夏極，廖義德，楊凱

基于AM ESim的超高壓氣動吹除閥仿真與實驗研究

夏極1，廖義德2，楊凱2

1海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室，湖北武漢430064 2武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢430205

介紹一種帶壓差控制的超高壓氣動吹除閥及其工作原理。運用AMESim氣動元件設(shè)計庫建立吹除閥仿真模型，對其動態(tài)特性進行系統(tǒng)的分析研究，并進一步探究主閥閥芯節(jié)流孔孔徑、控制閥彈簧預(yù)壓縮量、氣源壓力、舷外海水壓力等參數(shù)對吹除閥吹除性能的影響。最后，對吹除閥的性能進行實驗研究。研究結(jié)果表明：吹除閥的工作性能平穩(wěn)，響應(yīng)靈敏，壓差控制精度高；氣源壓力、舷外海水壓力對吹除閥壓差控制性能沒有影響，但提高氣源壓力或降低舷外海水壓力能夠有效提高吹除效率；通過改變節(jié)流孔孔徑與控制閥彈簧預(yù)壓縮量，可以調(diào)節(jié)吹除閥壓差控制范圍。

高壓氣動；壓差控制；吹除閥；壓載水艙；AMESim仿真

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：夏極，廖義德，楊凱.基于AMESim的超高壓氣動吹除閥仿真與實驗研究［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：117-122.

XIA Ji，LIAOYide，YANGKai.Simulation and experimental investigation ofan extra-high pressure pneumatic blowing valve based on AMESim［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：117-122.

0　引言

高壓氣動技術(shù)憑借其諸多優(yōu)點，目前已在航空航天、深海工程和武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。為了保證水下航行設(shè)備的安全，在某些危急情況下，需要使用高壓氣體對其壓載水艙進行應(yīng)急吹除，使其獲得正浮力和校正力矩迅速上浮至水面［2］。

由于深海環(huán)境復(fù)雜多變，故對水下航行設(shè)備應(yīng)急吹除時機的把握十分困難，且在吹除過程中，必須將舷內(nèi)、外海水的壓差有效控制在恒定范圍內(nèi)。徐志鵬等［3-6］開展了壓差控制閥設(shè)計與研究，取得了較好的控制效果。本文將針對某水下航行設(shè)備的需求，設(shè)計一種帶壓差控制的高壓氣動吹除閥，在對壓載水艙進行應(yīng)急吹除時，能有效控制舷內(nèi)、外海水壓差在一定的范圍之內(nèi)。

1　仿真模型建立與原理分析

1.1仿真模型建立

由于高壓氣動吹除閥的結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜，為了更好地了解其動態(tài)特性，縮短設(shè)計周期，降低研制成本，本文將運用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺AMESim建立仿真模型［7］，并模擬實際吹除工況進行系統(tǒng)的分析研究，為吹除閥的設(shè)計與性能優(yōu)化提供相關(guān)理論依據(jù)。

AMESim是一種基于直觀圖形界面的平臺，它可以使用圖標符號來表示系統(tǒng)的各個元件，并按照系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)來組建或自定義仿真模型，而不需要推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型?；贏MESim圖形化的物理建模方式，根據(jù)吹除閥的結(jié)構(gòu)與實際吹除工況，建立了其AMESim仿真模型［8］，如圖1所示。

圖1　吹除閥仿真模型圖Fig.1　The blowing valve simulationmodel

1.2結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1所示的吹除閥仿真模型主要包括主閥、副閥與控制閥3個部分。其中：主閥是進、排氣部分，副閥是開關(guān)控制部分；控制閥是壓差控制部分。

吹除閥的工作原理為：吹除閥正常工作時，控制閥閥口處于開啟狀態(tài)。高壓氣瓶內(nèi)氣體經(jīng)主閥進氣口流入閥體，并通過節(jié)流孔流入主閥上腔。遠程氣動或應(yīng)急手動控制使副閥閥口開啟。此時，主閥上腔通過流道、副閥閥口、控制閥閥口與環(huán)境相通，氣體經(jīng)多級節(jié)流后少量溢出。主閥上腔內(nèi)氣體凈流出導(dǎo)致壓力降低，主閥閥芯在壓差的作用下被頂開，使主閥閥口開啟，大量氣體經(jīng)吹除閥出氣口排入到壓載水艙內(nèi)，將壓載水艙內(nèi)的海水排出。

