張國(guó)峰

摘 要：該文首先對(duì)AMESim軟件做了簡(jiǎn)要介紹，然后以隔膜泵沖洗系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了基于AMESim的仿真模型，通過(guò)對(duì)沖洗系統(tǒng)油量及噴射距離進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。所得結(jié)論對(duì)隔膜泵液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：沖洗系統(tǒng)；AMESim；仿真模型

中圖分類號(hào)：TB301 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近幾年隨著隔膜泵在石油化工項(xiàng)目、遠(yuǎn)距離管道輸送項(xiàng)目等應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，各泵型規(guī)格不斷擴(kuò)大與完善，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量成為隔膜泵設(shè)計(jì)的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目之一。優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量首先應(yīng)從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提高設(shè)計(jì)理論，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，研發(fā)設(shè)計(jì)工具，改變?cè)O(shè)計(jì)觀念。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以概括為力求運(yùn)用現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、應(yīng)用力學(xué)、微電子學(xué)及信息科學(xué)等方面的最新成果與手段實(shí)現(xiàn)6個(gè)方面的轉(zhuǎn)化。

（1）以動(dòng)態(tài)取代靜態(tài)：象利用AMESim對(duì)隔膜泵液壓控系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

（2）以定量取代定性：象利用ANSYS計(jì)算隔膜泵強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）以優(yōu)化設(shè)計(jì)取代可行性設(shè)計(jì)：象利用相關(guān)的設(shè)計(jì)變量建立合理的數(shù)學(xué)模型，從眾多的可行方案中尋求最優(yōu)方法。

（4）以并行設(shè)計(jì)取代串行設(shè)計(jì)：象依據(jù)隔膜泵總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行所屬部裝設(shè)計(jì)。

（5）以微觀取代宏觀：象潤(rùn)滑理論中的微—納米摩擦學(xué)。

（6）以自動(dòng)化設(shè)計(jì)取代人工設(shè)計(jì)：按照集成化與智能化的要求，充分利用軟件設(shè)計(jì)代替人工設(shè)計(jì)。

1 AMESim簡(jiǎn)介

AMESim最早由法國(guó)Imagine公司于1995年推出，2007年被比利時(shí)LMS公司收購(gòu)。LMS Imagine.Lab AMESim即多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，用戶可以在這個(gè)平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在這個(gè)平臺(tái)上研究任意元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。象在燃油噴射、制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

在AMESim中共有4個(gè)應(yīng)用庫(kù)用于隔膜泵液壓控制系統(tǒng)仿真，分別是液壓庫(kù)（HYD）、液壓閥庫(kù)（HSV）、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（HCD）及液阻庫(kù)（HR），這些液壓庫(kù)在應(yīng)用方面完全相互兼容。

HYD是液壓管路仿真的基礎(chǔ)液壓庫(kù)，主要由一些用于仿真液壓系統(tǒng)的內(nèi)置元件組成。

HSV主要用在液壓管路中各處控制閥的應(yīng)用庫(kù)中。

HCD是由基本幾何結(jié)構(gòu)單元組成的基本元素庫(kù)，該元素庫(kù)非常適合對(duì)非標(biāo)液壓元部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模和分析。

HR用在液壓管路中各處的壓力損失和流量分布計(jì)算的應(yīng)用庫(kù)中。

2 基于AMESim的沖洗系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

隔膜泵沖洗系統(tǒng)在隔膜泵正常工作過(guò)程中，能提供穩(wěn)定的沖洗油量和適當(dāng)?shù)膰娚渚嚯x，最終對(duì)活塞油缸起到冷卻和潤(rùn)滑的效果。該文以某隔膜泵項(xiàng)目為例，通過(guò)沖洗系統(tǒng)在優(yōu)化前和優(yōu)化后仿真曲線的對(duì)比來(lái)說(shuō)明AMESim對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化起到的作用。

2.1 建模原理圖（圖1、圖2）

2.2 仿真流量曲線

在建模過(guò)程中，采用了同一流量源，所以從圖3和圖4中可以看出在0.1 s后流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖3中1室流量為2、3室流量的4倍，2、3室流量差值為0.2 L/min，所以在圖3中2室流量曲線和3室流量曲線基本形成重合狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)的沖洗系統(tǒng)流量均勻性相對(duì)較差，而從圖4可以看出其流量分配比優(yōu)化前要均勻，各室流量差值為1 L/min左右，而且在實(shí)際中能達(dá)到相對(duì)較好的沖洗效果。

對(duì)于油液的噴射距離，可依據(jù)射流軌跡法原理進(jìn)行計(jì)算，在此以優(yōu)化后結(jié)構(gòu)1室為例進(jìn)行計(jì)算，如圖5所示，在忽略空氣阻力且壓力近似為0時(shí)，孔口射流距離x0=v0t，由于沖洗系統(tǒng)屬于直通管油液噴射，此處H=0，在考慮管內(nèi)壓力時(shí)，將壓力作用下油液的噴射距離與壓力為0時(shí)的射流距離進(jìn)行疊加，得到的最終結(jié)果就是油液的實(shí)際噴射距離。

根據(jù)仿真結(jié)果能得到v0和p0隨時(shí)間的特性曲線，如圖6、圖7所示。

由圖6知，在0.1 s后流速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以x0=v0

t=3.9×0.1=0.39m，

由公式

所以1室油液噴射距離 x=x0+x1=0.855m=855mm。同理可計(jì)算出2室、3室的噴射距離，見表1。

3 結(jié)論

AMESim不僅在隔膜泵液壓元件設(shè)計(jì)中起到指導(dǎo)作用，而且在液壓系統(tǒng)優(yōu)化中提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。該文利用AMESim對(duì)隔膜泵沖洗系統(tǒng)油量及噴射距離的仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了沖洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)隔膜泵液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義，為優(yōu)化隔膜泵設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)方法向多元化發(fā)展提供有力的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]付永領(lǐng)，祁曉野. LMS Imagine .Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊(cè)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2011.

[2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]喬中華.流體力學(xué)[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[4]何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[5]楊叔子，楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.