AM Esim在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

潘廣香，夏秋，馬齊江，王波

（滁州學(xué)院，安徽滁州239000）

AM Esim在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

潘廣香，夏秋，馬齊江，王波

（滁州學(xué)院，安徽滁州239000）

針對(duì)《液壓傳動(dòng)》課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出將AMEsim軟件應(yīng)用到該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中.通過(guò)具體實(shí)例介紹AMEsim在液壓系統(tǒng)搭建、液壓元件性能分析以及液壓回路仿真分析等方面的應(yīng)用，將原本抽象的概念、復(fù)雜的系統(tǒng)借助AMEsim圖形化界面展示給學(xué)生，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)創(chuàng)新能力.

液壓傳動(dòng)；教學(xué)研究；AMEsim；仿真

《液壓傳動(dòng)》是工科院校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性[1].通過(guò)課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握各類(lèi)液壓元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，具備一定的分析設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)及工程實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ).由于課程知識(shí)點(diǎn)多，理論深度高，課時(shí)量少，導(dǎo)致教師在教與學(xué)生在學(xué)的過(guò)程中遇到了諸多問(wèn)題：理論知識(shí)講解的精而透，時(shí)間不夠，講解的廣而范，學(xué)生似懂非懂，缺乏學(xué)習(xí)興趣.實(shí)踐教學(xué)中多為“走馬觀花”式教學(xué)，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地做，缺乏思考、創(chuàng)新的過(guò)程，很難達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的[2].因此，積極開(kāi)展液壓傳動(dòng)課程改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，勢(shì)在必行.

為順應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，液壓傳動(dòng)課程教學(xué)改革已在多方面做出努力和嘗試，并取得了一定的教學(xué)效果[3-4].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，液壓仿真技術(shù)諸如DSH plus、Fuis SIM、Hopsan、MATLAB/Simulink、AM Esim等在教學(xué)改革中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[5].文章重點(diǎn)介紹AM Esim軟件在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用.

1 AMEsim簡(jiǎn)介

AM Esim是LM S旗下一款性能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真軟件，目前已成為機(jī)械、液壓、氣壓、電磁、熱等領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺(tái)[6].AM Esim為用戶提供了直觀的圖形界面，將各種元件簡(jiǎn)化成圖形符號(hào)，構(gòu)成豐富的模型庫(kù)，如機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、信號(hào)庫(kù)等.利用直觀形象的模型庫(kù)，可完成復(fù)雜系統(tǒng)模型的搭建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，同時(shí)也可以研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能.

2 AMEsim在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

通過(guò)具體實(shí)例，從液壓傳動(dòng)系統(tǒng)建模，液壓元件特性分析，液壓回路仿真分析等多方面體現(xiàn)AM Esim在液壓傳動(dòng)課程教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用.

2.1 利用AM Esim搭建液壓系統(tǒng)模型

以液壓千斤頂系統(tǒng)為例，利用AM Esim搭建其仿真模型，如圖1所示.其中質(zhì)量塊1模擬負(fù)載重物，液壓缸2模擬負(fù)載液壓缸，元件4模擬節(jié)流閥，通流面積由信號(hào)3設(shè)置，單向閥5和6模擬排油閥和吸油閥，液壓缸7模擬手動(dòng)泵的泵體，元件8、9、10模擬手動(dòng)泵的杠桿，其中正弦信號(hào)可模擬壓動(dòng)手柄的往復(fù)運(yùn)動(dòng).通過(guò)該過(guò)程的實(shí)施，可強(qiáng)化學(xué)生對(duì)液壓千斤頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的理解，通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，可進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行研究.

