AMESim仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用

，

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 吉林 長春　130025;2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春　130025)

引言

隨著機(jī)電液傳動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓傳動(dòng)控制技術(shù)在工程機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用率達(dá)95%以上，其對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品整體性能的影響也越來越大。面對(duì)全球制造企業(yè)日趨激烈競爭，如何快速、高效、準(zhǔn)確地對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以提高工程機(jī)械整機(jī)產(chǎn)品的性能及可靠性，已成為工程機(jī)械行業(yè)和液壓行業(yè)所必需面對(duì)的課題。

目前，全球各制造企業(yè)都在大力推廣和應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的CAD/CAE設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新與開發(fā)，以期縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本及風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在工程機(jī)械行業(yè)中，利用現(xiàn)代分析方法對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)已經(jīng)取得良好的效果，并被幾乎所有的設(shè)計(jì)者所接受。但對(duì)于工程機(jī)械產(chǎn)品中扮演重要傳動(dòng)角色的液壓系統(tǒng)，目前絕大部分企業(yè)還是停留在簡單的、靜態(tài)的計(jì)算，其結(jié)果完全不能表達(dá)液壓系統(tǒng)中真實(shí)的物理現(xiàn)象，而機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)在主機(jī)中是同時(shí)存在并互相作用的這種機(jī)械結(jié)構(gòu)分析結(jié)果精確但液壓系統(tǒng)分析結(jié)果粗糙的現(xiàn)象，對(duì)整機(jī)的設(shè)計(jì)是非常不利的。

筆者所在的團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問題進(jìn)行了多年深入的研究，并在多個(gè)大型工程機(jī)械企業(yè)實(shí)踐和推廣液壓系統(tǒng)的現(xiàn)代分析設(shè)計(jì)方法，并為企業(yè)建立了較為完整的專用液壓元件模型庫，建立了系統(tǒng)分析的規(guī)范和流程，取得了良好的效果。液壓仿真技術(shù)作為現(xiàn)代先進(jìn)的CAD/CAE設(shè)計(jì)分析方法之一，已逐漸被企業(yè)接受和應(yīng)用。

1　液壓仿真技術(shù)與AMESim軟件

1.1　液壓仿真技術(shù)

20世紀(jì)50年代，液壓仿真技術(shù)初現(xiàn)端倪，然而由于流體的非線性特點(diǎn)，初期發(fā)展緩慢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、建模方法等的不斷發(fā)展，液壓仿真技術(shù)日臻完善，相繼推出了DSHplus、MATLAB/Simulink、Hopsan、EASY5、AMESim等液壓仿真分析軟件，液壓仿真已成為科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中必不可少的使用技術(shù)。

液壓仿真技術(shù)在實(shí)際使用中也越來越多地扮演著“先知”角色，用于系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、篩選、評(píng)估、優(yōu)化；虛擬故障分析判斷；虛擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試；系統(tǒng)、元件的系列化開發(fā)等。但是，要想更好的發(fā)揮“先知”的作用，必須與實(shí)驗(yàn)測(cè)試這個(gè)“事后諸葛亮”結(jié)合起來，它是數(shù)字化仿真的基石。

1.2　AMESim仿真軟件

AMESim(Advanced Modeling Environment for Performing Simulation of Engineering Systems)是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。AMESim軟件采用能量端口的建模方法，較之功率鍵合圖更先進(jìn)，該方法直接表示了系統(tǒng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來從而專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。

AMESim軟件提供了多達(dá)27個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用庫，各個(gè)應(yīng)用庫由該領(lǐng)域的基本元素模型單元構(gòu)成，且這些不同物理領(lǐng)域應(yīng)用庫中的基本單元模型都經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。該軟件還具備與其他軟件包豐富的接口，如Simulink；Adams；Simpack；Flux2D；RTLab；SPACE等。除此之外，AMESim軟件還具有圖形化操作界面、支持實(shí)時(shí)仿真、數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)文檔生成功能、通用液壓元件模型庫支持特定模型的創(chuàng)建、二次開發(fā)、智能求解等功能。

AMESim軟件針對(duì)液壓仿真開發(fā)了包括液壓庫、液壓元件設(shè)計(jì)庫、液阻庫、注油庫及熱液壓相關(guān)的專業(yè)應(yīng)用庫7個(gè)。

1.3　AMESim液壓仿真分析

AMESim軟件的建模方式包括數(shù)學(xué)方程級(jí)、方塊圖級(jí)、基本元素級(jí)和元件級(jí)四個(gè)層次，用戶可根據(jù)自己的特點(diǎn)和專長選擇合適的建模方式或多層次組合使用。

