曾億山，張 濤，趙 晨，陳 建

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

目前學(xué)校中的液壓實驗課程教學(xué)采用先理論后實踐，先通過書本和老師的講解理解基礎(chǔ)知識，再到實驗室中進(jìn)行液壓系統(tǒng)搭建連接實際操作。液壓系統(tǒng)本身包含運用十分廣泛，在不同工作要求下，它本身的工作特點、工況特點都不一樣[1,2]。只是對液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理有了簡單的認(rèn)識，并不能更好的理解整個液壓系統(tǒng)各個元件的工作特性情況。AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，工程系統(tǒng)仿真的高級建模環(huán)境）仿真軟件可以搭建出不同的液壓系統(tǒng)，幫助學(xué)生更好地理解液壓系統(tǒng)中的閥、缸的工作特性[3,4]。AMESim軟件為是一款綜合性很強的多學(xué)科仿真平臺，如圖1所示，可以用來搭建跨學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜模型，進(jìn)行仿真計算和數(shù)據(jù)分析[3-5]。目前將AMESim仿真軟件用于教學(xué)的研究仍很少，更多的研究者是將AMESim引入到液壓系統(tǒng)的研究中，目前的高校液壓課程中很少涉及AMESim的教學(xué)，將AMESim引入液壓實驗課程中有利于提高學(xué)生在液壓實驗中對液壓系統(tǒng)不同元件的工作特性的理解[6]。

圖1 AMESim平臺界面圖

2 液壓差動工作原理

2.1 液壓差動回路原理

目前液壓差動回路大多運用于大型機械工作中，通過液壓缸兩端壓力的不同可以實現(xiàn)執(zhí)行元件的快進(jìn)或快退，用以滿足實際工作的需求。液壓差動回路的工作原理是利用液壓工作缸的工作面積差來實現(xiàn)執(zhí)行元件的快進(jìn)和快退，液壓工作缸的缸腔分為有桿腔和無桿腔，兩者之間的工作面積差為工作桿的截面面積。當(dāng)差動液壓回路工作時，有桿腔的液壓油回到無桿腔可以提高執(zhí)行元件的工作速度，從而可以在不改變泵的數(shù)量和系統(tǒng)回路中流量大小的情況下提高速度。

以某一液壓差動回路為例，如圖2所示，開始工作時電機轉(zhuǎn)動帶動泵為液壓系統(tǒng)供油，此時2YA持續(xù)得電，電磁換向閥處于右位，油液進(jìn)入液壓工作缸無桿腔，有桿腔內(nèi)油液在電磁鐵3YA得電的情況下，經(jīng)電磁換向閥4后也流入液壓工作缸無桿腔此時便形成了液壓缸的快速差動。此時若是不考慮管路連接與閥的泄露，無桿腔和有桿腔中油液的壓力大小是相等的，當(dāng)相等的壓力作用在不同大小的工作面上時，會產(chǎn)生力F方向為無桿腔指向有桿腔，會加速推動杠桿移動。若開始工作時進(jìn)入無桿腔的油液流量為q1，而A1為無桿腔工作面積，A2為有桿腔工作面積，從有桿腔出來的油液流量為q2=V3A2，速度為V3，在不考慮泄露的情況下可以得到：

圖2 液壓差動回路原理圖

則活塞桿V3伸出速度V3可以由此求出：

若想要使活塞桿的往返速度V3、V2相等，則需要滿足條件：

其中D為液壓缸的直徑，d為桿的直徑。此時若忽略兩端液壓油流動和其他壓力損失，可以得出活塞桿F為：

當(dāng)活塞桿接觸到工件時，系統(tǒng)受外力影響壓力升高，此時電磁鐵3YA失電，液壓油會經(jīng)電磁換向閥4右位，進(jìn)入液壓缸無桿腔，有桿腔中的液壓油會在電磁換向閥6右位的情況下流經(jīng)節(jié)流閥回到油箱，使活塞桿進(jìn)行非差動右行。欲使活塞桿返回，先使1YA持續(xù)得電，此時電磁閥1的右位進(jìn)入系統(tǒng)開始工作，泵由電機帶動將油液輸送流經(jīng)電磁閥4，經(jīng)節(jié)流閥中的單向閥進(jìn)入電磁換向閥6的右位，流入液壓工作缸的有桿腔，推動活塞桿返回，無桿腔中的油液會直接回到油箱。

2.2 AMESim仿真

根據(jù)上述的簡易的液壓差動回路原理圖，搭建AMESim仿真模型，該系統(tǒng)主要由電機1、液壓泵2、溢流閥3、電磁換向閥4、液壓工作缸5、電磁換向閥6、節(jié)流閥7等元件組成。本次仿真的液壓差動系統(tǒng)經(jīng)簡化后選用恒壓源。選用溢流閥作為安全閥防止系統(tǒng)壓力過高損傷液壓元件。本次仿真主要是通過改變缸徑和桿徑來實現(xiàn)不同速度下的工進(jìn)和快進(jìn)，通過活塞桿的速度變化可以加深學(xué)生對液壓差動回路的原理的認(rèn)識。

學(xué)生在理解液壓差動回路原理圖的基礎(chǔ)上，可以通過AMESim軟件搭建液壓差動回路仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓差動回路模型圖

