基于AMESim的定壓差吹除閥仿真

賈原杰，廖義德，杜彰偉，梅 佳

武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205

水下航行器需長時間潛行在海水中執行任務，這必定會產生大量的生活污水，若長時間攜帶污水會造成艇內空氣質量惡化以及大量額外燃料損耗。目前國內水下排污系統是利用壓縮空氣直接擠壓貯容器內污水，通過管道將污水排入海洋，由于貯容器與舷外海水的壓差是隨機變量，而壓縮氣體壓力恒定，不能隨下潛深度變化而變化，導致在污水排出的同時，伴隨有恒定壓力的壓縮氣體直接噴入到海水中，產生大量氣泡和噪聲，對水下航行器的隱蔽性產生嚴重影響。因此對水下污水進行定壓差吹除是實現快速吹除、降低排污噪聲和提高隱蔽性的重要途徑。

目前關于吹除閥的研究報道甚少，國內也尚處于起步階段。謝江輝等基于CFD仿真技術［1］，對帶有不同閥芯結構及不同進口結構的船用吹除閥進行數值研究，深入分析不同設計方案下，閥芯結構及進口結構對吹除閥性能特性的影響，并給出了閥芯結構優化建議。夏極等［2］基于AMESim技術建立仿真模型，對吹除閥的動態特性進行系統的分析研究。楊凱［3］研制了一種帶壓差控制功能的超高壓氣動吹除閥，并就其工作原理及流程做了詳盡的介紹及分析。本文介紹了一種新型定壓差氣動吹除閥，并基于AMESim技術建立仿真模型，系統分析研究了吹除閥的動態特性及各參數對吹除閥工作性能的影響。最后，仿真結果表明：定壓差吹除閥出口壓力穩定，閥芯動態響應靈敏；通過改變彈簧剛度和彈簧預壓縮量，可以調節吹除閥壓差的控制范圍；吹除閥的壓差大小會隨氣源壓力和舷外海水壓力的變化而有所波動，但波動幅度均在壓差控制精度范圍以內，并且降低舷外海水壓力或提高氣源壓力，可以有效縮短吹除時間，提高工作效率。

1 定壓差吹除閥的工作原理

定壓差吹除閥結構如圖1所示。當氣源未開啟時，定壓差吹除閥處于待機狀態，在彈簧壓力及舷外海水壓力作用下，膜片上端受壓帶動閥芯下移，閥口處于全開啟狀態。

圖1 定壓差吹除閥結構圖Fig.1 Structure diagram of constant pressure difference blowing valve

當氣源接通時，通過控制閥口的開度來調節氣體的流量，使進口壓力值降到符合工況要求的出口壓力值，并且利用外界壓力的作用對閥口的開度進行反饋調節，使經過定壓差吹除閥后的出口壓力與外界壓力穩定保持在一定壓力差值范圍以內，實現快速自動吹除控制并且避免過多氣體排出裝置外產生噪聲。其特點是在外界壓力不斷發生變化波動的情況下，保持出口壓力與外界壓力的差值在一定可控范圍之內，以此達到工況要求并保證系統運行的穩定。

2 仿真模型建立

為充分了解定壓差吹除閥的動態特性及不同參數對吹除閥工作性能的影響，運用系統工程高級建模和仿真平臺AMESim［4-9］建立的仿真模型，可對其動態特性進行系統的分析研究，并能獲得各個參數對吹除閥工作性能的影響。

利用AMESim［10-13］圖形化建模方式，根據定壓差吹除閥的結構和實際工況，在氣動元件設計庫中選擇元件［14-15］，并在AMESim中建立的定壓差吹除閥仿真模型如圖2所示。

圖2 定壓差吹除閥仿真模型圖Fig.2 Simulation model diagram of constant pressure difference blowing valve

3 仿真分析

3.1 仿真參數設定

依據定壓差吹除閥的主要結構參數及工況環境對AMESim仿真模型進行了設定，其主要參數設定如表1所示。

3.2 系統仿真分析

將系統仿真開始時間設為0 s，結束時間設為10 s，打印間隔為0.001 s。得到定壓差吹除閥動態特性曲線圖如圖3所示。

表1 吹除閥仿真參數Tab.1 Blowing valve simulation parameters

圖3（a）為貯容器內的壓力曲線圖，由于貯容器內的壓力與氣瓶內的壓力差值較大，貯容器內的壓力對氣體的密度和流速影響較小，所以氣體從閥口流出屬于超臨界流動，在這種情況下，可認為氣體是暢通無阻的從高壓氣瓶流入貯容器的。從圖3（a）中可得出，貯容器內壓力上升平穩，但升高曲率隨著時間增加逐步降低，造成這一現象的主要原因是在吹除工作過程中，氣瓶內的氣體壓力逐漸衰減，流入貯容器的氣體流量降低所致。如圖3（b）所示，隨著工作時間增加，氣體流量呈現出不同程度的降低。在工作完成后，貯容器內壓力為0.67 MPa，與舷外海水壓差為0.17 MPa。

圖3（c）和圖3（d）為閥芯位移與速度曲線圖，對照圖3（a）可以得出，當貯容器內的壓力高于舷外海水壓力及彈簧力時，產生的壓差會使膜片帶動閥芯迅速移動，使閥口開度迅速大幅度減小，隨后緩慢降低至關閉。由此可以得出：閥芯動態響應迅速，出口壓力穩定。

