FluidSIM在液壓調(diào)速回路中的應(yīng)用

譚月玲　 楊國(guó)平　 張帥　 閔耀　 趙文杉　 李岳洪

摘 要：本文用FluidSIM軟件對(duì)三種節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比三種回路的性能差異。彌補(bǔ)教學(xué)中不能讓學(xué)生直觀體驗(yàn)調(diào)速回路的缺陷，加深學(xué)生對(duì)節(jié)流閥調(diào)速回路的理解。

關(guān)鍵詞：FluidSIM仿真模擬；進(jìn)油調(diào)速回路；旁路節(jié)流調(diào)速；回油節(jié)流調(diào)速；速度——負(fù)載分析

一、節(jié)流閥調(diào)速回路教學(xué)中存在的問(wèn)題

液壓調(diào)速回路廣泛應(yīng)用于專用車輛中，如起重舉升汽車、自卸汽車、消防車、混泥土運(yùn)輸車和各類履帶車輛、后壓縮式垃圾車的裝填機(jī)構(gòu)等。

節(jié)流調(diào)速回路可分為進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速、旁路節(jié)流調(diào)速、回油路節(jié)流調(diào)速，理論分析表明，節(jié)流調(diào)速回路的靜態(tài)特性，受節(jié)流閥的特性及其安裝位置等因素影響，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整時(shí)，執(zhí)行元件的速度便會(huì)隨之改變。因此液壓回路設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)節(jié)流調(diào)速回路的速度負(fù)載特性進(jìn)行分析。但是由于設(shè)備的限制，不能做到讓每個(gè)學(xué)習(xí)機(jī)械類的學(xué)生都親手拆裝、模擬、理解。這時(shí)，F(xiàn)luidSIM軟件便給教學(xué)帶來(lái)了很大的便利。

通過(guò)FluidSIM軟件設(shè)計(jì)節(jié)流調(diào)速回路、建立調(diào)速回路仿真模型、對(duì)節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行仿真與分析，可以對(duì)調(diào)速回路的特性進(jìn)行優(yōu)化與分析，得出最佳的調(diào)速回路設(shè)計(jì)方案。

二、FluidSIM軟件簡(jiǎn)介

這款軟件是由德國(guó)Festo公司和Paderborn大學(xué)開發(fā)的，專門用于液壓與氣壓傳動(dòng)的教學(xué)。FluidSIM軟件分兩個(gè)軟件，其中FluidSIMH用于液壓傳動(dòng)教學(xué)，而FluidSIMP用于氣壓傳動(dòng)教學(xué)。FluidSIMH可以對(duì)液壓調(diào)速回路進(jìn)行仿真研究，使用該軟件時(shí)，新建液壓回路，可以在菜單欄的插入中找到所需的液壓元件，也可以直接從元件庫(kù)用鼠標(biāo)將所需的元件拖入新建的回路中進(jìn)行連接（如下圖1，2）。該軟件將檢查各元件之間連接是否可行，最重要的是可對(duì)基于元件物理模型的回路圖進(jìn)行實(shí)際仿真，并有元件的狀態(tài)圖顯示（如圖3），這樣就使回路圖繪制和相應(yīng)液壓（氣壓）系統(tǒng)仿真相一致，從而能夠在設(shè)計(jì)完回路后，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，并演示回路動(dòng)作過(guò)程。

三、利用FluidSIMH對(duì)節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真

打開FluidSIMH軟件，從元件庫(kù)中選取相應(yīng)的液壓元件，分別構(gòu)建如圖4、5、6所示的節(jié)流閥進(jìn)油調(diào)速回路、節(jié)流閥旁路節(jié)流調(diào)速、節(jié)流閥回油調(diào)速回路。該三個(gè)液壓調(diào)速回路所使用的主要元件如下：直動(dòng)式液壓泵1臺(tái)、雙作用單活塞缸1個(gè)，壓力表2個(gè)、三位四通手動(dòng)式電磁換向閥1個(gè)、直動(dòng)式溢流閥1個(gè)、油箱2個(gè)。為了對(duì)三種節(jié)流調(diào)速回路的性能進(jìn)行對(duì)比分析，三種調(diào)速回路使用的元件及工作參數(shù)設(shè)定完全相同。在回路仿真前，在溢流閥中設(shè)定公稱壓力為50bar、相應(yīng)流量為2l/min，液壓源中設(shè)定溢流閥的工作壓力為60bar，并將液壓缸的活塞面積和活塞環(huán)面積都設(shè)為一定值，分別為2qcm、1qcm。利用FluidSIM軟件對(duì)該調(diào)速過(guò)程進(jìn)行仿真，可以清楚地看到液壓節(jié)流調(diào)速回路的工作過(guò)程。

四、利用FluidSIM對(duì)節(jié)流閥調(diào)速回路進(jìn)行速度——負(fù)載特性分析

用FluidSIM進(jìn)行模擬分析。分別調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度為40%、70%、100%和液壓缸輸出力即負(fù)載為0N、200N、400N、600N、800N，記錄各種情況下活塞的運(yùn)動(dòng)速度，尋找到當(dāng)活塞速度恰好為0時(shí)的負(fù)載大小，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。然后，再對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，便可以對(duì)三種調(diào)速回路進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、2、3所示。

