基于AMEsim的雙作用式除冰液泵脈動(dòng)抑制方法研究

龔淼，陳斌，邢志偉，王立文

（1.中國(guó)民航大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航航空地面特種設(shè)備研究基地，天津 300300）

基于AMEsim的雙作用式除冰液泵脈動(dòng)抑制方法研究

龔淼1，2，陳斌1，2，邢志偉1，2，王立文1，2

（1.中國(guó)民航大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)民航航空地面特種設(shè)備研究基地，天津 300300）

針對(duì)除冰加液過(guò)程中的流量脈動(dòng)和振動(dòng)，以雙作用式大流量除冰液往復(fù)泵為研究對(duì)象，給出了工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)AMESim軟件進(jìn)行建模仿真，得到蓄能器在不同充氣壓力下安裝位置前后的流量曲線，計(jì)算出流量脈動(dòng)率，并分析了改變配流球閥質(zhì)量后的流量輸出和脈動(dòng)情況，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析的合理性．結(jié)果顯示，當(dāng)蓄能器壓力略低于平均工作壓力時(shí)，脈動(dòng)抑制效果較佳；減小閥芯質(zhì)量不僅可以減小流量脈動(dòng)，還能改善閥芯的啟閉特性．實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的可靠性，為民航除冰工藝裝備設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

除冰液泵；AMESim；流量脈動(dòng)；脈動(dòng)抑制；蓄能壓力；實(shí)驗(yàn)研究

除冰液的加注速度和配比精度是影響飛機(jī)除冰作業(yè)效率和效果的重要因素[1]．自2005年以來(lái)我國(guó)北方幾大機(jī)場(chǎng)已經(jīng)相繼建設(shè)了由配比加注站與移動(dòng)加液站組成的大型除冰液加注系統(tǒng)，為了保證加液速度和壓力，不影響除冰液粘度和理化特性，除冰液加注系統(tǒng)普遍采用了不銹鋼往復(fù)泵組．往復(fù)泵因具有良好的自吸能力以及具有良好的耐壓性和容積特性，適用于輸送高粘度和腐蝕性液體，而被應(yīng)用到許多特殊場(chǎng)合[2]．近年來(lái)，由中國(guó)民航地面特種設(shè)備基地研制的新型的雙作用往復(fù)泵，成倍提高了加注速度，已成功應(yīng)用于多個(gè)除冰加液系統(tǒng)中．在加液速度的大幅提升下，由于往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)特性，無(wú)論是傳統(tǒng)往復(fù)泵還是新型雙作用式往復(fù)泵，都不可避免的會(huì)產(chǎn)生流量輸出的脈動(dòng)，為了保證加液速度，用于除冰加液的大流量雙作用往復(fù)泵在2 bar工作壓力下，輸出脈動(dòng)率普遍大于160%[3]．雖然已經(jīng)研究顯示，采用多臺(tái)泵相位分散法、設(shè)計(jì)主動(dòng)控制回路等可以有效抑制輸出脈動(dòng)[4-6]，但不適用于一些工況下的單臺(tái)或兩臺(tái)作業(yè)．輸出脈動(dòng)過(guò)大會(huì)影響水和液的實(shí)時(shí)配比精度，而且在加注過(guò)程中管路會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的共振，對(duì)系統(tǒng)壽命造成影響[7]．

為了減小單臺(tái)往復(fù)泵的輸出脈動(dòng)和管路共振，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸出的連續(xù)性，作者針對(duì)近年來(lái)投入使用的雙作用式往復(fù)泵進(jìn)行了工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)建模仿真，提出改變蓄能器壓力和配流球閥質(zhì)量的脈動(dòng)抑制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，為民航飛機(jī)除冰工藝裝備設(shè)計(jì)提供依據(jù)．

1 工作原理及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.1 工作原理及性能參數(shù)

雙作用往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，由曲柄連桿1通過(guò)活塞2將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的柱塞泵缸3連為一體，進(jìn)液通道4與每個(gè)柱塞泵缸上的進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y5連接，排液通道6與每個(gè)柱塞泵缸上的排液?jiǎn)蜗蜷y7連接，通過(guò)排液出口8向外排液．柱塞泵缸分為A與B兩個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)設(shè)有一個(gè)單向閥，在一個(gè)工作循環(huán)中左右兩個(gè)缸體吸取排出除冰液各兩次，提高了單位時(shí)間內(nèi)的加液效率和加注的連續(xù)性．

雙作用加液往復(fù)泵的設(shè)計(jì)平均流量為40m3/h，最大工作壓力4 bar，由固定站向移動(dòng)加液站配比加注時(shí)平均工作壓力約2 bar，由移動(dòng)加液站向除冰車(chē)加注時(shí)平均壓力約約1 bar，介質(zhì)為高粘度除冰液．

