基于AMESim的容積式高壓氣體減壓系統(tǒng)的仿真研究

王文彪，談樂(lè)斌，潘孝斌

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

目前，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入中后期階段，資源短缺、環(huán)境污染成為制約工業(yè)發(fā)展的主要瓶頸［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的汽車保有量已突破1.2億輛，傳統(tǒng)汽車在消耗大量石油資源的同時(shí)，其排放的尾氣也成為大氣的主要污染源之一。

氣動(dòng)汽車以壓縮氣體作為動(dòng)力源，壓縮氣體可由電能制得，且其在行駛過(guò)程中無(wú)有毒氣體排放。為了延長(zhǎng)氣動(dòng)汽車的行駛路程并減小占用空間，采用高壓儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存氣體，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓高達(dá)30 MPa，而氣動(dòng)執(zhí)行元件的工作氣壓為1 MPa左右，所以氣體從儲(chǔ)氣罐到氣動(dòng)執(zhí)行元件有一個(gè)減壓過(guò)程［2］。常規(guī)的節(jié)流減壓通過(guò)使高壓氣體在流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生摩擦功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)的，會(huì)產(chǎn)生不可逆的能量損失［3－6］。為了減小減壓過(guò)程中的能量損失，使高壓氣體通過(guò)自由膨脹來(lái)減小壓力，其理論依據(jù)是:在氣體質(zhì)量不變的情況下，其容積增大后，壓力會(huì)降低。儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體的壓力在使用過(guò)程中會(huì)逐漸降低，為了使減壓后的氣體維持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，采用分級(jí)減壓的方式，隨著儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力的變化通過(guò)控制器調(diào)整總降壓比。另外，在減壓過(guò)程中使氣體從外界環(huán)境中吸收熱量，根據(jù)熱力學(xué)規(guī)律，氣體的溫度和壓力將升高，可使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更多的機(jī)械能［7］。

作者針對(duì)氣動(dòng)汽車的減壓特征提出一種高壓氣體減壓系統(tǒng)，并利用AMESim作為仿真平臺(tái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析［8］。在AMESim中建立減壓系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了仿真模型的正確性，并展開(kāi)進(jìn)一步的仿真研究，研究模型中的參數(shù)變化對(duì)減壓系統(tǒng)的影響。

1 建立減壓系統(tǒng)仿真模型

圖1所示為減壓系統(tǒng)的原理圖。

結(jié)合圖1說(shuō)明減壓系統(tǒng)的工作過(guò)程:氣缸3、電磁感應(yīng)器6、電磁感應(yīng)器9和電磁開(kāi)關(guān)閥12組成第一減壓系統(tǒng)。在第一減壓系統(tǒng)參與減壓的過(guò)程中，氣缸的有桿腔始終與儲(chǔ)氣罐保持聯(lián)通，在工作時(shí)，隨著無(wú)桿腔內(nèi)氣體的排出，活塞向左移動(dòng)，當(dāng)氣體快排凈，活塞移至左端時(shí)，電磁開(kāi)關(guān)9被激發(fā)，并傳出信號(hào)將氣體開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓氣體快速進(jìn)入無(wú)桿腔并，由于活塞兩側(cè)的工作面積差，推動(dòng)活塞移動(dòng)，同時(shí)有桿腔內(nèi)的高壓氣體回流至氣罐，當(dāng)活塞移動(dòng)一段距離時(shí)，激發(fā)電磁開(kāi)關(guān)6，傳出信號(hào)將氣體開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，無(wú)桿腔內(nèi)的氣體通過(guò)自由膨脹減壓并將有桿腔中的氣體壓回至氣罐，假設(shè)兩端受壓面積比為2∶1，則平衡后無(wú)桿腔內(nèi)氣體壓力下降接近至儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力的一半，即達(dá)到了減壓目的，此后將減壓過(guò)的氣體導(dǎo)出再進(jìn)行做功減壓后的氣體導(dǎo)入下一級(jí)，如此循環(huán)。根據(jù)該原理，減壓后的氣體壓力與容積膨脹率、活塞兩側(cè)工作面積比及氣體溫度等參數(shù)相關(guān)，通過(guò)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使減壓后的氣體達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力。在減壓過(guò)程中，氣體通過(guò)電磁換向閥后進(jìn)入減壓系統(tǒng)進(jìn)行減壓，或是直接進(jìn)入下個(gè)電磁換向閥。圖中連接狀態(tài)為三級(jí)減壓系統(tǒng)串聯(lián)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體依次經(jīng)過(guò)第一減壓系統(tǒng)、第二減壓系統(tǒng)、第三減壓系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)減壓后導(dǎo)出。

圖1 減壓系統(tǒng)工作原理圖

主要元件的初始參數(shù)設(shè)置:(1)氣缸3缸徑100 mm、桿徑70.71 mm，氣缸4缸徑100 mm、桿徑81.65 mm，氣缸5缸徑100 mm、桿徑89.44 mm，氣缸行程0.2 m;(2)儲(chǔ)氣罐容積20 L，初始?jí)毫?4 MPa;(3)執(zhí)行氣缸缸徑62 mm，桿徑12 mm，氣缸行程0.2 m。