壓載水艙內(nèi)的壓力隨著氣體的吹入不斷升高，當壓載水艙內(nèi)的壓力高于舷外海水壓力時，膜片在舷內(nèi)、外海水壓差的作用下帶動控制閥閥芯移動，使控制閥閥口關(guān)閉。主閥上腔與環(huán)境氣路斷開，主閥閥芯上、下腔壓力恢復(fù)平衡，在復(fù)位彈簧的作用下主閥閥口關(guān)閉，吹除閥停止向壓載水艙內(nèi)排氣。

隨著壓載水艙內(nèi)海水的排出，其艙內(nèi)壓力降低，有可能低于舷外海水壓力，此時，控制閥、主閥重新開啟，再次向壓載水艙排氣，直到壓載水艙內(nèi)的海水排出，水下航行設(shè)備上浮至水面。

2　仿真分析

2.1仿真參數(shù)設(shè)置

為了使吹除閥能夠安全、高效地完成吹除任務(wù)，需保證吹除閥性能平穩(wěn)、響應(yīng)靈敏、壓差控制精度高。根據(jù)吹除閥結(jié)構(gòu)，對其AMESim仿真模型的主要參數(shù)進行了設(shè)置，如表1所示。

表1　吹除閥仿真參數(shù)Tab.1　Blow ing valve sim u lation param eters

2.2系統(tǒng)仿真與分析

系統(tǒng)仿真時，設(shè)置仿真時長為5 s，打印步長為10ms。得到吹除閥各項參數(shù)曲線圖如圖2～圖7所示。

圖2為壓載水艙內(nèi)的壓力曲線圖。由于高壓氣瓶與壓載水艙內(nèi)的壓差較大，可以認為氣體的流速和密度并不取決于主壓載水艙內(nèi)的壓力，即氣體從閥口流出屬于超臨界流動。在這種情況下，可以認為氣體是暢通無阻地從高壓氣瓶流入主壓載水艙的。從圖2中可以看出，主壓載水艙內(nèi)壓力升高比較平穩(wěn)，但升高曲率有所降低，這是由于在吹除過程中，高壓氣瓶內(nèi)的氣體壓力衰減，流入壓載水艙內(nèi)的氣體質(zhì)量流率降低所致（圖3）。吹除完成后，壓載水艙內(nèi)的壓力穩(wěn)定在0.545MPa，高于舷外海水壓力0.045MPa。

圖2　壓載水艙內(nèi)的壓力曲線Fig.2　Time historiesof the ballast tank pressure

圖3　氣體質(zhì)量流率曲線Fig.3　Time historiesof the gasmass flow rate

圖4和圖5為吹除閥主閥閥芯位移與速度曲線圖。從圖4中可以看出，主閥閥芯響應(yīng)非常靈敏，副閥打開后，主閥閥芯瞬間開啟，0.23 ms即達到最大開啟量11mm。雖然主閥閥芯在關(guān)閉過程中速度曲線出現(xiàn)了小幅振蕩，但從其位移曲線圖可以看出，主閥閥芯的開啟與關(guān)閉過程十分平穩(wěn)。

圖4　主閥閥芯位移曲線Fig.4　Time histories of themain valve spool displacement

圖5　主閥閥芯速度曲線Fig.5　Time historiesof themain valve spool velocity

圖6和圖7為控制閥閥芯位移與速度曲線圖。參照圖2可以看出，當壓載水艙內(nèi)的壓力高于舷外壓力時，膜片在壓差的作用下帶動控制閥閥芯迅速移動1.5 mm，使控制閥閥口關(guān)閉，使吹除閥停止向壓載水艙內(nèi)繼續(xù)排氣。從圖6和圖7中可以看出，控制閥閥芯響應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性好。

圖6　控制閥閥芯位移曲線Fig.6　Time historiesof the controlvalve spooldisplacement

圖7　控制閥閥芯速度曲線Fig.7　Time histories of the control valve spoolvelocity

3　參數(shù)對吹除閥性能的影響

由于吹除閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對吹除閥性能的影響是由多項參數(shù)共同作用的結(jié)果，以下分別探討各項參數(shù)對吹除閥性能的影響。

3.1主閥閥芯節(jié)流孔直徑Φ

主閥閥芯節(jié)流孔的直徑對吹除閥的響應(yīng)特性有重要影響，分別取節(jié)流孔的直徑Φ=0.3，0.5，0.8，1.0，1.2和1.5mm，其他參數(shù)按照表1設(shè)置，得到不同Φ下壓載水艙內(nèi)的壓力變化曲線如圖8所示。

