基于AMESim的先导式减压器性能仿真分析

任志彬，王宗伟，常志鹏，张 杰，崔 品



基于AMESim的先导式减压器性能仿真分析

任志彬，王宗伟，常志鹏，张 杰，崔 品

（空间物理重点实验室，北京，100076）

选择先导式减压器设计方案，进行静态特性计算。使用工程系统仿真高级建模环境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）对静态及动态特性进行仿真分析。仿真结果表明，不同结构要素需合理设置，以保证减压器性能满足要求。

先导式减压器；静态特性；动态特性；仿真；AMESim

0 引 言

导弹/运载火箭/航天器增压输送系统能够为发动机系统提供具有一定压力、不间断、无夹气的推进剂。增压系统主要由气源、充气阀、电爆阀、减压器、电磁阀、过滤器、保险阀、单向阀、压力信号器、手动开关、测压管等组成。其中，减压器是系统中的重要单机，其功能是将高压气体减压，使出口气体的压力稳定在贮箱气枕要求的压力范围内。在零流量的工况下，减压器自行锁闭，保持阀口密封。减压器能否正常工作，关系到增压输送系统乃至整个动力系统能否完成任务，从而影响全弹飞行试验的成败。本文对减压器的主要参数进行设计计算（文中压力数据若无特殊说明均为绝压），使用工程系统仿真高级建模环境（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems, AMESim）进行性能仿真分析。

1 减压器设计方案

减压器的设计要求如下：

a）工作介质：氮气；

b）进口压力：（1.5±0.3）MPa（表压）；

c）出口压力：额定流量时（0.37±0.01）MPa，锁闭压力为（0.38+0.01） MPa；

d）工作温度：185~423 K；

e）环境温度：233~323 K；

f）额定流量：30 g/s；

g）最小流量：1.5 g/s。

减压器的结构型式较多，选择时需根据工作流量、进口压力变化范围、出口压力及其偏差、环境条件、工作及贮存寿命以及可靠性等方面来考虑。对于给定一组参数的减压器设计要求，可能有几种型式可供选择，应从性能、结构复杂程度、外形尺寸及制造成本等方面进行综合评价。

根据设计要求，所需减压器的出口压力不高，进口压力变化范围不大（上游设有一级减压器），但稳压精度要求很高，额定流量属于中等流量。综合各方面因素，并充分继承成熟产品的结构方案和技术，最终确定采取逆向先导式方案进行设计，方案原理如图1所示。

图1 逆向先导式减压器方案原理

该减压器的工作原理如下：在给定进口压力1时，改变调节弹簧的压缩量，弹簧力作用到副阀芯上，使副阀芯开启某一高度，高压气体经过副阀芯与副阀座之间的环形面积，被节流减压后进入中间腔3，建立中间压力3，推动柱塞使主阀芯开启至某一高度，高压气体经过主阀芯与主阀座之间的环形面积，被节流减压后进入低压腔，建立出口压力2，并输出额定流量。低压腔内的气体压力2作用在膜片上，与调节弹簧的作用力相平衡。随着气体消耗，气瓶压力不断降低，若阀芯开度不变，则出口压力将随进口压力降低而降低，这样作用在膜片上的力就相应减小，力的平衡破坏，结果使副阀芯开度增加，中间压力随之升高，使主阀芯开度增加，从而保持出口压力稳定在调整值。如果下游流量增大（或减小），则导致从减压器流出的流量大于（或小于）流入减压器的流量，出口压力将会降低（或升高），作用在膜片上的力相应减小（或增大），使副阀芯开度增加（或减小），中间压力随之升高（或降低），使主阀芯开度增加（或减小），出口压力随之升高（或降低），从而使出口压力稳定在调整值。

2 减压器性能仿真分析

AMESim是基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，它为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使用已有模型和（或）建立的新的子模型元件，构建优化设计所需的实际原型，采用易于识别的标准ISO图标和简单直观的多端口框图建立复杂系统及所需的特定实例，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果[1~5]。

