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基于AMEsim的定子部件装配液压实验设备的仿真

摘要：提出一种定子部件装配液压实验平台，这个系统的仿真是基于软件AMEsim来执行的。本文分析了此系统包括压力与位移的一些特性，论文结论指导了定子部件装配液压实验平台的设计开发。

关键词：核反应冷却泵，定子罐，液压，AMEsim

0 简介

随着能源危机的浮现，核能作为一种清洁能源在诸多国家的能源工业中受到欢迎。目前，世界上的核电站主要属于源于第一代核能的第二代核能。但是，他们不符合能效标准，安全标准，并且有一些其他的弱点。一些国家为了阻止这些弱点正在积极地发展一种新一代的核能。在这些技术中，更加成熟的是美国Westinghouse公司研发的AP1000.

核反应冷却泵是核电站核心部件之一。它被设计用于泵出大量的反应冷却液来使核反应堆冷却。为了避免发生缠绕腐蚀，隔离机器、定子部件与冷却液是非常重要的。因此，定子和转子被包装在抗腐蚀罐中，来阻止转子棒、定子线圈与反应冷却液接触。因为定子罐的安装工序与质量直接影响了核反应冷却泵的正常运行，所以它是泵的核心部件之一。

定子罐的原料是哈斯特洛伊耐腐蚀镍基合金C-276^【1】。在经历修剪、切断、卷曲、塑形、焊接、修正与一些其他工序后，定子罐便成型了。现在，包括真空蒸发法与静水力学测试法之类的一些方法是被建议使用的。采用真空蒸发法，在把罐子放入定子后，空气将会从定子核与罐的空隙中被泵出。罐将会发生塑性形变，间隙将会缩小甚至消失^【2】。静水力学测试法这种装配方法依赖于定子罐的静水力学测试，与产生足够高的压强，使定子罐发生塑性形变，从而贴紧定子核的内面。测试压强是设定压强的1.25倍，测试时间是8到9小时^【1】。真空蒸发法利用了内外压强差来进行装配，这样可能使铸造压强难于控制。因为空气有诸如大流动性、低密度与可压缩性这些性质，当泵出空气时，罐会随着定子核的削减发生不均匀形变分配。更重要的是，我们不能获得发生预想中形变的罐，因为根据这种加工方法形成的负载过小，以致不能使罐发生成为理想形状的形变^【3】。至于第二种方法，因为装配压强只由测试泵提供，并且成比例的控制系统并没有被使用，与时间对应的静水压力轨道不能精确地一步步控制^【3】。直到现在，业界都没有切实可行的方案来满足定子罐的闭合装配。

为了解决这个问题，这篇文章采用了一种装配方法并设计了一种液压系统来实现这个方法。这个方法采用了油压来装配。油通过液压系统注入。

1 液压系统设计

定子罐直径560mm，长3.1m，壁厚0.5mm。图1展示了哈斯特洛伊耐腐蚀镍基合金C-276在拉力测试中得到的应力应变曲线。在表1中展示了C-276的各项力学性质，E表示弹性系数，mu;表示泊松系数，sigma;_s表示屈服强度，sigma;_b表示抗拉强度，rho;_h表示密度。从图表中我们可以看出，在装配过程中，定子罐很容易发生形变和回弹。除此之外，像这种过分薄的，长度直径比极大的定子罐是很难装配的。

定子与定子罐装配原理图如图2所示，此系统的仿真主要由AMEsim进行。

表1 C-276力学性质

图1测试所得应力应变曲线 图2装配原理示意图

1-1,1.2—节流;2—电磁阀; 3—液压增压机; 4—电磁换向阀; 5-1, 5-2, 5-3—止回阀; 6—比例溢流阀; 7-1, 7-2, 7-3—齿轮泵; 8-1, 8-2—液压缸; 9-1, 9-2— 液压控制止回阀; 10—分流阀; 11— 比例方向阀; 12-1, 12-2—安全阀; DT—电磁铁

图3液压系统电路

整个装配程序包括三步：注射液压油、加压和推进^【4-7】。建议的液压系统如图3所示。

液压系统的控制部分由可编程逻辑控制器（PLC），电脑与触摸屏整合而成，从而实现了实时监控、报警与信号采样^【5】。动子与通电螺线管电磁铁控制阀由PLC基础模组控制。输入电流比例安全阀6与输入电压比例方向阀11由模拟模组调节。6控制齿轮泵7-1的出口压力，其次控制液压增压器的输出压力。因此，膨胀压力可以按需求输出。11被用于确保喂料冲头的位移同步。可由压力发射机与位移传感器来实现闭环控制。液压控制系统如图4所示。