圖8　不同Φ下壓載水艙內(nèi)的壓力曲線Fig.8　Time historiesof the ballast tank pressure for differentΦ

由圖8的曲線可以看出：隨著節(jié)流孔孔徑Φ從0.3 mm增大至1.2mm，節(jié)流孔孔徑越大，吹除時間越短，吹除完成后壓載水艙內(nèi)的壓力越低。這是因為控制閥閥口關(guān)閉后，氣體凈流入會導(dǎo)致主閥上腔內(nèi)壓力升高，節(jié)流孔孔徑越大，在相同情況下流入主閥上腔的氣體質(zhì)量流率越大，主閥上腔腔內(nèi)壓力升高越快，主閥閥芯響應(yīng)越靈敏；但當節(jié)流孔孔徑Φ=1.5 mm時，因孔徑過大，導(dǎo)致主閥上腔氣體溢出量過大，因而無法產(chǎn)生壓差推動主閥閥芯動作，致使吹除閥不工作。

3.2控制閥彈簧預(yù)壓縮量S

控制閥彈簧剛度系數(shù)選定后，設(shè)置控制閥彈簧預(yù)壓縮量可以調(diào)節(jié)吹除閥的壓差控制范圍。為了探究吹除閥的壓差調(diào)節(jié)性能，分別設(shè)置控制閥彈簧預(yù)壓縮量S=0，1，2，3，4和5mm，其他參數(shù)按表1設(shè)置，得到不同S下壓載水艙內(nèi)的壓力曲線如圖9所示。

圖9　不同S下壓載水艙內(nèi)的壓力曲線Fig.9　Time historiesof the ballast tank pressure for different S

從圖9中可以看出，控制閥彈簧的預(yù)壓縮量S越大，吹除閥吹除的時間越長，吹除后壓載水艙內(nèi)的壓力越高。仿真結(jié)果表明，吹除閥的壓差控制可在0.016～0.072MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

3.3高壓氣瓶壓力P1

高壓氣瓶是吹除閥的氣源，氣瓶內(nèi)氣體的壓力P1對吹除閥的性能也有重要影響。分別選取P1=10，20，30和40 MPa，其他參數(shù)按照表1設(shè)置，得到不同P1下壓載水艙內(nèi)的壓力曲線如圖10所示。

圖10　不同P1下壓載水艙內(nèi)的壓力曲線Fig.10　Time historiesof the ballast tank pressure for different P1

從圖10中可以看出：當高壓氣瓶內(nèi)氣體壓力P1為10，20，30和40 MPa時，壓力越大，吹除時間越短，吹除效率越高；氣體壓力P1對吹除閥壓差控制性能沒有影響，吹除完成后壓載水艙內(nèi)的壓力均穩(wěn)定在0.054 5 MPa；當高壓氣瓶內(nèi)壓力P1= 10 MPa時，由于氣瓶內(nèi)氣量不足，在有效仿真時長內(nèi)沒有完成吹除工作。

3.4舷外海水壓力P2

某水下航行設(shè)備在不同的潛深下舷外海水壓力P2是不同的，為了探究吹除閥在不同潛深下的吹除性能，分別取舷外海水壓力P2=0.2，0.3，0.4和0.5MPa，其他參數(shù)按照表1設(shè)置，得到不同P2下主壓載水艙內(nèi)的壓力曲線如圖11所示。

圖11　不同P2下壓載水艙內(nèi)的壓力Fig.11　Time histories of the ballast tank pressure for different P2

從圖11中可以看出：舷外海水壓力P2越低，吹除時間越短，吹除效率越高；舷外海水壓力P2對吹除閥壓差控制精度沒有影響，舷內(nèi)、外海水壓差均穩(wěn)定在0.045MPa。

4　實驗

為了驗證吹除閥的性能與AMESim仿真結(jié)果的可靠性，進行了相關(guān)的實驗研究，實驗原理如圖12所示。

圖12　吹除閥實驗原理圖Fig.12　The experimentalprinciple diagram ofblowing valve

高壓氣源1排出的氣體經(jīng)減壓閥3a減壓后進入吹除閥5，并通過節(jié)流閥6與排氣口7排出到大氣中。節(jié)流閥6可調(diào)節(jié)排氣口大小并模擬吹除閥的背壓工況。通過減壓閥3b和3c調(diào)節(jié)低壓氣源8的輸出壓力，可模擬舷外海水壓力與壓載水艙內(nèi)的壓力變化。

