曾億山，張 濤，呂安慶，高文智

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

目前，針對“液壓與氣動(dòng)技術(shù)”課程中液壓調(diào)速回路的教學(xué)過程，首先是先對液壓元件的原理進(jìn)行講解，其次是講解液壓調(diào)速回路的工作原理，最后是進(jìn)行液壓調(diào)速回路的實(shí)驗(yàn)[1-3]。然而在實(shí)際的教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，液壓元件與液壓回路的講解難以有新的突破[4]，在實(shí)驗(yàn)過程中往往由于機(jī)械化的實(shí)驗(yàn)步驟，造成學(xué)生很難對液壓調(diào)速回路進(jìn)行深刻理解，并難以理解節(jié)流閥參數(shù)與調(diào)速閥參數(shù)對調(diào)速回路的影響[5]。為深化教育改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，將AMESim仿真技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)探究之間[6]，在AMESim里搭建實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7-8]，調(diào)整節(jié)流閥與調(diào)速閥的參數(shù)，通過流量壓力圖線數(shù)據(jù)可以直觀地理解調(diào)速回路的原理及節(jié)流閥與調(diào)速閥的參數(shù)對調(diào)速回路調(diào)速特性的影響[9]，使學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可以跳脫出機(jī)械化操作步驟，幫助學(xué)生更好地將理論與實(shí)踐相融合[10]。

1 軟件介紹

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜仿真平臺(tái)，是液壓領(lǐng)域首選的仿真軟件，其物理化的建模方式不需要任何代碼，極大地提升了建模效率，仿真元件之間的能量流動(dòng)運(yùn)用了鍵合圖的思想。如圖1所示，軟件開始界面主要分為三個(gè)部分：工具欄、庫目錄、庫元件。庫元件是對相應(yīng)庫的展開，建模時(shí)選擇相應(yīng)的庫便會(huì)展示相應(yīng)的元件，將需要的庫元件拖出來即可。AMESim的仿真過程主要分為四步，如圖1中的工具欄所示，首先是模型搭建，這一步主要是將各個(gè)液壓元件從液壓庫中調(diào)出后相連。其次是子模型模式，這一步是選擇各個(gè)元件適合的子模型。然后參數(shù)模式，這一步是設(shè)置每個(gè)元件的參數(shù)。最后是仿真模式，這一步主要是設(shè)置仿真時(shí)間，數(shù)據(jù)采樣間隔，然后就可以進(jìn)行仿真運(yùn)行，得出仿真結(jié)果。

圖1 AMESim仿真軟件界面

2 實(shí)驗(yàn)原理及仿真平臺(tái)的搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)原理介紹

實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示，液壓回路分為左半部分的液壓調(diào)速回路及右半部分的液壓加載回路。進(jìn)油路節(jié)流閥與調(diào)速缸無桿腔相連，回油路節(jié)流閥與調(diào)速缸有桿腔相連，旁油路節(jié)流閥并聯(lián)在調(diào)速缸兩端，調(diào)速閥并聯(lián)在進(jìn)油路節(jié)流閥兩端。加載回路是一個(gè)簡單的閥控缸回路，通過改變加載回路的溢流閥溢流壓力來改變負(fù)載力大小。當(dāng)進(jìn)行進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，調(diào)速閥與旁油路節(jié)流閥關(guān)閉，回油路節(jié)流閥全部打開，調(diào)節(jié)進(jìn)油路節(jié)流閥開口量和加載回路溢流閥溢流壓力，記錄液壓缸在幾組規(guī)定的負(fù)載力下不同進(jìn)油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當(dāng)進(jìn)行回油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)速閥與旁油路節(jié)流閥關(guān)閉，進(jìn)油路節(jié)流閥全部打開，調(diào)節(jié)回油路節(jié)流閥開口量和加載回路溢流閥溢流壓力，記錄液壓缸在幾組規(guī)定的負(fù)載力下不同回油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當(dāng)進(jìn)行旁油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)速閥關(guān)閉，進(jìn)油路節(jié)流閥與回油路節(jié)流閥全部打開，調(diào)節(jié)旁油路節(jié)流閥開口量和加載回路溢流閥溢流壓力，記錄液壓缸在幾組規(guī)定的負(fù)載力下不同旁油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當(dāng)進(jìn)行調(diào)速閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)油路節(jié)流閥與旁油路節(jié)流閥關(guān)閉，回油路節(jié)流閥全部打開，調(diào)節(jié)進(jìn)油路節(jié)流閥開口量和加載回路溢流閥溢流壓力，記錄液壓缸在幾組規(guī)定的負(fù)載力下不同調(diào)速閥開度的速度數(shù)據(jù)。

