Численное моделирование пневматического дроссельного обратного клапана с использованием вычислительной гидродинамики (CFD)

Jul 27, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2475 (2023) Цитировать эту статью

1662 Доступа

Подробности о метриках

В статье представлено численное CFD-моделирование дроссельно-обратного клапана, используемого в инновационной системе управления двумя пневмоприводами. Этот тип управления используется в инновационном реабилитационном устройстве для нижних конечностей. Для определения граничных условий были проведены экспериментальные испытания. Дроссельные заслонки на испытательном стенде были масштабированы и сняты значения расхода воздуха для различной высоты открытия заслонки. Цель этой статьи — представить CFD-моделирование предварительно отрегулированного дросселя обратного клапана. Численное моделирование (CFD) позволяет исследовать явления течения внутри пневматического дроссельно-обратного клапана с различными размерами зазоров. Полученные результаты позволили определить распределение физических величин статического давления, скорости среды, текущей через клапан, или векторное распределение скорости. Узел дроссельной заслонки рассчитан на соответствующую степень синхронизации движения поршневых приводов независимо от различных внешних нагрузок, действующих на каждый из них. Авторы исследовали явления воздушного потока при различной высоте открытия клапана. Моделирование предоставило информацию о возникновении сверхзвуковых и дозвуковых скоростей потока при определенной высоте открытия клапана.

В системах, где используются пневматические приводы, необходимо одновременное перемещение штоков поршней. При различной внешней нагрузке наблюдается неравномерность перемещения штоков приводных поршней. Получить одинаковое смещение штоков приводных поршней при различной нагрузке1,2 сложно, в основном из-за того, что сжатый воздух сжимаем3,4,5, а также существует сопротивление движению, вызванное самотрением приводных поршней6,7, 8,9,10.

В пневматических системах используются пропорциональные клапаны11 и двухпозиционные электромагнитные клапаны12,13, с помощью которых можно регулировать поток воздуха5,14. Двухпозиционные электромагнитные клапаны обычно используются в промышленности, поскольку они представляют собой пневматические компоненты, которые дешевле, чем пропорциональные клапаны15,16.

Для получения одновременного движения пневмоприводов применяют, например, синхронизаторы движения17,18 дроссельные или дроссельно-обратные клапаны7,19. Дроссельно-обратные клапаны широко используются в пневматике в качестве элементов регулирования расхода во многих отраслях промышленности.

Наиболее распространенными пневмоэлементами, используемыми для регулирования расхода рабочей среды, являются дроссельные заслонки и дроссельно-обратные клапаны. Однако недостатком этого клапана является чувствительность к изменению силы нагрузки привода штока поршня. Поток рабочей среды через клапанный зазор увеличивается с увеличением силы нагрузки20.

Дроссельно-обратный клапан служит для регулирования скорости выдвижения или втягивания штоков пневмоцилиндров. Представляет собой параллельное соединение дросселя и обратного клапана. В этом клапане поток воздуха дросселируется только в одном направлении. Воздух проходит через регулируемое уменьшенное сечение в дроссельном клапане, а поток рабочей среды закрывает обратный клапан. При движении в обратном направлении воздух свободно течет при открытом обратном клапане7.

В гидросистемах используются синхронизаторы движения. Синхронизация движения гидроприводов обычно осуществляется пропорциональным клапаном или сервоклапаном21. Также можно встретить высокоскоростные двухпозиционные клапаны (HSV)22. HSV используется, например, для управления давлением23, а также для управления положением24. Авторы работы25,26 представили управление элементами гидропривода через быстродействующий двухпозиционный клапан. Авторы использовали алгоритм управления кооперативной синхронизацией ШИМ–ЧИМ (широтно-импульсная модуляция – частотно-импульсная модуляция). В литературе27,28 авторами разработан контроллер, реализующий управление с отслеживанием траектории скорости штоков приводов.