压电结构电气转换装置气路参数优化设计

　　1　引　言

　　电气阀门转换器或定位器是气动调节阀的主要附件,是自控仪表和自控系统中进行信息转换和能量转换的核心元件。近几年,随着微机技术、通信技术、控制技术的发展,电气转换器、定位器正逐渐取代传统的机械结构向电子化、智能化方向发展[1~3]。电气转换元件的稳定性直接决定了转换器或定位器性能的好坏,每一次转换器或定位器技术的更新都和转换装置的革新有着紧密联系,目前,国外相关产品已经突破了传统的机械模式,而我国大多数转换器厂仍以老产品为主,研制新一代电子式、智能式产品代替传统的机械结构,势在必行。本文设计了基于压电新结构电气转换装置,突破了传统的机械结构,代表了电气转换器新的技术发展方向。*

　　2　压电式电气转换装置结构及工作原理

　　压电式电气转换装置利用喷嘴-挡板转换原理,采用压电执行器作为挡板,结构图如图1所示[4~6],压电复合圆盘固定在上、下端盖之间,压电复合圆盘上片压电片极化方向与外电场方向相同,下片极化方向与外电场方向相反,在外电压作用下上片收缩,下片伸长,压电圆盘向下弯曲。通过控制外加电压控制双晶片与喷嘴之间距离,来调控背压室气压,背压室气压对喷嘴挡板间隙变化反应灵敏。为了便于观察,上端盖采用有机玻璃。

　　进气节流阀采用锥形结构,其开度直接影响挡板初始安装位置,如图2所示。Ps是恒定输入气压,D是进气管道内径,θ是锥阀的锥角, l是阀心从锥阀闭死到图示开度下的轴向变化量,EF表示最小节流截面的宽,锥阀的最小节流面积A近似为:

3　气路参数优化设计

　　3.1　气路正交试验的参数选择和分析

　　正交试验设计是利用规格化的正交表来设计试验方案的多因素优选方法。试验的目的是确定气路的结构参数尺寸,使转换装置具有较为理想的线性区域,转换装置气路喷嘴结构如图3所示。在喷嘴的结构中有四个主要因素:喷嘴内径d1,喷嘴端面厚度L,喷嘴长h,内腔(背压室)直径d2。

　　喷嘴内径d1是喷嘴挡板机构几何特性的主要参数,它决定了流量曲线的线性区的大小,影响能量的转换效率,而且影响气路的转换倍率。根据经验,试验中喷嘴内径d1分别采用1.5、1.25、1、0.5mm四个水平。喷嘴端面厚度L不仅对系统的放大比和线性范围有直接影响,而且对系统的稳定性也有较大的影响。根据经验综合考虑,L取值近似为0、0.5、1、1.5 mm四个水平。

　　喷嘴长度h是指喷嘴内径d1段的轴向长度,h的作用是使气体流动的可用压力能转变成气体流动的速度能。显然这种转变存在着损失,喷嘴长度也不能太短,虽然喷嘴长度愈短压力损失愈小,但是,短小的结构将会造成流动状态的突变(形成气体的节流),或孔口不可逆的自由喷射,致使可用的压力能全部损失。根据经验h取值为1、1.5、2、2.5mm四个水平。