在平衡狀態(tài)下無(wú)桿腔與有桿腔的壓力關(guān)系為

式中:p1為有桿腔氣體壓力;p2為無(wú)桿腔氣體壓力;k為氣缸的減壓比;D1為減壓氣缸缸徑;D2為活塞桿桿徑。

由初始參數(shù)可得第一減壓系統(tǒng)、第二減壓系統(tǒng)、第三減壓系統(tǒng)的減壓比分別為1/2、1/3、1/5。

儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力會(huì)隨著氣體的排出而逐漸減小，在減壓過(guò)程中壓力傳感器將壓力信號(hào)傳到控制器，控制器通過(guò)電磁換向閥來(lái)控制回路的切換。如:當(dāng)壓力在18～24 MPa時(shí)，控制器將三個(gè)電磁閥切換到右位;當(dāng)壓力為9～18 MPa時(shí)，控制器將電磁換向閥15切換到左位，其余右位。

2 系統(tǒng)仿真與分析

由于儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體的壓力會(huì)隨著氣體的排出逐漸減小，所以在減壓過(guò)程中通過(guò)控制器控制電磁換向閥切換，改變各個(gè)氣缸的連接。不同壓力下氣缸的連接狀況如表1所示。

表1 不同壓力下氣缸的連接狀態(tài)

當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力＜2 MPa時(shí)，關(guān)閉氣體開(kāi)關(guān)閥。

設(shè)置仿真時(shí)間為400 s，仿真間隔為0.1 s。

圖2所示為在AMESim中建立的減壓系統(tǒng)的仿真模型。

圖2 減壓系統(tǒng)仿真模型

2.1 減壓系統(tǒng)的減壓效果

圖3所示為絕熱條件下儲(chǔ)氣罐和各級(jí)氣缸無(wú)桿腔出氣口壓力隨時(shí)間的變化。

圖3 儲(chǔ)氣罐與各級(jí)氣缸出氣口壓力隨時(shí)間的變化曲線

可以看出在儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體壓力不斷減小的過(guò)程中，最終減壓后的氣體壓力都維持在0.6～1.2 MPa。

2.2 與外界環(huán)境的熱交換對(duì)減壓系統(tǒng)的影響

高壓氣體在膨脹過(guò)程中溫度會(huì)降低，通過(guò)與外界環(huán)境的熱交換可以提高氣體內(nèi)能，增加氣體可用功，但由于一般作為執(zhí)行元件的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于其轉(zhuǎn)速較高，換熱時(shí)間很短，因此可以吸收的能量很少［9］。

在作者提出的高壓氣體減壓系統(tǒng)中，所利用的往復(fù)式活塞氣缸的運(yùn)動(dòng)周期較長(zhǎng)，有較為充足的換熱時(shí)間，如圖4所示為第一氣缸活塞的位移曲線。

圖4 第一氣缸活塞的位移變化曲線

為了驗(yàn)證減壓過(guò)程中與外界環(huán)境的熱交換對(duì)氣體溫度與能量的影響，改變仿真模型參數(shù)，分別設(shè)置氣缸的熱交換系數(shù)h為0 W/(m2·K)、50 W/(m2·K)、200 W/(m2·K)，仿真得到減壓系統(tǒng)出氣口氣體溫度，如圖5所示。在仿真模型中通過(guò)減壓系統(tǒng)末端的能量感應(yīng)器與積分器檢測(cè)排出氣體的機(jī)械能，如圖6所示。

圖5 減壓系統(tǒng)出氣口氣體溫度的變化曲線

圖6 減壓系統(tǒng)末端氣體機(jī)械能的變化曲線

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出相比絕熱減壓過(guò)程，充分的與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換可以提高減壓后氣體的溫度，增加氣體的可用功。

2.3 氣缸缸徑的改變對(duì)減壓結(jié)果的影響

為了使減壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、減小空間占用，所以需要盡可能減小氣缸尺寸，改變減壓氣缸的直徑，取缸徑為25 mm，并根據(jù)減壓比選擇相應(yīng)的桿徑，取桿徑分別為17.68 mm，20.41 mm，22.36 mm，氣缸行程0.2 m，取熱交換系數(shù)h=200 W/(m2·K)。

比較仿真結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7 減壓系統(tǒng)出氣口氣體壓力的變化曲線

圖8 減壓系統(tǒng)出氣口排出的氣體機(jī)械能的變化曲線

通過(guò)仿真曲線可以看出，在于外界環(huán)境有充足熱交換的情況下，減壓氣缸缸徑的變化對(duì)減壓系統(tǒng)的減壓效果影響較小。

3 結(jié)論

利用AMESim對(duì)容積式高壓氣體減壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得出如下結(jié)論:

(1)利用容積式高壓氣體減壓系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體進(jìn)行減壓，隨著儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體不斷排出、氣體壓力逐漸減小的情況下，減壓后的氣體都能維持在一定范圍內(nèi)。

(2)氣體在膨脹減壓后溫度會(huì)降低，在減壓過(guò)程中使氣體通過(guò)氣缸與外界進(jìn)行熱交換，可以提高氣體溫度，增加氣體的可用功。

(3)通過(guò)仿真研究，可以為合理的設(shè)計(jì)減壓系統(tǒng)的元件提供理論依據(jù)。

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