基于AMESim的插装阀仿真方法研究*

徐 威，刘慧娇，梁 全，赵文川

(1.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870；2.辽宁省劳动经济学校，辽宁 沈阳 110000)

传统的液压阀采用滑阀结构，通流能力小，制造精度高，在用于大流量系统时，由于阀芯尺寸大、换向时间长、换向冲击大等缺点，很难适应液压设备对高压大流量的要求[1-2]。从20世纪70年代开始，发展出一种新型的液压控制阀，即二通插装阀，其具有液阻小、通流能力大、动作快以及泄漏少等优点，逐渐在机械、冶金、汽车、船舶等各行业中得到广泛的应用[3-5]。插装系统不同于传统液压回路，回路中图形元件众多，并且插装阀组件又可分成方向、压力和流量三种形式，每一种形式可以同普通的液压阀组合成新功能，则导致单纯从静态的液压回路难以分析出系统的动作过程[6-8]。另外，虽然插装阀组成系统构成灵活，但是在提供方便性的同时也容易出错[9-10]。因此，本研究通过AMESim软件进行插装阀仿真分析，研究插装阀在AMESim软件中的仿真建模，给出方向、压力和流量插装阀的超级元件封装方法，达到能够在插装阀液压系统实际建成之前，预先了解系统的性能指标，掌握实际回路构造的目的。

1 AMESim介绍

AMESim高级工程系统仿真软件平台是法国Imagine公司于1995年推出的图形化开发环境，专门用于工程系统的建模、仿真和动态性能分析，适合于对液压、气动系统以及元件进行仿真。插装阀的插装单元按结构形式可分为方向阀插装单元、压力控制插装单元以及方向流量阀插装单元，由于AMESim没有直接提供这三种形式的仿真元件，则需要利用AMESim的HCD（液压元件）库来构建插装单元[11-12]。AMESim通过基本模块，根据研究对象的机械结构和工作原理，将不同模块进行不同组合，构建出库中没有的液压元件，组成所需的新系统，从而实现以有限的元件创建无限的功能。

2 插装单元的结构形式

2.1 方向插装单元

方向插装单元的结构形式如图1（a）所示，其特征是具有较大的面积比，一般约为1︰1.1。其中，由于B腔作用面积较小，当B→A流动的开启压力很高时，通常只允许工作流向为A→B的单向流动。

2.2 压力插装单元

压力插装单元的特征是具有最大面积比1︰1，阀芯上无节流塞，插装单元主要用来组成溢流阀、顺序阀、卸荷阀及电磁溢流阀等压力控制阀。如图1（b）所示，该插装单元的特征是具有较大的面积比，一般为1︰1.05～1︰1.1，阀芯上带有阻尼螺塞，能够连通A腔与C腔，当组成先导压力阀时，不再需旁置阻尼螺塞，应用比较方便。

2.3 方向流量阀插装单元

方向流量阀插装单元结构形式如图1（c）所示，其特征是阀芯头部带有一个节流塞，在其尾部有行程调节器来限制阀芯行程，以控制阀口开度而达到控制流量的目的。

图1 插装阀原理图形符号

根据图1的基本结构原理，结合AMESim液压元件设计库HCD中各元件的功能，通过类别进行对应，设计了如图2所示的插装阀AMESim仿真模型。需要注意的是，创建插装阀模型的方法很多，本设计仅提供一种典型方法作为参考借鉴。

方向插装单元的AMESim仿真模型如图2（a）所示，压力插装单元对应的AMESim仿真模型如图2（b）所示，流量控制插装单元对应的AMESim仿真模型如图2（c）所示。

图2 插装阀HCD元件模型

从图2可知，图2（a）、（b）和（c）中的1号元件模拟了插装阀图形符号中的C腔，2号元件模拟了插装阀的阀芯质量，3号元件模拟了插装阀图形符号中的B腔，4号元件模拟了插装阀图形符号中的A腔。

3 超级元件工具

当一个仿真模型变得越来越大时，在其中找到某个特定元件或对全系统做快速浏览将变得较为困难，而超级元件工具能够克服这个难题。其基本原理是选择一组元件，然后将选择的元件打包进一个图标。通过图2可以发现，插装阀的各种仿真模型表示比较烦琐，需要用超级元件工具将模型进行打包，用图1中对应的原理图形符号来对其进行建模。封装后的超级元件图标如图3所示。

图3 插装阀超级元件图标

4 回路仿真

创建好的插装阀超级元件模型可以添加至AMESim库中留待重复使用，使调用超级元件模型与使用AMESim自带库一样简单，并且也能确保创建的回路工整美观。为了验证本研究创建的插装阀模型具有正确性，构建如图4所示的插装阀回路。

图4 插装阀回路

在该插装阀回路中，同时用到了方向（2、4号元件）、压力（1、5号元件）和流量（3号元件）插装阀仿真模型超级元件。

对插装阀回路进行仿真，获得的仿真结果如图5所示。

图5 仿真输出曲线图

根据图5（a）可知，在2 s时，6号换向阀得电换向，系统上压。在5 s时，7号电磁换向阀换向，使7号元件左位接通（-40 mA）。此时，在油的压力作用下，2号、4号插装阀关闭，而3号、5号插装阀打开，压力油经3号插装阀、液压缸、5号插装阀流回油箱，液压缸前进。其中，3号插装阀还兼有节流作用。如图5（b）所示，为液压缸位移与时间关系曲线。

5 结论

本研究所采用的插装阀仿真方法实现了插装回路的逻辑控制功能，能够验证插装阀仿真建模方法具有合理性和正确性，为相关领域插装阀液压系统的分析和设计提供研究思路和技术支持。具体如下：

1）研究插装阀在AMESim软件中的仿真建模方法，分别设计出了方向阀插装单元、压力插装单元以及方向流量阀插装单元的仿真模型。

2）根据不同形式插装阀的仿真模型，分别给出了方向、压力和流量插装阀的超级元件封装方法。

3）对创建的插装阀模型构建仿真回路，通过仿真验证出模型具有正确性，并绘制出仿真输出曲线，得到了合理的液压缸位移与时间关系曲线。