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液 压 气 动 与 暮p 封 ／20 1 4年 第l O期 d o i l 0 ．3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 1 7 A ME S i m在液压传动教学中的应用 王 威 ， 戴锦春 ， 巫世晶 1 ． 武汉大学 动力与机械学院， 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ； 2 ． 镇江船艇学 院 动力指挥系 ， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 摘要 针对 液压传动 课程教学中存在的问题 ， 介绍了A ME S i m软件的基本情况和特点， 指出在教学过程中利用A ME S i m构建液压系 统和元件， 分析液压系统性能和故障， 可以提高教学效果， 增强学生对知识的理解 ， 提高学生解决实际问题的能力。 关键词 液压传动 ； 教学； A ME S i m； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 0 0 0 5 2 0 4 Ap pl i c a t i o n o f AM ES i m i n t he Hy d r a u l i c Tr a ns mi s s i o n T e a c hi n g W A NG W e i 1 , 2 , D A I J i n - c h u n ， WUS h i - ri n g 1 ． S c h o o l o f P o w e r a n d Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Wu h an Un i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 ． P o w e r E n g i n e e r i n g ， Z h e n j i a n g Wa t e r c r a f t C o l l e g e ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e p r o b l e ms i n t e a c h i n g o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n ， i n tro d u c e d t h e b a s i c s i t u a t i o n an d c h a r a c t e r i s t i c s o f AMES i m s o f t wa r e ， i n d i c a t e t h a t b u i l d h y dr a u l i c s y s t e ms an d c o mp o n e n t s ，a n a l y s i s t h e h y dr a u l i c s y s t e m p e rfo r ma n c e an d f a u l t b y u s i n g AM ES i m i n t h e t e a c h i n g p r o c e s s ， t h a t wi l l i mp r o v e t e a c h i n g e ff e c t i v e n e s s ，e n h a n c e s t u d e n t s ’ k n o wl e d g e a n d u n d e r s t a n d i n g ，i mp r o v e s tud e n t s ’a b i l i t y t o s o l v e p r a c t i c a l p r o b l e ms b y u s i n g AM ES i m i n t h e t e a c h i n g p r o c e s s ． Ke y wo r ds h y dra u l i c t r a n s mi s s i o n； t e a c h i n g； AMES i m ； S i mu l a t i o n O 引言 液压传动 课程是工科院校机械专业及机电类专 业的重要必修课 ， 院校培养的工程人员需具有 良好的 合作精神、 系统分析及实际动手能力 ， 以便适应社会和 企业 的需求u 。