圖1 液壓千斤頂AM Esim仿真模型

2.2 利用AM Esim分析液壓元件特性

溢流閥是液壓系統(tǒng)中重要的壓力控制元件，其性能好壞直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)性能.傳統(tǒng)教學(xué)中著重介紹溢流閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)其性能分析只作簡(jiǎn)單講解，學(xué)生理解起來(lái)較為困難，在實(shí)際應(yīng)用中，溢流閥性能分析往往是研究重點(diǎn).在教學(xué)過(guò)程中引入AM Esim，教師邊操作邊講解，可在有限課時(shí)內(nèi)達(dá)到教學(xué)目的，同時(shí)增加教師與學(xué)生的互動(dòng)，活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性.

AM Esim所提供的標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)（HYD）和液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)（HCD）都可方便地實(shí)現(xiàn)溢流閥性能研究.如圖2所示為采用標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)建立的溢流閥仿真模型，其中元件1、2模擬溢流閥端口的壓力，元件3為溢流閥模型，根據(jù)溢流閥工作原理設(shè)定仿真參數(shù)，仿真運(yùn)行得到溢流閥死區(qū)特性曲線（圖3）和溢流閥動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)曲線（圖4）.通過(guò)讀圖，可以更加深入的理解溢流閥的流量壓力梯度；死區(qū)特性對(duì)溢流閥開(kāi)啟壓力和關(guān)閉壓力產(chǎn)生的影響；溢流閥靜態(tài)、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)響應(yīng)特性等.

圖2 溢流閥仿真模型

圖3 溢流閥的死區(qū)特性

圖4 溢流閥動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)曲線

為進(jìn)一步分析溢流閥結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥動(dòng)態(tài)性能的影響，以直動(dòng)式溢流閥為例，利用AM Esim所提供的液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)，機(jī)械庫(kù)和液壓庫(kù)建立溢流閥仿真模型（圖5）并設(shè)定參數(shù).其中閥芯質(zhì)量為0.1kg，彈簧剛度為150N/mm，彈簧預(yù)壓縮力為100N，閥口錐半角為30°，額定流量為40L/min，其他參數(shù)保持默認(rèn).

圖5 直動(dòng)式溢流閥的AM ESim仿真模型

如圖6所示為直動(dòng)式溢流閥閥口輸入壓力階躍響應(yīng)曲線，由圖可知，當(dāng)溢流閥的溢流量由零階躍變化為額定流量時(shí)，閥的進(jìn)口壓力將迅速升高并超過(guò)額定壓力，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的振蕩最終到達(dá)穩(wěn)定壓力.拖動(dòng)圖中的十字架可快速得到體現(xiàn)溢流閥動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)，其中上升時(shí)間Δt1=2.6ms，過(guò)渡時(shí)間Δt2=12.1ms，壓力超調(diào)量δ=36.7%，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可分析所設(shè)計(jì)的溢流閥性能優(yōu)劣情況[7].

圖6 溢流閥閥口輸入壓力階躍響應(yīng)曲線

改變溢流閥某一元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行批處理運(yùn)算，研究閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，如圖7和8所示分別研究閥芯質(zhì)量和彈簧剛度對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)特性的影響.由圖可知，隨著閥芯質(zhì)量的增大，過(guò)渡時(shí)間延長(zhǎng)，超調(diào)率增大，溢流閥動(dòng)態(tài)性能變差.隨著彈簧剛度的增大，上升時(shí)間略有延長(zhǎng)，但是超調(diào)量卻大幅度減小，溢流閥動(dòng)態(tài)性能改善.

圖7 閥芯質(zhì)量對(duì)閥動(dòng)態(tài)性能的影響

圖8 彈簧剛度對(duì)閥動(dòng)態(tài)性能的影響

2.3 利用AM Esim進(jìn)行液壓回路仿真

液壓傳動(dòng)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中，通常以節(jié)流調(diào)速回路為例介紹速度控制回路，文章借助AM Esim進(jìn)行仿真分析，可將理論與實(shí)踐有效結(jié)合，提高教學(xué)質(zhì)量.根據(jù)節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)回路中位置的不同，節(jié)流調(diào)速回路可以分為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路、回流節(jié)流調(diào)速回路和旁路節(jié)流調(diào)速回路.基于AM Esim建立三種調(diào)速回路的仿真模型（圖9），設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行仿真得到三種調(diào)速回路速度負(fù)載特性曲線（圖10），研究三種調(diào)速回路的速度負(fù)載特性并分析各自的應(yīng)用場(chǎng)合.

