速度调节阀两种节流方式调速效果的分析与研究

廖理;王丛岭;杨平;马人天

【摘 要】The speed regulator is used to adjust the speed of the components in pneumatic system. It has two installation ways as inlet throttling and exhaust throttling. These two ways can both adjust the speed of the pneumatic actuators, but the effects are different. Three ways is used that theoretical analysis, software simulation and test analysis to compare the two installation ways. Through the research, the conclusion that exhaust throttling is better than inlet throttling is got.%速度调节阀用以调节气动系统中气动执行元件的运动速度.它有进气节流和排气节流两种安装方式.虽然这两种安装方式都可以调节气动执行元件的速度,但调节效果有着很大不同.通过理论分析、软件仿真、试验分析三种方法对这两种节流方式的调速效果进行比较和分析,得出了排气节流的效果要好于进气节流的结论.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2012(012)030

【总页数】5页(P8029-8033)

【关键词】速度调节阀;进气节流;排气节流;调速效果

【作 者】廖理;王丛岭;杨平;马人天

【作者单位】电子科技大学机械电子工程学院,成都611731;电子科技大学机械电子工程学院,成都611731;电子科技大学机械电子工程学院,成都611731;电子科技大学机械电子工程学院,成都611731

【正文语种】中 文

【中图分类】TH138.522

速度调节阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，主要用于气动系统中控制气缸活塞运动的速度。根据安装方式的不同分为进气节流和排气节流两种类型［1］。在对速度调节阀的实际应用中，更多关注的是它对气缸速度的调节功能，而忽略了两种安装方式对气缸速度调节的不同效果。现实使用速度调节阀中，不合适的安装方式往往造成气缸运动的不稳定，造成不必要的损失。

1 两种节流方式调速效果的理论分析

单向节流阀又叫速度调节阀，它的构造图和实物图如图1 所示。实际使用中有进气节流和排气节流两种安装方式，如图2 所示。

1.1 气缸速度的数学模型分析

每种型号的气缸都有其相对应的理论基准速度。理论基准速度是指气缸排气侧声速排

气、无负载，并且有一定气源压力的情况下求出的气缸速度，计算公式如下［2］。

图1 速度调节阀构造图与实物图

图2 速度调节阀两种安装方式

式中:1 920—常数系数;

A—排气侧活塞有效面积，mm2;

S—排气回路有效合成截面积，mm2;

v0—理论基准速度，mm/s。

气缸空载时最大速度vm 值与理论基准速度v0很接近。当气缸负载增大时，气缸最大速度vm 的值将减小。

一般讨论的气缸速度指的是气缸的平均速度v，计算公式如下:

式中:v—平均速度，mm/s;

L—气缸行程长度，mm;

t—完成行程长度所用的时间，s。

一般在粗略计算时，气缸的最大速度与平均速度关系式如下:

式中:v—平均速度，mm/s;

vm—最大速度，mm/s。

由上述的公式分析可得:气缸的平均速度与理论基准速度成正比例关系。在气缸型号确定的情况下，排气侧的活塞有效面积保持不变，理论基准速度主要由排气回路的有效合成截面积决定。由此可以推出，气缸的平均速度主要由排气回路的有效合成截面积决定，排气回路有效面积越大，平均速度越大，反之亦然。

1.2 进气节流调速效果的理论分析

进气节流安装调速阀情况下，在进气时，气流将节流阀阀芯(唇形密封圈)封闭，气体只能通过调节阀阀芯开口处进入气缸;而排气时，气流将单向阀芯(唇形密封圈)打开，气体可以通过节流阀阀芯开口和单向阀两处排气，排气回路的有效面积较大，气缸的平均速度较大。

当气缸使用进气节流方式安装调速阀时，进气量比较小，进气腔体压力上升缓慢;而排气量比较大，排气腔体压力迅速降至很低，所以活塞的运动主要是由进气腔体内压缩空气膨胀决定的。这种节流方式下，气缸的输出力和速度均不稳定。

1.3 排气节流调速效果的理论分析

排气节流安装调速阀情况下，在进气时，气流将单向阀芯(唇形密封圈)打开，气体可以通过节流阀阀芯开口和单向阀两处进气;在排气时，气流将节流阀阀芯(唇形密封圈)封闭，气体只能通过调节阀阀芯开口处排出气缸，排气回路的有效面积较小，气缸的平均速度较小。

当气缸使用排气节流方式安装调速阀时，进气量比较大，进气腔体压力上升迅速;而排气量比较小，排气腔体压力下降缓慢;所以，活塞两侧腔体压力差稳定，活塞运行速度和输出力均会比较稳定。排气节流型是较好的速度控制方式。

2 两种节流方式调速效果的仿真

利用SMC 公司的ModelSelectionVer4.0 仿真软件对两种节流方式在同样条件参数下进行仿真，通过仿真结果对比两种调速方式的效果。参数设定为气缸行程为250 mm，动作方向为向左伸出，供给压力0.5 MPa，环境温度20 ℃，配管左右全长均为6.0 m，速度控制阀安装在气缸上，其开度均为50%，负载质量为5 kg。其它辅助元件型号完全相同，区别是节流方式分别为进气节流型和排气节流型。仿真结果如图3 所示。

