基于AMEsim的液壓系統(tǒng)油箱散熱仿真

王雪婷 吳張永 恭飛

摘 ?要： 為驗證AMEsim軟件在熱液壓系統(tǒng)仿真方面的真實性和優(yōu)勢，基于AMEsim軟件對液壓系統(tǒng)內(nèi)熱量易集中的油箱元件進(jìn)行了建模和仿真，通過對油箱散熱的理論模型進(jìn)行分析，建立了能夠準(zhǔn)確反應(yīng)油箱的產(chǎn)熱和散熱的整套模型系統(tǒng)，然后對模型進(jìn)行仿真計算，仿真結(jié)果真實有效，AMEsim軟件對熱液壓系統(tǒng)仿真具有獨特優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： AMEsim;油箱散熱;建模;仿真

中圖分類號： TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.005

本文著錄格式：王雪婷，吳張永，恭飛，等. 基于AMEsim的液壓系統(tǒng)油箱散熱仿真[J]. 軟件，2020，41（01）：2123+28

【Abstract】： In order to verify the authenticity and advantages of AMEsim software in thermo-hydraulic system simulation， the AMEsim software is used to model and simulate the fuel tank components with easy heat concentration in the hydraulic system. Through the analysis of the theoretical model of fuel tank heat dissipation， A complete model system that accurately reflects the heat generation and heat dissipation of the fuel tank， and then simulates the model. The simulation results are real and effective. AMEsim software has unique advantages for thermohydraulic system simulation.

【Key words】： AMEsim; Fuel tank cooling; Modeling; Simulation

0 ?引言

液壓系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備之中，為其提供了很大方便，但由于油液從高壓流向低壓時不做功產(chǎn)生的熱量會影響液壓系統(tǒng)的良好運行[1]，且處于惡劣工況下的液壓系統(tǒng)如果沒能及時地將產(chǎn)生的熱量傳遞出去，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)溫度升高，從而使整個液壓系統(tǒng)的工作效率降低。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2]可認(rèn)識到，由于液壓油溫度異常造成的液壓系統(tǒng)故障和非正常停機竟達(dá)80%以上。液壓油溫度異常的宏觀表現(xiàn)是液壓系統(tǒng)發(fā)熱，一旦系統(tǒng)溫度達(dá)到密封圈或液壓油的許用溫度以上，液壓系統(tǒng)將不能正常工作，同時，溫度升高，液壓油黏度下降，導(dǎo)致系統(tǒng)容積損失增加，潤滑性能降低[3]。因此，具有良好的散熱措施將大大地延長液壓系統(tǒng)的使用壽命[4]。在液壓系統(tǒng)中，液壓油箱不僅具有存儲油液的功能，還具有散熱功能。目前國內(nèi)主要有兩種方法對液壓油箱進(jìn)行散熱，一種是通過增大油箱體積從而增大外壁的自然對流面;另一種是將水冷裝置安裝在油箱油路上[5]。現(xiàn)今，采用增大油箱體積進(jìn)行散熱的方式應(yīng)用較多，當(dāng)增大油箱體積時，進(jìn)行自然對流的面積增加，能更好地將系統(tǒng)產(chǎn)生的熱通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到外界環(huán)境中去，此時散發(fā)的熱量和系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量達(dá)到平衡。但在實際工況下，熱平衡隨著系統(tǒng)散熱環(huán)境的改變而被打破，使液壓油溫度不斷升高[6]，造成液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

1 ?AMEsim軟件概述

AMEsim是多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺。它基于直觀的圖形界面建模，操作者可以在其平臺上進(jìn)行液壓系統(tǒng)模型的建立，研究其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能[7]，也可以分析和優(yōu)化系統(tǒng)。目前AMEsim的應(yīng)用庫包括液壓庫、機械庫、熱液壓庫等多個庫，可以根據(jù)不同的需求選擇相應(yīng)的庫建立模型。AMEsim最大的關(guān)注點不是數(shù)學(xué)建模，而是物理系統(tǒng)本身的設(shè)計，即操作者不用進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)建模過程，同時也不需要編寫任何程序代碼，且能在17種算法中選擇最佳的積分算法，可以大幅度縮短仿真時間和提高仿真精度。另外，它還提供了線性化分析工具（如系統(tǒng)特征值求解、Bode圖、Nyquist圖、根軌跡分析）、模態(tài)分析工具、頻譜分析工具（如快速傅里葉變換FFT、階次分析Order AnalysiS、頻譜圖Spectral maps）以及模型簡化工具，以方便用戶分析和優(yōu)化自己的系統(tǒng)[8，9]。

