長管道液壓沖擊及吸收AMESim仿真分析

任建輝，湯波，姬紅斌，陳念，王進峰

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

長管道液壓沖擊及吸收AMESim仿真分析

任建輝，湯波，姬紅斌，陳念，王進峰

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

為研究蓄能器吸收液壓沖擊的作用，應用AMESim仿真分析平臺，建立帶蓄能器的100 m長等徑直管液壓系統模型，對接入蓄能器前的直接和間接液壓沖擊進行理論計算和仿真分析，結果一致，驗證了仿真模型的正確性。為消除直接液壓沖擊，理論計算得到所需蓄能器的最小容積，對接入蓄能器后的直接液壓沖擊仿真分析表明，計算所得蓄能器容積過小，液壓沖擊吸收效果并不明顯，由此得到蓄能器容積的最優值。

等徑直管;液壓沖擊;蓄能器

在液壓系統中，當管道中的閥門驟然關閉或開啟時產生的液壓沖擊可分為直接或間接液壓沖擊，后者危害性較前者?。?］。液壓沖擊的實質主要是管道中液體動能和壓力能的瞬間相互轉變，利用數值計算可確定產生的沖擊值，通過增大管道的通流面積或減慢閥的換向和關閉速度可以有效地控制液壓沖擊［2］。

蓄能器是液壓系統中的重要輔件，廣泛用于能量存儲、消除脈動或吸收液壓沖擊，其響應能力對改善系統性能具有重要作用。目前采用的蓄能器基礎理論成熟于20世紀70年代，大多數是通過經驗總結的方式得到的［3］，不夠直觀，且應用范圍有限。應用Matlab/Simulink或AMESim仿真平臺，不僅能直觀有效地對液壓沖擊的大小和蓄能器的吸收效果進行仿真分析，而且還可以結合理論計算進行優化［4-5］。

結合液壓沖擊和蓄能器容積的理論計算模型，應用AMESim仿真平臺，對長100 m等徑直管的直接和間接液壓沖擊進行仿真分析。

1 管道中的壓力瞬變計算模型

1．1 直接液壓沖擊計算模型

在等徑直管中，當管端閥門驟然關閉時，運動著的油液沖擊關閉了閥門，將動能轉變為壓勢能，最大壓力升高為［1］

式中:p0——管中原來的工作壓力;

ρ——油液密度;

υ——管中油液流動時的平均速度;

a——油液中壓力波傳播速度;

K——油液彈性模量;

E——管材彈性模量;

d——管道內徑;

δ——管道壁厚。

當管端閥門驟然開啟時，出現的最大壓力降低為

1．2 間接液壓沖擊計算模型

管道中壓力波來回一次所需時間(相長)為

式中:L——管道長度。

當管端閥門實際開啟或關閉時間t大于相長tc時，可視為“慢”關或“慢”開，產生的壓力升高或降低均小于驟時開關的最大值。當管端閥門“慢”關時，最大壓力升高為

當管端閥門“慢”開時，出現的最大壓力降低為

2 管道中的壓力瞬變仿真分析

2．1 仿真模型的建立

在仿真平臺AMESim中構建的長管道液壓沖擊仿真模型見圖1。

仿真模型中主要元件的參數設置見表1。

圖1 長管道液壓沖擊仿真模型

表1 仿真模型主要元件參數

2．2 仿真時序的設置

接入蓄能器前的液壓系統仿真時序設置見表2。

表2 仿真時序

根據式(2)、(4)和表1中設置參數可得，管道中壓力波相長為tc=0.147 s。在仿真時序中，將節流截止閥開啟、關閉時間調整為0.294 s，可模擬管道中的間接液壓沖擊。

當電磁換向閥5失電或得電時，分別為接入蓄能器前、后的液壓沖擊仿真模型。

2．3 接入蓄能器前的壓力瞬變仿真分析

節流截止閥前在開啟和關閉時間為0.010 s和0.294 s的壓力變化曲線見圖2。

圖2 節流截止閥前壓力變化

圖2 a)表明，最低、最高壓力分別為17.6 MPa和32.5 MPa;由式(1)～(3)計算所得直接液壓沖擊的最低、最高壓力分別為19.8 MPa和29.9 MPa。由圖2b)可知，最低、最高壓力分別為22.2 MPa和27.3 MPa;由式(5)～(8)計算所得間接液壓沖擊最低、最高壓力分別為22.3 MPa和26.8 MPa。

通過理論計算和仿真分析可知，直接液壓沖擊明顯大于間接液壓沖擊，且仿真分析結果與理論計算結果的最大偏差為11.1%(直接液壓沖擊最低壓力)，驗證了仿真模型和計算模型相符。