使用AMESim软件对先导式减压器的性能进行仿真和分析。利用软件提供的相关库中的元件搭建先导式减压器的仿真模型，如图2所示[6~9]。

图2 AMESim中先导式减压器仿真模型

2.1 静态特性仿真

减压器的静态特性，指介质在稳定流动状态下，减压器出口压力2随流量和进口压力1的变化情况，分为压力特性和流量特性。压力特性指在稳定流动状态下，当流量等参数不变时，减压器出口压力随进口压力变化的关系。当出口压力偏差相对于额定出口压力的百分比大于10%时为低精度；5%~10%时为中等精度；小于2%时为高精度。流量特性指在稳定流动状态下，当进口压力等参数不变时，减压器出口压力随流量变化的情况，精度划分与压力特性类似[10,11]。

2.1.1 设计点仿真

在AMESim环境中，按所设计的结构参数为图2中各模块赋值，各参数设置如表1所示。

对先导式减压器的静态流量特性进行仿真。由于进口压力变化范围很小，未作压力特性的仿真。仿真结果如图3所示。

表1 AMESim静态仿真参数设置

图3 先导式减压器静态流量特性曲线

从图3可以看出，流量特性比较平稳，最大偏差为1.66×10-4MPa，小于设计要求偏差范围的1/4。

对零流量下的锁闭压力进行仿真，仿真结果如图4所示。

图4 先导式减压器锁闭压力曲线

由图4可知，零流量时锁闭压力约为0.374 8 MPa，低于设计要求值，但对于锁闭压力的要求，实质上只要不超过某一上限值即可满足要求。因此，该减压器模型静态特性满足设计要求。

2.1.2 刚度的影响

弹性元件的总刚度是影响减压器静态特性的重要因素之一。总刚度由调节弹簧、复位弹簧和膜片的刚度叠加而得。对不同刚度下的静态流量特性进行仿真，结果如图5所示。

图5 不同刚度K下静态流量特性曲线

从图5可以看出，刚度越大，出口压力2的正偏差越大。设计时需要合理控制弹性元件的总刚度，使得出口压力2的偏差小于设计要求偏差的1/4。

2.1.3 膜片有效面积的影响

膜片是减压器的敏感元件，其有效面积大小直接影响减压器的稳压精度。对不同膜片有效直径下的静态特性进行仿真，结果如图6所示。

图6 不同膜片有效直径D下静态流量特性曲线

从图6可以看出，在其他结构参数不变的情况下，膜片的有效面积越大，出口压力2的稳态值越小，而且超出设计要求容许的范围。因此，设计时需要在阀体内外尺寸的约束下，尽量优先确定膜片有效面积，再以此为依据，确定其他结构的尺寸值，以免使膜片有效面积的选择范围太小，无法满足静态特性的要求。

2.2 动态特性仿真

减压器的动态特性指在流量波动、压力突变等干扰因素作用下，减压器出口压力的稳定性，常见的有减压器启动过程或在振动和过载条件下工作的稳定性。当减压器受到干扰，使出口压力偏离平衡位置时，减压器具有使之恢复到平衡值的能力。减压器中运动件自身的质量，在运动中将产生一定的惯性；运动件和固定件之间的摩擦阻力，致使阀芯动作滞后，而滞后和弹性系统振动与阻尼是相互制约或激励的，此过程时间长短、强度均不确定，将出现谐振[10, 11]。

通常情况下，为了改善动态特性而对某些结构参数做出的改动，将使静态特性变差，因此，合理设计减压器结构是综合考虑静态与动态特性的优化设计过程，最终得到的结构应同时使静态与动态特性达到相对最优的程度。

2.2.1 刚度的影响

将进口压力1设置为阶跃值，对出口压力2随时间的变化情况进行仿真。不同刚度下的动态特性如图7所示。

图7 不同刚度K下动态特性曲线

从图7可以看出，刚度越大，出口压力2振荡频率越高，振幅越小；反之，则出口压力2振荡频率越低，振幅越大。设计时需要合理控制弹性元件的总刚度，使其同时满足静态特性和动态特性的需求。

