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3.2.2 射流元件的工作原理
射流元件的工作原理如图3.2.1所示,在电信号的作用下,电磁铁操纵挡板盖住一侧控制喷口放开另一侧,活塞两侧的压力发生变化。当活塞两侧压力差足以克服活塞阻力时,活塞开始运动,摇臂在活塞带动下绕转轴转动从而盖住一侧主喷口放开另一侧。射流喷口改变,射流推力改变方向。
3.2.1射流元件的工作原理
3.2.3 建立射流元件模型
为建立射流元件的数学模型,作如下假设:
1)所进行的热力学过程是绝热过程;
2)所用气体为理想气体;
3)气腔内气体的热力过程为准静态过程,任何瞬时,控制容积内各点工质状态参数相同。射流元件的数学模型可用一组动力学和热力学微分方程表示,其中包括气体状态方程、能量平衡方程、流量方程和运动方程。射流元件的切换过程分为3个阶段:准备阶段、运动阶段、压力稳定阶段。每个阶段有各自不同特点。
2.1 准备阶段
准备阶段从电磁铁操纵挡板切换控制喷口开始到活塞开始运动时止。例如电磁铁操纵挡板盖住控制喷口1放开控制喷口2,气腔1因充气压力P1迅速增加,气腔2因充放气压力P2逐渐降低。当活塞两侧压力差足以克服活塞阻力时,活塞开始运动,准备阶段结束。准备阶段的时间为延迟时间t1,准备阶段的模型方程如下：
这里下标1表示活塞一侧气腔的参数,下标2表示活塞另一侧气腔的参数,上标+表示上游的参数,上标-表示下游的参数,k为绝热指数,V0为初始容积,q为质量流量,R为气体常数,T为气体温度,Ts为气源温度。
质量流量可表示为:
其中:A为节流口的面积,Ps为供气压力,流量方程φ(σ)是压力比σ的函数：
压力比用以下公式决定,σ+1= P1/Ps,σ+2=P2/Ps,σ-1= PA/P1,σ-2= PA/P2,式中PA是大气压力。
2.2 运动阶段
在运动阶段,活塞从最左端运动到最右端,称运动阶段的时间为运动时间t2,根据热力学和运动学方程,运动阶段的数学模型可表示为:
式中:M为活塞等效质量,x为活塞位移,A为活塞面积,b为粘性摩擦系数,ks为等效弹簧系数,V为腔容积,FL为活塞所受的等效阻力。在运动阶段,V1= V01+Ax,V2= V02-Ax。
2.3 压力稳定阶段
在压力稳定阶段,活塞停在最右端,气腔1充气,气腔2充放气,直到气腔1压力等于供气压力,气腔2压力稳定为止。
压力稳定阶段的模型方程为:
在这个阶段,气腔容积可表示为:V1=V01+Ad,V2= V02-Ad,式中d为活塞最大位移。
3.2.4 射流元件仿真和实验研究
射流元件每个阶段的模型用Runge-Kutta法进行仿真,计算在如下参数情况下进行:供气压力Ps=10MPa,大气压力PA=0•1MPa,活塞面积A=2•5cm2,活塞最大位移d=2mm,活塞等效质量M =0•1kg,气腔初始容积V01=500mm3,V02=1000mm3,活塞所受的等效阻力FL=600(x-d/2)N,进气口面积A+1= A+2=0•5mm2,排气口面积A-1= A-2=2mm2。
试验装置如图3.3.2所示,在活塞端面上加一块磁铁,利用霍尔传感器测量活塞位移。由射流元件的工作原理可知,在射流元件切换过程的开始和结束阶段,活塞是静止的,霍尔传感器的输出却存在波动。由于霍尔传感器是通过感受磁场的变化来反应活塞位移的,实际的工作环境中不可避免的存在电磁干扰,因此可以认为霍尔传感器的输出波动是外界干扰造成的。
图3.3.2 试验装置示意图
同一条件下活塞位移的仿真和实验曲线如图3.3.3所示。从对比结果可以看出,仿真模型及其方法是可信的。从上述曲线可看出射流元件的切换延迟时间t1为10•5ms,运动时间t2为11ms。
图3.3.3 活塞位移的仿真与试验结果对比
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