基于SolidWorks Flow Simulation的比例阀和真空泵的选型与优化

撰文/ 北京七星华创电子股份有限公司工业炉分公司 张永军

北京盛维安泰系统技术有限公司 李跃超

在真空泵和罐体之间装一台比例阀，比例阀和真空泵配合可改变抽速，保证罐内恒压。比例阀根据压力变化要求提供维持需要压力，比例阀与真空泵的选型多数靠经验来匹配，往往出现高能耗。通过SolidWorks FlowSimulation 对设备进行分析仿真，通过数据对比最优化的对比例阀与真空泵体的选型。

一、问题的提出

在真空设备和半导体设备中，常常有这样的工艺要求，某罐体内通入恒定流量的气体，并且保证罐体内恒压。通常采用方案是由一支流量计通入恒定流量的气体，出口连接一台真空泵抽气，在真空泵和罐体之间装一台比例阀，这样比例阀和真空泵配合可改变抽速，保证罐内恒压。

如图1 所示是一款真空产品真空气路图，工作顺序如下。

（1）首先关闭气动挡板阀-Φ100 、电磁阀、流量计和电磁充气阀，比例阀开度100%，打开气动挡板阀-Φ16。

（2）然后开启滑阀泵-70L/S 预抽真空，真空度抽至30000Pa 时关闭动挡板阀-Φ16，比例阀开度0%，开启气动挡板阀-Φ100。

（3）真空度抽至2000Pa 时，罗茨泵-300L/S 开启。

（4）真空度抽至0.5Pa 时，关闭气动挡板阀-Φ100、罗茨泵-300L/S，开启电磁阀、流量计，流量计保证0.5L/S 流量的氩气。

（5）达到0.6atm 时开启气动挡板阀-Φ16，比例阀，比例阀和真空泵组成闭环，由PLC 控制其开度。此设备大部分时间在此状况下工作。

在一个实例中，比例阀结构是通径Φ20 的蝶阀，阀板在0°～ 90°转动，以实现0% ～ 100% 开启度。在保证0.6atm 恒压时，开启滑阀泵，比例阀开度8%。其8% ～ 100%调节用不到，而且极不灵敏。我们判断比例阀通径选大了。选多大合适呢？结合SolidWorks Flow Simulation 模拟，让我们寻找合适的比例阀通径。

SolidWorks Flow Simulation 是一款比较经典的流体分析软件，它能解决流体流动分析、热分析、共轭传热、瞬态分析，并能作出漂亮视频、图片、图表及报表，且易学易用。除了软件本身向导式的操作流程之外，强大的数据库可以让使用者减少搜集分析所需数据的工作量。更重要的是与CAD 的无缝集成，可以实现分析结果驱动CAD参数。使用者无需单独创建流体域，网格划分也极大地减少了使用者的工作量。总之无论是软件的工程化界面，全中文的在线帮助文档，都是使工程师不花费过多的精力在软件工具的使用上，而是让使用者有更多的精力用在产品的创新上（图2）。

二、模拟方案选定

事先的假定：由于比例阀结构尺寸很难得到，没有办法得到正确的几何模型，我们将其等效为小于相邻管径的圆形通孔。例如，管道通径Φ16，将比例阀看成可以调节成0 ～ Φ16 一段小管。

方案一：生成所有的结构模型，假定比例阀通径（例如Φ10），边界条件是入口（0.5/0.6）L/S 体积流量的Ar（如案例描述中0.5L/S 的流量是在1atm 下，需要换算在0.6atm 下的流量），出口体积流量70L/S，网格化后计算出现问题，因为此内流管道分析问题中有三个变量，入口压力、出口压力和流量，软件会根据已有的两个变量计算第三个变量，如题入口、出口都指定了流量边界条件，软件不支持此种边界条件的输入，换句话说入口与出口的质量是守恒的。所以此方案行不通。

方案二：分析此案例中零部件，流体在比例阀开度变化过程中，各管道和元器件流动参数比较稳定，但在比例阀前后接近的区域变化较大，因此将比例阀前后掐头去尾，等效成如图3 所示结构。

