AMESim仿真軟件在液壓調速回路教學中的應用

曾億山，張 濤，呂安慶，高文智

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

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

1 軟件介紹

AMESim是一款多學科領域的復雜仿真平臺，是液壓領域首選的仿真軟件，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運用了鍵合圖的思想。如圖1所示，軟件開始界面主要分為三個部分：工具欄、庫目錄、庫元件。庫元件是對相應庫的展開，建模時選擇相應的庫便會展示相應的元件，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液壓元件從液壓庫中調出后相連。其次是子模型模式，這一步是選擇各個元件適合的子模型。然后參數(shù)模式，這一步是設置每個元件的參數(shù)。最后是仿真模式，這一步主要是設置仿真時間，數(shù)據(jù)采樣間隔，然后就可以進行仿真運行，得出仿真結果。

圖1 AMESim仿真軟件界面

2 實驗原理及仿真平臺的搭建

2.1 實驗原理介紹

實驗原理如圖2所示，液壓回路分為左半部分的液壓調速回路及右半部分的液壓加載回路。進油路節(jié)流閥與調速缸無桿腔相連，回油路節(jié)流閥與調速缸有桿腔相連，旁油路節(jié)流閥并聯(lián)在調速缸兩端，調速閥并聯(lián)在進油路節(jié)流閥兩端。加載回路是一個簡單的閥控缸回路，通過改變加載回路的溢流閥溢流壓力來改變負載力大小。當進行進油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真時，調速閥與旁油路節(jié)流閥關閉，回油路節(jié)流閥全部打開，調節(jié)進油路節(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)定的負載力下不同進油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當進行回油路節(jié)流閥調速特性實驗時，調速閥與旁油路節(jié)流閥關閉，進油路節(jié)流閥全部打開，調節(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)定的負載力下不同回油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當進行旁油路節(jié)流閥調速特性實驗時，調速閥關閉，進油路節(jié)流閥與回油路節(jié)流閥全部打開，調節(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)定的負載力下不同旁油路溢流閥開度的速度數(shù)據(jù)；當進行調速閥調速特性實驗時，進油路節(jié)流閥與旁油路節(jié)流閥關閉，回油路節(jié)流閥全部打開，調節(jié)進油路節(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)定的負載力下不同調速閥開度的速度數(shù)據(jù)。

圖2 調速回路實驗原理圖

2.2 仿真模型搭建

按照實驗原理圖搭建仿真實驗平臺，圖3所示，為方便后續(xù)仿真，將加載回路進行簡化，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時表示節(jié)流閥全部打開，k=0時表示節(jié)流閥全部關閉。分別比較相同開度下不同負載的調速缸速度與相同負載下的不同開度的調速缸速度，探究節(jié)流閥調速與調速閥調速的相同點與不同點。在進行仿真之前，首先給學生簡單講解一下AMESim軟件的使用方法。使學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)流閥與調速閥兩端的壓差，使學生深刻理解壓力與開度對流量的影響，理解調速閥調速特性與節(jié)流閥調速特性的區(qū)別。

圖3 調速特性實驗仿真模型

3 調速特性試驗仿真教學

3.1 進油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真教學

首先引導學生進行進油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真，按照實驗原理首先將調速閥與旁油路節(jié)流閥全部關閉，將回油路節(jié)流閥全部打開，將進油路節(jié)流閥開口量k設置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設置為p=5MPa，得到的仿真結果如圖4所示，可知當負載力不變時，開口量越大，調速缸的運動速度越快，而圖5顯示此時進油路節(jié)流閥兩端壓差基本保持不變，結合薄壁小孔流量公式(1)

圖4 進油路節(jié)流閥同負載不同開度下液壓缸

圖5 進油路節(jié)流閥同負載不同開度下兩端壓差

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

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

圖6 進油路節(jié)流閥同開度不同負載下液壓缸速度

圖7 進油路節(jié)流閥同開度不同負載下兩端壓差

3.2 回油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真教學

然后引導學生進行回油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真，其調速原理與進油路節(jié)流閥調速原理相同。首先按照實驗原理關閉調速閥與旁油路節(jié)流閥，全部打開進油路節(jié)流閥，將回油路節(jié)流閥的開度k設置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設置為p=5MPa，得到的調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為隨著回油路節(jié)流閥開度的增大，系統(tǒng)的流量在增大，如圖8所示，調速缸的速度隨著開度的增加在變快，這會導致系統(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)流閥同負載不同開度下液壓缸速度

圖9 回油路節(jié)流閥同負載不同開度下兩端壓差

其次設置進油路節(jié)流閥開度k=0.2，加載回路恒壓源壓力p設置為p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真結果如圖10、圖11所示。由圖10可知，隨著外負載力的增大，調速缸的速度越來越小，這是因為隨著負載的增大，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)流閥調速也會存在外負載力影響調速缸速度的情況，其特性與進油節(jié)流閥調速特性基本相同。

圖11 .回油路節(jié)流閥同開度不同負載下兩端壓差

3.3 旁油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真教學

然后進行旁油路節(jié)流閥調速特性實驗仿真，同樣按照實驗原理，將進油路節(jié)流閥與回油路節(jié)流閥全部打開，調速閥關閉，將旁油路節(jié)流閥的開度k設置為k=0.1、k=0.2和k=0.3，加載回路恒壓源壓力p設置為p=5MPa，得到的仿真結果如圖12、圖13所示。由圖12可知，當旁油路節(jié)流閥開度增大時，調速缸的速度越來越慢，這是因為旁油路節(jié)流閥與調速缸并聯(lián)，旁油路節(jié)流閥兩端壓差等于調速缸兩端壓差，當外負載力不變時，旁油路節(jié)流閥兩端壓差也不會改變，通過圖13可以驗證。當外負載力不變時，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，故進入調速缸的流量越來越小，導致其速度越來越慢，這是與進油路節(jié)流閥調速與回油路節(jié)流閥調速不同的。

圖12 旁油路節(jié)流閥同負載不同開度下液壓缸速度

圖13 旁油路節(jié)流閥同負載不同開度下兩端壓差

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

圖14 旁油路節(jié)流閥同開度不同負載下液壓缸速度

圖15 旁油路節(jié)流閥同開度不同負載下兩端壓差

3.4 調速閥調速特性實驗仿真教學

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

圖16 調速閥同負載不同開度下液壓缸速度

圖17 調速閥中節(jié)流閥同負載不同開度下兩端壓差

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

圖18 調速閥同開度不同負載下液壓缸速度

圖19 調速閥中節(jié)流閥同開度不同負載下兩端壓差

4 結論

通過AMESim仿真軟件，可以使學生直觀地了解調速閥與節(jié)流閥調速特性，AMESim里直觀的參數(shù)顯示可以幫助學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仿真技術可以簡單地改變各元器件的參數(shù)，加深學生對調速回路調速特性的理解。實踐表明，通過使用AMESim仿真軟件進行仿真教學后，學生在隨后進行實驗操作時更加靈活，讓學生跳脫出機械化的實驗步驟，使學生更好地將理論與實際相融合，更好地提高學生的動手操作能力。

圖20 學生正在進行調速回路特性實驗