基于AMESim的隔膜泵沖洗系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

張國峰

摘 要：該文首先對AMESim軟件做了簡要介紹，然后以隔膜泵沖洗系統(tǒng)為研究對象，建立了基于AMESim的仿真模型，通過對沖洗系統(tǒng)油量及噴射距離進行仿真計算來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。所得結(jié)論對隔膜泵液壓控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：沖洗系統(tǒng)；AMESim；仿真模型

中圖分類號：TB301 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

近幾年隨著隔膜泵在石油化工項目、遠(yuǎn)距離管道輸送項目等應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，各泵型規(guī)格不斷擴大與完善，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量成為隔膜泵設(shè)計的重點攻關(guān)項目之一。優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量首先應(yīng)從設(shè)計角度出發(fā)，提高設(shè)計理論，改進設(shè)計方法，研發(fā)設(shè)計工具，改變設(shè)計觀念?，F(xiàn)代設(shè)計方法可以概括為力求運用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新成果與手段實現(xiàn)6個方面的轉(zhuǎn)化。

（1）以動態(tài)取代靜態(tài)：象利用AMESim對隔膜泵液壓控系統(tǒng)進行仿真計算。

（2）以定量取代定性：象利用ANSYS計算隔膜泵強度及結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）以優(yōu)化設(shè)計取代可行性設(shè)計：象利用相關(guān)的設(shè)計變量建立合理的數(shù)學(xué)模型，從眾多的可行方案中尋求最優(yōu)方法。

（4）以并行設(shè)計取代串行設(shè)計：象依據(jù)隔膜泵總體設(shè)計方案，進行所屬部裝設(shè)計。

（5）以微觀取代宏觀：象潤滑理論中的微—納米摩擦學(xué)。

（6）以自動化設(shè)計取代人工設(shè)計：按照集成化與智能化的要求，充分利用軟件設(shè)計代替人工設(shè)計。

1 AMESim簡介

AMESim最早由法國Imagine公司于1995年推出，2007年被比利時LMS公司收購。LMS Imagine.Lab AMESim即多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，用戶可以在這個平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任意元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。象在燃油噴射、制動系統(tǒng)、動力傳動、液壓系統(tǒng)、機電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

在AMESim中共有4個應(yīng)用庫用于隔膜泵液壓控制系統(tǒng)仿真，分別是液壓庫（HYD）、液壓閥庫（HSV）、液壓元件設(shè)計庫（HCD）及液阻庫（HR），這些液壓庫在應(yīng)用方面完全相互兼容。

HYD是液壓管路仿真的基礎(chǔ)液壓庫，主要由一些用于仿真液壓系統(tǒng)的內(nèi)置元件組成。

HSV主要用在液壓管路中各處控制閥的應(yīng)用庫中。

HCD是由基本幾何結(jié)構(gòu)單元組成的基本元素庫，該元素庫非常適合對非標(biāo)液壓元部件的動態(tài)特性進行建模和分析。

HR用在液壓管路中各處的壓力損失和流量分布計算的應(yīng)用庫中。

2 基于AMESim的沖洗系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

隔膜泵沖洗系統(tǒng)在隔膜泵正常工作過程中，能提供穩(wěn)定的沖洗油量和適當(dāng)?shù)膰娚渚嚯x，最終對活塞油缸起到冷卻和潤滑的效果。該文以某隔膜泵項目為例，通過沖洗系統(tǒng)在優(yōu)化前和優(yōu)化后仿真曲線的對比來說明AMESim對系統(tǒng)優(yōu)化起到的作用。

2.1 建模原理圖（圖1、圖2）

2.2 仿真流量曲線

在建模過程中，采用了同一流量源，所以從圖3和圖4中可以看出在0.1 s后流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖3中1室流量為2、3室流量的4倍，2、3室流量差值為0.2 L/min，所以在圖3中2室流量曲線和3室流量曲線基本形成重合狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)的沖洗系統(tǒng)流量均勻性相對較差，而從圖4可以看出其流量分配比優(yōu)化前要均勻，各室流量差值為1 L/min左右，而且在實際中能達(dá)到相對較好的沖洗效果。

對于油液的噴射距離，可依據(jù)射流軌跡法原理進行計算，在此以優(yōu)化后結(jié)構(gòu)1室為例進行計算，如圖5所示，在忽略空氣阻力且壓力近似為0時，孔口射流距離x0=v0t，由于沖洗系統(tǒng)屬于直通管油液噴射，此處H=0，在考慮管內(nèi)壓力時，將壓力作用下油液的噴射距離與壓力為0時的射流距離進行疊加，得到的最終結(jié)果就是油液的實際噴射距離。

根據(jù)仿真結(jié)果能得到v0和p0隨時間的特性曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6知，在0.1 s后流速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以x0=v0

t=3.9×0.1=0.39m，

由公式

所以1室油液噴射距離 x=x0+x1=0.855m=855mm。同理可計算出2室、3室的噴射距離，見表1。

3 結(jié)論

AMESim不僅在隔膜泵液壓元件設(shè)計中起到指導(dǎo)作用，而且在液壓系統(tǒng)優(yōu)化中提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。該文利用AMESim對隔膜泵沖洗系統(tǒng)油量及噴射距離的仿真計算，實現(xiàn)了沖洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對隔膜泵液壓控制系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義，為優(yōu)化隔膜泵設(shè)計，使設(shè)計方法向多元化發(fā)展提供有力的依據(jù)。

參考文獻

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