基于AMESim的定壓差吹除閥仿真

賈原杰，廖義德，杜彰偉，梅 佳

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

水下航行器需長(zhǎng)時(shí)間潛行在海水中執(zhí)行任務(wù)，這必定會(huì)產(chǎn)生大量的生活污水，若長(zhǎng)時(shí)間攜帶污水會(huì)造成艇內(nèi)空氣質(zhì)量惡化以及大量額外燃料損耗。目前國內(nèi)水下排污系統(tǒng)是利用壓縮空氣直接擠壓貯容器內(nèi)污水，通過管道將污水排入海洋，由于貯容器與舷外海水的壓差是隨機(jī)變量，而壓縮氣體壓力恒定，不能隨下潛深度變化而變化，導(dǎo)致在污水排出的同時(shí)，伴隨有恒定壓力的壓縮氣體直接噴入到海水中，產(chǎn)生大量氣泡和噪聲，對(duì)水下航行器的隱蔽性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此對(duì)水下污水進(jìn)行定壓差吹除是實(shí)現(xiàn)快速吹除、降低排污噪聲和提高隱蔽性的重要途徑。

目前關(guān)于吹除閥的研究報(bào)道甚少，國內(nèi)也尚處于起步階段。謝江輝等基于CFD仿真技術(shù)［1］，對(duì)帶有不同閥芯結(jié)構(gòu)及不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的船用吹除閥進(jìn)行數(shù)值研究，深入分析不同設(shè)計(jì)方案下，閥芯結(jié)構(gòu)及進(jìn)口結(jié)構(gòu)對(duì)吹除閥性能特性的影響，并給出了閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。夏極等［2］基于AMESim技術(shù)建立仿真模型，對(duì)吹除閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。楊凱［3］研制了一種帶壓差控制功能的超高壓氣動(dòng)吹除閥，并就其工作原理及流程做了詳盡的介紹及分析。本文介紹了一種新型定壓差氣動(dòng)吹除閥，并基于AMESim技術(shù)建立仿真模型，系統(tǒng)分析研究了吹除閥的動(dòng)態(tài)特性及各參數(shù)對(duì)吹除閥工作性能的影響。最后，仿真結(jié)果表明：定壓差吹除閥出口壓力穩(wěn)定，閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏；通過改變彈簧剛度和彈簧預(yù)壓縮量，可以調(diào)節(jié)吹除閥壓差的控制范圍；吹除閥的壓差大小會(huì)隨氣源壓力和舷外海水壓力的變化而有所波動(dòng)，但波動(dòng)幅度均在壓差控制精度范圍以內(nèi)，并且降低舷外海水壓力或提高氣源壓力，可以有效縮短吹除時(shí)間，提高工作效率。

1 定壓差吹除閥的工作原理

定壓差吹除閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)氣源未開啟時(shí)，定壓差吹除閥處于待機(jī)狀態(tài)，在彈簧壓力及舷外海水壓力作用下，膜片上端受壓帶動(dòng)閥芯下移，閥口處于全開啟狀態(tài)。

圖1 定壓差吹除閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of constant pressure difference blowing valve

當(dāng)氣源接通時(shí)，通過控制閥口的開度來調(diào)節(jié)氣體的流量，使進(jìn)口壓力值降到符合工況要求的出口壓力值，并且利用外界壓力的作用對(duì)閥口的開度進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使經(jīng)過定壓差吹除閥后的出口壓力與外界壓力穩(wěn)定保持在一定壓力差值范圍以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)吹除控制并且避免過多氣體排出裝置外產(chǎn)生噪聲。其特點(diǎn)是在外界壓力不斷發(fā)生變化波動(dòng)的情況下，保持出口壓力與外界壓力的差值在一定可控范圍之內(nèi)，以此達(dá)到工況要求并保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

2 仿真模型建立

為充分了解定壓差吹除閥的動(dòng)態(tài)特性及不同參數(shù)對(duì)吹除閥工作性能的影響，運(yùn)用系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真平臺(tái)AMESim［4-9］建立的仿真模型，可對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，并能獲得各個(gè)參數(shù)對(duì)吹除閥工作性能的影響。

