基于AMESim的液压脉冲系统仿真

刘俊晨，代慧珍，杨志艺，沈福红

(航空工业洪都，江西 南昌，330024)

0 引言

在液压系统中，突然关闭或者开启液流通道时，在通道内液压压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击（脉冲）。出现液压冲击（脉冲）时，液体中的瞬时峰值压力往往比正常工作压力高好几倍，它不仅会损坏密封装置、管道和液压元件，而且还会引起振动和噪声；有时使某些压力控制的液压元件产生误动作，造成事故[1]。飞机液压系统的压力脉冲可以导致飞机液压元件的提前疲劳损坏，严重时可能造成重大飞行事故，因此航标规定，飞机液压系统的液压元件必须进行压力脉冲试验。通过试验，既可以考核液压元件的抗疲劳能力，又可以发现设计中存在的问题，从而改进设计，提高飞机系统的可靠性[2]。依据目前飞机液压系统管路和元件脉冲试验的要求，脉冲波形主要是水锤波，因为水锤波的破坏性最大。

AMESim不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最终目标，而且还可以分析和优化系统，降低开发成本和缩短开发周期，把工程师从繁琐的数学建模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计，不需要书写程序代码[3]。在液压系统仿真方面，AMESim具有 Hydralic库和 Hydraulic Component Design（HCD）库，可以非常方便的建立液压系统的模型并进行仿真分析[4]。

1 液压脉冲系统原理

液压脉冲系统是由油泵、蓄压器、比例流量阀、电液换向阀、增压缸、溢流阀、试验件和连接管路等组成，如图1所示。标准压力脉冲水锤波波形曲线如图2所示，液压脉冲系统产生的脉冲曲线必须限制在图2阴影面积内。

在电液换向阀处于关闭位置时，泵输出的流量和压力不进入增压缸及试验件。控制换向阀迅速开启，泵输出的压力油以及蓄压器内压力油经过比例流量阀、电液换向阀进入增压缸的低压腔，推动增压缸的活塞迅速移动。增压缸的高压腔与试验件通过一定长度的导管连接，由于试验件末端封闭，由此会产生水击现象,同时由于油液的粘性，压力脉冲会迅速衰减并稳定到系统的工作压力[5]。当换向阀再切换时，增压缸的低压腔连通油箱，增压缸的活塞在高压腔压力油作用下回到原位置，试验件端的压力也下降。通过调节比例流量阀的开口大小可以控制压力脉冲峰值和升率，开口越大压力峰值及升率就越大，反之越小。压力脉冲实质是液体动能转变为压力能的过程，液压冲击时的压力升高值ΔP可由公式（1）确定。

图1 液压脉冲系统原理图

图2 标准压力脉冲波形曲线

式中：ρ—液体的密度；

c—压力冲击波在管道中的传播速度；

v—液体的流速。

式中：K—液体的体积模量；

d—管道的内径；

δ—管道的壁厚；

E—管道材料的弹性模量。

2 基于AMESim的液压脉冲系统建模及仿真

AMESim是基于直观图形界面的平台，在整个仿真过程中，仿真系统都是通过直观的图形界面展现出来的。用户不需编写任何程序代码，AMESim含有功能强大、领域众多的标准库和扩展库。

首先在AMEsim的Sketch mode（草图模式）中创建系统模型，然后在Submodel mode（子模型模式）中分配数学子模型，再次在Parameter mode（参数模式）为每个子模型设置参数，最后在Simulation mode（仿真模式）下运行仿真[6]。

2.1 系统建模

对液压脉冲系统进行建模，需要应用到Mechanical（机械）库、Signal,Control（信号控制）库、Hydraulic（液压）库、Hydraulic Component Design（HCD液压元件设计）库的相关模型，除增压缸外，系统所有元件都是标准元件，增压缸的模型完全依据实际结构，应用HCD库提供的标准配件模型搭建而成。所建系统模型如图1所示。

2.2 子模型分配

图1中的各个元件都有若干个数学模型与其对应，可以根据需要从中选择一个模型与其关联。因为在液压脉冲试验中，管路中流体运动非常复杂，对于增压缸到试验件这段管路的模型选用HL0040（distributive hydraulic line with lumped elements），该模型考虑到阻性、容性、惯性三种影响因素。其中，惯性在液压脉冲仿真中是最大的影响因素（如果选择的管路模型没有考虑惯性因素，将不能产生所需的液压脉冲波形），其他元件的数学模型使用默认设置。