2．4 接入蓄能器后的壓力瞬變仿真分析

通過在節流截止閥前設置蓄能器，可以有效地吸收閥開啟和關閉時的液壓沖擊。

節流截止閥完全開啟時，閥前壓力為24 MPa，因此蓄能器的充氣壓力設定為21.7 MPa。蓄能器的最小容積為［6］

式中:q——閥門關閉前管內流量;

A——管道過流面積;

p3——蓄能器的充氣壓力;

p5——允許的最大壓力，取p5=26.4 MPa;

p4——閥門關閉前的壓力。

k——等熵系數，取k=1．4。

代入參數得V0=0.94 L。

接入有效容積為1 L的皮囊式蓄能器后，節流截止閥前在開啟和關閉時間為0.01 s時的壓力變化曲線見圖3。

圖3 節流截止閥前壓力變化(V0=1 L)

由圖3可知，最低、最高壓力分別為18.8和30.5 MPa，液壓沖擊小于接入蓄能器前，但效果并不明顯。

蓄能器容積變化見圖4。由圖可知，當節流截止閥驟然開啟、關閉，蓄能器向外排油時，實際最大工作容積達到1 L，皮囊與蓄能器排油口發生碰撞。蓄能器有效容積過小，不僅無法有效地吸收液壓沖擊，而且影響使用壽命。

圖4 蓄能器容積變化(V0=1 L)

通過調整蓄能器的有效容積，最終得到當其為7 L時，液壓沖擊吸收效果明顯，且蓄能器實際工作容積小于有效容積。接入有效容積為7 L的皮囊式蓄能器后，節流截止閥前壓力和蓄能器容積變化見圖5、6。

圖5 節流截止閥前壓力變化(V0=7 L)

圖6 蓄能器容積變化(V0=7 L)

由圖5可知，最低、最高壓力分別為22.1 MPa和27.6 MPa，液壓沖擊吸收效果明顯，振蕩過程短暫，具有良好的動態特性。由圖6可知，蓄能器的最大工作容積為6.9 L，接近有效容積，實際選用時還需考慮一定的安全裕量。

3 結論

液壓沖擊現象是液壓系統中普遍存在的問題，應用AMESim仿真分析平臺，得到的長等徑直管液壓沖擊大小與理論計算結果相一致，且前者能夠直觀地顯示壓力波動的整個過程，后者僅能得到過程中的極值。

蓄能器可以有效地吸收液壓沖擊，理論計算得到的蓄能器容積值較小，實際應用時應考慮一定的安全裕量，否則不僅無法有效地吸收液壓沖擊，還會影響蓄能器的使用壽命。

通過理論計算和仿真分析，可以得到不同容積蓄能器吸收相同液壓沖擊的效果和蓄能器容積大小的最優值，作為液壓系統沖擊試驗及消除的理論參考依據。

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［2］李寧，張玉峰，王建成.液壓系統沖擊的分析與控制［J］.機床與液壓，2007(4):149-151.

［3］孔祥東，權凌霄.蓄能器的研究歷史、現狀和展望［J］.機床與液壓，2004(10):4-6.

［4］權凌霄，孔祥東，高英杰，等.不考慮進口特性的蓄能器吸收沖擊理論及試驗［J］.機械工程學報，2007 (9):28-31.

［5］王君，黃慶學，韓賀永.液壓滾切剪液壓系統壓力沖擊研究［J］.機床與液壓，2014(1):37-39.

［6］李壯云.液壓元件與系統(第三版)［M］.北京:機械工業出版社，2012.

Simulation Analysis of Pressure Pulsation and Absorbing for Long Hydraulic Pipeline with AMESim

REN Jian-hui，TANG Bo，JI Hong-bin，CHEN Nian，WANG Jin-feng
(Wuhan Marine Machinery Plant Co.Ltd，Wuhan 430084，China)

In order to study the pressure pulsation absorbing of hydraulic accumulator，a hydraulic system with 100 m straight pipelines of the same diameter is established in AMESim.Both direct and indirect pressure pulsation are calculated theoretically and simulated in the system without accumulator，the results are almost the same and prove the validity of the simulation model.To absorb the direct pressure pulsation，minimal volume of the accumulator is calculated theoretically，and simulated in the system with accumulator，which shows that the volume is too small to absorb the pulsation effectively.The optimized volume of the accumulator is achieved through simulation.

long straight pipeline;hydraulic pressure pulsation;accumulator

TH137

A

1671-7953(2015)02-0044-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.011

2014-08-28

修回日期:2014-09-24

國家發改委研發項目

任建輝(1980-)，男，學士，工程師

研究方向:船用起重機液壓系統開發設計

E-mail:whcj@wmmp.com.cn