液壓差動(dòng)回路的AMESim的仿真教學(xué)應(yīng)用

曾億山，張 濤，趙 晨，陳 建

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

目前學(xué)校中的液壓實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)采用先理論后實(shí)踐，先通過(guò)書(shū)本和老師的講解理解基礎(chǔ)知識(shí)，再到實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行液壓系統(tǒng)搭建連接實(shí)際操作。液壓系統(tǒng)本身包含運(yùn)用十分廣泛，在不同工作要求下，它本身的工作特點(diǎn)、工況特點(diǎn)都不一樣[1,2]。只是對(duì)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)，并不能更好的理解整個(gè)液壓系統(tǒng)各個(gè)元件的工作特性情況。AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，工程系統(tǒng)仿真的高級(jí)建模環(huán)境）仿真軟件可以搭建出不同的液壓系統(tǒng)，幫助學(xué)生更好地理解液壓系統(tǒng)中的閥、缸的工作特性[3,4]。AMESim軟件為是一款綜合性很強(qiáng)的多學(xué)科仿真平臺(tái)，如圖1所示，可以用來(lái)搭建跨學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜模型，進(jìn)行仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)分析[3-5]。目前將AMESim仿真軟件用于教學(xué)的研究仍很少，更多的研究者是將AMESim引入到液壓系統(tǒng)的研究中，目前的高校液壓課程中很少涉及AMESim的教學(xué)，將AMESim引入液壓實(shí)驗(yàn)課程中有利于提高學(xué)生在液壓實(shí)驗(yàn)中對(duì)液壓系統(tǒng)不同元件的工作特性的理解[6]。

圖1 AMESim平臺(tái)界面圖

2 液壓差動(dòng)工作原理

2.1 液壓差動(dòng)回路原理

目前液壓差動(dòng)回路大多運(yùn)用于大型機(jī)械工作中，通過(guò)液壓缸兩端壓力的不同可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的快進(jìn)或快退，用以滿足實(shí)際工作的需求。液壓差動(dòng)回路的工作原理是利用液壓工作缸的工作面積差來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的快進(jìn)和快退，液壓工作缸的缸腔分為有桿腔和無(wú)桿腔，兩者之間的工作面積差為工作桿的截面面積。當(dāng)差動(dòng)液壓回路工作時(shí)，有桿腔的液壓油回到無(wú)桿腔可以提高執(zhí)行元件的工作速度，從而可以在不改變泵的數(shù)量和系統(tǒng)回路中流量大小的情況下提高速度。

以某一液壓差動(dòng)回路為例，如圖2所示，開(kāi)始工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)泵為液壓系統(tǒng)供油，此時(shí)2YA持續(xù)得電，電磁換向閥處于右位，油液進(jìn)入液壓工作缸無(wú)桿腔，有桿腔內(nèi)油液在電磁鐵3YA得電的情況下，經(jīng)電磁換向閥4后也流入液壓工作缸無(wú)桿腔此時(shí)便形成了液壓缸的快速差動(dòng)。此時(shí)若是不考慮管路連接與閥的泄露，無(wú)桿腔和有桿腔中油液的壓力大小是相等的，當(dāng)相等的壓力作用在不同大小的工作面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生力F方向?yàn)闊o(wú)桿腔指向有桿腔，會(huì)加速推動(dòng)杠桿移動(dòng)。若開(kāi)始工作時(shí)進(jìn)入無(wú)桿腔的油液流量為q1，而A1為無(wú)桿腔工作面積，A2為有桿腔工作面積，從有桿腔出來(lái)的油液流量為q2=V3A2，速度為V3，在不考慮泄露的情況下可以得到：

圖2 液壓差動(dòng)回路原理圖

則活塞桿V3伸出速度V3可以由此求出：

若想要使活塞桿的往返速度V3、V2相等，則需要滿足條件：

其中D為液壓缸的直徑，d為桿的直徑。此時(shí)若忽略兩端液壓油流動(dòng)和其他壓力損失，可以得出活塞桿F為：

當(dāng)活塞桿接觸到工件時(shí)，系統(tǒng)受外力影響壓力升高，此時(shí)電磁鐵3YA失電，液壓油會(huì)經(jīng)電磁換向閥4右位，進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，有桿腔中的液壓油會(huì)在電磁換向閥6右位的情況下流經(jīng)節(jié)流閥回到油箱，使活塞桿進(jìn)行非差動(dòng)右行。欲使活塞桿返回，先使1YA持續(xù)得電，此時(shí)電磁閥1的右位進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始工作，泵由電機(jī)帶動(dòng)將油液輸送流經(jīng)電磁閥4，經(jīng)節(jié)流閥中的單向閥進(jìn)入電磁換向閥6的右位，流入液壓工作缸的有桿腔，推動(dòng)活塞桿返回，無(wú)桿腔中的油液會(huì)直接回到油箱。

2.2 AMESim仿真

根據(jù)上述的簡(jiǎn)易的液壓差動(dòng)回路原理圖，搭建AMESim仿真模型，該系統(tǒng)主要由電機(jī)1、液壓泵2、溢流閥3、電磁換向閥4、液壓工作缸5、電磁換向閥6、節(jié)流閥7等元件組成。本次仿真的液壓差動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)簡(jiǎn)化后選用恒壓源。選用溢流閥作為安全閥防止系統(tǒng)壓力過(guò)高損傷液壓元件。本次仿真主要是通過(guò)改變缸徑和桿徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同速度下的工進(jìn)和快進(jìn)，通過(guò)活塞桿的速度變化可以加深學(xué)生對(duì)液壓差動(dòng)回路的原理的認(rèn)識(shí)。

