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能量回收气动增压阀的特性的无量纲分析
Fan Yang1,2，Kotaro Tadano2，Gangyan Li1，Toshiharu Kagawa2
1机点工程学院，武汉理工大学，武汉430070，中国
2精密和智能实验室，东京工业大学，横滨226-0026，日本
2016年5月1日接收；2016年8月4日发表
学术论文编辑: Vittorio Zampoli
摘 要：为了节约能源，工厂越来越减少空气供应压力。因此，对气动助推器阀的需求日益增长，以克服现代的气动系统的局部压力不足。为了进一步提高能源效率，提出了一种新型的能量回收助推阀(BVER)。文中BVER原理介绍的很完善，并给出了一个基于流量、气体状态和能量守恒所建立的无量纲数学模型。 通过精确选取参考值，将数学模型转化为无量纲模型。后继发现了BVER的无量纲特性。基于空气动力计算BVER的能量效率。其升压比主要受操作参数的影响。其中结构参数、恢复/升压腔面积比和腔室的音速流导是影响最大的。与没有能量回收室的助推阀相比其升压比提高了15%-25%。在原本供应压力的前提下效率提高5% - 10%。并通过实验验证了数学模型，此项研究为助推阀的优化和节能方面提供了参考。
1 简介
气动系统以其成本低、可靠性高、操作简单、易于维护等优点得到了广泛的应用。它们通常占全国大部分工业用电量的10%-20%[1]。越来越多的经济和环境方面的关注表明，气动效率是制约系统发展的主要因素，而提高气动效率则是目前主要关注的问题。以前的研究结果表明，将供气压力降低0.1MPa，能耗下降8%。许多工厂都是这样节约能源的。因此，它们的气压不足以搬运重物或操作高压设备。因此，工业正在寻求更有效的气动助推器阀门，以增加当地的压力。
压缩空气节能可以通过减小泄漏和压力损失以及优化系统来实现[3]。一般来说，提高系统效率的根本途径是降低能量的输入，增加能量输出。对于前者来说，减少供应压力已经被提到了。增压阀的升压比表明，对于相同的压力输出，供应压力可以降低。有人提出了一种不对称的助推器阀[4，5]，但它的高升压比是以低速率f和太多的加压废气为代价的。膨胀能源(EEU)助推阀可以减少空气供应[6，7]。在活塞到达行程结束之前，将空气切断，并利用空气的膨胀能完成剩余的工作。然而，当供应压力降低时，这种能量就会变得不足。为了增加能量输出，在驱动气缸[8-10]中广泛采用了回收能源和最小化摩擦的方法。能量被回收并储存在储罐中，供二次使用[8]。通过差动驱动[9，10]，可以将气缸的放电室与充电室连接起来。这有助于增强效率e，但以牺牲活塞运动的稳定性为代价。鉴于在返回行程的气缸是没用的，一个额外的双向电磁阀可用于切断节能[11]。前人研究的问题可以概括如下：增压废气是一种浪费。压力比限制对称增压阀。此外，如果减少压力波动，气缸中使用的能量将得到更多的回收。
为了解决这些问题，本文提出了一种新型的能量回收助力阀(BVER；专利申请[12])。利用Dimensi对其主要性能特性进行了系统的研究。基于升压比、流量、压力波动和能量效率的无源方法[13-15]，其结果为增压阀优化提供了依据。
图1：带能量回收结构的增压阀
(1)驱动室A，(2)活塞，(3)升压室A，(4)气源，(5)回收室A，(6)回收室B，(7)止回阀，(8) 升压室B，(9)活塞杆，(10)驱动室B，(11)磁开关，(12)磁环，(13)双位置七端口电磁阀，(14)调节器，(15)电源。
图2：双位置七口电磁阀
2 BVER原则
在传统的增压阀，在驾驶室的压缩空气直接排放到大气中，日积月累造成巨大的能量损失。为了恢复一些丢失的能量，一种过度有两恢复室但放电室不与电荷直接联系。这有助于恢复能量流进入复苏室代替驾驶员以避免压力波动大。一个过度的示意图如图1。它包括两个增压室，两个恢复室，四止回阀、调节器、磁开关，和一个二位七通电磁阀。电磁阀的结构如图2所示，这有助于提高整体水平的过度。
活塞位于最初在左和向右移动如图所示1。电磁阀处于图2中所示的状态，其中一个分支连接气源增压室B而其他通过调节器和电磁阀驱动室A连接。当空气进入这两个腔，其压力升高，产生推力推动活塞向右，从而降低增压室的体积，因此，在室内增加直到它高于罐内压力，然后止回阀打开，升压室空气开始排入油箱。同时，由于活塞向右移动，在驱动室B的空气由回收室A回收并通过推动活塞重用，而低压空气在回收室B排放到大气中。当活塞到达右端，磁信号改变电磁阀状态。放电和充电室交换作用使活塞可以在反向放电高压空气两次循环。将调节器(图2中的14)设置为不同的开口会改变升压比。当输出压力足够高，驱动调节器降低开放；过压保护极限压力保护系统。
