恭飛 王雪婷 杜奕

摘 ?要： 隨著機(jī)電液一體化技術(shù)的發(fā)展，液壓系統(tǒng)動作的控制精度、復(fù)雜程度、動態(tài)響應(yīng)特性已成為液壓領(lǐng)域研究的熱門課題，而傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段已無法滿足要求，據(jù)此基于AMEsim軟件對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)研究，同時(shí)提出了一種液壓介質(zhì)的建模方法，然后搭建一個(gè)調(diào)壓回路系統(tǒng)，通過建模過程，詳細(xì)介紹了AMEsim軟件的液壓仿真模塊，并對常用模塊進(jìn)行舉例分析，目的是為液壓仿真提供一種有效的仿真手段，為液壓系統(tǒng)的前期研究提供理論分析基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： AMEsim;液壓系統(tǒng);建模;仿真

中圖分類號： TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.009

本文著錄格式：恭飛，王雪婷，杜奕. 基于AMEsim的液壓系統(tǒng)建模與仿真[J]. 軟件，2020，41（01）：4245

【Abstract】： With the development of electromechanical and hydraulic integration technology， the control precision， complexity and dynamic response characteristics of hydraulic system operations have become a hot topic in the field of hydraulics research， and the traditional hydraulic system design methods can not meet the requirements， based on AMEsim software. The hydraulic system is simulated and designed. At the same time， a hydraulic medium modeling method is proposed. Then a voltage regulation loop system is built. Through the modeling process， the hydraulic simulation module of AMEsim software is introduced in detail， and the common modules are analyzed. The purpose is to provide an effective simulation method for hydraulic simulation， and provide theoretical analysis basis for the preliminary research of hydraulic system.

【Key words】： AMEsim; Hydraulic system; Modeling; Simulation

0 ?引言

現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要滿足靜態(tài)性能要求，更要滿足動態(tài)特性要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字仿真已成為液壓系統(tǒng)動態(tài)性能研究的重要手段[1-3]。而計(jì)算機(jī)仿真必須具有兩個(gè)主要條件：一是建立準(zhǔn)確描述液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型;二是利用仿真軟件對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)字仿真。當(dāng)前隨著流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論和可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，液壓仿真技術(shù)也得到快速發(fā)展并日益成熟，成為液壓領(lǐng)域科研人員十分有效的工具手段。

現(xiàn)今在液壓領(lǐng)域國內(nèi)外流行的仿真軟件主要有FluidSIM、Automation Studio、HOPSAN、Hypneu、EASY5、ADAMS/Hydraulics、Matlab/Simulink、SIMUL-ZD、DSHplus、20-sim、AMEsim等11種液壓仿真軟件。其中AMEsim軟件是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析軟件[4-8]。該軟件包含IMAGINE技術(shù)，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、工程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具。

1 ?AMEsim液壓系統(tǒng)建模

1.1 ?液壓系統(tǒng)的組成

液壓系統(tǒng)的組成主要包括四個(gè)部分，如圖1所示分別是能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置。

（1）能源裝置——機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能的裝置，最常見的能源裝置是液壓泵。

（2）執(zhí)行裝置——液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，主要有液壓缸和液壓馬達(dá)等。

（3）控制調(diào)節(jié)裝置——系統(tǒng)的壓力、流量和方向控制調(diào)節(jié)裝置，如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等

（4）輔助裝置——包括油箱、過濾器、油管、散熱裝置等。

表1所示為在AMEsim軟件中本文搭建的液壓系統(tǒng)選用的裝置的主要元件的符號圖。

1.2 ?液壓系統(tǒng)建模步驟

在AMEsim軟件中建立液壓系統(tǒng)的模型主要包括四個(gè)步驟，分別是草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式和運(yùn)行模式。

本文主要依據(jù)AMEsim軟件應(yīng)用庫中的液壓庫、液壓元件庫和信號庫建立一個(gè)液壓系統(tǒng)壓力控制回路仿真模型，壓力控制回路是指控制液壓系統(tǒng)整體或某部分的壓力[9，10]，以使執(zhí)行元件獲得所需的力矩和轉(zhuǎn)矩或保持受力狀態(tài)的回路。它包括調(diào)壓回路、卸荷回路、平衡回路、保壓回路和卸壓回路等，其中調(diào)壓回路是壓力控制回路中最基本的回路，據(jù)此本文建立了一個(gè)利用先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行調(diào)壓的回路系統(tǒng)，如圖3所示為先導(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)圖。它的主要工作原理是，它主要由先導(dǎo)閥和主閥組成，主閥左腔設(shè)有遠(yuǎn)程控制口K。當(dāng)K口關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)的壓力作用與主閥芯6左右兩側(cè)及先導(dǎo)閥1上。當(dāng)先導(dǎo)閥1未打開時(shí)，腔中液體沒有流動，作用在主閥芯6上下兩側(cè)的壓力平衡，主閥芯6被主閥彈簧8壓在下端位置，閥口關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大到使先導(dǎo)閥1打開時(shí)，液流通過阻尼孔5和先導(dǎo)閥1流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用，使主閥芯6上端的壓力大于下端的壓力，主閥芯6在壓差的作用下向下移動，打開閥口，實(shí)現(xiàn)溢流作用。調(diào)節(jié)先導(dǎo)閥1的調(diào)壓彈簧9，便可實(shí)現(xiàn)溢流壓力的調(diào)節(jié)。