圖3 定壓差吹除閥特性變化曲線：（a）貯容器內的圧力，（b）氣體流量，（c）閥芯位移，（d）閥芯速度Fig.3 Characteristic change curves of constant pressure difference blowing valve：（a）pressures in storage containers，（b）gas flow，（c）spool displacement，（d）spool velocities

3.3 彈簧剛度K對壓差控制范圍的影響

在吹除閥各參數不變的情況下，通過設置彈簧剛度可以有效調節貯容器與舷外海水的壓差范圍。為進一步研究彈簧剛度與壓差調節性能的關系，分別設置彈簧剛度K為 40，60，80，100，120 N·mm-1，得到不同K下貯容器內的圧力曲線如圖4（a）所示。

從圖4（a）曲線可得出：彈簧剛度K越小，吹除完成后貯容器內壓力越低，與舷外海水的壓差越小，貯容器內壓力穩定時間越短。從仿真結果中可以得出：通過調節彈簧剛度K可以改變定壓差吹除閥的壓差大小，當彈簧剛度K在40～120 N·mm-1范圍內時，貯容器與舷外海水的壓差可在0.16～0.20 MPa范圍內調節。

3.4 彈簧預壓縮量S對壓差控制范圍的影響

彈簧預壓縮量S對定壓差吹除閥的壓差控制范圍有重要的影響，在定壓差吹除閥各參數按照表1設置不變的情況下，分別取S值為0.5，1.5，2.5，3.5，4.5 mm，得到不同S值下貯容器壓力變化曲線圖如圖4（b）所示。

圖4 不同參數下貯容器內的壓力變化曲線：（a）彈簧剛度K，（b）彈簧預壓縮量S，（c）氣源壓力P1，（d）舷外海水壓力P2Fig.4 Change curves of pressures in storage containers under different parameters：（a）spring stiffness K，（b）precompressed spring length S，（c）air-source pressure P1，（d）outboard seawater pressure P2

從圖4（b）曲線中可得出：彈簧預壓縮量S值越高，吹除完成后貯容器內的壓力越高，與舷外海水的壓差越大，但貯容器內壓力穩定時間相同。從仿真結果中可以得出：通過調節彈簧預壓縮量S可以改變定壓差吹除閥的壓差大小，當彈簧預壓縮量S在0.5～4.5 mm范圍內時，貯容器與舷外海水的壓差可在0.17～0.39 MPa范圍內調節。

3.5 氣源壓力P1對吹除閥工作性能的影響

氣源氣瓶內氣體的壓力P1對吹除閥的性能有重要的影響。為進一步研究氣源壓力與壓差控制性能的關系，在吹除閥各參數不變的情況下，分別選取P1為3.0，3.5，4.0，4.5 MPa，得到不同氣源壓力P1下貯容器內的圧力曲線如圖4（c）所示。

從圖4（c）曲線可得出：隨著氣源壓力的增加，定壓差吹除閥的吹除時間越短，吹除效率越高，吹除完成后貯容器內壓力越高，與舷外海水的壓差越大。仿真結果表明：在吹除工作結束時貯容器與舷外海水的壓差在0.15～0.20 MPa范圍內，定壓差吹除閥的壓差大小會隨氣源壓力變化而有所波動，但波動幅度很小，在壓差控制精度要求范圍以內。造成波動的原因是由于氣源壓力越高，氣體流量越高，導致吹入貯容器內的氣體越多，壓力上升。

3.6 舷外海水壓力P2對吹除閥工作性能的影響

舷外海水壓力P2隨著水下航行器下潛深度變化而變化，為研究定壓差吹除閥在不同下潛深度下的壓差控制性能，在吹除閥各參數不變的情況下，分別設置舷外海水壓力參數P2為0.5，1.0，1.5，2.0 MPa，得到不同P2下貯容器內壓力曲線如圖4（d）所示。

從圖4（d）曲線可得出：下潛深度越深，舷外海水壓力P2越高，定壓差吹除閥的工作時間越長，吹除效率越低，吹除完成后貯容器內壓力越高，與舷外海水的壓差越大。仿真結果表明：在吹除工作結束時貯容器與舷外海水的壓差在0.17～0.26 MPa范圍內，定壓差吹除閥的壓差大小會隨舷外海水壓力變化而有所波動，但波動幅度在壓差控制精度要求范圍以內。這是由于舷外海水壓力越高，吹除時間越長，且氣體流量降低幅度變緩，使得有更多的氣體吹入貯容器內，導致貯容器內壓力上升。

4 結 語

運用系統工程高級建模和仿真平臺AMESim建立了定壓差吹除閥仿真模型，并模擬了吹除閥的工作過程及不同參數對吹除閥工作性能的影響，得出以下結論：

1）定壓差吹除閥的出口壓力穩定，閥芯動態響應迅速。

2）通過改變彈簧剛度和預壓縮量，可以調節定壓差吹除閥的壓差控制范圍，且彈簧剛度越小，貯容器內壓力穩定時間越短，但彈簧預壓縮量對貯容器內壓力穩定時間沒有影響。

3）定壓差吹除閥的壓差大小會隨氣源壓力和舷外海水壓力的變化而有所波動，但波動幅度均在壓差控制精度要求范圍以內。

4）降低舷外海水壓力或提高氣源壓力，可以有效縮短吹除時間，提高工作效率。