圖2 調(diào)速回路實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 仿真模型搭建

按照實(shí)驗(yàn)原理圖搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖3所示，為方便后續(xù)仿真，將加載回路進(jìn)行簡化，簡化為恒壓源與液壓缸相連，改變恒壓源的壓力大小即可改變負(fù)載壓力的大小，通過改變參數(shù)k的值來改變節(jié)流閥的開口量，k=1時(shí)表示節(jié)流閥全部打開，k=0時(shí)表示節(jié)流閥全部關(guān)閉。分別比較相同開度下不同負(fù)載的調(diào)速缸速度與相同負(fù)載下的不同開度的調(diào)速缸速度，探究節(jié)流閥調(diào)速與調(diào)速閥調(diào)速的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)。在進(jìn)行仿真之前，首先給學(xué)生簡單講解一下AMESim軟件的使用方法。使學(xué)生明白如何去修改各元件的參數(shù)和如何顯示流量、壓力和速度，通過AMESim軟件可以在仿真過程中清楚地顯示節(jié)流閥與調(diào)速閥兩端的壓差，使學(xué)生深刻理解壓力與開度對流量的影響，理解調(diào)速閥調(diào)速特性與節(jié)流閥調(diào)速特性的區(qū)別。

圖3 調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真模型

3 調(diào)速特性試驗(yàn)仿真教學(xué)

3.1 進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

首先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真，按照實(shí)驗(yàn)原理首先將調(diào)速閥與旁油路節(jié)流閥全部關(guān)閉，將回油路節(jié)流閥全部打開，將進(jìn)油路節(jié)流閥開口量k設(shè)置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=5MPa，得到的仿真結(jié)果如圖4所示，可知當(dāng)負(fù)載力不變時(shí)，開口量越大，調(diào)速缸的運(yùn)動(dòng)速度越快，而圖5顯示此時(shí)進(jìn)油路節(jié)流閥兩端壓差基本保持不變，結(jié)合薄壁小孔流量公式(1)

圖4 進(jìn)油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下液壓缸

圖5 進(jìn)油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下兩端壓差

可知，當(dāng)進(jìn)油路節(jié)流閥兩端壓差基本保持不變時(shí)，閥開度越大，通過的流量越大。

其次引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置進(jìn)油路節(jié)流閥開度k=0.2，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真結(jié)果如圖6所示?？芍?dāng)進(jìn)油路節(jié)流閥開度不變時(shí)，外負(fù)載里越大，調(diào)速缸伸出速度越慢，此時(shí)查看進(jìn)油路節(jié)流閥兩端壓差，如圖7所示，可知當(dāng)外負(fù)載力增大時(shí)，進(jìn)油路節(jié)流閥兩端壓差會(huì)減小，導(dǎo)致流經(jīng)進(jìn)油路節(jié)流閥的流量減小。通過外負(fù)載力變化與進(jìn)油路節(jié)流閥兩端壓差的變化可以讓學(xué)生明白進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速會(huì)受到外負(fù)載力的影響，在外負(fù)載力變化的情況下進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速不能保持固定速度不變。

圖6 進(jìn)油路節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下液壓缸速度

圖7 進(jìn)油路節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下兩端壓差

3.2 回油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行回油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真，其調(diào)速原理與進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速原理相同。首先按照實(shí)驗(yàn)原理關(guān)閉調(diào)速閥與旁油路節(jié)流閥，全部打開進(jìn)油路節(jié)流閥，將回油路節(jié)流閥的開度k設(shè)置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=5MPa，得到的調(diào)速缸速度與回油路節(jié)流閥兩端壓差如圖8、圖9所示。由圖9可知在外負(fù)載力不變的情況下，回油路節(jié)流閥兩端壓差隨著開度的變化基本保持不變，但其存在微小變化的原因是因?yàn)殡S著回油路節(jié)流閥開度的增大，系統(tǒng)的流量在增大，如圖8所示，調(diào)速缸的速度隨著開度的增加在變快，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它閥類元件的壓力損失變大，使得回油路節(jié)流閥兩端的壓差隨著開度的增大在微微減小。

圖8 回油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下液壓缸速度

圖9 回油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下兩端壓差

其次設(shè)置進(jìn)油路節(jié)流閥開度k=0.2，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖10可知，隨著外負(fù)載力的增大，調(diào)速缸的速度越來越小，這是因?yàn)殡S著負(fù)載的增大，節(jié)流閥兩端壓差在逐漸減小，如圖11所示。同樣，回油路節(jié)流閥調(diào)速也會(huì)存在外負(fù)載力影響調(diào)速缸速度的情況，其特性與進(jìn)油節(jié)流閥調(diào)速特性基本相同。

