基于AMESim的液体增压系统的增压泵仿真优化

陈文明 刘 春

（沈阳航空航天大学 航空宇航学院，沈阳 110136）

液体增压系统的设计决定了液体增压试验台的重要性能指标。增压泵作为液体增压系统的核心元件，其参数合理化是实现试验台性能优化的重要手段之一。杜海清[1]等主要利用AMESim对直动式和先导式减压阀进行静动态特性仿真分析，达到对减压阀参数的优化调整与设计；高有山[2]等主要利用AMESim对四配流窗口轴向柱塞马达进行仿真研究，分析了柱塞马达仿真模型的各项特征及负载特性；苏万青[3]等主要对AMESim在气液增压泵优化设计中的应用进行研究，利用AMESim仿真软件对多工况下气液增压泵的工作特性进行分析。上述研究局限在元件特性仿真分析，本文则是把增压泵放在整个系统进行仿真分析，以满足整个系统性能指标为目的进行优化，因此研究更具有实用意义。此研究规律仅适用于气、液增压系统，具有一定的局限性。

1 试验台初始设计方案

1.1 设计要求

试验台的设计制造要求适用于飞机发动机管件、飞机管件等耐压试验，可采用液体进行增压[4-12]，对提供的液源进行连续增压，并输出稳定的压力值，从而实现增压、稳压、保压和排放过程的自动控制。主要性能设计指标如表1所示。

表1 主要性能设计指标

1.2 工作原理

液体增压系统的设计以气驱液体增压泵为核心，通过驱动气源给增压泵提供动力，把液压源从低压输入转化为高压输出，流进试件完成耐压检测。整个液压系统原理图设计，如图1所示。驱动部分为液体增压系统提供气源动力，驱动气液增压泵进行工作；增压部分使用增压泵输出的高压液体对试件进行耐压检测；泄压部分在系统检测完成后，完成对系统压力卸荷；紧急制动部分的主要功能是在系统增压过程中出现问题时，一键停止增压过程，起到安全保护的作用。

图1 液压增压试验台系统原理

1.3 增压泵的选型计算

根据试验台设计需要给出试验条件，如表2所示。

表2 试验条件

增压泵是液体增压系统中最主要的元件。选用合适的增压泵尤为重要，本文采用的是小流量的气驱液体增压泵。根据试验工况特点，计算增压泵的增压比k：

式中，p1为气体压力，p2为液体输出压力。根据式（1）和工况技术要求，计算可得增压比k约为120。

为了确保增压泵能满足试验工况要求，泵的增压比选用120～150的范围。采用美国Haskel公司生产的气驱液体增压泵，根据样品参数信息选出额定输出压力为103.4MPa，气体驱动压力范围为0.08～0.7MPa，型号为MS-188的小流量气驱增压泵。

2 AMESim的建模仿真

2.1 系统建模

液压增压试验台的系统仿真设计基于图1系统工作原理图建立模型。对于AMESim仿真软件元件库没有的元器件如气驱增压泵、气控针阀、电气比例阀等，利用AMESim元件设计库搭建并与其他的元器件相连，共同构建模型。

2.2 增压泵仿真参数设置

液压增压系统增压泵主要参数设置详见表1。

表1 气液增压泵具体参数

3 增压泵仿真参数优化

根据初始方案进行仿真实验，分别设定目标压力10MPa、30MPa以及60MPa进行增压实验。由于液体具有不可压缩性，在实验后期，试件容腔内打入很小体积的液体，都会使压力发生很大的变化，因此需要降低每次打压液体的体积量，即在增压频率和液缸截面固定时改变增压泵的行程，降低增压泵流量，分析对试件增压速率的影响。

增压泵分别给出80mm、50mm、30mm的行程对试件进行10MPa、30MPa增压实验，得出综合增压速率曲线图，如图3和图4所示。

图2 液压增压仿真系统图

根据10MPa、30MPa的增压速率曲线图，可以得出结论：随着行程的减小，增压速率的峰值随之降低，但是增压时间随之增加。因此，当增压频率和液缸截面不改变时，增压速率的峰值与行程有关。行程越小，增压速率峰值越小。

对试件增压60MPa通过调节增压泵的增压行程来降低增压速率的峰值，达到小于3MPa/s的性能指标要求。

以不同的行程进行试验，得出80mm、30mm、15mm的行程综合实验增压速率结果，如图5所示。

图3 不同行程下增压10MPa的综合增压速率曲线图

图4 不同行程下增压30MPa的综合增压速率曲线图

图5 不同行程下增压60MPa的综合增压速率曲线图

由图5可以看出，当行程调到15mm时，增压速率的最高峰值小于3MPa/s，满足了性能指标要求，但是达到设定压力的时间变长，无法满足时间要求，所以要通过调节增压频率来缩短增压所用的时间。

增压频率是由二位四通电磁阀的信号器来控制的。初始方案设定的是进气和排气各3s，达到6s完成一次打压，频率为1/6，因此可以缩短进气和排气的时间，从而缩短每一次打压的时间，增加频率，从而提升增压泵的出口流量。

增压泵的行程设定15mm，给出3组不同的进气和排气时间段，对试件进行60MPa增压。根据表2进气和排气数据参数表进行实验，实验结果如图6所示。

表2 进气和排气数据参数表

图6 设定15mm行程下不同频率的增压曲线&增压速率曲线图

图6中，c组的增压速率曲线中部出现空白，是因为打压频率转换较快，相当于持续增压，换向间隙很小。这在c组的增压曲线中同样有所反映。

对比图6的实验结果曲线发现，随着频率变快，增压时间不断缩短，增压速率相对提升，但总体提升不大。而后继续缩短排气和进气时间，导致进气和排出的气体不能充满整个腔室，推动活塞完成全部行程，使行程缩短，从而再次降低增压速率。

4 结语

通过对增压泵的参数优化，得到了理想的液体增压实验曲线，满足了试验台设计最大增压速率不大于3MPa/s的技术要求，并得出以下实验规律：

（1）当气驱增压泵的其他参数不变时，改变增压泵的行程，则随着行程的减小，增压速率的峰值随之降低，但是增压时间会随之增加，由此可以得出增压速率的峰值与行程有关，即行程越小，增压速率峰值越小；

（2）当气驱增压泵的其他参数不变时，改变增压泵的频率，则随着增压频率变快，增压时间在不断缩短，而增压速率也会相对提升，但总体提升不大；而后继续缩短排气和进气时间，导致进气和排出的气体不能充满整个腔室，推动活塞完成全部行程，使行程缩短，从而会再次降低增压速率。

上述规律可广泛适用于气、液增压试验台的性能优化，同时对试验台增压泵的选型提供参考。