基于AMESim的液压传动教学方法研究

2020-06-22申如意

机械工程与自动化 2020年3期

申如意

(江苏省常州技师学院智能装备学院，江苏常州 213032)

0 引言

液压传动是指以液体为工作介质进行能量传递、能量转换和控制的一种传动方式。在机械上采用液压传动技术，可以简化机器的结构，减轻机器质量，减少材料消耗，降低制造成本，减轻劳动强度，提高工作效率和工作的可靠性。

《液压传动》课程是职业院校机电专业群的必修科目，其应用性和实践性较强。全国技工院校已经在前些年开始了工学一体化教学改革，旨将企业中的典型工作任务转变为学校的一体化课程。在此背景下，传统《液压传动》课程中的理论知识点和技能点就融入到了相关的一体化教学课程中。笔者所在学校(江苏省常州技师学院)的液压传动教学分为基础、综合运用两个阶段，所有机电专业群学生在入学的前两学年进入学校公共实训中心学习液压传动基础课程——《液压回路装调》，第三学年开始进入不同专业系部将液压传动与其他传动技术综合运用于专业领域。学生经过学习后能完成液压基本回路的装调，并能根据实际工业控制系统将液压传动与其他传动技术综合运用。但由于现有实训条件的限制和学生自身学习钻研精神缺乏，液压传动教学存在着学生对液压元件的动态特性缺少深入分析、元件的故障排除缺少实践经验等缺陷。鉴于此，对液压传动教学中选用合适仿真技术进行辅助教学的研究大有必要。

1 仿真技术在液压传动教学中的应用

1.1 液压传动仿真技术

仿真就是利用数学模型表达物理系统中发生的实际过程，并通过对该数学模型的试验来研究物理的或设计中的系统。教学中使用仿真技术可以帮助学生分析现有系统，指导他们辅助设计新系统。

仿真活动离不开仿真软件，随着计算机技术的突飞猛进，仿真技术也日益成熟，越来越成为设计人员的有力工具，相应的仿真软件也相继出现。目前常用的液压类仿真软件主要有FluidSIM、AMESim、ADAMS、Matlab、20-sim等。

1.2 AMESim仿真技术

AMESim(Advanced Modeling Environment of Simulation)最早由法国Imagine公司于1995年推出，2007年被比利时LMS公司收购，2012年西门子又收购了比利时软件公司LMS。AMESim仿真技术主要应用于机械、液压、气压等系统建模、仿真和动力学分析。

1.3 液压教学中的仿真技术应用现状

当前在职业院校液压传动教学中较多使用FluidSIM仿真技术。FluidSIM仿真软件平台主要用来绘制回路图及演示回路动作过程，以如图1所示电磁式液压换向阀换向回路为例，利用该仿真平台可以充分向学生演示回路中开关、阀、液压缸等各部件的动作过程。

图1 电磁式液压换向阀换向回路

FluidSIM仿真技术在液压传动基础回路装调教学中能充分胜任，但FluidSIM仿真技术仍有不足之处，如：对液压元件以及系统的动态特性分析、参数优化设计等无法完成，学生学习这些知识和技能相对基础回路中各元件动作顺序分析及装调较为困难，但对于高级技能人才，这些知识和技能有必要深入学习。AMESim可以弥补FluidSIM不足之处，帮助提升教学。

2 AMESim仿真技术在教学中应用实例

以下举例说明AMESim仿真技术在溢流阀教学中的应用。常用的溢流阀按其结构形式分为直动式和先导式两大类型。

2.1 直动式溢流阀

直动式溢流阀结构较为简单，主要由底盖、阀体、阀芯、调压弹簧和调整螺帽等组成，图2为常见的低压直动式溢流阀基本结构。

2.1.1 基本原理

如图2所示，液压油从进油口P经阀芯6中间阻尼孔流向阀芯底部；当液压油压力较小时，阀芯在弹簧4的弹力作用下紧贴底盖，将进油口P和出油口T两油口隔开；当液压油压力升高时，液压油在阀芯6下端所产生的作用力超过弹簧4的弹力时，阀芯6上升，进油口P和出油口T两油口被连通，液压油流回油箱，阀芯6上的阻尼孔用来对阀芯的动作产生阻尼缓冲，以提高阀的工作平衡性，调整螺帽1可以改变弹簧的压紧力，以此调整溢流阀工作压力。

2.1.2 建模

根据以上所述直动溢流阀结构，利用AMESim仿真平台中的HCD(Hydraulic Component Design)库建立直动溢流阀仿真模型，如图3所示。

1-调整螺帽；2-调节杆；3-锁紧螺母；4-调压弹簧；5-上盖；6-阀芯；7-阀体；8-底盖

1,2-油箱；3-阻尼孔；4-流量源；5，9-零力源；6-活塞；7-质量块；8-滑阀

2.1.3 仿真

将实训室现有直动溢流阀的参数输入到模型中，通过改变其中典型参数数值模拟直动溢流阀的性能。以下为通过改变阻尼孔直径观察阀的动态特性变化，不同阻尼孔直径下进口压力和阀芯位移分别如图4和图5所示。从图4中可以看出：随着阻尼孔直径d的增加，压力上升时间减少，且压力的稳定振荡次数增加。从图5中可以看出：随着阻尼孔直径的增加，阀芯位移最大值保持不变，位移时间缩短，位移无振荡现象。

图4 不同阻尼孔直径下的进口压力p

图5 不同阻尼孔直径下的阀芯位移x

2.2 先导式溢流阀

先导式溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀相对于主阀结构尺寸较小，调压弹簧可以偏软，因此压力调整比较轻便。

2.2.1 基本原理

图6为先导式溢流阀的结构示意图。先导阀为一个小流量的直动式溢流阀，阀芯是锥阀结构，用来调定系统压力；主阀阀芯是滑阀结构，用来实现溢流功能。液压油从进油口P1口进入，通过阻尼孔5后作用在先导锥阀1上。当液压油压力小于调压弹簧9的作用力时，先导锥阀被关闭，没有油液流过阻尼孔5，因此主阀芯6的两端压力均衡，主阀芯6处于最下端位置，溢流阀进油口P1和出油口T被隔断；当液压油的压力大于调压弹簧9的作用力时，液压油通过阻尼孔5，再经先导锥阀1流回油箱，同时由于阻尼孔5的作用，使主阀芯6上、下端产生压力差，主阀芯6上移，液压油从出油口T流回油箱，实现溢流作用。

1-先导阀阀芯；2-先导阀阀座；3-阀盖；4-阀体；5-阻尼孔；6-主阀阀芯；7-主阀阀座；8-主阀弹簧；9-调压弹簧

2.2.2 建模

根据以上所述先导溢流阀结构，利用AMESim的HCD库建立先导式溢流阀仿真模型，如图7所示。

2.2.3 仿真

将实训室现有先导式溢流阀的参数输入到模型中，通过改变其中典型参数数值模拟模型的性能。通过改变阻尼孔直径观察阀的动态特性变化，不同阻尼孔直径下主阀进口压力和出口流量分别如图8和图9所示。从图8可以看出：当阻尼孔的直径增大时，溢流阀的溢流压力也相应增大。这是由于阻尼孔直径的增大导致节流效果变差，在相同条件下会导致主阀芯的上、下腔室的压力差变小，因此要使压差克服主弹簧的弹力，就会导致溢流压力增大。