陳明剛，韓暉

摘  要：計(jì)算機(jī)仿真取代實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)已成必然趨勢(shì)。通過(guò)AMESim多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真平臺(tái)對(duì)汽輪機(jī)閥門(mén)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，仿真分析，可實(shí)現(xiàn)改變某一參數(shù)就能得到相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的功能。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，改變油動(dòng)機(jī)入口C1通徑的對(duì)油動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度影響較小，而改變油動(dòng)機(jī)油缸軸徑的對(duì)油動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度影響較大。研究成果可為油動(dòng)機(jī)的油缸等的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；液壓伺服系統(tǒng)；仿真;

傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常是這樣的，先根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)并制造出產(chǎn)品樣機(jī)，再對(duì)樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)，對(duì)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)判斷該產(chǎn)品是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于液壓伺服系統(tǒng)本身是一個(gè)非線性的系統(tǒng)，隨著液壓零件內(nèi)部容積、溫度等的變化，液壓剛度也在變化，同時(shí)溫度、含氣率等等也會(huì)對(duì)液壓動(dòng)力油的性能帶來(lái)較大改變。單從設(shè)計(jì)角度看，許多新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不存在問(wèn)題，在試驗(yàn)室中工作也正常，可是一旦投入到實(shí)際使用，卻會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，需要經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作來(lái)解決。所以這種傳統(tǒng)模式在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中前期的投入較大，花費(fèi)的成本較大，而且時(shí)間較長(zhǎng)。

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，如今在液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也開(kāi)始大量采用數(shù)字仿真模型的方法，即建立完整的仿真數(shù)字模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)仿真模型的運(yùn)算，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，只需通過(guò)修正仿真模型來(lái)解決問(wèn)題，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。但在傳統(tǒng)模式下，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就需要修改樣機(jī)或重新制作樣機(jī)，而計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算模式改變了傳統(tǒng)模式，使設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)以最低的成本為用戶(hù)推出新產(chǎn)品。因此，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，液壓仿真的應(yīng)用越來(lái)越廣，已成為重要的設(shè)計(jì)工具。

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品建立仿真模型，并把仿真試驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)際性能進(jìn)行比較，在驗(yàn)證產(chǎn)品性能的同時(shí)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，旨在利用該軟件，為以后的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的選取提供指導(dǎo)，以及通過(guò)改變仿真模型參數(shù)，在非正常工作條件下再現(xiàn)某些零件故障對(duì)產(chǎn)品性能的影響，為分析故障產(chǎn)生的原因提供依據(jù)。

1  液壓伺服系統(tǒng)油動(dòng)機(jī)仿真建模

汽輪機(jī)液壓伺服系統(tǒng)包含液壓系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制元件，涉及機(jī)電、液壓、結(jié)構(gòu)和控制等專(zhuān)業(yè)。液壓系統(tǒng)需要考慮壓力脈動(dòng)、限位和飽和，以及氣穴等因素，同時(shí)還要考慮結(jié)構(gòu)剛度和負(fù)載對(duì)伺服系統(tǒng)定位精度的影響。此外，溫度等環(huán)境因素也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這些不同專(zhuān)業(yè)的模塊需要在統(tǒng)一的平臺(tái)上連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多物理領(lǐng)域系統(tǒng)的耦合分析。

本文通過(guò)AMEsim軟件，對(duì)液壓系統(tǒng)的某一部分進(jìn)行詳細(xì)的性能分析，包括穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)，時(shí)域和頻域等。AMEsim軟件可以方便地選用應(yīng)用庫(kù)中的元件，為需要分析的系統(tǒng)模型搭建一個(gè)完整、簡(jiǎn)潔、易懂的圖形表達(dá)式。LMS Imagine.Lab AMEsim多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真平臺(tái)的應(yīng)用庫(kù)元件都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性是有保證的。該系統(tǒng)允許用戶(hù)在開(kāi)發(fā)階段的早期從簡(jiǎn)化的模型開(kāi)始進(jìn)行分析，并且隨著可用的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)越來(lái)越多，可以逐漸細(xì)化模型。

采用AMSsim軟件創(chuàng)建一個(gè)完整詳細(xì)的抗燃油液壓系統(tǒng)油動(dòng)機(jī)模型，模型包含所有零部件，以及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、流量特性等參數(shù)，模型結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性。[1]

采用該軟件進(jìn)行建模分析的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)通過(guò)對(duì)模型的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的比較，從中選出最佳設(shè)計(jì)方案。

2)通過(guò)對(duì)新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不斷調(diào)整，反復(fù)比較以及精確的計(jì)算得出最佳的計(jì)算結(jié)果。但在某些特殊情況下，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在一些不易確定的參數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到的計(jì)算結(jié)果可能僅僅是一個(gè)數(shù)值范圍。另外，如果有兩種結(jié)構(gòu)，則多種參數(shù)組合都可以滿(mǎn)足要求，這就需要在樣機(jī)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上建立多個(gè)模型，來(lái)驗(yàn)證不同的參數(shù)變量對(duì)產(chǎn)品性能的影響。如果采用仿真設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的初始階段就可以根據(jù)模型的構(gòu)成元件預(yù)測(cè)工作性能，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。就這一點(diǎn)而言，仿真設(shè)計(jì)的優(yōu)越性非常突出。[2]

3)在設(shè)計(jì)階段，可以直接確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足要求。

4)可以得到描述物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用成熟的系統(tǒng)分析理論和方法，更深層次地揭示系統(tǒng)機(jī)理，從而深入認(rèn)識(shí)所研究的系統(tǒng)。[3]

