基于AMESim的液壓脈沖系統(tǒng)仿真

劉俊晨，代慧珍，楊志藝，沈福紅

(航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

在液壓系統(tǒng)中，突然關(guān)閉或者開(kāi)啟液流通道時(shí)，在通道內(nèi)液壓壓力發(fā)生急劇交替升降的波動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為液壓沖擊（脈沖）。出現(xiàn)液壓沖擊（脈沖）時(shí)，液體中的瞬時(shí)峰值壓力往往比正常工作壓力高好幾倍，它不僅會(huì)損壞密封裝置、管道和液壓元件，而且還會(huì)引起振動(dòng)和噪聲；有時(shí)使某些壓力控制的液壓元件產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成事故[1]。飛機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力脈沖可以導(dǎo)致飛機(jī)液壓元件的提前疲勞損壞，嚴(yán)重時(shí)可能造成重大飛行事故，因此航標(biāo)規(guī)定，飛機(jī)液壓系統(tǒng)的液壓元件必須進(jìn)行壓力脈沖試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，既可以考核液壓元件的抗疲勞能力，又可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高飛機(jī)系統(tǒng)的可靠性[2]。依據(jù)目前飛機(jī)液壓系統(tǒng)管路和元件脈沖試驗(yàn)的要求，脈沖波形主要是水錘波，因?yàn)樗N波的破壞性最大。

AMESim不僅可以令使用者迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo)，而且還可以分析和優(yōu)化系統(tǒng)，降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期，把工程師從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)，從而專(zhuān)注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，不需要書(shū)寫(xiě)程序代碼[3]。在液壓系統(tǒng)仿真方面，AMESim具有 Hydralic庫(kù)和 Hydraulic Component Design（HCD）庫(kù)，可以非常方便的建立液壓系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真分析[4]。

1 液壓脈沖系統(tǒng)原理

液壓脈沖系統(tǒng)是由油泵、蓄壓器、比例流量閥、電液換向閥、增壓缸、溢流閥、試驗(yàn)件和連接管路等組成，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)壓力脈沖水錘波波形曲線(xiàn)如圖2所示，液壓脈沖系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖曲線(xiàn)必須限制在圖2陰影面積內(nèi)。

在電液換向閥處于關(guān)閉位置時(shí)，泵輸出的流量和壓力不進(jìn)入增壓缸及試驗(yàn)件?？刂茡Q向閥迅速開(kāi)啟，泵輸出的壓力油以及蓄壓器內(nèi)壓力油經(jīng)過(guò)比例流量閥、電液換向閥進(jìn)入增壓缸的低壓腔，推動(dòng)增壓缸的活塞迅速移動(dòng)。增壓缸的高壓腔與試驗(yàn)件通過(guò)一定長(zhǎng)度的導(dǎo)管連接，由于試驗(yàn)件末端封閉，由此會(huì)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象,同時(shí)由于油液的粘性，壓力脈沖會(huì)迅速衰減并穩(wěn)定到系統(tǒng)的工作壓力[5]。當(dāng)換向閥再切換時(shí)，增壓缸的低壓腔連通油箱，增壓缸的活塞在高壓腔壓力油作用下回到原位置，試驗(yàn)件端的壓力也下降。通過(guò)調(diào)節(jié)比例流量閥的開(kāi)口大小可以控制壓力脈沖峰值和升率，開(kāi)口越大壓力峰值及升率就越大，反之越小。壓力脈沖實(shí)質(zhì)是液體動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿倪^(guò)程，液壓沖擊時(shí)的壓力升高值ΔP可由公式（1）確定。

圖1 液壓脈沖系統(tǒng)原理圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓力脈沖波形曲線(xiàn)

式中：ρ—液體的密度；

c—壓力沖擊波在管道中的傳播速度；

v—液體的流速。

式中：K—液體的體積模量；

d—管道的內(nèi)徑；

δ—管道的壁厚；

E—管道材料的彈性模量。

2 基于AMESim的液壓脈沖系統(tǒng)建模及仿真

AMESim是基于直觀圖形界面的平臺(tái)，在整個(gè)仿真過(guò)程中，仿真系統(tǒng)都是通過(guò)直觀的圖形界面展現(xiàn)出來(lái)的。用戶(hù)不需編寫(xiě)任何程序代碼，AMESim含有功能強(qiáng)大、領(lǐng)域眾多的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和擴(kuò)展庫(kù)。

