基于AMESim的插裝閥仿真方法研究*

徐 威，劉慧嬌，梁 全，趙文川

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870；2.遼寧省勞動經(jīng)濟(jì)學(xué)校，遼寧 沈陽 110000)

傳統(tǒng)的液壓閥采用滑閥結(jié)構(gòu)，通流能力小，制造精度高，在用于大流量系統(tǒng)時，由于閥芯尺寸大、換向時間長、換向沖擊大等缺點，很難適應(yīng)液壓設(shè)備對高壓大流量的要求[1-2]。從20世紀(jì)70年代開始，發(fā)展出一種新型的液壓控制閥，即二通插裝閥，其具有液阻小、通流能力大、動作快以及泄漏少等優(yōu)點，逐漸在機(jī)械、冶金、汽車、船舶等各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[3-5]。插裝系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)液壓回路，回路中圖形元件眾多，并且插裝閥組件又可分成方向、壓力和流量三種形式，每一種形式可以同普通的液壓閥組合成新功能，則導(dǎo)致單純從靜態(tài)的液壓回路難以分析出系統(tǒng)的動作過程[6-8]。另外，雖然插裝閥組成系統(tǒng)構(gòu)成靈活，但是在提供方便性的同時也容易出錯[9-10]。因此，本研究通過AMESim軟件進(jìn)行插裝閥仿真分析，研究插裝閥在AMESim軟件中的仿真建模，給出方向、壓力和流量插裝閥的超級元件封裝方法，達(dá)到能夠在插裝閥液壓系統(tǒng)實際建成之前，預(yù)先了解系統(tǒng)的性能指標(biāo)，掌握實際回路構(gòu)造的目的。

1 AMESim介紹

AMESim高級工程系統(tǒng)仿真軟件平臺是法國Imagine公司于1995年推出的圖形化開發(fā)環(huán)境，專門用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動態(tài)性能分析，適合于對液壓、氣動系統(tǒng)以及元件進(jìn)行仿真。插裝閥的插裝單元按結(jié)構(gòu)形式可分為方向閥插裝單元、壓力控制插裝單元以及方向流量閥插裝單元，由于AMESim沒有直接提供這三種形式的仿真元件，則需要利用AMESim的HCD（液壓元件）庫來構(gòu)建插裝單元[11-12]。AMESim通過基本模塊，根據(jù)研究對象的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，將不同模塊進(jìn)行不同組合，構(gòu)建出庫中沒有的液壓元件，組成所需的新系統(tǒng)，從而實現(xiàn)以有限的元件創(chuàng)建無限的功能。

2 插裝單元的結(jié)構(gòu)形式

2.1 方向插裝單元

方向插裝單元的結(jié)構(gòu)形式如圖1（a）所示，其特征是具有較大的面積比，一般約為1︰1.1。其中，由于B腔作用面積較小，當(dāng)B→A流動的開啟壓力很高時，通常只允許工作流向為A→B的單向流動。

2.2 壓力插裝單元

壓力插裝單元的特征是具有最大面積比1︰1，閥芯上無節(jié)流塞，插裝單元主要用來組成溢流閥、順序閥、卸荷閥及電磁溢流閥等壓力控制閥。如圖1（b）所示，該插裝單元的特征是具有較大的面積比，一般為1︰1.05～1︰1.1，閥芯上帶有阻尼螺塞，能夠連通A腔與C腔，當(dāng)組成先導(dǎo)壓力閥時，不再需旁置阻尼螺塞，應(yīng)用比較方便。

2.3 方向流量閥插裝單元

方向流量閥插裝單元結(jié)構(gòu)形式如圖1（c）所示，其特征是閥芯頭部帶有一個節(jié)流塞，在其尾部有行程調(diào)節(jié)器來限制閥芯行程，以控制閥口開度而達(dá)到控制流量的目的。

圖1 插裝閥原理圖形符號

根據(jù)圖1的基本結(jié)構(gòu)原理，結(jié)合AMESim液壓元件設(shè)計庫HCD中各元件的功能，通過類別進(jìn)行對應(yīng)，設(shè)計了如圖2所示的插裝閥AMESim仿真模型。需要注意的是，創(chuàng)建插裝閥模型的方法很多，本設(shè)計僅提供一種典型方法作為參考借鑒。

方向插裝單元的AMESim仿真模型如圖2（a）所示，壓力插裝單元對應(yīng)的AMESim仿真模型如圖2（b）所示，流量控制插裝單元對應(yīng)的AMESim仿真模型如圖2（c）所示。

圖2 插裝閥HCD元件模型

從圖2可知，圖2（a）、（b）和（c）中的1號元件模擬了插裝閥圖形符號中的C腔，2號元件模擬了插裝閥的閥芯質(zhì)量，3號元件模擬了插裝閥圖形符號中的B腔，4號元件模擬了插裝閥圖形符號中的A腔。

3 超級元件工具

當(dāng)一個仿真模型變得越來越大時，在其中找到某個特定元件或?qū)θ到y(tǒng)做快速瀏覽將變得較為困難，而超級元件工具能夠克服這個難題。其基本原理是選擇一組元件，然后將選擇的元件打包進(jìn)一個圖標(biāo)。通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，插裝閥的各種仿真模型表示比較煩瑣，需要用超級元件工具將模型進(jìn)行打包，用圖1中對應(yīng)的原理圖形符號來對其進(jìn)行建模。封裝后的超級元件圖標(biāo)如圖3所示。

圖3 插裝閥超級元件圖標(biāo)

4 回路仿真

創(chuàng)建好的插裝閥超級元件模型可以添加至AMESim庫中留待重復(fù)使用，使調(diào)用超級元件模型與使用AMESim自帶庫一樣簡單，并且也能確保創(chuàng)建的回路工整美觀。為了驗證本研究創(chuàng)建的插裝閥模型具有正確性，構(gòu)建如圖4所示的插裝閥回路。

圖4 插裝閥回路

在該插裝閥回路中，同時用到了方向（2、4號元件）、壓力（1、5號元件）和流量（3號元件）插裝閥仿真模型超級元件。

對插裝閥回路進(jìn)行仿真，獲得的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真輸出曲線圖

根據(jù)圖5（a）可知，在2 s時，6號換向閥得電換向，系統(tǒng)上壓。在5 s時，7號電磁換向閥換向，使7號元件左位接通（-40 mA）。此時，在油的壓力作用下，2號、4號插裝閥關(guān)閉，而3號、5號插裝閥打開，壓力油經(jīng)3號插裝閥、液壓缸、5號插裝閥流回油箱，液壓缸前進(jìn)。其中，3號插裝閥還兼有節(jié)流作用。如圖5（b）所示，為液壓缸位移與時間關(guān)系曲線。

5 結(jié)論

本研究所采用的插裝閥仿真方法實現(xiàn)了插裝回路的邏輯控制功能，能夠驗證插裝閥仿真建模方法具有合理性和正確性，為相關(guān)領(lǐng)域插裝閥液壓系統(tǒng)的分析和設(shè)計提供研究思路和技術(shù)支持。具體如下：

1）研究插裝閥在AMESim軟件中的仿真建模方法，分別設(shè)計出了方向閥插裝單元、壓力插裝單元以及方向流量閥插裝單元的仿真模型。

2）根據(jù)不同形式插裝閥的仿真模型，分別給出了方向、壓力和流量插裝閥的超級元件封裝方法。

3）對創(chuàng)建的插裝閥模型構(gòu)建仿真回路，通過仿真驗證出模型具有正確性，并繪制出仿真輸出曲線，得到了合理的液壓缸位移與時間關(guān)系曲線。