基于AMESim的液壓傳動教學方法研究

申如意

(江蘇省常州技師學院 智能裝備學院，江蘇 常州 213032)

0 引言

液壓傳動是指以液體為工作介質(zhì)進行能量傳遞、能量轉(zhuǎn)換和控制的一種傳動方式。在機械上采用液壓傳動技術，可以簡化機器的結(jié)構(gòu)，減輕機器質(zhì)量，減少材料消耗，降低制造成本，減輕勞動強度，提高工作效率和工作的可靠性。

《液壓傳動》課程是職業(yè)院校機電專業(yè)群的必修科目，其應用性和實踐性較強。全國技工院校已經(jīng)在前些年開始了工學一體化教學改革，旨將企業(yè)中的典型工作任務轉(zhuǎn)變?yōu)閷W校的一體化課程。在此背景下，傳統(tǒng)《液壓傳動》課程中的理論知識點和技能點就融入到了相關的一體化教學課程中。筆者所在學校(江蘇省常州技師學院)的液壓傳動教學分為基礎、綜合運用兩個階段，所有機電專業(yè)群學生在入學的前兩學年進入學校公共實訓中心學習液壓傳動基礎課程——《液壓回路裝調(diào)》，第三學年開始進入不同專業(yè)系部將液壓傳動與其他傳動技術綜合運用于專業(yè)領域。學生經(jīng)過學習后能完成液壓基本回路的裝調(diào)，并能根據(jù)實際工業(yè)控制系統(tǒng)將液壓傳動與其他傳動技術綜合運用。但由于現(xiàn)有實訓條件的限制和學生自身學習鉆研精神缺乏，液壓傳動教學存在著學生對液壓元件的動態(tài)特性缺少深入分析、元件的故障排除缺少實踐經(jīng)驗等缺陷。鑒于此，對液壓傳動教學中選用合適仿真技術進行輔助教學的研究大有必要。

1 仿真技術在液壓傳動教學中的應用

1.1 液壓傳動仿真技術

仿真就是利用數(shù)學模型表達物理系統(tǒng)中發(fā)生的實際過程，并通過對該數(shù)學模型的試驗來研究物理的或設計中的系統(tǒng)。教學中使用仿真技術可以幫助學生分析現(xiàn)有系統(tǒng)，指導他們輔助設計新系統(tǒng)。

仿真活動離不開仿真軟件，隨著計算機技術的突飛猛進，仿真技術也日益成熟，越來越成為設計人員的有力工具，相應的仿真軟件也相繼出現(xiàn)。目前常用的液壓類仿真軟件主要有FluidSIM、AMESim、ADAMS、Matlab、20-sim等。

1.2 AMESim仿真技術

AMESim(Advanced Modeling Environment of Simulation)最早由法國Imagine公司于1995年推出，2007年被比利時LMS公司收購，2012年西門子又收購了比利時軟件公司LMS。AMESim仿真技術主要應用于機械、液壓、氣壓等系統(tǒng)建模、仿真和動力學分析。

1.3 液壓教學中的仿真技術應用現(xiàn)狀

當前在職業(yè)院校液壓傳動教學中較多使用FluidSIM仿真技術。FluidSIM仿真軟件平臺主要用來繪制回路圖及演示回路動作過程，以如圖1所示電磁式液壓換向閥換向回路為例，利用該仿真平臺可以充分向?qū)W生演示回路中開關、閥、液壓缸等各部件的動作過程。

圖1 電磁式液壓換向閥換向回路

FluidSIM仿真技術在液壓傳動基礎回路裝調(diào)教學中能充分勝任，但FluidSIM仿真技術仍有不足之處，如：對液壓元件以及系統(tǒng)的動態(tài)特性分析、參數(shù)優(yōu)化設計等無法完成，學生學習這些知識和技能相對基礎回路中各元件動作順序分析及裝調(diào)較為困難，但對于高級技能人才，這些知識和技能有必要深入學習。AMESim可以彌補FluidSIM不足之處，幫助提升教學。

2 AMESim仿真技術在教學中應用實例

以下舉例說明AMESim仿真技術在溢流閥教學中的應用。常用的溢流閥按其結(jié)構(gòu)形式分為直動式和先導式兩大類型。

2.1 直動式溢流閥

直動式溢流閥結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由底蓋、閥體、閥芯、調(diào)壓彈簧和調(diào)整螺帽等組成，圖2為常見的低壓直動式溢流閥基本結(jié)構(gòu)。

2.1.1 基本原理

如圖2所示，液壓油從進油口P經(jīng)閥芯6中間阻尼孔流向閥芯底部；當液壓油壓力較小時，閥芯在彈簧4的彈力作用下緊貼底蓋，將進油口P和出油口T兩油口隔開；當液壓油壓力升高時，液壓油在閥芯6下端所產(chǎn)生的作用力超過彈簧4的彈力時，閥芯6上升，進油口P和出油口T兩油口被連通，液壓油流回油箱，閥芯6上的阻尼孔用來對閥芯的動作產(chǎn)生阻尼緩沖，以提高閥的工作平衡性，調(diào)整螺帽1可以改變彈簧的壓緊力，以此調(diào)整溢流閥工作壓力。

