AM Esim在液压传动课程教学中的应用

潘广香，夏秋，马齐江，王波

（滁州学院，安徽滁州239000）

AM Esim在液压传动课程教学中的应用

潘广香，夏秋，马齐江，王波

（滁州学院，安徽滁州239000）

针对《液压传动》课程教学中存在的问题，提出将AMEsim软件应用到该课程的教学环节中.通过具体实例介绍AMEsim在液压系统搭建、液压元件性能分析以及液压回路仿真分析等方面的应用，将原本抽象的概念、复杂的系统借助AMEsim图形化界面展示给学生，强化学生对所学知识的理解和认识，激发学习兴趣，提高学习效率，培养创新能力.

液压传动；教学研究；AMEsim；仿真

《液压传动》是工科院校机械类专业必修的一门专业基础课程，具有很强的工程实践性[1].通过课程学习，要求学生掌握液压传动的基础知识，掌握各类液压元件的结构特点和工作原理，具备一定的分析设计液压系统的能力，为后续课程学习及工程实际应用打下基础.由于课程知识点多，理论深度高，课时量少，导致教师在教与学生在学的过程中遇到了诸多问题：理论知识讲解的精而透，时间不够，讲解的广而范，学生似懂非懂，缺乏学习兴趣.实践教学中多为“走马观花”式教学，学生依照实验步骤按部就班地做，缺乏思考、创新的过程，很难达到培养学生实践能力和创新能力的目的[2].因此，积极开展液压传动课程改革，激发学生学习兴趣，提高教学质量，势在必行.

为顺应社会发展需求，培养高素质应用型人才，液压传动课程教学改革已在多方面做出努力和尝试，并取得了一定的教学效果[3-4].随着计算机技术的快速发展，液压仿真技术诸如DSH plus、Fuis SIM、Hopsan、MATLAB/Simulink、AM Esim等在教学改革中发挥着越来越重要的作用[5].文章重点介绍AM Esim软件在液压传动课程教学过程中的应用.

1 AMEsim简介

AM Esim是LM S旗下一款性能强大的系统仿真软件，目前已成为机械、液压、气压、电磁、热等领域复杂系统建模和仿真的优选平台[6].AM Esim为用户提供了直观的图形界面，将各种元件简化成图形符号，构成丰富的模型库，如机械库、液压库、液压元件设计库、信号库等.利用直观形象的模型库，可完成复杂系统模型的搭建，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，同时也可以研究任何元件或系统的稳态和动态性能.

2 AMEsim在液压传动课程教学中的应用

通过具体实例，从液压传动系统建模，液压元件特性分析，液压回路仿真分析等多方面体现AM Esim在液压传动课程教学过程中的应用.

2.1 利用AM Esim搭建液压系统模型

以液压千斤顶系统为例，利用AM Esim搭建其仿真模型，如图1所示.其中质量块1模拟负载重物，液压缸2模拟负载液压缸，元件4模拟节流阀，通流面积由信号3设置，单向阀5和6模拟排油阀和吸油阀，液压缸7模拟手动泵的泵体，元件8、9、10模拟手动泵的杠杆，其中正弦信号可模拟压动手柄的往复运动.通过该过程的实施，可强化学生对液压千斤顶结构特点和工作原理的理解，通过适当的参数设置，可进一步对系统性能进行研究.

图1 液压千斤顶AM Esim仿真模型

2.2 利用AM Esim分析液压元件特性

溢流阀是液压系统中重要的压力控制元件，其性能好坏直接影响整个液压系统性能.传统教学中着重介绍溢流阀的结构及工作原理，对其性能分析只作简单讲解，学生理解起来较为困难，在实际应用中，溢流阀性能分析往往是研究重点.在教学过程中引入AM Esim，教师边操作边讲解，可在有限课时内达到教学目的，同时增加教师与学生的互动，活跃课堂气氛，调动学生学习积极性.

AM Esim所提供的标准液压库（HYD）和液压元件设计库（HCD）都可方便地实现溢流阀性能研究.如图2所示为采用标准液压库建立的溢流阀仿真模型，其中元件1、2模拟溢流阀端口的压力，元件3为溢流阀模型，根据溢流阀工作原理设定仿真参数，仿真运行得到溢流阀死区特性曲线（图3）和溢流阀动态特性响应曲线（图4）.通过读图，可以更加深入的理解溢流阀的流量压力梯度；死区特性对溢流阀开启压力和关闭压力产生的影响；溢流阀静态、一阶系统和二阶系统响应特性等.

图2 溢流阀仿真模型

图3 溢流阀的死区特性

图4 溢流阀动态特性响应曲线

为进一步分析溢流阀结构组成及特点，分析结构参数对阀动态性能的影响，以直动式溢流阀为例，利用AM Esim所提供的液压元件设计库，机械库和液压库建立溢流阀仿真模型（图5）并设定参数.其中阀芯质量为0.1kg，弹簧刚度为150N/mm，弹簧预压缩力为100N，阀口锥半角为30°，额定流量为40L/min，其他参数保持默认.

