基于AMESim的履帶車輛底盤液壓系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)臺(tái)模型開(kāi)發(fā)

趙肖楠，熊慶輝，顧莉棟，宋林森

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

基于AMESim的履帶車輛底盤液壓系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)臺(tái)模型開(kāi)發(fā)

趙肖楠1，熊慶輝2，顧莉棟1，宋林森1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

通過(guò)對(duì)某履帶車輛底盤液壓系統(tǒng)工作原理的分析，利用仿真軟件AMESim開(kāi)發(fā)了虛擬液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)仿真模型，擬用該系統(tǒng)模擬液壓系統(tǒng)在試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境下的壓力，流量等工作狀態(tài)量，并將其用于模型調(diào)用和各狀態(tài)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。其中部分部件通過(guò)局部仿真，選用功能模型替換詳細(xì)模型，通過(guò)模型替換，可以大大減小主系統(tǒng)模型的計(jì)算量。

AMESim；液壓系統(tǒng)；虛擬試驗(yàn)臺(tái)；底盤

某履帶車輛底盤液壓系統(tǒng)為定量泵-溢流閥恒壓控制方式，油泵機(jī)械功率來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)部件，在不同的工作環(huán)境和工況下，液壓系統(tǒng)的流量和壓力輸出都不一樣，因此需要通過(guò)建立虛擬液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)仿真模型來(lái)完成系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，以提高汽車底盤液壓系統(tǒng)的工作性能和可靠性。

1 系統(tǒng)工作原理

該液壓系統(tǒng)輸入功率來(lái)自車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，主要通過(guò)高低壓油泵、定壓閥和管路附件來(lái)控制各功能子系統(tǒng)的供油壓力和流量，為底盤關(guān)鍵功能子系統(tǒng)（也稱負(fù)載，包括高壓制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、換擋機(jī)構(gòu)、冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)、變速器潤(rùn)滑和液力變矩器供油等）提供液壓動(dòng)力和機(jī)油潤(rùn)滑。

為模擬各功能子系統(tǒng)的流量需求，試驗(yàn)臺(tái)采用油缸、阻尼空和比例電磁閥來(lái)模擬液壓系統(tǒng)的真實(shí)負(fù)載和邊界條件，仿真模型和液壓物理試驗(yàn)臺(tái)保持一致，以便后期可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行仿真結(jié)果的驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)工作原理如圖1所示［1-4］。

2 仿真模型開(kāi)發(fā)

2.1 定壓閥

圖1中的RVx（x=1，2，3…）為定壓閥，用于限定各支路的最大工作壓力。定壓閥的特性取決于其機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)的功能特性有顯著影響。這部分采用AMESim中液壓元件設(shè)計(jì)模型庫(kù)（hydraulic component design，HCD）根據(jù)實(shí)際CAD結(jié)構(gòu)搭建詳細(xì)模型。以RV2為例，根據(jù)閥芯和閥座結(jié)構(gòu)尺寸、定壓彈簧的機(jī)械剛度和預(yù)緊力，建立詳細(xì)模型如圖2所示。

圖1 虛擬液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作原理

圖2 RV2詳細(xì)物理模型

2.1.2 定壓閥部件單獨(dú)仿真

入口壓力定義為10s內(nèi)0～10bar遞增，單獨(dú)計(jì)算得到其定壓特性（dp-Q），包括開(kāi)啟特性、流量壓力梯度、飽和點(diǎn)和飽和特性。仿真結(jié)果如圖3所示。

2.1.3 采用功能模型替換詳細(xì)模型

選取AMESim中標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)（hydraulic lib）中的定壓閥功能模型，按照RV2的特性設(shè)置參數(shù)，使其計(jì)算結(jié)果和HCD模型一致，那么該模型即可在主系統(tǒng)模型中替代基于HCD的定壓閥模型。

2.1.4 替換結(jié)果分析

對(duì)比RV2的功能模型和HCD模型仿真得到的液壓特性結(jié)果，如圖3所示，開(kāi)啟壓力和飽和點(diǎn)、飽和特性一致，僅在閥門流量壓差梯度的二階變化率上略有不同。

圖3 RV2液壓特性仿真結(jié)果

因此，可以近似采用RV2的功能模型替換詳細(xì)模型，在保證仿真結(jié)果差異較小的同時(shí)，可以大幅提高計(jì)算效率。同理，以此方法應(yīng)用到其他定壓閥中，包括RV1、CV1、CV2、DRV、TCB等，功能模型替換詳細(xì)模型。

2.2 潤(rùn)滑子系統(tǒng)

她的否認(rèn)看上去并不積極，我告訴她：“我本來(lái)沒(méi)有想到要來(lái)你們家，你知道嗎？我又搬家了，我在幫著母親整理廚房，幫著父親整理書房，他們兩個(gè)人把我使喚來(lái)使喚去的，讓我厭煩極了，我是從家里逃出來(lái)的，本來(lái)我想去看看沈天祥的，可是前天我們還在一起，王飛和陳力慶我也經(jīng)常見(jiàn)到他們，就是你們，我有很久沒(méi)見(jiàn)了，所以我就到你們家來(lái)了，沒(méi)想到林孟不在，我忘了他今天應(yīng)該在工廠上班……”

潤(rùn)滑子系統(tǒng)用于軸承和機(jī)件的冷卻和潤(rùn)滑，由潤(rùn)滑油道（pipe）、管接頭（junction）、彎頭（bend）、變徑（transition）、噴孔（nozzle）等沿程和局部損失元件構(gòu)成，其Pro/E模型如圖4所示。