根據(jù)以上先導(dǎo)式節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，在AMEsim軟件上對其建模的具體步驟如下所示。

主要建模步驟是：

（1）草圖模式（Sketch mode）

如圖3所示，在library tree窗口中選擇Hydraulic液壓庫模塊，建立了一個(gè)包含液壓源、動力源、先導(dǎo)式溢流閥、液壓缸和負(fù)載等元件的液壓換向回路系統(tǒng)。

（2）子模型模式（Submodles mode）

草圖模式完成后，點(diǎn)擊工具欄中的submodles mode進(jìn)入子模型模式，該模式中主要是為每一個(gè)元件選擇一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型假設(shè)，此步驟能對草圖模式中搭建的模型合理性進(jìn)行驗(yàn)證，AMEsim具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)建模程序，通常沒有特殊要求的情況下選擇系統(tǒng)默認(rèn)的Premier submodel模式，如圖4a所示為未設(shè)定子模型模式的系統(tǒng)圖，圖b所示為設(shè)定的合理子模型模式圖。

（3）參數(shù)模式（Parameters mode）

參數(shù)模式主要是為每個(gè)元件的子模型設(shè)定所需要的特定參數(shù)，在該模式下建立的參數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)該根據(jù)搭建的液壓系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，此項(xiàng)模式只需對液壓系統(tǒng)有一定的理論基礎(chǔ)就可以完成。而現(xiàn)有論文中對液壓介質(zhì)的參數(shù)設(shè)定還沒有涉及，本

文將介紹一種利用參數(shù)模式進(jìn)行液壓介質(zhì)的建模的方式，建模步驟包括首先在參數(shù)模式下選擇液壓介質(zhì)圖標(biāo)，然后選擇Media Property Assistant模式，最后根據(jù)應(yīng)用液體的流體屬性特征值進(jìn)行參數(shù)設(shè)定

完成定制化的液壓介質(zhì)，如圖5所示為一種含有95%的水和納米材料的液壓介質(zhì)參數(shù)設(shè)定。

（4）運(yùn)行模式（Run mode）

運(yùn)行模式是仿真結(jié)果的關(guān)鍵，它的合理與否可以決定仿真的真實(shí)性性，用戶主要在運(yùn)行參數(shù)對話框中設(shè)定仿真開始、結(jié)束時(shí)間、通信間隔、最大時(shí)間步長以及誤差限即可進(jìn)行仿真并分析仿真結(jié)果，以上設(shè)定主要在如圖6所示的對話框中進(jìn)行。

2 ?AMEsim液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)第2節(jié)的建模步驟，建立了如圖7所示的仿真模型。

通過以上仿真模型的仿真結(jié)果，我們可以對該系統(tǒng)的調(diào)壓回路的壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。如圖8示為溢流閥的進(jìn)口壓力與出口壓力的比較，圖9所示為節(jié)流閥進(jìn)口與出口的壓力差，從圖中可以看出圖8與圖9的差值均為3.65bar，根據(jù)仿真模型圖可以看出液體從泵流出后經(jīng)過了兩條回路，一路流向溢流閥另一路流向節(jié)流閥，節(jié)流口進(jìn)出口壓差主要是節(jié)流孔作用形成的，溢流閥的壓差主要是閥內(nèi)彈簧力的作用。

3 ?結(jié)論

由以上AMEsim建模仿真過程可以得出，該軟件的基本步驟看似簡單，但真正仿真一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，使其達(dá)到預(yù)期的結(jié)果并不那么容易，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，不僅系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型起著決定性作用，各個(gè)元件子模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)也同樣重要，合理的設(shè)定這些參數(shù)往往比較困難。因此，設(shè)置參數(shù)、分析結(jié)果并修改參數(shù)是仿真中的重要環(huán)節(jié)。

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