基于AMESim的多功能液壓實驗臺節流調速回路仿真研究

毛佳，鄧子龍，李娜，李爽

（1.遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧撫順113001;2.中國有色集團撫順紅透山礦業有限公司，遼寧 撫順 113321）

1 多功能液壓實驗臺簡介

多功能液壓實驗臺采用插件板以及帶有連接插頭的各種液壓元件，可以在不使用任何工具的情況下，快速、靈活、方便地插接組成所需要的實驗回路，可對系統的性能參數進行測試。

該多功能液壓實驗臺主要應用兩大領域。1）學生實驗:學生可以通過完成液壓系統及元件的性能實驗以及回路類實驗;掌握各種控制系統的構成、原理及軟件的編譯。能夠完成設計型綜合實驗。2）工程應用:工程中，多功能實驗臺能檢測液壓系統中液壓元件性能參數指標，從而得知液壓元件是否可用。為快速查找液壓系統故障，提供理論依據［1］。

2 多功能液壓實驗臺節流調速回路的理論分析

若不考慮泄漏，由流量連續性原理［2］，得:

式中:AT——節流口的過流斷面積;CT——與節流口形狀、液體流態、油液性質等因素有關的系數;PP——溢流閥調定的供油壓力;FL——負載;A1——液壓缸左腔的有效工作面積;m——節流口形狀有關的節流口指數，0.5＜m＜1。

可見，當其他條件不變時，活塞的運動速度V與負載FL有關。

節流口的流量決定于節流口的結構形式。任何一種具體的節流口都不是絕對的細長孔或薄壁孔。在液壓傳動中，通過控制閥口的流量一般是按薄壁小孔流量公式計算的，因此指數m=1/2，則有:

當PP和AT調定后，活塞的速度隨負載加大而減小，當FL=Fmax=PPA1時，速度降為零，活塞停止不動;反之，負載減小活塞速度加大。

節流閥的流量受其前后壓差的影響。在液壓系統工作時，因外界負載的變化將引起節流閥前后壓差的變化，所以負載變化將直接影響節流閥流量即系統速度的穩定性。

該實驗臺的節流調速回路系統的結構采用兩個液壓缸系統，右邊的液壓系統充當負載，通過對溢流閥供油壓力的調節，從而改變負載的大小。左邊的液壓系統是進口節流調速回路。

該液壓系統的工作壓力應為4 MPa，液壓缸的行程是200300 mm。

工作原理:調節溢流閥1、2，啟動泵，調節溢流閥1的壓力為4 MPa，溢流閥2的壓力為0.5 MPa，調節單向節流閥開口大小。通過兩個換向閥3、4的控制，可分別使油缸A，B縮回和伸出。換向閥4左位接通（始終保持它左位接通），換向閥3右位接通。圖中右邊液壓系統是充當負載部分，溢流閥起到溢流作用調定系統的壓力，節流閥的作用可以調節系統的流量，來調節液壓缸的速度，圖中的左邊油缸是系統的執行部分，其原理圖見圖1所示。

圖1 多功能實驗臺節流調速液壓系統原理圖

3 利用AMESIM液壓仿真軟件進行的實驗臺節流調速回路的仿真

AMESim仿真軟件應用廣泛，不僅可以用于新產品的設計開發，建立產品的仿真模型并進行參數修改以對現有產品的性能進行改進，而且還可以對液壓系統中元件故障進行仿真研究［3］。AMESim具有完全圖形界面，在整個仿真過程中系統都是以圖形的形式顯示的，對于液壓元件采用基于工程領域的標準ISO符號［4］。

3.1 建立模型

進入AMESim環境［5］，利用Sketch模式并調用系統所提供的液壓庫、機械庫和信號庫建立的系統模型如圖2所示。該系統主要是由液壓缸、三位四通電磁換向閥、定量泵、節流閥、溢流閥以及信號源等構成，與節流調速回路的原理圖相比，AMESim仿真原理圖用三位四通電磁換向閥替代了手動換向閥來改變供油方向［6］。其工作原理為:啟動泵，調節溢流閥，調節溢流閥1的壓力為4 MPa，左側添加了比例環節控制［7］，即通過位移傳感器來控制液壓缸的運動位置。并把輸出的值和給定值進行比較，如果輸出值不夠，則控制系統繼續運動，直到輸出值等于給定值時，系統完成控制。圖2中右邊的液壓系統充當負載部分，溢流閥2的壓力為變量，通過調節溢流閥的壓力，來改變右側液壓系統的壓力。通過兩個電磁換向閥來控制液壓缸，電磁換向閥連接的信號源來控制左位或右位接通。圖2中的左邊液壓系統部分是整個液壓系統的執行部分。

