数値流体力学 (CFD) を使用した空気圧スロットルチェックバルブの数値シミュレーション

Feb 13, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2475 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この記事では、2 つの空気圧ドライブの革新的な制御システムで使用されるスロットル逆止弁の数値 CFD シミュレーションを紹介します。 このタイプの制御は、下肢用の革新的なリハビリテーション装置に使用されています。 境界条件を決定するために、実験テストが実行されました。 テストスタンド上のスロットルバルブのスケールを測定し、さまざまなバルブ開口部の高さでの空気流量値を読み取りました。 この記事の目的は、事前調整された逆止弁スロットルの CFD シミュレーションを提示することです。 数値シミュレーション (CFD) を使用すると、さまざまなサイズの流れギャップを持つ空気圧スロットル逆止弁内部の流れ現象を研究することができます。 得られた結果から、静圧やバルブ内を流れる媒体の速度、ベクトル速度分布などの物理量分布を求めることができました。 スロットル バルブ アセンブリは、ピストン アクチュエータのそれぞれに作用するさまざまな外部負荷とは無関係に、ピストン アクチュエータの動作が適切な程度に同期するように調整されています。 著者らは、さまざまなバルブ開口部の高さに対する空気の流れ現象を調査しました。 シミュレーションにより、特定のバルブ開口部の高さにおける超音速および亜音速の流速の発生に関する情報が得られました。

空気圧ドライブが使用されるシステムでは、ピストンロッドを同時に動かす必要があります。 外部負荷が異なると、駆動ピストンロッドの不均一な動きが観察されます。 異なる負荷の下で駆動ピストンロッドの同じ変位を得るのは困難1、2、主に圧縮空気は圧縮性であるという事実3、4、5、および駆動ピストンの自己摩擦によって引き起こされる移動抵抗がある6、7、という事実によります。 8、9、10。

空気圧システムは、比例弁 11 とオン/オフ ソレノイド バルブ 12、13 を使用して、空気の流れを調整します 5、14。 オン/オフ ソレノイド バルブは、比例バルブよりも安価な空気圧コンポーネントであるため、産業界で一般的に使用されています15、16。

空気圧駆動装置の同時動作を実現するには、たとえば、モーションシンクロナイザー 17、18 スロットルまたはスロットルチェックバルブ 7、19 が使用されます。 スロットルチェックバルブは、多くの業界の流量制御要素として空気圧機器で広く使用されています。

作動媒体の流れを調整するために使用される最も一般的な空気圧要素は、スロットル バルブとスロットル逆止弁です。 ただし、このバルブの欠点は、ピストン ロッド ドライブの負荷力の変化に敏感であることです。 バルブギャップを通る作動媒体の流れは、負荷力20とともに増加します。

スロットルチェックバルブは、空気圧シリンダのピストンロッドの伸縮速度を調整するために使用されます。 スロットルと逆止弁の並列接続です。 このバルブでは、空気の流れは一方向にのみ絞られます。 空気はスロットル バルブ内の調整可能な縮小断面積を通って流れ、作動媒体の流れによってチェック バルブが閉じます。 反対方向に移動するときは、逆止弁が開いているため、空気は自由に流れます7。

油圧システムでは、モーションシンクロナイザーが使用されます。 油圧ドライブの同期動作は、通常、比例弁またはサーボ弁21によって実行されます。 高速オンオフ バルブ (HSV)22 にも対応できます。 HSV は、圧力制御 23 や位置制御 24 などに使用されます。 論文の著者25、26は、高速オンオフバルブを介した油圧駆動要素の制御を発表しました。 著者らは、協調同期制御アルゴリズムである PWM–PFM (パルス幅変調 – パルス周波数変調) を使用しました。 文献27、28では、著者らはドライブのピストンロッドの速度軌跡を追跡する制御を実装するコントローラーを設計しました。