基于AMESim的先導(dǎo)式減壓器性能仿真分析

任志彬，王宗偉，常志鵬，張 杰，崔 品

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基于AMESim的先導(dǎo)式減壓器性能仿真分析

任志彬，王宗偉，常志鵬，張 杰，崔 品

（空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

選擇先導(dǎo)式減壓器設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行靜態(tài)特性計(jì)算。使用工程系統(tǒng)仿真高級(jí)建模環(huán)境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）對(duì)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)要素需合理設(shè)置，以保證減壓器性能滿足要求。

先導(dǎo)式減壓器；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性；仿真；AMESim

0 引 言

導(dǎo)彈/運(yùn)載火箭/航天器增壓輸送系統(tǒng)能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)提供具有一定壓力、不間斷、無(wú)夾氣的推進(jìn)劑。增壓系統(tǒng)主要由氣源、充氣閥、電爆閥、減壓器、電磁閥、過(guò)濾器、保險(xiǎn)閥、單向閥、壓力信號(hào)器、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、測(cè)壓管等組成。其中，減壓器是系統(tǒng)中的重要單機(jī)，其功能是將高壓氣體減壓，使出口氣體的壓力穩(wěn)定在貯箱氣枕要求的壓力范圍內(nèi)。在零流量的工況下，減壓器自行鎖閉，保持閥口密封。減壓器能否正常工作，關(guān)系到增壓輸送系統(tǒng)乃至整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)能否完成任務(wù)，從而影響全彈飛行試驗(yàn)的成敗。本文對(duì)減壓器的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算（文中壓力數(shù)據(jù)若無(wú)特殊說(shuō)明均為絕壓），使用工程系統(tǒng)仿真高級(jí)建模環(huán)境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）進(jìn)行性能仿真分析。

1 減壓器設(shè)計(jì)方案

減壓器的設(shè)計(jì)要求如下：

a）工作介質(zhì)：氮?dú)猓?/p>

b）進(jìn)口壓力：（1.5±0.3）MPa（表壓）；

c）出口壓力：額定流量時(shí)（0.37±0.01）MPa，鎖閉壓力為（0.38+0.01） MPa；

d）工作溫度：185~423 K；

e）環(huán)境溫度：233~323 K；

f）額定流量：30 g/s；

g）最小流量：1.5 g/s。

減壓器的結(jié)構(gòu)型式較多，選擇時(shí)需根據(jù)工作流量、進(jìn)口壓力變化范圍、出口壓力及其偏差、環(huán)境條件、工作及貯存壽命以及可靠性等方面來(lái)考慮。對(duì)于給定一組參數(shù)的減壓器設(shè)計(jì)要求，可能有幾種型式可供選擇，應(yīng)從性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、外形尺寸及制造成本等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所需減壓器的出口壓力不高，進(jìn)口壓力變化范圍不大（上游設(shè)有一級(jí)減壓器），但穩(wěn)壓精度要求很高，額定流量屬于中等流量。綜合各方面因素，并充分繼承成熟產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案和技術(shù)，最終確定采取逆向先導(dǎo)式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案原理如圖1所示。

