潘廣香，夏秋，馬齊江，王波

（滁州學院，安徽滁州239000）

AM Esim在液壓傳動課程教學中的應用

潘廣香，夏秋，馬齊江，王波

（滁州學院，安徽滁州239000）

針對《液壓傳動》課程教學中存在的問題，提出將AMEsim軟件應用到該課程的教學環(huán)節(jié)中.通過具體實例介紹AMEsim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，將原本抽象的概念、復雜的系統(tǒng)借助AMEsim圖形化界面展示給學生，強化學生對所學知識的理解和認識，激發(fā)學習興趣，提高學習效率，培養(yǎng)創(chuàng)新能力.

液壓傳動；教學研究；AMEsim；仿真

《液壓傳動》是工科院校機械類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎課程，具有很強的工程實踐性[1].通過課程學習，要求學生掌握液壓傳動的基礎知識，掌握各類液壓元件的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，具備一定的分析設計液壓系統(tǒng)的能力，為后續(xù)課程學習及工程實際應用打下基礎.由于課程知識點多，理論深度高，課時量少，導致教師在教與學生在學的過程中遇到了諸多問題：理論知識講解的精而透，時間不夠，講解的廣而范，學生似懂非懂，缺乏學習興趣.實踐教學中多為“走馬觀花”式教學，學生依照實驗步驟按部就班地做，缺乏思考、創(chuàng)新的過程，很難達到培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的目的[2].因此，積極開展液壓傳動課程改革，激發(fā)學生學習興趣，提高教學質(zhì)量，勢在必行.

為順應社會發(fā)展需求，培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才，液壓傳動課程教學改革已在多方面做出努力和嘗試，并取得了一定的教學效果[3-4].隨著計算機技術的快速發(fā)展，液壓仿真技術諸如DSH plus、Fuis SIM、Hopsan、MATLAB/Simulink、AM Esim等在教學改革中發(fā)揮著越來越重要的作用[5].文章重點介紹AM Esim軟件在液壓傳動課程教學過程中的應用.

1 AMEsim簡介

AM Esim是LM S旗下一款性能強大的系統(tǒng)仿真軟件，目前已成為機械、液壓、氣壓、電磁、熱等領域復雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺[6].AM Esim為用戶提供了直觀的圖形界面，將各種元件簡化成圖形符號，構(gòu)成豐富的模型庫，如機械庫、液壓庫、液壓元件設計庫、信號庫等.利用直觀形象的模型庫，可完成復雜系統(tǒng)模型的搭建，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析，同時也可以研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能.

2 AMEsim在液壓傳動課程教學中的應用

通過具體實例，從液壓傳動系統(tǒng)建模，液壓元件特性分析，液壓回路仿真分析等多方面體現(xiàn)AM Esim在液壓傳動課程教學過程中的應用.

2.1 利用AM Esim搭建液壓系統(tǒng)模型

以液壓千斤頂系統(tǒng)為例，利用AM Esim搭建其仿真模型，如圖1所示.其中質(zhì)量塊1模擬負載重物，液壓缸2模擬負載液壓缸，元件4模擬節(jié)流閥，通流面積由信號3設置，單向閥5和6模擬排油閥和吸油閥，液壓缸7模擬手動泵的泵體，元件8、9、10模擬手動泵的杠桿，其中正弦信號可模擬壓動手柄的往復運動.通過該過程的實施，可強化學生對液壓千斤頂結(jié)構(gòu)特點和工作原理的理解，通過適當?shù)膮?shù)設置，可進一步對系統(tǒng)性能進行研究.

圖1 液壓千斤頂AM Esim仿真模型

2.2 利用AM Esim分析液壓元件特性

溢流閥是液壓系統(tǒng)中重要的壓力控制元件，其性能好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)性能.傳統(tǒng)教學中著重介紹溢流閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，對其性能分析只作簡單講解，學生理解起來較為困難，在實際應用中，溢流閥性能分析往往是研究重點.在教學過程中引入AM Esim，教師邊操作邊講解，可在有限課時內(nèi)達到教學目的，同時增加教師與學生的互動，活躍課堂氣氛，調(diào)動學生學習積極性.

AM Esim所提供的標準液壓庫（HYD）和液壓元件設計庫（HCD）都可方便地實現(xiàn)溢流閥性能研究.如圖2所示為采用標準液壓庫建立的溢流閥仿真模型，其中元件1、2模擬溢流閥端口的壓力，元件3為溢流閥模型，根據(jù)溢流閥工作原理設定仿真參數(shù)，仿真運行得到溢流閥死區(qū)特性曲線（圖3）和溢流閥動態(tài)特性響應曲線（圖4）.通過讀圖，可以更加深入的理解溢流閥的流量壓力梯度；死區(qū)特性對溢流閥開啟壓力和關閉壓力產(chǎn)生的影響；溢流閥靜態(tài)、一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)響應特性等.

圖2 溢流閥仿真模型

圖3 溢流閥的死區(qū)特性

圖4 溢流閥動態(tài)特性響應曲線

為進一步分析溢流閥結(jié)構(gòu)組成及特點，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥動態(tài)性能的影響，以直動式溢流閥為例，利用AM Esim所提供的液壓元件設計庫，機械庫和液壓庫建立溢流閥仿真模型（圖5）并設定參數(shù).其中閥芯質(zhì)量為0.1kg，彈簧剛度為150N/mm，彈簧預壓縮力為100N，閥口錐半角為30°，額定流量為40L/min，其他參數(shù)保持默認.

