4-Way 3-Position Directional Valve (G)

Четырехлинейный трехпозиционный распределительный клапан в газовой сети.

4 way 3 position directional valve g

Описание

Блок 4-Way 3-Position Directional Valve (G) представляет собой распределительный клапан с четырьмя газовыми портами (P, A, B и T) и каналами между ними P-A, A-T, P-B и B-T. Каждый из каналов проходит через отверстие переменной ширины. Входной сигнал, подаваемый на порт S, управляет положением золотника. Распределительный клапан закрывается, когда золотник перекрывает отверстие.

В типовой системе порт P подключается к насосу, порт T — к резервуару, а порты A и B — к приводу двустороннего действия. Открытие каналов P-A и B-T позволяет насосу создать давление на одной стороне привода, а резервуару — снять давление с другой. В одних системах вал привода выдвигается, в других — втягивается. Открытие каналов P-B и A-T разворачивает стороны привода, находящиеся под давлением и разгруженные, так что вал может двигаться в обратном направлении.

Пример конфигурации распределительного клапана приведен на рисунке.

4 way 3 position directional valve il 1 ru

Поток может быть ламинарным или турбулентным и может достигать звуковых скоростей. Максимальная скорость достигается в горловине отверстия распределительного клапана, где поток наиболее узкий и быстрый. Поток становится критическим, когда отношение давления на выходе к давлению на входе достигает критического значения, характерного для клапана. Блок не рассчитывает сверхзвуковой поток.

Положения клапана

Распределительный клапан имеет плавную регулировку и плавно переключается между одним нормальным и двумя рабочими положениями.

Когда значение перемещения золотника в порту S равно нулю, распределительный клапан возвращается в нормальное положение, в котором он больше не работает. Если поршни золотника не смещены относительно своих отверстий, распределительный клапан полностью закрыт.

Рабочие положения — это положения, в которые клапан переходит при максимальном перемещении золотника в положительном или отрицательном направлении от нормального положения. В этом случае одно отверстие обычно закрыто, а другое полностью открыто.

На изображении I показан клапан, в котором перемещение происходит в положительном направлении, отверстия P-A и B-T полностью открыты, а отверстия P-B и A-T полностью закрыты. На изображении II показан клапан, в котором перемещение происходит в отрицательном направлении, отверстия P-A и B-T полностью закрыты, а отверстия P-B и A-T полностью открыты. На изображении III показан клапан, в котором золотник находится в нейтральном положении, а все отверстия закрыты.

4 way 3 position directional valve g 1

Перемещение золотника, переводящее распределительный клапан в рабочее положение, зависит от смещения поршней золотника. Параметры в разделе Valve Opening Fraction Offsets задают постоянные значения для определения смещения поршней золотника на портах.

Степень открытия отверстия

В промежутках между положениями распределительного клапана открытие отверстия зависит от того, где находится поршень золотника относительно обода. Это расстояние является открытым отверстием, и блок нормирует это расстояние таким образом, чтобы его значение составляло долю от максимального расстояния, на котором отверстие полностью открыто. Нормированная переменная — это степень открытия отверстия.

Степень открытия отверстия может варьироваться от -1, когда распределительный клапан находится в положении, показанном на изображении I, до +1, когда распределительный клапан находится в положении, показанном на изображении II.

Блок вычисляет степень открытия отверстия на основе перемещения золотника и смещения степени открытия отверстия. Перемещение и смещение — это бесконечно малые доли от максимального расстояния «поршень — отверстие».

Степень открытия отверстия P-A составляет:

Степень открытия отверстия B-T составляет:

Степень открытия отверстия A-T составляет:

Степень открытия отверстия P-B составляет:

В этих уравнениях:

— степень открытия отверстия, указанного подстрочным индексом. Если расчет возвращает значение, выходящее за пределы диапазона [0, 1], то блок использует ближайший предел;
— смещения степени открытия отверстия, которые задают параметры в разделе Valve Opening Fraction Offsets. Чтобы учесть необычные конфигурации распределителей, блок не накладывает ограничений на их значения, хотя обычно они находятся между -1 и 1;
— это нормированное перемещение золотника, заданное в виде скаляра на порту S. Чтобы компенсировать экстремальные смещения степени открытия отверстия, значение сигнала не ограничено. Обычно это значение находится в диапазоне от -1 до 1.