2.1.2 建模

根據(jù)以上所述直動溢流閥結(jié)構(gòu)，利用AMESim仿真平臺中的HCD(Hydraulic Component Design)庫建立直動溢流閥仿真模型，如圖3所示。

1-調(diào)整螺帽；2-調(diào)節(jié)桿；3-鎖緊螺母；4-調(diào)壓彈簧；5-上蓋；6-閥芯；7-閥體；8-底蓋

1,2-油箱；3-阻尼孔；4-流量源；5，9-零力源；6-活塞；7-質(zhì)量塊；8-滑閥

2.1.3 仿真

將實訓室現(xiàn)有直動溢流閥的參數(shù)輸入到模型中，通過改變其中典型參數(shù)數(shù)值模擬直動溢流閥的性能。以下為通過改變阻尼孔直徑觀察閥的動態(tài)特性變化，不同阻尼孔直徑下進口壓力和閥芯位移分別如圖4和圖5所示。從圖4中可以看出：隨著阻尼孔直徑d的增加，壓力上升時間減少，且壓力的穩(wěn)定振蕩次數(shù)增加。從圖5中可以看出：隨著阻尼孔直徑的增加，閥芯位移最大值保持不變，位移時間縮短，位移無振蕩現(xiàn)象。

圖4 不同阻尼孔直徑下的進口壓力p

圖5 不同阻尼孔直徑下的閥芯位移x

2.2 先導式溢流閥

先導式溢流閥由主閥和先導閥兩部分組成。先導閥相對于主閥結(jié)構(gòu)尺寸較小，調(diào)壓彈簧可以偏軟，因此壓力調(diào)整比較輕便。

2.2.1 基本原理

圖6為先導式溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖。先導閥為一個小流量的直動式溢流閥，閥芯是錐閥結(jié)構(gòu)，用來調(diào)定系統(tǒng)壓力；主閥閥芯是滑閥結(jié)構(gòu)，用來實現(xiàn)溢流功能。液壓油從進油口P1口進入，通過阻尼孔5后作用在先導錐閥1上。當液壓油壓力小于調(diào)壓彈簧9的作用力時，先導錐閥被關閉，沒有油液流過阻尼孔5，因此主閥芯6的兩端壓力均衡，主閥芯6處于最下端位置，溢流閥進油口P1和出油口T被隔斷；當液壓油的壓力大于調(diào)壓彈簧9的作用力時，液壓油通過阻尼孔5，再經(jīng)先導錐閥1流回油箱，同時由于阻尼孔5的作用，使主閥芯6上、下端產(chǎn)生壓力差，主閥芯6上移，液壓油從出油口T流回油箱，實現(xiàn)溢流作用。

1-先導閥閥芯；2-先導閥閥座；3-閥蓋；4-閥體；5-阻尼孔；6-主閥閥芯；7-主閥閥座；8-主閥彈簧；9-調(diào)壓彈簧

2.2.2 建模

根據(jù)以上所述先導溢流閥結(jié)構(gòu)，利用AMESim的HCD庫建立先導式溢流閥仿真模型，如圖7所示。

2.2.3 仿真

將實訓室現(xiàn)有先導式溢流閥的參數(shù)輸入到模型中，通過改變其中典型參數(shù)數(shù)值模擬模型的性能。通過改變阻尼孔直徑觀察閥的動態(tài)特性變化，不同阻尼孔直徑下主閥進口壓力和出口流量分別如圖8和圖9所示。從圖8可以看出：當阻尼孔的直徑增大時，溢流閥的溢流壓力也相應增大。這是由于阻尼孔直徑的增大導致節(jié)流效果變差，在相同條件下會導致主閥芯的上、下腔室的壓力差變小，因此要使壓差克服主彈簧的彈力，就會導致溢流壓力增大。

1-錐閥；2,8-質(zhì)量塊；3,7-活塞；4，6，10，16-零力源；5,12,15-油箱；9-滑閥；11-流量源；13,14-阻尼孔

圖8 不同阻尼孔直徑下的主閥進口壓力p

從圖9得知：當阻尼孔的直徑增大時，導致液壓油經(jīng)先導閥泄流量增大，流經(jīng)主閥的溢流量減小。

教學示范過程中，通過比較仿真結(jié)果，講解阻尼孔直徑對于溢流閥動態(tài)特性的影響；再通過拆解溢流閥實物，測量阻尼孔直徑，進而比較仿真結(jié)果與實際孔尺寸的誤差。教學中還可以通過改變溢流閥的其他參數(shù)，觀察閥的動態(tài)特性。

圖9 不同阻尼孔直徑下的主閥出口流量Q

3 結(jié)論

通過介紹AMESim運用在兩種不同結(jié)構(gòu)溢流閥建模與仿真的操作流程，為液壓傳動教學中使用AMESim技術提供參考方法。對于學生而言，在高等職業(yè)教育階段學會使用AMESim技術來深入分析現(xiàn)有液壓系統(tǒng)、設計研發(fā)新設備液體系統(tǒng)，對其今后的工程實踐也大有幫助。