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)工作原理，建立往復(fù)泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，由于雙作用往復(fù)泵兩側(cè)結(jié)構(gòu)相同，將雙作用式往復(fù)泵進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，其單側(cè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖2所示．由曲柄1、連桿2、十字頭3構(gòu)成傳動(dòng)端，泵體4、活塞5、吸入管6、吸入閥7、排出閥8、排出管9構(gòu)成液力端．單側(cè)流量約為約為333 L/m in．

傳動(dòng)端實(shí)物見(jiàn)圖3．傳動(dòng)端是幾何封閉的溝槽凸輪結(jié)構(gòu)[8]，推桿軸線通過(guò)凸輪回轉(zhuǎn)中心，為對(duì)心直動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)．假設(shè)凸輪在初始位置時(shí)，泵缸活塞位于圖2-1所示的最左端，那么當(dāng)凸輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，溝槽將帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，迫使往復(fù)泵活塞向右移動(dòng)，泵缸無(wú)桿腔吸液，有桿腔排液．轉(zhuǎn)過(guò)180°后，推桿帶動(dòng)活塞左移，此時(shí)泵缸無(wú)桿腔排液，有桿腔吸液．

經(jīng)分析可知，傳動(dòng)端的幾何封閉溝槽凸輪結(jié)構(gòu)可以等效為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖4所示．

圖4中，r為等效曲柄長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為凸輪中心到驅(qū)動(dòng)軸中心距離，r=60mm；L為等效連桿長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為溝槽內(nèi)圈半徑與溝槽軸承半徑的和，L=163mm；假設(shè)活塞位于圖中最左端位置時(shí)為活塞位移零點(diǎn)，那么活塞經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，水平方向發(fā)生位移S，那么有

圖1 雙作用除冰液泵結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Double-acting deicing fluid pum p structureprinciplediagram

圖2 雙作用往復(fù)泵單側(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Double-acting deicing pump one side structure diagram

圖3 往復(fù)泵傳動(dòng)端Fig.3 Double-acting pump driving partstructure

圖4 傳動(dòng)端等效模型Fig.4 Equivalentmodelof drivingpart

對(duì)S求導(dǎo)，就得到滾子中心水平方向速度，也就是活塞水平方向的運(yùn)動(dòng)速度V

2 建模仿真

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立往復(fù)泵的仿真模型，采用AMEsim軟件[9-10]進(jìn)行建模仿真．為了能夠在保證泵的輸出性能前提下盡可能減小輸出脈動(dòng)，擬采用在系統(tǒng)中增加蓄能器以及優(yōu)化配流球閥的方法，通過(guò)改變蓄能器壓力和球閥質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真，驗(yàn)證方法的可行性，找出最佳脈動(dòng)抑制的參數(shù)配置．

2.1 模型選擇與參數(shù)設(shè)置

為了簡(jiǎn)化AMESim模型，用恒轉(zhuǎn)速電機(jī)模型代替電機(jī)、皮帶傳動(dòng)和齒輪箱這些機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)速．往復(fù)泵轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足關(guān)系

其中：f為電源頻率，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為50 Hz；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)使用4級(jí)電機(jī)，極對(duì)數(shù)p= 2；i為電機(jī)到往復(fù)泵驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)比，這里為i=16.81．

選擇AMESim中Mechanical應(yīng)用庫(kù)的PM 000模型，此模型為恒轉(zhuǎn)速原動(dòng)機(jī)模型．原動(dòng)機(jī)模型及其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1．

根據(jù)圖4所示的傳動(dòng)端等效模型，在Mechanical應(yīng)用庫(kù)中選擇CRANK0模型，模型參數(shù)見(jiàn)表2．

當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速一定時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就確定了，所以仿真時(shí)不考慮活塞與缸筒間摩擦力的影響．在HCD（Hydraulic ComponentDesign）庫(kù)中選擇BAP12、BAP11模型，組合成泵的缸體和活塞部分，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3．

系統(tǒng)采用自力式球閥作為配流閥，閥芯受力主要為壓差力、重力和液體粘性阻力．球閥和安全閥的模型參數(shù)見(jiàn)表4和表5．

使用節(jié)流孔模擬真實(shí)負(fù)載，使液體流經(jīng)節(jié)流孔后產(chǎn)生的壓力降近似實(shí)際系統(tǒng)工作壓力．參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表6．

蓄能器模型參數(shù)見(jiàn)表7．通過(guò)仿真分析脈動(dòng)抑制效果以及改變相關(guān)參數(shù)后，其流量脈動(dòng)抑制作用的變化趨勢(shì)．