驱动室中的空气通过电磁阀流入回收室，而不是排放到大气中。它的能量被再用于推动活塞，这有助于增加波。这有助于提高增压比和能量的高压煤气回收效率。
3 数学模型与无量纲化
为了分析过度，以下假设：
（Ⅰ） 系统中的空气，是一个由理想气体定律理想气体。
（II） 该系统为例，无泄漏，活塞及配件。
（Ⅲ） 阀室最初在大气温度，和空气源等于大气压力。
（Ⅳ） 每室端死体积可以忽略不计，对港口的量是相同的。
3.1 BVER数学模型
BVER由六个腔室组成，其中压力、温度和体积随活塞运动而变化。因此，它的特点在原则上被描述为gt;20式。然而，三个室正在放气，而其余的在每一次冲程充气。充放气室有相同的控制方程，但结构参数不同。T型 HUS，BVER是与其充放气室有关的数学模型。这些模型然后转站子系统的参数可以重新定义仿真模拟。这是提高建模效率的有效途径。
3.1.1 气体状态方程
燃烧室压力、温度和体积满足理想气体定律：
pV=mR （1）
每室的在室流量等于流入或流出，所以
G （2）
对于时间，我们有因为变腔体积等于Sx。因此，放电室和充放电室的压力分别由
Vd=-GdR pdSdu （3）
Vc=GcR-pcScu （4）
3.1.2 能量守恒方程
假设每个BVER室都是一个可变系统，且系统整体满足能量守恒(即无泄漏)，则系统中的能量变化可以表示为：
(5)
内部能量变化在哪里，系统内部的焓在哪里，这是系统所做的工作，dQ是从气缸壁上的传递出来的热量。
对于气体状态方程也采用了类似的方法，推出每个腔内的温度由
（6）
其中Shd和Shc是热交换区。当活塞运动时它们总是变化的，他们采取的是半内筒面积便于造型变化。
3.1.3 流量方程
主要气动流量参数为ISO 6358定义的声速电导和临界压力比。流量取决于上游压力、温度和压力比。每个腔室内或外的质量通量可表示为
（7）
其中是压力比的函数，并确定水流是隔音的还是亚音速的
（8）
3.1.4 活塞运动方程
活塞上的压力分布解释了图3中的活塞从右向左移动。
活塞运动方程可以用牛顿第二定律确定：
(9)
活塞上的摩擦力f可用库仑摩擦和粘性摩擦组成的混合摩擦模型来表示[16]：
（10）
其中Fsf为最大静摩擦，Fdf为动态摩擦，其方向与活塞速度有关。
3.1.5 在罐内压力
助推器阀门常与罐体一起使用，以减少压力波动；开启BVER止回阀取决于储罐压力。BVER和储罐之间存在压力反馈，因此相关的BVER/罐模型有助于提高精度，反映实际系统输出。储罐的换热面积足够大，足以与周围环境进行充分的换热。它可以作为恒温恒温室，给气罐压力。反应为
（11）
这里是空气流动进入水箱依赖过度/罐压差。流量通过限制被认为是直接供给下游装置增压系统的实际输出。
3.2 BVER的无量纲模型
无量纲分析可以简化我们想要了解各个参数的影响的问题。模型中的每个参数都是无量纲的，这表明维数没有影响。所以，这反过来变得更简单。换句话说，如果我们知道一个参数相对于它的引用值的值，我们就可以理解它的性能，而不管BVER的类型如何。
3.2.1 无量纲参数
为了无量纲化第2节中导出的方程，如表1所示，确定了11个参考值。这些选择如下：
（Ⅰ）参数值是已知的数量，例如， .
（II）参数值比较大或容易下降，例如，
（Ⅲ）该参数可以直接来自其他参考值，例如，
3.2.2 无量纲的气体状态方程
将参考值替换为(3)和(4)，给出了无量纲气体状态方程。
（12）
3.2.3 能量守恒方程
将能量守恒方程转化为无量纲，给出
（13）
这里是Kagawa系数[17]反映内筒与周围环境之间的热交换速度。这可以被定义为
（14）
3.2.4 无量纲流量方程
当约束的无量纲压力比小于临界压力(即)时，无量纲流量为
（15）
当时，无量纲流量为
（16）
3.2.5 无量纲运动方程
自然周期和惯性J引入到简单的(9)[18]中。然后，将(9)除以即可得到无量纲运动方程。BVER的自然周期是
（17）
惯性系数是
（18）
将(17)和(18)代入(9)，无量纲运动方程变为
(19)
无量纲摩擦力及其他参数具体如下：
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