FluidSIM仿真技术在“液压与气压传动技术”实践教学中的应用

朱敬花 庄燕 汪小涵

摘  要：FluidSIM仿真软件具有绘图简便、模拟工作过程直观的特性。文章针对高职机电类“液压与气压传动技术”课程教学过程中存在的学生积极性不高、参与度低的问题，提出在课程教学中引入FluidSIM仿真软件。以1HY40型动力滑台液压系统为例，介绍了FluidSIM仿真软件在教学中的具体应用。FluidSIM逼真的仿真效果，极大地调动了学生参与课堂教学的积极性，教师在教学过程中也更加得心应手，在提高教学效率的同时有效突破了教学重难点。

关键词：FluidSIM;1HY40型动力滑台;液压系统

中图分类号：TP39;G420        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）24-0194-05

Abstract： FluidSIM simulation software has the characteristics of simple drawing and intuitive simulation of working process. Aiming at the problems of low enthusiasm and low participation of students in the teaching of “hydraulic and pneumatic transmission technology” electromechanical course in higher vocational colleges， this paper puts forward the introduction of FluidSIM simulation software into the course teaching. Taking the hydraulic system of 1HY40 power slide as an example， this paper introduces the specific application of FluidSIM simulation software in teaching. The vivid simulation effect of FluidSIM has greatly mobilized the enthusiasm of students to participate in classroom teaching， and teachers are more handy in the teaching process. While improving the teaching efficiency， they have effectively broken through the key and difficult points of teaching. 

Keywords： FluidSIM; 1HY40 power slide; hydraulic system

0  引  言

在工業生产过程中，液压与气压传动是一种非常重要的传动方式，对国民经济的发展起着举足轻重的作用，同时也是高职机电类课程中理论性比较强的一门专业基础课程。该课程的概念多且复杂，流体力学分析抽象。由于液压泵、液压缸及各种控制阀体结构密闭，且高职类学生缺乏足够的空间想象能力，虽然教师利用各种多媒体教学手段来增强课堂教学活力，提高教学效果，但很多同学对于工作原理的认识还是不够透彻。液压与气压传动课程中的难点在于对各种控制回路的理解，虽然很多高校已经建立了液压与气压实训室，但是大多数管路不是透明的，学生也不能根据自己的需要任意搭建回路，难以检查回路的正确性，也很难分析各元器件的工作性能。此外，传统多媒体教学手段有限，网上能查到的动态回路很少，对于高职机电类学生来说，对回路的透彻理解始终是一个痛点。为了实现课程的教学目标，提高学生的学习兴趣，将FluidSIM仿真软件引入课程的教学中，直观逼真的仿真效果，让原本沉闷的课堂活跃起来，有效激发了学生的学习热情，同时也提高了教学效果。

1  FluidSIM仿真软件简介

FluidSIM软件是集绘图和仿真于一体，专门用于液压、气压控制回路设计与仿真的综合性教学软件。FluidSIM软件用户界面直观，拥有丰富的元件库，右键单击图标即可查看元件详细的说明资料，有利于初学者的学习。FluidSIM软件绘图简单方便，通过鼠标将左侧元件库中的相应图标拖拉至新建窗口，即可绘制出液压系统原理图和相应的电气控制回路图，便于初学者快速掌握绘图技巧。单击FluidSIM软件的仿真按钮，即可对系统动作原理和工作过程进行模拟仿真，通过设定不同的元器件参数对系统工作性能进行直观分析，并可以根据实际需要对系统进行调整设计。

2  1HY40型动力滑台液压系统设计

液压动力滑台是利用液压缸将泵站所提供油液的压力能转变成机床滑台运动所需的机械能。由于液压动力滑台的机械结构比较简单，配上电器系统后可以非常方便地实现所需速度要求的进给运动，因此它的应用非常广泛。

若要满足实际工况下液压系统对执行元件的速度要求，1HY40型动力滑台的液压系统必须具有良好的速度换接和无极调速特性。根据滑台实际工作需求，可以实现的工作循环是“快进—I次工进—II次工进—止挡铁停留—快退—原位停止”半自动循环。考虑到滑台的动作为直线往复运动，选择单杆式单作用液压缸作为液压系统执行元件。根据滑台工作特性（需要实现不同的进给速度），将系统设计为采用限压式变量泵（叶片式结构）为整个系统供给液压油，借助行程阀实现快进速度和两次工进速度的切换，采用电液换向阀实现滑台方向的转换。表1为1HY40型动力滑台液压系统名称。

2.1  用FluidSIM软件绘制液压系统原理图

打开FluidSIM—H软件，新建空白文档后将左侧元件库中所需的元件拖至右侧绘图区，对管线进行连接，对元件贴标签，最后单击菜单栏中的启动按钮，检查线路的连接情况。最终绘制出的1HY40型动力滑台液压系统原理图如图1所示。

2.2  1HY40型动力滑台液压系统电气控制回路设计

在FluidSIM—H软件中，不仅可以设计液压系统回路原理图，还可以对液压系统回路中的电气控制回路进行设计。将FluidSIM—H软件元件库中所需的电气元件拖曳到新建文件中原理图的左侧就形成了配套的电气控制系统，利用标签将电气元件和液动元件进行关联（将液压系统图中YA1和YA2电磁换向阀与电气控制回路图中的YA1和YA2电磁线圈进行关联），启动菜单栏工具条中的仿真操作按键可以直观地显示液压系统的整个控制过程。将液压系统原理回路图与电气控制回路图置于同一个界面，直观地体现了电气控制回路对液压回路进行控制的过程，使抽象的控制过程变得形象具体，不但便于学生的理解掌握，同时也提高了学生的学习兴趣，激发了他们的学习积极性。如图2所示为1HY40型动力滑台液压系统电气控制回路图。

