基于AMESim的液壓脈沖系統仿真

劉俊晨，代慧珍，楊志藝，沈福紅

(航空工業洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

在液壓系統中，突然關閉或者開啟液流通道時，在通道內液壓壓力發生急劇交替升降的波動過程稱為液壓沖擊（脈沖）。出現液壓沖擊（脈沖）時，液體中的瞬時峰值壓力往往比正常工作壓力高好幾倍，它不僅會損壞密封裝置、管道和液壓元件，而且還會引起振動和噪聲；有時使某些壓力控制的液壓元件產生誤動作，造成事故[1]。飛機液壓系統的壓力脈沖可以導致飛機液壓元件的提前疲勞損壞，嚴重時可能造成重大飛行事故，因此航標規定，飛機液壓系統的液壓元件必須進行壓力脈沖試驗。通過試驗，既可以考核液壓元件的抗疲勞能力，又可以發現設計中存在的問題，從而改進設計，提高飛機系統的可靠性[2]。依據目前飛機液壓系統管路和元件脈沖試驗的要求，脈沖波形主要是水錘波，因為水錘波的破壞性最大。

AMESim不僅可以令使用者迅速達到建模仿真的最終目標，而且還可以分析和優化系統，降低開發成本和縮短開發周期，把工程師從繁瑣的數學建模中解放出來，從而專注于物理系統本身的設計，不需要書寫程序代碼[3]。在液壓系統仿真方面，AMESim具有 Hydralic庫和 Hydraulic Component Design（HCD）庫，可以非常方便的建立液壓系統的模型并進行仿真分析[4]。

1 液壓脈沖系統原理

液壓脈沖系統是由油泵、蓄壓器、比例流量閥、電液換向閥、增壓缸、溢流閥、試驗件和連接管路等組成，如圖1所示。標準壓力脈沖水錘波波形曲線如圖2所示，液壓脈沖系統產生的脈沖曲線必須限制在圖2陰影面積內。

在電液換向閥處于關閉位置時，泵輸出的流量和壓力不進入增壓缸及試驗件?？刂茡Q向閥迅速開啟，泵輸出的壓力油以及蓄壓器內壓力油經過比例流量閥、電液換向閥進入增壓缸的低壓腔，推動增壓缸的活塞迅速移動。增壓缸的高壓腔與試驗件通過一定長度的導管連接，由于試驗件末端封閉，由此會產生水擊現象,同時由于油液的粘性，壓力脈沖會迅速衰減并穩定到系統的工作壓力[5]。當換向閥再切換時，增壓缸的低壓腔連通油箱，增壓缸的活塞在高壓腔壓力油作用下回到原位置，試驗件端的壓力也下降。通過調節比例流量閥的開口大小可以控制壓力脈沖峰值和升率，開口越大壓力峰值及升率就越大，反之越小。壓力脈沖實質是液體動能轉變為壓力能的過程，液壓沖擊時的壓力升高值ΔP可由公式（1）確定。

圖1 液壓脈沖系統原理圖

圖2 標準壓力脈沖波形曲線

式中：ρ—液體的密度；

c—壓力沖擊波在管道中的傳播速度；

v—液體的流速。

式中：K—液體的體積模量；

d—管道的內徑；

δ—管道的壁厚；

E—管道材料的彈性模量。

2 基于AMESim的液壓脈沖系統建模及仿真

AMESim是基于直觀圖形界面的平臺，在整個仿真過程中，仿真系統都是通過直觀的圖形界面展現出來的。用戶不需編寫任何程序代碼，AMESim含有功能強大、領域眾多的標準庫和擴展庫。

首先在AMEsim的Sketch mode（草圖模式）中創建系統模型，然后在Submodel mode（子模型模式）中分配數學子模型，再次在Parameter mode（參數模式）為每個子模型設置參數，最后在Simulation mode（仿真模式）下運行仿真[6]。

2.1 系統建模

對液壓脈沖系統進行建模，需要應用到Mechanical（機械）庫、Signal,Control（信號控制）庫、Hydraulic（液壓）庫、Hydraulic Component Design（HCD液壓元件設計）庫的相關模型，除增壓缸外，系統所有元件都是標準元件，增壓缸的模型完全依據實際結構，應用HCD庫提供的標準配件模型搭建而成。所建系統模型如圖1所示。

2.2 子模型分配

圖1中的各個元件都有若干個數學模型與其對應，可以根據需要從中選擇一個模型與其關聯。因為在液壓脈沖試驗中，管路中流體運動非常復雜，對于增壓缸到試驗件這段管路的模型選用HL0040（distributive hydraulic line with lumped elements），該模型考慮到阻性、容性、慣性三種影響因素。其中，慣性在液壓脈沖仿真中是最大的影響因素（如果選擇的管路模型沒有考慮慣性因素，將不能產生所需的液壓脈沖波形），其他元件的數學模型使用默認設置。