根據(jù)實(shí)際液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)具體情況，結(jié)合實(shí)際仿真分析經(jīng)驗(yàn)，不同建模條件下建立的模型性質(zhì)各異，如表1所示。為此，依據(jù)液壓元件的輸入輸出特性及自身結(jié)構(gòu)特性對(duì)液壓仿真模型進(jìn)行了分類，以對(duì)應(yīng)不同的仿真需要，如表2所示。

表1　建模條件及其優(yōu)缺點(diǎn)

表2　模型分類及功能

2　應(yīng)用案列

筆者所在的團(tuán)隊(duì)多年來對(duì)汽車起重機(jī)、履帶起重機(jī)、鉸接式裝載機(jī)、滑移裝載機(jī)、挖掘裝載機(jī)等主機(jī)產(chǎn)品的液壓元件、液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析。建立了液壓元件的元件級(jí)、部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的計(jì)算模型，利用該模型在主機(jī)液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算、系統(tǒng)匹配、系統(tǒng)故障分析、系統(tǒng)優(yōu)化、機(jī)液聯(lián)合仿真等方面取得了良好的效果。以下以實(shí)例說明所做的典型工作。

2.1　系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

某型號(hào)滑移裝載機(jī)工作液壓系統(tǒng)動(dòng)臂控制回路在實(shí)際操作過程中，先導(dǎo)操縱手柄空行程過大，微控性能差，需對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化。

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)及元件的工作原理，建立了如圖1所示的滑移裝載機(jī)工作液壓系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中，先導(dǎo)閥、多路閥、調(diào)平閥根據(jù)各閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)建立的HCD仿真模型。

圖1　某型滑移裝載機(jī)工作液壓系統(tǒng)仿真模型

對(duì)系統(tǒng)動(dòng)臂多路閥進(jìn)行按照與實(shí)際操作相符的工況(發(fā)動(dòng)機(jī)2400 r/min，空載)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。其中，p為先導(dǎo)壓力；Q為多路閥輸出流量；x1為多路閥閥芯位移；x2為觸頭位移。仿真結(jié)果表明，先導(dǎo)閥對(duì)應(yīng)控制多路閥的線性調(diào)速區(qū)間為2～5.2 mm，共3.2 mm，占總行程的42.1%；空行程為2 mm，占總行程的26.3%。先導(dǎo)閥對(duì)應(yīng)控制多路閥的全流量范圍調(diào)速的線性控制區(qū)間利用率太低。

圖2　匹配特性現(xiàn)狀仿真曲線

通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)定性的研究分析及相對(duì)應(yīng)的仿真研究，制定了針對(duì)該匹配特性現(xiàn)狀的優(yōu)化方案如表3所示。經(jīng)過多次仿真優(yōu)化分析，最終確定了優(yōu)化后的參數(shù)方案如表4所示。

表3　匹配優(yōu)化方案

表4　匹配優(yōu)化前后主要相關(guān)參數(shù)

按照優(yōu)化后參數(shù)更換多路閥閥芯及彈簧，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，并與優(yōu)化前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比曲線可知，優(yōu)化后不論在輕、重載情況下，先導(dǎo)閥對(duì)應(yīng)控制多路閥的全流量范圍調(diào)速的線性控制區(qū)間利用率明顯提高。根據(jù)多名操縱員的反饋，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)優(yōu)化后的操縱性和微控性較優(yōu)化前有了大幅提高。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)2400 r/min，空載工況下優(yōu)化前后匹配特性

2.2　元件系列化開發(fā)

以某型號(hào)雙回路充液閥為例，充液壓力上限為13.8 MPa，充液下限為11.4 MPa，額定充液流量為10.0 L/min。該充液閥工作原理如圖5所示，主要由4部分組成，與液壓系統(tǒng)連接如下：P接液壓油泵出油口，O至下游動(dòng)力系統(tǒng)，SW接低壓報(bào)警開關(guān)，T接油箱，A1、A2分別接兩個(gè)蓄能器。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)2400 r/min，1.2 t載荷工況下優(yōu)化前后匹配特性

1.主閥　2.單向閥過濾器組件　3.先導(dǎo)控制閥　4.梭閥圖5　雙回路充液閥工作原理圖

對(duì)該充液閥實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)繪，其中，先導(dǎo)控制閥結(jié)構(gòu)如圖6所示。根據(jù)充液閥工作原理及其實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用AMESim軟件建立充液閥HCD模型，如圖7所示。其中節(jié)流閥K主要為了模擬充液閥去下游動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)載壓力，其他結(jié)構(gòu)組成部分與接口均與圖1相對(duì)應(yīng)。

