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(jì)決定了液體增壓試驗(yàn)臺的重要性能指標(biāo)。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(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(dòng)式和先導(dǎo)式減壓閥進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性仿真分析，達(dá)到對減壓閥參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整與設(shè)計(jì)；高有山[2]等主要利用AMESim對四配流窗口軸向柱塞馬達(dá)進(jìn)行仿真研究，分析了柱塞馬達(dá)仿真模型的各項(xiàng)特征及負(fù)載特性；蘇萬青[3]等主要對AMESim在氣液增壓泵優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以滿足整個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)為目的進(jìn)行優(yōu)化，因此研究更具有實(shí)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(yàn)臺初始設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)制造要求適用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)管件、飛機(jī)管件等耐壓試驗(yàn)，可采用液體進(jìn)行增壓[4-12]，對提供的液源進(jìn)行連續(xù)增壓，并輸出穩(wěn)定的壓力值，從而實(shí)現(xiàn)增壓、穩(wěn)壓、保壓和排放過程的自動(dòng)控制。主要性能設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2 工作原理

液體增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以氣驅(qū)液體增壓泵為核心，通過驅(qū)動(dòng)氣源給增壓泵提供動(dòng)力，把液壓源從低壓輸入轉(zhuǎn)化為高壓輸出，流進(jìn)試件完成耐壓檢測。整個(gè)液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)部分為液體增壓系統(tǒng)提供氣源動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)氣液增壓泵進(jìn)行工作；增壓部分使用增壓泵輸出的高壓液體對試件進(jìn)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(dòng)部分的主要功能是在系統(tǒng)增壓過程中出現(xiàn)問題時(shí)，一鍵停止增壓過程，起到安全保護(hù)的作用。

圖1 液壓增壓試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理

1.3 增壓泵的選型計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)需要給出試驗(yàn)條件，如表2所示。

表2 試驗(yàn)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(yàn)工況特點(diǎn)，計(jì)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(jì)算可得增壓比k約為120。

為了確保增壓泵能滿足試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)臺的系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別設(shè)定目標(biāo)壓力10MPa、30MPa以及60MPa進(jìn)行增壓實(shí)驗(yàn)。由于液體具有不可壓縮性，在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)行10MPa、30MPa增壓實(shí)驗(yàn)，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(shí)間隨之增加。因此，當(dāng)增壓頻率和液缸截面不改變時(shí)，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(dá)到小于3MPa/s的性能指標(biāo)要求。

以不同的行程進(jìn)行試驗(yàn)，得出80mm、30mm、15mm的行程綜合實(shí)驗(yàn)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(dāng)行程調(diào)到15mm時(shí)，增壓速率的最高峰值小于3MPa/s，滿足了性能指標(biāo)要求，但是達(dá)到設(shè)定壓力的時(shí)間變長，無法滿足時(shí)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(shí)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(jìn)氣和排氣各3s，達(dá)到6s完成一次打壓，頻率為1/6，因此可以縮短進(jìn)氣和排氣的時(shí)間，從而縮短每一次打壓的時(shí)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(jìn)氣和排氣時(shí)間段，對試件進(jìn)行60MPa增壓。根據(jù)表2進(jìn)氣和排氣數(shù)據(jù)參數(shù)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表2 進(jìn)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?yàn)榇驂侯l率轉(zhuǎn)換較快，相當(dāng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線發(fā)現(xiàn)，隨著頻率變快，增壓時(shí)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(jìn)氣時(shí)間，導(dǎo)致進(jìn)氣和排出的氣體不能充滿整個(gè)腔室，推動(dòng)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(shí)驗(yàn)曲線，滿足了試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)最大增壓速率不大于3MPa/s的技術(shù)要求，并得出以下實(shí)驗(yàn)規(guī)律：

（1）當(dāng)氣驅(qū)增壓泵的其他參數(shù)不變時(shí)，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(shí)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，增壓速率峰值越小；

（2）當(dāng)氣驅(qū)增壓泵的其他參數(shù)不變時(shí)，改變增壓泵的頻率，則隨著增壓頻率變快，增壓時(shí)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(jìn)氣時(shí)間，導(dǎo)致進(jìn)氣和排出的氣體不能充滿整個(gè)腔室，推動(dòng)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(yàn)臺的性能優(yōu)化，同時(shí)對試驗(yàn)臺增壓泵的選型提供參考。