2.2.2 反馈孔大小的影响

出口压力2需要在膜片上与相关零件形成力平衡，达到稳压的目的。低压气体可以直接作用在膜片上，也可以通过小尺寸的反馈孔间接作用在膜片上，这由减压器的具体结构形式及参数决定。对该减压器进行不同反馈孔径c下的动态特性仿真，结果如图8所示。

图8 不同反馈孔径下动态特性曲线

从图8可以看出，反馈孔径c的大小对出口压力2振荡频率和振幅的影响均不大。

2.2.3 运动件质量的影响

运动件的质量决定运动时的惯性力，将影响系统的自激振荡。对不同质量下的动态特性进行仿真，结果如图9所示。

图9 不同质量下动态特性曲线

从图9可以看出，质量为1kg时，出口压力2振荡频率较高，振幅较大；质量为0.1kg和0.01kg时，出口压力2振荡频率和振幅基本相当。实际中，运动件的质量不可能达到1kg的量级，因此对动态特性的影响可以不考虑。

2.2.4 运动件阻尼的影响

阻尼包括两种：一种是第2.2.2节所述的带反馈孔的阻尼腔；另一种是运动件的摩擦阻尼。对仿真模型中的质量模块设置不同的阻尼值进行仿真，结果如图10所示。

图10 不同阻尼下动态特性曲线

从图10可以看出，阻尼过小会引起振荡，且阻尼越小振荡越剧烈，因此设计时要尽量增大阻尼。

2.2.5 低压腔容积的影响

对不同低压腔容积e下的动态特性进行仿真，结果如图11所示。

图11 不同低压腔容积下动态特性曲线

从图11可以看出，更大的低压腔容积e将引起超调和振荡，同时延长建压至稳态值的时间。事实上，与阀体内的低压腔容积e相比，系统下游管路和容器的容积对建压时间的影响更大。

2.2.6 柱塞阻尼孔的影响

为了改善动态特性，可以在柱塞上设置阻尼孔。对不同柱塞阻尼孔径3下的动态特性进行仿真，结果如图12所示。

图12 不同柱塞阻尼孔径下动态特性曲线

从图12可以看出，柱塞阻尼孔径3越大，动态稳定性越差。因此设计时应尽量减小柱塞阻尼孔径3。

2.2.7 中间压力容积的影响

中间压力3通过阀体内的通道作用在柱塞背面的容腔3内（见图）。对不同中间压力容积3下的动态特性进行仿真，结果如图13所示。

图13 不同中间压力容积下动态特性曲线

从图13可以看出，更大的中间压力容积3将延长建压至稳态值的时间，但不会引起超调和振荡。

3 结 论

根据增压输送系统的要求，对先导式减压器进行方案设计和静态特性计算。使用AMESim软件对减压器的性能进行了仿真分析，包括静态特性和动态特性。仿真结果表明：

a）所设计的减压器在设计点上能够满足静态特性要求，不同的刚度和膜片有效面积会对静态特性产生一定的影响，仿真结果为刚度和膜片有效面积的选择提供了参考方向。

b）选取不同参数的组成件对动态特性有不同的影响，其中反馈孔大小的影响较小，可以不考虑；刚度对动态特性的影响与静态特性恰好相反，因而设计时需要合理刚度，使其同时满足静态特性和动态特性的要求；质量只要足够小的运动件，即可消除其对动态特性的影响；运动件阻尼、低压腔容积、柱塞阻尼孔径及中间压力容积均需合理选择确定，以满足要求。

减压器作为导弹/运载火箭/航天器增压输送系统的重要单机，在系统中对高压气体起减压、稳压的作用。无论以何种模式失效，都将影响卫星等航天器的寿命，甚至导致飞行任务的失败。因此，设计开发性能优良、稳定、可靠的宇航级减压器是增压输送系统设计的重要工作之一。而仿真软件的应用，可缩短设计开发的周期、提高研制效率、优化产品性能、降低成本，对减压器等阀门单机产品的研发具有重要意义。

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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，高级工程师，主要从事飞行器动力系统研究