1.閥體　2.閥套　3.閥芯　4.密封圈　5.鋼球　6.鋼球　7.密封圈圖6　先導(dǎo)控制閥結(jié)構(gòu)圖

1.充液主閥　2.單向閥過濾器組件　3.先導(dǎo)控制閥　4.梭閥圖7　蓄能器充液閥AMESim模型

研究發(fā)現(xiàn)，充液閥的壓力控制主要由先導(dǎo)控制閥實(shí)現(xiàn)，其中，充液上限壓力由閥芯直徑D2、控制彈簧剛度K2、控制彈簧初始?jí)嚎s量決定，充液下限壓力由FT1端鋼球直徑D1、控制彈簧剛度K2、FT1端閥套錐角度α和控制彈簧初始?jí)嚎s量決定。雙回路充液閥系列化生產(chǎn)時(shí)，主要對(duì)充液閥的充液上下限壓力進(jìn)行系列化，以實(shí)現(xiàn)不同的壓力控制區(qū)間要求。根據(jù)系列化最小改動(dòng)原則，經(jīng)對(duì)相關(guān)影響因子分析后確定影響充液閥系列化的關(guān)鍵參數(shù)為控制彈簧初始力。分別設(shè)置控制彈簧初始力值為236.88 N、257.459 N、305.459 N、377.149 N，在其他仿真條件相同的情況下，對(duì)仿真模型進(jìn)行批處理運(yùn)算，仿真結(jié)果如圖8所示。

1.彈簧初始力257.459 N　2.彈簧初始力377.149 N 3.彈簧初始力305.459 N　4.彈簧初始力236.880 N圖8　充液閥批處理仿真結(jié)果

4組仿真結(jié)果的上限壓力分別為19.0 MPa、15.8 MPa、13.9 MPa、12.9 MPa，與實(shí)際該充液閥系列的上限壓力19.0 MPa、15.9 MPa、13.8 MPa、12.8 MPa基本相同；同時(shí)，仿真得到的下限壓力分別與圖8中的E1、E2、E3、E4對(duì)應(yīng)，分別為15.2 MPa、12.5 MPa、11.4 MPa、10.9 MPa，與實(shí)際該充液閥系列的下限壓力15.5 MPa、12.8 MPa、11.4 MPa、10.3 MPa也基本相同。

圖10　聯(lián)合仿真時(shí)行走系統(tǒng)的AMESim仿真模型

2.3　動(dòng)態(tài)功率流仿真分析

傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的實(shí)質(zhì)是能量，在工程中，能量的流速稱為功率，人們廣泛接受和描述的概念就是功率的流動(dòng)。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，液壓功率經(jīng)各系統(tǒng)組成元件流向負(fù)載，液壓功率的大小由同時(shí)發(fā)生的壓力勢(shì)變量和流量流變量的乘積決定，對(duì)應(yīng)功率的勢(shì)變量與流變量之間是成對(duì)的因果關(guān)系，故可以利用動(dòng)態(tài)功率流來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)性能。AMESim仿真軟件正是采用能量端口的建模方法，恰巧滿足動(dòng)態(tài)功率流分析的需求。然而，要想清晰準(zhǔn)確的進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率匹配研究，準(zhǔn)確的等效負(fù)載模型不可或缺。

以某型滑移裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)為例，基于LMS Motion軟件建立了滑移整機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)負(fù)載模型，如圖9所示。用于聯(lián)合仿真的滑移裝載機(jī)行走液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型如圖10所示。仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置均和實(shí)際樣機(jī)一致。

圖9　滑移裝載機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型

以單邊轉(zhuǎn)向工況為例進(jìn)行仿真分析，發(fā)動(dòng)機(jī)2400 r/min，空載，推動(dòng)單邊伺服控制手柄，兩側(cè)液壓馬達(dá)壓力仿真結(jié)果如圖11所示。當(dāng)整機(jī)單邊轉(zhuǎn)向時(shí)，由于制動(dòng)側(cè)馬達(dá)存在泄漏，因此制動(dòng)側(cè)馬達(dá)有向前滾動(dòng)的過程，其轉(zhuǎn)速如圖12所示，此時(shí)制動(dòng)側(cè)馬達(dá)工作在“泵”工況，從低壓側(cè)吸油輸入高壓側(cè)，同時(shí)高壓側(cè)的油液泄漏回低壓側(cè)，伴隨此過程產(chǎn)生的功率為寄生功率。如圖13所示，單邊轉(zhuǎn)向時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為33.5 kW，行走驅(qū)動(dòng)泵輸出功率為25.2 kW，補(bǔ)油輸出功率為1.83 kW，工作泵輸出功率0.6 kW，寄生功率為0.25 kW。

