基于AMESim的液體增壓系統(tǒng)的增壓泵仿真優(yōu)化

陳文明 劉 春

（沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽 110136）

液體增壓系統(tǒng)的設(shè)計決定了液體增壓試驗臺的重要性能指標。增壓泵作為液體增壓系統(tǒng)的核心元件，其參數(shù)合理化是實現(xiàn)試驗臺性能優(yōu)化的重要手段之一。杜海清[1]等主要利用AMESim對直動式和先導(dǎo)式減壓閥進行靜動態(tài)特性仿真分析，達到對減壓閥參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整與設(shè)計；高有山[2]等主要利用AMESim對四配流窗口軸向柱塞馬達進行仿真研究，分析了柱塞馬達仿真模型的各項特征及負載特性；蘇萬青[3]等主要對AMESim在氣液增壓泵優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用進行研究，利用AMESim仿真軟件對多工況下氣液增壓泵的工作特性進行分析。上述研究局限在元件特性仿真分析，本文則是把增壓泵放在整個系統(tǒng)進行仿真分析，以滿足整個系統(tǒng)性能指標為目的進行優(yōu)化，因此研究更具有實用意義。此研究規(guī)律僅適用于氣、液增壓系統(tǒng)，具有一定的局限性。

1 試驗臺初始設(shè)計方案

1.1 設(shè)計要求

試驗臺的設(shè)計制造要求適用于飛機發(fā)動機管件、飛機管件等耐壓試驗，可采用液體進行增壓[4-12]，對提供的液源進行連續(xù)增壓，并輸出穩(wěn)定的壓力值，從而實現(xiàn)增壓、穩(wěn)壓、保壓和排放過程的自動控制。主要性能設(shè)計指標如表1所示。

表1 主要性能設(shè)計指標

1.2 工作原理

液體增壓系統(tǒng)的設(shè)計以氣驅(qū)液體增壓泵為核心，通過驅(qū)動氣源給增壓泵提供動力，把液壓源從低壓輸入轉(zhuǎn)化為高壓輸出，流進試件完成耐壓檢測。整個液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計，如圖1所示。驅(qū)動部分為液體增壓系統(tǒng)提供氣源動力，驅(qū)動氣液增壓泵進行工作；增壓部分使用增壓泵輸出的高壓液體對試件進行耐壓檢測；泄壓部分在系統(tǒng)檢測完成后，完成對系統(tǒng)壓力卸荷；緊急制動部分的主要功能是在系統(tǒng)增壓過程中出現(xiàn)問題時，一鍵停止增壓過程，起到安全保護的作用。

圖1 液壓增壓試驗臺系統(tǒng)原理

1.3 增壓泵的選型計算

根據(jù)試驗臺設(shè)計需要給出試驗條件，如表2所示。

表2 試驗條件

增壓泵是液體增壓系統(tǒng)中最主要的元件。選用合適的增壓泵尤為重要，本文采用的是小流量的氣驅(qū)液體增壓泵。根據(jù)試驗工況特點，計算增壓泵的增壓比k：

式中，p1為氣體壓力，p2為液體輸出壓力。根據(jù)式（1）和工況技術(shù)要求，計算可得增壓比k約為120。

為了確保增壓泵能滿足試驗工況要求，泵的增壓比選用120～150的范圍。采用美國Haskel公司生產(chǎn)的氣驅(qū)液體增壓泵，根據(jù)樣品參數(shù)信息選出額定輸出壓力為103.4MPa，氣體驅(qū)動壓力范圍為0.08～0.7MPa，型號為MS-188的小流量氣驅(qū)增壓泵。

2 AMESim的建模仿真

2.1 系統(tǒng)建模

液壓增壓試驗臺的系統(tǒng)仿真設(shè)計基于圖1系統(tǒng)工作原理圖建立模型。對于AMESim仿真軟件元件庫沒有的元器件如氣驅(qū)增壓泵、氣控針閥、電氣比例閥等，利用AMESim元件設(shè)計庫搭建并與其他的元器件相連，共同構(gòu)建模型。

2.2 增壓泵仿真參數(shù)設(shè)置

液壓增壓系統(tǒng)增壓泵主要參數(shù)設(shè)置詳見表1。

表1 氣液增壓泵具體參數(shù)