3 AMESim仿真在實驗教學(xué)中的運用

AMESim仿真軟件是一款功能很強大系統(tǒng)建模仿真軟件，在液壓領(lǐng)域中運用的十分常見。但大多數(shù)學(xué)者只是運用于建模仿真，這需要對液壓回路有了很深的理解之后，才可以正確的設(shè)定每個液壓元件需要的參數(shù)。而本文使用AMESim仿真軟件幫助學(xué)生理解液壓回路原理，首先應(yīng)該幫助學(xué)生了解每個液壓元件的關(guān)鍵參數(shù)，了解液壓元件的工作原理。

本文選用的液壓差動回路，主要由液壓泵、電機、溢流閥、電磁換向閥、液壓缸、節(jié)流閥、單向閥、管道等組合而成。在實驗教學(xué)之前，指導(dǎo)學(xué)生了解基礎(chǔ)液壓元件的工作原理。這些原理知識在本科課程的學(xué)習(xí)中都有所涉及。在學(xué)會液壓元件的工作原理的基礎(chǔ)上，了解AMESim仿真中每個元件的主要參數(shù)，即可進(jìn)行簡單仿真實驗。液壓泵的主要參數(shù)為排量V與轉(zhuǎn)速n，由泵的排量和轉(zhuǎn)速可以得到泵的理論流量q。溢流閥的主要參數(shù)為安全閥流量壓力梯度和最大極限壓力。液壓缸的主要參數(shù)為缸徑和桿徑，以及死區(qū)空間。節(jié)流閥的主要參數(shù)是阻尼孔孔徑大小。

在做好上述準(zhǔn)備工作后，就可以進(jìn)行AMESim仿真教學(xué)。本文就簡化的液壓差動回路為例，由于上文提到過，在D=1.414d時，才可以實現(xiàn)活塞桿的往返速度一致，所以首先是選用缸徑為80 mm、桿徑為30 mm的液壓缸1，與缸徑為80 mm、桿徑為57 mm的液壓缸2兩組不同缸桿徑比的液壓缸。通過給定信號，控制電磁換向閥4、電磁換向閥6，給定的控制信號與系統(tǒng)的工況如表1所示。

表1 控制信號與系統(tǒng)工況表

通過AMESim仿真軟件可以得到該液壓差動回路在這四種不同工況下的活塞桿位移、速度隨時間變化的曲線，如圖4。通過圖4可知在該液壓差動回路在電磁換向閥4處于右位，電磁換向閥6處于左位時，活塞桿的速度相較電磁換向閥4處于右位時，電磁換向閥6處于右位時是有很大的提高。如圖4所示，實線為工進(jìn)工況下活塞桿位移隨時間變化曲線，點劃線為液壓系統(tǒng)進(jìn)行快進(jìn)工況下，活塞桿位移隨時間變化曲線?？梢钥闯隹爝M(jìn)時活塞桿速度遠(yuǎn)大于工進(jìn)的活塞桿速度。

圖4 活塞桿位移圖

由上文公式（3）可得，當(dāng)液壓缸的缸桿徑之比為1.414時，在液壓差動回路中可以實現(xiàn)快進(jìn)工況下液壓桿的伸出速度大小等于快退工況下液壓桿回縮速度的大小。此前實驗中采用的缸徑為80mm、桿徑為57mm的液壓缸1可與對照組，即缸徑為80mm、桿徑為57mm的液壓缸2，形成對照試驗。可以驗證該組仿真中活塞桿的快進(jìn)與快退的速度是否相同。下圖中圖5（a）為液壓缸1的快退與快進(jìn)工況下活塞桿的位移變化圖，圖5（b）為液壓缸2的快退與快進(jìn)工況下活塞桿的位移變化圖。在圖5（b）可以看出在缸徑為桿徑的1.414倍時，可以使活塞桿在快退與快進(jìn)工況下的速度大小相同。

圖5 活塞桿位移變化圖

此時也可以通過AMESim仿真軟件得出電磁換向閥4的A口流量、液壓缸1入口處流量和電磁換向閥6的A口處流量大小，驗證是否符合上文公式。由圖5可知，1口處流量為電磁換向閥4的出口流量，2口處流量為液壓缸有桿腔排出液壓油的流量，3口處流量為進(jìn)入液壓缸無桿腔流量。由圖6可得，在0-6秒內(nèi)，3口處流量為1口和2口處流量之和。

圖6 液壓差動回路流量分析圖

4 結(jié)語

液壓差動回路是液壓基本回路中的一種，但由于液壓系統(tǒng)組成元件過多，原理不易理解，而AMESim是一款功能強大的綜合性平臺，可以很好地對液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真實驗。本文使用AMESim軟件進(jìn)行建模仿真，對液壓差動回路的工作原理和特性進(jìn)行驗證，通過在給定不同信號而實現(xiàn)不同工況的基礎(chǔ)上，設(shè)置缸桿徑比為1.414時，觀察其對活塞桿速度的影響，驗證差動回路的流量是否符合原理，通過在驗證過程中的學(xué)習(xí)，輔助學(xué)生理解液壓回路原理。