Gambit划分网格后导

入Fluent仿真分析压缩空气在阀体内部的流动情况。在验证了模型可靠性后，通

过分析压缩空气流场找到压力损失最显著以及产生明显涡流的位置，提出流道

结构优化方案。最后对优化模型进行仿真，验证流道结构的优化是提高电磁阀b

值并且减小压缩空气能量损失的有效手段。

通过以上理论、试验和仿真分析可知，作为电磁阀流量特性参数之一临界压力

比b是一个能够直观反映出气动电磁阀节能程度的重要指标，为节能的气动系统

设计选型提供了一定的依据。此外，在电磁阀结构设计时，可以结合CFD软件，

对流道进行优化实现b值的提高，达到节能效果。

关键词：气动电磁阀临界压力比

火

用

能量损失数值仿真结构优化

ABSTRACT

In recent years, the importance of energy conservation has been in the limelight

of the whole society, and subsequently the situation of energy consumption in

pneumatic system has inevitably aroused more and more concern. As an indispensable

part of pneumatic system, solenoid valves would take a significant role in the study of

energy conservation in pneumatic system. Through theoretical analysis and test, the

relationship between flow rate characteristic——critical pressure ratio b and energy

loss of compressed air going through the solenoid valve was studied. Besides, the

method of numerical simulation was adopted to observe the flow field in the valve

and optimize the channel configuration for a larger b and lower energy loss.

Before theoretical analysis, the thermodynamic concept of exergy was

introduced as the evaluating criterion of compressed-air energy loss. Through

theoretical deduction, the calculation formula of compressed-air exergy was

constructed, of which the influential factors were also discussed. In the test, two

solenoid valves were chosen as the test objects with their flow rate characteristics C

equal and b different and the parameters to be tested were the inlet and outlet

pressures of the valves. The results of test corresponded with the theoretical analysis,

and based on which it can be arrived at that: Given the mass flow rate and inlet

pressure unchanged, for two solenoid valves with different b, the exergy loss of

compressed air going through the valve was greater with a larger b; With the mass

flow rate increasing, the energy-saving effect of the valve with a larger b would be

more and more remarkable. On the basis of conclusions stated above, a further

analysis was carried out and another conclusion can be drawn that: Given the mass

flow rate and inlet pressure unchanged, the exergy loss of compressed air will decline

almost in a linear way when b was raised.

The three-dimensional model of the flow channel was built based on the valve in

the test. After being meshed in Gambit, the model was imported into Fluent to

simulate the flow field in the valve. Firstly, the reliability of the model was examined

by comparison between test and simulation results. Then, the distribution of pressure

contours and velocity vectors were displayed in order to analyze the influence of flow

channel configuration on flow field and find the typical zone with maximum pressure

drop and large eddy currents. Afterwards, a local configuration modification was

made on the original model to achieve a larger b and lower energy loss of compressed

air. At last, the optimization effect was examined by comparison between the original

and modified models.

From all the theoretical deduction, test results and simulation analysis, it can be

concluded that the critical pressure ratio b, one of the flow rate characteristics, can be

an index for energy loss in solenoid valves, and according to it the solenoid valves

selection can be guided in pneumatic system, furthermore, to obtain a larger b the

flow channel configuration should be optimized.

Key Words: solenoid valve, critical pressure ratio, exergy, energy

loss, numerical simulation, configuration optimization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..................................................................................................................1

§1.1 引言....................................................................................................................1

§1.2 课题来源............................................................................................................2

§1.3 研究背景............................................................................................................3

§1.3.1 气动系统能量传递和转换过程.................................................................3

§1.3.2 气动系统各个环节的节能研究现状.........................................................5

§1.3.3 气动电磁阀环节的节能研究意义.............................................................9

§1.4 本课题的研究内容及方法..............................................................................10

第二章气动元件流量特性与压缩空气能量损失分析.............................................11

§2.1 气动元件流量特性的表达方式......................................................................11

