基于AMESim仿真軟件的液壓基本回路實驗

曾億山 張 濤 丁偉杰 劉常海

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

一、引言

現(xiàn)階段，《液壓傳動》課程是機(jī)械類學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。在傳統(tǒng)的液壓傳動實驗中存在諸多弊端，例如：液壓系統(tǒng)工作原理難理解、學(xué)生動手能力差等[2-4]。針對上述問題，提出一個基于AMESim仿真軟件的液壓基本回路實驗。讓同學(xué)在AMESim軟件中了解每個液壓元件的工作原理和液壓基本回路中每個元件的參數(shù)變化情況[5-7]。在教學(xué)中，首先向?qū)W生詳細(xì)講解液壓基本回路的原理圖，然后在AMESim中搭建出對應(yīng)的模型，通過仿真計算，得到液壓回路中每個元件的參數(shù)。

二、工作原理

（一）AMESim軟件簡介

AMESim軟件是一款綜合性很強(qiáng)跨學(xué)科領(lǐng)域使用的建模仿真平臺，AMESim軟件是對液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、運(yùn)行仿真的軟件，是進(jìn)行液壓仿真的首選軟件[8-9]。許多跨學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)模型都可由AMESim軟件搭建成功，此外AMESim軟件還可以進(jìn)行跨學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)的仿真計算與數(shù)據(jù)分析。在液壓傳動課程中，可以借助AMESim建立液壓系統(tǒng)模型，讓學(xué)生清楚的理解液壓基本回路，清楚的建立出與之對應(yīng)的每個液壓元件及其工作原理[10]。

（二）液壓回路的基本原理

上述圖1是液壓基本回路的原理圖，在圖1的上半部分是差動回路的原理圖，左半部分是減壓回路的原理圖，右半部分是調(diào)壓回路的原理圖。在差動回路中，當(dāng)二位四通換向閥13處于右位，二位三通換向閥14處于右位時，形成差動連接回路。液壓缸16的活塞桿向左運(yùn)動，液壓缸16有桿腔中油液經(jīng)過二位三通換向閥14右位，與定量泵2出口的油液匯合，液壓缸16活塞桿向左運(yùn)動。當(dāng)二位四通換向閥13處于右位，二位三通換向閥14處于左位時，形成非差動連接回路。高壓油進(jìn)入液壓缸16無桿腔，推動液壓缸16的活塞桿向左運(yùn)動，有桿腔中油液經(jīng)過二位三通換向閥14左位和二位四通換向閥14右位回到油箱。在調(diào)壓回路中，第一調(diào)壓閥6和第二調(diào)壓閥7與三位三通換向閥5連接,三位三通換向閥與5與先導(dǎo)式溢流閥4遠(yuǎn)控“□”連接，從而實現(xiàn)對先導(dǎo)式溢流閥4的遠(yuǎn)程調(diào)壓。當(dāng)三位三通換向閥5處于上位時，回路最高安全壓力取決于第二調(diào)壓閥6的調(diào)定壓力；三位三通換向閥5處于下位時，回路最高安全壓力取決于第一調(diào)壓閥7的調(diào)定壓力，設(shè)定兩個調(diào)壓閥壓力的不同，使回路可以形成不同的壓力，滿足多級調(diào)壓的需要。在減壓回路中，二位二通換向閥9與先導(dǎo)式減壓閥8的遠(yuǎn)控口連接，當(dāng)用于開關(guān)作用的二位二通換向閥9處于左位時，液壓缸11的壓力取決于第三調(diào)壓閥10的調(diào)定壓力；當(dāng)二位二通換向閥9處于右位時，液壓缸11的壓力取決于減壓閥8的調(diào)定壓力。先導(dǎo)式減壓閥8的設(shè)定壓力必須高于第三調(diào)壓閥10的設(shè)定壓力。當(dāng)先導(dǎo)式減壓閥8出口的壓力大于重物12的重力時，液壓缸11推動重物12向上運(yùn)動。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

三、液壓基本回路仿真教學(xué)

在AMESim軟件中，首先我們需要在草圖模式中搭建出液壓基本回路模型，再選擇出不同的子模型。在參數(shù)模式下，設(shè)置每個元件的基本參數(shù)，通過對參數(shù)的修改，可以得出不同的仿真結(jié)果，具體流程如圖2所示?；谝簤夯净芈?，可以搭建出液壓系統(tǒng)的AMESim模型，液壓基本回路的AMESim模型如圖3所示。