圖1 逆向先導(dǎo)式減壓器方案原理

該減壓器的工作原理如下：在給定進(jìn)口壓力1時(shí)，改變調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量，彈簧力作用到副閥芯上，使副閥芯開(kāi)啟某一高度，高壓氣體經(jīng)過(guò)副閥芯與副閥座之間的環(huán)形面積，被節(jié)流減壓后進(jìn)入中間腔3，建立中間壓力3，推動(dòng)柱塞使主閥芯開(kāi)啟至某一高度，高壓氣體經(jīng)過(guò)主閥芯與主閥座之間的環(huán)形面積，被節(jié)流減壓后進(jìn)入低壓腔，建立出口壓力2，并輸出額定流量。低壓腔內(nèi)的氣體壓力2作用在膜片上，與調(diào)節(jié)彈簧的作用力相平衡。隨著氣體消耗，氣瓶壓力不斷降低，若閥芯開(kāi)度不變，則出口壓力將隨進(jìn)口壓力降低而降低，這樣作用在膜片上的力就相應(yīng)減小，力的平衡破壞，結(jié)果使副閥芯開(kāi)度增加，中間壓力隨之升高，使主閥芯開(kāi)度增加，從而保持出口壓力穩(wěn)定在調(diào)整值。如果下游流量增大（或減?。瑒t導(dǎo)致從減壓器流出的流量大于（或小于）流入減壓器的流量，出口壓力將會(huì)降低（或升高），作用在膜片上的力相應(yīng)減?。ɑ蛟龃螅?，使副閥芯開(kāi)度增加（或減?。?，中間壓力隨之升高（或降低），使主閥芯開(kāi)度增加（或減小），出口壓力隨之升高（或降低），從而使出口壓力穩(wěn)定在調(diào)整值。

2 減壓器性能仿真分析

AMESim是基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，它為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境，可使用已有模型和（或）建立的新的子模型元件，構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型，采用易于識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)和簡(jiǎn)單直觀的多端口框圖建立復(fù)雜系統(tǒng)及所需的特定實(shí)例，可修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果[1~5]。

使用AMESim軟件對(duì)先導(dǎo)式減壓器的性能進(jìn)行仿真和分析。利用軟件提供的相關(guān)庫(kù)中的元件搭建先導(dǎo)式減壓器的仿真模型，如圖2所示[6~9]。

圖2 AMESim中先導(dǎo)式減壓器仿真模型

2.1 靜態(tài)特性仿真

減壓器的靜態(tài)特性，指介質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，減壓器出口壓力2隨流量和進(jìn)口壓力1的變化情況，分為壓力特性和流量特性。壓力特性指在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)流量等參數(shù)不變時(shí)，減壓器出口壓力隨進(jìn)口壓力變化的關(guān)系。當(dāng)出口壓力偏差相對(duì)于額定出口壓力的百分比大于10%時(shí)為低精度；5%~10%時(shí)為中等精度；小于2%時(shí)為高精度。流量特性指在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)進(jìn)口壓力等參數(shù)不變時(shí)，減壓器出口壓力隨流量變化的情況，精度劃分與壓力特性類似[10,11]。

2.1.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)仿真

在AMESim環(huán)境中，按所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為圖2中各模塊賦值，各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

對(duì)先導(dǎo)式減壓器的靜態(tài)流量特性進(jìn)行仿真。由于進(jìn)口壓力變化范圍很小，未作壓力特性的仿真。仿真結(jié)果如圖3所示。

表1 AMESim靜態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 先導(dǎo)式減壓器靜態(tài)流量特性曲線

從圖3可以看出，流量特性比較平穩(wěn)，最大偏差為1.66×10-4MPa，小于設(shè)計(jì)要求偏差范圍的1/4。

對(duì)零流量下的鎖閉壓力進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 先導(dǎo)式減壓器鎖閉壓力曲線

由圖4可知，零流量時(shí)鎖閉壓力約為0.374 8 MPa，低于設(shè)計(jì)要求值，但對(duì)于鎖閉壓力的要求，實(shí)質(zhì)上只要不超過(guò)某一上限值即可滿足要求。因此，該減壓器模型靜態(tài)特性滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 剛度的影響

彈性元件的總剛度是影響減壓器靜態(tài)特性的重要因素之一?？倓偠扔烧{(diào)節(jié)彈簧、復(fù)位彈簧和膜片的剛度疊加而得。對(duì)不同剛度下的靜態(tài)流量特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同剛度K下靜態(tài)流量特性曲線

從圖5可以看出，剛度越大，出口壓力2的正偏差越大。設(shè)計(jì)時(shí)需要合理控制彈性元件的總剛度，使得出口壓力2的偏差小于設(shè)計(jì)要求偏差的1/4。