§2.1.1 ISO6358 标准：声速流导 C和临界压力比 b........................................11

§2.1.2 GBT14513 标准：壅塞流态下有效截面积 S和临界压力比 b.............12

§2.2 气动系统能量损失的评价指标以及计算公式..............................................13

§2.2.1 空气消耗量...............................................................................................13

§2.2.2 压缩空气做功能力评价指标——

火

用

......................................................13

§2.2.3 稳态流动的压缩空气

火

用

值计算公式......................................................14

§2.3 压缩空气通过气动电磁阀的

火

用

损计算公式.................................................16

§2.3.1 焓

火

用

的影响因素分析..............................................................................16

§2.3.2 压缩空气通过电磁阀的

火

用

损计算公式..................................................17

§2.3.3 上下游压力比 p2/p1对压缩空气

火

用

损的影响.........................................18

§2.4 本章小结..........................................................................................................19

第三章试验台搭建与试验过程.................................................................................20

§3.1 试验目的..........................................................................................................20

§3.2 元件选型与试验台搭建..................................................................................20

§3.2.1 元件选型...................................................................................................20

§3.2.2 试验台搭建...............................................................................................21

§3.3 Labview 数据采集系统...................................................................................22

§3.3.1 程序前面板...............................................................................................22

§3.3.2 程序框图...................................................................................................23

§3.4 试验过程..........................................................................................................24

第四章基于电磁阀参数的 b与

火

用

损关系理论分析................................................25

§4.1 电磁阀流量特性参数的合成..........................................................................25

§4.1.1 两段串联式节流器的流量特性参数合成...............................................25

§4.1.2 三段串联式节流器的流量特性参数合成...............................................26

§4.1.3 试验用电磁阀的流量特性参数合成.......................................................26

§4.2 根据被测电磁阀流量特性参数的理论分析..................................................27

§4.2.1 通过求导数分析 p2/p1对

火

用

损失的影响.................................................27

§4.2.2 理论分析 p2/p1的影响因素......................................................................29

§4.2.3 理论分析 b值对

火

用

损失的影响..............................................................31

§4.3 本章小结..........................................................................................................33

第五章试验数据与理论计算的对比分析.................................................................34

§5.1 试验数据与理论计算结果的对比分析..........................................................34

§5.1.1 b值对 p2/p1影响的试验数据与理论推导结果对比分析.......................34

§5.1.2 b值对

火

用

损影响的试验数据与理论推导结果对比分析.......................35

§5.2 b值与

火

用

损关系的进一步理论分析..............................................................36

§5.2.1 b值变化时 p2/p1对

火

用

损的影响..............................................................36

§5.2.2 b值变化对

火

用

损的影响...........................................................................38

§5.3 本章小结..........................................................................................................40

第六章气动电磁阀流量特性与能量损失仿真分析.................................................41

§6.1 仿真内容介绍..................................................................................................41

§6.2 仿真方法..........................................................................................................41

§6.3 阀体内部流道三维建模与网格划分..............................................................42

§6.3.1 CAD 三维建模.........................................................................................42

§6.3.2 运用Gambit 进行网格划分.....................................................................44

§6.4 Fluent 仿真参数设置......................................................................................46

§6.4.1 求解器选择以及参数设置.......................................................................46

§6.4.2 湍流粘性模型选择...................................................................................47

§6.4.3 边界条件设置...........................................................................................47

§6.5 模型仿真分析..................................................................................................48

§6.5.1 模型的可靠性分析...................................................................................48

§6.5.2 仿真结果分析...........................................................................................50

§6.6 模型优化方案..................................................................................................52

§6.6.1 模型修改...................................................................................................52

§6.6.2 模型修改效果验证...................................................................................53

§6.7 本章小结..........................................................................................................56

第七章结论与展望.....................................................................................................57

§7.1 论文结论..........................................................................................................57