3 增壓泵仿真參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)初始方案進行仿真實驗，分別設(shè)定目標壓力10MPa、30MPa以及60MPa進行增壓實驗。由于液體具有不可壓縮性，在實驗后期，試件容腔內(nèi)打入很小體積的液體，都會使壓力發(fā)生很大的變化，因此需要降低每次打壓液體的體積量，即在增壓頻率和液缸截面固定時改變增壓泵的行程，降低增壓泵流量，分析對試件增壓速率的影響。

增壓泵分別給出80mm、50mm、30mm的行程對試件進行10MPa、30MPa增壓實驗，得出綜合增壓速率曲線圖，如圖3和圖4所示。

圖2 液壓增壓仿真系統(tǒng)圖

根據(jù)10MPa、30MPa的增壓速率曲線圖，可以得出結(jié)論：隨著行程的減小，增壓速率的峰值隨之降低，但是增壓時間隨之增加。因此，當增壓頻率和液缸截面不改變時，增壓速率的峰值與行程有關(guān)。行程越小，增壓速率峰值越小。

對試件增壓60MPa通過調(diào)節(jié)增壓泵的增壓行程來降低增壓速率的峰值，達到小于3MPa/s的性能指標要求。

以不同的行程進行試驗，得出80mm、30mm、15mm的行程綜合實驗增壓速率結(jié)果，如圖5所示。

圖3 不同行程下增壓10MPa的綜合增壓速率曲線圖

圖4 不同行程下增壓30MPa的綜合增壓速率曲線圖

圖5 不同行程下增壓60MPa的綜合增壓速率曲線圖

由圖5可以看出，當行程調(diào)到15mm時，增壓速率的最高峰值小于3MPa/s，滿足了性能指標要求，但是達到設(shè)定壓力的時間變長，無法滿足時間要求，所以要通過調(diào)節(jié)增壓頻率來縮短增壓所用的時間。

增壓頻率是由二位四通電磁閥的信號器來控制的。初始方案設(shè)定的是進氣和排氣各3s，達到6s完成一次打壓，頻率為1/6，因此可以縮短進氣和排氣的時間，從而縮短每一次打壓的時間，增加頻率，從而提升增壓泵的出口流量。

增壓泵的行程設(shè)定15mm，給出3組不同的進氣和排氣時間段，對試件進行60MPa增壓。根據(jù)表2進氣和排氣數(shù)據(jù)參數(shù)表進行實驗，實驗結(jié)果如圖6所示。

表2 進氣和排氣數(shù)據(jù)參數(shù)表

圖6 設(shè)定15mm行程下不同頻率的增壓曲線&增壓速率曲線圖

圖6中，c組的增壓速率曲線中部出現(xiàn)空白，是因為打壓頻率轉(zhuǎn)換較快，相當于持續(xù)增壓，換向間隙很小。這在c組的增壓曲線中同樣有所反映。

對比圖6的實驗結(jié)果曲線發(fā)現(xiàn)，隨著頻率變快，增壓時間不斷縮短，增壓速率相對提升，但總體提升不大。而后繼續(xù)縮短排氣和進氣時間，導(dǎo)致進氣和排出的氣體不能充滿整個腔室，推動活塞完成全部行程，使行程縮短，從而再次降低增壓速率。

4 結(jié)語

通過對增壓泵的參數(shù)優(yōu)化，得到了理想的液體增壓實驗曲線，滿足了試驗臺設(shè)計最大增壓速率不大于3MPa/s的技術(shù)要求，并得出以下實驗規(guī)律：

（1）當氣驅(qū)增壓泵的其他參數(shù)不變時，改變增壓泵的行程，則隨著行程的減小，增壓速率的峰值隨之降低，但是增壓時間會隨之增加，由此可以得出增壓速率的峰值與行程有關(guān)，即行程越小，增壓速率峰值越??；

（2）當氣驅(qū)增壓泵的其他參數(shù)不變時，改變增壓泵的頻率，則隨著增壓頻率變快，增壓時間在不斷縮短，而增壓速率也會相對提升，但總體提升不大；而后繼續(xù)縮短排氣和進氣時間，導(dǎo)致進氣和排出的氣體不能充滿整個腔室，推動活塞完成全部行程，使行程縮短，從而會再次降低增壓速率。

上述規(guī)律可廣泛適用于氣、液增壓試驗臺的性能優(yōu)化，同時對試驗臺增壓泵的選型提供參考。