圖2 節流調速液壓系統仿真圖

點擊Submodel和Premier按鈕，為每個元件選擇所需要的最簡單的子模型。

3.2 設置參數

點擊parameter mode按鈕進入參數模式，對仿真模型中每個元件設置所需要的參數［8］。參數設置如表1所示。

表1 元件參數設置表

3.3 運行仿真

點擊Simulatiom mode按鈕，運行仿真，設置仿真結束時間為10 s，通信間隔時間為0.1 s，得出如下仿真結果:

1）當溢流閥 2的調定壓力為 0.5 MPa，2 MPa，3.5 MPa時，產生的負載力隨著壓力的增加而增大，如圖3所示。當溢流閥2的調定壓力為0.5 MPa時，產生的負載力為4 000 N;當溢流閥2的調定壓力為2 MPa時，產生的負載力為5 700 N;當溢流閥2的調定壓力為3.5 MPa時，產生的負載力為7 400 N。

圖3 負載力變化曲線圖

2）當溢流閥2的調定壓力為0.5 MPa，2 MPa，3.5 MPa時，活塞的運動速度曲線如圖4所示:隨著溢流閥調定壓力的增加，負載越大，在其他條件不變的情況下，活塞的速度隨著負載的增大而減小。

圖4 速度變化曲線圖

3）當溢流閥2 的調定壓力為0.5 MPa，2 MPa，3.5 MPa時，負載力與速度的關系曲線如圖5所示，當溢流閥2的壓力為3.5 MPa時，負載力最大，但速度值反而最小。當溢流閥2的壓力為0.5 MPa時，負載力最小，而速度值最大。

圖5 負載與速度曲線圖

4）當溢流閥 2 的壓力為 0.5 MPa，2 MPa，3.5 MPa時，因外負載的變化將引起節流閥前后壓差的變化，負載變化將直接影響節流閥流量即系統速度的穩定性，如圖6所示，節流閥進出口壓力隨著負載的變化而變化。

圖6 節流閥進口壓力對比圖

4 結論

應用AMESim軟件對多功能液壓實驗臺的節流調速回路進行了仿真研究，軟件中的基本液壓元件庫構建了回路中所有元件的模型，進而建立了節流調速回路的仿真模型，最后基于調速特性進行了仿真研究。結果表明:利用AMESim對液壓系統的仿真研究，直觀地、方便地反映了系統工作的動態特性。采用所建立的仿真模型，得出的節流調速回路的動態特性與理論相符，即負載變化將直接影響節流閥流量即系統速度的穩定性。對液壓實驗臺的設計、液壓元件主參數的選擇提供較為準確的理論依據。

［1］姚春江，陳小虎，毋文峰，等.多功能液壓試驗臺設計［J］.液壓與氣動，2009（3）:17-18.

［2］賈銘新.液壓傳動與控制［M］.2版.北京:國防工業出版社，2000.

［3］張康智，劉凌.液壓系統仿真軟件研究［J］.煤礦機械，2009，30（3）:10-11.

［4］王亮，韓虎，高潔.液壓系統仿真軟件及其應用［J］.煤礦機械，2007，28（12）:102-104.

［5］付永領，祁曉野.AMESim系統建模和仿真從入門到精通［M］.北京:航空航天大學出版社，2005.

［6］郭曉松，祁帥，于傳強，等.工程機械的節流調速液壓回路仿真分析［J］.機床與液壓，2009，37（6）:206-208.

［7］董景新，趙長德，熊沈蜀，等.控制工程基礎［M］.2版.北京:清華大學出版社，2003.

［8］張憲宇，陳小虎，何慶飛.基于AMESim的液壓缸故障建模與仿真［J］.液壓氣動與密封，2011（10）:26-28.