表1 電機(jī)仿真模型參數(shù)Tab.1 M odel parameters ofmotor

表2 傳動(dòng)端仿真模型參數(shù)Tab.2 Model parametersof driving part

表3 缸筒仿真模型參數(shù)Tab.3 Modelparametersof cylinder barrel

表4 球閥仿真模型參數(shù)Tab.4 Model parametersofball valve

表5 安全閥仿真模型參數(shù)Tab.5 Model parametersof safety valve

表6 節(jié)流閥仿真模型參數(shù)Tab.6 Modelparametersofthrottling valve

表7 蓄能器仿真模型參數(shù)表Tab.7 M odel parametersofenergy accumulator

表8 流體物理參數(shù)Tab.8 Fluid physical parameters

設(shè)定模型環(huán)境溫度為20℃，氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓．仿真流體分別為以丙二醇為主要成分的Ⅰ型除冰液，流體主要參數(shù)見(jiàn)表8．

組合后系統(tǒng)仿真模型如圖5所示．

2.2 不同充氣壓力下的仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)仿真模型，以充氣壓力為批量參數(shù)，分別設(shè)置充氣壓力為3bar、2bar、1.6bar、1.3bar、1bar，分別得到是蓄能器前流量曲線如圖6所示，蓄能器后流量曲線圖7所示．

圖5 系統(tǒng)仿真模型Fig.5 System modeling and simulation

圖6 蓄能器前流量曲線Fig.6 Flow curvesbefore energy accumulatorposition

圖7 蓄能器后流量曲線Fig.7 Flow curves behind energy accumulatorposition

不同充氣壓力下，蓄能器安裝位置前流量脈動(dòng)率：

蓄能器安裝位置后的流量脈動(dòng)率：

結(jié)果顯示，隨著充氣壓力減小，蓄能器安裝位置之后的流量脈動(dòng)率持續(xù)減小．充氣壓力由3 bar減小到1 bar時(shí)，流量脈動(dòng)率由132%減小到4%．

安裝蓄能器能起到流量脈動(dòng)抑制作用，但是過(guò)高的充氣壓力反而會(huì)加劇流量脈動(dòng)，當(dāng)充氣壓力略小于平均負(fù)載壓力時(shí)，可以起到很好的流量脈動(dòng)抑制作用．同時(shí)，安裝蓄能器后，泵出口至蓄能器之間管路的流量脈動(dòng)率會(huì)增加，所以應(yīng)將蓄能器盡量安裝在靠近泵出口的位置．

圖8 不同材質(zhì)閥芯質(zhì)量對(duì)比Fig.8 Contrastof differentballweight

2.3 配流球閥仿真分析

在之前泵的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把材質(zhì)較輕的聚四氟乙烯閥芯（圖8a））換成不銹鋼閥芯（圖8b））后，泵在工作時(shí)出現(xiàn)了很大的撞擊聲音，同時(shí)可以聽(tīng)到吸排液體過(guò)程聲音也有所變化，可觀察到輸出流量脈動(dòng)具有區(qū)別．通過(guò)仿真可分析采用不同質(zhì)量的閥芯對(duì)系統(tǒng)脈動(dòng)產(chǎn)生的影響．

將包含實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在內(nèi)的4組球閥質(zhì)量數(shù)據(jù)作為批處理數(shù)據(jù)，利用AMESim分析往復(fù)泵系統(tǒng)在4種不同閥芯質(zhì)量下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和流量脈動(dòng)率．設(shè)閥芯質(zhì)量分別為100 g、175 g、450 g、762 g．

圖9是出口閥的位移曲線．

由圖9可以看出，隨著閥芯質(zhì)量的減小，閥芯與上限位之間的撞擊次數(shù)減小，開(kāi)啟時(shí)間縮短，可增加流量輸出的連續(xù)性．不同質(zhì)量閥芯的系統(tǒng)流量仿真曲線如圖10所示．由此可以計(jì)算出不同閥芯質(zhì)量時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量脈動(dòng)率，見(jiàn)公式(8)～公式(11)．

圖9 出口閥芯位移Fig.9 Movementcurvesofexitballs

圖10 不同閥芯流量曲線Fig.10 Flow curves of differentballs

可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)臏p小球閥閥芯的重量可以減小流量脈動(dòng)．隨著球閥閥芯重量的減小，平均流量有所增加，這是由于氣穴現(xiàn)象得到抑制．同時(shí)，隨著閥芯重量變輕，閥芯啟閉滯后現(xiàn)象也得到改善，減少了因倒灌引起的平均流量減?。?/p>

3 實(shí)驗(yàn)

圖11 蓄能器實(shí)驗(yàn)Fig.11 Energy accumulator experiment

根據(jù)仿真結(jié)果，采用質(zhì)量為100 g的聚四氟乙烯閥芯作為配流球閥，研究雙作用往復(fù)泵安裝蓄能器后，充氣壓力分別為3 bar、2 bar、1.6 bar 3種情況下系統(tǒng)流量脈動(dòng)率的大小和變化趨勢(shì)，圖11是正在進(jìn)行的蓄能器實(shí)驗(yàn)．