§7.2 展望..................................................................................................................58

参考文献......................................................................................................................59

第一章绪论

1.1 引言

气动（pneumatics）是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称。气动技

术的动力源是空气压缩机，工作介质为压缩空气，是一种进行能量传递或信号

传递的工程技术，是实现各种自动控制以及生产控制的重要手段[1]。由于压缩空

气能源无污染的优良特性，再加上微电子领域、通信领域和自动控制领域对气动

技术的强烈需求，气动技术在各工业领域的应用愈加广泛。

从远古开始，人们就学会利用空气的能量来完成各种工作，但气动技术应

用的雏形，还得追溯到1776年John Wilkinson发明了能产生一个大气压力的空气

压缩机。1880年，美国研制出火车的气压刹车装置，显示出气压传动快速、简单、

可靠、安全的优点，为气动技术的发展应用掀开了新的格局。20世纪40年代以后，

由于各国的产业发展节奏和经济增长不断加快，生产的自动化水平迫切需要提

高以增加劳动生产率和提高产品质量，因此具有高效率、低成本、安全可靠又有

较长使用寿命的气动技术应运而生，并且，随着生产自动化需求的增加而得到

迅速发展，目前已经成为基本的自动化技术之一。特别是压缩空气低廉的成本优

势和广泛的适用范围，使得气动技术的应用领域日益扩大，被人们称为“廉价

的自动化技术”。

气动技术的传统应用领域包括汽车、机床、冶金、矿山机械、铁路交通以及石

油等行业。由于气动元件的不断发展以及与电子控制技术的密切结合，气动技术

的应用领域不断扩大。目前，家用电器、服装生产、木材加工和家具制造行业已

经大量采用了气动技术；半导体制造行业、自动化包装机械、食品灌装机械、注

塑机、成型机、印刷业、造纸业也已经成为气动技术不可缺少的领域。至于电子行

业，大到电视机、计算机的装配，显像管、印刷线路板的生产，小到集成电路板、

微晶体管的制造都离不开气动技术。随着自动控制的迅猛发展，加上与电子技术

的紧密结合，机械手、机器人、传送机构这些由标准化气动部件组成的装置大大

方便了设计和制造过程，使得各种生产线运行效率更高。综上所述，气动技术正

以其不可替代的特殊优势，不断拓展其应用领域并寻求更有效的利用方式。

气动技术作为实现自动化的一种手段，与液压技术相比，有以下优点[2]：

（1）空气随处可取，取之不尽，避免了购买、储存、运输的费用和麻烦；

用后的空气可以直接排入大气，对环境无污染，即使泄漏，也不会像液压油一

样污染环境。

（2）和液压油相比，空气粘度小，因此对于管内流动，压缩空气受到的阻

力小压力损失小，故有利于远距离输送和集中供气，且不易造成管路阻塞。

（3）与液压传动相比，气压传动动作迅速，气动元件维护简单。

（4）在恶劣工作环境下，例如易燃易爆、强磁辐射、振动等应用场合，气

动系统的安全性和可靠性均优于液压和电气系统。

（5）空气的可压缩性能够实现气动系统的自动过载保护，而且便于压缩后

储存起来，既节省空间又能以备急需。

（6）压缩空气排气时会体积膨胀，由此造成的温度降低恰好使气动设备可

以自动降温，系统长时间运行也不易发生过热现象。

（7）气动元件结构相对简单容易制造，且易于系列化、标准化。

然而，气动技术也并非尽善尽美，相比于液压技术存在以下劣势：

气动电磁阀流量特性与节能关系研究

（1）当负载变化时，空气的可压缩性会造成气动系统的动作稳定性差，但

通过采用气液联动装置可以解决此问题。