學(xué)生在理解液壓差動(dòng)回路原理圖的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)AMESim軟件搭建液壓差動(dòng)回路仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓差動(dòng)回路模型圖

3 AMESim仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

AMESim仿真軟件是一款功能很強(qiáng)大系統(tǒng)建模仿真軟件，在液壓領(lǐng)域中運(yùn)用的十分常見(jiàn)。但大多數(shù)學(xué)者只是運(yùn)用于建模仿真，這需要對(duì)液壓回路有了很深的理解之后，才可以正確的設(shè)定每個(gè)液壓元件需要的參數(shù)。而本文使用AMESim仿真軟件幫助學(xué)生理解液壓回路原理，首先應(yīng)該幫助學(xué)生了解每個(gè)液壓元件的關(guān)鍵參數(shù)，了解液壓元件的工作原理。

本文選用的液壓差動(dòng)回路，主要由液壓泵、電機(jī)、溢流閥、電磁換向閥、液壓缸、節(jié)流閥、單向閥、管道等組合而成。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，指導(dǎo)學(xué)生了解基礎(chǔ)液壓元件的工作原理。這些原理知識(shí)在本科課程的學(xué)習(xí)中都有所涉及。在學(xué)會(huì)液壓元件的工作原理的基礎(chǔ)上，了解AMESim仿真中每個(gè)元件的主要參數(shù)，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單仿真實(shí)驗(yàn)。液壓泵的主要參數(shù)為排量V與轉(zhuǎn)速n，由泵的排量和轉(zhuǎn)速可以得到泵的理論流量q。溢流閥的主要參數(shù)為安全閥流量壓力梯度和最大極限壓力。液壓缸的主要參數(shù)為缸徑和桿徑，以及死區(qū)空間。節(jié)流閥的主要參數(shù)是阻尼孔孔徑大小。

在做好上述準(zhǔn)備工作后，就可以進(jìn)行AMESim仿真教學(xué)。本文就簡(jiǎn)化的液壓差動(dòng)回路為例，由于上文提到過(guò)，在D=1.414d時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)活塞桿的往返速度一致，所以首先是選用缸徑為80 mm、桿徑為30 mm的液壓缸1，與缸徑為80 mm、桿徑為57 mm的液壓缸2兩組不同缸桿徑比的液壓缸。通過(guò)給定信號(hào)，控制電磁換向閥4、電磁換向閥6，給定的控制信號(hào)與系統(tǒng)的工況如表1所示。

表1 控制信號(hào)與系統(tǒng)工況表

通過(guò)AMESim仿真軟件可以得到該液壓差動(dòng)回路在這四種不同工況下的活塞桿位移、速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖4。通過(guò)圖4可知在該液壓差動(dòng)回路在電磁換向閥4處于右位，電磁換向閥6處于左位時(shí)，活塞桿的速度相較電磁換向閥4處于右位時(shí)，電磁換向閥6處于右位時(shí)是有很大的提高。如圖4所示，實(shí)線為工進(jìn)工況下活塞桿位移隨時(shí)間變化曲線，點(diǎn)劃線為液壓系統(tǒng)進(jìn)行快進(jìn)工況下，活塞桿位移隨時(shí)間變化曲線。可以看出快進(jìn)時(shí)活塞桿速度遠(yuǎn)大于工進(jìn)的活塞桿速度。

圖4 活塞桿位移圖

由上文公式（3）可得，當(dāng)液壓缸的缸桿徑之比為1.414時(shí)，在液壓差動(dòng)回路中可以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)工況下液壓桿的伸出速度大小等于快退工況下液壓桿回縮速度的大小。此前實(shí)驗(yàn)中采用的缸徑為80mm、桿徑為57mm的液壓缸1可與對(duì)照組，即缸徑為80mm、桿徑為57mm的液壓缸2，形成對(duì)照試驗(yàn)?？梢则?yàn)證該組仿真中活塞桿的快進(jìn)與快退的速度是否相同。下圖中圖5（a）為液壓缸1的快退與快進(jìn)工況下活塞桿的位移變化圖，圖5（b）為液壓缸2的快退與快進(jìn)工況下活塞桿的位移變化圖。在圖5（b）可以看出在缸徑為桿徑的1.414倍時(shí)，可以使活塞桿在快退與快進(jìn)工況下的速度大小相同。

圖5 活塞桿位移變化圖

此時(shí)也可以通過(guò)AMESim仿真軟件得出電磁換向閥4的A口流量、液壓缸1入口處流量和電磁換向閥6的A口處流量大小，驗(yàn)證是否符合上文公式。由圖5可知，1口處流量為電磁換向閥4的出口流量，2口處流量為液壓缸有桿腔排出液壓油的流量，3口處流量為進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔流量。由圖6可得，在0-6秒內(nèi)，3口處流量為1口和2口處流量之和。

圖6 液壓差動(dòng)回路流量分析圖

4 結(jié)語(yǔ)

液壓差動(dòng)回路是液壓基本回路中的一種，但由于液壓系統(tǒng)組成元件過(guò)多，原理不易理解，而AMESim是一款功能強(qiáng)大的綜合性平臺(tái)，可以很好地對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真實(shí)驗(yàn)。本文使用AMESim軟件進(jìn)行建模仿真，對(duì)液壓差動(dòng)回路的工作原理和特性進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)在給定不同信號(hào)而實(shí)現(xiàn)不同工況的基礎(chǔ)上，設(shè)置缸桿徑比為1.414時(shí)，觀察其對(duì)活塞桿速度的影響，驗(yàn)證差動(dòng)回路的流量是否符合原理，通過(guò)在驗(yàn)證過(guò)程中的學(xué)習(xí)，輔助學(xué)生理解液壓回路原理。