利用AMESim［10-13］圖形化建模方式，根據(jù)定壓差吹除閥的結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況，在氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫中選擇元件［14-15］，并在AMESim中建立的定壓差吹除閥仿真模型如圖2所示。

圖2 定壓差吹除閥仿真模型圖Fig.2 Simulation model diagram of constant pressure difference blowing valve

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

依據(jù)定壓差吹除閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及工況環(huán)境對(duì)AMESim仿真模型進(jìn)行了設(shè)定，其主要參數(shù)設(shè)定如表1所示。

3.2 系統(tǒng)仿真分析

將系統(tǒng)仿真開始時(shí)間設(shè)為0 s，結(jié)束時(shí)間設(shè)為10 s，打印間隔為0.001 s。得到定壓差吹除閥動(dòng)態(tài)特性曲線圖如圖3所示。

表1 吹除閥仿真參數(shù)Tab.1 Blowing valve simulation parameters

圖3（a）為貯容器內(nèi)的壓力曲線圖，由于貯容器內(nèi)的壓力與氣瓶?jī)?nèi)的壓力差值較大，貯容器內(nèi)的壓力對(duì)氣體的密度和流速影響較小，所以氣體從閥口流出屬于超臨界流動(dòng)，在這種情況下，可認(rèn)為氣體是暢通無阻的從高壓氣瓶流入貯容器的。從圖3（a）中可得出，貯容器內(nèi)壓力上升平穩(wěn)，但升高曲率隨著時(shí)間增加逐步降低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是在吹除工作過程中，氣瓶?jī)?nèi)的氣體壓力逐漸衰減，流入貯容器的氣體流量降低所致。如圖3（b）所示，隨著工作時(shí)間增加，氣體流量呈現(xiàn)出不同程度的降低。在工作完成后，貯容器內(nèi)壓力為0.67 MPa，與舷外海水壓差為0.17 MPa。

圖3（c）和圖3（d）為閥芯位移與速度曲線圖，對(duì)照?qǐng)D3（a）可以得出，當(dāng)貯容器內(nèi)的壓力高于舷外海水壓力及彈簧力時(shí)，產(chǎn)生的壓差會(huì)使膜片帶動(dòng)閥芯迅速移動(dòng)，使閥口開度迅速大幅度減小，隨后緩慢降低至關(guān)閉。由此可以得出：閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，出口壓力穩(wěn)定。

圖3 定壓差吹除閥特性變化曲線：（a）貯容器內(nèi)的圧力，（b）氣體流量，（c）閥芯位移，（d）閥芯速度Fig.3 Characteristic change curves of constant pressure difference blowing valve：（a）pressures in storage containers，（b）gas flow，（c）spool displacement，（d）spool velocities

3.3 彈簧剛度K對(duì)壓差控制范圍的影響

在吹除閥各參數(shù)不變的情況下，通過設(shè)置彈簧剛度可以有效調(diào)節(jié)貯容器與舷外海水的壓差范圍。為進(jìn)一步研究彈簧剛度與壓差調(diào)節(jié)性能的關(guān)系，分別設(shè)置彈簧剛度K為 40，60，80，100，120 N·mm-1，得到不同K下貯容器內(nèi)的圧力曲線如圖4（a）所示。

從圖4（a）曲線可得出：彈簧剛度K越小，吹除完成后貯容器內(nèi)壓力越低，與舷外海水的壓差越小，貯容器內(nèi)壓力穩(wěn)定時(shí)間越短。從仿真結(jié)果中可以得出：通過調(diào)節(jié)彈簧剛度K可以改變定壓差吹除閥的壓差大小，當(dāng)彈簧剛度K在40～120 N·mm-1范圍內(nèi)時(shí)，貯容器與舷外海水的壓差可在0.16～0.20 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.4 彈簧預(yù)壓縮量S對(duì)壓差控制范圍的影響

彈簧預(yù)壓縮量S對(duì)定壓差吹除閥的壓差控制范圍有重要的影響，在定壓差吹除閥各參數(shù)按照表1設(shè)置不變的情況下，分別取S值為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 mm，得到不同S值下貯容器壓力變化曲線圖如圖4（b）所示。

