基于UG和AMESim軟件液壓傳動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)用研究

李玉軍

(酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 酒泉 735000)

0 引言

液壓傳動(dòng)技術(shù)是理論與實(shí)踐結(jié)合非常緊密的一門(mén)課程,是高職院校機(jī)電機(jī)制專(zhuān)業(yè)類(lèi)學(xué)生必修的一門(mén)課程[1]。要求學(xué)生掌握液壓傳動(dòng)理論知識(shí),能拆裝典型液壓元件和診斷故障,能安裝調(diào)試基本液壓回路系統(tǒng)。如何在液壓傳動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)過(guò)程中結(jié)合UG和AMESim軟件進(jìn)行同步教學(xué),幫助學(xué)生理解理論知識(shí)、提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力、改進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量是急需解決的重要問(wèn)題,同時(shí)也是本論文研究的重點(diǎn)。

1 液壓傳動(dòng)技術(shù)課程教學(xué)中面臨的困境

1.1 理論知識(shí)難懂,元件結(jié)構(gòu)難以掌握

液壓傳動(dòng)技術(shù)課程在流體傳動(dòng)方面理論知識(shí)較多,其中涉及流體力學(xué)的許多原理和公式,推導(dǎo)繁瑣,學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)較為吃力,困難重重,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高[2]。液壓元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類(lèi)多,雖然學(xué)生已學(xué)過(guò)制圖等課程,但在學(xué)習(xí)液壓元件結(jié)構(gòu)時(shí)由于識(shí)圖基礎(chǔ)較弱,對(duì)元件的結(jié)構(gòu)掌握較困難。

1.2 液壓回路工作原理抽象,教學(xué)直觀性差

液壓回路是一個(gè)密封的工作系統(tǒng),由液壓元件與管道按一定控制功能相連,其運(yùn)行控制過(guò)程比較抽象,需要對(duì)其有很深的了解,才能對(duì)回路的故障進(jìn)行調(diào)整和排除。但是,由于閥體內(nèi)部構(gòu)造、工作機(jī)理以及流體流動(dòng)狀況,肉眼不能觀察到,因此也就不能觀察到氣穴現(xiàn)象的存在[3]。所以,學(xué)生們對(duì)理論知識(shí)的理解和印象都不深刻,很難做到拆卸和診斷典型液壓元件及系統(tǒng),了解液壓系統(tǒng)安裝和調(diào)試的教學(xué)目的。

1.3 缺乏全面的認(rèn)知和實(shí)踐訓(xùn)練

傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容主要是以教材中“單元-基本回路-典型系統(tǒng)”為主線,在一定程度上出現(xiàn)了知識(shí)“碎片化”的問(wèn)題,這也違背了學(xué)生對(duì)液壓系統(tǒng)的一般認(rèn)知規(guī)則[4]。在試驗(yàn)臺(tái)上,學(xué)生要對(duì)液壓回路進(jìn)行搭接,往往需要花費(fèi)很多的時(shí)間。此外,如果出現(xiàn)故障,很難找到問(wèn)題所在,學(xué)生幾乎沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際操作的機(jī)會(huì),這就造成了理論與實(shí)踐之間的脫節(jié),從而導(dǎo)致學(xué)生所掌握的實(shí)際知識(shí)和技能水平都不高[5],無(wú)法達(dá)到職業(yè)教育崗位對(duì)專(zhuān)業(yè)技能的培養(yǎng)要求。

2 UG與AMESim軟件引入課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在液壓傳動(dòng)技術(shù)的課程教學(xué)過(guò)程中,以UG和AMESim軟件為基礎(chǔ),按照“教師引領(lǐng),學(xué)生主體”的原則,通過(guò)虛擬仿真技術(shù)達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。下面以快速運(yùn)動(dòng)回路為例,說(shuō)明該教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程。首先,對(duì)齒輪泵體通過(guò)UG軟件進(jìn)行虛擬拆裝,然后對(duì)齒輪泵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析,加深泵體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的理解;其次,將齒輪泵模型導(dǎo)入AMESim軟件,通過(guò)系統(tǒng)軟件進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算;最后,構(gòu)建以齒輪泵為基礎(chǔ)的液壓缸差動(dòng)連接快速運(yùn)動(dòng)回路,對(duì)差動(dòng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真與分析[6]。

2.1 齒輪泵的三維裝配建模

利用UG軟件建立齒輪泵的三維模型,利用爆炸視圖對(duì)其分解。在課堂上,以圖1為依據(jù),講解齒輪泵內(nèi)部構(gòu)造及各零件間的相互關(guān)系。齒輪泵是由一對(duì)嚙合齒輪、端蓋、泵體組成,這一對(duì)嚙合齒輪具有相同的模數(shù)和齒數(shù);密封容腔由齒輪嚙合線、端蓋、泵體組成;吸油腔和壓油腔是由齒輪嚙合線分割而成。通過(guò)三維模型,學(xué)生容易清晰分辨出液壓泵體的組成零件和各零件之間的裝配關(guān)系。

