液压差动回路的AMESim的仿真教学应用

曾亿山，张 涛，赵 晨，陈 建

（合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

目前学校中的液压实验课程教学采用先理论后实践，先通过书本和老师的讲解理解基础知识，再到实验室中进行液压系统搭建连接实际操作。液压系统本身包含运用十分广泛，在不同工作要求下，它本身的工作特点、工况特点都不一样[1,2]。只是对液压系统的结构和原理有了简单的认识，并不能更好的理解整个液压系统各个元件的工作特性情况。AMESim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，工程系统仿真的高级建模环境）仿真软件可以搭建出不同的液压系统，帮助学生更好地理解液压系统中的阀、缸的工作特性[3,4]。AMESim软件为是一款综合性很强的多学科仿真平台，如图1所示，可以用来搭建跨学科领域的复杂模型，进行仿真计算和数据分析[3-5]。目前将AMESim仿真软件用于教学的研究仍很少，更多的研究者是将AMESim引入到液压系统的研究中，目前的高校液压课程中很少涉及AMESim的教学，将AMESim引入液压实验课程中有利于提高学生在液压实验中对液压系统不同元件的工作特性的理解[6]。

图1 AMESim平台界面图

2 液压差动工作原理

2.1 液压差动回路原理

目前液压差动回路大多运用于大型机械工作中，通过液压缸两端压力的不同可以实现执行元件的快进或快退，用以满足实际工作的需求。液压差动回路的工作原理是利用液压工作缸的工作面积差来实现执行元件的快进和快退，液压工作缸的缸腔分为有杆腔和无杆腔，两者之间的工作面积差为工作杆的截面面积。当差动液压回路工作时，有杆腔的液压油回到无杆腔可以提高执行元件的工作速度，从而可以在不改变泵的数量和系统回路中流量大小的情况下提高速度。

以某一液压差动回路为例，如图2所示，开始工作时电机转动带动泵为液压系统供油，此时2YA持续得电，电磁换向阀处于右位，油液进入液压工作缸无杆腔，有杆腔内油液在电磁铁3YA得电的情况下，经电磁换向阀4后也流入液压工作缸无杆腔此时便形成了液压缸的快速差动。此时若是不考虑管路连接与阀的泄露，无杆腔和有杆腔中油液的压力大小是相等的，当相等的压力作用在不同大小的工作面上时，会产生力F方向为无杆腔指向有杆腔，会加速推动杠杆移动。若开始工作时进入无杆腔的油液流量为q1，而A1为无杆腔工作面积，A2为有杆腔工作面积，从有杆腔出来的油液流量为q2=V3A2，速度为V3，在不考虑泄露的情况下可以得到：

图2 液压差动回路原理图

则活塞杆V3伸出速度V3可以由此求出：

若想要使活塞杆的往返速度V3、V2相等，则需要满足条件：

其中D为液压缸的直径，d为杆的直径。此时若忽略两端液压油流动和其他压力损失，可以得出活塞杆F为：

当活塞杆接触到工件时，系统受外力影响压力升高，此时电磁铁3YA失电，液压油会经电磁换向阀4右位，进入液压缸无杆腔，有杆腔中的液压油会在电磁换向阀6右位的情况下流经节流阀回到油箱，使活塞杆进行非差动右行。欲使活塞杆返回，先使1YA持续得电，此时电磁阀1的右位进入系统开始工作，泵由电机带动将油液输送流经电磁阀4，经节流阀中的单向阀进入电磁换向阀6的右位，流入液压工作缸的有杆腔，推动活塞杆返回，无杆腔中的油液会直接回到油箱。

2.2 AMESim仿真

根据上述的简易的液压差动回路原理图，搭建AMESim仿真模型，该系统主要由电机1、液压泵2、溢流阀3、电磁换向阀4、液压工作缸5、电磁换向阀6、节流阀7等元件组成。本次仿真的液压差动系统经简化后选用恒压源。选用溢流阀作为安全阀防止系统压力过高损伤液压元件。本次仿真主要是通过改变缸径和杆径来实现不同速度下的工进和快进，通过活塞杆的速度变化可以加深学生对液压差动回路的原理的认识。

