閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。閥門氣動(dòng)執(zhí)行器是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)閥門啟閉的裝置。氣動(dòng)執(zhí)行器作為閥門的配套驅(qū)動(dòng)及控制部分在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中有著廣泛的應(yīng)用，同樣在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中占有及其重要的地位。目前國內(nèi)閥門技術(shù)水平與國外發(fā)達(dá)國家相比還有差距，中小型閥門企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上依靠模仿國外同類產(chǎn)品，缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。通過對閥門氣動(dòng)執(zhí)行器的正向設(shè)計(jì)希望能夠?yàn)閲鴥?nèi)閥門行業(yè)添磚加瓦，為閥門企業(yè)提供一些幫助。

    1 氣動(dòng)執(zhí)行器的實(shí)體建模

    1.1 建立零件實(shí)體模型

    針對某型閥門氣動(dòng)執(zhí)行器產(chǎn)品，利用Pro/ENGINEER軟件建立實(shí)體模型，圖1為氣動(dòng)執(zhí)行器部分零件圖。

圖1 氣動(dòng)執(zhí)行器部分零件圖      

    1.2 虛擬裝配

    總裝配體如圖2所示，使用全局干涉檢查工具，對裝配干涉進(jìn)行檢查，確保模型裝配正確。

圖2 執(zhí)行器總裝配體

    1.3 定義剛體和添加約束

    裝配完成后，通過ADAMS與Pro/ENGINEER的無縫接口軟件Mech/Pro定義剛體和添加部分約束副。

    2 氣動(dòng)執(zhí)行器的仿真分析

    2.1 模型導(dǎo)入與施加載荷

    在ADAMS/View中導(dǎo)入模型如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

    閥門氣動(dòng)執(zhí)行器主要施加的外力包括氣體推動(dòng)活塞的驅(qū)動(dòng)力和閥門閥桿的反作用力矩。在施加力時(shí)，我們需要選取力作用的構(gòu)件、作用點(diǎn)、力的大小和方向。

    2.1.1 驅(qū)動(dòng)力的創(chuàng)建

    本文所研究的氣動(dòng)執(zhí)行器氣源壓力4.0×10⁵Pa，活塞直徑140mm，活塞桿直徑32mm。

    根據(jù)雙活塞雙作用串聯(lián)式氣缸的活塞推力計(jì)算公式

        （3-1）    

    其中，D為活塞直徑，d為活塞桿直徑，p_s為氣源壓力，η₁為考慮摩擦阻力影響引入的系數(shù)。

    計(jì)算得到所需添加的推動(dòng)活塞的驅(qū)動(dòng)力為10189N。

    2.1.2 添加阻力矩

    閥門閥桿的反作用扭矩方程為

        （3-2）

    其中F為驅(qū)動(dòng)力，η₂為傳動(dòng)效率，L為撥叉偏心距，α為撥叉轉(zhuǎn)角。在撥叉軸上添加阻力矩，方向與旋轉(zhuǎn)方向相反。

    2.2 驗(yàn)證模型

    氣動(dòng)執(zhí)行器模型檢驗(yàn)正確，自由度為1，ADAMS將采用動(dòng)力學(xué)分析方法。

    2.3 模型運(yùn)動(dòng)仿真分析

    對氣動(dòng)執(zhí)行器模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到仿真數(shù)據(jù)曲線。圖4為氣動(dòng)執(zhí)行器主要構(gòu)件活塞桿和撥叉軸的運(yùn)動(dòng)曲線圖。

a 活塞桿速度隨時(shí)間變化曲線

b 活塞桿加速度隨時(shí)間變化曲線

c 撥叉軸角速度隨時(shí)間變化曲線

d 撥叉軸角加速度隨時(shí)間變化曲線

圖4 活塞桿和撥叉軸的運(yùn)動(dòng)曲線圖

    圖4的d中，撥叉軸角加速度前期表現(xiàn)平穩(wěn)，在后期出現(xiàn)較大的波折，角加速度快速降為零，后又急速上升，表明撥叉軸在運(yùn)行后期出現(xiàn)不平穩(wěn)狀況，不利于氣動(dòng)執(zhí)行器和閥門的工作，需要進(jìn)行優(yōu)化。

    3 氣動(dòng)執(zhí)行器優(yōu)化設(shè)計(jì)

    3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

    由于Pro/ENGINEER和ADAMS兩者建模規(guī)則的不同，無法將Pro/ENGINEER中創(chuàng)建的零件模型在ADAMS中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。我們直接在ADAMS/View中建立氣動(dòng)執(zhí)行器的簡化模型，添加約束和載荷，進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化分析，得到優(yōu)化數(shù)據(jù)，簡化模型如圖5所示。

圖5 簡化模型

    定義設(shè)計(jì)變量    

    3.1.1 產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量

    將活塞桿軸線至撥叉下底面的垂直距離，產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量.actuator_adams.DV_1，便于控制活塞桿的半徑變化。

    3.1.2 參數(shù)化

    將活塞桿半徑R相對于設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)化。

    3.2 參數(shù)化機(jī)構(gòu)的仿真分析

    運(yùn)行設(shè)計(jì)研究，程序自動(dòng)打開數(shù)據(jù)庫信息窗口，同時(shí)得到其他仿真數(shù)據(jù)曲線，如圖6所示。

a 設(shè)計(jì)變量DV_1變化曲線

b 撥叉軸角加速度峰值隨設(shè)計(jì)變量DV_1變化曲線

c 驅(qū)動(dòng)力變化曲線圖

d 執(zhí)行器輸出扭矩變化曲線圖

e 撥叉軸角加速度變化曲線圖

圖6 設(shè)計(jì)研究曲線圖 

    圖6的a中，設(shè)計(jì)研究共仿真了5組數(shù)據(jù)，五組數(shù)據(jù)相對應(yīng)的活塞桿半徑為16mm，15mm，14mm，13mm和12mm。

    圖6的b中，隨著設(shè)計(jì)變量DV_1的增大，撥叉軸角加速度峰值線性增長，即隨著活塞桿半徑的減小，執(zhí)行器撥叉軸的角加速度峰值越大，角加速度變化越劇烈。

    圖6的c中，活塞桿半徑越小，氣動(dòng)推動(dòng)活塞的驅(qū)動(dòng)力越大，這與活塞半徑不變，氣體作用面積增大，作用力增大的實(shí)際情況相符。

    圖6的d中曲線大致呈向上開口的拋物線形狀，符合撥叉式閥門氣動(dòng)執(zhí)行器的輸出扭矩特性。結(jié)合圖6的c圖可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)力越小，執(zhí)行器輸出扭矩越平穩(wěn)，符合實(shí)際情況。

    圖6的e中，在不同的活塞桿半徑下，撥叉軸角加速度的峰值有著較明顯的差距，且變化情況與圖6的b圖相符。隨著設(shè)計(jì)變量DV_1的增大，撥叉軸角加速度曲線的平滑性明顯下降。

    總體上，針對活塞桿半徑進(jìn)行了優(yōu)化，活塞桿半徑的減小，使撥叉軸角加速度峰值相對減小，有效地降低了撥叉軸和撥叉的慣性力，提高了整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)性能。

    4 結(jié)束語

    本文基于Pro/E和ADAMS軟件聯(lián)合應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，有利于設(shè)計(jì)人員對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。