經(jīng)過(guò)傳感器濾波和AD板卡采集，當(dāng)充氣壓力為3bar、2bar、1.6bar時(shí)，測(cè)得蓄能器前后流量曲線分別為圖12、圖13、圖14中的曲線0和曲線1．

3種充氣壓力下，根據(jù)系統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，蓄能器安裝位置前流量脈動(dòng)率分別為：

蓄能器安裝位置之后流量脈動(dòng)率分別為：

將實(shí)驗(yàn)得到的不同蓄能器充氣壓力下的系統(tǒng)流量脈動(dòng)率與仿真結(jié)果作對(duì)比，見(jiàn)表9．

圖12 充氣壓力為3 bar時(shí)的流量曲線Fig.12 Flow curvesunder3 bar

圖13 充氣壓力為2 bar時(shí)的流量曲線Fig.13 Flow curvesunder2 bar

表9 流量脈動(dòng)率仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Tab.9 Flow pulsation ratecontrastbetween simulation and experiment

圖14 充氣壓力為1.6 bar時(shí)的流量曲線Fig.14 Flow curvesunder1.6 bar

由表9可以看出，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，即隨著充氣壓力向平均工作壓力方向減小，蓄能器安裝位置之后的管路流量脈動(dòng)率逐漸減小，相比于單側(cè)仿真結(jié)果，雙側(cè)同時(shí)工作流量輸出更加平穩(wěn)，考慮到仿真過(guò)程中忽略了泄露和直角彎管等對(duì)流量特性的影響，可以認(rèn)為仿真模型是可靠的．

4 結(jié)論

1）分析了雙作用式飛機(jī)除冰液泵工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，給出了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真的簡(jiǎn)化模型．

2）通過(guò)仿真得到不同蓄能壓力和不同配流球閥質(zhì)量下的流量脈動(dòng)率，結(jié)果顯示，當(dāng)蓄能器壓力略低于平均工作壓力時(shí)，脈動(dòng)抑制效果較佳；減小閥芯質(zhì)量不僅可以減小流量脈動(dòng)，還能改善閥芯的啟閉特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的可靠性．

3）根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行配比加注時(shí)，將蓄能壓力設(shè)置為2 bar，由移動(dòng)加液站向除冰車(chē)加注時(shí)可將蓄能壓力設(shè)置為1 bar，可達(dá)到最佳脈動(dòng)抑制效果．

[1]覃章高，邢志偉，高慶吉．民航機(jī)場(chǎng)除冰雪技術(shù)研究[R]．北京：中國(guó)民航總局機(jī)場(chǎng)司，2005．

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[6]李曉峰，陳崢，孫長(zhǎng)明，等．基于耦合補(bǔ)償?shù)耐鶑?fù)泵同步控制[J]．流體傳動(dòng)與控制，2013（2）：13-17．

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[10]付永領(lǐng)，齊海濤．LMS Imagine．Lab AMESim系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例教程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：7-9．

[責(zé)任編輯 楊屹]

AMESim-based pulsation suppressionmethod of double-acting aircraftde-icing liquid pump

GONGM iao1，2，CHEN Bin1，2，XING Zhi-wei1，2，WANG Li-wen1，2

(1.Departm entof AeronauticalAutomation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;2.Aviation Ground Special EquipmentResearch Base,CAAC,Tianjin 300300,China)

Aiming at thesuppression ofpulsation and vibration in de-icing liquid filling,we selected double-acting large flow reciprocating pumpas theobjectand proposed theprincipleaswellas thekinematicmodel.According to themodeling and simulation by AMESim,w esetdifferentpressuresofenergyaccumulatorandgained flow curvesw hichwere captured before and after the installation position,then calculated the flow pulsation rate.Wealso analyzed theoutput flow and the pulsation rateby changing thew eightofone-w ay ball check valve.Then,w e tested the validity of simulation.The results demonstrated thatthepulsation suppression resultisrelatively goodwhen theenergy accumulator pressure isslightly low er than averageworking pressure;besides,decreasing thew eightofone-w ayballcheck valve can suppress the flow pulsation and improve theon-off characteristic ofballvalve.Moreover,the resultsalso testified thedependability ofmodelingand simulation and provided a reference to the related equipmentdesignand industrialapplications.

double-acting pump;AMESIM;flow pulsation;pulsation suppression;accumulatorpressure;experiment research

TH 112

A

1007-2373(2014)04-0069-07

2014-04-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAG04B02）；中國(guó)民航大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金（1060010120）

龔淼（1982-），男（漢族），助理研究員，博士．