2.1.3 膜片有效面積的影響

膜片是減壓器的敏感元件，其有效面積大小直接影響減壓器的穩(wěn)壓精度。對(duì)不同膜片有效直徑下的靜態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同膜片有效直徑D下靜態(tài)流量特性曲線

從圖6可以看出，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，膜片的有效面積越大，出口壓力2的穩(wěn)態(tài)值越小，而且超出設(shè)計(jì)要求容許的范圍。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要在閥體內(nèi)外尺寸的約束下，盡量?jī)?yōu)先確定膜片有效面積，再以此為依據(jù)，確定其他結(jié)構(gòu)的尺寸值，以免使膜片有效面積的選擇范圍太小，無(wú)法滿足靜態(tài)特性的要求。

2.2 動(dòng)態(tài)特性仿真

減壓器的動(dòng)態(tài)特性指在流量波動(dòng)、壓力突變等干擾因素作用下，減壓器出口壓力的穩(wěn)定性，常見(jiàn)的有減壓器啟動(dòng)過(guò)程或在振動(dòng)和過(guò)載條件下工作的穩(wěn)定性。當(dāng)減壓器受到干擾，使出口壓力偏離平衡位置時(shí)，減壓器具有使之恢復(fù)到平衡值的能力。減壓器中運(yùn)動(dòng)件自身的質(zhì)量，在運(yùn)動(dòng)中將產(chǎn)生一定的慣性；運(yùn)動(dòng)件和固定件之間的摩擦阻力，致使閥芯動(dòng)作滯后，而滯后和彈性系統(tǒng)振動(dòng)與阻尼是相互制約或激勵(lì)的，此過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短、強(qiáng)度均不確定，將出現(xiàn)諧振[10, 11]。

通常情況下，為了改善動(dòng)態(tài)特性而對(duì)某些結(jié)構(gòu)參數(shù)做出的改動(dòng)，將使靜態(tài)特性變差，因此，合理設(shè)計(jì)減壓器結(jié)構(gòu)是綜合考慮靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，最終得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)使靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性達(dá)到相對(duì)最優(yōu)的程度。

2.2.1 剛度的影響

將進(jìn)口壓力1設(shè)置為階躍值，對(duì)出口壓力2隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行仿真。不同剛度下的動(dòng)態(tài)特性如圖7所示。

圖7 不同剛度K下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖7可以看出，剛度越大，出口壓力2振蕩頻率越高，振幅越??；反之，則出口壓力2振蕩頻率越低，振幅越大。設(shè)計(jì)時(shí)需要合理控制彈性元件的總剛度，使其同時(shí)滿足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的需求。

2.2.2 反饋孔大小的影響

出口壓力2需要在膜片上與相關(guān)零件形成力平衡，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。低壓氣體可以直接作用在膜片上，也可以通過(guò)小尺寸的反饋孔間接作用在膜片上，這由減壓器的具體結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)決定。對(duì)該減壓器進(jìn)行不同反饋孔徑c下的動(dòng)態(tài)特性仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同反饋孔徑下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖8可以看出，反饋孔徑c的大小對(duì)出口壓力2振蕩頻率和振幅的影響均不大。

2.2.3 運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量的影響

運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量決定運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，將影響系統(tǒng)的自激振蕩。對(duì)不同質(zhì)量下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同質(zhì)量下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖9可以看出，質(zhì)量為1kg時(shí)，出口壓力2振蕩頻率較高，振幅較大；質(zhì)量為0.1kg和0.01kg時(shí)，出口壓力2振蕩頻率和振幅基本相當(dāng)。實(shí)際中，運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量不可能達(dá)到1kg的量級(jí)，因此對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響可以不考慮。

2.2.4 運(yùn)動(dòng)件阻尼的影響

阻尼包括兩種：一種是第2.2.2節(jié)所述的帶反饋孔的阻尼腔；另一種是運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻尼。對(duì)仿真模型中的質(zhì)量模塊設(shè)置不同的阻尼值進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同阻尼下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖10可以看出，阻尼過(guò)小會(huì)引起振蕩，且阻尼越小振蕩越劇烈，因此設(shè)計(jì)時(shí)要盡量增大阻尼。