圖4 不同參數(shù)下貯容器內(nèi)的壓力變化曲線：（a）彈簧剛度K，（b）彈簧預(yù)壓縮量S，（c）氣源壓力P1，（d）舷外海水壓力P2Fig.4 Change curves of pressures in storage containers under different parameters：（a）spring stiffness K，（b）precompressed spring length S，（c）air-source pressure P1，（d）outboard seawater pressure P2

從圖4（b）曲線中可得出：彈簧預(yù)壓縮量S值越高，吹除完成后貯容器內(nèi)的壓力越高，與舷外海水的壓差越大，但貯容器內(nèi)壓力穩(wěn)定時(shí)間相同。從仿真結(jié)果中可以得出：通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量S可以改變定壓差吹除閥的壓差大小，當(dāng)彈簧預(yù)壓縮量S在0.5～4.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，貯容器與舷外海水的壓差可在0.17～0.39 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.5 氣源壓力P1對(duì)吹除閥工作性能的影響

氣源氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓力P1對(duì)吹除閥的性能有重要的影響。為進(jìn)一步研究氣源壓力與壓差控制性能的關(guān)系，在吹除閥各參數(shù)不變的情況下，分別選取P1為3.0，3.5，4.0，4.5 MPa，得到不同氣源壓力P1下貯容器內(nèi)的圧力曲線如圖4（c）所示。

從圖4（c）曲線可得出：隨著氣源壓力的增加，定壓差吹除閥的吹除時(shí)間越短，吹除效率越高，吹除完成后貯容器內(nèi)壓力越高，與舷外海水的壓差越大。仿真結(jié)果表明：在吹除工作結(jié)束時(shí)貯容器與舷外海水的壓差在0.15～0.20 MPa范圍內(nèi)，定壓差吹除閥的壓差大小會(huì)隨氣源壓力變化而有所波動(dòng)，但波動(dòng)幅度很小，在壓差控制精度要求范圍以內(nèi)。造成波動(dòng)的原因是由于氣源壓力越高，氣體流量越高，導(dǎo)致吹入貯容器內(nèi)的氣體越多，壓力上升。

3.6 舷外海水壓力P2對(duì)吹除閥工作性能的影響

舷外海水壓力P2隨著水下航行器下潛深度變化而變化，為研究定壓差吹除閥在不同下潛深度下的壓差控制性能，在吹除閥各參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置舷外海水壓力參數(shù)P2為0.5，1.0，1.5，2.0 MPa，得到不同P2下貯容器內(nèi)壓力曲線如圖4（d）所示。

從圖4（d）曲線可得出：下潛深度越深，舷外海水壓力P2越高，定壓差吹除閥的工作時(shí)間越長(zhǎng)，吹除效率越低，吹除完成后貯容器內(nèi)壓力越高，與舷外海水的壓差越大。仿真結(jié)果表明：在吹除工作結(jié)束時(shí)貯容器與舷外海水的壓差在0.17～0.26 MPa范圍內(nèi)，定壓差吹除閥的壓差大小會(huì)隨舷外海水壓力變化而有所波動(dòng)，但波動(dòng)幅度在壓差控制精度要求范圍以內(nèi)。這是由于舷外海水壓力越高，吹除時(shí)間越長(zhǎng)，且氣體流量降低幅度變緩，使得有更多的氣體吹入貯容器內(nèi)，導(dǎo)致貯容器內(nèi)壓力上升。

4 結(jié) 語

運(yùn)用系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真平臺(tái)AMESim建立了定壓差吹除閥仿真模型，并模擬了吹除閥的工作過程及不同參數(shù)對(duì)吹除閥工作性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）定壓差吹除閥的出口壓力穩(wěn)定，閥芯動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。

2）通過改變彈簧剛度和預(yù)壓縮量，可以調(diào)節(jié)定壓差吹除閥的壓差控制范圍，且彈簧剛度越小，貯容器內(nèi)壓力穩(wěn)定時(shí)間越短，但彈簧預(yù)壓縮量對(duì)貯容器內(nèi)壓力穩(wěn)定時(shí)間沒有影響。

3）定壓差吹除閥的壓差大小會(huì)隨氣源壓力和舷外海水壓力的變化而有所波動(dòng)，但波動(dòng)幅度均在壓差控制精度要求范圍以內(nèi)。

4）降低舷外海水壓力或提高氣源壓力，可以有效縮短吹除時(shí)間，提高工作效率。