（2）气动元件尺寸相对较小，而且工作压力很难达到较高水平，因此相对

于液压系统其输出功率也较小。

（3）信号传递方面，气信号的速度比光速或电子传递速度慢，故不宜用于

对传递速要求较高的复杂回路中。对于通常的生产制造领域，气信号的传递速度

是能够满足设备要求的。

当前，气动技术在气动元件方面的发展，不仅注重气动元件本身性能的提

高，逐步实现了位置控制高精度化、无给油化、节能化和功能复合集成化，在小

型微型化、高度集成化和轻量化等方面也已取得显著的成果，此外，随着进一步

与微电子技术、计算机技术、传感技术相结合，气动技术在综合控制方面进行着

不断的探索[3]。

我国的气动元件制造业和气动技术的研究与应用起步较迟，但近些年来有

很大的发展，目前已逐步形成了包括学校、科研单位和生产厂家在内初具规模的

气动行业。气动技术也已逐步推广应用于各个工业部门，对我国的发展建设正起

着日益重要的作用。

1.2 课题来源及意义

课题来源：上海市教委科研创新一般项目（理科）——电磁阀流量特性对

气动系统节能的影响，项目编号：09YZ228。

我国进入 21 世纪以来，节能环保事业越来越得到重视，一系列的节能政策

和节能措施不断颁布实施。2005 年底我国首次明确确定节能目标，2006 年8月，

国务院发布《国务院关于加强节能工作的决定》，强调能源问题已经成为制约我

国经济和社会发展的重要因素，将节能工作提高到国家发展战略高度。2007 年

10 月，随着全面修订的新节能法在全国人民代表大会的表决通过，节约资源成

为我国的基本国策，并于 2008 年4月开始施行。

由此可见，我国正在进入一个全面推进节能降耗工作的新格局。在这样一个

大背景下，越来越多的产业领域逐渐开始改变过去不计能耗只顾发展的态势，

开始着手采取措施有计划有步骤地削减能耗。“十二五”制定的总体节能降耗目

标与“十一五”相同仍为20%，但是刚刚过去的“十一五”最终没能实现预期

的目标。因此，“十二五”期间全社会节能降耗的压力更大，意义也更深远。

然而，在液压系统、电气系统和气动系统这三种常用的驱动系统中，目前气

动系统的能效相对较低，只有约输入能量的 20%最终能被利用[4-6]，但与此同时

也说明了气动系统还有很大的节能空间。因此，在石油资源日益减少、原油价格

不断攀升、能源问题逐渐严峻的今天，占据工业生产总耗电量 10%～20%，某些

情况甚至高达 35%的气动系统[5]，在我国将会不可避免地成为节能工作的重点

对象，气动系统节能研究也会成为一个非常重要而且亟待解决的课题。

目前，我国大部分企业对气动系统的能耗现状以及改善措施不甚清楚，节

能意识也相对较弱。因此，明确当前企业中气动系统具体的能量损耗情况，分析

压缩空气的使用效率，参考发达国家取得的气动节能改造经验，探讨我国企业

实施气动节能改造的空间以及经济效益，制定有针对性的气动节能措施等等，

对于今后在全社会广泛深入开展气动节能工作具有重要意义。

1.3 研究背景

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摘要：

气动电磁阀流量特性与节能关系研究摘要节能的重要性近些年越来越受到广泛关注，因此能量利用率较低的气动系统节能研究意义愈加凸显，而作为气动系统重要组成部分的电磁阀也是节能研究的内容之一。本文针对压缩空气通过气动电磁阀的能量损失与流量特性参数临界压力比b的关系进行了理论分析和试验研究，然后通过仿真手段寻求提高b值达到节能效果的流道结构优化方案。首先引入压缩空气能量损失评价指标——火用，通过理论分析推导出单位质量流量压缩空气通过电磁阀的火用损计算公式，并讨论了火用损的影响因素。试验部分选用声速流导C值相同但b值不同的两个电磁阀作为被测对象，通过测量电磁阀上下游的压力值p2和p1来计算b值差异对压缩空气...

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