2.2.5 低壓腔容積的影響

對(duì)不同低壓腔容積e下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同低壓腔容積下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖11可以看出，更大的低壓腔容積e將引起超調(diào)和振蕩，同時(shí)延長(zhǎng)建壓至穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。事實(shí)上，與閥體內(nèi)的低壓腔容積e相比，系統(tǒng)下游管路和容器的容積對(duì)建壓時(shí)間的影響更大。

2.2.6 柱塞阻尼孔的影響

為了改善動(dòng)態(tài)特性，可以在柱塞上設(shè)置阻尼孔。對(duì)不同柱塞阻尼孔徑3下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同柱塞阻尼孔徑下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖12可以看出，柱塞阻尼孔徑3越大，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越差。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小柱塞阻尼孔徑3。

2.2.7 中間壓力容積的影響

中間壓力3通過(guò)閥體內(nèi)的通道作用在柱塞背面的容腔3內(nèi)（見(jiàn)圖）。對(duì)不同中間壓力容積3下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同中間壓力容積下動(dòng)態(tài)特性曲線

從圖13可以看出，更大的中間壓力容積3將延長(zhǎng)建壓至穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，但不會(huì)引起超調(diào)和振蕩。

3 結(jié) 論

根據(jù)增壓輸送系統(tǒng)的要求，對(duì)先導(dǎo)式減壓器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和靜態(tài)特性計(jì)算。使用AMESim軟件對(duì)減壓器的性能進(jìn)行了仿真分析，包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。仿真結(jié)果表明：

a）所設(shè)計(jì)的減壓器在設(shè)計(jì)點(diǎn)上能夠滿足靜態(tài)特性要求，不同的剛度和膜片有效面積會(huì)對(duì)靜態(tài)特性產(chǎn)生一定的影響，仿真結(jié)果為剛度和膜片有效面積的選擇提供了參考方向。

b）選取不同參數(shù)的組成件對(duì)動(dòng)態(tài)特性有不同的影響，其中反饋孔大小的影響較小，可以不考慮；剛度對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響與靜態(tài)特性恰好相反，因而設(shè)計(jì)時(shí)需要合理剛度，使其同時(shí)滿足靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性的要求；質(zhì)量只要足夠小的運(yùn)動(dòng)件，即可消除其對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響；運(yùn)動(dòng)件阻尼、低壓腔容積、柱塞阻尼孔徑及中間壓力容積均需合理選擇確定，以滿足要求。

減壓器作為導(dǎo)彈/運(yùn)載火箭/航天器增壓輸送系統(tǒng)的重要單機(jī)，在系統(tǒng)中對(duì)高壓氣體起減壓、穩(wěn)壓的作用。無(wú)論以何種模式失效，都將影響衛(wèi)星等航天器的壽命，甚至導(dǎo)致飛行任務(wù)的失敗。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良、穩(wěn)定、可靠的宇航級(jí)減壓器是增壓輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作之一。而仿真軟件的應(yīng)用，可縮短設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期、提高研制效率、優(yōu)化產(chǎn)品性能、降低成本，對(duì)減壓器等閥門單機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義。

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Performance Simulation Analysis of Pilot Pressure Reducer Based on AMESim

Ren Zhi-bin, Wang Zong-wei, Chang Zhi-peng, Zhang Jie, Cui Pin

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076)

Design program of pilot pressure reducer was chosen to complete the static feature calculation. AMESim software was used for the simulation analysis of static and dynamic features. The simulation result showed that different structure elements should be set up appropriately to guarantee the performances of pressure reducer.

Pilot pressure reducer; Static feature; Dynamic feature; Simulation; AMESim

1004-7182(2016)02-0081-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160218

V432

A

2014-11-04；

2015-10-09

任志彬（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事飛行器動(dòng)力系統(tǒng)研究