学生在理解液压差动回路原理图的基础上，可以通过AMESim软件搭建液压差动回路仿真模型如图3所示。

图3 液压差动回路模型图

3 AMESim仿真在实验教学中的运用

AMESim仿真软件是一款功能很强大系统建模仿真软件，在液压领域中运用的十分常见。但大多数学者只是运用于建模仿真，这需要对液压回路有了很深的理解之后，才可以正确的设定每个液压元件需要的参数。而本文使用AMESim仿真软件帮助学生理解液压回路原理，首先应该帮助学生了解每个液压元件的关键参数，了解液压元件的工作原理。

本文选用的液压差动回路，主要由液压泵、电机、溢流阀、电磁换向阀、液压缸、节流阀、单向阀、管道等组合而成。在实验教学之前，指导学生了解基础液压元件的工作原理。这些原理知识在本科课程的学习中都有所涉及。在学会液压元件的工作原理的基础上，了解AMESim仿真中每个元件的主要参数，即可进行简单仿真实验。液压泵的主要参数为排量V与转速n，由泵的排量和转速可以得到泵的理论流量q。溢流阀的主要参数为安全阀流量压力梯度和最大极限压力。液压缸的主要参数为缸径和杆径，以及死区空间。节流阀的主要参数是阻尼孔孔径大小。

在做好上述准备工作后，就可以进行AMESim仿真教学。本文就简化的液压差动回路为例，由于上文提到过，在D=1.414d时，才可以实现活塞杆的往返速度一致，所以首先是选用缸径为80 mm、杆径为30 mm的液压缸1，与缸径为80 mm、杆径为57 mm的液压缸2两组不同缸杆径比的液压缸。通过给定信号，控制电磁换向阀4、电磁换向阀6，给定的控制信号与系统的工况如表1所示。

表1 控制信号与系统工况表

通过AMESim仿真软件可以得到该液压差动回路在这四种不同工况下的活塞杆位移、速度随时间变化的曲线，如图4。通过图4可知在该液压差动回路在电磁换向阀4处于右位，电磁换向阀6处于左位时，活塞杆的速度相较电磁换向阀4处于右位时，电磁换向阀6处于右位时是有很大的提高。如图4所示，实线为工进工况下活塞杆位移随时间变化曲线，点划线为液压系统进行快进工况下，活塞杆位移随时间变化曲线。可以看出快进时活塞杆速度远大于工进的活塞杆速度。

图4 活塞杆位移图

由上文公式（3）可得，当液压缸的缸杆径之比为1.414时，在液压差动回路中可以实现快进工况下液压杆的伸出速度大小等于快退工况下液压杆回缩速度的大小。此前实验中采用的缸径为80mm、杆径为57mm的液压缸1可与对照组，即缸径为80mm、杆径为57mm的液压缸2，形成对照试验。可以验证该组仿真中活塞杆的快进与快退的速度是否相同。下图中图5（a）为液压缸1的快退与快进工况下活塞杆的位移变化图，图5（b）为液压缸2的快退与快进工况下活塞杆的位移变化图。在图5（b）可以看出在缸径为杆径的1.414倍时，可以使活塞杆在快退与快进工况下的速度大小相同。

图5 活塞杆位移变化图

此时也可以通过AMESim仿真软件得出电磁换向阀4的A口流量、液压缸1入口处流量和电磁换向阀6的A口处流量大小，验证是否符合上文公式。由图5可知，1口处流量为电磁换向阀4的出口流量，2口处流量为液压缸有杆腔排出液压油的流量，3口处流量为进入液压缸无杆腔流量。由图6可得，在0-6秒内，3口处流量为1口和2口处流量之和。

图6 液压差动回路流量分析图

4 结语

液压差动回路是液压基本回路中的一种，但由于液压系统组成元件过多，原理不易理解，而AMESim是一款功能强大的综合性平台，可以很好地对液压系统进行建模仿真实验。本文使用AMESim软件进行建模仿真，对液压差动回路的工作原理和特性进行验证，通过在给定不同信号而实现不同工况的基础上，设置缸杆径比为1.414时，观察其对活塞杆速度的影响，验证差动回路的流量是否符合原理，通过在验证过程中的学习，辅助学生理解液压回路原理。