基于AMESim的先導式減壓器性能仿真分析

任志彬，王宗偉，常志鵬，張 杰，崔 品

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基于AMESim的先導式減壓器性能仿真分析

任志彬，王宗偉，常志鵬，張 杰，崔 品

（空間物理重點實驗室，北京，100076）

選擇先導式減壓器設計方案，進行靜態特性計算。使用工程系統仿真高級建模環境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）對靜態及動態特性進行仿真分析。仿真結果表明，不同結構要素需合理設置，以保證減壓器性能滿足要求。

先導式減壓器；靜態特性；動態特性；仿真；AMESim

0 引 言

導彈/運載火箭/航天器增壓輸送系統能夠為發動機系統提供具有一定壓力、不間斷、無夾氣的推進劑。增壓系統主要由氣源、充氣閥、電爆閥、減壓器、電磁閥、過濾器、保險閥、單向閥、壓力信號器、手動開關、測壓管等組成。其中，減壓器是系統中的重要單機，其功能是將高壓氣體減壓，使出口氣體的壓力穩定在貯箱氣枕要求的壓力范圍內。在零流量的工況下，減壓器自行鎖閉，保持閥口密封。減壓器能否正常工作，關系到增壓輸送系統乃至整個動力系統能否完成任務，從而影響全彈飛行試驗的成敗。本文對減壓器的主要參數進行設計計算（文中壓力數據若無特殊說明均為絕壓），使用工程系統仿真高級建模環境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）進行性能仿真分析。

1 減壓器設計方案

減壓器的設計要求如下：

a）工作介質：氮氣；

b）進口壓力：（1.5±0.3）MPa（表壓）；

c）出口壓力：額定流量時（0.37±0.01）MPa，鎖閉壓力為（0.38+0.01） MPa；

d）工作溫度：185~423 K；

e）環境溫度：233~323 K；

f）額定流量：30 g/s；

g）最小流量：1.5 g/s。

減壓器的結構型式較多，選擇時需根據工作流量、進口壓力變化范圍、出口壓力及其偏差、環境條件、工作及貯存壽命以及可靠性等方面來考慮。對于給定一組參數的減壓器設計要求，可能有幾種型式可供選擇，應從性能、結構復雜程度、外形尺寸及制造成本等方面進行綜合評價。

根據設計要求，所需減壓器的出口壓力不高，進口壓力變化范圍不大（上游設有一級減壓器），但穩壓精度要求很高，額定流量屬于中等流量。綜合各方面因素，并充分繼承成熟產品的結構方案和技術，最終確定采取逆向先導式方案進行設計，方案原理如圖1所示。

圖1 逆向先導式減壓器方案原理

該減壓器的工作原理如下：在給定進口壓力1時，改變調節彈簧的壓縮量，彈簧力作用到副閥芯上，使副閥芯開啟某一高度，高壓氣體經過副閥芯與副閥座之間的環形面積，被節流減壓后進入中間腔3，建立中間壓力3，推動柱塞使主閥芯開啟至某一高度，高壓氣體經過主閥芯與主閥座之間的環形面積，被節流減壓后進入低壓腔，建立出口壓力2，并輸出額定流量。低壓腔內的氣體壓力2作用在膜片上，與調節彈簧的作用力相平衡。隨著氣體消耗，氣瓶壓力不斷降低，若閥芯開度不變，則出口壓力將隨進口壓力降低而降低，這樣作用在膜片上的力就相應減小，力的平衡破壞，結果使副閥芯開度增加，中間壓力隨之升高，使主閥芯開度增加，從而保持出口壓力穩定在調整值。如果下游流量增大（或減小），則導致從減壓器流出的流量大于（或小于）流入減壓器的流量，出口壓力將會降低（或升高），作用在膜片上的力相應減小（或增大），使副閥芯開度增加（或減小），中間壓力隨之升高（或降低），使主閥芯開度增加（或減小），出口壓力隨之升高（或降低），從而使出口壓力穩定在調整值。

2 減壓器性能仿真分析

AMESim是基于鍵合圖的液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析軟件，它為用戶提供了一個時域仿真建模環境，可使用已有模型和（或）建立的新的子模型元件，構建優化設計所需的實際原型，采用易于識別的標準ISO圖標和簡單直觀的多端口框圖建立復雜系統及所需的特定實例，可修改模型和仿真參數進行穩態及動態仿真、繪制曲線并分析仿真結果[1~5]。