但学生在学 习过程 中仍存在着诸如概 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 1 作 者简介 王威 1 9 8 2 一 ， 男 ， 黑龙江望 奎人 ， 讲师 ， 硕士研究生 ， 主要从事 液压传动技术方面的教学和科研工作。 I的转 向力均低于整 车模型 Ⅱ， 在相 同的车轮转角情 况下， 整车模型 I 具有更好的转向轻便性， 改善了赛车 的操控性能。 R 蟹 辞 _ 图9 转向力与时间关系曲线 3 结论 通过对蛇形行驶、 稳态回转、 “ 8 ” 字形行驶三项仿 真试验结果进行分析 ， 得出弹簧阻尼器竖向布置式前 双横臂独立悬架能够提高方程式赛车的不足转向特性 52 念模糊 ， 系统抽象 的问题 ， 而在处理实 际问题 时 ， 更存 在着分析和设计液压系统的能力不强等问题。因此 ， 如何提高课程的教学效果 ， 夯实学生的液压传动理论 基础， 提高实际分析和设计液压系统的能力 ， 是整个教 学过程 中必须考虑的一个重要问题。 1 液压传动教学中存在的问题 1 理论与实践脱节 液压传动是一门理论性和实践性都较强的专业课 - -4 -- - - - - - - - - - - 一 及高速过弯的操控性 ， 对整车操纵稳定性和安全性均 有所改善 。 参考文献 【 1 ] 余志生． 汽车理论 5 版 [ M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 9 ． 【 2 ] 陈军． MS C ． AD A MS 技术与工程分析实例【 M】 ． 北京 中国水利 水电出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 ] 于海峰． 基于A D A MS ／ C a r 的悬架系统对操纵稳定性影响的 仿真试验研究【 D 1 ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 夏长高， 高晓辰． 基于A D A MS ／ C ar的双横臂悬架运动学和弹 性运动学分析[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0， 7 5 8 - 6 0 ． [ 5 】 廖中文， 黄军辉， 王海林． 电动汽车悬架布置方案对操纵稳定 性影响的仿真试验分析[ J ] ． 拖拉机与农用运输车， 2 0 1 1 ， 3 8 2 2 3 2 6 ． [ 6 】 倪俊， 徐彬．F S A E 赛车双横臂前悬架运动学仿真及优化f J ] ． 车辆与动力技术， 2 0 1 2， 4 5 1 5 4 ． 【 7 】 戴海燕， 周金． 基于 AD A MS的悬架仿真分析【 J 】 ． 实验科学 与技术， 2 0 1 0 ， 8 3 2 7 3 0 ． Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 0 1 4 程， 要掌握这门课程只通过理论教学是完全不够的， 必 须注重实验这一重要环节。但由于液压实验教学设备 少， 实习课时短等原因， 使实习效果下降。而在实验过 程 中， 涉及的实验 内容又非常有限 ， 只能对简单 回路进 行外部观摩 、 组装 ， 不能对液压系统 的实际工作情况进 行分析 ， 最终导致理论与实践脱节 。 2 元件与系统脱节 在教学 中， 通常是先介绍液压系统 的组成部分 ， 再 根据功能介绍液压系统 回路。这就使学生对液压元件 的认识产生 了局限 j生， 不能在整个系统中考虑和分析元 件的性能， 忽略了元件本身对整个系统性能的影响， 而 液压系统可靠性的高低， 就取决于其元件本身的性能。 3 忽略了液压系统的工作性能 液压系统的性能直接影响着整个设备的运行状 态 ， 而液压系统性能好坏又取决于系统设计的合理性 、 系统元件性能 的优劣等因素 。好 的液压系统其稳态特 性和动态特性都应达 到预期的 目标 ， 但在实际教学 中， 对系统的设计只强调满足功能的需要 ， 而忽略了对性 能的要求。 