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气动助力阀与能量回收
Fan Yang,1,2 Kotaro Tadano,2 Gangyan Li,1 and Toshiharu Kagawa2
1武汉理工大学机电工程学院，武汉430070
2日本横滨226-0026东京技术研究所精密与情报实验室。
版权copy;2016杨扇等是一个在知识共享归属许可下发布的,允许在任何媒介中不受限制地使用、分配和复制，只要原作被适当引用。
摘 要：为了节约能源，工厂越来越减少空气供给的压力。因此，需求也在不断增长。气动助力阀，克服了现代气动系统的局部压力不足。为了进一步提高能源提出了一种新型的具有能量回收(BVER)的增压阀。详细介绍了BVER原理。建立了基于流量、气体状态和能量守恒的无量纲数学模型。数学通过准确选择参考值，将模型转化为无量纲模型。随后的无量纲发现了BVER的特点。BVER的能源效率是基于空气动力计算的。提高的比率被发现是。主要受操作参数影响。在结构体中，恢复/升压室面积比和音速。房间的电导是最具影响力的。与升压阀相比，升压比提高了15%-25%。没有能量恢复室。根据供应压力，效率提高5%-10%。一个数学模型通过实验验证，本研究为加强阀的优化和节能提供了参考。
1 介绍
气动系统因其低成本而得到广泛应用，高可靠性，简单，易于维护。他们通常占全国工业的10%-20%。用电量[1]。日益增长的经济和环境问题表明，气动效率是。主要限制系统开发和改进。他们现在是一个主要问题。之前的研究表明这减少了0.1 MPa的供应压力导致了一个。能源消耗下降8%[2]。许多工厂保存能量以这种方式。因此,他们有不足气动压力，驱动重负荷或操作高压设备。因此，更有效的气动助推器。工业部门正在寻找阀门，以增加当地的阀门压力。
压缩空气能量可以通过最小化泄漏和压力损失和优化系统来实现[3]。一般来说，是提高系统效率的基本方法。是减少能量输入，增加能量输出。对于前者，减少供应压力有。已经提到过。在助推器中的高压比。阀门表明，供应压力可以降低。相同的压力输出。一个不对称的升压阀已经存在。建议[4-5]但它的高提振率是以牺牲为代价的。流量和压力过大的废气。膨胀能源使用(EEU)的增压阀已经。建议减少空气供应[6-7]。这涉及到空气活塞到达行程结束前被切断。并利用空气的膨胀能量为余数。然而，当供给不足时，这种能量就不足了。压力降低。增加能量输出，恢复。能量和最小摩擦在驾驶中被广泛采用。能量被回收并储存在一个容器中。二次使用[8]。汽缸的排出室。可通过微分驱动与电荷相连接[9-10]。这有助于提高效率，但代价是牺牲。稳定的活塞运动。考虑到回程圆柱是无用的，一个额外的双向电磁阀值可以用于切断空气供给[11]的问题。压力比是一个对称的升压阀的限制。进一步，如果压力波动，更多的能源被用于气缸恢复。
为了解决这些问题，一种新型的增压阀与能量回收(bv;在此提出专利申请[12])对其主要性能特点进行了研究。系统地使用无量纲方法[13-15]提高压力比，流量，压力波动，和能源效率，其结果为我们提供了booster-valve最优化的基础。
图1:增压阀与能量回收(bv)结构:(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)推力室B，(9)活塞杆，(10)传动室B，(11)磁性开关，(12)磁环，(13)双位七端口螺线管，(14)调节阀，(15)电源。
2 BVER原则
在传统的升压阀中，在驱动中压缩空气。燃烧室直接排放到大气中，造成大量的能量损失。为了恢复一些损失的能量，一个BVER有两个恢复室，但是，放电室与电荷室没有直接联系，这有助于回收流入回收的能量，代替驾驶员的房间，避免巨大的压力波动。图中显示了一个BVER的示意图。图1所示，它包括两个促进室，两个恢复钱伯斯，四个止回阀，一个调节器，一个磁开关，和一个两位置的七端口电磁阀。图2显示了电磁阀的作用，提高BVER的整体水平。
活塞最初位于左边，然后移动到。如图1所示。电磁阀在。图2所示的状态，其中空气的一个分支。源与增压室B连接，而另一个。通过调节器与驱动室A连接。电磁阀。当空气流入这两个房间时，它的压力上升并产生推力来驱动活塞。向右，从而减小升压室的体积。a .结果，那个房间的压力增加到比油箱里的高，然后止回阀打开和增压室空气开始排气到油箱。同时，当活塞向右移动时，空气进入。驱动室B被回收室A回收。通过推动活塞，低压空气进入，回收室B排放到大气中。当活塞到达正确的一端，产生一个磁性信号。改变电磁阀状态，放电和充电交换角色，这样活塞就可以反向运动。每循环两次，排出高压空气。设置调整器(图2中的14)到另一个不同的打开变化。提高比例。当输出压力足够大时，它促使监管机构减少开放;超压保护限制了保护系统的外部压力。