使用AMESim軟件對先導式減壓器的性能進行仿真和分析。利用軟件提供的相關庫中的元件搭建先導式減壓器的仿真模型，如圖2所示[6~9]。

圖2 AMESim中先導式減壓器仿真模型

2.1 靜態特性仿真

減壓器的靜態特性，指介質在穩定流動狀態下，減壓器出口壓力2隨流量和進口壓力1的變化情況，分為壓力特性和流量特性。壓力特性指在穩定流動狀態下，當流量等參數不變時，減壓器出口壓力隨進口壓力變化的關系。當出口壓力偏差相對于額定出口壓力的百分比大于10%時為低精度；5%~10%時為中等精度；小于2%時為高精度。流量特性指在穩定流動狀態下，當進口壓力等參數不變時，減壓器出口壓力隨流量變化的情況，精度劃分與壓力特性類似[10,11]。

2.1.1 設計點仿真

在AMESim環境中，按所設計的結構參數為圖2中各模塊賦值，各參數設置如表1所示。

對先導式減壓器的靜態流量特性進行仿真。由于進口壓力變化范圍很小，未作壓力特性的仿真。仿真結果如圖3所示。

表1 AMESim靜態仿真參數設置

圖3 先導式減壓器靜態流量特性曲線

從圖3可以看出，流量特性比較平穩，最大偏差為1.66×10-4MPa，小于設計要求偏差范圍的1/4。

對零流量下的鎖閉壓力進行仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 先導式減壓器鎖閉壓力曲線

由圖4可知，零流量時鎖閉壓力約為0.374 8 MPa，低于設計要求值，但對于鎖閉壓力的要求，實質上只要不超過某一上限值即可滿足要求。因此，該減壓器模型靜態特性滿足設計要求。

2.1.2 剛度的影響

彈性元件的總剛度是影響減壓器靜態特性的重要因素之一。總剛度由調節彈簧、復位彈簧和膜片的剛度疊加而得。對不同剛度下的靜態流量特性進行仿真，結果如圖5所示。

圖5 不同剛度K下靜態流量特性曲線

從圖5可以看出，剛度越大，出口壓力2的正偏差越大。設計時需要合理控制彈性元件的總剛度，使得出口壓力2的偏差小于設計要求偏差的1/4。

2.1.3 膜片有效面積的影響

膜片是減壓器的敏感元件，其有效面積大小直接影響減壓器的穩壓精度。對不同膜片有效直徑下的靜態特性進行仿真，結果如圖6所示。

圖6 不同膜片有效直徑D下靜態流量特性曲線

從圖6可以看出，在其他結構參數不變的情況下，膜片的有效面積越大，出口壓力2的穩態值越小，而且超出設計要求容許的范圍。因此，設計時需要在閥體內外尺寸的約束下，盡量優先確定膜片有效面積，再以此為依據，確定其他結構的尺寸值，以免使膜片有效面積的選擇范圍太小，無法滿足靜態特性的要求。

2.2 動態特性仿真

減壓器的動態特性指在流量波動、壓力突變等干擾因素作用下，減壓器出口壓力的穩定性，常見的有減壓器啟動過程或在振動和過載條件下工作的穩定性。當減壓器受到干擾，使出口壓力偏離平衡位置時，減壓器具有使之恢復到平衡值的能力。減壓器中運動件自身的質量，在運動中將產生一定的慣性；運動件和固定件之間的摩擦阻力，致使閥芯動作滯后，而滯后和彈性系統振動與阻尼是相互制約或激勵的，此過程時間長短、強度均不確定，將出現諧振[10, 11]。

通常情況下，為了改善動態特性而對某些結構參數做出的改動，將使靜態特性變差，因此，合理設計減壓器結構是綜合考慮靜態與動態特性的優化設計過程，最終得到的結構應同時使靜態與動態特性達到相對最優的程度。

2.2.1 剛度的影響

將進口壓力1設置為階躍值，對出口壓力2隨時間的變化情況進行仿真。不同剛度下的動態特性如圖7所示。

圖7 不同剛度K下動態特性曲線

從圖7可以看出，剛度越大，出口壓力2振蕩頻率越高，振幅越小；反之，則出口壓力2振蕩頻率越低，振幅越大。設計時需要合理控制彈性元件的總剛度，使其同時滿足靜態特性和動態特性的需求。

2.2.2 反饋孔大小的影響

出口壓力2需要在膜片上與相關零件形成力平衡，達到穩壓的目的。低壓氣體可以直接作用在膜片上，也可以通過小尺寸的反饋孔間接作用在膜片上，這由減壓器的具體結構形式及參數決定。對該減壓器進行不同反饋孔徑c下的動態特性仿真，結果如圖8所示。

