基于AMEsim的双作用式除冰液泵脉动抑制方法研究

龚淼，陈斌，邢志伟，王立文

（1.中国民航大学自动化学院，天津 300300；2.中国民航航空地面特种设备研究基地，天津 300300）

基于AMEsim的双作用式除冰液泵脉动抑制方法研究

龚淼1，2，陈斌1，2，邢志伟1，2，王立文1，2

（1.中国民航大学自动化学院，天津 300300；2.中国民航航空地面特种设备研究基地，天津 300300）

针对除冰加液过程中的流量脉动和振动，以双作用式大流量除冰液往复泵为研究对象，给出了工作原理和运动学模型，通过AMESim软件进行建模仿真，得到蓄能器在不同充气压力下安装位置前后的流量曲线，计算出流量脉动率，并分析了改变配流球阀质量后的流量输出和脉动情况，最后通过实验验证仿真分析的合理性．结果显示，当蓄能器压力略低于平均工作压力时，脉动抑制效果较佳；减小阀芯质量不仅可以减小流量脉动，还能改善阀芯的启闭特性．实验结果验证了仿真模型的可靠性，为民航除冰工艺装备设计提供依据．

除冰液泵；AMESim；流量脉动；脉动抑制；蓄能压力；实验研究

除冰液的加注速度和配比精度是影响飞机除冰作业效率和效果的重要因素[1]．自2005年以来我国北方几大机场已经相继建设了由配比加注站与移动加液站组成的大型除冰液加注系统，为了保证加液速度和压力，不影响除冰液粘度和理化特性，除冰液加注系统普遍采用了不锈钢往复泵组．往复泵因具有良好的自吸能力以及具有良好的耐压性和容积特性，适用于输送高粘度和腐蚀性液体，而被应用到许多特殊场合[2]．近年来，由中国民航地面特种设备基地研制的新型的双作用往复泵，成倍提高了加注速度，已成功应用于多个除冰加液系统中．在加液速度的大幅提升下，由于往复泵的结构特性，无论是传统往复泵还是新型双作用式往复泵，都不可避免的会产生流量输出的脉动，为了保证加液速度，用于除冰加液的大流量双作用往复泵在2 bar工作压力下，输出脉动率普遍大于160%[3]．虽然已经研究显示，采用多台泵相位分散法、设计主动控制回路等可以有效抑制输出脉动[4-6]，但不适用于一些工况下的单台或两台作业．输出脉动过大会影响水和液的实时配比精度，而且在加注过程中管路会产生很强的共振，对系统寿命造成影响[7]．

为了减小单台往复泵的输出脉动和管路共振，提高系统稳定性和输出的连续性，作者针对近年来投入使用的双作用式往复泵进行了工作原理和运动学分析，通过建模仿真，提出改变蓄能器压力和配流球阀质量的脉动抑制方法，并通过实验进行验证分析，为民航飞机除冰工艺装备设计提供依据．

1 工作原理及运动学模型

1.1 工作原理及性能参数

双作用往复泵的结构原理图如图1所示，由曲柄连杆1通过活塞2将两个结构相同的柱塞泵缸3连为一体，进液通道4与每个柱塞泵缸上的进液单向阀5连接，排液通道6与每个柱塞泵缸上的排液单向阀7连接，通过排液出口8向外排液．柱塞泵缸分为A与B两个区，每个区设有一个单向阀，在一个工作循环中左右两个缸体吸取排出除冰液各两次，提高了单位时间内的加液效率和加注的连续性．

双作用加液往复泵的设计平均流量为40m3/h，最大工作压力4 bar，由固定站向移动加液站配比加注时平均工作压力约2 bar，由移动加液站向除冰车加注时平均压力约约1 bar，介质为高粘度除冰液．

1.2 运动学模型

根据工作原理，建立往复泵的运动学模型，由于双作用往复泵两侧结构相同，将双作用式往复泵进行模型简化，其单侧运动学模型如图2所示．由曲柄1、连杆2、十字头3构成传动端，泵体4、活塞5、吸入管6、吸入阀7、排出阀8、排出管9构成液力端．单侧流量约为约为333 L/m in．

传动端实物见图3．传动端是几何封闭的沟槽凸轮结构[8]，推杆轴线通过凸轮回转中心，为对心直动推杆结构．假设凸轮在初始位置时，泵缸活塞位于图2-1所示的最左端，那么当凸轮顺时针旋转时，沟槽将带动推杆运动，迫使往复泵活塞向右移动，泵缸无杆腔吸液，有杆腔排液．转过180°后，推杆带动活塞左移，此时泵缸无杆腔排液，有杆腔吸液．

经分析可知，传动端的几何封闭沟槽凸轮结构可以等效为曲柄连杆机构，如图4所示．

图4中，r为等效曲柄长度，长度为凸轮中心到驱动轴中心距离，r=60mm；L为等效连杆长度，长度为沟槽内圈半径与沟槽轴承半径的和，L=163mm；假设活塞位于图中最左端位置时为活塞位移零点，那么活塞经过时间t后，水平方向发生位移S，那么有