2.3  1HY40型动力滑台液压系统的仿真

在FluidSIM—H软件中，完成系统液压结构回路和相应电气控制回路的绘制之后，单击菜单栏中的启动按钮将FluidSIM—H软件切换到仿真模式。将鼠标放置在电气控制回路的常开按钮SB1上，待鼠标指针变为手指形状后，点击工具条中的仿真按钮即可进入仿真模式。在系统中可以设置管线颜色，我们利用系统默认颜色，其中深红色管路代表高压油路，浅灰色管路代表低压油路，红色线路表示系统中电气控制回路接通时的状态。可通过设置显示元器件的压力和流量状态，在系统仿真过程中可随时查看控制回路中各管路上液压元器件的压力值、流量值及其性能参数，还可以查看系统中各元器件工作过程与时间关系的状态图，如图3所示。

2.3.1  快速进给仿真过程

按下电气控制回路中的SB1启动按钮，电磁铁YA1得电，电磁换向阀4左位接入系统，液压油经行程阀下位流入到液压缸左腔。由于滑台空载，系统压力不足以启动顺控阀4，顺控阀处于关闭状态，从液压缸右腔出来的油液不能像其他工况一样直接流回到回油箱，而是经过液动阀4再次回到液压缸的左腔，形成差動连接，到达液压缸左腔的油液流量最大，此时执行元件运行速度最快，在系统默认参数下，液压缸速度为0.09 m/s，其仿真过程如图4所示。

2.3.2  滑台工进仿真过程

滑台快速进给运行过程结束之后，行程阀11被滑台中的挡块压下，阀体上位接通，原有的进油路被切断，此时液压油经调速阀8和换向电磁阀12进入液压缸的左腔，回油油液从液压缸右腔流出后经换向阀6左位和背压阀直接流回到回油箱。在系统模拟仿真中，I次工进时液压缸的工进速度为0.08 m/s，其过程如图5所示。I次工进和Ⅱ次工进的工作过程基本一致，不同的是Ⅱ次工进时液压油需要经调速阀8和9后才能进入液压缸的左腔，此时仿真速度为0.04 m/s，其过程如图6所示。

2.3.3  止挡块停留

II次工进结束之后，滑台在运行的过程中碰到止挡块，滑台机械停留，液压缸左腔液压油压力升高，致使回路中压力继电器KP触点接触，开始动作，时间继电器得到信号，停留时间则根据加工需要由时间继电器来设定。

2.3.4 滑台快速回退仿真过程

根据机床运行要求，一旦超过了时间继电器设定的时间，控制回路中电磁阀YA1、YA3失电，电磁阀YA2得电，换向阀4的右位接通，此时滑台负荷小，回路中液压系统的压力小，变量泵根据自身工作特点自动将流量调至最大，滑台快速回退（自动）到起始位置，此时仿真速度为0.27 m/s，仿真过程如图7所示。

3  液压系统工况分析

根据变量叶片泵的技术资料和滑台工作特点绘制滑台流量—压力特性曲线ABC，如图8所示。根据滑台工艺要求，初步确定滑台快速进给和I次、II次工进（本文分析以I次工进为例）时变量泵的压力（P快、P工）及流量（qv快、qv工）。根据已经确定的P快、P工和qv快、qv工，在图9中做出K点和g点，过k点作AB的平行线A′B′，过g点作BC的平行线B′C′，其中A′B′和B′C′在B′处相交，曲线A′B′C′即为变量泵可调整压力的参考。

按下启动按钮，滑台快速前进过程中，调整顺序阀的调节手柄，用直尺和计时表实测运行速度，与此同时调整变量泵流量调整旋钮，直至测量出符合要求的进给速度方可对其进行锁死。实测工件时对滑台工作循环的各个进给速度进行采样，如果测量时发现快速进给速度和快速回退速度偏高，则调整变量泵流量调节旋钮直至符合要求，再锁紧;如果测量时发现快速进给速度和快速回退速度不稳定，则调整变量泵压力调节旋钮直至符合要求，再锁紧;如果测量时发现工进速度偏低并且不稳定，也需要调整变量泵压力调节旋钮直至符合要求，再锁紧。

4  结  论

FluidSIM虚拟仿真软件简单易学，容易上手，而且绘图简单、速度快，在常规教学中应用仿真软件，可以直观地展示液压元器件的内部结构和回路中液体的流动过程，将抽象复杂、难于理解的回路试验变得具体形象、生动有趣。学生可以利用软件进行自主设计，自行模拟液压动力滑台运行过程，修改回路设计，有效激发学生的主观能动性与创造性，同时利用软件提供的各个模块去发现问题、解决问题，学生也更加主动、积极地参与到课程的学习中，大大提高了学生的学习兴趣和学习效果。

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作者简介：朱敬花（1986—），女，汉族，山东临沂人，讲师，硕士，研究方向：智能控制技术。