圖1 齒輪泵裝配體爆炸圖

2.2 建立齒輪泵三維模型運(yùn)動(dòng)仿真

利用UG軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,建立齒輪泵總成內(nèi)零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,并利用仿真動(dòng)畫(huà)說(shuō)明其工作原理。在課堂上,根據(jù)圖2進(jìn)行分析,當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),吸進(jìn)齒輪之間的油被引向左邊。左壓油腔中的齒輪連續(xù)嚙合,使得密封件的體積不斷縮小,將油從齒縫中排出并壓入系統(tǒng)。在課堂上以三維動(dòng)態(tài)的方式呈現(xiàn)齒輪泵的結(jié)構(gòu)和工作原理,讓學(xué)生對(duì)泵體內(nèi)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間的配合,以及油的傳輸路徑有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

圖2 齒輪泵三維模型

2.3 液壓基本回路系統(tǒng)仿真

2.3.1 齒輪泵液壓元件子模型生成與仿真

首先,以STEP格式存儲(chǔ)所繪制的齒輪泵三維模型;其次,利用AMESim軟件中CAD輸入函數(shù),在齒輪泵的3D建模中,將齒輪泵的進(jìn)口區(qū)域、出口區(qū)域、主動(dòng)輪位置、從動(dòng)輪位置、齒輪輪廓曲線等參數(shù),與AMESim機(jī)械設(shè)計(jì)庫(kù)中的齒輪泵零件模型進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析;最后,給出一個(gè)齒輪泵模型示意圖(圖3)。將3D模型引入到AMESim建模中,使實(shí)體模型與三維模型之間架起了一座橋梁,減少了繁瑣的建模流程,大大縮短了建模時(shí)間,同時(shí)也提高了模擬的準(zhǔn)確性和可信度。

圖3 齒輪泵工作系統(tǒng)仿真模型

在此例中,齒輪泵轉(zhuǎn)速參數(shù)分別設(shè)置為2 000,4 000,6 000 r/min,圖4即為齒輪泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系的曲線分析圖。仿真結(jié)果表明,在齒輪泵轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和4 000 r/min的情況下,其流速曲線是一致的。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)在齒輪泵傳動(dòng)軸上存在一個(gè)較低的壓強(qiáng)區(qū)域,當(dāng)油壓達(dá)到汽化壓力后,油液由液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w,產(chǎn)生油氣和空穴現(xiàn)象,對(duì)泵工作性能有很大影響,這將導(dǎo)致油泵出油速度大幅度下降,產(chǎn)生噪音和振動(dòng),加劇油泵磨損。因此,選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速可有效減少液壓系統(tǒng)的能量消耗,進(jìn)而提高系統(tǒng)的工作效率。

圖4 齒輪泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系曲線

徑向間隙泄漏是指在齒輪齒頂圓和泵本體接合部位處存在的泄漏。在制造過(guò)程中，為確保齒輪泵在傳動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)“刮膛”,應(yīng)盡量保留最佳的徑向間隙,否則會(huì)對(duì)泵的工作效率產(chǎn)生不利影響。從理論上講,在分析齒輪泵失效時(shí),首先要考慮的就是內(nèi)部泄漏,并且在實(shí)際工作中,因泄漏是在泵體內(nèi)部,所以很難被檢測(cè)出來(lái)。從仿真齒輪泵徑向間隙系數(shù)對(duì)其工作性能的影響可以看出(圖5),隨著齒輪泵的徑向間隙系數(shù)增加,泵內(nèi)的工作壓力和出口流量都會(huì)減小,徑向間隙系數(shù)小于0.1 mm時(shí),對(duì)其工作性能的影響較小,當(dāng)徑向間隙系數(shù)為0.3 mm時(shí),泄漏最大,此時(shí)泵內(nèi)的最大壓力僅能提高1.3 MPa,從而造成系統(tǒng)壓力無(wú)法滿足要求。在3.7 s之后,泵出口的流速急劇下降,導(dǎo)致泵的容積效率也相應(yīng)下降。

圖5 齒輪泵徑向間隙系數(shù)對(duì)工作性能的影響

圖6、圖7為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪在進(jìn)入嚙合與脫離嚙合期間,各齒腔內(nèi)的壓力變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明,主動(dòng)輪的壓力比從動(dòng)輪稍大,且存在明顯波動(dòng)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合間隙內(nèi)的壓力突然增加,從而引起了齒輪疲勞。閉塞體積大小會(huì)隨著齒輪旋轉(zhuǎn)而改變,導(dǎo)致流體壓力迅速上升或下降。