Смещение степени открытия отверстия

По умолчанию распределительный клапан полностью закрыт, когда его управляющее перемещение равно нулю. В этом состоянии клапан имеет нулевое перекрытие.

Можно смещать поршень золотника, чтобы смоделировать распределительный клапан с неполным или полным перекрытием. Распределительные клапаны с неполным перекрытием частично открыты в нормальном положении. Распределительные клапаны с полным перекрытием полностью закрыты немного дальше нормального положения. На рисунке показано, как степени открытия отверстия изменяются в зависимости от перемещения золотника.

Изображение I: распределительный клапан без перекрытия. Смещение степени открытия отверстия равно нулю. Когда клапан находится в нормальном положении, поршень золотника полностью закрывает отверстие.
Изображение II: распределительный клапан с неполным перекрытием. Смещение степени открытия P-A и B-T отверстий положительное, а смещение степени открытия P-B и A-T отверстий отрицательное. Когда клапан находится в нормальном положении, поршень золотника частично закрывает четыре отверстия.
Изображение III: перекрытый распределительный клапан. Смещение степени открытия P-A и B-T отверстий отрицательное, а смещение степени открытия P-B и A-T отверстий положительное. Поршень золотника полностью закрывает все отверстия не только в нормальном положении, но и в небольшой области перемещения золотника вокруг него.

4 way 3 position directional valve g 2

Параметризация распределительного клапана

Поведение блока зависит от параметра Valve parametrization:

Cv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления [2], [3].
Kv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления, [2], [3].
Sonic conductance — акустическая проводимость в установившемся режиме определяет пропускную способность при критическом потоке — состоянии, при котором скорость потока равна местной скорости звука. Поток становится критическим, когда отношение давления на выходе к давлению на входе достигает значения, называемого критическим отношением давлений [1].
Orifice area — площадь отверстия определяет пропускную способность [4].

Характеристика отверстия

Характеристика потока связывает отверстие распределительного клапана с входным значением, которым часто является ход золотника. Блок рассчитывает отверстие через акустическую проводимость, коэффициент расхода или площадь поперечного сечения отверстия, в зависимости от настройки параметра Valve parameterization. Управляющим входом является степень открытия отверстия, являющаяся функцией перемещения золотника, заданного на порту S.

Характеристика потока обычно дается в установившемся режиме, когда на входе постоянное, тщательно контролируемое давление. Характеристика потока зависит только от клапана и может быть линейной или нелинейной. Чтобы выбрать характеристику потока, используйте параметр Opening characteristic:

Linear — пропускная способность является линейной функцией степени открытия отверстия. По мере увеличения степени открытия отверстия от 0 до 1, показатель пропускной способности увеличивается от указанного минимума до указанного максимума.
Tabulated — пропускная способность является функцией общего вида, которая может быть линейной или нелинейной от степени открытия отверстия. Функция задается в табличной форме, при этом независимая переменная задается параметром Opening fraction vector.

Численное сглаживание

Если для параметра Opening characteristic установлено значение Linear, а для параметра Smoothing factor установлено ненулевое значение, то к степени открытия отверстия применяется численное сглаживание. Сглаживание помогает поддерживать численную устойчивость симуляции.

Расход утечки

Расход утечки гарантирует, что ни один участок сети жидкости не окажется изолированным. Изолированные участки жидкости могут снизить численную устойчивость модели, замедлить скорость моделирования и, в некоторых случаях, привести к сбою моделирования. Параметр Leakage flow fraction представляет собой площадь утечки в виде небольшого числа больше нуля.

Композитная структура

Этот блок представляет собой составной компонент, состоящий из четырех блоков Orifice (G), подключенных к портам P, A, B, T и S. Более подробную информацию о параметризации клапана и расчетах см. в Orifice (G).

Допущения и ограничения

Значение Sonic conductance параметра Valve parameterization предназначено для пневматических систем. Если этот параметр используется для газов, отличных от воздуха, то может потребоваться скорректировать значение акустической проводимости на квадратный корень из удельного веса.
Уравнение для параметризации Orifice area обладает меньшей точностью для газов, которые далеки от идеального.
Этот блок не моделирует сверхзвуковой поток.

