基于AMESim仿真软件的液压基本回路实验

2022-03-07曾亿山丁伟杰刘常海

铜陵学院学报 2022年6期

曾亿山张涛丁伟杰刘常海

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

一、引言

现阶段，《液压传动》课程是机械类学生的一门专业基础课[1]。在传统的液压传动实验中存在诸多弊端，例如：液压系统工作原理难理解、学生动手能力差等[2-4]。针对上述问题，提出一个基于AMESim仿真软件的液压基本回路实验。让同学在AMESim软件中了解每个液压元件的工作原理和液压基本回路中每个元件的参数变化情况[5-7]。在教学中，首先向学生详细讲解液压基本回路的原理图，然后在AMESim中搭建出对应的模型，通过仿真计算，得到液压回路中每个元件的参数。

二、工作原理

（一）AMESim软件简介

AMESim软件是一款综合性很强跨学科领域使用的建模仿真平台，AMESim软件是对液压系统和机械系统进行建模、运行仿真的软件，是进行液压仿真的首选软件[8-9]。许多跨学科领域的复杂系统模型都可由AMESim软件搭建成功，此外AMESim软件还可以进行跨学科领域的系统的仿真计算与数据分析。在液压传动课程中，可以借助AMESim建立液压系统模型，让学生清楚的理解液压基本回路，清楚的建立出与之对应的每个液压元件及其工作原理[10]。

（二）液压回路的基本原理

上述图1是液压基本回路的原理图，在图1的上半部分是差动回路的原理图，左半部分是减压回路的原理图，右半部分是调压回路的原理图。在差动回路中，当二位四通换向阀13处于右位，二位三通换向阀14处于右位时，形成差动连接回路。液压缸16的活塞杆向左运动，液压缸16有杆腔中油液经过二位三通换向阀14右位，与定量泵2出口的油液汇合，液压缸16活塞杆向左运动。当二位四通换向阀13处于右位，二位三通换向阀14处于左位时，形成非差动连接回路。高压油进入液压缸16无杆腔，推动液压缸16的活塞杆向左运动，有杆腔中油液经过二位三通换向阀14左位和二位四通换向阀14右位回到油箱。在调压回路中，第一调压阀6和第二调压阀7与三位三通换向阀5连接,三位三通换向阀与5与先导式溢流阀4远控“□”连接，从而实现对先导式溢流阀4的远程调压。当三位三通换向阀5处于上位时，回路最高安全压力取决于第二调压阀6的调定压力；三位三通换向阀5处于下位时，回路最高安全压力取决于第一调压阀7的调定压力，设定两个调压阀压力的不同，使回路可以形成不同的压力，满足多级调压的需要。在减压回路中，二位二通换向阀9与先导式减压阀8的远控口连接，当用于开关作用的二位二通换向阀9处于左位时，液压缸11的压力取决于第三调压阀10的调定压力；当二位二通换向阀9处于右位时，液压缸11的压力取决于减压阀8的调定压力。先导式减压阀8的设定压力必须高于第三调压阀10的设定压力。当先导式减压阀8出口的压力大于重物12的重力时，液压缸11推动重物12向上运动。

图1 液压系统原理图

三、液压基本回路仿真教学

在AMESim软件中，首先我们需要在草图模式中搭建出液压基本回路模型，再选择出不同的子模型。在参数模式下，设置每个元件的基本参数，通过对参数的修改，可以得出不同的仿真结果，具体流程如图2所示。基于液压基本回路，可以搭建出液压系统的AMESim模型，液压基本回路的AMESim模型如图3所示。

图2 AMESim运行流程

图3 AMESim仿真模型搭建

（一）差动回路仿真

在差动回路实验仿真中，该回路包括发动机1、定量泵2、先导式溢流阀4、二位四通换向阀13、二位三通换向阀14、液压缸16。首先让同学们回顾一下每个元件的工作原理和使用方法，然后搭建差动回路的草图模型，对每个元件选择不同的子模型，再设置元件的参数并运行仿真，得到液压缸16活塞杆的速度曲线。当二位四通换向阀13处于右位时，改变二位三通换向阀14电磁铁的得电情况，分别得到液压缸16活塞杆不同的速度曲线，仿真结果如图4所示。

由图4可知，前5s内液压缸16活塞杆的速度为0.175m/s，此时二位四通换向阀13和二位三通换向阀14都处于右位，回路形成差动连接；后5s内液压缸16活塞杆的速度为0.045m/s，此时二位四通换向阀13处于右位，二位三通换向阀14处于左位，回路形成非差动连接。通过对比活塞杆的速度，清楚的看出差动连接和非差动连接速度的不同，让学生们了解差动和非差动原理的不同。当系统是差动连接时，可以加速液压缸活塞杆的运动速度。利用此特点，将差动回路应用于系统快速运动的回路中，例如各类组合机床和专用机床中。

图4 液压缸16活塞杆速度

（二）调压回路仿真

在调压回路实验仿真中，该回路包括发动机1、定量泵2、先导式溢流阀4、三位三通换向阀5、第一调压阀6、第二调压阀7。首先给学生们讲解先导式溢流阀工作原理及其结构，当先导式溢流阀的远程控制口与远程调压阀相连接时，可以通过调定远程调压阀的压力来控制先导式溢流阀的溢流压力，实现远程调压的目的。在AMESim仿真软件中，先导式溢流阀4的溢流压力设定为50bar、第一调压阀6的调定压力设定为42bar、第二调压阀7的调定压力设定为21bar，当三位三通换向阀5处于不同的位置时，得到先导式溢流阀不同的溢流压力曲线，仿真结果如图5所示。

图5 先导式溢流阀4溢流压力

由图5可知，当三位三通换向阀5处于下位时，先导式溢流阀4的溢流压力由第一调压阀6调定压力决定，先导式溢流阀4的溢流压力为92.2bar；当三位三通换向阀5处于中位时，先导式溢流阀4的溢流压力由自身调定压力决定，先导式溢流阀4的溢流压力为50.4bar；当三位四通换向阀5处于上位，先导式溢流阀4的溢流压力由第二调压阀7调定压力决定，先导式溢流阀4的溢流压力为71.3bar。通过改变三位三通换向阀5的位置和调压阀的压力，可以满足系统各种远程调压的需要。在各种危险环境和不适合人直接调压的场合，可以通过远程调压来增加工作人员的安全。

（三）减压回路仿真

在减压回路实验仿真中，该回路包括发动机1、定量泵2、先导式减压阀8、二位二通换向阀9、第三调压阀10、液压缸11。首先向学生们讲解下先导式减压阀的工作原理及结构。将二位二通换向阀9与先导式减压阀8连接，通过调定二位二通换向阀9开关和第三调压阀10压力大小来实现不同的减压效果。在AMESim仿真软件中，将先导式减压阀的出口压力设定为20bar，第三调压阀10压力设定为21bar，当二位二通换向阀9处于不同位置时，可以产生不同的减压效果，仿真结果如图6所示。

由图6可知，当二位二通换向阀9处于左位时，先导式减压阀8的出口压力为42bar；当二位二通换向阀9处于右位时，先导式减压阀8的出口压力为21bar。油液经过先导式减压阀8进入液压缸11无杆腔，推动重物12向上运动。在液压系统中，当某一支路压力低于主油路压力时，可以利用减压回路来实现，可以将减压回路应用于定位、夹紧等情况下。