由图10可知。在正转过程中，气体在流出进气管前和气体在流出进气管后，最大压力梯度为0.07MPa。反转时压力场的压力梯度最大为0.16MPa，明显大于正转工况下的压力梯度。造成这一现象的主要原因是反转时进气相位角小于正转且反转时有8°的进气延时角，导致气体在流出配气阀进气管时流动阻力较大，气体的压力能过多的转化为内能，造成一定的能量损失。由图11可知，反转时进气速度明显大于正转，主要是由于反转进气截面小于正转，气体压力能更多的转化为动能和内能，造成一定的压力损失。反转时进气管出口段的阻力损失大于正转。同时，流入气缸气体动能过大会造成马达在工作过程中产生较强的振动，导致气体压力能不能最大限度的转化为机械能。由图12可知，正转小开度时，气缸内总进气量为1.0032kg/s；反转小开度时，气缸内总进气量为0.8721kg/s。正转工况下气缸内进气量大于反转工况，气体压力能可以更充分的转化为马达的机械能。

图12 阀门小开度下进气口流量图

综上，增大气动马达进气相位角有利于气体更充分的流入气缸，可有效减少配气阀进气管出口段产生的能量损失。同时还能减少气体压力能向动能的转换，降低马达在工作过程中的振动。

3.3 二次排气管截面直径对排气过程的影响

为研究排气管截面直径对二次排气过程的影响，分别取排气管截面直径为27mm、29mm及31mm进行对比分析。分别计算出如图13的曲轴转角为245°时压力场、如图14的曲轴转角为265°时流线图、如图15的曲轴转角为290°气缸内压力场。

由图13可知，对比三种截面直径下的压力场可以看出，随着截面直径的增加，二次排气逆压值逐渐降低，排气阀口及排气管内压力场分布逐渐均匀。由图14可知，当二次排气管截面直径为27mm时大开度阀口处产生严重的回流现象，反向流回的气流在阀口处产生涡流，给气缸内的二次排气造成一定影响。当截面直径变为29mm时，大开度阀口处仅产生很小的一部分涡流，大部分气流都进入到排气管内。截面直径达到31mm时，阀口处涡流及回流现象消失。由图15可知。随着二次排气管截面直径的增加，气缸内产生的背压逐渐减小。在二次排气阶段，缸内气体做负功，缸内背压的逐渐减小有利于提高马达的做功能力。

图13 曲轴转角为245°时压力场

图14 曲轴转角为265°时流线图

图15 曲轴转角为290°气缸内压力场

综上可知，随着二次排气管截面直径的增加，阀口处及排气管内逆压值逐渐降低，两个气缸的串气时间缩短，且气缸内的背压随之减小。因此，增大二次排气管截面有利于二次排气，降低马达工作过程中的能量损失。

4 试验探索

为了验证上述计算结果，搭建了气动马达试验台架，并进行了试验研究。由于气动马达控制阀结构复杂，由于目前企业的试验设备有限，无法直接在控制阀上布置测点以测量控制阀内部流场，因此本研究利用气动马达的功率反映气动马达控制阀的优化效果。根据气动马达控制阀流场的CFD数值模拟计算结果进行控制阀结构改进，表2是控制阀结构优化。

表2 控制阀结构优化

目前所用气动马达的动力特性相匹配，试验采用型号为DW20的电涡流测功器。其功率为20kW，转速为10000r/min。试验中，用电涡流测功器来模拟马达的负载工况。根据最终整理的试验数据，得到如图16的气动马达速度-功率图和如图17的气动马达速度-扭矩图。

由图16可知，气动马达的功率在250r/min至550r/min达到一个比较稳定的功率，而随着转速超过850r/min之后，功率衰减比较明显。因此对气动马达与气动绞车进行匹配时，应考虑马达的正常工作状态是功率稳定的转速区间。由图17可知，扭矩在随着转速的不断上升而减小，这是由于当功率一定时，扭矩与转速成反比关系。综上，优化后的功率和扭矩较优化前有了一定的提高，因此对于气动控制阀的优化方向是正确的，证明了气动马达控制阀流场的CFD数值模拟计算的准确性。

图16 气动马达速度-功率图

图17 气动马达速度－扭矩图

5 结论

（1）气体在流经安全阀时，产生了喷管加速效应，在安全阀升程较小时，流体加速效应明显，能量损失较大，增大安全阀升程可有效提高压缩气体利用率及马达的输出功率，当升程增大到一定值时，安全阀口的进气量达到最大，最终安全阀升程确定为8mm；

（2）马达正转时，是提升重物的阶段，较大的配气阀进气相位角，可以减小压缩空气的流动损失，有利于压缩气体对活塞做功，提高马达的工作功率；马达反转时，是重物下降阶段，适当减小配气阀的进气相位角，增大气缸内背压，使重物可以匀速下降；

（3）在排气过程中，气缸内产生的背压大小主要由排气管截面决定，是马达局部做负功的主要影响因素，通过对二次排气管截面直径的控制，减缓了二次排气过程中的背压现象；

（4）气动马达控制阀是制约马达做功效率的重要因素，通过CFD数值模拟对控制阀进行计算并优化后，马达的做功功率和扭矩都有了一定的提高。进一步可以针对不同气缸直径改变气动控制阀整体尺寸，分析不同缸径与不同尺寸气动控制阀匹配时压缩气体的能量利用率，为气动马达的匹配工作提供一定参考。