齿轮泵7-2的动子M1由开关数据控制工作，使泵7-2与系统连接。阀11由模拟模组2控制工作。液体流过检查阀5-2，阀11的左室，分流阀10，然后流过液压控制阀9-1与9-2，进入用于形成双轴喂料喷嘴移动的液压汽缸。在定子与定子罐被喂料喷嘴密封后，齿轮泵7-1停止工作。第二步，当齿轮泵7-3与螺线管阀2在PLC数字模组控制下与系统连接时，液体流进检查阀5-3，然后由图3中喂料喷嘴的一个洞流过闭室。闭室中的油被排出，经过图3中另一个喂料喷嘴的洞b，螺线管阀2的左方与节流阀1-1.在填满闭室后，齿轮泵7-3与螺线管阀2停止工作。最后，液体流入检查阀5-1，然后流过螺线管位置控制阀4的左室，进入液压增压器3的大空间腔。齿轮泵7-1与阀4由PLC数字模组与系统相联。液体推动腔的活塞进行运动，使液压增压器的右侧升高。高压油通过节流阀1-2进入闭室。根据数字分析路径来请求加载或者卸载。在装配完成后，高压油经螺线管阀2与节流阀1-1排出。在闭室卸载完成后，齿轮泵7-2与阀11开始工作，使喂料喷嘴回归。在退回工序完成后，按下停止按钮来终止整个装配流程。动作顺序如表2所示。

因为上述方案运用了比例阀与传感器，所以我们可以得到更高的精确度。运用泵与液压增压器可以获得更广的压力范围，在未来会有更广的应用范围。

图4液压控制系统

表2 动作顺序

“ ”— 电磁阀得电, “minus;” — 电磁阀断电

2 基于AMEsim的液压系统仿真

软件AMEsim使设计者从繁琐的数学模型中解脱出来。在不用写程序代码的前提下，在所有成分与系统的作用下描述的模型的最小系统中提取用户也很方便^【8】。模型的构建与仿真分为四步：构建系统模型、选择复合模型的子模型、设置模型的参数、计算。

2.1 构建液压系统模型

虽然AMEsim的液压数据库收纳了许多液压部件，但是这些模型并不包涵液压增压器模型、定子与注油喷嘴。为了得到这些模型，用到了有多种容积室（Ch）的液压部件设计（HCD）数据库，如图5所示。其他的部件可以在液压数据库中直接找到，在他们中，喂料喷嘴可以用单点单位长度质量来取代。图6展示了推进与注油模型，其中K是比例放大器。为了保证同步位移，使用了位移传感器。

（a）液压增压机 （b）定子 （c）注油喷嘴

图5 HCD数据库设计的模型

（a）推进 （b）注油

图6推进与注油模型

图7 增压模型

在整个系统中，加压部分扮演了重要的角色，所以这部分的非线性行为需要被考虑进去。为了分析压力控制中的非线性影响，引入了一个用商业软件AMEsim构建的非线性模型。

液压增压器是压力控制系统的一个关键部件。考虑到漏损与摩擦的影响，可以给出油流的连续方程与压力圆柱罐的力平衡方程^【9】

, (1)

, (2)

, (3)

其中，q_v1、q_v2、p₁、p₂是液压增压器两接口各自的流率与压强；x是活塞的位移；m、B、f、C_1P与C_ep是等效质量，阻尼系数、静摩擦力、内漏损系数与外漏损系数；K是油的体积弹性模量；A₁与A₂是增压机两接口的截面积；V₁与V₂是两接口内室的容积。

注油喷嘴的结构非常复杂，液压孔也被用于这篇文章中，喷嘴的数学模型是^【10】

,

其中C_d、A_f2、p分别是流量系数、喷嘴流通面积与出口压强；rho;是增压机中油的密度。

比例溢流阀的传递可以简化成如下三阶环路^【11】

（5）

其中，omega;₁、omega;₂与xi;分别是一阶惯性环路转折频率、二阶振动环路角频率与比例溢流阀阻尼系数；U是阀的输入电压；s是一个拉普拉斯变换的复自变数

比例微分积分变换控制器（PID）增压模型如图7所示，油压比例溢流阀性能不佳，它包含一个二阶相，一个一阶相与一个无控制作用区。

2.2 液压部件的子模型选择与参数设定

AMEsim软件提供许多种可供用户自己选择的子模型。在这个程序里，没有什么特别的要求因此用户可以为所有部件选择基础子模型。

推进仿真参数选择如下。泵位移是16mL/r。泵的典型速度是2500r/min。安全阀的开启压强31.5MPa。活塞直径63mm。棒的直径32mm。冲程长度1m。单点单位长度质量140kg。方向阀的流率10L/min。方向阀的压降0.4MPa。

注油参数仿真设置如下。安全阀开启压强31.5MPa。泵位移31.8Ml/r。泵的典型速度1450r/min。

增压参数如下。比例溢流阀最大开启压强10MPa。二阶振动环路的固有频率40Hz。

一阶惯性环路的转折频率320Hz。阻尼系数0.7。泵位移31.8mL/r。泵的典型速度1450r/min。

液压增压机低压室活塞直径60mm。增压机高压室活塞直径42mm。压力比2.04。静摩擦力90N。压力桶中粘阻尼系数39kg/s。油的体积弹性模量1.6GPa。等效孔直径0.5mm。注油喷嘴流量系数0.7。

推进，注油，增压的仿真时间分别设定为80,20,40秒，三步的交互时间是0.1秒。为他们设置了单次运行。

动态模拟分析

推进速率曲线如图8所示。从这些曲线中我们可知，两喂料喷嘴

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