图1 双作用除冰液泵结构原理示意图Fig.1 Double-acting deicing fluid pum p structureprinciplediagram

图2 双作用往复泵单侧结构简图Fig.2 Double-acting deicing pump one side structure diagram

图3 往复泵传动端Fig.3 Double-acting pump driving partstructure

图4 传动端等效模型Fig.4 Equivalentmodelof drivingpart

对S求导，就得到滚子中心水平方向速度，也就是活塞水平方向的运动速度V

2 建模仿真

根据运动学模型建立往复泵的仿真模型，采用AMEsim软件[9-10]进行建模仿真．为了能够在保证泵的输出性能前提下尽可能减小输出脉动，拟采用在系统中增加蓄能器以及优化配流球阀的方法，通过改变蓄能器压力和球阀质量进行系统建模仿真，验证方法的可行性，找出最佳脉动抑制的参数配置．

2.1 模型选择与参数设置

为了简化AMESim模型，用恒转速电机模型代替电机、皮带传动和齿轮箱这些机械转动部分，电机转速设定为齿轮箱输出轴转速．往复泵转速满足关系

其中：f为电源频率，实验中设置为50 Hz；p为电机极对数，实验使用4级电机，极对数p= 2；i为电机到往复泵驱动轴的传动比，这里为i=16.81．

选择AMESim中Mechanical应用库的PM 000模型，此模型为恒转速原动机模型．原动机模型及其参数设置见表1．

根据图4所示的传动端等效模型，在Mechanical应用库中选择CRANK0模型，模型参数见表2．

当曲柄转速一定时，活塞的运动规律就确定了，所以仿真时不考虑活塞与缸筒间摩擦力的影响．在HCD（Hydraulic ComponentDesign）库中选择BAP12、BAP11模型，组合成泵的缸体和活塞部分，参数设置见表3．

系统采用自力式球阀作为配流阀，阀芯受力主要为压差力、重力和液体粘性阻力．球阀和安全阀的模型参数见表4和表5．

使用节流孔模拟真实负载，使液体流经节流孔后产生的压力降近似实际系统工作压力．参数设置见表6．

蓄能器模型参数见表7．通过仿真分析脉动抑制效果以及改变相关参数后，其流量脉动抑制作用的变化趋势．

表1 电机仿真模型参数Tab.1 M odel parameters ofmotor

表2 传动端仿真模型参数Tab.2 Model parametersof driving part

表3 缸筒仿真模型参数Tab.3 Modelparametersof cylinder barrel

表4 球阀仿真模型参数Tab.4 Model parametersofball valve

表5 安全阀仿真模型参数Tab.5 Model parametersof safety valve

表6 节流阀仿真模型参数Tab.6 Modelparametersofthrottling valve

表7 蓄能器仿真模型参数表Tab.7 M odel parametersofenergy accumulator

表8 流体物理参数Tab.8 Fluid physical parameters

设定模型环境温度为20℃，气压为标准大气压．仿真流体分别为以丙二醇为主要成分的Ⅰ型除冰液，流体主要参数见表8．

组合后系统仿真模型如图5所示．

2.2 不同充气压力下的仿真分析

根据系统仿真模型，以充气压力为批量参数，分别设置充气压力为3bar、2bar、1.6bar、1.3bar、1bar，分别得到是蓄能器前流量曲线如图6所示，蓄能器后流量曲线图7所示．

图5 系统仿真模型Fig.5 System modeling and simulation

图6 蓄能器前流量曲线Fig.6 Flow curvesbefore energy accumulatorposition

图7 蓄能器后流量曲线Fig.7 Flow curves behind energy accumulatorposition

不同充气压力下，蓄能器安装位置前流量脉动率：

蓄能器安装位置后的流量脉动率：

结果显示，随着充气压力减小，蓄能器安装位置之后的流量脉动率持续减小．充气压力由3 bar减小到1 bar时，流量脉动率由132%减小到4%．

安装蓄能器能起到流量脉动抑制作用，但是过高的充气压力反而会加剧流量脉动，当充气压力略小于平均负载压力时，可以起到很好的流量脉动抑制作用．同时，安装蓄能器后，泵出口至蓄能器之间管路的流量脉动率会增加，所以应将蓄能器尽量安装在靠近泵出口的位置．

图8 不同材质阀芯质量对比Fig.8 Contrastof differentballweight

2.3 配流球阀仿真分析

在之前泵的设计实验过程中发现，当把材质较轻的聚四氟乙烯阀芯（图8a））换成不锈钢阀芯（图8b））后，泵在工作时出现了很大的撞击声音，同时可以听到吸排液体过程声音也有所变化，可观察到输出流量脉动具有区别．通过仿真可分析采用不同质量的阀芯对系统脉动产生的影响．

将包含实测数据在内的4组球阀质量数据作为批处理数据，利用AMESim分析往复泵系统在4种不同阀芯质量下的运动规律和流量脉动率．设阀芯质量分别为100 g、175 g、450 g、762 g．