中间Φ10 部分可调，等效为比例阀阀板。左端为出口边界条件，抽速70L/S。右端不能添加体积流量入口边界条件，改为0.6atm 总压。我们计算比例阀开度为Φ10 时，右端入口是否为1atm 下0.5L/S 体积流量的Ar。环境为常温、0.6atm。调整比例阀开度，达到1atm 下0.5L/S 流量时，此开度即为所求。

三、模拟过程

在CAD 中完成建模，在FLOW 中软件可以使用【创建封盖】功能是模型完全封闭，符合内流分析的条件。软件可以自动识别流体区域，不需要指定流体域（图4）。

SolidWorks Flow Simulation 的向导可以完成分析项目的75% 的定义，包括定义：项目名称（分析项目可以与CAD 配置结合）、设置单位、分析类型（内流、外流，关注因素）、默认流体（支持子流域、流体混合）、壁面条件、初始条件和网格设置（可以关联CAD 模型的尺寸）等，如图5 ～图11 所示。

设置边界条件压力和体积流量，定义分析目标类型，使用方程式目标将入口的体积流量转换为1atm 下的体积流量（图12）。

结果后处理：可以查看网格、切面图解、等值面、流动轨迹和探测等结果可视化功能（图13）。

查看目标结果：可以查看入口、出口的质量流量、压力和速度之间的关系（图14 和图15）。

当比例阀开度等于Φ10 的孔时，如果需要保存炉体压力为0.6atm 的压力时，需要的流入系统的体积流量在1atm 时为8.0619L/S。如果0.5L/S 的流量维持0.6atm压力，需要调整比例阀开度，利用Flow 的参数研究功能可以寻找适当的比例阀开度尺寸。

选择参数研究中的目标优化，定义变量为模型孔直径尺寸，定义参数的变化范围1mm ～ 10mm（图16）。

添加目标并定义目标的公差范围（图17）。

优化算例点（图18 和图19）。

经过软件设计点的采样计算，按照定义的目标。软件优化孔直径为Φ2.658mm，取整Φ2.7mm，符合实际的比例阀调节开度。

运用参数研究中的功能，保持孔直径为Φ2.7mm 不变，改变出口的体积流体为70L/S、60L/S、50L/S、40L/S、30L/S、20L/S、10L/S、9L/S、8L/S，记录对入口体积流量的变化。添加边界条件作为变量类假设分析型为离散值（图20）。

定义目标参数输出（图21）。假设分析结果输出（图22）。

对比增大出口的体积流量对入口的参数（流量、速度）影响几乎不变，改变的是出口的流体速度与流体密度（可以将入口、出口的气体密度作为目标参数），使用出口大体积流量需要更多的能耗、流速过大会产生设备震动和噪音。

四、结语

根据分析结果可以判断选用合适通径的比例阀。实际改为Φ10 通径比例阀。保持炉体内0.6atm 时开度40%，变化灵敏，精度高。

五、引申

由于抽速大于某个值，对压力和比例阀开度没有影响，因此可以增加9L/S 抽速的旋片泵作为维持泵，在保证恒压时替代滑阀泵。如图23 所示。

（1）减少噪音。

（2）减少滑阀泵保养次数，增加滑阀泵寿命。

（3）降低使用成本，滑阀泵电机功率7.5kW，旋片泵电机功率1.5kW，价格5000 元，设备连续生产3 个月，所节省的电费，已经高于旋片泵价格。

六、讨论

（1）定义比例阀两端腔室的压力为目标，同时使用方程式目标表达压差，维持压力不能太低，要保证管道内存在流体流动时，本案例成立。

（2）实际工况，气体流经罐内加热体，但比例阀前后温差很小，且约等于环境温度，因此不考虑温度变化。

（3）此案例可制作一个原始模型，解决此类问题。

（4）将一个复制的系统问题，提取关键因素，合理的简化，是仿真分析的精髓。