圖8 不同反饋孔徑下動態特性曲線

從圖8可以看出，反饋孔徑c的大小對出口壓力2振蕩頻率和振幅的影響均不大。

2.2.3 運動件質量的影響

運動件的質量決定運動時的慣性力，將影響系統的自激振蕩。對不同質量下的動態特性進行仿真，結果如圖9所示。

圖9 不同質量下動態特性曲線

從圖9可以看出，質量為1kg時，出口壓力2振蕩頻率較高，振幅較大；質量為0.1kg和0.01kg時，出口壓力2振蕩頻率和振幅基本相當。實際中，運動件的質量不可能達到1kg的量級，因此對動態特性的影響可以不考慮。

2.2.4 運動件阻尼的影響

阻尼包括兩種：一種是第2.2.2節所述的帶反饋孔的阻尼腔；另一種是運動件的摩擦阻尼。對仿真模型中的質量模塊設置不同的阻尼值進行仿真，結果如圖10所示。

圖10 不同阻尼下動態特性曲線

從圖10可以看出，阻尼過小會引起振蕩，且阻尼越小振蕩越劇烈，因此設計時要盡量增大阻尼。

2.2.5 低壓腔容積的影響

對不同低壓腔容積e下的動態特性進行仿真，結果如圖11所示。

圖11 不同低壓腔容積下動態特性曲線

從圖11可以看出，更大的低壓腔容積e將引起超調和振蕩，同時延長建壓至穩態值的時間。事實上，與閥體內的低壓腔容積e相比，系統下游管路和容器的容積對建壓時間的影響更大。

2.2.6 柱塞阻尼孔的影響

為了改善動態特性，可以在柱塞上設置阻尼孔。對不同柱塞阻尼孔徑3下的動態特性進行仿真，結果如圖12所示。

圖12 不同柱塞阻尼孔徑下動態特性曲線

從圖12可以看出，柱塞阻尼孔徑3越大，動態穩定性越差。因此設計時應盡量減小柱塞阻尼孔徑3。

2.2.7 中間壓力容積的影響

中間壓力3通過閥體內的通道作用在柱塞背面的容腔3內（見圖）。對不同中間壓力容積3下的動態特性進行仿真，結果如圖13所示。

圖13 不同中間壓力容積下動態特性曲線

從圖13可以看出，更大的中間壓力容積3將延長建壓至穩態值的時間，但不會引起超調和振蕩。

3 結 論

根據增壓輸送系統的要求，對先導式減壓器進行方案設計和靜態特性計算。使用AMESim軟件對減壓器的性能進行了仿真分析，包括靜態特性和動態特性。仿真結果表明：

a）所設計的減壓器在設計點上能夠滿足靜態特性要求，不同的剛度和膜片有效面積會對靜態特性產生一定的影響，仿真結果為剛度和膜片有效面積的選擇提供了參考方向。

b）選取不同參數的組成件對動態特性有不同的影響，其中反饋孔大小的影響較小，可以不考慮；剛度對動態特性的影響與靜態特性恰好相反，因而設計時需要合理剛度，使其同時滿足靜態特性和動態特性的要求；質量只要足夠小的運動件，即可消除其對動態特性的影響；運動件阻尼、低壓腔容積、柱塞阻尼孔徑及中間壓力容積均需合理選擇確定，以滿足要求。

減壓器作為導彈/運載火箭/航天器增壓輸送系統的重要單機，在系統中對高壓氣體起減壓、穩壓的作用。無論以何種模式失效，都將影響衛星等航天器的壽命，甚至導致飛行任務的失敗。因此，設計開發性能優良、穩定、可靠的宇航級減壓器是增壓輸送系統設計的重要工作之一。而仿真軟件的應用，可縮短設計開發的周期、提高研制效率、優化產品性能、降低成本，對減壓器等閥門單機產品的研發具有重要意義。

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Performance Simulation Analysis of Pilot Pressure Reducer Based on AMESim

Ren Zhi-bin, Wang Zong-wei, Chang Zhi-peng, Zhang Jie, Cui Pin

(Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076)

Design program of pilot pressure reducer was chosen to complete the static feature calculation. AMESim software was used for the simulation analysis of static and dynamic features. The simulation result showed that different structure elements should be set up appropriately to guarantee the performances of pressure reducer.

Pilot pressure reducer; Static feature; Dynamic feature; Simulation; AMESim

1004-7182(2016)02-0081-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160218

V432

A

2014-11-04；

2015-10-09

任志彬（1980-），男，高級工程師，主要從事飛行器動力系統研究