【《洒水车喷洒系统建模及仿真分析案例》5800字】

第第(1.17)（3.17）得：H=0.011（Tpωp−Csps+V0基于弹道运动理论，有学者提出了喷头射程的理论计算公式： （STYLEREF1\s3.SEQ公式\*ARABIC\s119） （STYLEREF1\s3.SEQ公式\*ARABIC\s120）式中为喷头洒布距离，；为水流从喷嘴射出的速度，；为喷灌与水平面之间的夹角，；为重力加速度，。AMESIM基础模型构建作为一个仿真平台，AMESIM包含大多数行业的经典元件，在此平台上可以搭建大多数行业的系统模型，并在此基础上进行对该系统的设计修改和测试计算，并分析该系统的合理性，进而对该系统进行优化。另外，在此平台上还可以分析各个元件的属性和特点。举例来说，在热力系统、动力系统、机电一体化系统甚至航天系统中都有AMESIM的影子。它本身的特点使AMESIM在机械、液压、航天等领域起到巨大的作用。设计者可以使用AMESIM来设计并搭建一套合理的系统，因为在此平台上的所有物理模型都经过了严格的测试和实验[22-23]。介绍AMESIM软件AMESIM软件包由4部分组成，同时AMESIM的强大也依赖于这4部分：(1)AMESIMAMESIM是AMESIM软件包的主要产品，是一个先进的建模环境，用于完成工程系统仿真。使用者可以进行如下操作：建立新系统；对现存的待优化的系统设计进行修改；改变组件子模型；批量处理设定参数和设置参数；输出结果图表等。(2)AmecustomAmecustom包含在AMESIM中。Amecustom可以定义子模型和超级元件。在该模式下所属的元件的参数中只显示可修改的参数项。除此之外，对于重要的、核心的系统设计部分，用户可以进行加密编码，对于产品的保护十分友好。(3)AmesetAmeset模式下使用者可以创建新的图标和子模型，Ameset相当于一个研究开发平台，研究人员可以在此平台开发新的图标、元件、子模型，创建属于自己的系统功能部件。此功能对于提高AMESIM能力十分关键，影响了个人的系统设计本领。(4)AmerunAmerun相当于系统测试平台，使用者需要将设计的AMESIM系统装在此模式下，并通过实际情况改变系统中元件的各项具体参数并运行该系统，然后在正确的条件下输出所需要的结果绘图以及线性化分析的数据。却无法实现：开发新系统；不能更改对目前的系统方案;改变原本软件后台固定的子模型。AMESIM软件基本使用方法使用AMESIM建立模型时离不开以下四个步骤：建立草图、选择子模型、参数设置、运行系统。1.建立草图在草图模式下，用户需要根据创建的系统从专业库中选取对应的元部件来搭建草图，即最初的仿真模型，在液压系统仿真中主要使用机械库、信号库、液压库以及液压元件库。在选择元件时需要考虑元件的特点和相关属性，同时在连接元件时还要考虑适配性。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11草图模式Figure4.1sketchmode2.选择子模型模型初步建立后，子模型模式可以判断元件的选择、系统的连接是否符合实际情况，如果连接没有出错但是系统仍旧报错，此时可以直接选择自动匹配子模型即可，若匹配的元件特性仍不满足需要，可以单击对应元件手动选择子模型，例如对质量块子模型的选择：图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12质量块选择Figure4.2massblockselection3.设置参数子模型设立完成后，点击图标后对各元件设置参数，对要设置参数的元件双击即可打开参数面板，在对应参数项输入相应参数即可。另外，该模式还提供公式编辑器。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s13参数设置Figure4.3parametersetting4.运行系统在此模式下开始进行模型的仿真，在该模式下可以进行运行参数的设置图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s14设置运行参数Figure4.4settingoperationparameters该窗口可以设置仿真起止时间、仿真批量运行、时间间隔等。设置完毕后点击运行模式按钮便开始进行仿真。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s15运行状态Figure4.5operationstatus当运行结果出现错误时，我们可以根据log窗口找到错误文件，并且可以找到错误原因进而做出相应修改。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s16修改错误元件Figure4.6modifyingerrorcomponents对于仿真结果，双击目标元件即可得到。在一般情况下，为了达到满意的结果，需要不断修改对应参数，因此3、4步骤常常是重复进行。喷洒系统回路仿真模型及工作原理在AMESIM软件的机械库、液压元件库、信号库中选取相应元件，按照设计的系统方案搭建AMESIM模型如REF_Ref22171\h图STYLEREF1\s4.7所示。为了方便进行仿真，本文对该模型进行了一部分的简化处理：（1）喷嘴在喷洒水的过程中，水的温度是恒定的；（2）仿真过程中要计算油的泄露；（3）忽略系统中所有的惯性力和运行过程中产生的延迟。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s17喷洒系统模型Figure4.7spraysystemmodel1-过滤器、2-发动机、3-输入信号、4-柱塞泵、5-稳压阀、6-马达、7-联轴器、8-离心泵（AMESIM中无离心泵模型须用齿轮泵代替）、9-积分器、10-流量传感器、11-喷孔、12-针阀、13-提升阀、14-泄露模型、15-质量模型、16-弹簧、17-电磁阀、18-控制信号喷洒系统模型的工作原理在喷洒系统模型中，首先由发动机带动柱塞泵吸油，通过输入信号来控制柱塞泵的斜盘角度进而达到控制其排量的目的；稳压阀使阀后压力维持在某范围之内，防止因进口压力的不断变化导致阀后元件产生损坏；柱塞泵的吸油进入马达带动马达旋转，与此同时马达通过联轴器与离心泵相连接，使离心泵旋转吸水[41-45]。此时水通过管道进入喷嘴部分模型内；在喷嘴部分模型内，电磁阀由控制信号负责产生向上或向下的作用力，当信号为不小于零的数值时，电磁阀受到控制产生一个向下的作用力，促使与弹簧产生的弹簧力一起作用，使针阀压紧在喷孔上，阻止水的进入；当输入信号不大于零时，电磁阀产生向上的作用力，当作用力大于弹簧产生的弹簧力时，针阀受到的压力减小从而向上移动，使喷嘴打开，进行喷洒作业；一旦喷洒作业结束，针阀便下落切断进水的通道，为了防止出现二次喷射，针阀的下落速度一定要快，确保不会出现回升。