图2 两个位置的七端口电磁阀
驱动器腔内的空气流入恢复室，通过电磁阀而不是排放到阀的气氛。它的能量在推动活塞时被重复利用，有助于提高能源利用率和能源效率，回收高压气体。
3 数学模型和无量纲化
为了分析BVER，下面的假设是:
- 根据理想气体定律，系统内的空气是治理的理想气体；
- 该系统是无泄漏的，例如，活塞和配件；
- 阀室最初是在大气温度，空气源等于大气压力；
- 每个腔室端部的体积可以忽略，且在端口的容积为相同。
3.1 bv的数学模型
BVER包含6个房间内的压力、温度和体积，随活塞运动。因此,其特点原则上由20方程描述。然而,当其余的三个都在充电的时候，钱伯斯正在放电。每个中风电荷/放电室的控制方程是相同的，但结构参数不同。因此，BVER是用数学模型建立的充电/放电室的关系。这些模型是转移到模拟系统的参数中。工程中的数学问题可以在仿真中重新定义，这是一个提高建模效率有效的方法。
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:
(1)
内室的质量通量等于每室的进或出
（2）
微分（1）关于时间，我们有pdv/dt=Sdu室体积等于自变量。
3.1.2 能量守恒方程
考虑到每个BVER室是一个变化的系统,而且系统作为一个整体满足能量守恒(即它是无泄漏的)。系统的变化可以表示为
（3）
(4)
(5）
热力学能的变化，就是焓是在系统中完成的，也就是从气缸壁的热量传递。同样的方法也适用于气体状态方程，导致每个房间的温度被控制。通过
(6)
Shd和Shc是热交换区域。这些都是随着活塞运动的不断变化，它们就会被移动到半内气缸区域，便于建模。
3.1.3 流量方程
主要气动流量。参数是声波传导和临界压力比例由ISO6358定义。流量取决于上游压力、温度、压力比等。每个腔室中的质量流量可以表示为
(7)
在压力比的函数是确定的，不管流量是一个固定的还是亚音速的：
（8）
3.1.4 活塞运动方程
活塞的压力和力分布如图3所示，从左向右移动。运动的活塞方程可以由牛顿第二定律:
（9）
活塞上的摩擦力f可以表示为混合摩擦模型，包括库仑和粘性，摩擦[16]:
图3 活塞受力图
（10）
Fsf是最大静摩擦,Fdf是动摩擦，其方向取决于活塞速度。
3.1.5 油箱压力
带槽总是使用升压阀降低压力波动;开口处BVER止回阀取决于油箱压力。压力反馈存在于BVER和油箱之间，所以，相关的BVER/tank模型有助于提高精度，并反映出真实系统的输出。水箱热交换面积足够大，是可以与之进行充分的热交换的环境。它可以被视为一个等温室，温度恒定时，给予水箱压力响应。作为在什么地方，空气进入到水槽中取决于BVER /油箱压力差，限制的流动速率被认为是真实的输出，通过这个设备直接提供给下游的增压系统设备。
（11）
3.2 BVER的无量纲模型
无量纲分析可以简化我们想要知道的问题。每个参数的影响。无量纲模型中的每个参数，表示维度对结果产生了影响，进而变得更简单。也就是说，如果我们知道参数的相对值，以它的参考价值，我们可以理解它的性能，同时不考虑BVER的类型。
3.2.1 无量纲参数
非维度的第二部分的公式，有11个参考值，如表1所示。这些选择如下：
- 参数值是已知的数量，例如Ps。
- 参数值比较大，或者很容易减少，例如L,Cda。
- 参数可以直接从其他参数中导出的引用值，例如，da、G0和U0。
3.2.2 无量纲的气体状态方程
使用的(3)和(4)，无量纲的气体状态方程是由工程中的数学问题给出的。
（12）
3.2.3 无量纲的能量守恒方程
同样，将能量守恒方程转换成无量纲量
（13）
在Ka[17]Kagawa系数反映了速度，这可以定义为内部圆筒与周围环境之间的热交换。
（14）
3.2.4 无量纲流量方程
当无量纲压力比的限制小于临界，无量纲的流量压力是P2/P1lt;b
（15）
当blt;P2/P1le;1,无因次流量
（16）
3.2.5 无量纲运动方程
自然周期Tf,简单地介绍了惯性(9)[18]。BVER的自然周期通过无量纲运动方程可以得到。
（17）
惯性系数是
（18）
将(17)和(18)代入(9)，无量纲运动方程成为
（19）
表1 无量纲参数
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