图9是出口阀的位移曲线．

由图9可以看出，随着阀芯质量的减小，阀芯与上限位之间的撞击次数减小，开启时间缩短，可增加流量输出的连续性．不同质量阀芯的系统流量仿真曲线如图10所示．由此可以计算出不同阀芯质量时，对应的流量脉动率，见公式(8)～公式(11)．

图9 出口阀芯位移Fig.9 Movementcurvesofexitballs

图10 不同阀芯流量曲线Fig.10 Flow curves of differentballs

可见，适当的减小球阀阀芯的重量可以减小流量脉动．随着球阀阀芯重量的减小，平均流量有所增加，这是由于气穴现象得到抑制．同时，随着阀芯重量变轻，阀芯启闭滞后现象也得到改善，减少了因倒灌引起的平均流量减小．

3 实验

图11 蓄能器实验Fig.11 Energy accumulator experiment

根据仿真结果，采用质量为100 g的聚四氟乙烯阀芯作为配流球阀，研究双作用往复泵安装蓄能器后，充气压力分别为3 bar、2 bar、1.6 bar 3种情况下系统流量脉动率的大小和变化趋势，图11是正在进行的蓄能器实验．

经过传感器滤波和AD板卡采集，当充气压力为3bar、2bar、1.6bar时，测得蓄能器前后流量曲线分别为图12、图13、图14中的曲线0和曲线1．

3种充气压力下，根据系统传感器监测数据，蓄能器安装位置前流量脉动率分别为：

蓄能器安装位置之后流量脉动率分别为：

将实验得到的不同蓄能器充气压力下的系统流量脉动率与仿真结果作对比，见表9．

图12 充气压力为3 bar时的流量曲线Fig.12 Flow curvesunder3 bar

图13 充气压力为2 bar时的流量曲线Fig.13 Flow curvesunder2 bar

表9 流量脉动率仿真与实验对比Tab.9 Flow pulsation ratecontrastbetween simulation and experiment

图14 充气压力为1.6 bar时的流量曲线Fig.14 Flow curvesunder1.6 bar

由表9可以看出，实验与仿真结果变化趋势基本一致，即随着充气压力向平均工作压力方向减小，蓄能器安装位置之后的管路流量脉动率逐渐减小，相比于单侧仿真结果，双侧同时工作流量输出更加平稳，考虑到仿真过程中忽略了泄露和直角弯管等对流量特性的影响，可以认为仿真模型是可靠的．

4 结论

1）分析了双作用式飞机除冰液泵工作原理和运动学特性，给出了传动机构仿真的简化模型．

2）通过仿真得到不同蓄能压力和不同配流球阀质量下的流量脉动率，结果显示，当蓄能器压力略低于平均工作压力时，脉动抑制效果较佳；减小阀芯质量不仅可以减小流量脉动，还能改善阀芯的启闭特性，实验结果验证了仿真模型的可靠性．

3）根据仿真和实验结果，在进行配比加注时，将蓄能压力设置为2 bar，由移动加液站向除冰车加注时可将蓄能压力设置为1 bar，可达到最佳脉动抑制效果．

[1]覃章高，邢志伟，高庆吉．民航机场除冰雪技术研究[R]．北京：中国民航总局机场司，2005．

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[10]付永领，齐海涛．LMS Imagine．Lab AMESim系统建模与仿真实例教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011：7-9．

[责任编辑 杨屹]

AMESim-based pulsation suppressionmethod of double-acting aircraftde-icing liquid pump

GONGM iao1，2，CHEN Bin1，2，XING Zhi-wei1，2，WANG Li-wen1，2

(1.Departm entof AeronauticalAutomation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.Aviation Ground Special EquipmentResearch Base,CAAC,Tianjin 300300,China)

Aiming at thesuppression ofpulsation and vibration in de-icing liquid filling,we selected double-acting large flow reciprocating pumpas theobjectand proposed theprincipleaswellas thekinematicmodel.According to themodeling and simulation by AMESim,w esetdifferentpressuresofenergyaccumulatorandgained flow curvesw hichwere captured before and after the installation position,then calculated the flow pulsation rate.Wealso analyzed theoutput flow and the pulsation rateby changing thew eightofone-w ay ball check valve.Then,w e tested the validity of simulation.The results demonstrated thatthepulsation suppression resultisrelatively goodwhen theenergy accumulator pressure isslightly low er than averageworking pressure;besides,decreasing thew eightofone-w ayballcheck valve can suppress the flow pulsation and improve theon-off characteristic ofballvalve.Moreover,the resultsalso testified thedependability ofmodelingand simulation and provided a reference to the related equipmentdesignand industrialapplications.

double-acting pump;AMESIM;flow pulsation;pulsation suppression;accumulatorpressure;experiment research

TH 112

A

1007-2373(2014)04-0069-07

2014-04-21

国家科技支撑计划（2012BAG04B02）；中国民航大学实验技术创新基金（1060010120）

龚淼（1982-），男（汉族），助理研究员，博士．