Порты

Ненаправленные

# A — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_a

# B — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_b

# P — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_p

# T — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_t

Вход

# S — управляющий сигнал
скаляр

Details

Мгновенное перемещение управляющего элемента относительно его нормального нерабочего положения, заданное в виде скаляра. Блок нормирует перемещение относительно максимального положения управляющего элемента, которое требуется для полного открытия отверстия. Скаляр не имеет единиц измерения, а его мгновенное значение обычно находится в диапазоне от -1 до 1.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Parameters

# Valve parameterization — способ задания характеристики потока через отверстие
Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance | Orifice area

Details

Метод расчета массового расхода основан на:

Cv flow coefficient — коэффициенте расхода .
Kv flow coefficient — коэффициенте расхода , который определяется как .
Sonic conductance — акустической проводимости в установившемся режиме.
Orifice area — площади отверстия.

Значение по умолчанию	`Cv flow coefficient`
Имя для программного использования	`valve_parameterization`

# Opening characteristic — метод расчета характеристик открытия клапана
Linear | Tabulated

Details

Метод, который блок использует для расчета площади открытия клапана:

Linear — площадь открытия является линейной функцией степени открытия отверстия.
Tabulated — общая нелинейную зависимость, которая задается в табличной форме.

Значение по умолчанию	`Linear`
Имя для программного использования	`opening_characteristics`

# Maximum Cv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Значение коэффициента расхода , когда площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Cv flow coefficient, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`4.0`
Имя для программного использования	`C_v_max`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Cv coefficient vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Cv coefficient vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Tabulated, для параметра Orifice parameterization – значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_C_v`

# Cv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Вектор коэффициентов расхода . Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0]`
Имя для программного использования	`C_v_vector`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Отношение между давлением на входе и давлением на выходе , определенное как , при котором поток становится критическим. Если это значение не известно, то его можно найти его в таблице 2 в ISA-75.01.01 [3]. Значение по умолчанию 0.7 подходит для многих клапанов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_C_v`

# Maximum Kv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Значение коэффициента расхода , когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1, а площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Kv flow coefficient, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`3.6`
Имя для программного использования	`K_v_max`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Kv coefficient vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Kv coefficient vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Tabulated, для параметра Orifice parameterization – значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_K_v`

# Kv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.72, 1.44, 2.16, 2.88, 3.6]`
Имя для программного использования	`K_v_vector`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_K_v`

# Maximum sonic conductance — акустическая проводимость, соответствующая максимальной площади отверстия
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Значение акустической проводимости, когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1, а площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`12.0 l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_max`

# Critical pressure ratio — критическое отношение давлений

Details

Отношение давлений, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Отношение между давлением на выходе и давлением на входе : .

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3`
Имя для программного использования	`B_critical_linear`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Sonic conductance vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Sonic conductance vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Tabulated, для параметра Orifice parameterization – значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_C`

# Sonic conductance vector — вектор значений акустической проводимости
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Вектор акустических проводимостей. Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-5, 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 12.0] l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_vector`

# Critical pressure ratio vector — вектор значений критического отношения давлений

Details

Вектор критических отношений давлений. Критическое отношение давлений – это отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3 * ones(6)`
Имя для программного использования	`B_critical_vector`

# Subsonic index — значение степени, используемой для расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения

Details

Эмпирическая величина, используемая для более точного расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`0.5`
Имя для программного использования	`m`

Details

Температура в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Значения параметров эталона ISO нужно настраивать только в том случае, если используются значения акустической проводимости, полученные при отличных эталонных значениях.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_reference`

# ISO reference density — эталонная плотность в соответствии с ISO 8778
g/cm^3 | kg/m^3 | lbm/gal

Details

Плотность в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`1.185 kg/m^3`
Имя для программного использования	`rho_reference`

# Maximum orifice area — площадь проходного сечения потока, соответствующая максимальной площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Максимальная площадь проходного сечения потока, когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Orifice area, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`1e-4 m^2`
Имя для программного использования	`max_restriction_area`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Orifice area vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Orifice area vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Tabulated, для параметра Orifice parameterization – значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_area`

# Orifice area vector — вектор значений площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Вектор площадей проходного сечения отверстия. Размерность вектора соответствует вектору Opening fraction vector. Первый элемент этого вектора — площадь утечки, а последний элемент — максимальная площадь отверстия.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Orifice area, для параметра Opening characteristic – значение Tabulated.

