前言

儲存氣體能量的超高壓或高壓氣源一般需經過減壓控制環節，然后再驅動執行機構。目前應用于高壓氣動系統的氣動減壓閥和壓力調節閥的研究工作已經取得較大進展l切，但它們的工作原理都是 采用節流方式，以壓力掇失為代價實現減壓。這對 于以實現特定功能為追求目標的高壓氣動系統是可以的，但對于攜帶能t有限、以能t使用效率為追 求目標的高壓動力系統，如航天、航空和氣動汽車 等，減壓閥的節流損失是很難接受的。為此在參考文獻【3］中提出容積減壓法，利用氣體膨脹的方法 使壓力降低到設定值，商壓容器與低壓容器之間沒有節流過程中的摩擦能耗損失，大大提高了高壓氣 動動力系統的效率．超高壓大流t氣動開關閥是容 積減壓系統的關鏈控制件，目前．人們對其研究很少。因此，這里主要針對一種新型容積減壓系統的超高壓大流t氣動控制開關閥的原理、數學模型和動態特性進行詳細的研究。

1 超高壓大流量開關閥的結構原理 

由于高壓大流t氣動開關閥的氣流通道面積較 大，因此作用在閥心上的樸壓力和氣動力都比較 大，如果采用直動式的結構形式，勢必要采用大型 電磁鐵，導致龐大的結構尺寸；而且由于大型電磁鐵的響應速度較低，將導致氣動開關閥的動態性能 降低。借鑒液壓插裝閥的結構特點和工作原理，通 過分析．設計出氣動力平衡式大直徑主潤心，通過 高頻響小流量電磁先導閥驅動，保證高壓大流t氣 動闊的動態性能。 圖1為所設計的高壓大流t氣動開關閥結構簡 化模型．先導級采用高速電磁球閥，主閥采用氣控 方式的錐形差動結構。由于電磁閥是比較成熟和穩 定的技術l.JI．因此主要研究由氣體控制的主閥開 關過程的動態特性．主閥的氣控方式和動態特性主 要決定于主閥控制腔內的氣體充放氣過程和狀態， 于是，研究閥的動態特性可以歸結為研究主閥控制 腔的充放氣特性。由于控制腔的容積是時變的，這 與通常的充放氣特性不一樣．研究也更具難度．

2 閥心動態響應過程分析 

高壓氣動開關閥主閥的動態過程包括先導閥控制的主閥心的開啟過程和關閉過程。常規氣動系統 進行動態分析時，一般都用閥心運動過程代替筱個動態響應過程來建立數學模型。這種方法忽略了控制容積對整個動態過程的影響，這在低壓的常規氣 動元件的特性分析中不會造成很大誤差：但對于高 壓氣動系統．由于氣體的壓縮率較大，熱力學特性 在動態響應過程中產生作用．使控制腔容積對高壓 氣動元件的動態特性的影響變得不容忽視． 實際上，主閥開啟過程和關閉過程都分別包含 主閥心靜止的定容積過程和主閥心運動的變容積過 程，而且這兩種過程的過渡都表現為控制腔氣體壓力曲線．上有轉折點。因此提出高壓氣動閥動態過程 細分原則：以定容積過程和變容積過程為單元，以控制腔轉折點氣體壓力為標志，將高壓氣動開關閥 的主閥開啟過程細分為控制腔定容積氣容放氣過 程、控制腔變容積氣容放氣過程：將高壓氣動開關 閥的主閥關閉過程細分為控制腔變容積氣容充氣過 程、控制腔定容積氣容充氣過程．下面對這些過程 進行定義和說明。

3 數學模型 

根據閥的墓本結構和工作原理抽象出動態分析的物理模型，分別為高壓氣體流經控制腔排氣口（先導閥排氣 口）和控制腔進氣口（先導閥進氣口）的質量流t：月。 為控制腔排氣口面積，才。為控制腔進氣口面積為錐閥心上端有效面積，才為主閥開啟狀態錐閥 心下端有效面積，才，為主閥關閉狀態錐閥心下端 .

有效面積：y、夕和少分別為主閥心的位移、速度 和加速度，箭頭方向為正向，兒為錐閥心大開 度：。為錐閥心質t,g為重力加速度，k為彈贊 剛度系數，‘為阻尼系數：凡為作用在錐閥心上的 凈擦力．FO為作用在錐閥心上的彈黃預壓力；p．、 八和不分別為放氣過程控制氣體壓力、密度和溫 度，幾、幾和乙分別為充氣過程控制腔氣體壓力、 密度和溫度．八、幾和Tc分別為控制氣體壓力、密 度和溫度，Po、Po和To分別為閥外氣體壓力、密度和溫度：P．為氣源高壓氣體壓力．特性方程中用 到的其他參數定義：q為流盆系數，產為氣體絕熱 系數，R為氣體常數，Z為氣體壓縮因子。

4 仿真與試驗研究 

為了驗證上述理論分析的正確性．對建立的超 高壓氣動開關潤的非線性數學模型進行仿真，并與 新研制的閥的動態性能測試結果進行比較．閥的基 本參數取值為：直徑眾＝3.6Inln、D．習．6Inrn、D.=25 ～、從＝20～、幾＝15Inm，分別對應面積人、 心、漢：、兒、丸：控制氣體壓力Pc=10MPa．氣源 壓力P,'10MPa，環境壓力Pooo:MPa．仿真利 用Matlab及其s~hnk工具箱完成．高壓氣動開 關閥的控制腔動態壓力側試裝里原理圖，側試試驗在浙江大學流體傳動及控制國家重點 實驗室完成。壓力測試與仿真結果比較：主 閥心位移仿真曲線。

5 影響閥性能的主要因素分析 

通過仿X研究．在高壓情況下，摩擦力、彈黃 剛度和閥心質t等參數對高壓氣動開關閥的動態特 性的影響，相對于閥的幾何結構參數的形響要小得 多．因此下面主要分析幾何參數對高壓氣動開關閥 的影響規律。

6 結論 

提出超高壓大流里氣動開關閥的動態過程細分 原則：

為正確建立高壓氣動元件的數學模型打下了 理論葵礎。 電磁先導控制氣動力平衡式超高壓氣動開關閥 是可行的。先導閥的通徑決定了主閥開啟過程的德 定性，先導閥通徑存在小臨界值，該值可以通過 仿真或試驗確定：

先導閥與主閥的動態性能應合理 匹配． 主閥控制腔直徑決定了主閥開啟過程和關閉過 程的時間對比關系，直徑越大，開啟時間越長宜 徑越小，關閉時間越長利用建立的棋型進行仿真， 可以找到滿足高壓氣動開關閥動態性能要求的控制 腔直徑的優值。