FluidSim 和AMESim在液壓與氣動課程教學中的應用
——以《液壓同步回路》為例

師 平 白亞瓊

（西安航空職業(yè)技術學院，西安 710089）

《液壓與氣動》課程是高職液壓與氣動專業(yè)的專業(yè)核心課，具有很強的工程實踐性，通過學習，要求學生掌握液壓與氣動的基礎知識，掌握各類液壓與氣壓元件的結構特點和工作原理，具備一定的分析設計液壓與氣動系統(tǒng)的能力。但是，學生在學習過程中很難理解和分析液壓與氣動系統(tǒng)，對靜止和抽象的內容很難掌握，同時實踐教學中，學生依照實驗步驟按部就班地做，缺乏思考、創(chuàng)新的過程，無法達到培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的目的，這是《液壓與氣動》教學中的難點[1]。本文提出將FluidSim和AMESim軟件應用到該課程的教學環(huán)節(jié)中，通過對液壓同步回路搭建、液壓元件性能分析以及液壓回路仿真分析等，激發(fā)學生學習興趣，提高教學質量，為高職院校液壓與氣動課程教學提供參考。

FluidSim軟件是由德國Festo公司Didactic教學部門和Paderborn大學聯(lián)合開發(fā)的，可以實現液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)的原理圖繪制及系統(tǒng)的狀態(tài)仿真。在FluidSim軟件中提供了兩個功能子系統(tǒng)，FluidSim-H用于液壓系統(tǒng)仿真，FluidSim-P用于氣動系統(tǒng)仿真[2]。

AMESim為多學科領域復雜系統(tǒng)建模仿真平臺的發(fā)展，為多物理場的分析提供了有力的支持。用戶可以在單一平臺上建立復雜的多學科領域的系統(tǒng)模型，在此基礎上對元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性進行仿真和分析，幫助用戶對各類系統(tǒng)進行參數選定、功能評價、響應分析或控制邏輯設計，從而降低物理樣機試制的風險[3]。

1 液壓同步回路系統(tǒng)的建模與仿真

在液壓設備中，如沖剪機床、大型壓機中經常會遇到這樣的問題，比如，如何保證在壓力油同時進入幾個工作部件的液壓缸時，讓它們以相同速度或相同的位置進行動作，即實現同步，但實際上由于每個缸所受外負載不同，泄漏損失不一樣以及缸內徑加工誤差等，都會造成液壓缸速度或位置的不同步。為使液壓缸盡可能同步動作，除提高其加工精度外，還可通過回路的組合來保證輸油量不隨外負載的變化而變化，那我們研究一下液壓同步回路的特性。假設液壓系統(tǒng)中的啟動液壓泵電機轉速為3000r/min，液壓泵（齒輪泵）的的轉速也為1000r/min，液壓缸運動時間為2s，液壓缸的活塞直徑為25mm，抽油桿直徑為12mm，負載的的重量分別為100kg，液壓缸活塞行程長度為0.1m，摩擦阻力為1N，溢流閥最大壓力為40MPa（因為它是FluidSim軟件的溢流閥最大壓力值，不能在增加，而AMESim軟件可以根據實際工況任意設置壓力）。用以上參數進行液壓同步回路建模仿真。如圖1、2分別在FluidSim和AMESim建立的液壓同步回路模型。

圖1 在FluidSim建立的液壓同步回路模型

2 液壓同步回路系統(tǒng)仿真分析

圖2 在AMESim建立的液壓同步回路模型

下面詳細介紹兩種軟件對液壓同步回路的仿真分析的不同。圖3為FluidSim軟件中液壓同步回路某時間段運行狀態(tài)仿真圖，從圖3可以看出，在此時兩個液壓缸同步的壓力、流量、速度以及液壓缸的負載的數值。在FluidSim軟件仿真時也可以觀看液壓缸的活塞桿動態(tài)的伸出和縮回仿真過程。圖4為AMESim軟件中液壓同步回路的兩個液壓缸進出口的壓力在時間2s的整個變化過程，從圖4可以看出，兩液壓缸進出口端的壓力變化基本是相同的，但在0.9～1.7s的時間端壓力變化略微不同，為我們研究液壓缸實際過程中不是很精確的同步動作提供參考依據。同時，液壓缸為克服負載瞬間就升到大約18MPa，而液壓缸出口端的壓力在隨后的時間段與出口壓力保持大約4MPa的上下幅度。在1.75s左右進口壓力升到溢流閥的最大壓力40MPa，溢流閥啟動保壓泄壓。因此，從兩種軟件的分析結果可以看出，FluidSim軟件適合在液壓與氣動課程的教學過程中給學生演示回路動作過程，可對基于元件物理模型的回路圖進行實際仿真，并有元件的狀態(tài)圖顯示，這樣就使回路圖繪制和相應液壓（氣壓）系統(tǒng)仿真相一致，能夠在設計完回路后，驗證設計的正確性，但無法用于工程仿真。AMESim軟件可以使物理系統(tǒng)模型直接轉換成實時仿真模型，依照所建模型，用戶能靈活地利用智能求解器挑選最適合模型求解的積分算法，為縮短仿真時間和提高仿真精度，用戶能在不同仿真時刻根據系統(tǒng)的特點動態(tài)切換積分算法和調整積分步長，可以分析整個系統(tǒng)的參數特性，為實際的工程液壓系統(tǒng)提供參考依據。

圖3 在FluidSim中液壓回路某時間運行狀態(tài)仿真

3 結論

本文通過以液壓同步回路實例，分別對比了FluidSim和AMEsim軟件在液壓系統(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用，可以看出FluidSim軟件適合在液壓與氣動課程的教學過程中使用，方便學生理解抽象的液壓系統(tǒng)原理；AMESim可以模擬分析液壓系統(tǒng)的各個參數（壓力、流量、加速度、位移等）特性，為實際的工程液壓系統(tǒng)和高職院校液壓與氣動課程教學提供參考依據。