仿真结果显示:采用排气节流型方式最大速度831 mm/s，平均速度459 mm/s，最大加速度14 m/s2(绿线所示)，全行程时间0. s，活塞始动时间0.1 s，行程终点速度534 mm/s。而采用进气节流型方式最大速度为1 215 mm/s，平均速度637 mm/s，最大加速度51.8 m/s2(绿线所示)，全行程时间0.39 s，活塞始动时间0.1 s，行程终点速度1 208 mm/s。

由上述数据可以看出，气缸速度大、行程时间短是进气节流型方式的主要特点。通过观察仿真速度曲线(红色所示)可知，使用进气节流型时，速度全程一直在增加，几乎在末端达到最大速度为1 208 mm/s，而使用排气节流型在运行达到最大速度后回落，速度在后半程维持在500 mm/s 上下，行程末端速度为534 m/s。这说明排气节流时速度变化更平稳。

另外末端速度的区别造成活塞杆吸收动能的区别，仿真数据显示，进气节流型时，吸收动能3.91 J，超过允许动能2.20 J，需要使用附加缓冲装置。而排气节流型时，吸收动能0.76 J，在允许范围之内。另外，可以观察到活塞两侧腔体压力变化趋势(蓝线所示)，使用排气节流方式时，两侧压力差维持稳定，而使用进气节流方式时，进气缓慢、排气迅速，两侧压力差变化较大，这会导致气缸运行不平稳的现象发生。

图3 进气节流型与排气节流型特性仿真图

通过上述仿真分析说明，采用进气节流方式无法良好控制气缸速度，气缸运行不平稳;采用排气节流方式能很好地控制调节气缸速度，气缸运行平稳，这与理论分析的结果相同。

3 两种节流方式调速效果的试验分析

3.1 试验条件的选择

在试验中尽量使试验条件与仿真条件相同，这样可以与仿真结果进行更好的对比。气缸选用SMC 公司生产的MBF 32—250 型号双作用气缸，行程为250 mm，使其带5

kg 负载，运行频率为0.5 Hz。其他气动元件的选型与仿真中相同。特别注意的是，要保证进气节流和排气节流两种方式时，速度调节阀的开启程度相同。

试验系统的电气控制采用可编程控制器来完成，通过PLC 编程使电磁阀按设定的频率通断，来控制气缸的换向。

3.2 试验数据的采集

气缸两个通气口的气压变化的采集使用两个压力传感器来完成，压力传感器的型号为PSE300。气缸活塞杆的位置变化使用IL300 高精度激光位移传感器采集。使用双踪示波器显示这三个传感器输出的模拟量，分析两种节流方式下气缸活塞杆位置和通气口压力随时间的变化情况。其中IL300 高精度位移传感器的模拟输出为－5 V ～+5 V，量程为160 mm ～450 mm;在量程内，被测物体与激光位移传感器距离越近，模拟输出越大。

3.3 试验结果与分析

通过试验得到进气节流时的位移/时间波形，如图4 所示，使用示波器的测量功能得到该节流方式下的伸出行程时间为460 ms，缩回行程时间为420 ms。排气节流时的位移/时间波形如图5 所示，这种节流方式下，伸出行程时间为900 ms，缩回行程时间为860 ms。

图4 进气节流时位移/时间图

图5 排气节流时位移/时间图

由上述结果可以看出，在其他试验条件相同的情况下，只改变速度调节阀的节流方式，进气节流时气缸的平均速度要大于排气节流时气缸的平均速度，这也就说明了进气节流的调速效果没有排气节流的调速效果明显。

通过压力传感器采集气缸两个通气口的气压值，由示波器显示出来的压力/时间波形如图6 所示。图中，黄色曲线是有杆腔通气口的气压变化情况，蓝色曲线是是无杆腔通气口的气压变化情况。

分析压力/时间波形，可以得出进气节流时两通气口的压力波动较大，并且每个周期有两个压力峰值，这样会导致每个周期中气缸活塞杆输出的压力不稳定。排气节流时，有杆腔压力波形很稳定;虽然无杆腔的压力没有保持恒定，但和进气节流时的压力相比，幅值和波动均较小。所以，在每个周期中输出的压力比进气节流时稳定。

图6 两种节流方式下的压力/时间图

4 结束语

本文通过理论分析、软件仿真、试验三种途径，对速度调节阀的两种安装方式的不同调速效果做了分析。三种方法得出了同样的结论:进气节流方式下，输出压力不稳定，速度调节效果不理想;排气节流方式下，输出压力较为稳定，速度调节效果良好。所以，在实际使用速度调节阀时，应注意这两种不同的安装方式，选用排气节流方式，以获得良好的速度调节效果和稳定的输出压力，保证气动系统的稳定性。

参 考 文 献

【相关文献】

1 徐永生.液压与气动.北京:高等教育出版社，1998:49—62

2 Oneyama N.Energy saving for pneumatic system.Energy Saving Center，2003