图5 直动式溢流阀的AM ESim仿真模型

如图6所示为直动式溢流阀阀口输入压力阶跃响应曲线，由图可知，当溢流阀的溢流量由零阶跃变化为额定流量时，阀的进口压力将迅速升高并超过额定压力，经过一定时间的振荡最终到达稳定压力.拖动图中的十字架可快速得到体现溢流阀动态特性的性能指标，其中上升时间Δt1=2.6ms，过渡时间Δt2=12.1ms，压力超调量δ=36.7%，根据上述数据可分析所设计的溢流阀性能优劣情况[7].

图6 溢流阀阀口输入压力阶跃响应曲线

改变溢流阀某一元件的结构参数，进行批处理运算，研究阀的结构参数对动态性能的影响，如图7和8所示分别研究阀芯质量和弹簧刚度对溢流阀动态特性的影响.由图可知，随着阀芯质量的增大，过渡时间延长，超调率增大，溢流阀动态性能变差.随着弹簧刚度的增大，上升时间略有延长，但是超调量却大幅度减小，溢流阀动态性能改善.

图7 阀芯质量对阀动态性能的影响

图8 弹簧刚度对阀动态性能的影响

2.3 利用AM Esim进行液压回路仿真

液压传动理论教学和实践教学中，通常以节流调速回路为例介绍速度控制回路，文章借助AM Esim进行仿真分析，可将理论与实践有效结合，提高教学质量.根据节流阀在液压系统回路中位置的不同，节流调速回路可以分为进油节流调速回路、回流节流调速回路和旁路节流调速回路.基于AM Esim建立三种调速回路的仿真模型（图9），设置参数，运行仿真得到三种调速回路速度负载特性曲线（图10），研究三种调速回路的速度负载特性并分析各自的应用场合.

图9 三种调速回路模型

节流调速回路速度负载特性曲线可反应液压缸运动速度和负载变化规律，曲线越陡，说明负载变化对液压缸运动速度影响越大，即速度稳定性越差[8].由图10得出以下结论：（1）由图a可知，在相同的节流阀通流面积下，负载越大，曲线越陡，即重载区域比轻载区域速度稳定性差；当负载相同时，节流阀通流面积越大，速度稳定性越差，即高速时速度稳定性差.由此说明，进油节流调速回路应用于低速轻载场合；（2）由图b可知，回油节流调速回路与进油节流调速回路的速度负载特性曲线走势基本相同，说明回油节流调速回路也适用于低速轻载场合；（3）由图c可知，当节流阀通流面积一定时，负载越大，曲线越平稳，速度稳定性越好；当负载一定时，通流面积越大，速度越低，曲线越陡，速度稳定性越差，由此可知旁路节流调速回路适用于高速重载场合.

图10 三种调速回路速度负载特性曲线

3 总结

针对液压传动课程教学所面临的问题，提出将AM Esim仿真软件引入到课程教学改革中.利用AM Esim丰富的模型库，可视化操作界面，将原本晦涩难懂的知识以图形化方式展现给学生，强化学生对液压元件、液压回路、液压系统等知识的理解，有效解决理论与实际脱节问题，提高学生学习主动性，改善教学效果，对培养高素质应用型人才起到积极作用.

〔1〕许福玲，陈尧明．液压传动[M]．北京:机械工业出版社，2010．

〔2〕罗红旗，汤晓华，沈晓红，等．液压传动理论与实践并行教学模式[J]．中国现代教育装备，2010(13):72-73．

〔3〕芮宏斌，周春国，高峰．以“卓越工程师教育培养计划”促进“液压传动”课程教学改革实践[J]．液压与气动，2012(6):92-96．

〔4〕彭熙伟．《液压传动》课程教学改革的探索与实践[J]．液压与气动，2008(5):46-47．

〔5〕王威，戴锦春，巫世晶．AMESim在液压传动教学中的应用[J]．液压气动与密封，2014(10):52－55．

〔6〕付永领．LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011.

〔7〕郑淑娟，宋运运．基于AMEsim的直动式溢流阀的特性分析研究[J]．煤矿机械，2011，32(12):76－78．

〔8〕李鄂民．用节流阀和调速阀的节流调速回路的速度－负载特性对比[J]．液压与气动，2005(3):42－43.

TH137

A

1673-260X（2017）11-0142-03

2017-07-12

滁州学院教学研究项目（2015jyy010,2015zyjh01）；安徽省高校卓越人才教育培养计划项目（2015zjjh032）；滁州学院课程改革项目（2016kcgg024）