從表2的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，當(dāng)節(jié)流閥開度為40%時(shí)，隨著負(fù)載的增加，活塞運(yùn)動(dòng)的速度幾乎保持不變，當(dāng)節(jié)流閥的開度為70%時(shí)，隨著負(fù)載的增加，活塞運(yùn)動(dòng)的速度逐漸減小。節(jié)流閥開度分別為40%、70%時(shí)，逐漸增加負(fù)載的大小，直至活塞運(yùn)動(dòng)的速度恰好為零，所得的負(fù)載大小分別為994N和973N。

當(dāng)節(jié)流閥開度為100%時(shí)，壓力的變化在0～13N，并且隨著壓力的增加，速度變化較大，當(dāng)負(fù)載的大小為13N時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度減小至零。

在該回路中，節(jié)流閥開度越大，活塞運(yùn)動(dòng)速度越小。

從表3的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，當(dāng)節(jié)流閥開度為40%時(shí)，隨著負(fù)載的增加，活塞的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，并在負(fù)載增加至1000N時(shí)，速度減為0；當(dāng)節(jié)流閥開度為70%時(shí)，隨著負(fù)載的增加，并在負(fù)載增加到400N之后，活塞的運(yùn)動(dòng)速度開始減小，直到負(fù)載增加到1000N時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度減小為0；當(dāng)節(jié)流閥開度為100%時(shí)，隨著負(fù)載的增加，并在負(fù)載增加到600N之后，活塞的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小，直到負(fù)載增加至1000N時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度減至0。

五、結(jié)論

綜合該三個(gè)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，可以看出該三種調(diào)速回路的共同點(diǎn)：①節(jié)流閥開度一定，負(fù)載越大，活塞的運(yùn)動(dòng)速度越??；②節(jié)流閥開度相同的情況下，當(dāng)負(fù)載越大，速度的變化幅度越大。

同樣，可以看出三個(gè)回路的不同點(diǎn)：①在相同的開口度和輸出力下，進(jìn)油節(jié)流調(diào)速的運(yùn)動(dòng)速度小于旁路節(jié)油調(diào)速，而旁路節(jié)油調(diào)速回路的速度又小于回油節(jié)流調(diào)速。②節(jié)流閥開度越大，在相同的負(fù)載大小下，進(jìn)油節(jié)流調(diào)速和回油節(jié)流調(diào)速活塞的運(yùn)動(dòng)速度越大，而旁路節(jié)流調(diào)速中活塞的運(yùn)動(dòng)速度越小。

造成節(jié)流調(diào)速的集中回路的速度——負(fù)載特性有以上差異的主要原因是節(jié)流閥本身存在壓差，這是由流量特性決定的。節(jié)流閥沒有流量負(fù)反饋功能，所以當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，會(huì)引起節(jié)流閥前后工作壓差的變化，根據(jù)小孔流量公式，當(dāng)工作壓差變化時(shí)，通過(guò)閥的流量必然變化，便導(dǎo)致了液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的不穩(wěn)定。

借助FluidSIM對(duì)節(jié)流閥節(jié)流調(diào)速回路的運(yùn)動(dòng)仿真和速度—負(fù)載特性的分析，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

①進(jìn)油回路調(diào)速中，有節(jié)流閥串聯(lián)在進(jìn)油口，剛啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)沖擊小，另外多余的油液被溢出，即工作效率低，工作部件運(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定，適用于負(fù)載變化不大，以及速度不高的場(chǎng)合。

②旁路節(jié)油調(diào)速回路中，節(jié)流閥與執(zhí)行元件并聯(lián)。我們發(fā)現(xiàn)，節(jié)流閥開度越大，活塞運(yùn)動(dòng)速度越小。由于旁路節(jié)流調(diào)速回路負(fù)載特性很軟，低速承載能力又差，故應(yīng)用比前兩種回路少，只用在負(fù)載變化小，對(duì)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求低的高速、大功率場(chǎng)合。

③回油節(jié)流調(diào)速回路中，節(jié)流閥在回油路中。汽車運(yùn)用中，停車后，液壓缸回油腔中的油液會(huì)由于泄漏而形成空隙；在起動(dòng)時(shí)，液壓缸輸出的流量會(huì)全部進(jìn)入油箱，使活塞產(chǎn)生前沖現(xiàn)象，具有承受負(fù)載的能力。這種回路多用于功率不大，但負(fù)載變化大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求較高的液壓系統(tǒng)中。

綜上所述，使用FluidSIM仿真軟件，對(duì)液壓、氣壓回路進(jìn)行仿真模擬，對(duì)回路在不同的參數(shù)設(shè)定下進(jìn)行操作，作出比較，補(bǔ)充了在教學(xué)中實(shí)訓(xùn)條件不足而不能讓學(xué)生進(jìn)行的操作，非常利于教師對(duì)學(xué)生的教學(xué)工作的進(jìn)展，利于學(xué)生直觀的掌握液壓回路的知識(shí)。

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