因此液压传动教学中存在着诸多不利于提高教学 质量和学习效果的问题 ， 所以改革教学方法， 扩充教学 手段势在必行 。 2 AME S i m简介 AME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r P e r f o r mi n g S i mu l a t i o n s o f E n g i n e e r i n g S y s t e ms 是 由 法 国I m a g i n e 公 司开发 ， 被 比利时 L MS国际公 司收购的 一 种工程系统高级建模和仿真平台软件。A M E S i m是 基于直观图形界面的平台， 在整个仿真过程中， 仿真系 统都是通过直观的图形界面展现出来的， 可以创建和 运行多物理场仿真模型， 以分析复杂的系统特性口 。 A M E S i m用 图标符号表示仿真系统 中的各个元 件。这些图标符号包括工程领域的标准图标， 如液压 元件的 I S O图标 、 控制系统的方框 图标等。如 图 1 所示 为标准液压库部分元件。利用标准库元件可构造大部 分液压 系统 。对 于特殊元 件或系统 ， 可采用 H C D H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n 基 础元 件库 。利用该 库可根据物理特性和几何形状详细构建各种液压元 件 ， 例如单向阀、 换向阀、 溢流阀等。适合用于对非标 拿 1；I 母蓟 摊母脚 图1 标准库部分元件 图2 H OD库部分元件 的液压元件进行建模和分析。如图2 所示为H C D 库部 分元件 。 A ME S i m系统仿真标准平台在模型设计 、 系统仿真 以及教学辅助中具有以下优点 1 A M E S i m在 自身的这一平台上实现了多个学科 领域的系统工程建模和仿真， 可创建出与实际更为贴 切 的系统模型 ， 在考虑液压系统 的同时 ， 还涉及机 械、 电气控制等方面内容 ， 有机地将机 、 电、 液综合在一起 ， 而不再是单一学科的问题 ， 突出了机电液一体化的特 点， 实现了整个系统的最佳化。 2 A M E S i m基于最小元素的理念 ， 从物理系统中 提取出构成系统的最小要素， 用户可采用尽可能少的 要素来建立尽可能详细的反映实际系统的复杂模型。 3 A ME S i m具有多种运行模式 ， 如动态模式 、 稳态 模式、 间断连续模式以及批处理模式 ， 对液压系统可 已 进行综合性能分析 。 4 A M E S i m的顶使用者定位为工程技术人员 ， 建 模的语言是工程技术语言 ， 不需要编写人和程序代 码。基于物理模型的图形化建模方式使得 A M E S i m成 为各行业多领域的理想选择。 3 A ME S i m在液压传动教学中的应用 在液压传动教学中可以利用A M E S i m仿真软件构 建液压系统模型， 讲解液压元件结构和功能， 分析液压 元件及系统的性能， 优化液压系统设计、 分析系统故障 原因等。其图形化的建模方式和可视化的结果分析 ， 可以增强对液压系统结构和性能的认识 。 3 ． 1利用AME Si m构建液压系统模型 1 建立液压系统模型 以位 置伺 服位置 系统 为例 。在 AME S i m中S k e t c h M o d e l 模式下， 从液压标准库中选取单向定量泵、 三位 四通M型换向阀、 溢流阀、 蓄能器、 双作用活塞缸等原 件构建液压系统， 另外选取 M O T 为原动机， M质量块作 为负载， x为活塞杆位移传感器， 它将活塞缸的位移信 号转换为电信号， 再与输人信号进行对比， 构成闭环误 差信号， 最后通过放大器放大后驱动伺服阀动作， 以改 变活塞缸 的供油 和回油方 向 ， 调整活塞杆位移直至与 输入值偏差为最小。此系统为闭环系统， 可提高控制 精度。如图3 所示。 2 设置参数 在A ME S i m中的P a r a m e t e r M o d e 中设置各元件参 数 原动机转速 l O 0 0 r ／ m i n ； 油泵排量 5 0 m L ／ r ； 溢流阀最 大开启压力 1 5 M P a ； 信号源3 持续信号为 1 0 ； 活塞缸活 塞 直 径 3 0 m m， 活 塞 杆 直 径 2 0 mm， 行 程 l m； 质 量 块 液 压 气 动 与 密 ．