2 ?AMEsim油箱建模

2.1 ?油箱散熱理論分析

液壓系統(tǒng)中油箱的發(fā)熱主要是由液壓油將機械能與液壓能的相互轉(zhuǎn)換所造成的容積效率損失、壓力損失和機械效率損失產(chǎn)生的熱量傳遞到油箱中，然后通過油箱與外界進(jìn)行熱傳遞和熱輻射的方式進(jìn)行散熱[10]。

2.2 ?散熱模型建模

通過AMEsim軟件的Sketch mode（草圖模式）、Submodles mode（子模型模式），建立如圖2所示的液壓系統(tǒng)油箱散熱模型，該模型中包含的液壓元件主要有油箱、液壓泵、溢流閥、電動機、容積、單向閥。另外，為了對油箱散熱進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，在模型中還設(shè)置有熱熔塊 ，其兩端接口分別根據(jù)油箱散熱主要的兩種方式：（1）空氣和油箱對流換熱;（2）油箱的對外輻射，設(shè)置了兩種散熱方式的子模型。（對流換熱 、熱輻射 ）。

2.3 ?參數(shù)設(shè)定

對2.2節(jié)所建立的模型，在AMEsim中的Parameters mode（參數(shù)模式）中對所有子模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，包括液壓介質(zhì)種類，本文模擬的液壓介質(zhì)為46#液壓油;油箱：鐵質(zhì)材料、油箱容積根據(jù)油箱尺寸長1000 mm、寬1000 mm、高500 mm、油液高400 mm，通過計算可得油箱散熱面積為106 mm2;周長為4000 mm;起始溫度為25℃。單向閥開啟壓力為0.1 bar。容積為1 L。油箱子模型質(zhì)量計算得224.29 kg。對流換熱和熱輻射的接觸面積根據(jù)油箱的周長為4000 mm可設(shè)定為長1000 mm、寬為 ? 4000 mm。溢流閥的啟動壓力設(shè)定為50 bar。泵的排量為100 cc/rev，電機轉(zhuǎn)速為1500 rev/min。

3 ?仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖所示。

從圖3所示的仿真結(jié)果可知，在該液壓系統(tǒng)中當(dāng)46#液壓油運行37.33 min后，系統(tǒng)油箱溫度達(dá)到了59.98℃，同時在138 min以前油箱溫度升高趨勢明顯，上升速率較快，而138 min以后溫升相對平穩(wěn)，最終油箱的穩(wěn)定在208.4℃。

從圖4可看出，當(dāng)時間到達(dá)37.33 min（2240s）時油箱溫度達(dá)到59.98℃時，此時所需要的系統(tǒng)散熱功率為1.154 kw，而當(dāng)油箱到達(dá)極限溫度208.4℃時，此時所需要的散熱功率為12.473 kw。

從圖3和圖4可以得出，系統(tǒng)模型的發(fā)熱和散熱模式是此消彼長的，對應(yīng)數(shù)值完全重合，計算結(jié)果十分準(zhǔn)確。AMEsim對液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算具有十分強大的計算仿真優(yōu)勢。

4 ?結(jié)論

本文通過對油箱散熱的理論模型進(jìn)行分析，基于AMEsim軟件對液壓系統(tǒng)內(nèi)熱量易集中的油箱元件進(jìn)行了建模和仿真，通過實驗驗證了AMEsim軟件對液壓油箱的溫度場變化具有準(zhǔn)確的數(shù)值計算分析能力，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

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