Значение по умолчанию	`[1e-10, 0.2e-4, 0.4e-4, 0.6e-4, 0.8e-4, 1e-4] m^2`
Имя для программного использования	`restriction_area_vector`

# Discharge coefficient — коэффициент расхода

Details

Поправочный коэффициент – отношение фактического массового расхода к теоретическому массовому расходу.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`0.64`
Имя для программного использования	`C_d`

# Leakage flow fraction — соотношение расходов

Details

Отношение расхода через закрытое и через открытое отверстие.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`1e-6`
Имя для программного использования	`leakage_fraction`

# Smoothing factor — численный коэффициент сглаживания

Details

Коэффициент непрерывного сглаживания, который обеспечивает плавность открытия за счет поправки в характеристике отверстия в почти открытом и почти закрытом положениях.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Opening characteristic значение Linear.

Значение по умолчанию	`0.01`
Имя для программного использования	`smoothing_factor`

# Laminar flow pressure ratio — отношение давлений, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами

Details

Отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами течения.

Типичные значения варьируются от 0.995 до 0.999.

Значение по умолчанию	`0.999`
Имя для программного использования	`B_laminar`

# Cross-sectional area at ports A, B, P, and T — площадь на входе или выходе
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Эта площадь используется при вычислении массового расхода через порты.

Порты имеют одинаковый размер. Значение этого параметра должно соответствовать площади входного отверстия компонента, к которому подключается блок.

Значение по умолчанию	`0.01 m^2`
Имя для программного использования	`port_area`

Valve Opening Fraction Offsets

# Between ports P and A — степень открытия P-A отверстия при нулевом сигнале смещения

Details

Степень открытия P-A отверстия, когда значение входного сигнала S равно нулю. В этом случае клапан находится в нормальном положении. Степень открытия измеряет расстояние от поршня золотника до отверстия P-A, нормированное на максимально допустимое. Степень открытия не имеет единицы измерения и обычно имеет значение между 0 и 1.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`offset_pa`

# Between ports B and T — степень открытия B-T отверстия при нулевом сигнале смещения

Details

Степень открытия B-T отверстия, когда значение входного сигнала S равно нулю. В этом случае клапан находится в нормальном положении. Степень открытия измеряет расстояние от поршня золотника до отверстия B-T, нормированное на максимально допустимое. Степень открытия не имеет единицы измерения и обычно имеет значение между 0 и 1.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`offset_bt`

# Between ports P and B — степень открытия P-B отверстия при нулевом сигнале смещения

Details

Степень открытия P-B отверстия, когда значение входного сигнала S равно нулю. В этом случае клапан находится в нормальном положении. Степень открытия измеряет расстояние от поршня золотника до отверстия P-B, нормированное на максимально допустимое. Степень открытия не имеет единицы измерения и обычно имеет значение между 0 и 1.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`offset_pb`

# Between ports A and T — степень открытия A-T отверстия при нулевом сигнале смещения

Details

Степень открытия A-T отверстия, когда значение входного сигнала S равно нулю. В этом случае клапан находится в нормальном положении. Степень открытия измеряет расстояние от поршня золотника до отверстия A-T, нормированное на максимально допустимое. Степень открытия не имеет единицы измерения и обычно имеет значение между 0 и 1.

Значение по умолчанию	`0.0`
Имя для программного использования	`offset_at`

Литература

[1] ISO 6358-3. "Pneumatic fluid power – Determination of flow-rate characteristics of components using compressible fluids – Part 3: Method for calculating steady-state flow rate characteristics of systems". 2014.

[2] IEC 60534-2-3. "Industrial-process control valves – Part 2-3: Flow capacity – Test procedures". 2015.

[3] ANSI/ISA-75.01.01. "Industrial-Process Control Valves – Part 2-1: Flow capacity – Sizing equations for fluid flow underinstalled conditions". 2012.

[4] P. Beater. Pneumatic Drives. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2007.