1.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)高壓側(cè)　2.制動(dòng)馬達(dá)高壓側(cè) 3.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)低壓側(cè)　4.制動(dòng)馬達(dá)低壓側(cè)圖11　單邊轉(zhuǎn)向馬達(dá)壓力仿真曲線

圖12　制動(dòng)側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速

1.發(fā)動(dòng)機(jī)功率　2.左行走泵功率　3.補(bǔ)油泵功率 4.工作泵功率　5.寄生功率圖13　單邊轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功率特性

3　結(jié)論

俗語云：“工欲善其事必先利其器”。AMESim仿真軟件憑借自身的特點(diǎn)，已被工程機(jī)械行業(yè)和液壓行業(yè)用于對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行快速、高效、準(zhǔn)確地分析設(shè)計(jì)所接受。AMESim仿真軟件在液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、液壓元件系列化開發(fā)、液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功率匹配、聯(lián)合仿真等應(yīng)用方面成效顯著， 幫助行業(yè)攻克和解決了所面臨的

實(shí)際難題。隨著相關(guān)液壓庫專業(yè)基本要素模型的不斷完善，AMESim仿真軟件在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中將發(fā)揮更重要的作用。

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2016年第4屆中日流體動(dòng)力論壇征文通知

作為流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域中日青年學(xué)者交流計(jì)劃的一部分，由中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)流體傳動(dòng)與控制分會(huì)和日本油空壓學(xué)會(huì)組織的第4屆中日流體動(dòng)力論壇將于2016年5月25日在日本東京舉行。前三屆分別于蘭州(2010)、日本東京(2012)和太原(2014)成功舉辦，有力的促進(jìn)了中日雙方在流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流與合作，已經(jīng)成為優(yōu)秀青年學(xué)者展示科研成果、開展國際交流的重要舞臺(tái)。中日流體動(dòng)力論壇是中日雙方青年學(xué)者每兩年一次的代表性成果展示，代表了中日雙方在流體傳動(dòng)與控制領(lǐng)域?qū)W術(shù)界的水平，舉辦時(shí)間依托中日雙方各自的國內(nèi)流體傳動(dòng)與控制年會(huì)和學(xué)術(shù)會(huì)議，是各自學(xué)術(shù)大會(huì)的一個(gè)重要組成部分。經(jīng)過流控分會(huì)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)和同意，特面向全國征集能夠代表中國流控領(lǐng)域近2年科技成果的優(yōu)秀論文，學(xué)會(huì)將組織專家對(duì)征集的論文進(jìn)行評(píng)審和篩選，最終確定5篇代表中方的論文，在會(huì)議上做學(xué)術(shù)報(bào)告。

2016年的第四屆中日流體動(dòng)力論壇由日方主辦，會(huì)議主題為“Innovative Key Technology?on Fluid Power”。日方已經(jīng)確定了此次會(huì)議的時(shí)間計(jì)劃表：

□ 1月15日截止：國內(nèi)征集論文，提交論文長摘要給流體傳動(dòng)與控制分會(huì)(聯(lián)系人：浙江大學(xué)徐兵教授，bxu@zju.edu.cn,手機(jī)：18857145885)。要求：A4紙2頁，1000字左右，不超過4張圖和曲線；(不限于此，只要能展示論文的水平，多幾頁也可)

□ 1月15-30日，分會(huì)組織專家評(píng)審并最終篩選出5篇優(yōu)秀的學(xué)術(shù)論文；

□ 2月1日，發(fā)錄用通知給作者，要求提供全文，并提供給大家相應(yīng)模板(日方負(fù)責(zé)模板)；中方把最終遴選出的5篇論文作者相關(guān)信息交給日方，開始辦理相關(guān)人員赴日簽證工作；(注意：中國的春節(jié)是2月7-13日)

□ 3月4日，中方5篇論文的全文提交截止日；

□ 3月5-19日，2名日方評(píng)審者檢查中日雙方的論文內(nèi)容和格式要求等；

□ 3月20日，評(píng)審結(jié)果和修改意見反饋給作者；

□ 4月10日，論文最后提交截止日；

□ 5月25日，中方相關(guān)人員赴日參加第4屆中日流體動(dòng)力論壇會(huì)議。(注意：赴日費(fèi)用由論文作者自行承擔(dān)，流控分會(huì)負(fù)責(zé)組織工作)

備注1：“青年學(xué)者”的界限， 45歲以下

詳情請(qǐng)見：http://www.yeyanet.com/_d277102548.htm