總而言之，現階段橋梁水下鉆孔灌注樁施工技術由于是在地下以及水中進行成孔，受到地質條件等方面影響，鉆孔灌注樁施工中容易產生多項質量問題。所以在應用此項技術時需要對鉆孔灌注樁施工技術工藝進行深入探究，擬定質量控制措施，提高施工質量。

2.3 參數設置

在確定各個元件的子模型之后，進入Parameter mode（參數模式）為每個子模型設置參數。依據現有脈沖試驗臺設備確定參數見表1，表中未示參數取默認值。

表1 初始參數設置

2.4 仿真分析與試驗

參數設置完成后進入Simulation mode（仿真模式），設置步長1ms，仿真時間10s。AMESim的求解過程應用變步長、變階數、魯棒性強的智能求解器，根據所建模型自動選擇最佳的積分算法，其算法選擇不需要人為干預，可以自動完成。改變液壓油體積模量、蓄壓器容積、比例流量閥開口度、試驗件容積、增壓缸至試驗件管路的長度和通徑，分別進行仿真（改變一種參數值時，其他參數保持不變）,詳細參數見表2，仿真結果如圖3所示。

表2 參數設置

圖3（a）為液壓油體積模量分別為1700MPa和700MPa時的脈沖波形。從圖中可知，體積模量越小，壓力峰值和升率就越低，因為越小的體積模量代表液體可壓縮性越大，單位時間內所需要的流量就越大，而系統的流量是一定的，從而導致壓力峰值和升率的降低。

圖3（b）為蓄壓器容積分別為25L和1L時的脈沖波形。蓄壓器的容積越大，壓力峰值和升率越大，因為脈沖波形的瞬時流量主要是靠蓄壓器提供，越大的蓄壓器就能提供越多的瞬時流量。

圖3（c）為比例流量閥不同開口度（電流10mA、30mA、40mA）時的脈沖波形。閥口開度越大，壓力峰值和升率也越大，波形的衰減速度也隨著開口的增加而變慢。因為隨著閥口開度的增加，單位時間進入的液體流量就越大，同時流速也增大，從而引起壓力峰值和升率增加。但是由于流量閥的壓力-流量特性的非線性關系，所以壓力峰值和升率與閥開口大小并非線性關系。

圖3（d）為試驗件容積分別為0.5L和1L時的脈沖波形。比例流量閥開口相同的情況下，試驗件的容積越大，壓力峰值和升率越低，因為試驗件容積越大，形成壓力脈沖的流量需求越高。

圖 3（e）為試驗件段導管取不同長度（2m、5m、10m）時的脈沖波形。管路長度對于壓力峰值的影響較小，但是對壓力升率有較大影響，管路越長，升率越低，而且脈沖波形的衰減速度也越快。管路的延長使得進入試驗件前段的液體總動能增加，根據能量守恒定律，這部分的動能全部轉化為壓力能，因此壓力峰值應隨著管路長度的增加而變大，但是管道長度的延長同時會增加沿程壓力損失，兩者共同作用使得壓力峰值變化較小。管路的邊長引起波形震蕩周期的延長，同時沿程壓力損失變大，因此升率會變小。

圖3（f）為增壓缸至試驗件段導管通徑從6mm到20mm（6、8、10、16、20）時的脈沖波形。從圖中看出，試驗件段導管通徑大小對于波形有較大影響，導管通徑越大，壓力波傳播速度越小，而且導管通徑的增加會引起沿程壓力損失的減小，使波形衰減變慢。但是導管通徑也不能過小，導管通徑越小，沿程壓力損失越大。從仿真結果來看，導管通徑取8mm比較合適，得到的壓力峰值和升率都符合標準要求。使用某試驗室現有液壓脈沖試驗臺進行以下試驗：1）在比例流量閥開口度不變的情況下，分別對1L容積的試驗件和0.5L容積的試驗件進行脈沖試驗;

2）在試驗件容積不變的前提下，調節比例流量閥輸入電流進行脈沖試驗，試驗結果如圖4，試驗結果與仿真結果基本一致。

3 結論

圖3 仿真結果

圖4 試驗結果

液壓脈沖的產生與很多因素有關，包括油液的體積模量、蓄壓器容積、流量閥開口度、試驗件容積以及試驗件段管路的導管通徑和長度等。

1）油液的含氣量對油液體積模量影響較大，需控制油液的含氣量；

2）蓄壓器的容積需足夠大才能提供滿足需求的瞬時流量；

3）對于不同容積的試驗件可以通過調節流量閥開口度以及試驗件段管路的長度和通徑來得到理想的脈沖波形；

4）AMESim以其簡便的操作和強大的仿真分析能力，為液壓系統的設計提供了仿真途徑。