基于AMESim的隔膜泵沖洗系統仿真與優化

張國峰

摘 要：該文首先對AMESim軟件做了簡要介紹，然后以隔膜泵沖洗系統為研究對象，建立了基于AMESim的仿真模型，通過對沖洗系統油量及噴射距離進行仿真計算來實現結構的優化。所得結論對隔膜泵液壓控制系統設計研發具有一定的理論指導意義。

關鍵詞：沖洗系統；AMESim；仿真模型

中圖分類號：TB301 文獻標志碼：A

0 引言

近幾年隨著隔膜泵在石油化工項目、遠距離管道輸送項目等應用領域的拓展，各泵型規格不斷擴大與完善，優化產品質量成為隔膜泵設計的重點攻關項目之一。優化產品質量首先應從設計角度出發，提高設計理論，改進設計方法，研發設計工具，改變設計觀念?，F代設計方法可以概括為力求運用現代應用數學、應用力學、微電子學及信息科學等方面的最新成果與手段實現6個方面的轉化。

（1）以動態取代靜態：象利用AMESim對隔膜泵液壓控系統進行仿真計算。

（2）以定量取代定性：象利用ANSYS計算隔膜泵強度及結構尺寸。

（3）以優化設計取代可行性設計：象利用相關的設計變量建立合理的數學模型，從眾多的可行方案中尋求最優方法。

（4）以并行設計取代串行設計：象依據隔膜泵總體設計方案，進行所屬部裝設計。

（5）以微觀取代宏觀：象潤滑理論中的微—納米摩擦學。

（6）以自動化設計取代人工設計：按照集成化與智能化的要求，充分利用軟件設計代替人工設計。

1 AMESim簡介

AMESim最早由法國Imagine公司于1995年推出，2007年被比利時LMS公司收購。LMS Imagine.Lab AMESim即多學科領域復雜系統建模仿真平臺，用戶可以在這個平臺上建立復雜的多學科領域的系統模型，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，也可以在這個平臺上研究任意元件或系統的穩態和動態性能。象在燃油噴射、制動系統、動力傳動、液壓系統、機電系統和冷卻系統中的應用等。

在AMESim中共有4個應用庫用于隔膜泵液壓控制系統仿真，分別是液壓庫（HYD）、液壓閥庫（HSV）、液壓元件設計庫（HCD）及液阻庫（HR），這些液壓庫在應用方面完全相互兼容。

HYD是液壓管路仿真的基礎液壓庫，主要由一些用于仿真液壓系統的內置元件組成。

HSV主要用在液壓管路中各處控制閥的應用庫中。

HCD是由基本幾何結構單元組成的基本元素庫，該元素庫非常適合對非標液壓元部件的動態特性進行建模和分析。

HR用在液壓管路中各處的壓力損失和流量分布計算的應用庫中。

2 基于AMESim的沖洗系統仿真與優化

隔膜泵沖洗系統在隔膜泵正常工作過程中，能提供穩定的沖洗油量和適當的噴射距離，最終對活塞油缸起到冷卻和潤滑的效果。該文以某隔膜泵項目為例，通過沖洗系統在優化前和優化后仿真曲線的對比來說明AMESim對系統優化起到的作用。

2.1 建模原理圖（圖1、圖2）

2.2 仿真流量曲線

在建模過程中，采用了同一流量源，所以從圖3和圖4中可以看出在0.1 s后流量達到穩定狀態。圖3中1室流量為2、3室流量的4倍，2、3室流量差值為0.2 L/min，所以在圖3中2室流量曲線和3室流量曲線基本形成重合狀態。該結構的沖洗系統流量均勻性相對較差，而從圖4可以看出其流量分配比優化前要均勻，各室流量差值為1 L/min左右，而且在實際中能達到相對較好的沖洗效果。

對于油液的噴射距離，可依據射流軌跡法原理進行計算，在此以優化后結構1室為例進行計算，如圖5所示，在忽略空氣阻力且壓力近似為0時，孔口射流距離x0=v0t，由于沖洗系統屬于直通管油液噴射，此處H=0，在考慮管內壓力時，將壓力作用下油液的噴射距離與壓力為0時的射流距離進行疊加，得到的最終結果就是油液的實際噴射距離。

根據仿真結果能得到v0和p0隨時間的特性曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6知，在0.1 s后流速達到穩定狀態，所以x0=v0

t=3.9×0.1=0.39m，

由公式

所以1室油液噴射距離 x=x0+x1=0.855m=855mm。同理可計算出2室、3室的噴射距離，見表1。

3 結論

AMESim不僅在隔膜泵液壓元件設計中起到指導作用，而且在液壓系統優化中提供了關鍵的理論依據。該文利用AMESim對隔膜泵沖洗系統油量及噴射距離的仿真計算，實現了沖洗系統的結構優化，對隔膜泵液壓控制系統設計研發具有一定的理論指導意義，為優化隔膜泵設計，使設計方法向多元化發展提供有力的依據。

參考文獻

[1]付永領，祁曉野. LMS Imagine .Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京：航空航天大學出版社，2011.

[2]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]喬中華.流體力學[M].太原：山西科學技術出版社，2001.

[4]何存興.液壓元件[M].北京：機械工業出版社，1982.

[5]楊叔子，楊克沖.機械工程控制基礎[M].武漢：華中科技大學出版社，2005.