泄露模型本文所建立的喷洒系统模型主要用到专业库中的液压库、信号库、机械库等。液压库主要用到液压泵、马达、流量传感器等；信号库中用到了控制信号；机械库中用到了发动机、电磁阀等。针对不同的情况我们可以选择不同的数学模型来满足需要。但需要注意的是，不同的数学模型的计算方法也不同，输入输出也不一样。泄露模型如REF_Ref22262\h图STYLEREF1\s4.8所示：图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s18泄漏模型外部变量图Figure4.8externalvariablesofleakagemodel泄露模型属于喷洒系统模型的一部分。REF_Ref22262\h图STYLEREF1\s4.8说明了泄漏模型外部变量的各项具体信息，是喷洒系统模型的关键组成部分，考虑到水的泄露比油严重，所以在仿真过程中水的泄露量不能忽略。如REF_Ref22262\h图STYLEREF1\s4.8所示泄漏模型的1号和2号接口的输入端和输出端完全一致，泄漏模型相关数学建模如下：1）泄漏流量模型 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s11） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s12） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s13）出口1、2处的泄漏体积初始值默认为0。2)力学模型端口3处的力f3由端口4处的受力f4按下式计算： （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s14）式中：—分别表示1号和2号口流量；—分别表示1号和2号口处的压力；—控制活塞直径；—间隙尺寸；—接触面长度；—动力粘度；—密度；—运动粘度。泄漏模型需要输入的参数有：（1）控制活塞直径（pistondiameter），本文模型设为8；（2）活塞与活塞套之间的间隙（clearanceondiameter），使用默认值0.0015；（3）接触面的长度（lengthofcontact），设为46。另外，还要在该模型输入所计算出来的水溶液的相关特性参数。针阀数学模型本文喷射系统中的针阀模型采用圆锥形阀座模型，圆锥形阀座代表喷嘴和针阀模型。针阀模型是喷射系统中的重要模块。从下图中所示，1号口和2号口的输入端为压力信号（），输出端为流量和体积()信号，在喷液器中1号为信号输入端，2号为信号输出端。图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s19针阀外部变量图Figure4.9Theneedlevalve’sexternalvariables其数学模型为：1）小孔流通面积 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s15）2）活动直径 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s16）3）喉口最大面积 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s17）4）流量 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s18） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s19） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s110） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s111） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s112） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s113） （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s114）5）喷射力 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s115）6）接口4输出力 （STYLEREF1\s4.SEQ公式\*ARABIC\s116）式中：—进出口压力差；—雷诺数；—临界雷诺数；—水力直径；—运动粘度；—流量系数；—正常情况下的流量；—1号口的流量；—2号口的流量；—4号接口的速度；—阀体位移；—阀体直径。模型主要参数设置在此模式下修改各个元件部分的参数，完成之后即可进入仿真模式。喷洒系统主要参数如下REF_Ref20228\h表STYLEREF1\s4.1：表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11喷洒系统模型参数Table4.1modelparametersofspraysystem参数名称数值参数名称数值弹簧预紧力/N26针阀质量/g10弹簧刚度/N/mm75针阀的密封接触长度/mm46控制腔进液孔直径/mm0.13针阀的密封直径/mm6控制腔出液孔直径/mm0.3针阀的配合间隙/mm0.001控制活塞直径/mm8针阀弹簧预紧力/N30控制活塞质量/g20喷液器内高压管的直径/mm1.5控制活塞配合间隙/mm0.0015喷孔个数1针阀大头直径/mm1.9喷孔直径/mm0.55喷洒系统的仿真研究在完成参数设置后进入仿真模式，根据仿真状况定义仿真时间和仿真间隔时间进行仿真，这次仿真主要从喷嘴口径、流量、沿程、柱塞泵斜盘角度几个方面进行仿真，得到的结果分析如下：图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s110不同喷嘴口径下水的流量变化曲线Figure4.10variationcurveofwaterflowwithdifferentnozzlediameters如REF_Ref22520\h图STYLEREF1\s4.10所示为喷嘴流量在不同喷嘴口径下的变化曲线。由此图可以看出，对于不同口径的除尘水雾喷头，其流量有所不同，图示曲线分别表示为口径3.5、4.8、9.5喷头所对应的流量210、260、310，可得在发动机转速和柱塞泵斜盘倾角一定的情况下，随着喷嘴口径的增大，通过喷嘴的水的流量也随之增大且随着喷头口径加大，水流量达到稳定时间变短。图STYLEREF1\s4.S