圖4 潤(rùn)滑系統(tǒng)CAD模型

機(jī)油流過(guò)流阻元件后損失部分壓力，流量越大，損失越大，不同的過(guò)流部件的Q-dp關(guān)系由流阻系數(shù)定義不同。在AMESim的液阻庫(kù)（hydraulic resistance）中，匯集了描述流阻損失特性的局部模型，涵蓋各類管接頭、變徑、彎頭等常用管網(wǎng)附件，并給出了經(jīng)由試驗(yàn)得到的流阻系數(shù)。

2.2.1 采用集中參數(shù)法建立管網(wǎng)流阻特性模型

根據(jù)3D管路模型，采用集中參數(shù)法［5］建立管網(wǎng)流阻特性模型，可以將管路內(nèi)的液體視為一個(gè)集中質(zhì)量，將管內(nèi)的管網(wǎng)附件帶來(lái)的阻力等視為集中在一處，建立潤(rùn)滑系統(tǒng)管網(wǎng)流阻特性集中參數(shù)模型如圖5所示。

圖5 潤(rùn)滑系統(tǒng)流阻特性集中參數(shù)模型

2.2.2 模型替換

設(shè)置模型的入口壓力，按照0～2bar線性遞增，計(jì)算系統(tǒng)總流量變化，可以得到潤(rùn)滑子系統(tǒng)的流阻特性，系統(tǒng)的流阻特性可以Q-dp的曲線形式表示，如圖6所示。

由圖6可以得到潤(rùn)滑系統(tǒng)的流阻特性，用飽和點(diǎn)（2bar，400L/min）來(lái)表示。同樣借鑒模型替換方法，將潤(rùn)滑系統(tǒng)視作液壓主系統(tǒng)的一個(gè)流量需求設(shè)備，其流阻特性可以采用阻尼孔等效。通過(guò)模型替換，可以大大減小主系統(tǒng)模型的計(jì)算量。

圖6 潤(rùn)滑系統(tǒng)的流阻特性曲線

2.3 主系統(tǒng)模型

根據(jù)液壓原理圖建立主系統(tǒng)模型，實(shí)際管路采用固定容腔近似，對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算而言是可行的，如果關(guān)注點(diǎn)在系統(tǒng)的某個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，則需要詳細(xì)簡(jiǎn)歷管路的模型。液壓系統(tǒng)模型如圖7所示。

3 仿真

3.1 仿真工況和觀測(cè)量定義

定義仿真工況：熱機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3600rpm；油溫為80℃；負(fù)載在0.2s后全開(kāi)。觀測(cè)量：負(fù)載流量。

3.2 仿真結(jié)果提取與分析

仿真后提取結(jié)果曲線如圖8所示，圖中各變量由表1定義。

圖8 各負(fù)載流量仿真結(jié)果曲線

表1 負(fù)載流量仿真結(jié)果觀測(cè)表

圖7 液壓系統(tǒng)AMESim模型

根據(jù)仿真結(jié)果分析得出：負(fù)載在0.2s后開(kāi)啟，流量需求隨后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，或在穩(wěn)態(tài)附近周期波動(dòng)，部分負(fù)載如油缸滿行程后，流量需求歸零。

4 結(jié)論

采用AMESim軟件對(duì)某履帶車輛底盤液壓系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，建立了虛擬液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)仿真模型，該模型可用于不同工況下對(duì)系統(tǒng)流量和壓力的輸出的模擬，并可進(jìn)一步應(yīng)用于優(yōu)化計(jì)算。其中部分詳細(xì)模型采用其功能模型替換，可以大大減少系統(tǒng)模型狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)，尤其對(duì)于后期系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算所需要的多達(dá)數(shù)十次的采樣仿真而言，可以極大提高了計(jì)算效率。

［1］肖岱宗.AMESim仿真技術(shù)極其在液壓元件設(shè)計(jì)和性能分析中的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（增刊）：142-145.

［2］IMAGINE S A.AMESim 4.3 User Mannual［M］. France，2006.

［3］唐毅，魏鑫，曹克強(qiáng).基于AMESim的某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（6）：198-200.

［4］余佑官，龔國(guó)芳，胡國(guó)良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2005（3）：28-31.

［5］蔣亞軍，胡軍科，趙斌.泵—馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的壓力拍振分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，35（4）：936-938.

Development of Virtual Platform Model of Hydraulic Chassis of a Tracked Vehicle Based on AMESim

ZHAO Xiaonan1，XIONG Qinghui2，GU Lidong1，SONG Linsen1
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022；2.China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072）

According to the analysis of the working principle of the hydraulic chassis system of a certain tracked vehicle，a simulation model of the virtual hydraulic test platform system used to simulate the state parameter such as pressure and flow rate in the platform environment has been develop by AMESim.The model is also used to optimize the model innovation and design of the condition parameters.As a result showed in the simulation of some parts in the hydraulic system，the detailed models used in the system can be replaced by functional models.In addition，by replacing，the computation of the main system model can greatly be reduced.

AMESim；hydraulic system；virtual test platform；chassis

TH122

A

1672-9870（2016）06-0036-04

2016-07-15

趙肖楠（1978-），女，碩士，講師，E-mail：zhaoxn@cust.edu.cn

宋林森（1975-），男，博士，教授，E-mail：sls_ciom@126.com