圖2 AMESim運(yùn)行流程

圖3 AMESim仿真模型搭建

（一）差動回路仿真

在差動回路實驗仿真中，該回路包括發(fā)動機(jī)1、定量泵2、先導(dǎo)式溢流閥4、二位四通換向閥13、二位三通換向閥14、液壓缸16。首先讓同學(xué)們回顧一下每個元件的工作原理和使用方法，然后搭建差動回路的草圖模型，對每個元件選擇不同的子模型，再設(shè)置元件的參數(shù)并運(yùn)行仿真，得到液壓缸16活塞桿的速度曲線。當(dāng)二位四通換向閥13處于右位時，改變二位三通換向閥14電磁鐵的得電情況，分別得到液壓缸16活塞桿不同的速度曲線，仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，前5s內(nèi)液壓缸16活塞桿的速度為0.175m/s，此時二位四通換向閥13和二位三通換向閥14都處于右位，回路形成差動連接；后5s內(nèi)液壓缸16活塞桿的速度為0.045m/s，此時二位四通換向閥13處于右位，二位三通換向閥14處于左位，回路形成非差動連接。通過對比活塞桿的速度，清楚的看出差動連接和非差動連接速度的不同，讓學(xué)生們了解差動和非差動原理的不同。當(dāng)系統(tǒng)是差動連接時，可以加速液壓缸活塞桿的運(yùn)動速度。利用此特點，將差動回路應(yīng)用于系統(tǒng)快速運(yùn)動的回路中，例如各類組合機(jī)床和專用機(jī)床中。

圖4 液壓缸16活塞桿速度

（二）調(diào)壓回路仿真

在調(diào)壓回路實驗仿真中，該回路包括發(fā)動機(jī)1、定量泵2、先導(dǎo)式溢流閥4、三位三通換向閥5、第一調(diào)壓閥6、第二調(diào)壓閥7。首先給學(xué)生們講解先導(dǎo)式溢流閥工作原理及其結(jié)構(gòu)，當(dāng)先導(dǎo)式溢流閥的遠(yuǎn)程控制口與遠(yuǎn)程調(diào)壓閥相連接時，可以通過調(diào)定遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的壓力來控制先導(dǎo)式溢流閥的溢流壓力，實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)壓的目的。在AMESim仿真軟件中，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力設(shè)定為50bar、第一調(diào)壓閥6的調(diào)定壓力設(shè)定為42bar、第二調(diào)壓閥7的調(diào)定壓力設(shè)定為21bar，當(dāng)三位三通換向閥5處于不同的位置時，得到先導(dǎo)式溢流閥不同的溢流壓力曲線，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 先導(dǎo)式溢流閥4溢流壓力

由圖5可知，當(dāng)三位三通換向閥5處于下位時，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力由第一調(diào)壓閥6調(diào)定壓力決定，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力為92.2bar；當(dāng)三位三通換向閥5處于中位時，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力由自身調(diào)定壓力決定，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力為50.4bar；當(dāng)三位四通換向閥5處于上位，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力由第二調(diào)壓閥7調(diào)定壓力決定，先導(dǎo)式溢流閥4的溢流壓力為71.3bar。通過改變?nèi)蝗〒Q向閥5的位置和調(diào)壓閥的壓力，可以滿足系統(tǒng)各種遠(yuǎn)程調(diào)壓的需要。在各種危險環(huán)境和不適合人直接調(diào)壓的場合，可以通過遠(yuǎn)程調(diào)壓來增加工作人員的安全。

（三）減壓回路仿真

在減壓回路實驗仿真中，該回路包括發(fā)動機(jī)1、定量泵2、先導(dǎo)式減壓閥8、二位二通換向閥9、第三調(diào)壓閥10、液壓缸11。首先向?qū)W生們講解下先導(dǎo)式減壓閥的工作原理及結(jié)構(gòu)。將二位二通換向閥9與先導(dǎo)式減壓閥8連接，通過調(diào)定二位二通換向閥9開關(guān)和第三調(diào)壓閥10壓力大小來實現(xiàn)不同的減壓效果。在AMESim仿真軟件中，將先導(dǎo)式減壓閥的出口壓力設(shè)定為20bar，第三調(diào)壓閥10壓力設(shè)定為21bar，當(dāng)二位二通換向閥9處于不同位置時，可以產(chǎn)生不同的減壓效果，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)二位二通換向閥9處于左位時，先導(dǎo)式減壓閥8的出口壓力為42bar；當(dāng)二位二通換向閥9處于右位時，先導(dǎo)式減壓閥8的出口壓力為21bar。油液經(jīng)過先導(dǎo)式減壓閥8進(jìn)入液壓缸11無桿腔，推動重物12向上運(yùn)動。在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)某一支路壓力低于主油路壓力時，可以利用減壓回路來實現(xiàn)，可以將減壓回路應(yīng)用于定位、夾緊等情況下。

圖6 先導(dǎo)式減壓閥8壓力

四、結(jié)束語

本文在AMESim仿真軟件中，對差動回路、調(diào)壓回路、減壓回路進(jìn)行建模仿真，驗證液壓基本回路的工作原理。在AMESim仿真中，設(shè)置換向閥的不同得電情況，清楚地了解液壓基本回路的工作原理及每個液壓元件的工作原理，同時可以讓學(xué)生做到舉一反三，培養(yǎng)獨(dú)立仿真的能力，讓學(xué)生更好的將理論與實際相結(jié)合。