黄胜军,安爱琴

（河南科技学院,河南新乡453003）

虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个研究领域,它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物,在机械行业有广泛的应用前景[1].随着电子技术和信息技术的迅速发展,液压传动技术不仅仅是一种传动方式,更成为一种检测手段和控制手段,作为连接微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁,成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段,应用十分广泛[2].因此,若要实现虚拟技术和液压传动系统设计有机的结合,进行液压元件虚拟模型库的研究势在必行.文中通过对常见液压元件结构、工作原理和工程应用进行分析,应用Pro/E软件完成了常见液压元件的模型库的开发.

1 模型库框架

液压系统中元件的种类有很多,其中按功能和用途来分,液压元件有动力元件、执行元件、调控元件、辅助元件4大类.在实际应用中每一类元件又分为多种,如调控元件包括：压力控制元件、方向控制元件、速度控制元件等.其中常用的压力控制元件有：溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等[2].

面对种类和功能繁多的液压元件,要求工程技术人员在进行液压系统设计时,必须对液压元件的结构、原理、性能及工程应用详细的掌握.液压元件虚拟模型库的开发,可以系统的帮助工程技术人员弥补这一不足,同时在进行液压系统虚拟设计中,可以直接将液压元件模型调入设计界面,从而完成液压系统快速、高效的设计及仿真[3-4].

针对液压元件结构复杂、种类繁多、应用广泛的特点,本模型库主要完成常用液压元件模型库的开发,其基本框架如图1所示.

图1 模型库基本框架Fig.1 Basic framework of the model library

2 虚拟设计技术

2.1 虚拟设计

虚拟设计技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提,在产品设计阶段,实时、并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响,预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等,从而提高产品设计的一次成功率.它也有利于达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化[3-4].

结合液压元件的结构和实际工程要求,本文选用Pro/E软件来完成虚拟模型库的开发研究.

2.2 Pro/E软件介绍

Pro/E软件具有使用方便、操作简单等特点,并且其强大的设计功能可进行零件的计算机辅助设计、解出构件尺寸、画出运动简图、完成运动仿真设计.此外Pro/E软件和ADMAS软件具有很好的兼容性,Pro/E软件建立的元件三维模型可以直接导入ADMAS软件中,对元件进行动力学分析,从而分析不同结构参数对元件工作性能的影响,以防止设计中的缺陷、降低设计成本、缩短设计周期,可进一步扩展本模型库的应用[5].

3 虚拟模型库的开发

在模型库开发过程中考虑到模型库的实际应用,对液压元件从认识、了解到应用的过程对其进行研究.文中以液压系统中最为常见的压力控制阀——先导式溢流阀为例来说明模型库的开发,其基本组成如图2所示.

图2 先导式溢流阀模型库组成Fig.2 Composition ofpilot-operated reliefmodel library

3.1 先导式溢流阀结构分析

通过观察先导式溢流阀的实物图及局部剖视图（见图3）,分析该元件主要由先导阀阀体、先导阀阀芯、主阀阀体、主阀阀芯、调节手轮组成[6-7],从而对该元件有了大概的认识和了解.

为了本模型库后续研究的进行,只对先导式溢流阀的大致结构有所了解显然不够,必须对其内部结构进行详细分析.参照先导式溢流阀的实物、功能,采用CAD软件绘出本元件内部结构剖视简图,如图4所示.在图4中,表示出了先导式溢流阀的各组成部件、装配关系和工作中油液流动通道,有助于进一步分析其工作原理和应用.

图3 先导式溢流阀实物及局部剖视Fig.3 Kind and diagram ofpilot-operated relief

图4 先导式溢流阀结构剖视Fig.4 Cunaway view of pilot-operated relief

3.2 先导式溢流阀工作原理分析

参照图4,分析先导式溢流阀的工作原理：阀入口有压力油液进入时,油液经主阀芯上的阻尼孔到达先导阀前端,当阀入口油液压力大于先导阀弹簧调节压力时,先导阀打开,此时通过阻尼孔的油液量增多,使得阻尼孔上产生压降,当压降值大于主阀弹簧调节压力时,主阀打开,实现溢流.调节手轮可以调节先导阀的开启压力,远程控制口可先导式实现溢流阀的远程调压的应用.

3.3 先导式溢流阀组成部件的三维建模

结合图3和图4,应用Pro/E软件中零件设计模块,完成其主要组成部件的三维设计,其中包括上阀体、下阀体、先导阀阀芯、主阀阀芯、调节手轮、调节螺母等的设计,三维模型如图5所示.

图5 先导式溢流阀主要零部件模型Fig.5 Components model ofpilot-operated relief

3.4 三维模型的动态装配和运动仿真

应用Pro/E软件中装配模块,通过选择装配基准、设计装配顺序,完成先导式溢流阀主要组成部件的装配.对完成装配的先导式溢流阀模型通过选择运动分析机构、设计相关运动参数,完成其运动仿真设计,效果如图6所示.

图6 先导式溢流阀装配、仿真Fig.6 Assembly and simulation ofpilot-operated relief

3.5 先导式溢流阀的工程应用

先导式溢流阀在工程中最为典型的应用就是其调压作用,在调压过程中,该元件可以实现液压系统的一级调压、二级调压和多级调压等,因篇幅限制文中只对多级调压做说明.

参照图7所示,液压系统中有先导式溢流阀1、直动式溢流阀2和3,当先导式溢流阀的调定压力大于直动式溢流阀2和3的调定压力时,若三位四通电磁换向阀1YA通电时,系统压力由直动式溢流阀2来调控；若三位四通电磁换向阀2YA通电时,系统压力由直动式溢流阀3来调控；若三位四通电磁换向阀1YA和2YA均断电时,系统压力由先导式溢流阀1来调控.

图7 先导式溢流多级调压应用Fig.7 Multistage pressure applications ofpilot-operated relief

以上内容为一个元件库的开发过程,模型库完成了30多种常见液压元件模型的开发,因元件模型库建立过程的重复性和文章篇幅的有限性,不再过多叙述.

4 小结

应用Pro/E软件完成了常见液压元件虚拟模型库的开发,模型库的开发具有以下几方面的实际应用价值：①模型库的开发,方便了液压方面工程技术人员快速弥补知识缺陷；②应用Pro/E软件创建的元件三维模型,可以直接导入ADMAS软件进行元件的压力流量分析、动态特性分析；③利用元件三维模型可以分析不同结构参数对该模型工作性能的影响,从而快速完成新产品设计和已有产品性能的改进研究；④可以将模型导入液压系统虚拟设计界面,完成液压系统的快速虚拟设计和仿真,并对设计中的不足进行及时调整和修改；⑤模型可以有效的辅助液压传动课程教学.

[1]孙建芳,张国辉.一种虚拟实验系统的设计方法及应用[J].液压气动与密封,2008（2）：22-25.

[2]左健民.液压与气压传动[M].4版.北京：机械工业出版社,2011.

[3]孙丽慧,权威,刘立.液压传动虚拟实验室开发平台的框架设计[J].有色设备,2010（4）：8-10.

[4]孟凡贺,张萌,张军花,等.液压回路虚拟实验演示系统设计[J].机床与液压,2011,39（5）：98-100.

[5]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版动态机构设计与仿真[M].北京：电子工业出版社,2007.

[6]田刚,李光,田晋跃.车辆4挡动力换挡变速器压力调节阀的特性分析[J].机床与液压,2012,40（13）：155-157,161.

[7]胡燕平,彭佑多.先导式溢流阀稳态特性研究[J].中国机械工程,2003,14（18）：15-16.