5)可以借鑒成熟的仿真模型，進(jìn)行產(chǎn)品系列的開(kāi)發(fā)。

2油動(dòng)機(jī)仿真模型分析

對(duì)主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)建模，如圖1所示。

圖1 主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)模型圖

如圖1所示，在正常工作條件下，必須將2個(gè)電磁閥NG6保持帶電狀態(tài)，有一路壓力油通過(guò)2個(gè)電磁閥流向插裝閥的控制油區(qū)域，4個(gè)插裝閥均關(guān)閉，另一路高壓油經(jīng)過(guò)濾器，電磁閥NG5失電，高壓油流向C1、C2，將油動(dòng)機(jī)開(kāi)啟。C3是油缸的另一側(cè)通回油。當(dāng)主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)收到關(guān)閉的控制信號(hào)，電磁閥NG5帶電，油缸底部的油就流向油箱，壓力降低，在彈簧力的作用下將閥門(mén)關(guān)閉。

主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)在準(zhǔn)備工作的狀態(tài)下，活塞處于最大位移處，此時(shí)電磁閥NG6失電，電磁閥NG5帶電。進(jìn)入工作狀態(tài)后，電磁閥NG5失電，電磁閥NG6帶電，當(dāng)電磁閥NG6電流逐漸增加至額定電流40mA時(shí)，主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)的活塞隨之移動(dòng)，主汽門(mén)逐漸關(guān)閉。油動(dòng)機(jī)油缸各個(gè)腔室C1、C2、C3的壓力-時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 油動(dòng)機(jī)各個(gè)腔室的壓力-時(shí)間曲線圖

圖2結(jié)果顯示：腔室C1和腔室C2壓力基本一致。在上部圓圈區(qū)域，由于此時(shí)腔內(nèi)壓力相對(duì)較大，活塞不能移動(dòng)，因而該區(qū)域的壓力降低幅度較大；當(dāng)活塞開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，壓力降低幅度變?。辉谙虏繄A圈區(qū)域，活塞已經(jīng)移動(dòng)到最小位移(0mm)，壓力降低幅度再次加大，很快降至0MPa。活塞從最大位移移動(dòng)至最小位移大概耗時(shí)5s，管道結(jié)構(gòu)對(duì)該結(jié)果有直接影響。

腔室C1的局部放大圖如圖3所示。

圖3腔室C1的局部放大圖

C1腔右側(cè)處管道直徑原值為14mm，分別為改成12mm和16mm，圖4給出了不同直徑下油動(dòng)機(jī)由斷電開(kāi)始通電階段的活塞移動(dòng)情況?？梢钥闯?，改變?cè)撎幍墓艿乐睆綄?duì)油動(dòng)機(jī)活塞的響應(yīng)速度沒(méi)有明顯影響，將管道直徑改為其他數(shù)值，結(jié)果也如此。

圖4 C1處不同管徑油動(dòng)機(jī)活塞的移動(dòng)情況

油動(dòng)機(jī)活塞的軸徑原值為90mm，將其分別改為80mm、100mm，圖5給出了不同軸徑下油動(dòng)機(jī)由斷電開(kāi)始通電的活塞移動(dòng)情況。可以看出，加大軸徑有利于加快活塞的移動(dòng)速度。其原因是軸徑越大，意味著C1和C2腔內(nèi)高壓抗燃油對(duì)上端作用面積越小，即壓力越小，當(dāng)油動(dòng)機(jī)通電時(shí)，活塞下移速度加快。

圖5 不同油缸軸徑油動(dòng)機(jī)活塞的移動(dòng)情況

3 結(jié)論

本文通過(guò)創(chuàng)建主汽門(mén)油動(dòng)機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行了計(jì)算，以判斷產(chǎn)品性能是否達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求；并計(jì)算了部分零件不同尺寸對(duì)整體性能的影響程度。通過(guò)改變模型的入口C1通徑尺寸、油缸軸徑尺寸并進(jìn)行計(jì)算，可以得到如下結(jié)論：

1）油動(dòng)機(jī)入口C1通徑的改變對(duì)油動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度影響較??；

2）油動(dòng)機(jī)油缸軸徑的改變對(duì)油動(dòng)機(jī)響應(yīng)速度影響較大。

如進(jìn)一步對(duì)油缸質(zhì)量、油液黏度、管道等進(jìn)行計(jì)算，會(huì)得到更多的有益的結(jié)論，可以對(duì)油動(dòng)機(jī)實(shí)施優(yōu)化方案起到幫助。下一步我們將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，如超超臨界1000MW機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行整體建模，實(shí)施優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使1000MW機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。同時(shí)通過(guò)所建立的模型，可以進(jìn)行故障分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，只需改變零件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，找出零件變化所產(chǎn)生的與故障狀態(tài)相似的結(jié)果，我們就能確定故障出現(xiàn)的原因，進(jìn)而加以改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮永保，劉杰.基于AMESim與MATLAB的矢量噴管電液伺服系統(tǒng)建模與仿真研究 [J].機(jī)床與液壓,2015 ,43 (4):118-121. 

[2] 龍澤明，王君龍，張寶軍，等.基于AMESim的液壓伺服系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)械工程師,2014(1):15-16.

[3] 江玲玲，張俊俊.基于AMESim的液壓位置伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2007(1):35-37.

（本文原載《熱力透平》2018年第4期。）