圖7 從動(dòng)輪每個(gè)齒腔壓力變化曲線

通過(guò)AMESim仿真,將不能觀察到的液流狀態(tài)轉(zhuǎn)化成數(shù)字曲線,實(shí)現(xiàn)了泵體內(nèi)部的流動(dòng)參數(shù)可視化。通過(guò)可視化的理論分析,解決了教學(xué)中的難點(diǎn),使學(xué)生能更深入、直觀地了解泵的結(jié)構(gòu)特征,分析問(wèn)題成因,為以后的學(xué)習(xí)應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

2.3.2 基于AMESim的差動(dòng)連接快速運(yùn)動(dòng)液壓回路系統(tǒng)構(gòu)建

基于齒輪泵的數(shù)學(xué)模型,將其引入到液壓元件庫(kù)中的控制單元和執(zhí)行單元,建立一個(gè)基于差動(dòng)連接的快速運(yùn)動(dòng)回路模型(圖8)。在此液壓回路系統(tǒng)中,通過(guò)設(shè)置階梯函數(shù)對(duì)電磁閥閥座的位置進(jìn)行控制,使油路中的流體流向發(fā)生變化,從而改變缸內(nèi)柱塞的速度和位移,該回路在組合機(jī)床液壓傳動(dòng)滑臺(tái)和各種特殊機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用[7]。

圖8 液壓缸差動(dòng)連接的快速運(yùn)動(dòng)回路模型

從仿真結(jié)果圖9、圖10分析了循環(huán)動(dòng)力學(xué)和靜態(tài)性能。0～1 s時(shí)(圖9),電磁閥3三位四通電磁換向閥和5二位三通電磁換向閥右位工作,液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔同時(shí)進(jìn)油,形成差動(dòng)連接。從圖10可以看出油缸入口壓力快速升高,達(dá)到最大值,此時(shí)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)0.78 m/s,活塞桿快速前進(jìn);1～3 s時(shí),閥5切換到左位工作,差動(dòng)連接被切斷,壓力快速下降,轉(zhuǎn)速降到0.37 m/s,并進(jìn)一步證實(shí)了仿真結(jié)果中的速度值[8];3～4 s時(shí),閥門(mén)3轉(zhuǎn)換成左位工作,液壓缸有桿腔進(jìn)油,在無(wú)桿腔中的液壓油通過(guò)油路返回,使活塞桿以0.22 m/s的速度快速向后退回,由于外部載荷的反向作用,使活塞桿在加速后退過(guò)程中更快,僅在4 s內(nèi)就返回到終點(diǎn);4～5 s時(shí),閥3切換到中間位置,液壓油缸停止動(dòng)作。因此在高速、低速換接過(guò)程中,電路平穩(wěn)性差,差動(dòng)沖擊大,應(yīng)注意操作過(guò)程中防止過(guò)速。

圖9 活塞桿速度與位移曲線

圖10 液壓缸的進(jìn)口壓力和流量曲線

2.3.3 基于UG與AMESim軟件的學(xué)習(xí)效果

通過(guò)該學(xué)習(xí)方式,學(xué)生能夠更好了解液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)的原理和工作過(guò)程,突破以往“碎片化”的教學(xué)方式,讓學(xué)生能夠更好地了解液壓元件的工作機(jī)理,更好地掌握液壓元件在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用及選用。這將為今后在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行回路搭接奠定基礎(chǔ),極大地提高系統(tǒng)搭接成功率,減少試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)性。

3 結(jié)論

通過(guò)UG與AMESim相結(jié)合,對(duì)齒輪泵進(jìn)行建模和仿真,將其用于液壓傳動(dòng)技術(shù)課程教學(xué),使先進(jìn)的建模仿真技術(shù)與理論教學(xué)相結(jié)合,豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式。

1)應(yīng)用UG三維建模技術(shù),對(duì)零部件的辨識(shí)進(jìn)行了較好處理,為齒輪泵組合體的裝配和拆卸試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。利用UG軟件對(duì)齒輪泵進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,并著重介紹齒輪泵的工作機(jī)理。

2)運(yùn)用AMESim中的物理模型,以及液壓泵的三維模型,對(duì)齒輪泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)和漏油、現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析,學(xué)生可以直觀地找到這些現(xiàn)象存在的原因,同時(shí)進(jìn)一步探索齒輪泵參數(shù)對(duì)其工作性能的影響。

3)通過(guò)AMESim仿真,將差動(dòng)連接的操作與控制流程轉(zhuǎn)化為可操作、可視化的虛擬過(guò)程,從而達(dá)到所講即所見(jiàn)的目的。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)各元件的操作、控制作用進(jìn)行對(duì)比分析,使“虛”“實(shí)”有機(jī)地融合在一起,理論聯(lián)系實(shí)際,培養(yǎng)了學(xué)生綜合實(shí)踐能力。