e] - ／ 20 1 4年 第 1 0期 1 0 k g ； 位移传感器增益 1 ； 放大器增 i7 0 0 ； 三位 四通换 向阀额定 电流 3 0 mA； 信号源 9 在 O ～ 2 s 时间内为 0 ，- 4 s 内为0 0 ． 5 ， 4 ～ 6 s 内为 0 ． 5 ， 6 8 s 内为0 ． 5 0 ． 2 。其他参数 默认 。 -a l 3 l 2 卜原动机2 一 单项 变量泵3 、 9 - 信号源4 溢流 阀5 一 蓄能器 6 一 三位 四通 M型换 向阀7 一 放大器8 一 差分结1 0 一 活塞缸 1 卜质量 块1 2 一 位移传感器1 3 一 零力 源 图3 活 塞缸位置控制模型 3 ． 2 利用AME Si m分析液压系统工作特性 在A M E S i m中的S i m u la t i o n M o d e 模式下进行仿真 分析， 点击S t a r t 开始仿真， 得到以下仿真结果。 液压缸最终活塞位移为0 ．2 0 0 0 6 9 m， 而输入的信 号期望值为0 ． 2 m， 所 以其稳态误差为 0 ． 0 0 0 0 6 9 m。而动 态误 差在 0 ． 0 3 5 m范 围以内 ， 如表 l 、 图4 所示 。因此 ， 采 用闭环控制系统， 其稳态误差和动态误差都相对较小。 表 1液压缸变量列表 图 0．5O 0 ． 4 0 0 - 3 0 0．20 0． 1 0 0．O O O． 1 O 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s 信号 实际位移／ m 图 4 输入信号 曲线 、 活塞位移 曲线、 误差 曲线 图5 中系统压力 由0 MP a 升至 1 0 MP a 的响应时间为 0 ． 3 s ， 响应较快。在没有蓄能器的情况下 ， 其响应时间 为0 ． 0 5 s ， 所以在运行初始阶段 ， 系统首先 向蓄能器 内供 5 4 入压力 油 ， 蓄能器 的作用可 以减小液压系统 的压力 冲 击 ， 之后 由溢流 阀调定 系统压 力达到 1 0 MP a 时稳压溢 流。 由于有杆 腔与无杆 腔有效作用 面积不 同 ， 而使得 有杆腔压力始终大于无杆腔压力 。 一 系统压力 图 5系统压力变化 曲线 在单杆缸左右两侧供人相 同流量时 ， 其活塞在两 个方向上的运动速度是不等的。V Q ／ A ； A 有 杆 无 杆 。而图6 所给出的曲线 中其结果刚好相 反 活塞伸出速度大于回缩速度 。其原因是单杆缸的 工作条件不 同所造成 的。当阀控单杆缸在负载相 同、 恒压源 的条件下工作时 ， 活塞 的伸 出速度就会快于活 塞 的回缩速度 。这种情况恰好与单杆缸在进入两腔压 力和流量相 同时活塞 的伸 出及 回缩速度完全相反 ， 所 以在实 际应用 中要特别注意 。如需要求活塞伸 出与 回缩速度相 同， 可采用双杆缸来实现 。 一 - 0 ． ． 0 ． 5 。 一O．2 5 图 6活 基 运 动 速 厦 曲线 3 ． 3 利用 A ME S i m分析液压元件特性 单向阀是液压系统方向控制阀中的重要元件 ， 其 功能是 限制 油液单 向流通 。利用 A ME S i m中的 HC D 库中的基础模型搭建单向阀模型 如图7 并设置参数 液压 源信号 0 ～ 1 0 s ， 0 ～ 5 b a r ， 阀座直径 5 m m， 球直 径 1 0 mm， 球 阀 惯 量 0 ． 0 2 k g ， 最 大 升 程 l m m， 最 小 行 程 0 m m， 活塞直径 1 0 m m， 活塞杆直径 5 m m， 弹簧刚度 1 N ／ m m， 零位移弹簧力3 ．9 3 N 。 图 8为单 向 阀特 性 曲线 。单 向 阀入 口压 力 升至 0 ． 2 MP a 时 ， 阀芯开启 ， 流量与 阀芯开度和压力成正 比关 系 ； 当阀芯开启至最大升程 1 mm后 ， 流量仅与人 口压力 成正比。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 0 ． 2 01 4 1 卜液压源 2 一 球阀3 一 球阀惯量4 一 活塞5 一 零力源 图 7 单 向阀结构模型 图8单向阀特 性 曲线 3 ． 