FluidSIM在液压调速回路中的应用

谭月玲　 杨国平　 张帅　 闵耀　 赵文杉　 李岳洪

摘 要：本文用FluidSIM软件对三种节流调速回路进行仿真模拟，对比三种回路的性能差异。弥补教学中不能让学生直观体验调速回路的缺陷，加深学生对节流阀调速回路的理解。

关键词：FluidSIM仿真模拟；进油调速回路；旁路节流调速；回油节流调速；速度——负载分析

一、节流阀调速回路教学中存在的问题

液压调速回路广泛应用于专用车辆中，如起重举升汽车、自卸汽车、消防车、混泥土运输车和各类履带车辆、后压缩式垃圾车的装填机构等。

节流调速回路可分为进油路节流调速、旁路节流调速、回油路节流调速，理论分析表明，节流调速回路的静态特性，受节流阀的特性及其安装位置等因素影响，当系统参数调整时，执行元件的速度便会随之改变。因此液压回路设计中，应对节流调速回路的速度负载特性进行分析。但是由于设备的限制，不能做到让每个学习机械类的学生都亲手拆装、模拟、理解。这时，FluidSIM软件便给教学带来了很大的便利。

通过FluidSIM软件设计节流调速回路、建立调速回路仿真模型、对节流调速回路进行仿真与分析，可以对调速回路的特性进行优化与分析，得出最佳的调速回路设计方案。

二、FluidSIM软件简介

这款软件是由德国Festo公司和Paderborn大学开发的，专门用于液压与气压传动的教学。FluidSIM软件分两个软件，其中FluidSIMH用于液压传动教学，而FluidSIMP用于气压传动教学。FluidSIMH可以对液压调速回路进行仿真研究，使用该软件时，新建液压回路，可以在菜单栏的插入中找到所需的液压元件，也可以直接从元件库用鼠标将所需的元件拖入新建的回路中进行连接（如下图1，2）。该软件将检查各元件之间连接是否可行，最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示（如图3），这样就使回路图绘制和相应液压（气压）系统仿真相一致，从而能够在设计完回路后，验证设计的正确性，并演示回路动作过程。

三、利用FluidSIMH对节流调速回路进行运动仿真

打开FluidSIMH软件，从元件库中选取相应的液压元件，分别构建如图4、5、6所示的节流阀进油调速回路、节流阀旁路节流调速、节流阀回油调速回路。该三个液压调速回路所使用的主要元件如下：直动式液压泵1台、双作用单活塞缸1个，压力表2个、三位四通手动式电磁换向阀1个、直动式溢流阀1个、油箱2个。为了对三种节流调速回路的性能进行对比分析，三种调速回路使用的元件及工作参数设定完全相同。在回路仿真前，在溢流阀中设定公称压力为50bar、相应流量为2l/min，液压源中设定溢流阀的工作压力为60bar，并将液压缸的活塞面积和活塞环面积都设为一定值，分别为2qcm、1qcm。利用FluidSIM软件对该调速过程进行仿真，可以清楚地看到液压节流调速回路的工作过程。

四、利用FluidSIM对节流阀调速回路进行速度——负载特性分析

用FluidSIM进行模拟分析。分别调节节流阀开度为40%、70%、100%和液压缸输出力即负载为0N、200N、400N、600N、800N，记录各种情况下活塞的运动速度，寻找到当活塞速度恰好为0时的负载大小，并记录相应的数据。然后，再对所得的数据进行处理分析，便可以对三种调速回路进行比较。

实验结果如表1、2、3所示。

从表2的数据分析来看，当节流阀开度为40%时，随着负载的增加，活塞运动的速度几乎保持不变，当节流阀的开度为70%时，随着负载的增加，活塞运动的速度逐渐减小。节流阀开度分别为40%、70%时，逐渐增加负载的大小，直至活塞运动的速度恰好为零，所得的负载大小分别为994N和973N。

当节流阀开度为100%时，压力的变化在0～13N，并且随着压力的增加，速度变化较大，当负载的大小为13N时，活塞的运动速度减小至零。

在该回路中，节流阀开度越大，活塞运动速度越小。

从表3的数据分析来看，当节流阀开度为40%时，随着负载的增加，活塞的运动速度逐渐减小，并在负载增加至1000N时，速度减为0；当节流阀开度为70%时，随着负载的增加，并在负载增加到400N之后，活塞的运动速度开始减小，直到负载增加到1000N时，活塞运动速度减小为0；当节流阀开度为100%时，随着负载的增加，并在负载增加到600N之后，活塞的运动速度逐渐减小，直到负载增加至1000N時，活塞的运动速度减至0。

五、结论

综合该三个实验所得的数据，可以看出该三种调速回路的共同点：①节流阀开度一定，负载越大，活塞的运动速度越小；②节流阀开度相同的情况下，当负载越大，速度的变化幅度越大。

同样，可以看出三个回路的不同点：①在相同的开口度和输出力下，进油节流调速的运动速度小于旁路节油调速，而旁路节油调速回路的速度又小于回油节流调速。②节流阀开度越大，在相同的负载大小下，进油节流调速和回油节流调速活塞的运动速度越大，而旁路节流调速中活塞的运动速度越小。

造成节流调速的集中回路的速度——负载特性有以上差异的主要原因是节流阀本身存在压差，这是由流量特性决定的。节流阀没有流量负反馈功能，所以当负载变化时，会引起节流阀前后工作压差的变化，根据小孔流量公式，当工作压差变化时，通过阀的流量必然变化，便导致了液压执行元件运动速度的不稳定。

借助FluidSIM对节流阀节流调速回路的运动仿真和速度—负载特性的分析，可以总结出以下几点：

①进油回路调速中，有节流阀串联在进油口，刚启动时，启动冲击小，另外多余的油液被溢出，即工作效率低，工作部件运动速度不稳定，适用于负载变化不大，以及速度不高的场合。

②旁路节油调速回路中，节流阀与执行元件并联。我们发现，节流阀开度越大，活塞运动速度越小。由于旁路节流调速回路负载特性很软，低速承载能力又差，故应用比前两种回路少，只用在负载变化小，对运动平稳性要求低的高速、大功率场合。

③回油节流调速回路中，节流阀在回油路中。汽车运用中，停车后，液压缸回油腔中的油液会由于泄漏而形成空隙；在起动时，液压缸输出的流量会全部进入油箱，使活塞产生前冲现象，具有承受负载的能力。这种回路多用于功率不大，但负载变化大，运动平稳性要求较高的液压系统中。

综上所述，使用FluidSIM仿真软件，对液压、气压回路进行仿真模拟，对回路在不同的参数设定下进行操作，作出比较，补充了在教学中实训条件不足而不能让学生进行的操作，非常利于教师对学生的教学工作的进展，利于学生直观的掌握液压回路的知识。

参考文献：

[1]齐晓杰.汽车液压传动与气压传动.第二版.

[2]吴党柱.FluidSIM在节流阀调速回路实践教学中的应用，2015.

[3]宋伟，杨志勇，李明全.关于进油节流调速与回油节流调速的研究，2007.