基于amesim的換向閥仿真

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1、基于AMESim的換向閥仿真張漢秀羅驕陳曉龍（上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海市閔行區(qū)屮春路1777號(hào)501大樓）1引言本文基于AMESim軟件，建立了閥門的仿真系統(tǒng)，對(duì)閥門進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出閥門的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。2閥門物理結(jié)構(gòu)及其工作原理該型閥門的工作原理圖如圖1所示。閥芯兩端各有一個(gè)控制腔（左控制腔和右控制腔），各有一個(gè)出口（左出口和右出口）。其工作原理是：控制氣源向控制腔提供高壓氣體，通過(guò)在閥芯兩端建立壓差，作為閥芯運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。壓差市閥芯兩側(cè)的控制腔提供，通過(guò)調(diào)節(jié)左右控制腔的壓

2、力，實(shí)現(xiàn)閥芯的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)岀口的開(kāi)合。左出口和右出口的開(kāi)合狀態(tài)是相反的，即左出口打開(kāi)時(shí)，右出口關(guān)閉；右出口打開(kāi)時(shí)，左出口關(guān)閉。當(dāng)需要?dú)怏w從右出口流出時(shí)，右控制腔充氣，左控制腔放氣，如此一來(lái)，右控制腔壓力升高，左控制腔壓力降低，壓差促使閥芯向左運(yùn)動(dòng),使左出口關(guān)閉，右出口打開(kāi)，從而氣體從右出口流出。當(dāng)需要?dú)怏w從左出口流出時(shí)，控制狀態(tài)正好相反。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖建立閥門的仿真系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行了以下幾點(diǎn)的假設(shè)和簡(jiǎn)化：1）忽略閥芯和與其接觸組件之間的靜摩擦力和動(dòng)摩擦力；2）忽略氣體的粘性，將氣體看作理想氣體處理；3）不考慮

3、氣體在流動(dòng)過(guò)程中的換熱；系統(tǒng)中大部分元件采用了AMESim自帶庫(kù)中的元件，由于關(guān)鍵部件一閥芯沒(méi)有合適的現(xiàn)成模型可以選用，因此對(duì)閥芯的模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，以符合所仿真系統(tǒng)的具體特征。例如，閥芯在極限位置（堵住出口）時(shí)，出口氣體對(duì)其作用面積與中間位置（不堵住出口）時(shí)是不同的，因此，閥芯運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，需要向活塞元件發(fā)出信號(hào)，活塞元件接收到此信號(hào)后，調(diào)整活塞的面積。搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖對(duì)I閥門進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，并對(duì)各部分進(jìn)行物理建模后,2所示。55'5P10□1_III1edxeiu4til98140158Y辭2Sdx

4、eiu3<3-L?11%丨9213：10151256789101112131415氣體物性參數(shù)閥芯控制腔等效控制面積出口作用面積出口排氣節(jié)流出口部分的容積控制腔出口控制腔控制腔入口出口進(jìn)氣節(jié)流軀顆壓強(qiáng)燃?xì)鉅顟B(tài)位移一開(kāi)度函數(shù)控制信號(hào)反相器控制信號(hào)發(fā)生器圖2仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4仿真結(jié)果及分析試驗(yàn)中對(duì)閥門進(jìn)行了多次脈沖調(diào)節(jié)，脈沖寬度為0.2s,占空比為1。由于控制腔壓力也是脈沖變化的，且每個(gè)脈沖的變化一樣，因此僅選取其中一個(gè)脈沖進(jìn)行分析。乂因?yàn)殚y門的結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱的，因此，只選取了右控制腔和右出口進(jìn)行分析。4.1仿真和

5、試驗(yàn)的對(duì)比對(duì)閥門進(jìn)行仿真后，得出控制腔壓力和出口壓力隨時(shí)間的變化分別如圖3和圖5所示，并將試驗(yàn)結(jié)果繪制在一起以進(jìn)行對(duì)比，由于試驗(yàn)時(shí)的時(shí)間原點(diǎn)和仿真的時(shí)間原點(diǎn)不一致，因此對(duì)仿真曲線沿著時(shí)間軸進(jìn)行了平移，使它們的控制指令原點(diǎn)一致。(MoSas—試驗(yàn)曲線……仿貢曲線Q30.4Q5時(shí)間＜s）圖4單個(gè)脈沖放大圖——試驗(yàn)曲線H08642011——仿真曲線-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7時(shí)間（S）圖5噴管腔壓力變化曲線從圖中可以看出：1）控制腔出口關(guān)閉指令發(fā)出后，對(duì)于控制腔壓力，仿真結(jié)果顯示壓力立即

6、開(kāi)始上升，試驗(yàn)結(jié)果只是出現(xiàn)了一個(gè)波動(dòng)（約0.316s處的“針尖”,），壓力并未立即上升，而是在約0.33s處開(kāi)始上升。這是因?yàn)榭刂魄怀隹诘耐蝗粍?dòng)作對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生了擾動(dòng)（同樣的情況也出現(xiàn)在壓降開(kāi)始時(shí)，此時(shí)發(fā)出的是控制腔出口打開(kāi)指令），由于氣流流速高，但壓力大，致使堵蓋的初始運(yùn)動(dòng)相對(duì)較慢,從而導(dǎo)致壓力的上升延遲。而仿真不存在這個(gè)問(wèn)題。2）對(duì)于控制腔壓力，在建壓過(guò)程中有個(gè)壓力突降，這是因?yàn)殚y芯從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)使得控制腔體積增大，從而導(dǎo)致的控制腔壓力降低速率大于因控制腔充氣導(dǎo)致的壓力增加速率，可以形象地理解為

7、“閥芯運(yùn)動(dòng)速率大于充氣速率”，從圖6中可以清楚地看到這一過(guò)程（A和B之間）。對(duì)于泄壓過(guò)程，當(dāng)壓力降低開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，由于壓差不足以驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng),因此，這段時(shí)間閥芯仍然是靜止的。隨著壓力繼續(xù)降低，壓差足夠大時(shí)，閥芯開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)使得控制腔體積減小，從而導(dǎo)致的控制腔壓力升高速率大于因控制腔放氣導(dǎo)致的壓力降低速率，可以形象地理解為“閥芯運(yùn)動(dòng)速率大于放氣速率”，因此，出現(xiàn)了壓力突增（圖6中的C點(diǎn)）。圖6控制腔壓力與閥芯位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系3）對(duì)于試驗(yàn)曲線，壓力的變化在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前都有波動(dòng)現(xiàn)象，而仿真則沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)。

8、這是因?yàn)榭紤]到流場(chǎng)的復(fù)雜性，仿真沒(méi)有考慮流場(chǎng)的具體分布，而是按照零維模型進(jìn)行處理的。4.2誤差分析對(duì)于閥芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間（從左到右，或反之），試驗(yàn)中無(wú)法直接測(cè)量，只能根據(jù)測(cè)得的噴管腔壓力進(jìn)行間接推算，按照噴管腔壓力（表壓）從0變化到穩(wěn)定壓力的90%算，這段時(shí)間可以看作是閥芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，此時(shí)間在5?5.5ms之間。而仿真可以直接從閥芯位移得出閥芯的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，約為6ms,仿真的誤差為20%?10%。5結(jié)論本