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能量回收型气动增压阀特性仿真
Fan Yang,Kotaro Tadano,Gangyan Li,Toshiharu Kagawa,and Jiehong Peng
摘 要：在这项研究中，我们提出了一种新的能量回收增压阀（BVER）用于提高能效。首先通过与传统的增压阀进行比较来介绍BVER的原理，建立了包含储罐压力响应的BVER数学模型。并采用Matlab / Simulink软件进行建模与仿真。最后，引入空气动力来评估增压阀的能量效率，并通过实验验证增压阀的能量效率。研究表明，根据不同的供应压力，BVER的提升比率增加15-25％，能源效率提高5-10％。当回收室和增压室直径比为1.3-1.5时，BVER的增压比最大，当容积容积大于10L时，压力波动小于1％。这项研究证明，BVER具有更好的高增压性能，比例稳定，压力输出稳定，能效高，为增压阀的设计和节能提供了很好的参考。
关键词：气动增压阀；能量回收；空气动力；能源效率；Matlab / Simulink
1 引言
气动系统因为结构简单，维护成本低而被广泛应用于工业清洁。空气压缩机的电耗每年高达总电耗的20％[1]，因此我们着重减少气动系统的能耗。Yukio[2]的一项研究表明，供给压力每下降0.1MPa，电力消耗减少8％。因此，越来越多的工厂通过降低供应压力来节省能源，然而，他们面临的问题是压力太低而不能驱动重负荷或需要高负荷的机器，因此，增压阀被广泛地用于局部增压。
升压阀可分为对称型和非对称型。对称增压阀结构简单，每周期可升压两次。不对称升压阀可以获得较大的升压比，但其结构复杂且无效率[3]。为了提高升压阀的性能，Wang[4]提到，大量的死体积可能会导致抽气和排气无效，并建议死体积应该是室容积的3 - 8%。在文献[5]中提出了不对称增压阀的数学模型，证明了活塞质量和截面比对输出压力的影响很小。并提出了一种用于[6-8]中的EEU节能增压阀，它可以利用膨胀功率将活塞推向末端。然而，对活塞的位置和膨胀能量的判断是不够的，供给压力较低不足以驱动活塞。目前存在的问题可以归纳为:直接向大气排放的压力空气是浪费能源；在以往的工作中，数学模型没有考虑油箱；增压阀的输出压力与油罐压力相混淆；最后，没有系统地评价增压阀的节能效果。
本研究的目的是提出一种能够回收高压二次使用的增压阀，分析模型将把油罐加在一起。在此模型的基础上，对升压阀的效率进行了分析。本研究表明，与传统产品相比，BVER具有较高的升压比、高能量效率和较小的压力波动。
2 增压阀原理
根据帕斯卡定律[9]，气动增压阀可以将低压转换为高压，实现活塞面积差异。 用于比较的典型增压阀是SMC的VBA20A，其驱动室中的高压空气直接排放到大气中，通过这种方式，空气动力在长时间运行中被浪费掉。为克服这一缺陷，在图1中提出了一种新的具有能量回收的增压阀.
当增压阀开始工作时，活塞假定位于左端，两位七通电磁阀处于图1所示位置。在此状态下，气源直接与增压室B连通，另一支气源通过调节器和电磁阀与驱动室A连通。随着空气流入这两个腔室，气压升高并产生推力以驱动活塞向右移动。由于活塞的移动，增压室A的体积变得越来越小，因此，这个腔室内的压力将变得更高，直到它高于罐中的压力，然后止回阀打开，增压腔中的空气开始排出到油箱。同时，当活塞向右移动时，驱动室B中的空气被回收室A回收利用，通过推动活塞进行工作，回收室A内的低压直接排放到大气中。当活塞移动到右端时，会产生一个磁性加号信号，并且在控制器检测到加号后电磁阀将改变其状态。排气室和充气室彼此交换，因此活塞可在每个循环中往复运动并排出高压空气两次。驱动室内的高压气体流入回收室，有助于恢复每次冲程的能量。
1.驱动室A 2.活塞3.增压室A 4.空气源5.回收室A 6.回收室B 7.止回阀8.增压室B 9.活塞杆10.驱动室B 11.磁控开关12 .磁环13.两位七通电磁阀14.调节器15.控制器
图1 BVER的结构示意图
3增压阀数学模型
为了分析增压阀的特性，将使用理想的气体状态方程、能量守恒和运动学方程来设置该模型，并满足以下假设：（1）系统中的空气被认为是理想的气体 ，符合理想的气体状态方程; （2）系统没有泄漏，包括活塞和配件; （3）增压阀室内的初始温度等于大气，空气源温度与大气温度相同。
3.1流量特性方程
气动元件的流量特性方程首先由Sanville [10]提出，然后由ISO6358 [11]标准化。 但是当我们用这个方程进行数值模拟时，求解过程中会出现负数和复数; 这将导致模拟中的分歧或错误。 为了克服这个问题，Kassa[12]提出了一个改进的流量特性即方程（1）。当压力比为0.995-0.999时，采用层流模型代替亚音速流模型。
线性增益K1表示如下：
其中G是质量流量，[kg / s]; C是声波电导，[m3 /（s Pa）]; b是临界压力比; p1是上游压力，[Pa]; T1是上游温度，[K]。
3.2气体状态方程
当活塞向左或向右移动时，每个腔室的气体总是满足气体状态方程。当气体状态方程随时间推移时，每个腔室内的压力响应可以如下所示：
