申如意

(江蘇省常州技師學(xué)院 智能裝備學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

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

《液壓傳動(dòng)》課程是職業(yè)院校機(jī)電專業(yè)群的必修科目，其應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)。全國技工院校已經(jīng)在前些年開始了工學(xué)一體化教學(xué)改革，旨將企業(yè)中的典型工作任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)校的一體化課程。在此背景下，傳統(tǒng)《液壓傳動(dòng)》課程中的理論知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)就融入到了相關(guān)的一體化教學(xué)課程中。筆者所在學(xué)校(江蘇省常州技師學(xué)院)的液壓傳動(dòng)教學(xué)分為基礎(chǔ)、綜合運(yùn)用兩個(gè)階段，所有機(jī)電專業(yè)群學(xué)生在入學(xué)的前兩學(xué)年進(jìn)入學(xué)校公共實(shí)訓(xùn)中心學(xué)習(xí)液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)課程——《液壓回路裝調(diào)》，第三學(xué)年開始進(jìn)入不同專業(yè)系部將液壓傳動(dòng)與其他傳動(dòng)技術(shù)綜合運(yùn)用于專業(yè)領(lǐng)域。學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)后能完成液壓基本回路的裝調(diào)，并能根據(jù)實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)將液壓傳動(dòng)與其他傳動(dòng)技術(shù)綜合運(yùn)用。但由于現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)條件的限制和學(xué)生自身學(xué)習(xí)鉆研精神缺乏，液壓傳動(dòng)教學(xué)存在著學(xué)生對(duì)液壓元件的動(dòng)態(tài)特性缺少深入分析、元件的故障排除缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等缺陷。鑒于此，對(duì)液壓傳動(dòng)教學(xué)中選用合適仿真技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)的研究大有必要。

1 仿真技術(shù)在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 液壓傳動(dòng)仿真技術(shù)

仿真就是利用數(shù)學(xué)模型表達(dá)物理系統(tǒng)中發(fā)生的實(shí)際過程，并通過對(duì)該數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn)來研究物理的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。教學(xué)中使用仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生分析現(xiàn)有系統(tǒng)，指導(dǎo)他們輔助設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。

仿真活動(dòng)離不開仿真軟件，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，仿真技術(shù)也日益成熟，越來越成為設(shè)計(jì)人員的有力工具，相應(yīng)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(shù)

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(shí)LMS公司收購，2012年西門子又收購了比利時(shí)軟件公司LMS。AMESim仿真技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)械、液壓、氣壓等系統(tǒng)建模、仿真和動(dòng)力學(xué)分析。

1.3 液壓教學(xué)中的仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前在職業(yè)院校液壓傳動(dòng)教學(xué)中較多使用FluidSIM仿真技術(shù)。FluidSIM仿真軟件平臺(tái)主要用來繪制回路圖及演示回路動(dòng)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(tái)可以充分向?qū)W生演示回路中開關(guān)、閥、液壓缸等各部件的動(dòng)作過程。

圖1 電磁式液壓換向閥換向回路

FluidSIM仿真技術(shù)在液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)回路裝調(diào)教學(xué)中能充分勝任，但FluidSIM仿真技術(shù)仍有不足之處，如：對(duì)液壓元件以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等無法完成，學(xué)生學(xué)習(xí)這些知識(shí)和技能相對(duì)基礎(chǔ)回路中各元件動(dòng)作順序分析及裝調(diào)較為困難，但對(duì)于高級(jí)技能人才，這些知識(shí)和技能有必要深入學(xué)習(xí)。AMESim可以彌補(bǔ)FluidSIM不足之處，幫助提升教學(xué)。

2 AMESim仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用實(shí)例

以下舉例說明AMESim仿真技術(shù)在溢流閥教學(xué)中的應(yīng)用。常用的溢流閥按其結(jié)構(gòu)形式分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩大類型。

2.1 直動(dòng)式溢流閥

直動(dòng)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(dòng)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(jìn)油口P經(jīng)閥芯6中間阻尼孔流向閥芯底部；當(dāng)液壓油壓力較小時(shí)，閥芯在彈簧4的彈力作用下緊貼底蓋，將進(jìn)油口P和出油口T兩油口隔開；當(dāng)液壓油壓力升高時(shí)，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(shí)，閥芯6上升，進(jìn)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(duì)閥芯的動(dòng)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(dòng)溢流閥結(jié)構(gòu)，利用AMESim仿真平臺(tái)中的HCD(Hydraulic Component Design)庫建立直動(dòng)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(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有直動(dòng)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(dòng)溢流閥的性能。以下為通過改變阻尼孔直徑觀察閥的動(dòng)態(tài)特性變化，不同阻尼孔直徑下進(jìn)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(shí)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(shí)間縮短，位移無振蕩現(xiàn)象。

圖4 不同阻尼孔直徑下的進(jìn)口壓力p

圖5 不同阻尼孔直徑下的閥芯位移x

2.2 先導(dǎo)式溢流閥

先導(dǎo)式溢流閥由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成。先導(dǎo)閥相對(duì)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(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖。先導(dǎo)閥為一個(gè)小流量的直動(dòng)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(shí)現(xiàn)溢流功能。液壓油從進(jìn)油口P1口進(jìn)入，通過阻尼孔5后作用在先導(dǎo)錐閥1上。當(dāng)液壓油壓力小于調(diào)壓彈簧9的作用力時(shí)，先導(dǎo)錐閥被關(guān)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(jìn)油口P1和出油口T被隔斷；當(dāng)液壓油的壓力大于調(diào)壓彈簧9的作用力時(shí)，液壓油通過阻尼孔5，再經(jīng)先導(dǎo)錐閥1流回油箱，同時(shí)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(shí)現(xiàn)溢流作用。

1-先導(dǎo)閥閥芯；2-先導(dǎo)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(dǎo)溢流閥結(jié)構(gòu)，利用AMESim的HCD庫建立先導(dǎo)式溢流閥仿真模型，如圖7所示。

2.2.3 仿真

將實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有先導(dǎo)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(dòng)態(tài)特性變化，不同阻尼孔直徑下主閥進(jìn)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(dāng)阻尼孔的直徑增大時(shí)，溢流閥的溢流壓力也相應(yīng)增大。這是由于阻尼孔直徑的增大導(dǎo)致節(jié)流效果變差，在相同條件下會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)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(jìn)口壓力p

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

教學(xué)示范過程中，通過比較仿真結(jié)果，講解阻尼孔直徑對(duì)于溢流閥動(dòng)態(tài)特性的影響；再通過拆解溢流閥實(shí)物，測量阻尼孔直徑，進(jìn)而比較仿真結(jié)果與實(shí)際孔尺寸的誤差。教學(xué)中還可以通過改變溢流閥的其他參數(shù)，觀察閥的動(dòng)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(yùn)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(dòng)教學(xué)中使用AMESim技術(shù)提供參考方法。對(duì)于學(xué)生而言，在高等職業(yè)教育階段學(xué)會(huì)使用AMESim技術(shù)來深入分析現(xiàn)有液壓系統(tǒng)、設(shè)計(jì)研發(fā)新設(shè)備液體系統(tǒng)，對(duì)其今后的工程實(shí)踐也大有幫助。