首先在AMEsim的Sketch mode（草圖模式）中創(chuàng)建系統(tǒng)模型，然后在Submodel mode（子模型模式）中分配數(shù)學(xué)子模型，再次在Parameter mode（參數(shù)模式）為每個(gè)子模型設(shè)置參數(shù)，最后在Simulation mode（仿真模式）下運(yùn)行仿真[6]。

2.1 系統(tǒng)建模

對(duì)液壓脈沖系統(tǒng)進(jìn)行建模，需要應(yīng)用到Mechanical（機(jī)械）庫(kù)、Signal,Control（信號(hào)控制）庫(kù)、Hydraulic（液壓）庫(kù)、Hydraulic Component Design（HCD液壓元件設(shè)計(jì)）庫(kù)的相關(guān)模型，除增壓缸外，系統(tǒng)所有元件都是標(biāo)準(zhǔn)元件，增壓缸的模型完全依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，應(yīng)用HCD庫(kù)提供的標(biāo)準(zhǔn)配件模型搭建而成。所建系統(tǒng)模型如圖1所示。

2.2 子模型分配

圖1中的各個(gè)元件都有若干個(gè)數(shù)學(xué)模型與其對(duì)應(yīng)，可以根據(jù)需要從中選擇一個(gè)模型與其關(guān)聯(lián)。因?yàn)樵谝簤好}沖試驗(yàn)中，管路中流體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，對(duì)于增壓缸到試驗(yàn)件這段管路的模型選用HL0040（distributive hydraulic line with lumped elements），該模型考慮到阻性、容性、慣性三種影響因素。其中，慣性在液壓脈沖仿真中是最大的影響因素（如果選擇的管路模型沒(méi)有考慮慣性因素，將不能產(chǎn)生所需的液壓脈沖波形），其他元件的數(shù)學(xué)模型使用默認(rèn)設(shè)置。

總而言之，現(xiàn)階段橋梁水下鉆孔灌注樁施工技術(shù)由于是在地下以及水中進(jìn)行成孔，受到地質(zhì)條件等方面影響，鉆孔灌注樁施工中容易產(chǎn)生多項(xiàng)質(zhì)量問(wèn)題。所以在應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)時(shí)需要對(duì)鉆孔灌注樁施工技術(shù)工藝進(jìn)行深入探究，擬定質(zhì)量控制措施，提高施工質(zhì)量。

2.3 參數(shù)設(shè)置

在確定各個(gè)元件的子模型之后，進(jìn)入Parameter mode（參數(shù)模式）為每個(gè)子模型設(shè)置參數(shù)。依據(jù)現(xiàn)有脈沖試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備確定參數(shù)見(jiàn)表1，表中未示參數(shù)取默認(rèn)值。

表1 初始參數(shù)設(shè)置

2.4 仿真分析與試驗(yàn)

參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)入Simulation mode（仿真模式），設(shè)置步長(zhǎng)1ms，仿真時(shí)間10s。AMESim的求解過(guò)程應(yīng)用變步長(zhǎng)、變階數(shù)、魯棒性強(qiáng)的智能求解器，根據(jù)所建模型自動(dòng)選擇最佳的積分算法，其算法選擇不需要人為干預(yù)，可以自動(dòng)完成。改變液壓油體積模量、蓄壓器容積、比例流量閥開(kāi)口度、試驗(yàn)件容積、增壓缸至試驗(yàn)件管路的長(zhǎng)度和通徑，分別進(jìn)行仿真（改變一種參數(shù)值時(shí)，其他參數(shù)保持不變）,詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2，仿真結(jié)果如圖3所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

圖3（a）為液壓油體積模量分別為1700MPa和700MPa時(shí)的脈沖波形。從圖中可知，體積模量越小，壓力峰值和升率就越低，因?yàn)樵叫〉捏w積模量代表液體可壓縮性越大，單位時(shí)間內(nèi)所需要的流量就越大，而系統(tǒng)的流量是一定的，從而導(dǎo)致壓力峰值和升率的降低。