总而言之，现阶段桥梁水下钻孔灌注桩施工技术由于是在地下以及水中进行成孔，受到地质条件等方面影响，钻孔灌注桩施工中容易产生多项质量问题。所以在应用此项技术时需要对钻孔灌注桩施工技术工艺进行深入探究，拟定质量控制措施，提高施工质量。

2.3 参数设置

在确定各个元件的子模型之后，进入Parameter mode（参数模式）为每个子模型设置参数。依据现有脉冲试验台设备确定参数见表1，表中未示参数取默认值。

表1 初始参数设置

2.4 仿真分析与试验

参数设置完成后进入Simulation mode（仿真模式），设置步长1ms，仿真时间10s。AMESim的求解过程应用变步长、变阶数、鲁棒性强的智能求解器，根据所建模型自动选择最佳的积分算法，其算法选择不需要人为干预，可以自动完成。改变液压油体积模量、蓄压器容积、比例流量阀开口度、试验件容积、增压缸至试验件管路的长度和通径，分别进行仿真（改变一种参数值时，其他参数保持不变）,详细参数见表2，仿真结果如图3所示。

表2 参数设置

图3（a）为液压油体积模量分别为1700MPa和700MPa时的脉冲波形。从图中可知，体积模量越小，压力峰值和升率就越低，因为越小的体积模量代表液体可压缩性越大，单位时间内所需要的流量就越大，而系统的流量是一定的，从而导致压力峰值和升率的降低。

图3（b）为蓄压器容积分别为25L和1L时的脉冲波形。蓄压器的容积越大，压力峰值和升率越大，因为脉冲波形的瞬时流量主要是靠蓄压器提供，越大的蓄压器就能提供越多的瞬时流量。

图3（c）为比例流量阀不同开口度（电流10mA、30mA、40mA）时的脉冲波形。阀口开度越大，压力峰值和升率也越大，波形的衰减速度也随着开口的增加而变慢。因为随着阀口开度的增加，单位时间进入的液体流量就越大，同时流速也增大，从而引起压力峰值和升率增加。但是由于流量阀的压力-流量特性的非线性关系，所以压力峰值和升率与阀开口大小并非线性关系。

图3（d）为试验件容积分别为0.5L和1L时的脉冲波形。比例流量阀开口相同的情况下，试验件的容积越大，压力峰值和升率越低，因为试验件容积越大，形成压力脉冲的流量需求越高。

图 3（e）为试验件段导管取不同长度（2m、5m、10m）时的脉冲波形。管路长度对于压力峰值的影响较小，但是对压力升率有较大影响，管路越长，升率越低，而且脉冲波形的衰减速度也越快。管路的延长使得进入试验件前段的液体总动能增加，根据能量守恒定律，这部分的动能全部转化为压力能，因此压力峰值应随着管路长度的增加而变大，但是管道长度的延长同时会增加沿程压力损失，两者共同作用使得压力峰值变化较小。管路的边长引起波形震荡周期的延长，同时沿程压力损失变大，因此升率会变小。

图3（f）为增压缸至试验件段导管通径从6mm到20mm（6、8、10、16、20）时的脉冲波形。从图中看出，试验件段导管通径大小对于波形有较大影响，导管通径越大，压力波传播速度越小，而且导管通径的增加会引起沿程压力损失的减小，使波形衰减变慢。但是导管通径也不能过小，导管通径越小，沿程压力损失越大。从仿真结果来看，导管通径取8mm比较合适，得到的压力峰值和升率都符合标准要求。使用某试验室现有液压脉冲试验台进行以下试验：1）在比例流量阀开口度不变的情况下，分别对1L容积的试验件和0.5L容积的试验件进行脉冲试验;

2）在试验件容积不变的前提下，调节比例流量阀输入电流进行脉冲试验，试验结果如图4，试验结果与仿真结果基本一致。

3 结论

图3 仿真结果

图4 试验结果

液压脉冲的产生与很多因素有关，包括油液的体积模量、蓄压器容积、流量阀开口度、试验件容积以及试验件段管路的导管通径和长度等。

1）油液的含气量对油液体积模量影响较大，需控制油液的含气量；

2）蓄压器的容积需足够大才能提供满足需求的瞬时流量；

3）对于不同容积的试验件可以通过调节流量阀开口度以及试验件段管路的长度和通径来得到理想的脉冲波形；

4）AMESim以其简便的操作和强大的仿真分析能力，为液压系统的设计提供了仿真途径。