圖9 三種調(diào)速回路模型

節(jié)流調(diào)速回路速度負(fù)載特性曲線可反應(yīng)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載變化規(guī)律，曲線越陡，說(shuō)明負(fù)載變化對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度影響越大，即速度穩(wěn)定性越差[8].由圖10得出以下結(jié)論：（1）由圖a可知，在相同的節(jié)流閥通流面積下，負(fù)載越大，曲線越陡，即重載區(qū)域比輕載區(qū)域速度穩(wěn)定性差；當(dāng)負(fù)載相同時(shí)，節(jié)流閥通流面積越大，速度穩(wěn)定性越差，即高速時(shí)速度穩(wěn)定性差.由此說(shuō)明，進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路應(yīng)用于低速輕載場(chǎng)合；（2）由圖b可知，回油節(jié)流調(diào)速回路與進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路的速度負(fù)載特性曲線走勢(shì)基本相同，說(shuō)明回油節(jié)流調(diào)速回路也適用于低速輕載場(chǎng)合；（3）由圖c可知，當(dāng)節(jié)流閥通流面積一定時(shí)，負(fù)載越大，曲線越平穩(wěn)，速度穩(wěn)定性越好；當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，通流面積越大，速度越低，曲線越陡，速度穩(wěn)定性越差，由此可知旁路節(jié)流調(diào)速回路適用于高速重載場(chǎng)合.

圖10 三種調(diào)速回路速度負(fù)載特性曲線

3 總結(jié)

針對(duì)液壓傳動(dòng)課程教學(xué)所面臨的問(wèn)題，提出將AM Esim仿真軟件引入到課程教學(xué)改革中.利用AM Esim豐富的模型庫(kù)，可視化操作界面，將原本晦澀難懂的知識(shí)以圖形化方式展現(xiàn)給學(xué)生，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)液壓元件、液壓回路、液壓系統(tǒng)等知識(shí)的理解，有效解決理論與實(shí)際脫節(jié)問(wèn)題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，改善教學(xué)效果，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才起到積極作用.

〔1〕許福玲，陳堯明．液壓傳動(dòng)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

〔2〕羅紅旗，湯曉華，沈曉紅，等．液壓傳動(dòng)理論與實(shí)踐并行教學(xué)模式[J]．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010(13):72-73．

〔3〕芮宏斌，周春國(guó)，高峰．以“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”促進(jìn)“液壓傳動(dòng)”課程教學(xué)改革實(shí)踐[J]．液壓與氣動(dòng)，2012(6):92-96．

〔4〕彭熙偉．《液壓傳動(dòng)》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J]．液壓與氣動(dòng)，2008(5):46-47．

〔5〕王威，戴錦春，巫世晶．AMESim在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．液壓氣動(dòng)與密封，2014(10):52－55．

〔6〕付永領(lǐng)．LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

〔7〕鄭淑娟，宋運(yùn)運(yùn)．基于AMEsim的直動(dòng)式溢流閥的特性分析研究[J]．煤礦機(jī)械，2011，32(12):76－78．

〔8〕李鄂民．用節(jié)流閥和調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路的速度－負(fù)載特性對(duì)比[J]．液壓與氣動(dòng)，2005(3):42－43.

TH137

A

1673-260X（2017）11-0142-03

2017-07-12

滁州學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（2015jyy010,2015zyjh01）；安徽省高校卓越人才教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2015zjjh032）；滁州學(xué)院課程改革項(xiàng)目（2016kcgg024）