圖3（b）為蓄壓器容積分別為25L和1L時(shí)的脈沖波形。蓄壓器的容積越大，壓力峰值和升率越大，因?yàn)槊}沖波形的瞬時(shí)流量主要是靠蓄壓器提供，越大的蓄壓器就能提供越多的瞬時(shí)流量。

圖3（c）為比例流量閥不同開(kāi)口度（電流10mA、30mA、40mA）時(shí)的脈沖波形。閥口開(kāi)度越大，壓力峰值和升率也越大，波形的衰減速度也隨著開(kāi)口的增加而變慢。因?yàn)殡S著閥口開(kāi)度的增加，單位時(shí)間進(jìn)入的液體流量就越大，同時(shí)流速也增大，從而引起壓力峰值和升率增加。但是由于流量閥的壓力-流量特性的非線(xiàn)性關(guān)系，所以壓力峰值和升率與閥開(kāi)口大小并非線(xiàn)性關(guān)系。

圖3（d）為試驗(yàn)件容積分別為0.5L和1L時(shí)的脈沖波形。比例流量閥開(kāi)口相同的情況下，試驗(yàn)件的容積越大，壓力峰值和升率越低，因?yàn)樵囼?yàn)件容積越大，形成壓力脈沖的流量需求越高。

圖 3（e）為試驗(yàn)件段導(dǎo)管取不同長(zhǎng)度（2m、5m、10m）時(shí)的脈沖波形。管路長(zhǎng)度對(duì)于壓力峰值的影響較小，但是對(duì)壓力升率有較大影響，管路越長(zhǎng)，升率越低，而且脈沖波形的衰減速度也越快。管路的延長(zhǎng)使得進(jìn)入試驗(yàn)件前段的液體總動(dòng)能增加，根據(jù)能量守恒定律，這部分的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為壓力能，因此壓力峰值應(yīng)隨著管路長(zhǎng)度的增加而變大，但是管道長(zhǎng)度的延長(zhǎng)同時(shí)會(huì)增加沿程壓力損失，兩者共同作用使得壓力峰值變化較小。管路的邊長(zhǎng)引起波形震蕩周期的延長(zhǎng)，同時(shí)沿程壓力損失變大，因此升率會(huì)變小。

圖3（f）為增壓缸至試驗(yàn)件段導(dǎo)管通徑從6mm到20mm（6、8、10、16、20）時(shí)的脈沖波形。從圖中看出，試驗(yàn)件段導(dǎo)管通徑大小對(duì)于波形有較大影響，導(dǎo)管通徑越大，壓力波傳播速度越小，而且導(dǎo)管通徑的增加會(huì)引起沿程壓力損失的減小，使波形衰減變慢。但是導(dǎo)管通徑也不能過(guò)小，導(dǎo)管通徑越小，沿程壓力損失越大。從仿真結(jié)果來(lái)看，導(dǎo)管通徑取8mm比較合適，得到的壓力峰值和升率都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。使用某試驗(yàn)室現(xiàn)有液壓脈沖試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行以下試驗(yàn)：1）在比例流量閥開(kāi)口度不變的情況下，分別對(duì)1L容積的試驗(yàn)件和0.5L容積的試驗(yàn)件進(jìn)行脈沖試驗(yàn);

2）在試驗(yàn)件容積不變的前提下，調(diào)節(jié)比例流量閥輸入電流進(jìn)行脈沖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

圖3 仿真結(jié)果

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

液壓脈沖的產(chǎn)生與很多因素有關(guān)，包括油液的體積模量、蓄壓器容積、流量閥開(kāi)口度、試驗(yàn)件容積以及試驗(yàn)件段管路的導(dǎo)管通徑和長(zhǎng)度等。

1）油液的含氣量對(duì)油液體積模量影響較大，需控制油液的含氣量；

2）蓄壓器的容積需足夠大才能提供滿(mǎn)足需求的瞬時(shí)流量；

3）對(duì)于不同容積的試驗(yàn)件可以通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥開(kāi)口度以及試驗(yàn)件段管路的長(zhǎng)度和通徑來(lái)得到理想的脈沖波形；

4）AMESim以其簡(jiǎn)便的操作和強(qiáng)大的仿真分析能力，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了仿真途徑。