4 利用 AME Si m分析液压系统常见故障 1 系统压力波动 通过频率为0 ． 5 H z ， 在 5 ～ 1 5 内的阶跃信号， 改变溢 流阀溢流压力在 5 ～ 1 5 M P a 范围内波动 ， 来模拟系统压 力波动 。当由于某种原 因导致系统压力波动 时 ， 将造 成 活塞位移及运动速度产生波动 ， 如图9 所示 。 o 6 0 一 全 使 ， O ． 5 0 0 ． 4 0 0 _ 3 O 0 ． 2 O 0． 1 0 0．O O 一0． 1 0 0．2 O ．0- 3 O 图 9 系统压力波动影响 2 液压缸内漏 液压缸的最常见故障就是泄漏 内漏和外漏 。外 漏常常通过外部观察即可判断 ， 但内漏却存在着隐蔽 性 ， 不易发现 ， 而影 响系统的正常工作【 5 ] 。从图 1 0中可 分析 ， 当液压缸发生内漏时， 由于单杆缸左右作用面积 不同造成有杆腔压力较高， 使得液体通过缝隙内漏至 无杆腔， 致使活塞继续向有杆腔侧移动， 而在活塞回缩 阶段 ， 泄漏量 的增加将 大大延长活塞 的回缩时间 l 。 3 油液混人气体 在液压系统中， 油液中气体的含量将直接影响油 液 的压缩性 ， 利用 A ME S i m中 B a t c h p a r a m e t e r s 功能 ， 轻 松实现参数的批量仿真。如图1 1 所示为油液中气体含 量为O ．1 ％， 3 ％， 5 ％不同情况下， 液压缸无杆腔压力变 化曲线。可见， 随着空气含量的增加， 液压系统将会产 生滞后和波动口 ] 。 泄漏系数0 L ／ mi n t b a r ⋯一 锻漏系数0 ． 1 L ／ mi n - b ar ⋯一 泄漏系数0 ． 2 L ／ mi n b a r 图 1 0不同泄漏系数下活塞位移 曲线 m 图 1 1 无杆腔压力变化 曲线 4 总结 综 上所述 ， 将 A ME S i m应 用于液压 传动课程教 学 中， 可 以利用其元件库直观 、 快捷的搭建液压系统模型 或液压元件模型， 通过仿真分析系统 元件 的工作特 性和故障原因， 进而对系统进行优化设计。这样就克 服了传统教学中理论与实际脱节等问题， 增强了学生 的感性认识， 加深了学生对流体力学、 液压传动知识的 理解 和掌握 ， 提高了学生分析和解决实际问题的能力 ， 创造了一个 “ 教 ” 与“ 学 ” 互动 ， “ 学 ” 与“ 用 ” 互通 的良好 环境， 进而提高了教学效果和学习效果。 参考文献 [ 1 】 张平格 ， 赵月罗， 卢军民． 谈谈 C D I O 模式下 液压传动与控 制 课程的教学改革[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 8 ， 8 1 4 1 6 ． [ 2 ]2 付永领． L MS I m a g i n e ． L a b AM E S i m系统建模和仿真[ M 】 ． 北 京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 3 ] 徐平． 关于阀控单杆缸活塞杆伸出及回缩速度的讨论f J ] ． 液 压与气动， 2 0 0 5 ， 4 5 6 5 7 ． [ 4 】 彭熙伟， 陈建萍， 李金仓． 单 向阀的特性及应用f J 1 ． 液压与气 动， 2 0 0 4 ， 1 6 O 一 6 1 ． [ 5 】 米双山， 付久长， 韩翠娥． A ME S i m在液压系统故障仿真中的 应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 1 8 3 1 8 6 ． [ 6 】 周小军 ， 姜乐华 ， 高经纬． 基于A M E S i m的液压缸内泄漏仿真 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 2 3 1 4 7 1 5 0 ． 【 7 】 张宪宇 ， 陈小虎 ， 何庆飞． 基于A M E S i m的液压缸故障建模与 仿真f J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 1 0 2 6 2 8 ． [ 8 】 陈成， 严雯． 液压系统混入空气后的影响的分析及措施『 J 1 ． 液 压与气动 ， 2 0 1 1 ， 7 1 1 0 1 1 2 ．