AMESim仿真软件在液压调速回路教学中的应用

曾亿山，张 涛，吕安庆，高文智

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

目前，针对“液压与气动技术”课程中液压调速回路的教学过程，首先是先对液压元件的原理进行讲解，其次是讲解液压调速回路的工作原理，最后是进行液压调速回路的实验[1-3]。然而在实际的教学实验过程中，液压元件与液压回路的讲解难以有新的突破[4]，在实验过程中往往由于机械化的实验步骤，造成学生很难对液压调速回路进行深刻理解，并难以理解节流阀参数与调速阀参数对调速回路的影响[5]。为深化教育改革，培养创新型人才，将AMESim仿真技术应用于课程教学与实验探究之间[6]，在AMESim里搭建实验仿真平台进行仿真实验[7-8]，调整节流阀与调速阀的参数，通过流量压力图线数据可以直观地理解调速回路的原理及节流阀与调速阀的参数对调速回路调速特性的影响[9]，使学生在进行实验时可以跳脱出机械化操作步骤，帮助学生更好地将理论与实践相融合[10]。

1 软件介绍

AMESim是一款多学科领域的复杂仿真平台，是液压领域首选的仿真软件，其物理化的建模方式不需要任何代码，极大地提升了建模效率，仿真元件之间的能量流动运用了键合图的思想。如图1所示，软件开始界面主要分为三个部分：工具栏、库目录、库元件。库元件是对相应库的展开，建模时选择相应的库便会展示相应的元件，将需要的库元件拖出来即可。AMESim的仿真过程主要分为四步，如图1中的工具栏所示，首先是模型搭建，这一步主要是将各个液压元件从液压库中调出后相连。其次是子模型模式，这一步是选择各个元件适合的子模型。然后参数模式，这一步是设置每个元件的参数。最后是仿真模式，这一步主要是设置仿真时间，数据采样间隔，然后就可以进行仿真运行，得出仿真结果。

图1 AMESim仿真软件界面

2 实验原理及仿真平台的搭建

2.1 实验原理介绍

实验原理如图2所示，液压回路分为左半部分的液压调速回路及右半部分的液压加载回路。进油路节流阀与调速缸无杆腔相连，回油路节流阀与调速缸有杆腔相连，旁油路节流阀并联在调速缸两端，调速阀并联在进油路节流阀两端。加载回路是一个简单的阀控缸回路，通过改变加载回路的溢流阀溢流压力来改变负载力大小。当进行进油路节流阀调速特性实验仿真时，调速阀与旁油路节流阀关闭，回油路节流阀全部打开，调节进油路节流阀开口量和加载回路溢流阀溢流压力，记录液压缸在几组规定的负载力下不同进油路溢流阀开度的速度数据；当进行回油路节流阀调速特性实验时，调速阀与旁油路节流阀关闭，进油路节流阀全部打开，调节回油路节流阀开口量和加载回路溢流阀溢流压力，记录液压缸在几组规定的负载力下不同回油路溢流阀开度的速度数据；当进行旁油路节流阀调速特性实验时，调速阀关闭，进油路节流阀与回油路节流阀全部打开，调节旁油路节流阀开口量和加载回路溢流阀溢流压力，记录液压缸在几组规定的负载力下不同旁油路溢流阀开度的速度数据；当进行调速阀调速特性实验时，进油路节流阀与旁油路节流阀关闭，回油路节流阀全部打开，调节进油路节流阀开口量和加载回路溢流阀溢流压力，记录液压缸在几组规定的负载力下不同调速阀开度的速度数据。

图2 调速回路实验原理图

2.2 仿真模型搭建

按照实验原理图搭建仿真实验平台，图3所示，为方便后续仿真，将加载回路进行简化，简化为恒压源与液压缸相连，改变恒压源的压力大小即可改变负载压力的大小，通过改变参数k的值来改变节流阀的开口量，k=1时表示节流阀全部打开，k=0时表示节流阀全部关闭。分别比较相同开度下不同负载的调速缸速度与相同负载下的不同开度的调速缸速度，探究节流阀调速与调速阀调速的相同点与不同点。在进行仿真之前，首先给学生简单讲解一下AMESim软件的使用方法。使学生明白如何去修改各元件的参数和如何显示流量、压力和速度，通过AMESim软件可以在仿真过程中清楚地显示节流阀与调速阀两端的压差，使学生深刻理解压力与开度对流量的影响，理解调速阀调速特性与节流阀调速特性的区别。

图3 调速特性实验仿真模型

3 调速特性试验仿真教学

3.1 进油路节流阀调速特性实验仿真教学

首先引导学生进行进油路节流阀调速特性实验仿真，按照实验原理首先将调速阀与旁油路节流阀全部关闭，将回油路节流阀全部打开，将进油路节流阀开口量k设置为k=0.1、k=0.2和k=0.3，加载回路恒压源压力p设置为p=5MPa，得到的仿真结果如图4所示，可知当负载力不变时，开口量越大，调速缸的运动速度越快，而图5显示此时进油路节流阀两端压差基本保持不变，结合薄壁小孔流量公式(1)

图4 进油路节流阀同负载不同开度下液压缸

图5 进油路节流阀同负载不同开度下两端压差

可知，当进油路节流阀两端压差基本保持不变时，阀开度越大，通过的流量越大。

其次引导学生设置进油路节流阀开度k=0.2，加载回路恒压源压力p设置为p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真结果如图6所示。可知当进油路节流阀开度不变时，外负载里越大，调速缸伸出速度越慢，此时查看进油路节流阀两端压差，如图7所示，可知当外负载力增大时，进油路节流阀两端压差会减小，导致流经进油路节流阀的流量减小。通过外负载力变化与进油路节流阀两端压差的变化可以让学生明白进油路节流阀调速会受到外负载力的影响，在外负载力变化的情况下进油路节流调速不能保持固定速度不变。

