自然排煙窗（氣動(dòng)）推桿組運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

摘要：在研究氣動(dòng)自然排煙窗搭載氣動(dòng)推桿的系統(tǒng)狀態(tài)問(wèn)題，尤其是在嘗試使用計(jì)算流體力學(xué)方法時(shí)，氣動(dòng)推桿的工作規(guī)律尤為重要。因此，對(duì)給定三個(gè)類型氣動(dòng)推桿在一定供氣及負(fù)載條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并給出從中得出經(jīng)驗(yàn)公式的方法。同時(shí)，對(duì)一個(gè)實(shí)物氣動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的氣壓變化進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，以嘗試從中比較供氣消耗、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)與不同系統(tǒng)變量之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)排煙窗；氣動(dòng)推桿；運(yùn)動(dòng)規(guī)律1概述本文的出發(fā)點(diǎn)為借助計(jì)算流體力學(xué)研究空壓機(jī)輸氣帶動(dòng)氣動(dòng)推桿組的氣動(dòng)系統(tǒng)。在通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)研究氣動(dòng)推桿系統(tǒng)時(shí)，為了實(shí)行可靠的計(jì)算，除了初始條件與邊界條件，需要?dú)鈩?dòng)推桿的工作條件為計(jì)算的支撐。其一，由于氣動(dòng)推桿活塞可活動(dòng)，需要對(duì)氣動(dòng)推桿活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定義。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中存在的不同類型氣動(dòng)推桿活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定義，使得模擬系統(tǒng)中的活塞可以確定某時(shí)刻在特定壓力差下的速度變化，以界定瞬時(shí)進(jìn)氣與出氣區(qū)域大小，從而確保計(jì)算所得數(shù)值足夠精確。其二，對(duì)于軟件計(jì)算所得的結(jié)果，需要用一定的實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)修正。由于實(shí)際環(huán)境存在的各種干擾（摩擦、溫差等）及軟件建模中不可避免的簡(jiǎn)化操作，會(huì)使計(jì)算所得與真實(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定程度的偏差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算值的比對(duì)，借以提高模擬的準(zhǔn)確性。本文將針對(duì)上文中提到的兩種計(jì)算所需條件的獲取進(jìn)行探究，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。2實(shí)驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)使用了尺寸為2m×1.3m×2m（L×W×H）的鋁合金框架作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，并在上固定10根1.5m鋼制橫梁用以懸掛氣動(dòng)推桿進(jìn)而模擬安裝有氣動(dòng)推桿的自然排煙窗。在氣動(dòng)推桿的選擇上，實(shí)驗(yàn)中采用了三種共計(jì)25臺(tái)氣動(dòng)推桿，使用氣動(dòng)推桿種類及參數(shù)見(jiàn)表1。其中，D40氣動(dòng)推桿10臺(tái)，D50a氣動(dòng)推桿4臺(tái)，D50b氣動(dòng)推桿11臺(tái)。實(shí)驗(yàn)中使用的空壓機(jī)型號(hào)為HET90，最大輸出壓力為1.26MPa，儲(chǔ)氣容量為160L，充滿時(shí)滿足整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)合需求。輸氣管材質(zhì)為PU，外徑有6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，管件使用快接接頭。實(shí)驗(yàn)中使用了具有開(kāi)關(guān)功能的控制箱，根據(jù)開(kāi)關(guān)不同可交換氣源進(jìn)氣出氣方向。負(fù)載懸掛在氣動(dòng)推桿連桿下方，重量從5kg到30kg不等。3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)的思路為在不同負(fù)載與壓力下測(cè)試活塞沿時(shí)間的運(yùn)動(dòng)軌跡，并從中得出適用于實(shí)驗(yàn)范圍的經(jīng)驗(yàn)方程。為了保證供氣接近充足，僅有所研究的一臺(tái)氣動(dòng)推桿與控制箱相連，連接的進(jìn)出氣管盡可能短，以減少氣壓在管路中的延遲與耗散。運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)組別見(jiàn)表2。在推桿頂端進(jìn)行標(biāo)記，并設(shè)置高度參照物以確定上升/降下高度。本實(shí)驗(yàn)將開(kāi)啟曲線與關(guān)閉曲線分開(kāi)考慮，定義0cm為完全開(kāi)啟位置，即活塞完全伸出，而完全收回時(shí)的高度在數(shù)值上等于活塞行程長(zhǎng)度。在按下開(kāi)關(guān)的同時(shí)，間隔一段時(shí)間記錄關(guān)鍵點(diǎn)高度，以構(gòu)成如圖1沿時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線。將擬合曲線的方程記錄下來(lái)，可以看出，隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線遵循一元二次方程的變化規(guī)律，此處將隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)曲線定義為：其中，a為二次項(xiàng)系數(shù)，b為一次項(xiàng)系數(shù)，c為常數(shù)項(xiàng)。在取a、b與c數(shù)值時(shí)，需確保取得足夠小數(shù)位數(shù)以保證計(jì)算精度[1]。此處c的意義非常明確，對(duì)于關(guān)閉曲線，c為0；在開(kāi)啟曲線中，c為活塞沖程。而a與b均為與t無(wú)關(guān)的量，兩者與負(fù)載m和氣壓p存在著關(guān)聯(lián)。將a和b寫(xiě)作a（m，p）和b（m，p）。首先，需要分離其中一個(gè)變量，此處分離p。將氣動(dòng)推桿在同一負(fù)載、不同壓強(qiáng)下的a與b分別列出。氣動(dòng)推桿在同一負(fù)載不同壓強(qiáng)下的a（m，p）見(jiàn)表3。此處由于選取壓強(qiáng)為3個(gè)，擬合出a-p二次方程。此方程寫(xiě)作：此時(shí)，分離出d、e、f三個(gè)獨(dú)立于p的值，其隨著m而變化，將其標(biāo)記為d（m）、e（m）、f（m）。通過(guò)列出不同負(fù)載下的d（m）、e（m）、f（m），可得表4。此處因有4個(gè)點(diǎn)，擬合出關(guān)于m的一元三次方程d（m）、e（m）、f（m）。至此有：同理，b也可得出類似經(jīng)驗(yàn)方程。由于視差等原因，c并非完全等于0或活塞沖程值，使過(guò)程長(zhǎng)度不完全等于測(cè)量得到的活塞沖程，需要對(duì)其進(jìn)行修正。將c分為c關(guān)閉和c開(kāi)啟。將同一氣動(dòng)推桿所有測(cè)得的c關(guān)閉與c開(kāi)啟取平均值，并對(duì)a與b進(jìn)行修正：組合可得氣動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)方程：需要指出，各多項(xiàng)式系數(shù)關(guān)于m，p的具體擬合方程可能隨實(shí)驗(yàn)組數(shù)增加而變化，但可保證在測(cè)試范圍內(nèi)取值的準(zhǔn)確性。若所取范圍太大導(dǎo)致無(wú)法擬合，宜改寫(xiě)成分段函數(shù)[2]。4數(shù)據(jù)與分析通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)及求近似解，可得到如表5形式的運(yùn)動(dòng)方程（僅列舉D40的例子）。為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)方程在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的可行性，進(jìn)行了一組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中使用了D40氣動(dòng)推桿并對(duì)其施加12.5kg的負(fù)重及0.35MPa的氣壓，該組數(shù)據(jù)并未使用于經(jīng)驗(yàn)公式的求得。將其與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后所得曲線相比較，可得圖2。由圖中可以看出，經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算所得的曲線與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)具有很高的一致性。因此，該經(jīng)驗(yàn)方程的求得方法可以在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)氣動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。5結(jié)