S代表活塞面积，[m2]; V是室体积，[m3]; u是活塞的速度，[m / s]; 下标d，c分别代表放电和充电室。
3.3能量守恒方程
当有质量流出或进入腔室时，每个腔室作为可变质量系统处理，内部能量，焓，工作和热量输出或输入系统符合能量守恒。 处理与气体状态方程相同的能量守恒方程，然后可以得到腔室内的温度响应如下：
在这些方程中，C v是定容体积的热比，[J /（kg·K）]; h是传热系数，[W /（m2·K）]; Sh是传热面积，[m2];下标a代表大气状态。
3.4运动方程
根据牛顿第二定律，活塞的运动学方程为：
活塞的摩擦是非常复杂的，因此我们在[13]中研究了几个摩擦模型，常用的模型是库仑摩擦、粘滞模型和Stribeck模型。在此基础上，利用库仑摩擦和粘滞模型作为一种混合模型，使其具有相对较好的精度和易于设置的特点，所以摩擦力是：
3.5储罐内的压力响应
为了降低输出压力波动，同时使用储罐与增压阀。所以输出流量取决于储罐内的压力，罐内的压力取决于输出及输入储罐的流量。当罐内压力增加时，流入罐内的流量减少，流出量增加，反之亦然。因此，罐内压力将平衡，止回阀的开启取决于反馈压力，因此可以降低压力波动。
储罐具有较大的热交换区域，可以充分地与周围环境进行热交换，可将其视为等温处理，因此储罐内的压力响应为：
Gin是流入罐内的空气。
Gout是从罐内流出的空气。
4仿真与实验分析
4.1建模仿真模型
为了便于比较VBA和BVER的特性，前一节中的数学模型将转换为Simulink。我们知道，VBA和BVER分别有四个腔室和六个腔室。若使用三个控制方程来说明每个腔室的特性，VBA和BVER控制方程的数量将分别达到14和20。为了对增压阀进行建模，需要进行繁重的工作。为了尽量减少工作量，这些腔室被分类为充电室和放电室，方程式（1），（4），（7）用于排放室而方程 （1），（5），（8）用于充电室。首先对五个标准子系统进行建模，如图2所示，可以在每个子系统中重新定义腔室的参数。所有这些子系统都可以重复调用。
图2 用于增压阀建模的标准子系统
通过使用这些标准子系统，可以更容易地建立VBA和BVER的Simulink模型，使用Dormand-Prince的变步长解算器求解上述微分方程，可以解决增压阀的压力响应。
4.2增压阀的增压比
增压比反映了增压阀的性能，有助于降低供应压力并节省能源。分析表明，BVER的增压比受调节器系数，供气压力和回收室与增压室的面积比的影响。
调节系数的影响。图3显示了具有不同调节系数的VBA和BVER的输出压力。这表明BVER的增长率比VBA增加了20％。
供应压力的影响。当供应压力从200kPa变为500kPa时，罐内压力响应如图4所示。BVER的输出压力远高于VBA。所以它可以进一步降低BVER的供电压力，这将有助于节约能源。
直径比的影响。BVER的增压比也受到回收室和增压室直径比的影响。增压比的变化如图5所示。随着直径比的增加，增加率先增加后减小，当直径比等于1.3至1.5时，达到BVER的最大增压比。所以在本文中研究的BVER在回收室直径等于100mm时具有最大的增压比。
图3 不同调节系数的压力响应曲线
图4 供应压力变化下的罐内压力响应曲线
图5 不同压力和直径比的增压比
4.3增压阀的压力波动
增压阀始终与储气罐一起使用，以获得稳定的压力输出。由于罐体的开口在应用中是固定的，罐体内的压力波动仅取决于罐体容积。罐内压力波动如图6所示，当罐体积增加时，压力波动减小。罐体容积大于10L时，波动小于1％，可忽略不计。
图6 罐内的压力波动
4.4增压阀的能效分析
BVER可以在每个循环中从驱动室回收二次能源废气。因此，它比直接向大气排气的VBA具有更高的能效。 基于假设（3），BVER的空气动力[14,15]可以简单地表示为方程（12）。
增压阀的效率是输出与输入能量的比率。根据公式（12），增压阀的能量输入是
Vbb和Vda是驱动和增压室的容积。方程（13）表明，输入能量仅在体积恒定的条件下取决于供应压力。然后在恒定的供应压力下，每个循环的输入能量都是恒定的。所以，我们只需要比较VBA和BVER的能量输出。VBA和BVER的空气动力如图7所示，显然BVER的峰值和平均值大于VBA，这意味着BVER有更多的能量输出。
图7 VBA和BVER的空气动力
为了测量储罐的空气输出功率[16]，测试原理图如图8所示。
图8 增压阀测试示意图
试验和模拟结果如图9所示。模拟结果比实验结果稍微有时间延迟，这是由于罐体的等温模型，其压力响应较慢，导致等温罐内压力响应的偏差[17]。所以这个实验和模拟的一致性很好。几个测量结果总结在图10中，且根据不同的供应压力，BVER的能量效率比VBA高5-10％，这将有助于在长时间运行中节约能源。
图9 从罐中输出的空气动力
图10 VBA和BVER的效率
5 结论
本文提出了一种新型能量回收增压阀，系统地研究了其增压比，压力波动和节能特点。通过实验验证了数学模型，证明了BVER与传统增压阀相比具有更好的性能。通过分析我们可以得出结论：
（1）BVER的升压比高于VBA，升压比增加到15-25％;
（2）当回收室与
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