圖5 直動式溢流閥的AM ESim仿真模型

如圖6所示為直動式溢流閥閥口輸入壓力階躍響應曲線，由圖可知，當溢流閥的溢流量由零階躍變化為額定流量時，閥的進口壓力將迅速升高并超過額定壓力，經(jīng)過一定時間的振蕩最終到達穩(wěn)定壓力.拖動圖中的十字架可快速得到體現(xiàn)溢流閥動態(tài)特性的性能指標，其中上升時間Δt1=2.6ms，過渡時間Δt2=12.1ms，壓力超調(diào)量δ=36.7%，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可分析所設計的溢流閥性能優(yōu)劣情況[7].

圖6 溢流閥閥口輸入壓力階躍響應曲線

改變溢流閥某一元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進行批處理運算，研究閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)性能的影響，如圖7和8所示分別研究閥芯質(zhì)量和彈簧剛度對溢流閥動態(tài)特性的影響.由圖可知，隨著閥芯質(zhì)量的增大，過渡時間延長，超調(diào)率增大，溢流閥動態(tài)性能變差.隨著彈簧剛度的增大，上升時間略有延長，但是超調(diào)量卻大幅度減小，溢流閥動態(tài)性能改善.

圖7 閥芯質(zhì)量對閥動態(tài)性能的影響

圖8 彈簧剛度對閥動態(tài)性能的影響

2.3 利用AM Esim進行液壓回路仿真

液壓傳動理論教學和實踐教學中，通常以節(jié)流調(diào)速回路為例介紹速度控制回路，文章借助AM Esim進行仿真分析，可將理論與實踐有效結(jié)合，提高教學質(zhì)量.根據(jù)節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)回路中位置的不同，節(jié)流調(diào)速回路可以分為進油節(jié)流調(diào)速回路、回流節(jié)流調(diào)速回路和旁路節(jié)流調(diào)速回路.基于AM Esim建立三種調(diào)速回路的仿真模型（圖9），設置參數(shù)，運行仿真得到三種調(diào)速回路速度負載特性曲線（圖10），研究三種調(diào)速回路的速度負載特性并分析各自的應用場合.

圖9 三種調(diào)速回路模型

節(jié)流調(diào)速回路速度負載特性曲線可反應液壓缸運動速度和負載變化規(guī)律，曲線越陡，說明負載變化對液壓缸運動速度影響越大，即速度穩(wěn)定性越差[8].由圖10得出以下結(jié)論：（1）由圖a可知，在相同的節(jié)流閥通流面積下，負載越大，曲線越陡，即重載區(qū)域比輕載區(qū)域速度穩(wěn)定性差；當負載相同時，節(jié)流閥通流面積越大，速度穩(wěn)定性越差，即高速時速度穩(wěn)定性差.由此說明，進油節(jié)流調(diào)速回路應用于低速輕載場合；（2）由圖b可知，回油節(jié)流調(diào)速回路與進油節(jié)流調(diào)速回路的速度負載特性曲線走勢基本相同，說明回油節(jié)流調(diào)速回路也適用于低速輕載場合；（3）由圖c可知，當節(jié)流閥通流面積一定時，負載越大，曲線越平穩(wěn)，速度穩(wěn)定性越好；當負載一定時，通流面積越大，速度越低，曲線越陡，速度穩(wěn)定性越差，由此可知旁路節(jié)流調(diào)速回路適用于高速重載場合.

圖10 三種調(diào)速回路速度負載特性曲線

3 總結(jié)

針對液壓傳動課程教學所面臨的問題，提出將AM Esim仿真軟件引入到課程教學改革中.利用AM Esim豐富的模型庫，可視化操作界面，將原本晦澀難懂的知識以圖形化方式展現(xiàn)給學生，強化學生對液壓元件、液壓回路、液壓系統(tǒng)等知識的理解，有效解決理論與實際脫節(jié)問題，提高學生學習主動性，改善教學效果，對培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才起到積極作用.

〔1〕許福玲，陳堯明．液壓傳動[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

〔2〕羅紅旗，湯曉華，沈曉紅，等．液壓傳動理論與實踐并行教學模式[J]．中國現(xiàn)代教育裝備，2010(13):72-73．

〔3〕芮宏斌，周春國，高峰．以“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”促進“液壓傳動”課程教學改革實踐[J]．液壓與氣動，2012(6):92-96．

〔4〕彭熙偉．《液壓傳動》課程教學改革的探索與實踐[J]．液壓與氣動，2008(5):46-47．

〔5〕王威，戴錦春，巫世晶．AMESim在液壓傳動教學中的應用[J]．液壓氣動與密封，2014(10):52－55．

〔6〕付永領．LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2011.

〔7〕鄭淑娟，宋運運．基于AMEsim的直動式溢流閥的特性分析研究[J]．煤礦機械，2011，32(12):76－78．

〔8〕李鄂民．用節(jié)流閥和調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)速回路的速度－負載特性對比[J]．液壓與氣動，2005(3):42－43.

TH137

A

1673-260X（2017）11-0142-03

2017-07-12

滁州學院教學研究項目（2015jyy010,2015zyjh01）；安徽省高校卓越人才教育培養(yǎng)計劃項目（2015zjjh032）；滁州學院課程改革項目（2016kcgg024）