基于Pro/E和ADAMS的阀门气动执行器仿真优化

    阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀门气动执行器是利用压缩空气驱动阀门启闭的装置。气动执行器作为阀门的配套驱动及控制部分在国民经济各个部门中有着广泛的应用，同样在工业自动化生产中占有及其重要的地位。目前国内阀门技术水平与国外发达国家相比还有差距，中小型阀门企业在产品设计上依靠模仿国外同类产品，缺乏具有自主知识产权的核心技术。通过对阀门气动执行器的正向设计希望能够为国内阀门行业添砖加瓦，为阀门企业提供一些帮助。

    1 气动执行器的实体建模

    1.1 建立零件实体模型

    针对某型阀门气动执行器产品，利用Pro/ENGINEER软件建立实体模型，图1为气动执行器部分零件图。

图1 气动执行器部分零件图      

    1.2 虚拟装配

    总装配体如图2所示，使用全局干涉检查工具，对装配干涉进行检查，确保模型装配正确。

图2 执行器总装配体

    1.3 定义刚体和添加约束

    装配完成后，通过ADAMS与Pro/ENGINEER的无缝接口软件Mech/Pro定义刚体和添加部分约束副。

    2 气动执行器的仿真分析

    2.1 模型导入与施加载荷

    在ADAMS/View中导入模型如图3所示。

图3 气动执行器运动机构

    阀门气动执行器主要施加的外力包括气体推动活塞的驱动力和阀门阀杆的反作用力矩。在施加力时，我们需要选取力作用的构件、作用点、力的大小和方向。

    2.1.1 驱动力的创建

    本文所研究的气动执行器气源压力4.0×10⁵Pa，活塞直径140mm，活塞杆直径32mm。

    根据双活塞双作用串联式气缸的活塞推力计算公式

        （3-1）    

    其中，D为活塞直径，d为活塞杆直径，p_s为气源压力，η₁为考虑摩擦阻力影响引入的系数。

    计算得到所需添加的推动活塞的驱动力为10189N。

    2.1.2 添加阻力矩

    阀门阀杆的反作用扭矩方程为

        （3-2）

    其中F为驱动力，η₂为传动效率，L为拨叉偏心距，α为拨叉转角。在拨叉轴上添加阻力矩，方向与旋转方向相反。

    2.2 验证模型

    气动执行器模型检验正确，自由度为1，ADAMS将采用动力学分析方法。

    2.3 模型运动仿真分析

    对气动执行器模型进行动力学仿真，得到仿真数据曲线。图4为气动执行器主要构件活塞杆和拨叉轴的运动曲线图。

a 活塞杆速度随时间变化曲线

b 活塞杆加速度随时间变化曲线

c 拨叉轴角速度随时间变化曲线

d 拨叉轴角加速度随时间变化曲线

图4 活塞杆和拨叉轴的运动曲线图

    图4的d中，拨叉轴角加速度前期表现平稳，在后期出现较大的波折，角加速度快速降为零，后又急速上升，表明拨叉轴在运行后期出现不平稳状况，不利于气动执行器和阀门的工作，需要进行优化。

    3 气动执行器优化设计

    3.1 参数化设计

    由于Pro/ENGINEER和ADAMS两者建模规则的不同，无法将Pro/ENGINEER中创建的零件模型在ADAMS中实现参数化。我们直接在ADAMS/View中建立气动执行器的简化模型，添加约束和载荷，进行参数化优化分析，得到优化数据，简化模型如图5所示。

图5 简化模型

    定义设计变量    

    3.1.1 产生设计变量

    将活塞杆轴线至拨叉下底面的垂直距离，产生设计变量.actuator_adams.DV_1，便于控制活塞杆的半径变化。

    3.1.2 参数化

    将活塞杆半径R相对于设计变量进行参数化。

    3.2 参数化机构的仿真分析

    运行设计研究，程序自动打开数据库信息窗口，同时得到其他仿真数据曲线，如图6所示。

a 设计变量DV_1变化曲线

b 拨叉轴角加速度峰值随设计变量DV_1变化曲线

c 驱动力变化曲线图

d 执行器输出扭矩变化曲线图

e 拨叉轴角加速度变化曲线图

图6 设计研究曲线图 

    图6的a中，设计研究共仿真了5组数据，五组数据相对应的活塞杆半径为16mm，15mm，14mm，13mm和12mm。

    图6的b中，随着设计变量DV_1的增大，拨叉轴角加速度峰值线性增长，即随着活塞杆半径的减小，执行器拨叉轴的角加速度峰值越大，角加速度变化越剧烈。

    图6的c中，活塞杆半径越小，气动推动活塞的驱动力越大，这与活塞半径不变，气体作用面积增大，作用力增大的实际情况相符。

    图6的d中曲线大致呈向上开口的抛物线形状，符合拨叉式阀门气动执行器的输出扭矩特性。结合图6的c图可以发现，驱动力越小，执行器输出扭矩越平稳，符合实际情况。

    图6的e中，在不同的活塞杆半径下，拨叉轴角加速度的峰值有着较明显的差距，且变化情况与图6的b图相符。随着设计变量DV_1的增大，拨叉轴角加速度曲线的平滑性明显下降。

    总体上，针对活塞杆半径进行了优化，活塞杆半径的减小，使拨叉轴角加速度峰值相对减小，有效地降低了拨叉轴和拨叉的惯性力，提高了整个模型的运动性能。

    4 结束语

    本文基于Pro/E和ADAMS软件联合应用的运动仿真平台，有利于设计人员对机构设计的优化，缩短产品的开发周期。