图6 进油路节流阀同开度不同负载下液压缸速度

图7 进油路节流阀同开度不同负载下两端压差

3.2 回油路节流阀调速特性实验仿真教学

然后引导学生进行回油路节流阀调速特性实验仿真，其调速原理与进油路节流阀调速原理相同。首先按照实验原理关闭调速阀与旁油路节流阀，全部打开进油路节流阀，将回油路节流阀的开度k设置为k=0.1、k=0.2和k=0.3，加载回路恒压源压力p设置为p=5MPa，得到的调速缸速度与回油路节流阀两端压差如图8、图9所示。由图9可知在外负载力不变的情况下，回油路节流阀两端压差随着开度的变化基本保持不变，但其存在微小变化的原因是因为随着回油路节流阀开度的增大，系统的流量在增大，如图8所示，调速缸的速度随着开度的增加在变快，这会导致系统其它阀类元件的压力损失变大，使得回油路节流阀两端的压差随着开度的增大在微微减小。

图8 回油路节流阀同负载不同开度下液压缸速度

图9 回油路节流阀同负载不同开度下两端压差

其次设置进油路节流阀开度k=0.2，加载回路恒压源压力p设置为p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真结果如图10、图11所示。由图10可知，随着外负载力的增大，调速缸的速度越来越小，这是因为随着负载的增大，节流阀两端压差在逐渐减小，如图11所示。同样，回油路节流阀调速也会存在外负载力影响调速缸速度的情况，其特性与进油节流阀调速特性基本相同。

图11 .回油路节流阀同开度不同负载下两端压差

3.3 旁油路节流阀调速特性实验仿真教学

然后进行旁油路节流阀调速特性实验仿真，同样按照实验原理，将进油路节流阀与回油路节流阀全部打开，调速阀关闭，将旁油路节流阀的开度k设置为k=0.1、k=0.2和k=0.3，加载回路恒压源压力p设置为p=5MPa，得到的仿真结果如图12、图13所示。由图12可知，当旁油路节流阀开度增大时，调速缸的速度越来越慢，这是因为旁油路节流阀与调速缸并联，旁油路节流阀两端压差等于调速缸两端压差，当外负载力不变时，旁油路节流阀两端压差也不会改变，通过图13可以验证。当外负载力不变时，旁油路节流阀越大，由公式(1)可知流经旁油路节流阀的流量越来越大，故进入调速缸的流量越来越小，导致其速度越来越慢，这是与进油路节流阀调速与回油路节流阀调速不同的。

图12 旁油路节流阀同负载不同开度下液压缸速度

图13 旁油路节流阀同负载不同开度下两端压差

其次设置旁油路节流阀开度k=0.2，加载回路恒压源压力p设置为p=4MPa、p=5MPa和p=6MPa，仿真结果如图14、图15所示。通过图14可知，随着外负载力的增大，调速缸的速度在逐渐减小，且图15验证了旁油路节流阀两端压差与外负载力变化保持一致。同进油路调速节流阀调速与回油路节流阀调速一样，旁油路节流阀调速同样会受到外负载力的影响。

图14 旁油路节流阀同开度不同负载下液压缸速度

图15 旁油路节流阀同开度不同负载下两端压差

3.4 调速阀调速特性实验仿真教学

在进行调速阀调速特性试验仿真时，按照实验原理首先要将进油路节流阀与旁油路节流阀关闭，回油路节流阀全部打开，将调速阀的开度k设置为k=0.5、k=0.6和k=0.7，加载回路恒压源压力p设置为p=5MPa，得到的仿真结果如图16、图17所示。由于调速阀是由一个定差减压阀与一个节流阀组成，定差减压阀使节流阀两端压差保持一个定值，图17显示的是调速阀中节流阀两端的压差。与进油路节流阀调速和回油路节流阀调速一样，随着开度的增大调速缸的速度越来越快。

图16 调速阀同负载不同开度下液压缸速度

图17 调速阀中节流阀同负载不同开度下两端压差

其次设置调速阀开度k=0.6，加载回路恒压源压力p设置为p=3MPa、p=4MPa和p=5MPa，仿真结果如图18、图19所示。由图18可知，当外负载力变化时，调速缸的速度基本保持不变，此时观察图19所示的调速阀中节流阀两端压差，可知外负载力在一定范围内变化时，定差减压阀始终能保持节流阀两端压差不变。故调速阀调速不同于上述调速回路，调速阀调速在一定范围内不受外负载力变化的影响。

图18 调速阀同开度不同负载下液压缸速度

图19 调速阀中节流阀同开度不同负载下两端压差

4 结论

通过AMESim仿真软件，可以使学生直观地了解调速阀与节流阀调速特性，AMESim里直观的参数显示可以帮助学生更加深刻地理解液压元的工作状态与工作原理，而且AMESim仿真技术可以简单地改变各元器件的参数，加深学生对调速回路调速特性的理解。实践表明，通过使用AMESim仿真软件进行仿真教学后，学生在随后进行实验操作时更加灵活，让学生跳脱出机械化的实验步骤，使学生更好地将理论与实际相融合，更好地提高学生的动手操作能力。

图20 学生正在进行调速回路特性实验