表2所示為模擬舷外海水壓力0.5MPa時，在不同氣源壓力作用下，吹除閥停止工作時壓載水艙內(nèi)的壓力情況。其中，氣源壓力、舷外海水壓力和壓載水艙壓力分別由圖12所示的壓力表4a，4b和4c測得。

表2　不同氣源壓力下的壓載水艙壓力Tab.2　The ballast tank p ressure of different air source p ressure

從表2中可以看出，當氣源壓力在5～30MPa范圍內(nèi)變化時，吹除閥停止工作時壓載水艙內(nèi)的壓力均穩(wěn)定在0.55MPa。

表3所示為模擬氣源壓力30MPa時，在不同舷外海水壓力條件下，吹除閥停止工作時壓載水艙內(nèi)的壓力情況。

表3　不同舷外海水壓力下的壓載水艙壓力Tab.3　The ballast tank p ressure of different seawater p ressure

從表3中可以看出，當舷外海水壓力在0.1～0.6 MPa范圍內(nèi)變化時，在吹除閥停止工作后，舷內(nèi)、外海水壓差均穩(wěn)定在0.05 MPa。上述實驗結(jié)果表明：氣源壓力、舷外海水壓力對吹除閥壓差控制性能沒有影響，吹除閥具有較高的壓差控制精度與穩(wěn)定性，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖13和圖14分別為不同節(jié)流孔孔徑Φ與控制閥彈簧預(yù)壓縮量S作用下，仿真與實驗壓差△P的對比曲線圖。

從圖13和圖14中可以看出，不同節(jié)流孔孔徑Φ與控制閥彈簧預(yù)壓縮量S下的仿真與實驗壓差△P對比曲線均存在少量誤差，但誤差仍在允許范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，通過改變節(jié)流孔孔徑Φ與控制閥彈簧預(yù)壓縮量S的大小，可以有效調(diào)節(jié)吹除閥的壓差控制范圍。

圖14　不同S下的壓差對比曲線Fig.14　Comparison of simulated and experimental differential pressure for different S

5　結(jié)論

本文基于多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺AMESim對高壓氣動吹除閥進行了仿真分析，并進一步探究了各項參數(shù)對吹除閥吹除性能的影響。最后，通過相關(guān)實驗對吹除閥性能進行了驗證，得出以下結(jié)論：

1）吹除閥的工作性能平穩(wěn)，響應(yīng)靈敏，壓差控制精度高。

2）氣源壓力或舷外海水壓力對吹除閥壓差控制性能沒有影響，但提高氣源壓力，降低舷外海水壓力能有效提高吹除效率。

3）通過改變節(jié)流孔孔徑與控制閥彈簧預(yù)壓縮量，可以調(diào)節(jié)吹除閥壓差控制范圍。

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［責任編輯：易基圣］

Sim u lation and experimental investigation of an extra-high p ressure pneumatic b low ing valve based on AMESim

XIA Ji1，LIAO Yide2，YANGKai2
1 NavalMilitary Rep resentative Office in China Ship Developmentand Design Center，W uhan 430064，China 2 SchoolofMechanical&Electrical，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

In this paper，a type of high pressure pneumatic blowing valvewith differential pressure control device is presented，and the valve'sworking p rinciple is introduced.The simulationmodel of the valve is established using AMESim pneumatic components library，and the dynam ic characteristic of the valve is systematically analyzed.The respective effects of themain valve spool's orifice aperture，the valve's pre-compressed spring length，air source pressure，and seawater pressure on the valve's performance are further investigated.Finally，the experimental study of the valve's performance is carried out.The research resu lts show that the performance of the valve is stable with sensitive response and precise differential pressure control；increasing the air source pressure or reducing the seawater pressure can effectively improve the working efficiency，while the change of these two parameters has no impact on the differential pressure control precision；The range of differential pressure control can bemodified by changing themain valve spool's orifice aperture and the control valve's pre-comp ressed spring length.

high pressure pneumatic；differential pressure control；blowing valve；ballast tank；AMES-im simulation

U664.83

ADO I：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.019

2014-12-18網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-10-8 10∶42

夏極（通信作者），男，1982年生，博士，工程師。研究方向：動力裝置自動化與仿真技術(shù)。E-mail∶weifeeng@sina.com

廖義德，男，1963年生，博士，教授。研究方向：流體傳動與控制。E-mail∶whgcdxl@163.com

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1042.002.htm l