圖11 .回油路節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下兩端壓差

3.3 旁油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

然后進(jìn)行旁油路節(jié)流閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真，同樣按照實(shí)驗(yàn)原理，將進(jìn)油路節(jié)流閥與回油路節(jié)流閥全部打開，調(diào)速閥關(guān)閉，將旁油路節(jié)流閥的開度k設(shè)置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=5MPa，得到的仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。由圖12可知，當(dāng)旁油路節(jié)流閥開度增大時(shí)，調(diào)速缸的速度越來越慢，這是因?yàn)榕杂吐饭?jié)流閥與調(diào)速缸并聯(lián)，旁油路節(jié)流閥兩端壓差等于調(diào)速缸兩端壓差，當(dāng)外負(fù)載力不變時(shí)，旁油路節(jié)流閥兩端壓差也不會(huì)改變，通過圖13可以驗(yàn)證。當(dāng)外負(fù)載力不變時(shí)，旁油路節(jié)流閥越大，由公式(1)可知流經(jīng)旁油路節(jié)流閥的流量越來越大，故進(jìn)入調(diào)速缸的流量越來越小，導(dǎo)致其速度越來越慢，這是與進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速與回油路節(jié)流閥調(diào)速不同的。

圖12 旁油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下液壓缸速度

圖13 旁油路節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下兩端壓差

其次設(shè)置旁油路節(jié)流閥開度k=0.2，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真結(jié)果如圖14、圖15所示。通過圖14可知，隨著外負(fù)載力的增大，調(diào)速缸的速度在逐漸減小，且圖15驗(yàn)證了旁油路節(jié)流閥兩端壓差與外負(fù)載力變化保持一致。同進(jìn)油路調(diào)速節(jié)流閥調(diào)速與回油路節(jié)流閥調(diào)速一樣，旁油路節(jié)流閥調(diào)速同樣會(huì)受到外負(fù)載力的影響。

圖14 旁油路節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下液壓缸速度

圖15 旁油路節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下兩端壓差

3.4 調(diào)速閥調(diào)速特性實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)

在進(jìn)行調(diào)速閥調(diào)速特性試驗(yàn)仿真時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)原理首先要將進(jìn)油路節(jié)流閥與旁油路節(jié)流閥關(guān)閉，回油路節(jié)流閥全部打開，將調(diào)速閥的開度k設(shè)置為k=0.5、k=0.6和k=0.7，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=5MPa，得到的仿真結(jié)果如圖16、圖17所示。由于調(diào)速閥是由一個(gè)定差減壓閥與一個(gè)節(jié)流閥組成，定差減壓閥使節(jié)流閥兩端壓差保持一個(gè)定值，圖17顯示的是調(diào)速閥中節(jié)流閥兩端的壓差。與進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速和回油路節(jié)流閥調(diào)速一樣，隨著開度的增大調(diào)速缸的速度越來越快。

圖16 調(diào)速閥同負(fù)載不同開度下液壓缸速度

圖17 調(diào)速閥中節(jié)流閥同負(fù)載不同開度下兩端壓差

其次設(shè)置調(diào)速閥開度k=0.6，加載回路恒壓源壓力p設(shè)置為p=3MPa、p=4MPa和p=5MPa，仿真結(jié)果如圖18、圖19所示。由圖18可知，當(dāng)外負(fù)載力變化時(shí)，調(diào)速缸的速度基本保持不變，此時(shí)觀察圖19所示的調(diào)速閥中節(jié)流閥兩端壓差，可知外負(fù)載力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，定差減壓閥始終能保持節(jié)流閥兩端壓差不變。故調(diào)速閥調(diào)速不同于上述調(diào)速回路，調(diào)速閥調(diào)速在一定范圍內(nèi)不受外負(fù)載力變化的影響。

圖18 調(diào)速閥同開度不同負(fù)載下液壓缸速度

圖19 調(diào)速閥中節(jié)流閥同開度不同負(fù)載下兩端壓差

4 結(jié)論

通過AMESim仿真軟件，可以使學(xué)生直觀地了解調(diào)速閥與節(jié)流閥調(diào)速特性，AMESim里直觀的參數(shù)顯示可以幫助學(xué)生更加深刻地理解液壓元的工作狀態(tài)與工作原理，而且AMESim仿真技術(shù)可以簡單地改變各元器件的參數(shù)，加深學(xué)生對調(diào)速回路調(diào)速特性的理解。實(shí)踐表明，通過使用AMESim仿真軟件進(jìn)行仿真教學(xué)后，學(xué)生在隨后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)更加靈活，讓學(xué)生跳脫出機(jī)械化的實(shí)驗(yàn)步驟，使學(xué)生更好地將理論與實(shí)際相融合，更好地提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

圖20 學(xué)生正在進(jìn)行調(diào)速回路特性實(shí)驗(yàn)